第01章迎接制造业信息化新时代

第1章迎接制造业信息化新时代三维CAD与信息化设计制造技术的应用和发展国家制造业信息化工程/MIE国内外主要三维CAD软件与应用简介CAXA三维实体设计的创新设计思想与设计流程一、三维CAD与信息化设计制造技术的应用和发展进入新的世纪以来，随着信息技术的迅猛发展及其全方位地加速渗透，全球正经历从工业社会向信息社会的过渡，制造业信息化已成为发展的必然趋势。围绕提高产品创新能力，三维CAD、并行工程与协同管理等技术迅速得到推广；异地制造与网络企业成为新的生产组织形态；基于网络的产品全生命周期管理（PLM）和电子商务（EC）成为重要发展方向。数字化、网络化、智能化、全球化，以及产品创新更快、品质更优、成本更低、服务更好已经成为现代全球制造业的基本特征。现代数字化网络化设计制造的关系1.设计信息化信息化设计实现了产品设计手段与设计过程的数字化和智能化，缩短了产品开发周期，提高了企业的产品创新能力。信息化设计包括产品数字化设计与过程数字化设计，前者的对象是产品，而后者的对象则是产品的制造过程。数字化、网络化设计是制造业信息化的基础之一，也是应用最广泛、研究最深入、效益最显著的领域。目前的发展方向与特点大致可以概括为：智能化、虚拟化和标准化。智能设计包括设计过程的再认识、设计知识的表达、多专家系统协同技术、再设计与自学习机制、多种推理机制的综合应用、智能化人机接口等，智能设计不仅能够有效地支持产品的创新设计，并且已经在实际中得到了越来越广泛的应用。智能设计应用三维CAD、虚拟设计等现代信息技术，模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，使计算机更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，使之成为设计人员的重要辅助工具。1）智能化2）虚拟化虚拟设计/制造技术是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、计算机仿真技术、机械设计与制造技术等技术综合发展的产物。虚拟设计/制造技术包括基于三维CAD等所创建的虚拟环境中人机交互技术、虚拟环境中产品设计技术、虚拟产品结构性能分析技术、虚拟环境中装配设计与评价技术、虚拟环境中产品可加工性分析、面向设计与制造的智能虚拟环境、分布式虚拟设计与制造平台开发、虚拟产品设计软件工具集、虚拟产品工程分析软件工具集、虚拟产品评价软件工具集等。美国波音公司在波音777和737－800两种机型的研制过程中，采用并行工程和虚拟设计/制造等方法，组建集成产品开发团队（IPT），采用并行产品定义（CPD）和100％的数字化预装配，大量使用三维CAD/CAM技术，实现了无图纸设计。其中，波音777飞机仅用了三年零八个月就一次试飞成功。洛克西德导弹与空间公司（LMSC）采用并行工程和虚拟设计/制造的方法，改进产品开发流程、实现信息集成与共享，并组织综合的产品开发团队，从而使新型导弹的开发周期由原来的五年缩短到了24个月，研制周期缩短了60％。为了实现设计资源的共享，国际上对与产品开发和设计有关的标准化技术进行了深入研究，其中最重要的是由国际标准化组织（ISO）颁布的关于产品数据表达与交换标准STEP（ISO10303）以及零件库标准（ISO13584），这两个系列标准将对制造业信息化产生比较重要的影响。3）标准化德国戴姆勒—克莱斯勒公司和法国雷诺公司的轿车、NFTEricsson公司的军用雷达、法国AlcatelEspace公司的卫星设备、德国西门子公司的雷达设备等都采用了虚拟设计/制造方法，产品开发周期缩短了30%～60%，成本降低了15%～30%。2.制造信息化信息化制造装备的广泛应用，大幅度地提高了企业生产效率、提高了产品质量与档次、缩短了生产周期、提高了企业的市场竞争能力，不仅开辟了机械制造柔性自动化的新纪元，而且引发了制造工艺与装备的革命，导致了生产方式、管理体制、产品结构和产业结构的改变。1）先进制造工艺高速、高效加工技术的应用大大提高了现代加工效率。例如某飞机薄壁零件在普通铣床上加工需要8h，在普及型加工中心只用30min，而利用高速铣床加工仅需3min。此外数控机床的换刀时间（1s）、工件交换时间都在进一步缩短，加之采用新型刀具材料后，可以使数控机床的切削能力越来越强，这些因素都使数控机床加工效率越来越高。目前,世界上许多汽车制造厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代了原有的组合机床。2）先进制造装备对三维曲面零件及复杂箱体点位加工的实现推动了三轴联动数控机床的广泛应用。而一台五轴联动机床的效率大致相当于两台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀对淬硬钢零件进行高速铣削时，五轴联动加工可以比三轴联动加工发挥更高的效率。数控装备的网络化极大地满足了生产线、制造系统乃至制造企业对信息集成的需求，也是实现敏捷制造、虚拟企业、全球制造等制造模式的基础单元。3.管理信息化1）知识管理信息化管理是信息化设计与制造的延伸与发展，也是企业信息化系统与数字化、网络化设计与制造系统的结合。通过包括产品设计、制造数据在内的企业内外部信息的集中、积累、共享、优化、利用、开发和管理等，从根本上提高企业经营效率，并对多变的全球市场做出迅速响应。知识管理是知识经济时代的特征。知识管理的目标是企业知识的识别、获取、开发、分解、储存和传递，从而使企业的每个员工在最大限度贡献出知识的同时，也能尽可能分享他人的知识。《财富》杂志排名的世界前1000家大企业中，有52%的企业已经在实施知识管理项目。2）产品全生命周期管理（PLM）产品全生命周期管理（PLM）是以产品为核心、以产品设计/制造数据为基础、以产品全生命周期服务为理念的基于数字化和网络化的现代制造企业管理系统和组织方式。近两年全球制造业发展迅速、IT应用不断深入和成熟，制造企业信息化的应用已经从局部和单元的CAD、CAM应用迅速延伸，PLM市场快速形成，成为继ERP之后企业信息化纵深发展的主要方向。近年来，IBM、EDS、SAP和CAXA等国内外面向制造业的主要IT服务商都纷纷推出了PLM，推动了PLM的应用和发展。现代数字化网络化设计制造与PLM4.三维CAD是制造业信息化的基础产品是制造业的核心，产品的设计、制造数据是整个制造业数字化、网络化、信息化的基础。PLM的目标是要使与产品相关的人、在全球任何地方、可以快速找到所需要的产品数据、从而共享产品数据，实现从产品需求定义、概念设计、工程设计、生产制造到服务支持等产品创新各个环节协同工作；也就是希望借助数字化、网络化手段，打破产品设计人员与生产制造人员、销售人员及产品使用者之间的沟通障碍，通过最大可能相关人员创造思维的合作和协同，缩短设计周期、优化制造流程、降低生产成本、提升产品价值等，使企业产品创新能力获得极大提升。因此PLM首先是产品数据的产生，并在产品数据的基础上实现信息的管理和利用，而CAD/CAM、特别是现代三维CAD则是产品数据的基础和源头。CAD/CAM是数字化、网络化设计制造/PLM的数据源头现代三维CAD通过产品与零件的三维建模、全数字化三维虚拟装配以及三维动态模拟等形成数字样机，不仅为产品概念的形成与表达、设计方案的分析与优化，设计效果的展示与确定等产品开发过程提供基本平台，而且三维CAD数据将直接用于产品虚拟效果的制作、产品工程图纸的生成、产品与零件的分析仿真/CAE、产品生产工艺的准备（CAPP）、零件的数控加工（CAM）、产品的制造执行（MES）以及整个产品设计、制造过程的协同与管理（EDM/PDM/PLM的集成）等。三维CAD数据直接用于CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM等的集成计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）是伴随计算机快速发展起来的现代信息技术的主要应用领域之一，至今已有半个多世纪的历史，历经了二维绘图、线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型等发展过程，其间还伴随了参数化、变量化等技术的融入，基础理论及软件系统都日趋成熟，并且在航空、航天、机械、模具、夹具、家电等制造业众多领域得到了广泛应用，大大提高了制造业产品设计水平。传统CAD系统主要针对产品二维工程图样的绘制与零件的3D建模，缺乏对产品创新和设计的足够关注和有效支持，如不能在装配环境下直接获得造型数据与信息进行结构设计，使得交互频繁、输入数据量大，造成操作步骤繁杂、不易学习等问题；不能将零件模型与装配模型直接关联，使得模型复杂且维护困难；不能有效地解决概念阶段的零部件布局、联结与配合关系定义等设计；缺乏符合国际、国家和行业标准的三维参数化标准件库的支持；缺乏具有行业特色的方便、快捷的造型工具和特征库，如模具的拔模、凸凹模设计特征库、家具的艺术特征库及家电的工业设计特征库及其相应的造型工具等等。这些个人的、孤立的和局部的应用特点，使CAD一度仅成为绘图的工具。5.三维CAD的应用与发展近几年3D技术、网络技术、数据库、电子商务等飞速发展深刻影响了CAD的发展，新的制造方式，如分散化网络制造、面向客户地大批量定制等也都对CAD系统提出了新的要求，使得行业产品的设计制造资源能够在更广的范围中应用，通过WEB技术、ASP技术，实现了行业产品设计制造的协同，建立全行业的软件服务体系。目前,以产品创新、网络协同和应用集成为突出特征的面向行业与过程的三维数字化设计系统成为现代CAD的发展方向。现代三维CAD以产品生命周期中每一阶段的知识重用为基础，包括电子表格、手册、公式和数据库，甚至包括一些简单的经验规则等，并借助于WEB技术与网络技术，在行业内实现设计资源的利用与共享，应用设计资源驱动几何建模，在保证产品质量的同时，大大缩短产品设计周期，并确保设计意图贯穿于产品开发的全生命周期。CAD技术的应用发展及现代CAD与传统CAD的比较如下表所列。CAD技术应用发展的三个阶段早期研究阶段20世纪70年代末以前初步推广阶段20世纪80年代初至20世纪末全面应用阶段21世纪以来应用领域航空航天等极少数高精尖科研领域从科研向航空/汽车/轻工模具等工业领域推广向所有设计制造领域全面推广应用对象极少数关键零件复杂零件/模具全数字化虚拟样机应用内容二维绘图及零件3D造型二维绘图及零件3D造型三维创新设计应用方式科学研究推广应用创新、协同、集成硬件环境大型机、小型机工作站、PCPC、网络环境软件形态程序系统（非标准）初步成为标准产品标准模块与构件应用者极少数研究开发人员同时是应用人员专业CAD应用工程师所有参与产品创新的人员，CAD成为基本工具传统参数化绘图CAD系统与现代协同创新设计CAD系统的比较传统参数化绘图CAD系统现代创新设计CAD系统目标用户CAD专业人员一般工程背景设计人员操作界面不同的功能模块采用不同的操作环境设计、装配、渲染和动画等都集成在同一个操作界面下接受程度不可预测，需要经过长期的训练和丰富的知识背景直觉可预测，只需最短的设计训练时间设计方式从二维草图开始进行三维造型在三维空间直接拖放式设计设计思维基于参数化的严格约束关系，修改不方便基于直接的设计思路并可以进行动态修改设计流程严格基于历史树，需要尺寸与参数不局限于历史树、尺寸与参数数据交换能力基于第三方接口或特征识别技术，不能对特征表面直接修改本身具有转换能力，也可通过接口，具有直接特征修改能力二、国家制造业信息化工程/MIE新世纪伊始，世界政治、经济和科技都发生了前所未有的巨大变化，经济全球化和全球信息化使全球产业的竞争环境、发展模式和活动空间等发生了深刻变化，这对我国产业的发展提出了严峻的挑战，同时也创造了有利条件和历史机遇。“十六”大指出：“继续完成工业化是我国现代化过程中的艰巨的历史性任务。大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”，已成为当前和今后一段时期我国产业发展的重要途径。制造业在我国国民经济中占有重要地位，在工业化的进程中同时面临着信息化的艰巨任务。我国是制造业大国但不是制造业强国。将现代信息技术、自动化技术、现代管理技术与现代先进制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的