1、第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University1第四章数字化制造第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University2主要内容4.1 数字化制造的基本概念4.2 数字化制造技术的发展背景4.3 数字化制造系统的软硬件4.4 数字化制造的关键技术4.5 单元技术介绍4.6 面向管理的数字化制造第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical Engineeri
2、ngShanghai Jiao Tong University34.1 数字化制造的基本概念1 数字化制造的定义1）基础：产品设计制造全过程的知识融合；2） 特征：数字化建模仿真与优化 ；3）方法：用计算机和网络技术的数字化定量描述、存储、处理和控制；4）途径：根据用户需求，对产品信息、工艺信息和制造资源信息分析、规划与重组；5）支持：支持产品全生命周期和企业的全局优化运作；6） 功能：实现对产品设计、功能、制造过程的仿真和产品原型制造；7）目标：低成本快速生产出用户要求的产品。相关概念 ：虚拟制造，网络制造，智能制造第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical
3、EngineeringShanghai Jiao Tong University4数字化制造的基本概念2 数字化制造企业的活动数字化制造协作链数字化制造供应链数字化制造客户链数字化制造企业数字化设计数字化产品原型数字化成形数字化加工（虚拟加工）数字化装配（虚拟装配）数字化制造过程管理第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University5数字化制造的基本概念3 数字化制造系统的类型1） 面向设计的数字化制造CAD/CAPP/CAM/CAE/PDM可加工性评价可装配性评价快速原型与逆向工程数字化
4、样机数字化工厂2） 面向生产的数字化制造数控加工加工过程优化装配过程优化生产系统优化第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University6数字化制造的基本概念3） 面向测试与试验的数字化制造系统加工质量预测系统机械力学特性测试系统信息与通讯测试系统4） 面向管理的数字化制造MIS (Management Information System)MRPII (Manufacture Resource Planning)PDM (Product Data Management)ERP (Enter
5、prise Resource Planning)第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University74.2 数字化制造技术的发展背景基本思想:制造系统是一个有机的整体制造过程各环节是数据处理过程产品是数据处理的物质表现核心思想: 资源共享第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University8数字化制造技术的发展背景1. 发展数字化制造技术的社会需求背景1）制造业面临的社会环境的不断变化卖
6、方市场转向买方市场市场竞争日趋激烈产品技术含量加大产品开发投资风险增大产品生命周期缩短经济全球化成本、质量竞争转向响应速度和技术创新的竞争。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University9数字化制造技术的发展背景2）制造业竞争策略的变迁60年代：生产规模70年代：制造成本80年代：产品质量90年代：市场响应速度21世纪：技术创新竞争特征：S - C - Q - R - T第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai
7、Jiao Tong University10数字化制造技术的发展背景3）产品增值过程的变化增增值值比比例例整整机机的的制造装配制造装配产产品品生生命命周周期期产品设计产品设计回收再造回收再造售后服务售后服务培培训训市场销售市场销售原材料原材料零部件制造零部件制造产品产品=原材料原材料+ 制造资源（物质形态）制造资源（物质形态）资源消耗型资源消耗型场争场争市竞市竞第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University11数字化制造技术的发展背景2. 发展数字化制造技术的技术支撑1）设计制造理论的
8、不断发展与完善2）计算机技术、网络技术、数据库技术的成熟应用3）CAD/CAPP/CAE/CAM 技术的发展与应用4）PDM/MRPII/ERP 的发展与完善5）DFx技术的发展6）虚拟现实技术的逐步成熟7) 系统分析与设计方法的完善与应用第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University12数字化制造技术的发展背景DFx技术是并行工程的支持工具之一。它是一种新的设计技术，在设计阶段尽可能早地考虑产品的性能、质量、可制造性、可装配性、可测试性、产品服务和价格等因素，对产品进行优化设计或再设
9、计。最常见的DFx技术有：面向装配的设计（Design for Assembly，DFA ）面向制造的设计（Design for Manufacturing ，DFMF ）面向性能的设计（Design for Performance ，DFP ）面向耐用性的设计（Design for Durability ，DFD ）面向互换的设计（Design for Interchangeability ，DFI ）面向回收的设计（Design for Recyclability ，DFR ）面向方案的设计（Design for Variety ，DFV ）绿色设计（Design for Green ，D
10、FG）后勤设计（Design for Logistics ，DFL）, DFS, DFT, DFC, DFMT, etc第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University13数字化制造技术的发展背景面向装配的设计 ：一种针对零件配合关系进行分析的设计技术。它为产品设计在早期提供一种确定装配所用的定量方法。其原则包括最小零件数、最少接触面和易装配。类似地，面向制造的设计则引入诸如零件最少原则和易制造原则等指导产品的设计。面向方案的设计 ：从不同设计方案中选择花费最小的方案，它涉及产品设计方案
11、的数量、产品设计阶段和产品设计更改的代价等因素。面向性能的设计：设计团队从产品整个生命周期的角度审查有关产品的所有独立的规则集，从而完成产品界面及功能设计、零件特征设计、加工方法选用、工艺性设计和工艺方案的选择等。面向耐用性的设计：针对零、组件标准化、组件开敞性、错误诊断、组合件识别等因素对产品进行设计。绿色设计：指在产品设计时从对环境的影响角度出发，考虑产品在全生命中的使用。后勤设计 ：指设计人员在设计时利用不同的约束进行产品设计，如费用驱动约束、最小时间约束等。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao To
12、ng University14数字化制造技术的发展背景3. 数字化制造的体系结构产品描述制造过程描述与控制数据采集存储与处理工程数据库通讯网络协议虚拟与仿真元数据全球制造制造行业制造企业数字产品现实网络关键技术数字制造应用领域机械电子化工轻工国防其他基础理论与技术产品描述 信息科学 控制科学管理科学建模理论计算制造学制造信息学制造智能学第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University15数字化制造技术的发展背景4. 数字化制造技术的发展状况分析1) 数字化样机技术及其应用2) 数字化加工
13、技术及其应用3) 数字化装配技术及其应用4）数字化质量保证系统如：数字化测试与试验系统数字化质量预测与评价系统5) 数字化管理技术及其应用包括：1) 发展历程2) 关键技术3) 目前的研究与应用状况第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University16一数字化样机技术(1) 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型 ,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性 ,从而修改并得到最优设计方案 的技术。一定义第四章第四章 数字化制
14、造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University17(2) 虚拟样机是一种计算机模型 ,它能够反映实际产品的特性, 包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术, 设计师可以在计算机上建立机械系统的模型 ,伴之以三维可视化处理 ,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统 。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University18(3) 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方
15、面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能, 对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法 相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University191. 机械系统数字化样机建模技术；2. 机械系统仿真技术，该技术是实现数字化样机的核心；3. 结构件的有限元分析技术4. 可视化交互技术 （和虚拟显示相结合 ）二 关键技术三 开发工具美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.
16、) 的ADAMS ,CADSI 的DADS ,德国航天局的 SIMPACK, Working Model 、Flow3D、IDEAS 、 Phoenics、 ANSYS等。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University20虚拟样机技术在一些较发达国家 ,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用 ,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。四应用1火星探测器“探路号” 研发：利用数字化样机技术仿真研
17、究宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆) 的工作过程。预测到由于制动火箭与火星风的相互作用,探测器很可能在着陆时滚翻，修改了技术方案。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University212 美国波音飞机公司的波音777 飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了数字化样机技术,这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低,而且确保了最终产品一次接装成功。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical Engineer
18、ingShanghai Jiao Tong University223 Caterpillar 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。采用了虚拟样机技术,从根本 上改进了设计和试验步骤,实现了快速虚拟试验多种设计方案,从而使 其产品成本低,性能却更加优越。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University23二数字化装配技术虚拟现实（Virtual Reality ）特征： 临场感、交互性和构想性特点： 在虚拟现实环境下，人是主动参与者，复杂系统中可以有多个参与者共同在以计
19、算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。应用： 产品设计、分子建模、 CAD/CAM、模拟器、工业自动化、 医药科学等领域。广义的虚拟装配：无需产品或支持过程的物理实现，利用计算机工具通过分析、先验模型、可视化和数据呈现来做出或辅助做出与装配有关的工程决策 。基于虚拟现实的数字化装配：在虚拟环境下对虚拟产品和零件进行装配过程仿真和分析。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University24二数字化装配技术数字化装配的关键技术（1）装配建模（2）装配规划（3）装配评估（4）实时图形处理（5）
20、干涉检查基于虚拟现实的数字化装配：增强现实技术借助于看穿式头盔使计算机图像叠加在周围环境中的物体上。基于增强现实的装配技术可以在复杂的装配过程中起指导作用，或者对混合样机的可行性、成本和装配规划等进行评估 。第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University25二数字化装配技术F-35总装现场第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University26二数字化装配技术DelmiaQUEST
21、是数字化工厂及离散事件仿真软件，是工厂生产系统集成、工艺流程设计和可视化解决方案，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环境。1 基于网络的协作式数字化装配技术的研究。2.二维与三维结合、静态与动态结合，并提高交互性。发展趋势：基于Delmia QUEST 的数字化装配线仿真第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University274.3 数字化制造系统的软硬件输入设备三维鼠标第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical Engine
22、eringShanghai Jiao Tong University28数字化制造系统的软硬件输入设备光笔光电开关光电转换放大整形图形扫描仪扫描图纸矢量化处理后处理矢量文件格式转换CAD系统光栅文件MIB文件MIB文件矢量文件第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University29数字化制造系统的软硬件输入设备数据手套第四章第四章 数字化制造数字化制造School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong University30数字化制造系统的软硬件输入设备定位跟踪器电磁式定位跟踪器超声波定位跟踪器CCD式定位跟踪器
