产品数字化建模概论

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二、产品制造阶段的模型描述与表示
工艺信息模型
工装模型
产品制造阶段模型
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数控加工模型
产品制造阶段模型 14
1、工艺信息模型
工艺信息模型为CAPP提供基本信息，涉及工艺过程、数据繁杂、种类
多，不同企业的工艺信息模型差别大，具有不同的模型结构和内容。根据零件 加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。 这些基本模型信息构成了编制工艺规划的基础数据。
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➢ 远期：通过虚拟样机显示产品的外观、内部结构、装配和维
修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。有关人员可以浏览 产品的图形与非图形数据，充分发挥三维模型的作用。如利用具 有真实效果的产品结果显示和效果配置功能的效果图，可来探测、 确定各类用户对产品规格、性能、外观等的需求，实现用户驱动、 用户定制；在互联网上发布需要的配套零部件，获得供应商的电 子数据，进行电子模装，验证产品的正确性。
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装配过程仿真
装配过程仿真
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CAM
强度分析
数字预装配 结构分析
管路设计 19
二、数字样机的主要内容 一个完整的产品虚拟样机应包含如下几个内容：
所有零部件的三维CAD模型及各级装配体。三维模型应参数化、适合于
变形设计、适合于部件模块化。 与三维CAD模型相关联的二维工程图。 三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析。 形成基于三维CAD的PDM结构体系。 从虚拟样机制作过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。 虚拟样机的制作过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程。 三维整机的检测与试验。
工装设备模型：刀具、夹具、模具、量具的设计和制造模型。
产品过程模型：零件在制造过程演变的模型。包括几何形状和其他相关的
工艺信息。
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工艺信息模型-加工工艺流程刀路
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3、数控加工模型
数控加工模型是指数控加工涉及的模型和产生的相应NC程序。 一个复杂零件的数控加工程序生成， 按照加工方法，有数控车、数控铣等加工； 按照工艺要求，有粗加工、精加工、清根等各种操作； 其中程序内部蕴含了工艺信息和加工方法，如粗糙度、公差选择、加 工方式、加工路线、刀具等。程序最后计算得出加工刀具轨迹，并经 过后置处理产生机床代码。这些信息构成了加工模型。 复杂产品的上述各种信息模型是非常庞大的，相关关系也非常复杂， 通常在PDM平台上进行统一管理。
第二章 产品数字化建模
Ⅱ Product Digital Modeling
第二章 产品数字化建模
内容简介
产品数字化模型－产品信息的载体，包含了产品功 能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信 息、工艺和加工信息等。
数字化产品模型中，产品生命周期中不同阶段的人 员都可以获得所需的内容。
本章主要介绍了如下方面内容：
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3、产品仿真模型
功能与性能仿真是利用计算机的计算能力，采用数值计算的方法模 拟产品的功能或者性能，一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几 何模型上进行，必须进行一定的转换或者处理，建立符合仿真分析的 模型。例如，有限元分析必须对CAD实体模型进行前置处理，将其进 行简化，网格划分，再赋予材料和施加载荷，然后才能进行求解计算， 结果则通过后置处理显示。
产品设计模型
产品仿真模型
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产品装配模型
产品设计阶段模型
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1、概念设计阶段的模型
在产品概念设计阶段，主要从功能需求分析出发，初步提出产品 的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。
概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。
从数字化角度看，概念设计是在一定的设计规范下，以方案报告、 草图等形式完成设计的。这个阶段产生的方案视不同的产品对象 而不同。
➢ 产品模型的描述与表示
➢ 数字样机
➢ 产品建模的基本方法
➢产品模型的显示
➢产品模型数据的交换
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第一节 产品模型的描述与表示
产品形成过程—昨天-今天-明天
昨天 过程序列
今天 过程链
产品规划 概念设计 详细设计 生产准备
产品规划
概念设计 详细设计 生产准备
PDM
明天 过程流
产品规划
过程管理
图7 右手可达范围
图8 右手可达范围
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3、受力和力矩分析：在承受外载荷的情况下，人体各关
节的受力（力矩）情况，对判断能否完成维修任务至关重要。 图9、图10为人体在该种姿态下，右臂的受力和力矩情况。
图 9 虚拟人当前状态
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图 10受力和力矩
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4、疲劳分析：在一定的工作时间内，给出任务循环 的次数，完成任务的时间以及间歇时间，分析人体是 否有足够的时间恢复疲劳，在该次任务完成过程中， 结果如图11所示，在规定时间内维修人员能够恢复疲 劳：
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第二节 数字样机
一、物理样机与数字样机
用物质材料制作的产品模型一般称为物理模型（或物理样机与实物 样机） 。 数字样机（Digital MockUp，DMU）的概念目前还没有统一的定 义，它是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。 在计算机上与样机相关的产品数字化模型的名称有数字样机、电子 样机、虚拟样机等，这些都是直接利用了模型的表达形式（电子化、 数字化、虚拟模型）而得出的。
工艺设计的数据来源于详细设计阶段产生的几何模型、装配模型，在此
基础上，还需要设备资源、工装资源等来实现工序的编制。
2、工装模型
工装设计包括刀具、夹具、模具、量具的设计以及产品零件在制造过程中 的不断演化产生的中间状态模型。在工装设计过程中，依据零件在加工过程
中的变化，需要建立相应的模型之间的关系。工装模型包含了两大部分：
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➢ 中期：建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程，进
行产品的运动和动力学分析，了解运动构件工作时的运动协调关 系、运动范围、可能的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度 等；实现虚拟加工，对加工工艺进行模拟，以检验产品设计的合 理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工 过程中可能出现的加工缺陷，为CAM提供数据模型。并且通过PDM 系统实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪所有设计事 务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。
图5 视点图
图6 可视范围
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2、可达性分析：虚拟人的在当前维修姿势下，右手拿
维修工具，此时右手的可达范围如图7所示，可见，右臂可以 到达负重轮中维修需要接触的各个部分，但是，当要拆卸平 衡肘时，虚拟人已经够不到悬挂拉臂的部位，如图8所示，因 此，维修人员需要在卸下负重轮后，向前移动，才能进行平 衡肘的拆卸工作：
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采用一个单一的零件模型贯穿始终是不可能的 设计过程的零件模型为主模型 产品模型是一组有相互关系、反映不同阶段操作的模型组。
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一、产品设计阶段的模型描述与表示
概念设计
结构设计
产品设计
几何设计
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分析仿真
产品设计的基本过程
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概念设计阶段的模型
零件几何模型
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四、虚拟现实（VR）技术
虚拟现实（ Virtual Reality，VR ） 技术，融合了数字图像处理、计算 机图形学、多媒体技术、传感器技 术等多个信息技术分支，从而大大 推进了计算机技术的发展。
虚拟现实系统就是要利用各种先进 的硬件技术及软件工具，设计出合 理的硬件、软件及交互手段，使参 与者能交互式地观察和操纵系统生 成的虚拟世界。
零件2
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装配体
子装配体1
零件1
子装配体3
零件3
零件4
零件5
子装配体2
装配结构树
零件6
零件7
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（2）属性信息表：属性信息用来表示产品的非几何信息。 例如，产品名称、规格、零件材料、加工方法、重量、模型设计 者等。 （3）装配约束模型：装配约束模型包括装配特征描述、装配关 系描述、装配操作描述以及装配约束参数。 （4）装配规划模型：装配规划模型用于装配顺序规划和路径规 划，前者给出一个实际可行的零件装配顺序，后者给出零件装配的 可行路径，并对装配设计进行分析和评价。
图1 虚拟维修环境
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图2 虚拟人的性别、身高、体重参数
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根据拆卸方案，采用的维修工具为套筒、扳手，它们的体积，质量，密度分 别如图3、图4所示：
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图3 套筒参数
图4 扳手参数
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1、可视性分析：当虚拟人的目光集中在图5位置时，得到
虚拟人的在当前维修姿势下可视范围如图6所示，可见，维修 部分全在可视范围内：
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几何实体模型
Meshing
有限元模型
沿线均布的压力
沿单元边界均布的压力
实体模型
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在关键点加集中力
在关键点处 约束
FEA 模型 在节点加集中力
在节点处约束 11
4、产品装配模型
装配模型需要表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束 关系、面向实际装配的顺序和路径规划等。 (1) 装配结构树：装配结构模型反映产品 总体结构，初始设计可以 不涉及具体的几何信息，而仅仅表示产品的功能结构、层次结构以 及设计的关键参数。
产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息，对产品性能进行校验， 阶段成果包括图形、表格、数据、文本说明等各种形式。仿真分析的 充分利用，可以减少实际物理试验的次数，从而大大降低研制成本。
仿真技术广泛应用在产品设计、制造阶段，如设计阶段的各种有限 元分析、运动机构分析等仿真系统，在制造阶段的铸造浇注仿真、锻 造磨具仿真、数控加工过程仿真、装配仿真等。
概念设计 详细设计 生产准备
PDM 数字模型
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几何信息
产品 数字化 模型
非几何信息
IDM
图号、零件号
APL
产品的设计结果体现在两个方面，一方面是产品的几何信息， 它存储在IDM系统中的数据集中；另一方面是产品的非几何 信息，包括产品结构树和工艺信息，它存储于APL系统中。 这两部分信息密切相关、不可分割，其相关性是通过产品图 号或零件号来实现的，由统一的系统来管理。
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虚拟现实技术的主要特征
多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术 所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运 动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
浸没感(Immersion)——指用户感到作为主角存在于模拟环境中 的真实程度。 交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和 从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。
序
工作内容
号
1 选定负重轮
数量 工具
2 端盖螺母拆卸（虚拟人拆卸 6 套筒，
一个，其余示意）
扳手
3 卸下端盖
1
4 卸下内部花螺母
1
5 拆下负重轮置于地面
1
6 拧下支撑套上的螺栓
7 卸下平衡肘
8 悬挂拉臂
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首先建立虚拟维修环境如图1所示：其中采用的虚拟人的性
别、身高、体重等如图2所示：
构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空 间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意 构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
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虚拟现实系统示意图
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虚拟维修性分析系统原理
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简单的虚维修实例演示 --负重轮，平衡肘的拆卸
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三、建立产品数字样机的过程
➢ 初期
应以三维CAD（例如CATIA、UG等）为设计 平台，建立典型产品的全参数化三维实体模型， 进行干涉和碰撞检查、装配规划等。包括由三 维模型转化建立完全关联的二维工程图；建立 描述产品的物理数据，如基本属性、明细表信 息等，为PDM管理提供基础数据。
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Guidelines
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2、零件几何模型
几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行详细化的关键 内容，是所有后续工作的基础，也是最适合计算机表示的产品模型。
几何模型用二维或三维模型表示。 在集成化CAD系统中，二维模型可以从三维模型投影得到，以便 与三维模型保持一致性。除此之外，几何模型的非几何信息以属性表 示。属性信息的定义以文本说明，并具有一定的结构。 零件几何模型是详细设计阶段生产的信息模型，是其他各阶段设计 的信息载体，通常作为主模型。 所谓主模型是指以该模型为唯一数据源，其他模型以它为基础，派 生出其他各种模型。派生的过程实现了模型的演变。