设计与制造一体化技术——讲义

市 场 需 求 分 析
产品设计阶段 工艺设计阶 段
生产阶段
任 概 结 详工 务 念 构 细程 规 设 设 设设 计 划 计 与 计计 分 析
毛 工工 工 坯 艺序 装 设 路设 设 计 线计 计 规 划
N 加 N 质 装性 C 工 C量 能 编 仿 加控 配 测 程 真 工制 试 分 析
产 品
CAD
工 艺 文 件 、 检 验 文 件
工艺文件 检验结果、加工质量
数字化设计与制造系统的功能分析
• 下面重点回顾以下软件系统：
– Computer-aided design (CAD )：建立、修改 产品结构 – Computer-aided engineering (CAE) ：联系产 品功能和CAD结构 – Computer-aided process planning (CAPP) ： 建立CAM所需的过程指令 – Computer-aided manufacturing (CAM) ：使生 产过程自动化 – Product Data Management (PDM)：对产品结 构、开发过程、技术文档进行同一管理。
数字化设计与制造系统的功能分析
数字化设计与制造系统的功能分 析
• CAPP构成
数字化设计与制造系统的功能分析
• (4) CAM • CAM概念
– CAM的概念是十分含糊的，主要是“制造”的界限难以划 定，CAM与其他CAX的范围边界难以划定。 – 一般而言，CAM是指在从原材料到成品的生产加工过 程中由计算机控制和支持的活动的总称。 – 广义地讲，CAM是指计算机在产品制造和管理方面的 综合应用技术。 – 狭义地讲，CAM仅指计算机对于加工设备和加工过程 的控制技术。CAM技术的应用范围不高于车间级以上 。 – 目前，用的比较多的是后一种CAM概念。
• 子系统之间的信息接口
工艺审查文件 加工与装配工艺性反馈
CAD
零件模型
NC程序
MAS
工艺设计 任务 零 部 件 图 纸 BOM表 材料和 加工需求 PPC 工艺流程 CAPP
工艺信息 编程信息 CAM
调试结果
加工仿 真信息 工装设计任务 工装设计结果 工装设计评价 工装设计任务 QMS 工装模型 CAFD
课程主要内容
问题的引出 数字化设计与制造系统的功能分析 设计与制造一体化的集成技术 设计与制造一体化应用实例
问题的引出
• 企业实例一，设计与工艺人员需要密切沟通。
问题的引出
• 企业实例二，某型号武器打靶失败，因为设计制 造的版本不一致，损失巨大。
？？？
问题的引出
• 企业实例三，设计、工艺、加工均采用软件系统， 但不能完全兼容，导致重复工作，效率低。
数字化设计与制造系统的功能分析
• PDM系统目标
计算结果产品目录
-------------------------------------------------------------------------------------------
标准
GB ---------------------------ISO -----------------------------
•
数字化设计与制造系统的功能分 析 产品开发周期
设计过程 设计需 求分析 可行性研究 与分析 CAD过程
设计 结果
设计 评价
设计 优化
设计 分析
设计模型 和模拟
概念 设计
制造过程 工序规划 工艺过 程设计 刀具计划 材料计划 加工编程 市场 加工 检验 装配 CAM过程 运输
数字化设计与制造系统的功能分 析 • 产品设计制造过程与CAD/CAPP/CAM的关系
数字化设计与制造系统的功能分析
• (1) CAE
CAE概念：采用计算机仿真(模拟)技术求解产 品在特定工作条件下的性能和行为，从而优化 产品的方案、结构和参数等，使得在某些条件 的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达 到最优。
数字化设计与制造系统的功能分析
• 之所以采用CAE: – 存在变形和内部应力 – 由于温度影响存在热传导 – 流体流动需要分析(有或没有热传导) – 固体和流体之间有热传导耦合
数字化设计与制造系统的功能分析
• (1) CAD
CAD概念：CAD是计算机技术在工程设计方面 的综合应用技术。CAD将产品概念开发、产品 工程设计所需要的基础技术、设计理论、方法 、数据、设计人员的经验知识同计算机强大功 能相结合。其主要目的是利用计算机支持产品 的工程设计与绘图，提高设计人员的工作效率 和质量，支持完成产品的最佳方案设计。
Product design
CAD/CAM
CAPP
CIM
Process planning
Cellular manufacturing MAP, STEP
Manufacture
NC/CNC/ DNC
FMS
Robotics
AGV, ASRS
Automated inspection
Cells and centers
– 数控生成问题 – 工程图生成 – 工装设计
问题的引出
• 可以看出，从以下：
– 制造过程业务需求 – 质量与管理方面需求 – 信息系统发展的需求
• 均对设计与制造一体化提出要求。
问题的引出
• 设计与制造一体化技术，也称为设计与制 造系统集成技术，是：
– 理念层面：面向产品全生命周期设计，并行工 程，产品和过程同步设计； – 技术层面：工具和软件，接口，仿真技术等； – 管理层面：团队，评审制度等。
数字化设计与制造系统的功能分析
数字化设计与制造系统的功能分析
• CAD内容：(从基本功能上看CAD)
数字化设计与制造系统的功能分 析
• (1)几何建模：利用计算机图形学方法建立工件或零件 模型，用几何实体模型形式表示。该功能用于产品设 计的基本准备(积木块、构件)。 • (2)自动绘图：用计算机图形系统自动、高效地绘制各 种产品的设计图纸。该功能支持产品详细绘图阶段的 工作。 • (3)工程设计分析：利用CAD工具支持产品的构思、设 计与分析，以便按最佳设计方案形成产品图形文件。 在产品的功能分析、产品定义、总体设计阶段都要用 到这方面的功能。主要的工程分析方法有有限元分析、 特性分析(如模态分析)、结构分析等方法。 • (4)动态模拟/仿真：利用CAD仿真程序或模拟程序对产 品的整机或部件功能进行动态仿真/模拟，以支持产品 功能、原理、性能的设计与定义，便于最佳方案选择。
背景及必要性-产品开发问题
零部件数量 未对零部件进行有效管理而导致 零部件数量的无限制增长
制造过程难以控制、工 艺装备数量增加、生产 成本提高、交货周期延 长等严重后果。
每一新零部件 年平均固定成 本250~500欧元
目标曲线
理想曲线
0
设计人员数
德国工程师协会的研究指出，如果一个企业没有很好的产品标准化基础， 又缺乏信息系统的有效支持，当设计部门中设计人员数量超过4人时，就可能 导致零件数量的无限制增长。
固体、结构力学/ 动力学
流体力学/动力学
热力学/动力学
数字化设计与制造系统的功能分析
• CAE一般过程
实际物理问题 物理问题改变定义
数学模型定义(微分方程)
改进数学模型
有限元求解
结果解释
进一步分析
改进设计/优化结构
CAD model
details ignored
Geometric model for FEA
集中力 固定约 束
deformation
装载机
发动机缸体强度分析
发动机缸体模型
缸体应力分布
汽 车 碰 撞
数字化设计与制造系统的功能分析
• (3) CAPP • CAPP概念
– 1)工艺规程设计工艺规程设计又称工艺过程设计、 工艺过程规划、工艺计划。工艺规程设计的任务是 将产品的设计信息(产品描述)转换为加工工序、加 工要求等指令信息，以便制造零件或产品。 – 2)CAPP(计算机辅助工艺规程设计)计算机辅助工艺 规程设计CAPP是利用计算机存储、检索、计算、 绘图等功能支持工艺规程设计，从而提高工艺设计 效率与质量的技术。
PDM背景及必要性-产品形成过 程
产品形成过程 = 产品开发过程 + 产品设计过程
文本
产品形成过程
制造过程
20
40
60
80 时间百分比(%)
100
背景及必要性-产品开发重要性
• 产品总成本的影响却高达70%左右，因为 在产品形成过程中决定了产品的工作原理、 产品的结构。 • 质量问题中有75%是在产品形成过程中引 起的。
CAP与制造系统的功能分 析 • 数字化设计与制造系统的发展历程
标志软件
TM, Winchill, delmia, SAP UG、ProE、 CATIA、 ANSYS、 ADAMS
三维CAD CAD/CAM集成 并行工程 虚拟制造 线框CAD 派生式CAPP DNC技术 CIMS提出 NC机床 二维CAD 自动编程 1960's及以前 甩图版 1970's,1980's 集成化 虚拟化 1990's到现在 智能化 协同化
发展方向
CAPP软件
AutoCAD软件
数字化设计与制造系统的功能分析
• 构成
CAD
CAE
GT
DFM
IGES, PDES, DMIS
TQM
Bar codes, EDI MRP
JIT/ kanban DSS/ES/ AI LAN, TOP, satellites Systems management
数字化设计与制造系统的功能分析
• 通过分析,达到: – 产品可高效执行所需的功能 – 使用便宜的材料 – 在极限工作条件下保证安全 – 固体和流体之间有热传导耦合 – 制造尽可能节省材料 – 符合人机工程学(声音、颜色等)