數(shù)字化設(shè)計與制造

數(shù)字化設(shè)計與制造一、背景在計算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與加工的方式一直都是圖紙設(shè)計和手工加工的方式，這種傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計與制造方式，這使得產(chǎn)品在質(zhì)量上完全依賴于產(chǎn)品設(shè)計人員與加工人員的專業(yè)技術(shù)水平，而數(shù)量上則完全依賴于產(chǎn)品加工人員的熟練程度，而隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，人們對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高要求，同時數(shù)量上的需求也不斷增長。為了適應(yīng)社會對機(jī)械產(chǎn)品在質(zhì)量與數(shù)量上的需求，同時也為了能進(jìn)一步降低機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，人們在努力尋求一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計與加工方式，而二十世紀(jì)四五十年代以來計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)及其發(fā)展，特別是計算機(jī)圖形學(xué)的出現(xiàn)，讓人們看到了變革傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)方式的曙光。于是，數(shù)字化設(shè)計與制作方式應(yīng)運(yùn)而生，人們逐步將機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與加工任務(wù)交給計算機(jī)來做，這一方面使得機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計周期大大縮短，另一方面也使得產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量基本擺脫了對于設(shè)計與加工人員的依賴，從而大大提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時也使得產(chǎn)品更加適合批量化生產(chǎn)。二、概念數(shù)字化設(shè)計：就是通過數(shù)字化的手段來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法，旨在建立一套基于計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，支持產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)全過程的設(shè)計方法。數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵：支持產(chǎn)品開發(fā)全過程、支持產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、支持產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)管理、支持產(chǎn)品開發(fā)流程的控制與優(yōu)化等。其基礎(chǔ)是產(chǎn)品建模，主體是優(yōu)化設(shè)計，核心是數(shù)據(jù)管理。數(shù)字化制造：是指對制造過程進(jìn)行數(shù)字化描述而在數(shù)字空間中完成產(chǎn)品的制造過程。數(shù)字化制造是計算機(jī)數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與制造技術(shù)不斷融合、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必然。計算機(jī)仿真技術(shù):是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及相應(yīng)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。該技術(shù)通過建立某一過程或某一系統(tǒng)的模型來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供關(guān)于這一過程或系統(tǒng)的定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。計算機(jī)仿真技術(shù)的基本步驟為：系統(tǒng)分析—把被仿真系統(tǒng)的內(nèi)容表述清楚模型設(shè)計—選擇合適的仿真方法，設(shè)計系統(tǒng)的計算機(jī)模型模型運(yùn)行—在計算機(jī)上執(zhí)行模型模型分析—分析執(zhí)行輸出三、工具CAD---計算機(jī)輔助設(shè)計CAD在早期是英文ComputerAidedDrawing(計算機(jī)輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識到單純使用計算機(jī)繪圖還不能稱之為計算機(jī)輔助設(shè)計。真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等，二維工程圖設(shè)計只是產(chǎn)品設(shè)計中的一小部分。于是CAD的縮寫由ComputerAidedDrawing改為ComputerAidedDesign，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是協(xié)助創(chuàng)建、修改、分析和優(yōu)化的設(shè)計技術(shù)。2、CAE---計算機(jī)輔助工程分析CAE(ComputerAidedEngineering)通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線性.非線性.靜態(tài).動態(tài))；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。3、CAM---計算機(jī)輔助制造CAM（ComputerAidedManufacture）是計算機(jī)輔助制造的縮寫，能根據(jù)CAD模型自動生成零件加工的數(shù)控代碼，對加工過程進(jìn)行動態(tài)模擬、同時完成在實(shí)現(xiàn)加工時的干涉和碰撞檢查。CAM系統(tǒng)和數(shù)字化裝備結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)無紙化生產(chǎn)，為CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。CAM中最核心的技術(shù)是數(shù)控技術(shù)。通常零件結(jié)構(gòu)采用空間直角坐標(biāo)系中的點(diǎn)、線、面的數(shù)字量表示，CAM就是用數(shù)控機(jī)床按數(shù)字量控制刀具運(yùn)動，完成零件加工。4、CAPP---計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統(tǒng)AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros系統(tǒng)。美國是60年代末開始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAP-I'sAutomatedProcessPlanning系統(tǒng)。5、PDM---產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理隨著CAD技術(shù)的推廣，原有技術(shù)管理系統(tǒng)難以滿足要求。在采用計算機(jī)輔助設(shè)計以前，產(chǎn)品的設(shè)計、工藝和經(jīng)營管理過程中涉及到的各類圖紙、技術(shù)文檔、工藝卡片、生產(chǎn)單、更改單、采購單、成本核算單和材料清單等均由人工編寫、審批、歸類、分發(fā)和存檔，所有的資料均通過技術(shù)資料室進(jìn)行統(tǒng)一管理。自從采用計算機(jī)技術(shù)之后，上述與產(chǎn)品有關(guān)的信息都變成了電子信息。簡單地采用計算機(jī)技術(shù)模擬原來人工管理資料的方法往往不能從根本上解決先進(jìn)的設(shè)計制造手段與落后的資料管理之間的矛盾。要解決這個矛盾，必須采用PDM技術(shù)。PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）是從管理CAD/CAM系統(tǒng)的高度上誕生的先進(jìn)的計算機(jī)管理系統(tǒng)軟件。它管理的是產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的全部數(shù)據(jù)。工程技術(shù)人員根據(jù)市場需求設(shè)計的產(chǎn)品圖紙和編寫的工藝文檔僅僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的一部分。PDM系統(tǒng)除了要管理上述數(shù)據(jù)外，還要對相關(guān)的市場需求、分析、設(shè)計與制造過程中的全部更改歷程、用戶使用說明及售后服務(wù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一有效的管理。PDM關(guān)注的是研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)。6、ERP---企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃系統(tǒng)，是指建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，對企業(yè)的所有資源（物流、資金流、信息流、人力資源）進(jìn)行整合集成管理，采用信息化手段實(shí)現(xiàn)企業(yè)供銷鏈管理，從而達(dá)到對供應(yīng)鏈上的每一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。ERP系統(tǒng)集中信息技術(shù)與先進(jìn)的管理思想于一身，成為現(xiàn)代企業(yè)的運(yùn)行模式，反映時代對企業(yè)合理調(diào)配資源，最大化地創(chuàng)造社會財富的要求，成為企業(yè)在信息時代生存、發(fā)展的基石。在企業(yè)中，一般的管理主要包括三方面的內(nèi)容：生產(chǎn)控制（計劃、制造）、物流管理（分銷、采購、庫存管理）和財務(wù)管理（會計核算、財務(wù)管理）。7、RE---逆向工程技術(shù)

“十一五”期間，我國政府組織實(shí)施了制造業(yè)信息化工程專項，推動設(shè)計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和企業(yè)數(shù)字化等方面的發(fā)展，數(shù)字化制造技術(shù)在我國已經(jīng)取得大量應(yīng)用：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推廣應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)、制作模式，已經(jīng)成為我國現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)特征；二是MRP/ERP的推廣應(yīng)用；三是CIMS的推廣應(yīng)用；四是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展。

目前，數(shù)字化制造技術(shù)正在我國深入發(fā)展，呈現(xiàn)以下趨勢：一是正由2D向3D轉(zhuǎn)變，形成以基于模型的定義/基于模型的作業(yè)指導(dǎo)書為核心的設(shè)計與制造；二是并行和協(xié)同，通過產(chǎn)品、工藝過程和生產(chǎn)資源的建模仿真及集成優(yōu)化技術(shù)，提高多學(xué)科的設(shè)計與制造的協(xié)同性和并行性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝設(shè)計結(jié)果的早期驗(yàn)證；三是數(shù)字化裝配與維修；四是數(shù)字化車間與數(shù)字化工廠，這是數(shù)字化制造技術(shù)在車間和和工廠集成應(yīng)用和高效運(yùn)營的全新生產(chǎn)模式，為高效物流實(shí)施以及精益生產(chǎn)、可重構(gòu)制造、元化制造等先進(jìn)制造模式提供輔助工具；五是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，由機(jī)器、設(shè)備組、設(shè)施和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成，能夠在更深的層面將連接能力、大數(shù)據(jù)、數(shù)字分析、3D打印等結(jié)合。我國制造業(yè)設(shè)計數(shù)字化方面的投入不斷加大，我國數(shù)字化制造快速發(fā)展，儀器儀表、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等行業(yè)自主創(chuàng)新成效初現(xiàn)，3D打印等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，制造業(yè)管理數(shù)字化成效顯現(xiàn)，信息化技術(shù)在制造企業(yè)得到大量應(yīng)用。但是，我國制造業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比，創(chuàng)新能力不強(qiáng)，高新技術(shù)方面仍然處在追趕狀態(tài)，許多關(guān)鍵的核心技術(shù)還沒有掌握，制造業(yè)綜合競爭力較弱，總體上處于國際分工和產(chǎn)業(yè)鏈的中低端。目前，我國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)占制造業(yè)的比重大約是美國的三分之一，我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，數(shù)字化制造在制造業(yè)中的比重亟待提高。六：數(shù)字化設(shè)計與制造在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況加速器制造（ANSYS）粒子加速器是探索原子核和粒子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)等方面也都有重要而廣泛的實(shí)際應(yīng)用。而作為一項精密的電物理設(shè)備，粒子加速器的研制需要良好的物理設(shè)計和工程技術(shù)的支撐。實(shí)現(xiàn)粒子加速器的數(shù)字化設(shè)計及其制造，通過用數(shù)值手段對粒子在加速器中的物理過程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對加速器的各個部件進(jìn)行更加合理的設(shè)計，不僅能夠提升加速器的性能，還能夠降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，甚至免去物理模型的實(shí)驗(yàn)。輻射成像系統(tǒng)輻射成像技術(shù)的發(fā)展對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及其公共安全領(lǐng)域帶來了重大的革新，它的進(jìn)一步發(fā)展（如顯微CT成像技術(shù)）必然離不開計算機(jī)技術(shù)的支持，通過用計算機(jī)來分析輻射成像的原理來改進(jìn)輻射成像系統(tǒng)，同時開發(fā)出高效率、多功能的成像分析軟件，必然能夠促進(jìn)輻射成像領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。核輻射探測器輻射探測是核物理、粒子物理研究及其輻射應(yīng)用中不可缺少的工具和手段，它的發(fā)展不僅能夠促進(jìn)基礎(chǔ)物理的研究，還能推動天體物理以及核醫(yī)學(xué)以及核輻射應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)核輻射探測器的數(shù)字化設(shè)計，使其朝著多功能、高精度、高分辨率、高靈敏度等方面發(fā)展，從不同角度綜合提升各種輻射探測器的性能，對于核技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。鈾濃縮離心機(jī)鈾濃縮離心機(jī)技術(shù)是核燃料生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，是衡量國家核技術(shù)水平的重要標(biāo)志。目前生產(chǎn)濃縮鈾的主要方法是氣體離心法。氣體離心法的主要難點(diǎn)在于離心機(jī)的制造，進(jìn)入離心機(jī)的六氟化鈾(UF6)氣體溫度高達(dá)2000攝氏度，離心機(jī)的內(nèi)筒要在高度真空環(huán)境下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其