數(shù)字化設(shè)計(jì)概述

數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造系統(tǒng)馮欣欣Email：fxmao@CAX：CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAE計(jì)算機(jī)輔助工程CAPP計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)CAM計(jì)算機(jī)輔助制造CAFD計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)5CADCAECAPPCAMCAFD產(chǎn)品策劃設(shè)計(jì)開發(fā)樣件生產(chǎn)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)進(jìn)入市場產(chǎn)品生命周期CAPP：計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：1.選擇機(jī)床2.選擇刀具3.確定定位裝夾方案4.確定工序步驟5.確定切削參數(shù)6.生成工藝文件7.數(shù)控編程準(zhǔn)備65DFX：designforX面向X的設(shè)計(jì)DFM：designforManufacturingDFA：designforAssemblyDFC：designforCostDFQ：designforQualityDFE：designforEnvironment知識經(jīng)濟(jì)對制造的影響信息技術(shù)改變了人類的生活需求呈現(xiàn)個(gè)性化、多樣化需求市場多變、快變?nèi)蚪?jīng)濟(jì)一體化，必須參與世界競爭競爭異地制造、合作制造、24小時(shí)不間斷制造成為可能企業(yè)生存關(guān)鍵--核心能力、快速響應(yīng)能力合作與競爭并存成為趨勢知識成為重要的制造資源資源34必須快速生產(chǎn)出市場需要的產(chǎn)品生產(chǎn)的瓶頸變成了產(chǎn)品快速創(chuàng)新決定產(chǎn)品成本和利潤的主要因素是新產(chǎn)品中所含知識及創(chuàng)新的價(jià)值新的資源利用方式－－異地資源利用新的企業(yè)－－學(xué)習(xí)型企業(yè)新的競爭方式－－培養(yǎng)核心能力、合作新的生產(chǎn)方式、新的技術(shù)解決方案：先進(jìn)制造技術(shù)+先進(jìn)制造模式知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的制造制造企業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變1）用機(jī)器代替手工，從作坊形成工廠

18世紀(jì)末機(jī)器在英國誕生，先后傳人法國、德國和美國。2）從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式泰勒：以勞動分工和計(jì)件工資制為基礎(chǔ)的科學(xué)管理。福特：零件互換技術(shù)，1913年建立了具有劃時(shí)代意義的汽車裝配生產(chǎn)線。3）柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代制造技術(shù)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能制造系統(tǒng)、及時(shí)生產(chǎn)、精良生產(chǎn)、敏捷制造……567單品種大批量扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、自主管理動態(tài)團(tuán)隊(duì)組織價(jià)格低廉生產(chǎn)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品職能分工實(shí)用耐久生產(chǎn)方式變革柔性制造設(shè)備快速產(chǎn)品創(chuàng)新并行工作方式快速相應(yīng)市場滿足個(gè)性愛好多品種小批量多層次遞階控制結(jié)構(gòu)、固定組織先進(jìn)制造技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)（并行、反求、CAD/CAM等）精密成型（Netshape）高速切削、超精加工、特種加工（水、激光）快速原型擬實(shí)加工自動化技術(shù)、檢測技術(shù)集成制造技術(shù)先進(jìn)制造模式精益生產(chǎn)LeanProduction(LP)

敏捷制造AgileManufacturing仿生制造BionicManufacturing

智能制造IntelligenceManufacturing柔性制造FlexibleManufacturing

綠色生產(chǎn)Clean(Green)Manufacturing10綠色生產(chǎn)Clean(Green)Manufacturing綠色產(chǎn)品的標(biāo)志綠色產(chǎn)品是指生產(chǎn)過程及其本身節(jié)能、節(jié)水、低污染、低毒、可再生、可回收的一類產(chǎn)品，它也是綠色科技應(yīng)用的最終體現(xiàn)。22綠色產(chǎn)品就是在其生命周期全程中，符合環(huán)境保護(hù)要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率高、能源消耗低的產(chǎn)品，主要包括企業(yè)在生產(chǎn)過程中選用清潔原料、采用清潔工藝；用戶在使用產(chǎn)品時(shí)不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生環(huán)境污染；產(chǎn)品在回收處理過程中很少產(chǎn)生廢棄物；產(chǎn)品應(yīng)盡量減少材料使用量，材料能最大限度地被再利用；產(chǎn)品生產(chǎn)最大限度地節(jié)約能源，在其生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)所消耗的能源應(yīng)達(dá)到最少。綠色產(chǎn)品的第一個(gè)環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)。綠色產(chǎn)品要求產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、環(huán)境行為優(yōu)。綠色產(chǎn)品的第二個(gè)環(huán)節(jié)是生產(chǎn)過程。要求實(shí)現(xiàn)無廢少廢、綜合利用和采用清潔生產(chǎn)工藝。綠色產(chǎn)品的第三個(gè)環(huán)節(jié)是產(chǎn)品本身的品質(zhì)。比一般產(chǎn)品更體現(xiàn)以人為本、提高舒適度和健康保護(hù)及環(huán)境保護(hù)程度。綠色產(chǎn)品的第四個(gè)環(huán)節(jié)是廢棄物便于處置。設(shè)計(jì)階段制造階段材料采購其它階段費(fèi)用

產(chǎn)品成本的決定因素構(gòu)成及實(shí)際成本消耗構(gòu)成示意圖70%6%20%36%7%40%3%18%成本的決定因素實(shí)際成本消耗Boothroyd引用福特公司的報(bào)告表明，盡管產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝費(fèi)用只占整個(gè)產(chǎn)品費(fèi)用的6%，卻影響了總費(fèi)用的70%以上。設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品生命周期的巨大影響1并行工程并行工程（ConcurrentEngineering）20世紀(jì)50年代~20世紀(jì)60年代基于產(chǎn)品功能和成本的競爭——物美價(jià)廉20世紀(jì)70年代~20世紀(jì)80年代增加了對質(zhì)量的關(guān)注20世紀(jì)80年代末~20世紀(jì)90年代初在質(zhì)量和成本的基礎(chǔ)上增加了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間23產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃加工裝配市場需求無法加工裝配困難串行產(chǎn)品開發(fā)模式4串行開發(fā)模式的重大缺陷忽視了不相鄰活動之間的交流和協(xié)調(diào)，形成以部門利益為重而不考慮全局最優(yōu)化的“拋過墻式”工作環(huán)境；各部門對產(chǎn)品開發(fā)整體過程缺乏綜合考慮，造成局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)；上下游矛盾與沖突不能及時(shí)得到調(diào)解；開發(fā)時(shí)間加長，成本提高。51988年，美國防御分析研究院（IDA），提出并行工程的概念：并行工程是對產(chǎn)品及相關(guān)過程（包括制造過程和支持過程）進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品全生命周期的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶需求。注：支持過程——包括對制造過程的支持（原材料的獲取,中間產(chǎn)品的庫存，工藝過程設(shè)計(jì)，生產(chǎn)計(jì)劃制定…）和使用過程的支持（產(chǎn)品銷售，使用維護(hù)，售后服務(wù)，產(chǎn)品報(bào)廢后的處理…）6并行工程的含義并行工程是一個(gè)關(guān)于設(shè)計(jì)過程的方法，它需要在設(shè)計(jì)中全面地考慮到相關(guān)過程的各種問題，但并非包括制造過程等其它過程。它要求所有設(shè)計(jì)工作要在生產(chǎn)開始前完成，并不是要求在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)就進(jìn)行生產(chǎn)。并行工程不是指同時(shí)或交錯(cuò)地完成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)任務(wù)，而是指對產(chǎn)品及其下游過程進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，不能隨意消除一個(gè)完整工程過程中現(xiàn)存的、順序的、向前傳遞信息的任一必要階段。并行工程是對設(shè)計(jì)過程的集成，是企業(yè)集成的一個(gè)側(cè)面，它企圖做到的是優(yōu)化設(shè)計(jì)，依靠集成各學(xué)科專業(yè)人員的智慧做到設(shè)計(jì)一次成功。8910并行工程的特點(diǎn)Concurrence并行性：產(chǎn)品設(shè)計(jì)與其后續(xù)相關(guān)過程在同一時(shí)間框架內(nèi)并行處理；Constrains約束性：在充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束的同時(shí)引入其后續(xù)相關(guān)過程約束；Coordination協(xié)調(diào)性：對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其后續(xù)相關(guān)過程進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理；Consensus一致性：產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的所有重大決策都要建立在工作組成員意見一致的基礎(chǔ)上；Computerization計(jì)算機(jī)性：產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要在計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持下實(shí)現(xiàn)集成和并行。14并行工程應(yīng)避免的幾個(gè)誤解CE是設(shè)計(jì)與制造的并行或同步CE是設(shè)計(jì)活動的并發(fā)或并行CE是一種管理模式CE是對其他幾種生產(chǎn)模式的否定CE不能稱之為生產(chǎn)模式，而是一種新的產(chǎn)品開發(fā)模式不是通過簡單的并行來縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,而是通過過程分解、IPT（集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)）成員之間的信息和知識共享等方法,打破傳統(tǒng)的專業(yè)壁壘,增加設(shè)計(jì)活動間的協(xié)作,從而獲取更高的效益科學(xué)的管理思想和先進(jìn)技術(shù)的集成1520提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間據(jù)調(diào)查，傳統(tǒng)方式的設(shè)計(jì)者在查找信息和處理信息上花費(fèi)30%-70%的時(shí)間尋找信息、檢索信息等。提高設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和安全性

PDM系統(tǒng)的版本管理功能能夠保證所有參與同一項(xiàng)目的人員采用同一最新數(shù)據(jù)來工作，避免了設(shè)計(jì)上的重復(fù)和不一致。部門之間的信息共享、信息再利用

PDM的優(yōu)點(diǎn)21面向X的設(shè)計(jì)DFX：X代表了產(chǎn)品生命周期中的所有因素，包括制造、裝配、拆卸、檢測、維護(hù)、測試、回收、可靠性、質(zhì)量、成本、安全性以及環(huán)境保護(hù)等。22CIM概念CIM：ComputerIntegratedManufacturingCIM一詞是由美國的JosephHarrington博士于1973年著書《ComputerIntegratedManufacturing》從而提出的。CIM的基本觀點(diǎn)：系統(tǒng)(集成化)觀點(diǎn)：企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營銷售到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接，統(tǒng)一考慮。信息化觀點(diǎn)：整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。30CIM概念CIM：ComputerIntegratedManufacturingCIM一詞是由美國的JosephHarrington博士于1973年著書《ComputerIntegratedManufacturing》從而提出的。CIM的基本觀點(diǎn)：系統(tǒng)(集成化)觀點(diǎn)：企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),即從市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、經(jīng)營銷售到售后服務(wù)的全部生產(chǎn)活動是一個(gè)不可分割的整體，要緊密連接，統(tǒng)一考慮。信息化觀點(diǎn)：整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程。最終形成的產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。30CIMS是將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品全生命周期（從市場需求分析到最終報(bào)廢處理）的各個(gè)階段；通過信息集成、過程優(yōu)化及資源優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物流、信息流、價(jià)值流的集成和優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到人（組織、管理）、經(jīng)營和技術(shù)三要素的集成，以加強(qiáng)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)T（時(shí)間）、Q（質(zhì)量）、C（成本）、S（服務(wù)）、E（環(huán)境），從而提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭能力。311.2.2CIMs目標(biāo)(1)縮短產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)周期，快速響應(yīng)市場：以時(shí)間求效益，以速度求競爭，占領(lǐng)市場。(2)降低產(chǎn)品成本，減少庫存：以成本求效益，以價(jià)格求競爭，占領(lǐng)市場。(3)提高產(chǎn)品質(zhì)量：以質(zhì)量求效益，以質(zhì)量求競爭，贏得信譽(yù)，占領(lǐng)市場。(4)增加生產(chǎn)柔性，提高設(shè)備利用率：以最小資源獲最大效益，向設(shè)備要效益。(5)提高企業(yè)制造與管理水平，保持整體實(shí)力：保持長期效益，未來競爭能力。35自動化－－是美國人D.S.Harder于1936年提出的。當(dāng)時(shí)他在通用汽車公司工作，他認(rèn)為在一個(gè)生產(chǎn)過程中，機(jī)器之間的零件轉(zhuǎn)移不用人去搬運(yùn)就是“自動化”。這實(shí)質(zhì)是早期制造自動化的概念。制造自動化(以下簡稱自動化)的概念是一個(gè)動態(tài)發(fā)展過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能目標(biāo)是以機(jī)械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。這實(shí)質(zhì)上是自動化代替人的體力勞動的觀點(diǎn)。后來隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，自動化的概念已擴(kuò)展為用機(jī)器(包括計(jì)算機(jī))不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。

3

廣義地講，自動化制造系統(tǒng)是由一定范圍的被加工對象、一定柔性和自動化水平的各種裝備和高素質(zhì)的人員組成的一個(gè)有機(jī)整體。自動化制造系統(tǒng)具有五個(gè)典型組成部分：一定范圍的被加工對象；具有一定技術(shù)水平和決策能力的人；信息流及其控制系統(tǒng)；能量流及其控制系統(tǒng)：物料流及物料處理系統(tǒng)。5制造自動化的組成TQCSE模型T表示時(shí)間(Time)，Q表示質(zhì)量(Quality)，C表示成本(Cost)，S表示服務(wù)(Service)，E表示環(huán)境友善性(Environment)。在TQCSE模型中：T有兩方面的含義，一是指采用自動化技術(shù)，能縮短產(chǎn)品制造周期，產(chǎn)品上市快；二是提高生產(chǎn)率。Q的含義是采用自動化系統(tǒng)，能提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。C的含義是采用自動化技術(shù)能有效地降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。S也有兩方面的含義，一是利用自動化技術(shù)，更好地做好市場服務(wù)工作；二是利用自動化技術(shù)，替代或減輕制造人員的體力和腦力勞動，直接為制造人員服務(wù)。E的含義是制造自動化應(yīng)該有利于充分利用資源，減少廢棄物和環(huán)境污染，有利于實(shí)現(xiàn)綠色制造。制造自動化功能模型41952年美國麻省理工學(xué)院研制出的第一臺數(shù)控銑床揭開了柔性自動化的序幕，70年代初柔性自動化進(jìn)人了生產(chǎn)實(shí)用階段；近20多年來，柔性自動化有了飛速的發(fā)展，從單臺數(shù)控機(jī)床到加工中心、DNC（DistributedNumericalControl分布式數(shù)控）、柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，到90年代更是向敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化等方向發(fā)展。制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程6制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程第一臺階：剛性自動化，包括剛性自動線和自動單機(jī)。本臺階在20世紀(jì)40一50年代已相當(dāng)成熟。應(yīng)用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝方法，采用專用機(jī)床和組合機(jī)床、自動單機(jī)或自動化生產(chǎn)線進(jìn)行大批量生產(chǎn)。其特征是高生產(chǎn)率和剛性結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變。引人的新技術(shù)包括繼電器程序控制、組合機(jī)床等。7制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程第二臺階：數(shù)控加工，包括數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）。本臺階中的數(shù)控(NC）在50一70年代發(fā)展迅速并已成熟，但到了70一80年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，它迅速被計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC）取代。數(shù)控加工設(shè)備包括數(shù)控機(jī)床、加工中心等。數(shù)控加工的特點(diǎn)是柔性好、加工質(zhì)量高，適應(yīng)于多品種、中小批量（包括單件產(chǎn)品）的生產(chǎn)。引人的新技術(shù)包括數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)等。8制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程第三臺階：柔性制造。本臺階特征是強(qiáng)調(diào)制造過程的柔性和高效率。適應(yīng)于多品種、中小批量的生產(chǎn)。涉及的主要技術(shù)包括成組技術(shù)(GT)、計(jì)算機(jī)直接數(shù)控和分布式數(shù)控(DNC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性加工線(FML)、離散系統(tǒng)理論和方法、仿真技術(shù)、車間計(jì)劃與控制、制造過程監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制與通信網(wǎng)絡(luò)等等。9制造自動化技術(shù)的發(fā)展歷程第四臺階：計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。CIMS既可看作是制造自