第1章 數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)概述

第1章數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述在計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與加工的方式一直都是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和手工加工的方式，這種傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高要求，同時(shí)數(shù)量上的需求也不斷增長(zhǎng)。為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品在質(zhì)量與數(shù)量上的需求，同時(shí)也為了能進(jìn)一步降低機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，人們?cè)谂で笠环N全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工方式，而二十世紀(jì)四五十年代以來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)及其發(fā)展，特別是計(jì)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(jì)與生產(chǎn)方式的曙光。于是，數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)與加工任務(wù)交給計(jì)算機(jī)來(lái)做，這一方面使得機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(duì)于設(shè)計(jì)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(shí)也使得產(chǎn)品更加適合批量化生產(chǎn)。1制造業(yè)的發(fā)展與變革1.1科技革命與產(chǎn)業(yè)變革人類文明和社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)是科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的革新?；仡櫄v次工業(yè)革命的進(jìn)程，其發(fā)生發(fā)展的觸發(fā)點(diǎn)都在了科學(xué)技術(shù)得到重在突破并產(chǎn)生深刻變革的節(jié)點(diǎn)上。1制造業(yè)的發(fā)展與變革第一次工業(yè)革命17-18世紀(jì)，紡織業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了蒸汽機(jī)的發(fā)明、改進(jìn)及其工程應(yīng)用，引發(fā)了第一次工業(yè)革命。以瓦特改良的蒸汽機(jī)、哈格里夫斯發(fā)明的珍妮紡紗機(jī)為代表，以機(jī)械化生產(chǎn)為標(biāo)志，這場(chǎng)革命從英格蘭中部地區(qū)開始。第一次工業(yè)革命不僅是一場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)上的變革，也是一次深刻的社會(huì)變革，引起了生產(chǎn)關(guān)系的重大變革。1制造業(yè)的發(fā)展與變革第二次工業(yè)革命1870年前后，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮并迅速應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電話、電報(bào)相繼出現(xiàn)，以零部件標(biāo)準(zhǔn)化和流水作業(yè)為特征的大規(guī)模生產(chǎn)方式極大的提升了生產(chǎn)力水平，人類由“蒸汽時(shí)代”進(jìn)入“電氣化時(shí)代”。1制造業(yè)的發(fā)展與變革第三次工業(yè)革命、20世紀(jì)中葉，人類在原子能、計(jì)算機(jī)、微電子、航天以及生物工程等領(lǐng)域相繼取得突破，以計(jì)算機(jī)、集成電路、可編程控制器等為主要標(biāo)志，引發(fā)第三次工業(yè)革命，人類開始進(jìn)入“信息化時(shí)代”。第三次工業(yè)革命不僅極大地推動(dòng)了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政治、文化領(lǐng)域的變革，使人類社會(huì)的現(xiàn)代化向更高境界發(fā)展。1制造業(yè)的發(fā)展與變革第四次工業(yè)革命21世紀(jì)以來(lái)，大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)機(jī)器人、智能制造風(fēng)起云涌，近年來(lái)美國(guó)政府提出國(guó)家制造業(yè)戰(zhàn)略——《先進(jìn)制造戰(zhàn)略》、德國(guó)政府在《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》中提出“工業(yè)4.0”、中國(guó)政府提出制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)——《中國(guó)制造2025》、日本政府通過《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2016-2020）》，以智能制造為主要特征的第四次工業(yè)革命輪廓初現(xiàn)，人類開始進(jìn)入“智能化時(shí)代”。四次工業(yè)革命的發(fā)展歷程與特征如圖1-1所示。1制造業(yè)的發(fā)展與變革第四次工業(yè)革命圖1-1四次工業(yè)革命的發(fā)展歷程與特征1制造業(yè)的發(fā)展與變革1.2制造業(yè)變革制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)制造業(yè)增加值為264.820億元，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的29.41%。制造業(yè)就業(yè)人數(shù)10471.3萬(wàn)人，占就業(yè)人數(shù)的27.3%。當(dāng)前，各類高新信息技術(shù)、新能源、新材料等重要領(lǐng)域和前沿方向的革命性突破和交叉融合引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)變革，并逐漸改變?nèi)蛑圃鞓I(yè)的發(fā)展格局。面對(duì)科技創(chuàng)新發(fā)展的新趨勢(shì)，世界主要制造國(guó)家都在尋找科技創(chuàng)新突破口，搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的先機(jī)?！吨袊?guó)制造2025》明確提出，要以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。其他國(guó)家都在積極采取行動(dòng)，如美國(guó)“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”、德國(guó)的“德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略”，英國(guó)的“英國(guó)工業(yè)2050戰(zhàn)略”、日本的“超智能社會(huì)5.0戰(zhàn)略”、韓國(guó)的“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”等，都將發(fā)展智能制造作為本國(guó)構(gòu)建制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵舉措。1制造業(yè)的發(fā)展與變革1.2制造業(yè)變革在智能制造背景下，制造業(yè)正面臨需求日趨個(gè)性化、研發(fā)、制造手段日趨復(fù)雜化、多樣化和網(wǎng)絡(luò)化，產(chǎn)品日趨智能互聯(lián)等一系列變革。這就對(duì)制造業(yè)研發(fā)與制造方式提出了新的要求，也就是要求應(yīng)當(dāng)以信息技術(shù)、新能源、新材料等重要領(lǐng)域和前沿方向的革命性突破和交叉融合為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)未來(lái)制造的新發(fā)展。具體來(lái)說，就是在設(shè)計(jì)方面需要充分融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、仿真分析與人工智能的產(chǎn)品數(shù)字研發(fā)技術(shù)。在制造方面則充分融合奧先進(jìn)制造、增材制造與數(shù)字孿生的數(shù)字制造技術(shù)等。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述2.1數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的概念數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)信息化與智能制造的基礎(chǔ)，首先介紹二者的基本概念。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述數(shù)字化設(shè)計(jì)所謂數(shù)字化設(shè)計(jì)，是指使用工業(yè)軟件作為設(shè)計(jì)工具開展的設(shè)計(jì)工作，包括模型建立、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析、制造準(zhǔn)備等內(nèi)容。數(shù)字化設(shè)計(jì)可在產(chǎn)品投產(chǎn)前進(jìn)行產(chǎn)品分析、優(yōu)化、驗(yàn)證等工作，具有降低產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的作用。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述數(shù)字化制造數(shù)字化制造是指借助工業(yè)軟件開展的產(chǎn)品制造工作，包括工藝規(guī)劃、程序編制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與反饋、生產(chǎn)管理等內(nèi)容。數(shù)字化制造具有提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量的作用。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述2.2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特征在智能制造中，數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化制造已不再是獨(dú)立的環(huán)節(jié)，二者是相互融合的過程，在數(shù)字化設(shè)計(jì)階段，將傳統(tǒng)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)即數(shù)字樣機(jī)技術(shù)與基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，并與仿真分析技術(shù)一起以全新的方式開展設(shè)計(jì)工作。在數(shù)字化制造階段，在融合先進(jìn)制造、增材制造與數(shù)字孿生技術(shù)，拓展制造范圍的同時(shí)，通過數(shù)字世界與物理世界的聯(lián)系使用生產(chǎn)過程更加工自動(dòng)化、智能化。而通過信息化手段和工業(yè)軟件的應(yīng)用，則可將設(shè)計(jì)、制造階段的數(shù)據(jù)做到統(tǒng)一、協(xié)同，打通設(shè)計(jì)與制造的壁壘，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的融合。如圖1-2所示為智能制造的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述2.2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特征圖1-2智能制造的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述數(shù)字化設(shè)計(jì)初級(jí)階段使用以數(shù)字樣機(jī)為主的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證，得到產(chǎn)品數(shù)字化模型。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)化階段使用基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，從需求出發(fā)由系統(tǒng)（工業(yè)軟件）開展設(shè)計(jì)工作，從多種可行方案中選取最優(yōu)方案，并進(jìn)一步通過仿真分析技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。2數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造概述數(shù)字化制造階段為數(shù)字化設(shè)計(jì)的結(jié)果添加加工工藝信息，由生產(chǎn)線的各制造單元完成零部件加工、裝配、質(zhì)檢等制造工作。這一階段中，數(shù)字化制造平臺(tái)與數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)相對(duì)接，而生產(chǎn)線的各制造單元?jiǎng)t通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造平臺(tái)相對(duì)接，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、自動(dòng)生產(chǎn)”。3數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是以計(jì)算機(jī)、軟件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控和PLC等軟硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品數(shù)字化信息為載體，以提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量和效率為目標(biāo)，用于支持機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)的相關(guān)技術(shù)。與傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)手段相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造充分利用計(jì)算機(jī)、數(shù)字化信息、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能算法所具有的計(jì)算速度快、求解精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、具有尋優(yōu)和智能決策功能等優(yōu)勢(shì)，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中。總體上，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)具有以下特點(diǎn)。3數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)數(shù)字化信息是產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)和主線與傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)手段相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造建立在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，數(shù)字化是基礎(chǔ)與主線。它充分利用了計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，包括強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)能力、邏輯推理能力、重復(fù)工作能力、快速準(zhǔn)確的計(jì)算能力、高效的信息處理功能、強(qiáng)大的推理決策能力、運(yùn)籌優(yōu)化能力、科學(xué)理解和忠實(shí)執(zhí)行程序的能力等，極大地提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的成熟，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支撐的異地、異構(gòu)、協(xié)同、并行開發(fā)成為現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)不可或缺的技術(shù)平臺(tái)，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造成為產(chǎn)品開發(fā)的主流形式。品開3數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的重要輔助工具盡管計(jì)算機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，有助于提高產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量和效率，但它只是人們從事產(chǎn)品開發(fā)的輔助工具。主要原因如下：計(jì)算機(jī)的計(jì)算、邏輯推理和智能決策等能力是人們通過編寫程序賦予的；新產(chǎn)品開發(fā)是一種具有創(chuàng)造性的活動(dòng)，目前計(jì)算機(jī)尚不具備創(chuàng)造性思維但是人，特別是經(jīng)過科學(xué)訓(xùn)練的專業(yè)技術(shù)人員具有創(chuàng)造性思維，能夠針對(duì)所開發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行深入的分析與綜合，再將其轉(zhuǎn)換成適合于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型、解算程序和優(yōu)化算法，同時(shí)人還可以控制計(jì)算機(jī)和程序的運(yùn)行，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和修改，選擇優(yōu)化方案人的直覺、經(jīng)驗(yàn)和綜合判斷是產(chǎn)品開發(fā)中不可缺少的，也是計(jì)算機(jī)難以代替的。人和計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)比較見表1-1。表1-1人和計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)比較3數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的特點(diǎn)有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)和計(jì)算能力可以充分挖掘產(chǎn)品開發(fā)過程中所需的數(shù)據(jù)信息，為產(chǎn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。人機(jī)交互的產(chǎn)品開發(fā)，有利于發(fā)揮人機(jī)各自的特長(zhǎng)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的方案更加合理。通過計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化算法可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，改進(jìn)產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、尺寸和性能參數(shù)，克服傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中被動(dòng)、靜態(tài)、過于依賴人的經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)。數(shù)控自動(dòng)編程、刀具軌跡仿真和數(shù)控加工有利于保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度減少產(chǎn)品開發(fā)中的廢品和次品率。此外，基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)將傳統(tǒng)的產(chǎn)品串行開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿虚_發(fā)，可以有效地提高產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低產(chǎn)品的制造成本，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代速