1、第一章 绪 论 1.1 先进制造技术及其主要特点先进制造技术及其主要特点 1.2 先进制造技术的构成及分类先进制造技术的构成及分类 1.3 先进制造技术的现状及发展趋势先进制造技术的现状及发展趋势 复习思考题复习思考题 1.1 先进制造技术及其主要特点先进制造技术及其主要特点 1.1.1 制造、制造技术、制造业与现代制造业背景制造、制造技术、制造业与现代制造业背景 制造(Manufacturing)是利用制造资源(设计方法、工艺、设备和人力等)将材料“转变”为有用的物品的过程。制造是一个很大的概念，按制造的连续性可分为连续制造(如化工产品的制造)和离散制造(如家电产品的制造)；按行业又可分为机
2、械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造，等等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。制造技术(Manufacturing Technology)是制造活动所涉及到的一系列技术的总称，是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性以及制造技术与其它科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等内容。制造业是以制造技术为主导技
3、术进行产品制造的企业群体的总称，是工业的主体。根据我国现行统计划分，工业由制造业、采掘业以及电力、燃气和水的生产供应业构成，制造系指第二产业中除采掘业、电力和燃气及其生产供应业、建筑业以外的所有行业，包括30个大类、169个中类、482个小类。1.1.2 先进制造技术的定义先进制造技术的定义先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，AMT)是一个相对的、动态的概念，是为了适应时代要求，提高竞争能力，对制造技术不断优化所形成的。虽然目前对先进制造技术仍没有一个明确的、一致的定义，但经过对其内涵和特征的分析研究，可以将其定义为：“先进制造技术是制造业不断吸收
4、机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。”1.1.3 1.1.3 先进制造技术的特点先进制造技术的特点1.系统性系统性 2.集成性集成性 3.广泛性广泛性 4.高精度高精度 5.实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产 1.2 先进制造技术的构成及分类先进制造技术的构成及分类 1.2.1 1.2.1 先进制造技术的构成
5、先进制造技术的构成 先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵。对我国而言，它是一个多层次的技术群。先进制造技术的内涵、层次及其技术构成如图1-1所示。图中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术和集成技术，下面将分别论述。图1-1 先进制造技术的内涵、层次及其技术构成 先进技术基础方法清洁生产技术极限加工技术工艺模拟及工艺设计技术制造业自动化单元技术新材料成型与加工技术激光等特种加工技术质量与可靠性技术系统管理技术优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术(基础技术)FMSCIMSIMS集成技术新材料技术微电子及计算机应用技术新型产业及市场需求带动(重大装备、高新
6、产业、社会协调发展)系统工程及管理科学激光等新能源技术1.1.基础技术基础技术图1-1的最内层是优质、高效、低耗、少或无污染(清洁)的基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。2.2.新型单元技术新型单元技术中间层是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，将制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现
7、代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、先进技术基础方法、清洁生产技术、新材料成型与加工技术、激光等特种加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。3.3.集成技术集成技术最外层是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段，如FMS、CIMS、IMS等。国际上，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组在1994年提出将先进制造技术分为三个技术群：主体技术群；支撑技术群；制造技术环境。这三个技术群相互联系
8、、相互促进，组成一个完整的体系。表1-1给出了先进制造技术的体系结构。表表1-1 先进制造技术体系结构先进制造技术体系结构 主体技术群 支撑技术群 制造技术环境 面向制造的设计技术群 产品、工艺设计 计算机辅助设计 工艺过程建模和仿真 工艺规程设计 系统工程设计 工作环境设计 快速成型技术 并行工程 制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺 连接和装配 测试和检验 环保技术 维修技术 其他 信息技术 接口和通信 数据库 集成框架 软件工程 人工智能 决策支持 标准和框架 数据标准 产品定义标准 工艺标准 检验标准 接口框架 机床和工具技术 传感器和控制技术 质量管理 用户/供应商交互作用 工作人
9、员培训和教育 全国监督和基准评设 技术获取和利用 1.2.2 1.2.2 先进制造技术的分类先进制造技术的分类1.1.现代设计技术现代设计技术现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术所包含的内容有：(1)现代设计方法。现代设计方法包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。(2)设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术进行产品造型和工艺设计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。(
10、3)工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流派相结合的造型设计，增强产品的国际竞争力。2.2.先进制造工艺先进制造工艺现代制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、精密成型技术以及特种加工技术等。(1)精密和超精密加工技术。精密、超精密加工技术采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、结合加工(离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等)、变形加工(精锻、精铸等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、超精密加工已经向纳米技术发展。(2)精密成型技术。精密成型技术是生产局部或全部、无余量或少余量半成品的工艺方法的统称，包括精密凝聚成型技术、精密塑性加工
11、技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果；其发展方向是精密化、高效化、强韧化和轻量化。(3)特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水加工以及多种能源的组合加工等。特种加工技术因其各自的独特性能而在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。(4)表面改性、制膜和涂层技术。表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学
12、、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐(隔)热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊功能，从而提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术的统称，是表面工程的重要组成部分。3.3.自动化技术自动化技术制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度，提高生产效率，减少在制品数量，节省能源消耗以及降低生产成本。自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识
13、别技术和过程设备工况监测与控制技术等。4.4.系统管理技术系统管理技术系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源(材料、设备、能源、技术、信息以及人力)得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部分，对企业的最终效益提高起着重要的作用。系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式(如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。1.3
14、 先进制造技术的现状及发展趋势先进制造技术的现状及发展趋势 1.3.1 世界制造业现状世界制造业现状 1.1.美国制造业的竞争策略美国制造业的竞争策略制造业是美国经济的主要支柱，美国财富的68%来源于制造业。1991年9月，在由美国总统办公厅指定的国家关键技术委员会向总统提出的双年度报告中，认定制造领域的国家关键技术包括：(1)柔性计算机集成制造；(2)智能加工设备；(3)微米级和毫微米级制造；(4)系统管理技术。1992年国家关键技术委员会又提出将先进制造技术作为国家关键技术。近几年来，美国政府所采取的主要措施有：(1)1994年从财政年度预算中拨款14亿美元支持先进制造技术研究开发；(2)
15、先进技术计划(ATP)1992年已有60个项目获得资助；(3)实施小企业革新研究计划(SBTR)；(4)实施工程研究中心建设计划(ERC)；(5)实施战略制造计划(STRATMAN)；(6)实施有益于环境的制造计划；(7)实施制造科学与技术计划；(8)建立航空航天、电子、机床等领域的敏捷制造研究中心；(9)在一些大学设置制造工程系、专业、研究中心或实验室；(10)在美国科学基金会中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，以强化对其的支持。分析美国在先进制造技术基础领域的研究现状，其发展趋势大致如下：(1)面对大制造业，用户需求启动研究。(2)在制造业和制造技术较为发达的基础上，注重制造模式的研
16、究。(3)CAD普及率达60%以上。(4)在传统冷、热成型工艺基础上，发展精度较高的成型工艺技术。(5)发展特种与复合加工工艺，如高能束加工工艺等。(6)利用应用软件、传感器和控制系统建造新一代智能化机床和智能化加工单元，通过建模、仿真来优化车、钻、铣、磨、模和注塑成型工艺过程。(7)生产准备工作柔性化和柔性工装卡具，近几年成为制造领域的研究热点。(8)发展少或无污染和可拆卸回收的产品及其制造技术。(9)不少大学工学院多年来设置有技术与管理相结合的工业工程科系。近些年，在大学工学院设置制造工程学科、中心、实验室的数目不断增加。(10)国家科学基金资助指南中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科
17、，与机械和结构学科分立，强化对制造技术基础与应用基础研究的支持。2.2.日本制造业的发展对策日本制造业的发展对策美国曾以福特方法赢得全世界制造技术的优势。而日本人却在福特方法的基础上，不断更新技术以适应市场需求。在20世纪70年代，日本汽车大举进入美国市场，以其价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。在1990年，仅日本FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。总体来讲，IMS的研究包括三个方面：(1)将目前各国、各企业掌握的制造技术系统化，包括产品设计技术和产品加工、装配技术等。(2)将现有技术及将要开发的技术标准化，包括制造数据的压缩、传递与储存的标准化以及物流管理
18、技术的标准化。(3)面向21世纪的先进制造系统的研究开发，包括系统管理技术，设计、加工和装配技术以及制造系统体系结构。3.3.前欧共体前欧共体ESPRITESPRIT计划和计划和BRITE-EURAMBRITE-EURAM计划计划前欧共体支持先进制造技术开发的主要有关计划是ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划。ESPRIT计划主要资助微电子、软件工程和信息处理系统、计算机集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM计划主要资助材料、制造加工和设计以及复杂工厂系统等方面的研究。上述前欧共体的这种大型国家级研究项目参加者除大企业外还有小企业和大学，参加单位多，研究工作显得分散。4.4.韩国
19、韩国G7G7计划计划韩国于1991年提出实施“高级先进技术国家计划”，即G7计划。G7计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增加国际竞争力，使韩国制造技术达到世界先进水平。该项目由韩国国家机构科技部负责，总投资额为5.95亿美元，其中政府资助2.77亿美元。上述“先进制造系统”项目的内涵为(1)共性基础技术：开放式集成系统(包括设计自动化、并行工程等）；标准和性能评估。(2)下一代加工系统：加工设备开发(包括5轴加工中心、超精非球面加工中心等）；机械技术(包括高性能主轴、高精度加工和测量等)；运营技术；集成技术。(3)电子
20、产品的装配和检验系统：下一代印刷线路装配和检验系统；用于装配和制造系统的高性能机械机构；先进装配用基础技术(包括精密装配、无焊料结合等）。1.3.2 1.3.2 先进制造技术在我国的发展先进制造技术在我国的发展1.1.我国制造业相对优势与先进制造技术的发展我国制造业相对优势与先进制造技术的发展(1)我国制造技术经建国以来50余年的发展已形成较完整的技术体系，为国民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，已能生产机床、汽车、轮船、飞机、大型发电机组等工业装备及民用消费类制造产品。(2)通过对引进技术的消化吸收和对企业现有技术的深化改造，不少企业已经掌握了一批相对先进的制造技术和管理方法
21、，不少产品已成功地打入国际市场。(3)在制造技术基础研究的许多方面我国已具有很高水平，制造学科已发展成为一个重要的支柱学科。近百所高等工科院校设有机械制造、机电一体化等相关专业；国家有关部委也设有制造工艺与技术研究所；20世纪80年代中期，国家设立了国家自然科学基金委员会，建立了机械强度与振动、摩擦学、流体传动与控制、激光、模具、焊接、测试与精密仪器、精密成型、汽车、超精密加工等国家重点实验室或工程中心。(4)在“九五”计划的实施中，国家科学技术部的“国家科技攻关计划”、“国家高新技术研究发展计划”、“国家基础研究重大项目计划(攀登计划预选项目)”都列入有关项目并付诸实施，其中“精密成型与加工
22、研究开发和应用示范”、“金属材料热成型过程动态模拟及组织性能质量优化控制”、“CIMS”以及“智能机器人”等项目已全面实施。(5)国家计委也十分重视先进制造技术的发展，在“九五”期间实施了一批发展先进制造技术的项目，如数控系统及装备研究、自动测试系统及设备技术研究、现场总线研究、智能化仪表研究、传感器技术研究、30万辆轿车规模生产关键技术及装备研究等。(6)先进制造技术应用情况。1993年国家科委组织实施“CAD应用工程”，原机械部又将1997年定为CAD推广年，现在机械工业系统的骨干企业中CAD应用的普及率达到35，但绝大多数只是“甩图板”。1958年开始研制数控机床，到20世纪80年代通过
23、引进、消化、吸收国外成熟技术开发出具有自主知识产权的数控系统；到80年代中期，已开始引进和自行研制柔性制造系统，数控机床的生产也实现了产业化。但在金属切削机床总产量中，数控化率只有5%左右。我国在20世纪70年代中期研制成功了直接数控(群控)系统并应用于生产，现在已拥有柔性制造系统和柔性制造单元等自动化制造系统。北京第一机床厂的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年获得美国制造工程师学会和计算机与自动化系统专业学会(CASA/SME)的CIMS应用工业的称号。在此之前，1994年清华大学获得CASA/SME的CIMS大学领先奖。我国在20世纪80年代末就注意引进先进管理模式。沈阳鼓风
24、机厂很早就采用了国际商用机器公司(IBM)的“面向通信的生产信息和控制系统”(Communication Oriented Production Information and Control System，COPICS)，第一汽车集团公司在生产管理中引进了日本的“准时生产”(JIT)模式。据有关资料报导，我国企业已先后投入大约80亿元购买了MRP软件来建立现代生产管理系统或MIS系统。2.2.我国机械制造业的差距与发展目标我国机械制造业的差距与发展目标我国机械制造业的差距(1)产品品种少、档次低。(2)制造工艺落后，装备陈旧。(3)生产专业化水平低。(4)管理技术落后。鉴于目前机械工业的状况
25、，围绕发展先进制造技术，我国制定了机械工业发展目标：(1)2000年，产品设计、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂层、制造业和过程工业综合自动化以及系统管理技术，总体上达到工业先进国家20世纪80年代末90年代初的水平。(2)我国的优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，预计在2010年提高到50%。(3)形成一批高科技产业：四个加工产业（精密成型加工、精密加工、激光加工、表面处理加工）；三个自动化硬件产业(数控系统、工业机器人、传感器和测试设备）；三个软件产业(CAD、CAM、MIS）。到2000年，大型企业普遍采用CAD技术和
26、计算机辅助管理技术；预计到2010年，大、中型企业普遍采用CAD，25%的大、中型企业采用CAM，大、中型企业主要产品的关键工序实现柔性化生产。1.3.3 先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势 当前先进制造技术的发展方向大致有以下九个方面：(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展；(2)设计技术与手段更现代化；(3)成型及制造技术精密化，制造过程实现低消耗；(4)形成新型特种加工方法；(5)开发新一代超精密、超高速制造装备；(6)加工工艺由技艺型发展为工程科学型；(7)实施无污染绿色制造；(8)虚拟现实技术将在制造业中广泛应用；(9)制造过程中将贯彻以
27、人为本的概念。复复 习习 思思 考考 题题 1-1 论述先进制造技术及其主要特点。1-2 叙述先进制造技术的分类及主要技术。1-3 描述我国机械制造业的发展目标。第二章 现代设计技术2.1 概述概述2.2 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)技术技术2.3 有限元分析有限元分析2.4 并行设计并行设计2.5 反求工程反求工程2.6 绿色产品设计绿色产品设计复习思考题复习思考题 2.1 概概 述述 2.1.1 2.1.1 现代设计技术定义与特点现代设计技术定义与特点1.1.现代设计技术的定义现代设计技术的定义现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机
28、辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。2.2.现代设计技术的特点现代设计技术的特点(1)系统性。(2)动态性。(3)创造性。(4)计算机化。(5)并行化、最优化、虚拟化和自动化。(6)主动性。2.1.2 2.1.2 现代设计技术体系现代设计技术体系 现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图2-1所示。图2-1 现代设计技术的体系及与其它学科的关系 各种产品设计应用技术现代设计技术主体技术计算机辅助技术支撑技术现代设计方法学可信性设计技术试验设计技术基础技术相关学科与
29、技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会科学市场营销学传统的设计理论与方法1.1.基础技术基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。2.2.主体技术主体技术现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计
30、算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术。3.3.支撑技术支撑技术支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用
31、计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。4.4.应用技术应用技术应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。2.2 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)技术技术 2.1.
32、1 2.1.1 计算机辅助设计技术的产生及发展计算机辅助设计技术的产生及发展(1)20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。(2)20世纪60年代 CAD技术的成长期。(3)20世纪70年代 CAD技术的发展期。(4)20世纪80年代 CAD技术的普及期。(5)20世纪90年代 CAD技术集成化期。2.2.2 2.2.2 计算机辅助设计的关键技术计算机辅助设计的关键技术1.1.产品的几何造型技术产品的几何造型技术CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以建立计算机内部模型的过程。被设计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模、特
33、征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程，主要模型类型如图2-2所示。图2-2 三维几何模型类型(a)线框模型；(b)表面模型；(c)实体模型 1)线框模型线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，用来描述产品的轮廓外形(见图2-2(a)。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业。2)表面模型表面模型的数据结构在线框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的连接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。多边平
34、面造型只能构建平面主体，描述能力不强，故较少采用(见图2-2(b)。曲面造型则发展非常迅速，它可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型(见图2-3)，因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中。常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲面技术和B样条(Bspline)曲面技术。表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算。图2-3 曲面造型典型模型 3)实体模型实体模型较完整地反映了三维实体的几何信息(见图2-2(c)，它既能消除隐藏线，产生有明暗效应的立体图像，又能进行物性计算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查，进行
35、有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等作业。常用的实体造型方法有“边界表示”(Boundary Representation，B-rep)法和“构造实体几何”(Constructive Solid Geometry，CSG)法。边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运算和操作，最后达到构成物体的目的。图2-4 边界表示法实体模型 CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞”组成的，这种实体细胞可称为“体素”。CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等。系统通过布尔运算可
36、以将这些几何体素组成所需要的物体。高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素。复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建。图2-5就是用此方法生成的复杂零件图。图2-5 CSG法实体模型 4)特征造型所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既反映了零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组
37、织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。2.单一数据库与相关性设计单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓相关性设计，是指任何设计改动都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上。例如，修改二维零件工程图样中的某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样左视图中的某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计。单一数据库和相关性设计技
38、术的应用有利于减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期。3.CAD3.CAD与其他与其他CAXCAX系统的集成技术系统的集成技术CAD技术为产品的设计开发提供了基本的数据化模型，然而，它只是计算机参与产品生产制造的一个环节。为了使产品生产后续的作业环节有效地利用CAD作业所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其他功能系统的集成等。CAD技术的主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供共享的产品数据模型，它已成为CIMS或其他制造系统的基础和关键。CAD技术的集成体现
39、在以下几个方面：(1)CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP等软件模块集成。CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程。(2)将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统以专用芯片的形式加以固化，这样一方面可以提高CAD系统的运行效率，另一方面可以供其他系统直接调用。(3)CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。4.4.标准化技术标准化技术由于CAD软件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构、跨平台的工作环境。该问题
40、的解决主要依靠CAD技术的标准化。国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。2.2.3 CAD2.2.3 CAD系统软件与应用系统软件与应用1.1.系统软件系统软件系统软件主要用于计算机管理、维护、控制、运行以及计算机程序的翻译和执行，分为以
41、下几类：(1)操作系统。操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。微机上常用的操作系统有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前较为流行的操作系统是Windows，它是32位多窗口、多任务操作系统，提供了对多媒体和网络的软件支持。工作站主要采用UNIX操作系统，提供支持X协议的多窗口环境。(2)编译系统。编译系统是将用高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。我们所熟知的高级语言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C+等，都有相应的编译程序或集成开发环境。(3)图形接口及接口标准。为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库
42、)。Windows的CGI计算机图形接口编码面向应用软件开发，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等图形接口标准。利用这些标准所提供的接口函数，应用程序可以方便地输出二维和三维图形。在各种以图形为基础的CAD软件相继推出后，为了满足不同应用系统产品数据模型的交换、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等图形(产品)信息交换标准。2.2.支撑软件支撑软件1)计算机分析软件(1)常用数学方法库及其可视化软件。(2)有限元分析软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，除应用于弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5
43、、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前、后置处理功能。(3)优化设计软件。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。目前已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主知识产权的“优化方法程序库OPB-2”等。2)集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。早期的集成化CAD/CAM软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二维交互式绘图为主。20世纪80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转
44、向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。目前较流行的CAD集成系统有：美国 PTC(Parametric Technology Corporation)公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公司开发研制的集成智能化CAD系统，清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS等。3)数据库管理系统(DBMS)数据库管理系统用于管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用
45、户与数据之间的接口。数据库管理系统使用三种数据模型，即层次模型、网状模型和关系模型。目前流行的数据库管理系统有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。4)网络软件采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为20世纪90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上的传输和共享文件提供了条件。最常用的网络软件是Novell公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。Microsoft的Windows 95以上操作系统可直接支持绝大多数的网络互连服务。3.3.应用软件应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某
46、一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。例如，模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属应用软件。专家系统也是一种应用软件。在设计过程中，有相当一部分工作不是仅通过计算或绘图就可以完成的，而必须依赖该领域专家丰富的实践经验和专门知识，经过专家们的思考、推理和判断才能够完成。为使计算机模拟专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。2.3 有有 限限 元元 分分 析析 1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”这个概念。30多年来，有限元法得到了很大的发展。它不仅可用于计算静力学模型
47、，也可用于动力学模型求解；既可以计算稳态温度场的物体热力学响应，也可以用于非稳态热源下的时间响应，还能用于电磁场的力学分析等；既可以用于分析刚件结构的受载变形过程，也可以用于设计轮胎、橡胶零件等非刚性物体，找出它们结构设计中的薄弱环节。因此，有限元法已成为工程结构设计阶段不可缺少的工具。秦凯维奇(.Zienkiewicz)教授在他的名著有限元法中给出的有限元法定义是：把连续体看成是有限个部分(有限元)的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。有限元法的产品结构模型与CAD几何造型的模型是有区别的。有限元法将连续体的结构模型分解成数目有
48、限的小块体(见图2-6)，这些小块体称为有限元，它们彼此之间用有限个结点相互联结，再在这些结点上引进等效力代替作用到单元上的外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来解决连续体的力学问题。有限元法实质上就是把无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题。图2-6 有限元实体模型 图2-7 受力弯曲有限元图 2.4 并并 行行 设设 计计 关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，被普遍采用的是美国防务研究所1988年12月在第一届CE专题研讨会上给出的定义：“并行工程是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设
49、计的工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求。”在传统的制造系统中，新产品的开发从概念设计到产品出厂的整个过程是按顺序(即串行)进行的。在产品图纸设计完成后，必须进行样机试制，再根据试制中发现的问题对图纸进行修改，同时整理试制工艺，设计制造工艺装备，然后再进行小批量生产，考核工艺规程和工装的正确性，并进行必要的修改。只有在小批量试制通过验证后，才能正式批量投产。这种串行工程方式对批量较大和市场寿命较长的产品来说，不失为一种行之有效的方法。但是，许多不合理设计和错误设计只有通过试制过程才能发现，有时某
50、些问题甚至是无法修改的，修改设计就意味着部分或全部报废，造成不必要的人力和物力浪费，其缺点是显而易见的。因此，对于面向定单的单件及小批量生产，这种串行工作方式就完全不适用了。图2-8(a)、(b)为产品设计及技术准备阶段串行工程与并行工程的基本概念示意图。在串行工程中，前馈信息随着过程传递，反馈信息总滞后于过程，返工浪费很难避免。并行工程采用并行方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命周期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑，协同进行。经系统的仿真和分析评估，对设计对象进行反复修改和完善，力争后续的
