数字化设计与制造

第一章

1.1数字化设计制造是现代产品研制的基本手段。

1.2先进制造技术的特征：(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段；(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期；(3)先进制造技术注重技术与管理的结合；(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。

1.3设计制造技术主要表现在全球化、网络化、虚拟化、智能化和绿色化等几个方面。

1.4任何一种产品的研制过程从大的方面可以划分为设计与制造两部分。

1.5可以将产品的制造过程的基本要素抽象为产品（product）、工艺过程（process）、制造资源（resource），即PPR模型，实际的过程是三个要素相互耦合作用的结果。

1.6串行设计与并行设计：

(1)串行设计的组织模式是递阶结构，各个阶段的活动是按时间顺序进行的，一个阶段的活动完成后，下一个阶段的活动才开始，各个阶段依次排列，都有自己的输入和输出。

(2)并行设计的工作模式是在产品设计的同时就考虑后续阶段的相关工作，包括加工工艺、装配、检验等，在并行设计中产品开发过程各个阶段的工作是交叉进行的。

1.7数字化设计制造基本概念：

(1)数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。

(2)数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计制造的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核心。

(3)数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也使制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。

(4)数字化设计制造本质上是产品设计制造信息的数字化，它将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来。

1.10产品数据管理（product data management，PDM）是一种帮助工程技术人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM 系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。

1.11数字化设计制造的特点：(1)过程延伸；(2)智能水平的提高；(3)集成水平的提高。

1.12数字化设计制造的性能要求：(1)稳定性；(2)集成性(3)敏捷性；(4)制造工程信息的主动共享能力；(5)数字仿真能力(6)支持异构分布式环境的能力；(7)扩展能力。

第二章

2.1产品数字化模型是产品信息的载体，包含了产品功能信息、性能信息、结构信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。

2.2信息的表现形式主要以几何信息和非几何信息为主。

2.3设计过程的零件模型为主模型，其他模型均以主模型为基础，在此基础上进行新模型的构建。

2.4产品设计阶段的模型：

(1)概念设计阶段模型：主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。从数字化角度看，概念设计师在一定的设计规范下，以方案报告、草图等形式完成设计的。

(2)零件几何模型：几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行细化的关键内容，是所有后续工作的基础，也是最适合计算机表示的产品模型。几何模型用二维或者三维模型表示。几何模型的非几何信息以属性表示，属性信息的定义以文本说明。零件几何模型是详细设计阶段产生的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。

(3)产品仿真模型：一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进行。产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息。

(4)产品装配模型：表示产品的结构关系、装配的物料清单、装配的约束关系、面向实际的装配顺序和路径规划等。①装配结构树，反映产品的总体结构；②属性信息表，用来表示产品的非几何信息；③装配约束模型，包括装配特征描述、装配关系描述、装配操作描述以及装配约束参数；④装配规划模型，用于装配顺序规划和路径规划。

2.5产品制造阶段的模型：

(1)工艺信息模型：为CAPP提供基本信息。根据零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。工艺设计的数据源来自于详细设计阶段产生的几何模型和装配模型。

(2)工装模型：是经过不断演化产生的中间状态模型。工装模型包含了两大部分，工装设计模型和产品过程模型。

(3)数控加工模型：是指数控加工设计的模型和产生的相应NC程序。

2.7几何模型构造的模型表达类型分为，线框模型、表面模型、实体模型。

(1)线框模型：在计算机内描述一个三维线框模型必须给出两类信息：①顶点表（存储模型中各顶点的三维坐标）；②边表（存储模型中的各棱边，用指针指向个棱边的顶点）。它的缺点是：①由于信息过于简单，没有面信息，所以不能进行消隐处理；

②模型在显示时理解上存在二义性；③不便于描述含有曲面的物体；④无法应用于工程分析和数控加工刀具轨迹的自动计算。

(2)表面模型：数据结构是以“面-棱边-点”三层信息表示。表面模型避免了线框模型的二义性，表示的是零件几何形状的外壳，不具备零件的实体特征，不能进行物理特性计算，如转动惯量、体积等。

(3)实体模型：一般是以“体-面-环-棱边-点”五层结构信息表示模型。实体建模最常用的是边界描述法（boundary representation，B-Rep）和构造性实体几何法（computed structure geometry，CSM）。实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完全有效的。

2.8特征建模

(1)特征是产品各种信息的载体，包括几何信息和非几何信息。

(2)特征分类：①形状特征；②材料特征；③精度特征；④装配特征。

(3)特征造型的本质还是实体造型，但是进行了工程语义的抽象，即语义+形状特征。

(4)应用最好和最为成熟的是形状特征设计。

(5)特征设计是在实体模型基础上，根据特征分类，对一个特征定义，对操作特征进行描述，指定特征的表示方法，并且利用实体造型具体实现。

2.9特征造型系统的基本要求：

(1)所建立的产品零件模型应包括下列5种数据类型：①几何数据；②拓扑数据；③形状特征数据；④精度数据；⑤技术数

(2)特征造型方式必须灵活多变，应当允许设计这以任何形式，任意级别和任意组合的方式定义特征，以满足各应用领域的需要。

(3)造型系统应能方便地实现特征和零件模型的建立、修改、删除、更新，应能单独定义和分别引用产品模型中的各个层次数据对行啊，并对其进行关联，相互作用，构成新的特征与零件模型。

(4)应建立与应用相关的映像模型，支持产品模型的应用特征分解与释义。

2.10参数化设计与变量化设计

(1)参数化设计一般是指设计对象的结构形状基本不变，而用一组参数来约定尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动，因此参数的求解较简单。

(2)参数化设计的特点：①基于特征；②全尺寸约束；③尺寸驱动实现设计修改；④全数据相关。

(3) 参数化设计与变量化设计的共同点：二者都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改等。

(4) 参数化设计与变量化设计的不同点：参数化设计强调的是尺寸全约束，而变量化设计不严格要求尺寸全约束，可以是过约束，也可以是全约束。参数化设计方法主要是利用尺寸约束，而变量化设计的约束种类比较广，包括几何、尺寸、工程约束，通过求解一组联立方程组来确定产品的尺寸和形状。

第三章

3.1数字化设计技术：是以专业设计技术为基础，与以信息技术为代表的高科技充分融合，形成面向产品结构设计、分析运算、虚拟仿真，在数字空间完成制造。数字化设计是利用数字化技术对传统产品设计过程的改造、延伸与发展。

3.2“1+3+X”综合设计法：采用功能优化、动态优化、智能优化和可视优化及对某种产品有特殊要求的设计等几种方法来完成设计工作。1-功能优化；3-将动态优化、智能优化和可视优化结合在一起的设计方法；X-对某种产品有特殊要求的设计方法。

3.3可靠性设计

(1)可靠性定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它包括四个要素：①研究对象；②规定的条件；

③规定的时间；④规定的功能。

(2)可靠性设计常用指标：

①可靠度②累积失效概率（F(t)）③失效概率密度（f(t)）④失效率（λ(t)）

第五章

5.6计算机辅助工艺规划（computer aided process planning，CAPP）是指利用计算机技术进行工艺设计和编制工艺规程。计算机技术在在工艺规划中的辅助作用主要体现在交互处理、数值计算、图形处理、逻辑决策、数据存储与管理等方面。从内容上来说，CAPP应包括工艺规划的全部内容。

5.7 CAPP的发展，可分为三个发展阶段：(1)基于自动化思想的修订/创成式CAPP系统；(2)基于计算机辅助的实用化CAPP系统；(3)面向企业信息化的制造工艺信息系统。

5.8CAPP系统的三个基本组成部分：(1)产品的设计信息输入；(2)工艺决策；(3)产品工艺信息输出。

5.9 CAPP系统所采用的基本工艺决策方法有以下两种：

(1)修订式方法（variant approach）：修订式方法也称为派生式方法，其基本思路是将相似的零件归并成零件族，设计时检索出相应零件族的标注工艺规程，并根据设计对象的具体特征加以修订。

(2)生成式方法（generative approach）：生成式方法也称为创成式方法，其基本思路是将人们设计工艺过程时的推理和决策转换成计算机可以处理的决策逻辑、算法，在使用时由计算机程序采用内部的决策逻辑和算法，依据制造资源信息，自动生成零件的工艺规程。

5.10常用的决策方法有决策表和决策树等。

5.11工艺决策专家系统

(1)所谓专家系统，就是一种在特定领域内具有专家水平的计算机程序系统，它将人类专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机，并模拟人类专家解决问题的推理方式和思维过程，运用这些知识和经验对现实中的问题做出判断和决策。(2)专家系统的三个组成部分：零件信息输入模块、推理机和知识库。其中，知识库和推理机是专家系统的两大主要组成部分，知识库是专家系统的核心。

(3)专家系统中使用的三种推理方法：正向演绎推理、反向演绎推理和正反向混合演绎推理

6.14制造执行系统（MES）在数字化生产管理中起到了承上启下的作用。数字化生产管理系统的层次模型包括：

（1）计划层：数字化生产管理中的计划系统，以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企内的各种资源，降低库存，提高生产经营的效益。从数字化生产管理的角度来看，MRPⅡ/ERP属于企业的计划层。

（2）执行层：上层和底层的信息枢纽，强调计划的执行和制造过程的控制，把上层的计划层和车间的生产现场控制有机地集成起来。

（3）控制层：对生产设备的开启、运行和停止进行控制等，完成计划指令和制造指令执行的控制。

7.8典型的柔性制造系统（FMS）由三大部分组成：加工系统、物料储运系统和控制系统。其中控制系统是FMS的核心。

8.1PDM的主要功能：(1)产品结构与配置管理；(2)图文档管理；(3)工作流程管理；(4)动态权限设置；(5)工程变更管理；(6)项目管理；(7)外部集成器。

8.2基于PDM系统的CAx系统集成可分为三个层次：封装、接口和集成。

数字化设计与制造技术的定义和内涵、意义？它的流程是？

定义---通俗地说：数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势，其内涵包括三个层面：以设计为中心的数字化制造技术、以控制为中心的数字化制造技术、以管理为中心的数字化制造技术。

其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。

订单确认->概念设计/总体设计->零件设计、部件设计、关键件设计->二维工程图->工艺编制、工装设计->工艺汇总与生产准备->采购清单和生产加工->产品装配->安装维护

3.曲面造型和实体造型的原理和特点？常见的曲面造型的形式有哪些？参数化设计的定义和类型？

曲面造型的原理

曲面造型是在线框模型基础上定义实体的各个表面或曲面以建立实物模型的方法。在计算机内部由三个表描述实体：

a)点的几何信息表

b)线与点的拓扑关系信息表(即线由哪几点构成的)

c)面与线的拓扑关系信息表(即面由哪些线构成的)。

其中a,b为线框造型中的信息。

曲面造型有以下特点：

1) 在描述三维实体信息方面比线框造型较完整、严密，能够构造出复杂的曲面。如汽车车身、飞机表面、模具外型等。

2) 可以对实体表面进行消隐、着色显示，也能够计算表面积。

3) 可以利用造型中的基本数据，进行有限元网格划分，以便进行有限元分析,或利用有限元网格划分的数据进行表面造型。

4) 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹。

实体造型的原理

实体造型是利用实体生成方法(体素法及扫描法)产生实体的初始模型，然后通过几何体的逻辑运算(布尔运算)最终形成复杂实体模型的一种造型技术。它主要包括两个部分：

一是基本实体生成的方法；

二是基本体之间的逻辑运算。

实体造型是在曲面造型的基础上，加入了曲面的哪一侧存在实体的信息，较为完整地表达了实体的信息。如何表达此种信息方法较多。

常用方法是：用有向棱边的右手法则确定所在面外法线的方法，其内部为实体，外法线所指为空。

这种方法构成的信息与曲面造型不同之处有二：

一是面的信息由有向线来构成；

二是加入了表面的外法线矢量信息。

常见曲面造型的形式

(1) 平面：由三点(或数条共面的边界曲线)定义的面。

(2) 用初等函数描述几何形状的面：如球面、圆锥面等。

参数化设计是Revit Building的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Revit Building中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

4.逆向工程的内涵及工作流程？

逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。

逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来寻找证据。

软件逆向工程有多种实现方法，主要有三：

1.分析通过信息交换所得的观察。

最常用于协议逆向工程，涉及使用总线分析器和数据包嗅探器。在接入计算机总线或网络的连接，并成功截取通信数据后，可以对总线或网络行为进行分析，以制造出拥有相同行为的通信实现。此法特别适用于设备驱动程序的逆向工程。有时，由硬件制造商特意所做的工具，如JTAG端口或各种调试工具，也有助于嵌入式系统的逆向工程。对于微软的Windows系统，受欢迎的底层调试器有SoftICE。

2.反汇编，即使用反汇编器，把程序的原始机器码，翻译成较便于阅读理解的汇编代码。这适用于任何的计算机程序，对不熟悉机器码的人特别有用。流行的相关工具有OllyDebug和IDA。

3.反编译，即使用反编译器，尝试从程序的机器码或字节码，重现高级语言形式的源代码。

解释说明什么是优化设计？其数学模型的组成以及各部分的作用？描述下优化设计的步骤？

优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。

数学模型一般均由设计变量、目标函数和约束条件组成，称其为三要素。

步骤

①建立数学模型。

②选择最优化算法。

③程序设计。

④制定目标要求。

⑤计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。

优化设计就是在满足设计要求的众多设计方案中选出最佳设计方案的设计方法。

一、数字化设计制造的特点和性能要求(10分)

数字化设计制造具有以下特点:

(1)过程的延伸:不仅是产品零件、部件的设计和加工制造过程，而且包含工装设计制造、检测、服务等。

(2)智能水平的提高:人工智能技术在数字化制造系统诸多方面的应用，包括零件设计、工艺设计、工装设计、过程控制等，使系统的智能水平提高并更为有效.

(3)集成水平的提高:涵盖零件全生命周期，实现生命周期各个阶段的横向集成和企业各个层次的纵向集成，在信息集成的基础上实现功能和过程集成(实现在正确的时间将正确的信息传递到正确的人).

对数字化设计制造来说，其主要性能及能力要求包括以下几方面:

1.稳定性

稼定性是指在正常情况下。系统保持其稳定状态的能力.

2.集成性

集成性指系统内各子系统相互关联，能协同工作。

3.敏捷性

敏捷性指系统对环境或翰入条件变化及不确定性的适应能力，对内外各种变化能快速响应、快速重组的能力。

4.制造工程信息的主动共享能力

数字化设计制造中零件设计、工艺设计和工装设计等过程的集成和并行协同要求信息能同步传递，这种信息共享方式称为“信息主动共享”.它实际上反映了系统以数字方式处理内部子系统之间或与系统外部的信息传递、交流和共享的能力。

二、什么是参数化设计？请说明参数化设计在产品设计中的意义。(10分)

参数化设计是将工程本身编写为函数与过程，通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程，实现设计过程的自动化。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在参数化设计系统中，参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度。

三、CAPP系统由哪些基本部分组成？(10分)

（1）控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行，使人机交互的窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式；

（2）零件信息输入模块。当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入；

（3）工艺过程设计模块。工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用；（4）工序决策模块。工序决策模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图；

（5）工步决策模块。工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件；（6）NC加工指令生成模块。NC加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用NC指令代码系统，产生NC 加工控制指令；

（7）输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改的到所需的工艺文件；

（8）加工过程动态仿真。加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。

四、FMS的柔性有哪些具体表现？(10分)

(1)具有高度的柔性。fms能实现具有一定相似性的不同产品的加工，能适应市场需求和工艺要求的迅速变化，满足多品种、中小批量生产的要求。同时，对临时需要的备用零件或不同产品可以随时投入，混合在一起生产，而不会干扰fms正常的生产话动。

(2)设备利用率高。由于fms系统通过计算机对系统资源进行优化配置和调度，工件的输送、装夹和加工同时进行，其机床利用率高。在一般情况下，fms中一组机床的产量是单机作业环境下用相同数目机床所获得的生产量的3倍。

(3)制造周期短。fms与常规加工车间相比，在制品库存大大地减少。有报告说，在设备相同条件下，在制品可减少80%。这是零件等待切削加工的时间减少的结果，其原因可以归结为计算机的有效调度以及零件生产中的工序集中。

(4)工人少，劳动生产率高。由于在fms中加工、换刀、装夹、检测和物流搬运全部由计算机自动控制，所需人员可减少30%～50%。机床连续24小时运行，在白班时，操作人员通过计算机进行调度和监控，工人给设备进行必要的维护；在中、夜班时，实行无人看管运行，由计算机独立监控加工情况，出现故障时可自动排除，若有必要，将自动停止加工。一般说来，生产效率可提高50%。

(5)质量高。由于fms具有较高的自动化程度，采用自动检测设备、自动补偿装置，能及时发现质量问题，并采取相应的有效措施。同时，fms减少了夹具和机床的数目，央具结构设计合理且耐用，以及零件与机床的恰当匹配，保证了产品的一致性及优良的品质，也大大减少了返修的费用。