信息化企业的技术系统

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1、第二篇 21世纪的信息化企业,第四章 信息化企业的技术系统第一节 概述第二节 计算机辅助设计（CAD）第三节 计算机辅助工程分析（CAE）第四节 计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第五节 计算机辅助制造（CAM）第六节 并行设计技术第七节 虚拟制造技术第八节 快速原型制造技术第九节 一次成功设计及快速产品制造集成系统 第十节 网络基础的设计技术 第十一节 技术系统的集成平台-PDM 技术,信息化企业的技术系统 第一节 概 述现代企业技术系统的运作都是围绕着产品的开发和设计展开的，它包括产品设计和工艺设计两项主要内容。在信息化社会，顾客品味的“个性化”，导致了市场要求的动态多变及不可预知性，工业

2、化社会基于“预测”的大批大量生产方式已一去不复返了。这就要求企业的技术系统随之跟着改变，采用信息技术进行产品的开发和设计。,第四章 信息化企业的技术系统,第一节 概述与传统企业的技术系统相比，信息化企业的技术系统具有如下特征： 1并行工程技术得到广泛应用 传统的产品设计和开发方式是所谓的串行式，即各个过程是前后相接的，只有当前一个过程完成后才能开始下一个过程。这种串行式的工作方式会产生很多弊病：开发周期长、设计质量难于保证、产品的设计制造和维修成本高等。 在信息化企业，产品设计和开发采用Teamwork工作方式，以PDM作为运行平台，以CAX作为技术手段，在产品的设计阶段就可同时完成工艺设计、

3、仿真制造、仿真运行、质量控制、生产调度等工作。 并行工程技术的采用可以有效缩短开发周期，大大提高设计质量，并将产品寿命周期成本降至最低。并行工程技术的采用会给传统技术系统的组成和运作方式带来极大的冲击，但它的效果却是很明显的。,第四章 信息化企业的技术系统,第一节 概述 2CAX 技术占有重要地位CAX是各种计算机辅助技术的总称，它包括CAD、CAE、CAPP、CAM、CAAP、CAT等。传统的CAX技术是独立发展的，相互之间的数据交换很少，无法充分发挥各个系统的集成效益。近几年来，随着产品数据管理(PDM)技术的快速发展，使得各种CAX技术有可能运行在同一个集成平台上，使得各部分的数据交换和

4、共享变为可能，从而使得CAX技术在现代企业的技术系统中的地位变得愈来愈重要。CAD Computer Aided Design；CAE Computer Aided Engineering；CAPP Computer Aided Process Planning；CAM Computer Aided Manufacture；CAAP Computer Aided Assembly Planning；CAT Computer Aided Testing,第四章 信息化企业的技术系统,各种CAX技术的含义及其相互关系 ：,第四章 信息化企业的技术系统,第一节 概述 3强调产品设计的一次成功率传统的

5、产品开发过程是个多次反复的过程，产品要经过多次修改才能达到实用水平，是个费时、费力、费钱的过程。在信息化企业，强调的是产品设计的一次成功率。即在产品的数字化阶段完成产品的反复修改，一旦投产，即可获得成功。一次成功设计靠的是信息技术、并行工程技术、虚拟制造技术、快速原型制造技术、计算机辅助工程分析技术和计算机辅助测试技术的集成化应用。 4异地设计和制造技术的大量应用在信息化企业，由于设计手段的计算机化和信息传输的网络化水平得到极大提高，再加上虚拟企业的大量出现，使得基于网络的异地设计和制造技术在实践中得到大量应用。,第四章 信息化企业的技术系统,第一节 概述 5分析技术的加强 由于受到计算机硬、

6、软件水平和分析技术发展的限制，传统企业技术系统的分析功能十分薄弱，主要靠的是采用实物实验的方式保证未来产品的质量。这种方式不仅十分费时，还要花费大量的人力和物力，使得研制成本大幅度提高。 在信息化企业，计算机硬、软件的水平得到极大的提高，各种借助于计算机的分析和仿真软件的功能变得愈来愈强大，使得设计人员可以省去反复的实物制作和实验，只需在计算机中建立产品的数字模型，就可以借助于有限元法和虚拟制造技术在计算机上对产品的性能进行分析和实验，预测产品的性能，为一次成功设计打下良好的基础。,第四章 信息化企业的技术系统,第一节 概述 6集成化和无纸化 由于采用串行工作方式，各子系统之间的信息交换主要以

7、纸作为载体，造成信息传输的速度变慢，且浪费大量的纸张。 在信息化企业的技术系统中，各种应用技术均集成在同一个平台上运行，实现了数据的快速交换和信息共享。 与国内外合作伙伴之间的信息交换通过高速网络系统即时进行，避免了大量图样和文档资料的寄送。,第一节 概 述,实 例1 IBM公司设计图样的网络化传输 自从80年代以来，IBM公司非常重视信息技术的应用，完成了图样的网络化传输项目，使图样可以通过网络在全公司范围内传送，缩短了新产品投放市场的时间，节省了“纸”图样和文档的所有费用，包括生成费用、保管费用和寄送费用。这项工作的前提条件是产品信息的数字化和网络传输的高速化。以前，从IBM美国实验室寄送

8、图样资料给位于欧洲的生产厂，可能需要10天的时间，现在只需几分钟就可以了。如果图样需要修改，往返的邮寄费用、时间和修改费用及时间又要加倍，通过信息系统完成这些任务则简单得多了。,第一节 概 述,实 例2 波音777飞机的无纸化生产 在Boeing-777飞机的设计开发中，波音公司把过程、技术合作、知识，统统结合到一起，创造了一种极不寻常的工作方式，大大提高了竞争能力。总共投入9台IBM大型计算机，2200台工作站，位于日、美、英三国技术人员共4000余名，组成238个集成产品工作团队，通过计算机网络实现跨国共同设计。整个飞机的设计图样达35000多张，三个国家的设计人员均采用CAD系统工作，各

9、部分的配合验证、数据的修改、工作讨论都是通过网络进行的，从而实现了无纸化设计。设计中利用了三维数字化设计软件、数字化预装配等最先进技术，在整个新机开发中，只有数字样机，没有物理样机。由于整个飞机均已实现数字化，在波音777飞机开始试飞之前，公司就向用户提供计算机模型装置，使他们能尽早开始训练驾驶员。在第一架飞机交付使用之前，驾驶员就能得到飞行和维护手册。,第二节 计算机辅助设计（CAD）,一、CAD的定义 CAD是指利用计算机作为辅助手段，进行产品的总体方案设计和计算、结构设计和计算、零件设计、绘制产品装配图和零件图，并生成各种技术文档(包括设计计算说明书，安装维修说明书，用户手册等)。 早期

10、的CAD技术，也包括设计过程中产生的所有数据的管理，以及对设计方案进行的分析。 随着CAD技术应用水平的大幅度提高，所产生的数据量极其庞大，需要专门的系统来管理，于是在90年代初从CAD中分离出两个技术系统：即一个是产品数据管理(PDM)技术，也有人称，PDM是CAD技术发展史上的第二个里程碑。另一个是计算机辅助工程分析(CAE)技术。目前，CAE技术已成为制约我国企业新产品开发的主要技术障碍。,第二节 计算机辅助设计（CAD）,二、CAD系统的组成 CAD系统一般由硬件和软件两大部分组成。 常用的硬件主要包括：计算机主机和输入输出设备。由于现代CAD系统都是在网络环境下工作的，所以，网络硬件

11、也应属于CAD硬件的范畴。常用CAD硬件名称、用途及其配置要求见下表。,第二节 计算机辅助设计（CAD）,常用CAD硬件名称 及配置要求,第二节 计算机辅助设计（CAD）,CAD系统的软件 CAD系统的软件分为三个层次。 最里层的是系统软件，如操作系统、数据库管理系统、程序设计语言、通信软件等，它们为计算机资源管理和应用提供最基本的支持。 中间层被称为支撑软件，包括界面开发软件、图形支撑软件、建模软件、绘图软件、通用设计计算软件等。支撑软件在系统软件的支撑下工作，为开发各种具体应用软件提供通用平台。 CAD软件的最外层称为应用软件，应用软件一般是在支撑软件的基础上专门开发而成的，它们的针对性很

12、强，便于使用，应用效率也要高得多。,第二节 计算机辅助设计（CAD）,CAD系统的软件,第二节 计算机辅助设计（CAD）,三、CAD系统的数据交换 在一个企业中，一般同时存在几个CAD系统，这些系统之间常需要进行数据交换，需要制定相应的数据交换接口。 企业在对外合作中也需要经常与其它企业交换数据，如果采用的系统不同，同样需要数据交换接口。 数据的交换方式有两种：一种是采用专用数据接口直接交换的方式；另一种是采用标准数据交换模型间接交换的方式，CAD的数据交换方式如下图。,第二节 计算机辅助设计（CAD）,三、CAD系统的数据交换 a) 采用专用数据接口直接交换的方式 b) 采用标准数据交换模型

13、间接交换的方式,第二节 计算机辅助设计（CAD）,四、CAD技术的发展趋势 CAD技术中的图形处理和设计计算已经比较成熟，随着信息技术的发展和市场竞争的日趋激烈，CAD技术还将进一步发展和完善。概括起来，CAD技术具有以下一些发展趋势：1标注的自动化2装配图和零件图的全关联3集成化4并行化5网络化6智能化7虚拟性,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,一、定 义 在上一节中已经谈到，CAE技术是从CAD技术中分离出来的一项新技术，也可以说CAE是CAD技术向纵深发展的结果。 到目前为止，CAE的确切定义尚无一致认可的论述，但大多数人都认为：CAE定是各种计算机辅助分析技术的总称，它包括有限元建

14、模和分析、运动和动态特性仿真、物质特性计算、优化设计、物理特性分析、实验数据处理等。 长期以来，我国企业的设计分析手段落后，缺乏分析数据和经验的积累，这已成为制约我国企业设计能力提高的主要因素。,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,二、常用物资特性计算 常用物资特性包括物体的表面积、体积、质量、质心及转动惯量等，它们是工程设计计算中最常用的基本参数。 对于规则形体例如圆柱、圆锥、立方体、球等，其物资特性计算非常简单，应用几何学和物理学中的常规计算工具即可。然而对于不规则形体，其物资特性的计算就不是一件容易的事。目前常用分割的方法将物体剖分成便于计算的规则形体，最后再相加以求得物体的各种物理特

15、性。,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,三、有限元建模和分析有限元法分析的基本思想是首先将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图。有限元分析过程分成三个步骤：1有限元建模2分析计算程序3后置处理,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,四、运动和动态特性仿真 产品的运动轨迹仿真和速度、加速度、振动等动态特性的仿真也是CAE的重要内容。运动特性

16、仿真常采用动画的方式来实现。 步骤：首先需要建立产品(或机构)的三维实体模型，然后再使实体在屏幕上按工作状态动起来，以观察运动部件的运动轨迹，各部件之间是否发生干涉等现象。 在进行动态仿真时，首先需建立物体的运动方程，结合边界条件确定运动时的速度、加速度、振幅、频率、振型等动态特性。物体间的碰撞及变形分析也是产品动态特性分析的重要内容。,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,五、优化设计 1.在产品设计和制造中，总存在一定条件下的最佳解决方案，寻找这个最佳方案的过程就称为优化设计。 2.优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为求解工具，寻找最佳方案的先进设计方法，它是现代CAE系统的一个重要

17、组成部分。 3.实践证明，采用优化设计方法可以有效保证产品质量，减轻结构自重或体积，并可以降低生产制造成本。所以，优化设计方法在工程实践中得到愈来愈广泛的应用。,第三节 计算机辅助工程分析（CAE）,五、优化设计 4. 概括起来，优化设计包括两部分内容：建立数学模型和选择最优化方法并求解数学模型。 1)最优化设计的数学模型 优化设计的数学模型包括三个要素，它们分别是设计变量、目标函数和约束条件。2)求解数学模型的最优化方法 根据是否存在约束条件，优化设计可分为有约束和无约束两类问题。无约束优化方法是优化设计的基本方法。但在一般工程实践中，绝大多数是多变量有约束的非线形规划问题，通常采用一定的方法将约束问题转化为无约束非线形规划问题求解。无约束最优化问题的求解方法分为两大类，即解析法和数值迭代法。,