2.1 数字化产品开发技术

从计算机科学的角度来看，设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。

2.1.1 数字化产品开发过程

产品开发源于对用户和市场的需求分析。从市场需求到最终产品主要经历了两个过程：设计过程和制造过程。

不论新产品设计还是产品改型设计，其设计过程都是一个创造性思维的过程。当设计师接到一个新的设计任务时，首先要进行产品的总体方案构思，通过分析设计要求，参考、比较国内外同类产品的性能特点，确定出新设计的总体方案、结构和实现方法。然后分别进行各个零部件的详细设计，从产品构思、概念表达、结构设计、力学性能分析到最终的技术要求和制造工艺的编制等，设计中的各个环节均需要设计师运用设计知识，经过计算、分析、综合等创造性思维过程，将设计要求转化为对产品结构、组成、性能参数、制造工艺等的定义和表示，最后得到产品的设计结果。因此，机械结构设计过程主要包括概念设计与分析、结构设计与分析、工程图纸绘制、产品技术要求的确定及相关产品设计文档的生成等。

制造过程始于产品设计文档。完成设计工作之后，需对产品的几何形状和制造要求做进一步分析，设计产品的加工工艺规程（Process Planning）和生产计划（Production Planning），设计、制造和采购工装夹具，根据物料需求计划（Material Requirement Planning, MRP）完成原材料、毛坯或成品零件的采购，编制数控加工程序，完成相关零部件的制造和装配，最后将检测合格的产品进行包装。

从数字化产品开发过程可知：

第一，设计与制造过程可以划分为几个阶段，各个阶段可包含若干个步骤，具有相对的独立性。这个规律的存在，为程式化工作的计算机引入设计与制造领域，实现数字化设计与制造提供了客观可能性。

第二，由于设计过程的复杂性，设计工作尤其是在性能分析计算、模拟、仿真、实体装配等方面，极需要与计算机技术相结合。

第三，产品的设计与制造系统是一个各环节相互依存且信息交换频繁的系统，需要一种有效的信息处理和交互反馈工具的支持。

2.1.2 数字化设计与制造系统的内涵

从广义上说，数字化设计与制造技术包括产品构思、二维绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及这些技术的集成。

因此，数字化设计与制造系统的主要任务包括以下几个方面。

1．数字化建模

在产品设计构思阶段，系统能够描述基本几何实体及实体间的关系；能够提供基本体素，以便为用户提供所设计产品的几何形状、大小，进行零件的结构设计以及零部件的装配；能够动态地显示三维图形，解决三维几何建模中复杂的空间布局问题。另外，还能够进行消隐、彩色浓淡处理等。利用几何建模的功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，而且能随时观察、修改模型或检验零部件装配的结果。几何建模技术是数字化设计与制造系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据，同时也为其他模块提供原始的信息。还可以已有的产品实物、影像、数据模型或数控加工程序为基础，利用测量设备或图像处理技术获取产品的三维坐标数据和结构信息，在计算机中重建产品的数字化模型，通过对产品结构、尺寸、工艺、材料等方面的分析和改进，得到与原有产品相似或更优的产品，这就是通过逆向工程进行的数字化建模。

在数字化建模领域，应用虚拟现实技术，以计算机仿真技术为基础，在计算机中构建数字化的产品虚拟原型，利用虚拟原型对产品的结果、外观和性能作评价，替代传统的物理原型和物理样机实验，从而有效缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本。

2．数字化分析及仿真

采用优化算法、有限元分析法或仿真软件，可以对产品的形状、结构及性能进行分析、预测、评价和优化，根据分析结果对数字化模型进行修改和完善。有限元法是一种数值近似解方法，用来求解复杂结构形状零件的静态、动态特性，以及强度、振动、热变形、磁场、温度场强度和应力分布状态等。在进行静态、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点划分网格，标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上。进行分析计算之后，系统又将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。

优化设计可以在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中一个重要的组成部分。

仿真方法可以通过建立一个工程设计的实际系统模型，例如机构、机械手、机器人等，通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。

3．数字化制造

在数字化模型的基础上，制订工艺规划和作业计划，采购原材料，准备工装夹具，编制数控加工程序，完成零部件的加工，经过质量检测、装配和包装等环节，完成产品的制造。

数字化制造技术是以产品制造中的工艺规划、过程控制为目标，以计算机作为直接工具来控制生产装备，实现产品加工和生产的相关技术。其中的关键技术包括成组技术、计算机辅助工艺规划、数控编程、快速原型。设计的目的是加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件，因此CAPP是设计与加工的中间环节。CAPP系统应当根据建模后生成的产品信息及制造要求，自动决策出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件；另一方面能直接输出一些信息，被制造系统中的NC自动编程系统接收、识别，直接转换为刀位文件。

数控编程的基本步骤通常包括：①手工或计算机辅助编程，生成源程序；②前处理，将源程序翻译成可执行的计算机指令，经计算求出刀位文件；③后处理，将刀位文件转换成零件的数控加工程序，最后输入数控机床中。

快速原型技术的发展可以由产品的数字化模型通过增材制造快速制造出产品原型，通过快速原型对产品结构、形状和性能进行评估。快速原型已经成为数字化制造的重要研究内容。

4．数字化管理

产品的开发过程涉及订单、人力资源、财务、成本、设备、库存等企业资源计划管理、供应链管理、产品数据管理、客户关系管理等环节。这些环节直接与产品开发相关，直接影响产品的开发效率和质量。数字化管理技术在计算机和网络环境的支持下，实现管理信息和管理方式的数字化，有效降低管理成本和生产成本。

将计算机技术、网络技术、数据库技术用于产品设计、制造、管理和销售的全过程，各种数字化开发技术不断交叉融合，构建了完整的数字化开发集成环境。具体来说，数字化设计与制造系统的内涵如图2.1所示，它主要包括数字化设计、数字化制造、数字化管理、信息集成化、制造网络化与资源共享和优化等内容。