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基于catia的汽車底盤數(shù)字化制造—畢業(yè)論文設計(已修改)

2025-03-14 09:12 本頁面
 

【正文】 1 基于 CATIA的汽車底盤數(shù)字化制造 1 引言 改革開發(fā)以來,中國制造業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展,目前正在經(jīng)歷制造大國向制造強國的轉變。同前三十年相比。如今這一轉變的跨越難度更大,尤其是“十二五”我國制造業(yè)將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。主要問題是競爭力不強,表現(xiàn)為具有自主知識產(chǎn)權的和高附加值的產(chǎn)品缺少;產(chǎn)品的質量和可靠性有待進一步提高:環(huán)境和成本的問題日益突出。在這種形式下,很多企業(yè)被推到了轉型和升級關鍵時刻,為實現(xiàn)跨越發(fā)展和提升企業(yè)在產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。解決制造業(yè)大而不強的問題。其出路之一便是加快企業(yè)信息化步伐。采用先進制造 技術和先進管理模式,實現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合深度。數(shù)字化制造是制造業(yè)信息化發(fā)展的新階段,也是目前制造業(yè)的重要發(fā)展方向,如精密化、智能化、網(wǎng)絡化、極端化等,無一不與數(shù)字化制造技術的發(fā)展密切相關。數(shù)字化制造是先進制造技術的核心技術。它將引發(fā)了一場深刻的技術革命。 開創(chuàng)一種全新的制造模式并將推動制造技術由經(jīng)驗制造向科學制造 【 1】 。 目前在工業(yè)技術先進國家,數(shù)字化制造技術已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段 [3]。特別是近 30 年來 ,數(shù)字化制造技術發(fā)展日益加快,在發(fā)達國家的大型企業(yè)中 ,已開始實現(xiàn)無圖紙生產(chǎn),全面使用 CAD/CAM,實現(xiàn) 100%數(shù)字化設計。數(shù)字化制造技術在數(shù)字化設計、數(shù)字化制造、數(shù)字化產(chǎn)品、信息傳遞與協(xié)作、數(shù)字化管理等方面都有不同程度的發(fā)展。 總體來看,數(shù)字化制造技術的發(fā)展大致分為以下三個階段。 1. 數(shù)字制造裝備化。 20 世紀 50 年代,數(shù)控機床的出現(xiàn)開辟了制造裝備的新紀元 [3]。隨著微型計算機的產(chǎn)生和發(fā)展,計算機數(shù)控的廣泛應用,數(shù)控機床得到廣泛應用和提高。相繼出現(xiàn)的數(shù)控三坐標測量機 (CMM)、工業(yè)機器人和數(shù)控機床一起成為重要的數(shù)字化加工、測量和操作裝備,其本質是用數(shù)字控制代替 凸輪行程控制,實現(xiàn)運動數(shù)字化。數(shù)控技術發(fā)展的趨勢是提升各種裝備性能甚至使其更新?lián)Q代,即所謂的數(shù)字制造裝備 (簡稱數(shù) 2 字裝備 )。 2. 海量信息處理能力和加工精細化。 20 世紀 90 年代,數(shù)字裝備的一個重要的發(fā)展是對海量信息處理能力的提高 [4]。在數(shù)字仿形技術的基礎上,利用 H794/93 EI、核磁共振等數(shù)字測量設備實現(xiàn)零件幾何形狀的數(shù)字化然后通過數(shù)據(jù)預處理、表面建模、實體建模、后置處理等過程生成STL 文件 (或數(shù)控代碼 ),驅動快速成型機 (或數(shù)控機床 )加工出新零件。伽馬刀、電鏡—— 視覺引導的機器人等數(shù)字醫(yī)療設備擴展了基于 視覺的數(shù)字測量儀器的應用范圍,實現(xiàn)了人體內(nèi)腔器官的數(shù)字化。 數(shù)字裝備的另一個重要的發(fā)展是加工對象的尺度變化,由毫米、微米到納米,陸續(xù)出現(xiàn)了顯微數(shù)字圖像處理設備、電子制造裝備等精密數(shù)字制造裝備。在技術方面,數(shù)字裝備與數(shù)字制造的研究已從單純的制造過程的幾何量 (位移、多坐標聯(lián)動位移、運動形狀、微觀形狀等 )的數(shù)字描述,發(fā)展到對制造過程的物理量 (溫度、流量場、應力場、熱變形、密度、物質材料等 )以及知識、經(jīng)驗、信息等的數(shù)字描述。系統(tǒng)的形式化、數(shù)字化描述與處理成為當前研究熱點,包括海量信息處理,微納識別和分辨率,物理過程 仿真與分析 (包括有限元方法、三角劃分、復雜邊界物理方程求解等 )、網(wǎng)格計算以及物理本質的探索等。在 20 世紀 90 年代中期.通過并聯(lián)機構與數(shù)控技術的結合,產(chǎn)生了并聯(lián)機床.又稱虛擬軸機床,其應用逐漸擴展到虛擬軸坐標測量機、六維力傳感器等精密測量平臺設備。但從目前的技術發(fā)展來看,并聯(lián)機床還不能成為數(shù)控機床的主流產(chǎn)品。只在輕工、食品加工以及大型天文望遠鏡方面等具有一定用武之地。在數(shù)字裝備的研究方面應該擴大范圍.要大力發(fā)展以電子制造裝備、大型醫(yī)療裝備、精密科學儀器、精密數(shù)控裝備等數(shù)字裝備為代表的高技術產(chǎn)業(yè)所需裝備。 3. 虛擬 制造階段 作為現(xiàn)代制造裝備“靈魂”的數(shù)控系統(tǒng)已由 NC、 CNC 時代進入了 PC— NC 和NET— NC 時代 [3]。其主要目標都是開發(fā)具有智能化和柔性化的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng),將各種新工藝、新技術、新方法集成于控制系統(tǒng)的基礎平臺,開發(fā)先進制造裝備的支撐環(huán)境。 數(shù)字化制造技術起源于美國,經(jīng)過多年的發(fā)展,現(xiàn)已進入了基于產(chǎn)品數(shù)字樣機的虛擬制造階段,并形成了完備的應用體系。波音公司設計的 777 型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機,它的制造成功已經(jīng)成為虛擬制造技術從理論研 3 究轉向實用化的一個里程碑。目前,美國、歐洲 、日本等國在新產(chǎn)品研制中,均全面應用了以敏捷制造、精益制造和虛擬制造、復合高效加工、自適應控制為代表的先進制造技術,并大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。目前,虛擬制造技術已經(jīng)用于產(chǎn)品的裝配和加工過程仿真、產(chǎn)品維修性分析等;自適應控制技術在數(shù)控加工程序的優(yōu)化已得到廣泛應用。 目前中國己成為世界上最大的產(chǎn)品制造國,制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),在我國的經(jīng)濟騰飛中,制造業(yè)功不可沒。但是,世界市場由過去傳統(tǒng)的相對穩(wěn)定逐步演變成動態(tài)多變的特征,由過去的局部競爭演變成全球范圍內(nèi)的競爭;同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競 爭日益激。為了適應變化迅速的市場需求,為了提高競爭力,現(xiàn)代的制造企業(yè)必須解決 TQCS難題,即以最快的上市速度 (TTime to Market),最好的質量 (Q— Quality),最低的成本 (CCost),最優(yōu)的服務 (S— Service)來滿足不同顧客的需求。與此同時,信息技術取得了迅速發(fā)展,特別是計算機技術、計算機網(wǎng)絡技術、信息處理技術等取得了人們意想不到進步。二十多年來的實踐證明,將信息技術應用于制造業(yè),進行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造,是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進入 21世紀,先進制造技術進一步向更高水平發(fā) 展,出現(xiàn)了虛擬制造 (VM, Virtual Manufacturing)、精益生產(chǎn) (LP, Lean Production)、敏捷制造 (AM, Agile Manufacturing)、虛擬企業(yè) (VE, Virtual Enterprise)等新概念。而數(shù)字化制造幾乎涵蓋了以上先進制造技術的所有環(huán)節(jié),引起了人們的廣泛關注,不僅在科技界,而且在企業(yè)界,成為研究的熱點之一。 數(shù)字化制造技術的 發(fā)展趨勢 隨著計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,使得基于多媒體計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡的數(shù)字化制造技術為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式 運行、虛擬協(xié)作、遠程操作與監(jiān)視等提供了可能。數(shù)字化制造技術與產(chǎn)品的發(fā)展趨勢如下: 1. 制造信息的數(shù)字化 制造信息的數(shù)字化將實現(xiàn) CAD/CAPP/CAM/CAE 的一體化,使產(chǎn)品向無圖樣制造方向發(fā)展,如產(chǎn)品 CAD 數(shù)據(jù)經(jīng)過校核,直接傳送給數(shù)控機床完成加工。 2. 網(wǎng)絡化制造 隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展,因特網(wǎng)為企業(yè)進行大規(guī)模定制生產(chǎn)中快速響應市場需求和 4 面臨全球競爭提供了契機。利用因特網(wǎng)可以將分布在世界各地的、彼此孤立的資源有效地組織起來,信息、資金、材料、零部件、成員和工人(技術、知識能力、制造能力、投資能力等)已打破國家和地區(qū)的 界限,在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)高效的信息傳遞和資源共享,消除了地域對于信息傳遞的局限,靈捷地響應和適應客戶多樣化的消費需求,高質量地為全球顧客服務,獲得規(guī)模經(jīng)濟,促進企業(yè)的發(fā)展。 在大規(guī)模定制生產(chǎn)和經(jīng)濟全球化的推動下,數(shù)字化制造技術結合網(wǎng)絡信息技術促使了網(wǎng)絡化制造的形成和發(fā)展。網(wǎng)絡化制造是,將網(wǎng)絡為代表的信息技術用于產(chǎn)品設計、制造、管理、供銷等產(chǎn)品全生命周期中的各個活動中,實現(xiàn)全生命周期中的信息、過程、業(yè)務集成與資源共享,達到快速響應市場目的所涉及的一系列制造活動。 將網(wǎng)絡技術與制造技術相結合,快速形成虛擬網(wǎng)絡企業(yè) 聯(lián)盟,充分利用社會資源,協(xié)作開展產(chǎn)品開發(fā)和設計、制造、銷售、采購和管理等產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務活動,以快速響應市場和用戶需求,提高企業(yè)群體競爭力。 3. 數(shù)字化工廠 隨著數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)和數(shù)字化制造技術的延伸和發(fā)展,數(shù)字化工廠( Digital Factory)的概念也開始出現(xiàn)。 數(shù)字化工廠是指通過對知識的有效管理來實現(xiàn)產(chǎn)品增值的一種生產(chǎn)活動 [4]。數(shù)字化工廠的原料是有關產(chǎn)品及市場的信息,信息經(jīng)過各種數(shù)字化處理后,轉變?yōu)樾袆雍蜎Q策的知識方案,其核心是從物質制造觀轉變?yōu)橹R制造觀。數(shù)字化工廠不是簡單的數(shù)字化和虛擬制造的延 伸,它更強調的是整個制造活動的有效控制與管理,及企業(yè)內(nèi)外資源的合理應用與優(yōu)化配置。 從上述意義上講,數(shù)字化工廠是數(shù)字化制造與數(shù)字化管理技術的集成,它涵蓋了數(shù)字化產(chǎn)品建模、數(shù)字化加工、數(shù)字化裝配、數(shù)字化生產(chǎn)準備、生產(chǎn)線仿真和重組以及虛擬企業(yè)等概念。 從狹義講,數(shù)字化工廠可理解為一座“虛擬工廠” [5],即設計人員利用軟件提供的仿真環(huán)境對產(chǎn)品及生產(chǎn)過程進行設計及優(yōu)化,以加快產(chǎn)品從構思到投產(chǎn)的周期,減少失誤、降低成本。從廣義講,數(shù)字化工廠是一座“網(wǎng)上工廠”,它打破了地域和時間限制,可實現(xiàn)異地協(xié)同制造,加快對市場的響 應速度。但無論從狹義和廣義的角度,資源的調度、仿真和重組是其具體的使能技術。 數(shù)字化制造技術具有誘人的應用前景,國外以美國為首的西方工業(yè)國家成立了 5 相應的數(shù)字化制造研究機構,在 1995年前已基本完成應用基礎技術的研究 建立了數(shù)字制造技術體系,正向實際應用全面過渡。美國已經(jīng)從數(shù)字制造的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實技術、信息系統(tǒng)、仿真控制、虛擬企業(yè)等方面進行了系統(tǒng)的研究和開發(fā),多數(shù)單元技術已經(jīng)進入實驗和完善的階段。例如,美國華盛頓大學的數(shù)字化制造技術實驗室發(fā)展的用于設計和制造的虛擬環(huán)境 VEDAM、用于設計和裝配的虛擬環(huán)境等, 已經(jīng)初具規(guī)模。但虛擬制造作為一個完整的體系,尚沒有進行全面的集成。特別應說明的是,數(shù)字工廠的研究在美國得到政府和企業(yè)界的極大關注,研究異?;钴S,成為其敏捷制造技術的主要支柱之一。 福特 (Ford)和克萊斯勒 (Chrysler)公司與 IBM合作開發(fā)的數(shù)字工廠環(huán)境用于其新型車的研制。在樣車生產(chǎn)之前,發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設計缺陷,縮短了研制周期。由于實施了數(shù)字化開發(fā)策略, Ford和 Chrysler將他們新型汽車的開發(fā)周期由 36個月縮短至 24個月。歐洲以大學為中心也紛紛開展了虛擬制造技術研究,如數(shù)字化車間 、建模與仿真工程等的研究。日本在 60一 70年代的經(jīng)濟崛起受益于先進制造與管理技術的采用,對數(shù)字化制造技術的研究也秉承其傳統(tǒng)的特點一重視應用,主要進行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術以及虛擬工廠的構造環(huán)境研究。 這幾年,我國數(shù)字化制造技術受到普遍的重視,發(fā)展很快,發(fā)展勢頭強勁,例如:機械科學研究院與同濟大學、香港理工大學合作進行的分散網(wǎng)絡化制造、異地設計與制造等技術的理論研究和實踐活動已經(jīng)取得了不少進展;清華大學進行了虛擬設計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統(tǒng)等方面的研究;浙江大學進行了分布式虛擬現(xiàn)實 技術、 VR工作臺、數(shù)字化裝配等研究;西安交大和北航進行了遠程智能協(xié)同設計研究;據(jù)不完全的調查統(tǒng)計,國內(nèi)進行數(shù)字化制造技術研究的單位達到了 100家,已經(jīng)取得了一些可喜的進展。我國的研究多集中于高等院校和少量的研究院所,企業(yè)和公司介入的較少 【 6】 。 數(shù)制造技術在交通類產(chǎn)品設計中的應用,節(jié)約了產(chǎn)品研發(fā)的成本,提高了產(chǎn)品研發(fā)效率,給企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟利益,而經(jīng)濟利益的增加為更高層次的產(chǎn)品虛擬設計提供了有益的物質補充。 1. 制造過程的建模與仿真 制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數(shù)值的方法表達或建模制造過程。建 模通常基于制造工藝本身的物理和化學知識,并為實驗所驗證。目前,仿真 6 與建模已成為推進制造過程設計、優(yōu)化和控制的有效手段。 2. 網(wǎng)絡化敏捷設計與制造 利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡技術,改善企業(yè)對市場的響應力。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造重點發(fā)展領域應包括:敏捷信息基礎結構,敏捷產(chǎn)品設計技術,敏捷工藝設計技術?;诰W(wǎng)絡的研究開發(fā),敏捷生產(chǎn)技術 [2]。 3. 數(shù)字化開發(fā) 數(shù)字化開發(fā)有四個核心要素:數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。 數(shù)字化制造的關鍵技術 關鍵技術 1. 制造過程的建模與仿真 制造過程的 建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數(shù)值的方法表達或建模制造過程。建模通?;谥圃旃に嚤旧淼奈锢砗突瘜W知識,并為實驗所驗證。目前,仿真與建模已成為推進制造過程設計、優(yōu)化和控制的有效手段。 2. 網(wǎng)絡化敏捷設計與制造 利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡技術,改善企業(yè)對市場的響應力。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造重點發(fā)展領域應包括:敏捷信息基礎結構,敏捷產(chǎn)品設計技術,敏捷工藝設計技術?;诰W(wǎng)絡的研究開發(fā),敏捷生產(chǎn)技術 [7]。 3. 數(shù)字化開發(fā) 數(shù)字化開發(fā)有四個核心要素:數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。 1. 計算機輔助工業(yè)設計 (CAID)。 CAID(Computer Aided Industrial Design)是指以計算機技術為輔助手段進行產(chǎn)品的藝術化工業(yè)設計,主要是指對批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的材料、外型、色彩、結構、表面加工等方面的設計工作。 CAID 的一般過程有市場調查、產(chǎn)品概念草圖設計、彩色效果圖設計、三維效果圖設計、三維造型設計、產(chǎn)品零件圖和技術要求說明等。所用到的主要工具包括: Alias、 CorelDraw、 3DMAX、 Pro/ CDRS 等。 2. 計算機輔助設計與制造 (CAD/ CAM)。 CAD(Computer Aided Design)與 CAM( Computer Aided Process Planning) 已密
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