什么是数字化设计？

    在前面谈到智能制造的基础时，谈到了数字化设计，那么什么是数字化设计呢？

    数字大家都很清楚，0、1、2、3、4、5......，所有的东西都可以用数字来衡量，比方说：两个大小相差微小的物体我们很难辨别出，但是给他赋予数字后就很简单了。如体积A物体为1m³，B物体为1.01m³；如重量A物体为1kg，B物体为1.01kg.通过数字后，即使相差很小根据数字还是能很明显的看出来！

    数字化这个词更简单理解就是转化，就是将现实中的物体的形状、物体属性（例如：材料、硬度、表面质量）、物体的空间位置等等信息，甚至还包括一些管理信息都转换为数字来表达。然后利用计算机技术来处理这些信息。计算机中用0或者1的数字组合来表达信息，这种用0和1的表达的进制就是二进制。

    数字化设计就是利用计算机技术在虚拟的世界中对产品进行设计、仿真和验证。

什么是CAD技术？

    计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索。

        20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。

    80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。

    CAD已在建筑设计、电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。

    简单的来说，CAD技术就是利用相关的绘图软件完成机械、建筑等现实中的模型。

    目前常用的CAD软件基本都包含交互技术、图形变换、曲面造型和实体造型的模块。

    根据CAD使用的场景，CADD软件分为二维设计和三维设计。

    1.二维设计的特点

    传统的二维设计具有简单、方便、上手快的优点，尤其适用于技改技措项目，它所耗费的人力少，设计周期短，出图快捷，便于现场施工。现有的CAD技术主要应用于二维设计，与过去的手工方式比较，虽然有了很大的提高，但缺点也很明显：设计者必须在大脑中把三维的形体抽象出平面的三向视图来表达，难免出现表达差错和缺漏；图形和工程数据的联系，基本上靠人脑实现；设计的正确性要靠经验和主观判断来决定，许多可以在设计阶段纠正的差错，常常出现在施工阶段，施工人员不得不先将平面信息想象成三维的形体才能付诸实施，表达和理解的差异往往带来差错。

    常见的二维设计软件：AUTODESK autocad；CAXA；中望cad。

    2.三维设计的特点

    三维设计技术将现实虚拟化，形成了图形与工程数据的统一、主观与客观的统一、理论与现实的统一，真正将工厂建到了“纸”上；设计的修改，在三维模型上进行，所有的设计成品都是从经过修改后的模型中抽取，保证了设计成品的一致性，可以随意的实现二维出图和抽取轴测图，使得出图质量和速度大大提高；三维设计软件自带的REVIEW功能可以直观真实的展示出设计方案，通过碰撞检查等手段可以提前发现专业内外的配合问题，使施工阶段的差错大大减少。

    常见的三维设计软件：PTC Creo ；nx；catia；SolidWorks、caxa 三维设计、中望Cad。

 什么是CAM技术?

    CAM（Computer Aided Manufacture）是计算机辅助制造的缩写，能根据CAD模型自动生成零件加工的数控代码，对加工过程进行动态模拟、同时完成在实现加工时的干涉和碰撞检查。CAM系统和数字化装备结合可以实现无纸化生产，为CIMS（计算机集成制造系统）的实现奠定基础。CAM中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。   

    在CAD/CAM系统中，人们利用计算机完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系统应具备以下基本功能：

    1、产品与过程的建模如何用计算机能够识别的数据（信息）来表达描述产品。如产品形状结构的描述、产品加工特性的描述、如何将有限元分析所需要的网格及边界条件描述出来等等。

    2、图形与图象处理在CAD/CAM系统中，图形图象仍然是产品形状与结构的主要表达形式，因此，如何在计算机中表达图形、对图形进行各种变换、编辑、消隐、光照等处理是CAD/CAM的基本功能。

    3、信息存储与管理设计与制造过程会产生大量、种类繁多的数据，如设计分析数据、工艺数据、制造数据、管理数据等。数据类型有图形图象、文字数字、声音、视频等；有结构化和非结构化的数据；有动态和静态数据等。怎样将CAD/CAM系统产生这些大量的电子信息存储与管理好，是CAD/CAM的必备功能。

    4、工程分析与优化计算体积、重心、转动惯量等，机构运动计算、动力学计算、数值计算，优化设计等。

    5、工程信息传输与交换信息交换有CAD/CAM系统与其他系统的信息交换和同一CAD/CAM系统中不同功能模块的信息交换。

    6、模拟与仿真为了检察产品的性能，往往需要对产品进行各种试验与测试，需要专门的设备与生产出样品，并具有破坏性，时间长，成本大。通过建立产品或系统的数字化模式，采用计算机模拟技术可以解决这一问题。如加工轨迹仿真，机构运动仿真，工件、刀具和机床碰撞与干涉检验等。

    7、人机交互数据输入、路线与方案的选择等，都需要人与计算机进行对话。人机对话交互的方式有软件界面与设备（键盘、鼠标等）

    8、信息的输入与输出信息的输入与输出有人机交互式输入输出与自动输入输出。

什么是CAPP技术

    CAPP（（Computer Aided Process Planning）---计算机辅助工艺规划。是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。也是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛胚到成品的设计和制造过程。

    长期以来采用手工方式进行的传统工艺过程设计不可避免地存在一些缺陷:对工艺设计人员要求高;工作量大,效率低下:难以保证数据的准确性;且信息不能共享等。一般讲,CAPP就是利用计算机技术来辅助完成工艺过程的设计并输出工艺规程,可缩短工艺设计周期,对设计变更作出快速响应,提高工艺部门的工作效率和工作质量;但为满足CAD/CAPP/CAM集成系统及CIMS发展的需要,对CAPP的认识应进一步扩展,即对其广义的理解:CAPP的一头向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展,作为M即n的一个重要组成部分;CAPP向另一头扩展能够生成NC指令,使其起到连接CAD和CMA及MRlPl等应用系统的桥梁作用,成为现今许多先进制造技术的技术基础之一。

    CAPP系统的构成，视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP系统基本的构成模块包括：

（1）控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行，是人机交互的窗口，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。

什么是CAE技术

    CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。

    CAE软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。

     CAE软件的主体是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis）软件。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解   。基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右 [1]  。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，我们称这一过程为：CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态 。

    目前市面上的的CAE软件比较多，CAE分有很多方向，有结构耐久、疲劳、多体、流体、NVH、耐撞性、行人保护、约束系统。主要有：

HABAQUS主要是用于非线性分析领域的全功能cae软件；

Hyperworks，主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看输出结果和仿真）

I-DEAS，同抄时也做CAD 

Pro/ENGINEER Mechanica 综合的CAE软件，Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能。

Ansys，很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。2006年收购了Fluent，2008年收购了AN-SOFT。Fluent是应用最广的流体分析软件，AN-SOFT是应用最广的LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块， 电磁分析软件。在收购整合的过程中知，Ansys的多物理场耦合成为一大特色。 

Nastran，线性问题求解器 　　

Pam crash，专门的碰撞研究软件 　　

Moldflow，模流分析软件 　　

AutoForm，钣金冲压道，特别是拉深分析软件 　　Madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能分析软件 

案例分析

    运-20（中国编号：Y-20，代号 [1]  ：鲲鹏，英文：Xian Y-20），是中国研究制造的新一代军用大型运输机，于2013年1月26日首飞成功 [2-3]  。该机作为大型多用途运输机，可在复杂气象条件下，执行各种物资和人员的长距离航空运输任务。与中国空军现役伊尔-76比较，运-20的发动机和电子设备有了很大改进，载重量也有提高，短跑道起降性能优异。

    该机在研制期间使用了数字化设计、制造和仿真技术，大大节约了研制的周期，保证了项目的高速高质量的完成。