2.2 数字化设计与制造系统的功能
人们利用计算机作为主要技术手段，对产品从构思到投放市场的整个过程中的信息进行分析和处理，生成和运用各种数字信息和图形信息，进行产品的设计与制造。数字化设计与制造技术不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不局限于在个别步骤或环节中使用计算机作为工具，它是将计算机科学、信息技术与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验知识有机结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成产品的设计与制造任务，以期获得最佳效果。
在数字化环境下，产品开发主要包括功能定义、结构设计、工艺参数优化、数控编程及加工仿真、工程数据管理等内容，最后以零件图、装配图、仿真分析报告、工艺规程、数控加工程序等形式表达设计结果。
数字化设计与制造系统需要具备的主要功能包括以下几个方面。
1．轮廓与草绘
参数化设计系统引入了轮廓的概念。轮廓由若干首尾相接的直线或曲线组成，用来表达实体模型的截面形状（Section）或扫描路径（Trajectory）。轮廓概念的引入直接体现出产品的设计思想，设计人员操作的不仅仅是简单的线条要素。草图中的轮廓尺寸均为参数驱动或者表现为一个变量，通过修改参数或变量的数值可以改变零件的形状或者产品的拓扑结构。利用参数或变量对草图进行驱动可以简化草图设计及造型的修改过程，使设计人员的精力集中在如何优化产品设计上。
2．几何建模
几何建模技术是数字化开发系统的核心，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，例如几何建模所定义的几何模型的信息可供有限元分析、绘图、仿真、加工等模块调用。在几何建模模块内，不仅能构造规则形状的产品模型，对于复杂表面的造型，系统还可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法得到扫视体，建立曲面的模型。汽车车身、飞机机翼、船舶等的设计，均采用此种方法。
3．计算分析
构造了产品的几何模型后，能够根据产品的几何形状计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。此外，结构分析需进行应力、温度、位移等的计算和图形处理中变换矩阵的运算以及体素之间的交、并、差计算等，同时，在工艺规程设计中还有工艺参数的计算，因此要求数字化开发系统对各类计算分析的算法要正确、全面，有较高的计算精度。
4．装配图及其爆炸图
一般而言，产品是由多个零件按照一定的结构、功能或配合关系装配而成的有机体。装配体生成就是通过模拟产品的实际装配，在计算机中生成产品装配体的过程。此外，在装配体基础上还可以进行产品的运动学和动力学仿真，分析零部件设计中尺寸、结构、间隙、公差的设计是否合理，检查零部件之间是否存在运动干涉等现象。
装配模型的场景模式（Scene Mode），也称爆炸图模式。为了清楚地表达一个装配，将部件沿其装配的路线拉开，就形成所谓的爆炸图（Explode）。爆炸图可以显示出各构件之间的装配关系。在场景模型中不能编辑构件和它们之间的约束关系，但可以编辑爆炸图中构件间的位置及表示装配关系的轨迹。爆炸图能形象地表示各构件间的装配关系，便于用户按图组装和维修，多用于产品的说明插图。
5．工程绘图
产品设计的结果往往是以工程图的形式表达出来，数字化开发过程中的某些中间结果也是通过图形表达的。数字化开发系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能；另一方面还需有处理二维图形的能力，包括基本图元的生成、标注尺寸、图形的编辑（比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成既满足生产实际要求，也符合国家标准的机械图。
首先，从三维实体模型生成的二维工程图与三维模型（零件、装配件）之间具有全相关性。在造型过程中增加和删除特征都会自动反映到对应的工程图上。而用传统方法绘制的工程图，是工程师头脑中的产品模型在平面图纸上的表达，所以二维工程图上的错误有可能是头脑中产品模型建立有误，也有可能是模型在表达上有误。我们在工程图纸上无法分辨，这无疑大大地增加了查找错误的难度。其次，用三维模型生成二维工程图具有一定程度的智能化，用户无须考虑诸如投影变换、曲面相贯、轴测图等问题，计算机会自动按用户要求完成这些工作。但是如何组织视图，生成符合国家标准的、美观的图纸，仍需要一定的知识和经验。
6．结构分析和优化设计
有限元法是一种数值近似求解方法，用来解决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的计算分析问题。有限元分析以三维的数字化模型为基础，通过划分网格单元，设置载荷和边界条件，建立有限元分析模型。进行分析计算之后，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，使用户能够方便、直观地看到分析的结果，从而判断产品设计是否合理，是否存在需要修改的参数和结构特征。
数字化开发系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件限制下，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。
7．数控（Numerical Control, NC）编程及加工仿真功能
设计是为了加工制造，目前数控加工已经成为机械制造的基本工艺手段。根据零件的结构特征和加工工艺要求，定义刀具路径，设置工艺参数，并通过后处理生成刀具轨迹，产生能驱动数控设备的数控程序。
利用数控加工仿真系统从软件上实现零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以及加工设备损坏等风险，减少了制造费用，缩短了产品设计周期。模拟仿真通常有加工轨迹仿真，机械运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。
8．数据交换功能
随着产品数字化开发手段的广泛应用，同一产品的开发可能会在不同的数字化开发软件中进行，这就存在在不同的数字化开发软件中进行数据交换，甚至在异构跨平台的软件中进行数据交换的问题。因此，数字化开发软件应该具备必要的数据交换功能，不仅能接收其他系统生成的数据模型，而且能将本系统的数据模型转换成其他系统能够接收的数据模型，实现数据的共享。目前的数字化开发软件都提供了能将其生成的模型转换成各种不同标准文件的转换接口，不仅可以进行三维模型的转换，而且可以进行二维矢量图形和光栅图像的转换。
9．二次开发功能
随着计算机软硬件技术的飞速发展，数字化设计与制造技术不再仅仅满足图形处理、工程分析、数据管理与交换、文档处理等技术的需求，而是向支持产品自动化设计的设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各种相关技术发展。
二次开发技术是指在通用数字化开发软件的基础上进行程序设计，形成在原有软件基础上的一个新模块，就是在研究产品设计知识和通用数字化软件融合的基础上，使软件对产品的设计更加方便、简单、准确，从而实现设计知识的重用，缩短产品开发周期，提高技术创新能力。为提高某类产品的开发效率或针对某种类型企业的产品特点，主流的数字化开发软件均提供多种二次开发工具，用户可以根据具体产品的研发需求，开发或定制工艺流程，提供有针对性的解决方案。