1.4 数字化设计与制造的内涵与体系
数字化设计与制造是一个较大的技术范畴，通常包括数字化设计、数字化工艺、数字化制造、数字化管理以及数字化资源等技术内容，如图1.2所示。
图1.2 数字化设计与制造的技术内容体系
数字化设计与制造本质上是产品设计与制造信息的数字化，是将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术对设计与制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品设计与制造过程，即制造对象、状态与过程的数字化表征，制造信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。
从企业应用数字化技术和软件系统来看，数字化设计与制造主要包括用于制造企业的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。数字化设计与制造的内涵是支持企业的产品开发全过程，支持企业的产品创新设计、数据管理、产品开发流程的控制与优化等。总体上来说，产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。
1.4.1 数字化设计技术
数字化设计是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的目标是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等。
数字化设计的基础是计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）技术。
1.CAD的定义
CAD是工程技术人员以计算机系统为工具，综合应用多学科专业知识进行产品设计、分析和优化等过程问题求解的先进数字信息处理技术，是专家创新能力与计算机硬件功能有机结合的产物。
2.CAD系统功能模型
产品设计包括需求分析、概念设计、详细设计、工程绘图等环节，它们构成了CAD的主要内容。计算机辅助产品设计过程是指从接受产品功能定义开始到设计完成产品的结构形状、功能、精度等技术要求，并且最终以零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来的过程。CAD系统功能模型如图1.3所示，主要是通过硬件和软件的合理组织来体现的。
图1.3 CAD系统功能模型
3.CAD工作过程分析
CAD系统是应用现代计算机技术，以产品信息建模为基础，以计算机图形处理为手段，以工程数据库为核心，对产品进行定义、描述和结构设计，用工程计算方法进行性能分析和仿真等设计活动的信息处理系统。人们通常将CAD系统的功能归纳为建立几何模型、分析计算、动态仿真和自动绘图四个方面，因而需要计算分析方法库、图形库、数据库、设计资源等的支持（图1.4）。
图1.4 产品设计过程与CAD系统工作过程
CAD系统工作过程如下：①通过CAD系统人机交互界面输入设计要求，构造出设计产品的几何模型，并将相关信息存储于数据库中。②运用计算分析方法库的计算分析，包括有限元分析和优化设计，同时确定设计方案和零部件的性能参数。③通过人机交互方式对设计结果进行评判决策和实时修改，直至达到设计要求为止。利用图形库支持工具绘制所需图形，生成各种文档。④设计结果可直接进入CAPP或CAM阶段。CAD系统工作过程中涉及的CAD基础技术有产品建模技术、图形处理技术、工程分析技术、数据库技术、文档处理技术、软件设计技术等。
4.CAD系统中软件应具有的基本功能
CAD软件系统是由系统软件、支撑软件及应用软件组成的。虽然不同的CAD系统可有不同的功能要求，但就机械产品CAD系统来讲，其应具有以下基本功能：
（1）产品几何造型功能。产品几何造型软件是CAD系统的核心，因为CAD任务的后续处理均是在几何造型的基础上进行的，所以几何造型功能的强弱在较大程度上反映了CAD系统功能的强弱。通常几何造型分为线框造型、曲面造型和实体造型。为了CAD/CAM集成系统的需要，还要求造型系统具有特征造型的功能。
（2）2D与3D图形处理功能，用以满足产品总体设计3D造型和结构设计时输出2D图的需要。
（3）3D运动机构分析与仿真功能，检验3D复杂空间布局的问题。
（4）有限元分析功能。机械产品中零部件的强度和振动计算，热传导和热变形的分析计算，以及流体动力学分析计算等，可用有限元法进行分析求解。
（5）优化设计功能。产品设计过程实际上是寻优的过程，也就是在某些条件的限制下，使产品的实际指标达到最佳。
（6）工程绘图功能。设计中将图形转换成数据信息并输入计算机，计算机对此数据进行处理后，再以图形信息的方式交互与输出。
（7）数据管理功能。CAD系统在设计过程中要处理的数据不仅数量大，而且类型也较多，其中有数值型数据和非数值型数据，也有随着设计过程不断变化的数据（即动态数据）。为了统一管理这些数据，在CAD系统中应有工程数据管理系统。
1.4.2 数字化分析技术
数字化分析技术的内涵是计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering, CAE）技术和计算机仿真技术。
现代复杂机电产品的发展，要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品的技术性能，并需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。例如，分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。把这些都归结到求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。
CAE研究是以计算机强大的数字计算功能进行产品性能分析计算的学科，是产品设计过程中的重要环节。CAE是以计算力学为基础，以计算机仿真模拟为手段的工程分析技术。人们通常将CAE归入广义的CAD功能中，作为实现产品性能分析与优化设计的主要支持模型。
CAE有以下主要内容：
（1）有限元法（FEM）与网格自动生成。用有限元法对产品结构的静、动态特性及强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析和研究，并自动生成有限元网格，从而为用户精确研究产品结构的受力，以及用深浅不同颜色描述应力或磁力分布提供分析技术。有限元网格，特别是复杂的三维模型有限元网格的自动划分能力是十分重要的。
（2）优化设计，即研究用参数优化法进行方案优选。这是CAE系统应具有的基本功能。优化设计是保证现代化产品设计具有高速度、高质量和良好的市场销售前景的主要技术手段之一。
（3）三维运动机构的分析和仿真。研究机构的运动学特性，即对运动机构（如凸轮连杆机构）的运动参数、运动轨迹、干涉校核进行研究，以及用仿真技术研究运动系统的某些性质，能够为人们设计运动机构提供直观、可以仿真或交互的设计技术。
计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及相应领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。该技术通过建立某一过程或某一系统的模型来描述该过程或该系统，用计算机仿真实验来刻画系统的机械力学等特征，得出数量指标，为设计者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据。
1.4.3 数字化工艺技术
数字化工艺设计的主要内容是计算机辅助工艺规划技术，即CAPP技术。
CAPP即工艺设计人员利用计算机完成零件的工艺规划设计，它接受来自CAD系统的零件信息，包括几何信息和工艺制造信息，再由工艺设计人员运用工艺设计知识，设计合理的加工路线，选择优化的加工参数和加工设备。工艺规划设计是一项很复杂的高度智能化的活动，经验性强，涉及面广，既与经验性的决策思维相关，又受现场加工环境的限制。设计一个零件的工艺路线，要根据零件最终的形状、精度要求、加工现场的设备情况（如机床和刀、夹、量具），设计它的加工路线，再考虑零件材料特性、设备的加工能力及加工经济性，优化加工参数，最后向加工车间传送成熟的工艺文件，向管理部门提供加工工时信息和设备利用情况。CAPP系统功能模型如图1.5所示。
图1.5 CAPP系统功能模型
1.4.4 数字化制造技术
数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程，是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。
数字化制造技术早期主要表现为计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture, CAM）技术。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，为数字化车间的实现奠定基础。CAM中最核心的技术是数控技术。
产品制造是从工艺设计开始，经加工、检测、装配直至进入市场的过程。在这个过程中，工艺设计是基础，它决定了工序规划、刀具夹具、材料计划以及采用数控机床时的加工编程等，然后进行加工、检验与装配。实现这些环节信息处理的计算机系统就构成了CAM系统。因此可以说，CAM是指计算机在产品制造方面应用技术的总称。
在CAM过程中主要包括两类软件：CAPP与数控编程（NC Programming，NCP）。当前对CAM软件的范畴划分存在一些差异。一种是狭义的理解，将CAM软件看作NCP。现在大部分商品化的所谓CAM软件，实际上都是NCP。狭义的CAM，是指由CAD系统向CAM系统提供零件信息，CAPP系统向CAM系统提供加工工艺信息和工艺参数，CAM系统根据工艺流程和几何尺寸、精度要求，产生刀位文件，最终生成NC加工程序。CAM系统功能模型如图1.6所示。另一种是广义的理解，即认为CAM包括了CAPP与NCP的内容，所以往往将CAD/CAPP/CAM集成系统称为CAD/CAM集成系统。另一种更为广义的CAM是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中的所有直接和间接的工作，包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等主要方面，其中，工艺准备包括计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、计算机辅助NC程序、工时定额和材料定额的编制等内容；物流过程的运行控制包括加工、装配、检验、输送、储存等物流的管理，根据生产作业计划的生产进度信息控制物料的流动；质量控制是指通过生产现场检测数据，当发现偏离或即将偏离预定质量指标时，向工序作业级发出指令予以校正。
图1.6 CAM系统功能模型
1.4.5 CAD/CAM集成技术
CAD、CAE、CAM等系统技术的集成是实现数字化设计与制造的关键，通常表现为CAD/CAM集成技术。
1.CAD/CAM集成的必要性
上述介绍的CAD、CAE、CAPP、CAM独立系统分别对产品设计自动化、产品性能分析计算自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的系统，不能实现系统之间信息的自动传递和交换。例如，用CAD系统进行产品设计的结果，只能输出图纸和有关技术文档，这些信息不能直接为CAPP系统所接受，进行工艺过程设计时，还需由人工将这些图样、文档等纸面上的文件转换成CAPP系统所需的输入数据，并通过人机交互的方式输入给CAPP系统进行处理，处理的结果是输出零件加工的工艺规程。利用独立的CAM系统进行计算机辅助数控编程时，同样需要以人工方式将CAD或CAPP系统输出的纸面文件转换成CAM系统所需的输入文件和数据，然后再输入CAM系统。
各独立系统所产生的信息需经人工转换，这不但影响工程设计效率的进一步提高，而且在人工转换过程中难免发生错误，给生产带来极大的危害。为此，自20世纪80年代后期，有关专家就开始研究CAD、CAPP和CAM之间数据和信息的自动化传递与转换问题，即CAD/CAPP/CAM集成技术，目前这一技术已达到了实用的水平。
2.CAD/CAM集成系统
CAD/CAM是集几何建模、三维绘图、有限元分析、产品装配、公差分析、机构运动学分析、动力学分析、NC自动编程等功能分系统于一体的集成软件系统。在系统中由数据库进行统一的数据管理，使各分系统间全关联，支持并行工程，并提供产品数据管理功能，使信息描述完整，从文件管理到过程管理都纳入有效的管理机制之中，为用户建造了一个统一界面风格、统一数据结构、统一操作方式的工程设计环境，协助用户完成大部分工作，而不用过于担心功能分系统间的数据传输限制、结构不统一等问题。
3.CAD/CAM集成的目的
CAD过程与CAPP、CAM过程的集成系统的基本工作步骤如下：①CAD过程设计产品结构，绘制产品图形，并为CAPP、CAM过程准备设计数据；②生成标准化的数据结构（如生成STEP文件），并经过接口进行数据转换；③CAPP系统直接读入CAD系统生成并经过转换的数据，生成零件加工工艺规程；④CAM系统读入CAPP系统生成并经过转换的数据，生成加工零件的数控程序。
CAD/CAPP/CAM集成的目的在于：①实现完整的产品定义数据的数据交换；②便于计算机辅助技术有关数据的准备；③实现复杂技术数据的快速交换；④避免重复性的工作（如重复的产品描述等）; ⑤便于计算机支持技术数据的传送和调度；⑥为在计算机网络环境下实施远程异地设计与制造提供有效的技术支持。
1.4.6 产品数据管理技术
企业数字化技术的推广应用，必然产生大量的数字信息，产品设计、工艺和经营管理过程中涉及的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均需统一管理，须采用PDM（产品数据管理）技术。
PDM用于管理所有与产品相关的信息和过程，它与产品生命周期的每一个阶段相互联系，是面向设计与制造的信息和面向生产管理的信息流之间的桥梁，是实现产品设计、制造与管理并行工程的基础，从根本上解决了各个环节数据交换和共享的问题。ERP（企业资源计划）是关系到企业综合资源信息计划和管理的重要手段，并将对企业的经营决策发挥重要作用。因此，数字化技术的这些深化应用，概括起来就是CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP，其实质就是实现企业生产全生命周期的数字化、网络化和集成化。可以认为，这是现阶段开展制造业信息化工作的主要内容。
1.4.7 产品生命周期管理技术
产品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）是指从人们对产品的需求开始，到产品淘汰报废的全部生命历程。PLM是一种先进的企业信息化思想，是实现数字化设计与制造系统、数字化工厂的核心支撑平台，可以让人们思考在激烈的市场竞争中，如何用最有效的方式和手段来为企业增加收入和降低成本。
PLM系统是一种应用于在单一地点的企业内部、分散在多个地点的企业内部，以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的，支持产品全生命周期的信息的创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案软件系统，能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。
按照CIMdata的定义，PLM主要包含三部分，即CAx软件（产品创新的工具类软件）、CPDM软件（产品创新的管理类软件，包括PDM和在网上共享产品模型信息的协同软件等）和相关的咨询服务。PLM包含的主要内容：基础技术和标准（例如XML、可视化、协同和企业应用集成），信息创建和分析的工具（例如CAD、CAPP、CAM、CAE等），核心功能（例如知识库、图形库、数据仓库、文档和内容管理、工作流和任务管理等），应用功能（例如配置管理、配方管理、合规），面向业务/行业的解决方案和服务等。