《数字化设计与制造》第01章.ppt
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数字化设计与制造数字化设计与制造任课教师:
周勇任课教师:
周勇Email:
zhouy_Email:
zhouy_Tel:
63133670Tel:
631336701理解数字化设计与制造技术的基理解数字化设计与制造技术的基本概念和基本理论,掌握产品数字化本概念和基本理论,掌握产品数字化建模、设计、分析、制造的过程,学建模、设计、分析、制造的过程,学会使用常见的数字化设计与制造软件,会使用常见的数字化设计与制造软件,了解当代数字化设计制造技术的特点了解当代数字化设计制造技术的特点和发展趋势,培养创新思维能力,为和发展趋势,培养创新思维能力,为从事数字化设计与制造相关领域的研从事数字化设计与制造相关领域的研究与应用奠定基础。
究与应用奠定基础。
本课程的任务:
本课程的任务:
数字化设计与制造数字化设计与制造2教材:
教材:
数字化设计制造技术基础数字化设计制造技术基础,主编:
,主编:
杨海成,出版社:
西北工业大学出版杨海成,出版社:
西北工业大学出版社,社,20072007。
数字化设计与制造数字化设计与制造3参考资料:
参考资料:
数字制造数字制造,主编:
周祖德,出版社:
科,主编:
周祖德,出版社:
科学出版社,学出版社,2004。
数字化设计与制造数字化设计与制造,主编:
苏春,主编:
苏春,出版,出版社:
机械工业出版社,社:
机械工业出版社,2006。
网络资源。
网络资源。
数字化设计与制造数字化设计与制造4考核方式:
考核方式:
数字化设计与制造数字化设计与制造闭卷考试(闭卷考试(70%)平时成绩(平时成绩(30%)(作业考勤)(作业考勤)5数字化设计与制造数字化设计与制造第一章第一章概论概论6内容提纲内容提纲第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术第二节第二节产品研制过程分析产品研制过程分析第三节第三节数字化设计制造基础数字化设计制造基础第四节第四节数字化设计制造的典型应用案例数字化设计制造的典型应用案例7第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术所有将原材料转化为物质产品的行业都可称为所有将原材料转化为物质产品的行业都可称为制造业,它覆盖了除去采掘业、建筑业等以外制造业,它覆盖了除去采掘业、建筑业等以外的整个第二产业。
的整个第二产业。
制造技术的水平高低已成为一个国家经济发展制造技术的水平高低已成为一个国家经济发展的主要标志。
全球化的经济竞争归根结底是制的主要标志。
全球化的经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争。
造技术和制造能力的竞争。
从产业结构来看,制造业是全社会产生附加价从产业结构来看,制造业是全社会产生附加价值的源泉,是经济的主体。
值的源泉,是经济的主体。
从技术发展来看,制造技术水平综合体现了一从技术发展来看,制造技术水平综合体现了一个国家的科技水平,是增强国家综合实力与国个国家的科技水平,是增强国家综合实力与国际竞争力的根本。
际竞争力的根本。
一、制造业是国民经济的基础一、制造业是国民经济的基础8第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术全部就业人数全部就业人数11.27%工业就业人数的工业就业人数的90.74%20022002年制造业提供的就业人数年制造业提供的就业人数工业税收工业税收78.93%总税收的总税收的28.74%20012001年全国制造业创造的税收年全国制造业创造的税收20032003年全国制造业贡献的年全国制造业贡献的GDPGDP和和出口出口GDP总值的总值的29.07%出口总额的出口总额的92.06%制造业是我国国民经济的基础和支柱制造业是我国国民经济的基础和支柱制造业是我国国民经济的基础和支柱制造业是我国国民经济的基础和支柱9第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术计算机技术、电子技术和通信技术极大地增强计算机技术、电子技术和通信技术极大地增强了人类处理和利用信息的能力,因而被统称为了人类处理和利用信息的能力,因而被统称为“信息技术信息技术”。
信息技术已经成为现代生产力发展的主导因素,信息技术已经成为现代生产力发展的主导因素,它不但在急剧地改变着人类的经济生活,而且它不但在急剧地改变着人类的经济生活,而且以其强大的渗透力进入社会生活的方方面面。
以其强大的渗透力进入社会生活的方方面面。
信息的应用程度已经成为衡量一个国家或地区信息的应用程度已经成为衡量一个国家或地区的国际竞争力、现代化程度、经济成长能力的的国际竞争力、现代化程度、经济成长能力的重要标志。
重要标志。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业10第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业工工业业化化信信息息化化制造业制造业制造业制造业信息化信息化信息化信息化制造业制造业工业社会工业社会信息社会信息社会工业化、信息化工业化、信息化制造业制造业11第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业制造技术制造技术自动化技术自动化技术自动化技术自动化技术现代管理技术现代管理技术现代管理技术现代管理技术信息技术信息技术实实实实现现现现产产产产业业业业升升升升级级级级改善企业生产、经营、管理、产品开发改善企业生产、经营、管理、产品开发改善企业生产、经营、管理、产品开发改善企业生产、经营、管理、产品开发12第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术在发达国家,信息技术的应用已经成为国民经济新的在发达国家,信息技术的应用已经成为国民经济新的增长点,信息产业已经成为经济发展的主导产业。
增长点,信息产业已经成为经济发展的主导产业。
信息技术的应用已成为我国重要的经济增长点。
信息技术的应用已成为我国重要的经济增长点。
利用信息技术改造和提升传统产业,可以提高产品利用信息技术改造和提升传统产业,可以提高产品的数量和质量;的数量和质量;以信息技术为依托,企业实现扁平化管理,可以提以信息技术为依托,企业实现扁平化管理,可以提高企业运营效率;高企业运营效率;围绕互联网开展企业的信息化应用工作,可以使企围绕互联网开展企业的信息化应用工作,可以使企业融入全球化经济,实现产品的敏捷和柔性的个性业融入全球化经济,实现产品的敏捷和柔性的个性化生产,赢得市场。
化生产,赢得市场。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业1引起产业结构的重大调整引起产业结构的重大调整13第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术由于微电子和数字化通信的应用,使信息处理由于微电子和数字化通信的应用,使信息处理的相对价格下降,工业生产从的相对价格下降,工业生产从“能源和材料密能源和材料密集型集型”转向转向“信息密集型信息密集型”,产品和装备由机,产品和装备由机械向着机电转变,呈现出械向着机电转变,呈现出“软化软化”和高附加价和高附加价值的趋势。
值的趋势。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2促进了生产方式的变革促进了生产方式的变革14第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术信息技术在生产中的广泛应用,发展了先进制信息技术在生产中的广泛应用,发展了先进制造技术,计算机辅助设计造技术,计算机辅助设计(ComputerAided(ComputerAidedDesignDesign,CAD)CAD)、计算机辅助工程分析、计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering(ComputerAidedEngineering,CAE)CAE)和计算和计算机辅助制造机辅助制造(ComputerAidedManufacturing(ComputerAidedManufacturing,CAM)CAM)等成为基本的技术手段,机器人、自动等成为基本的技术手段,机器人、自动化装备、自动化生产线受到普遍重视,设计制化装备、自动化生产线受到普遍重视,设计制造的自动化、智能化程度大大提高。
造的自动化、智能化程度大大提高。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2促进了生产方式的变革促进了生产方式的变革15第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术信息技术的发展使生产具有更大的灵活性,生信息技术的发展使生产具有更大的灵活性,生产信息可以准确控制、实时共享,能够以快速产信息可以准确控制、实时共享,能够以快速和低成本为目标优化生产流程,极大地降低了和低成本为目标优化生产流程,极大地降低了由于改变产品组合而导致的停工成本,生产的由于改变产品组合而导致的停工成本,生产的柔性和敏捷性大大提高。
柔性和敏捷性大大提高。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业2促进了生产方式的变革促进了生产方式的变革16第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术传统的产品交换及经济信息流通方式,绝大部传统的产品交换及经济信息流通方式,绝大部分是通过人与人之间的直接交往实现的。
这种分是通过人与人之间的直接交往实现的。
这种直接的交往加上落后的交通设施往往将人们的直接的交往加上落后的交通设施往往将人们的经济行为局限在一个非常有限的时空。
经济行为局限在一个非常有限的时空。
随着信息时代的到来,特别是全球互联网的发随着信息时代的到来,特别是全球互联网的发展,实现了世界信息的同步传播,从而极大地展,实现了世界信息的同步传播,从而极大地拓展了经济活动的舞台拓展了经济活动的舞台。
二、信息技术的发展深刻地改变了制造业二、信息技术的发展深刻地改变了制造业3引起了信息交换方式的改变引起了信息交换方式的改变17第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段自自19981998年美国副总统戈尔提出年美国副总统戈尔提出“数字地球数字地球”的概念以来,诸如数字流域、数字城市、数字化的概念以来,诸如数字流域、数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想大量涌现,生存等以数字为前缀的新概念和新思想大量涌现,数字化设计与制造数字化设计与制造即为全球数字化浪潮中的重要即为全球数字化浪潮中的重要一环。
一环。
数字化程度已经成为衡量设计制造技术水数字化程度已经成为衡量设计制造技术水平的重要标志。
数字化技术是缩短产品研制周期、平的重要标志。
数字化技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径,是建降低研制成本、提高产品质量的有效途径,是建立现代产品快速研制系统的基础。
立现代产品快速研制系统的基础。
18第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段CAD/CAMCAD/CAM技术是人类在技术是人类在2020世纪取得的突破性世纪取得的突破性创新成果,并由此孕育了先进制造技术。
创新成果,并由此孕育了先进制造技术。
在先进制造技术的发展过程中,有四项技术在先进制造技术的发展过程中,有四项技术具有里程碑的性质:
具有里程碑的性质:
CADCAD技术;技术;NCNC技术;技术;智能技术;智能技术;集成技术。
集成技术。
19第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段1CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础技术奠定了数字化设计制造的基础传统的以传统的以“工程图纸工程图纸”为核心的设计制造技术体系构建为核心的设计制造技术体系构建了以模拟量传递为特征的制造模式。
了以模拟量传递为特征的制造模式。
CAD技术的发展使得对产品及其零件的表达、传递可技术的发展使得对产品及其零件的表达、传递可以采用数字化形式精确表达,从而推动了二维以采用数字化形式精确表达,从而推动了二维CAD和三和三维维CAD的研究和应用。
由此形成了以的研究和应用。
由此形成了以“三维几何模型三维几何模型”为核心的数字化设计制造技术体系,实现了以数字量传为核心的数字化设计制造技术体系,实现了以数字量传递和控制为特征的先进制造技术。
递和控制为特征的先进制造技术。
目前,产品的数字化定义、数字样机、虚拟仿真等已成目前,产品的数字化定义、数字样机、虚拟仿真等已成为产品研制的基本手段和技术选择。
为产品研制的基本手段和技术选择。
20第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段1CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础技术奠定了数字化设计制造的基础CAD技术起步于技术起步于20世纪世纪50年代后期。
年代后期。
60年代,随着计年代,随着计算机软硬件技术的发展,在计算机屏幕上绘图变为可能,算机软硬件技术的发展,在计算机屏幕上绘图变为可能,CAD开始迅速发展。
开始迅速发展。
在在CAD软件开发初期,软件开发初期,CAD的含义仅仅是计算机辅助的含义仅仅是计算机辅助绘图绘图(ComputerAidedDrawing),此后逐步发展形成了计,此后逐步发展形成了计算机辅助设计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)的概念。
的概念。
CAD技术以二维绘图算法为主要目标的研究与应用一技术以二维绘图算法为主要目标的研究与应用一直持续到直持续到70年代末期。
年代末期。
60年代初期出现了三维年代初期出现了三维CAD系统,系统,起初是极为简单的,只能表达基本几何信息线框系统,起初是极为简单的,只能表达基本几何信息线框系统,不能有效表达几何数据间的拓扑关系,缺乏形体的表面不能有效表达几何数据间的拓扑关系,缺乏形体的表面信息。
信息。
21第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段1CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础技术奠定了数字化设计制造的基础曲面造型系统为人类带来了第一次曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。
技术革命。
实体造型技术的普及应用标志着实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二发展史上的第二次技术革命。
次技术革命。
参数化技术的应用主导了参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。
发展史上的第三次革命。
80年代后期到年代后期到90年代,年代,CAD向系统集成化方向发展,向系统集成化方向发展,引起了引起了CAD发展史上的第四次革命。
发展史上的第四次革命。
CAD发展史上的四次技术革命:
发展史上的四次技术革命:
22第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段2NC技术促进数控设备的发展,实现产品制造技术促进数控设备的发展,实现产品制造的数字化的数字化制造技术的发展和竞争的加剧,使得人们对产品的要求制造技术的发展和竞争的加剧,使得人们对产品的要求越来越高,企业要制造高质量、高效率、高可靠性、低缺越来越高,企业要制造高质量、高效率、高可靠性、低缺陷的产品,必须广泛采用先进制造工艺及现代化装备。
陷的产品,必须广泛采用先进制造工艺及现代化装备。
数字化、精密化、高速化及高效化是现代工艺装备的主数字化、精密化、高速化及高效化是现代工艺装备的主要发展趋势,采用先进和稳定的工艺技术,使用精密、高要发展趋势,采用先进和稳定的工艺技术,使用精密、高效的数控生产装备,对于提高产品质量、降低生产成本、效的数控生产装备,对于提高产品质量、降低生产成本、缩短响应时间具有重要意义。
缩短响应时间具有重要意义。
数控加工设备可以解决由手工作业所引起的质量不稳定数控加工设备可以解决由手工作业所引起的质量不稳定问题,并可大大提高设备的使用效率。
问题,并可大大提高设备的使用效率。
23第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段2NC技术促进数控设备的发展,实现产品制造技术促进数控设备的发展,实现产品制造的数字化的数字化24第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段3知识库和智能化设计是传统工艺技术创新的知识库和智能化设计是传统工艺技术创新的关键关键工艺过程具有不连续性、不平衡性、动态性、多样性、工艺过程具有不连续性、不平衡性、动态性、多样性、模糊性等诸多的不确定,导致了加工工艺技术的模糊性等诸多的不确定,导致了加工工艺技术的“再再现性现性”差,定性的描述较多,定量的表达较少。
差,定性的描述较多,定量的表达较少。
工艺过程涉及的因素多、系统多,构成工艺知识的工艺过程涉及的因素多、系统多,构成工艺知识的“粒度粒度”大小不一,很难完全用规则表达清楚。
即使采用大小不一,很难完全用规则表达清楚。
即使采用数值分析,其分析计算结果仍须要由人类专家进行评估数值分析,其分析计算结果仍须要由人类专家进行评估分析、判读。
分析、判读。
以制造过程的知识融合为基础,采用智能化设计已成以制造过程的知识融合为基础,采用智能化设计已成为解决加工工艺设计的有效方法和重要发展方向。
为解决加工工艺设计的有效方法和重要发展方向。
25第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术三、数字化是制造技术创新的基本手段三、数字化是制造技术创新的基本手段4集成化促进了制造的柔性化和敏捷化,是实集成化促进了制造的柔性化和敏捷化,是实现快速反应制造的基础现快速反应制造的基础面对变化莫测的市场,制造企业应具有快速组织生产、面对变化莫测的市场,制造企业应具有快速组织生产、柔性制造和灵活应变的能力,即具备快速响应能力。
柔性制造和灵活应变的能力,即具备快速响应能力。
快速响应制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征,快速响应制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征,它要求制造企业通过企业内部网络和外部网络相结合,形它要求制造企业通过企业内部网络和外部网络相结合,形成网络化的集成制造系统,对各种设计、制造和信息以及成网络化的集成制造系统,对各种设计、制造和信息以及人力、物力等资源进行集成,从而快速地制造出高质量、人力、物力等资源进行集成,从而快速地制造出高质量、低成本的新产品。
低成本的新产品。
建立基于信息技术的数字化定义、工艺设计、工装设计、建立基于信息技术的数字化定义、工艺设计、工装设计、设备数控的综合集成系统,可以减少中间传递环节,减少设备数控的综合集成系统,可以减少中间传递环节,减少传递误差引起的返工,提高系统的柔性,实现快速反应。
传递误差引起的返工,提高系统的柔性,实现快速反应。
26第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、先进制造技术是传统制造业不断地吸收机械、电子、信息、材料及现代管理技术等方面最新的电子、信息、材料及现代管理技术等方面最新的成果,并将其综合应用于产品制造全过程,即开成果,并将其综合应用于产品制造全过程,即开发与设计、制造、检测、管理及售后服务等,实发与设计、制造、检测、管理及售后服务等,实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造,并取得现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造,并取得理想的技术经济效果的前沿制造技术的总称。
理想的技术经济效果的前沿制造技术的总称。
先进制造技术定义先进制造技术定义四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势27第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先先进制造技术是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域发展领域国别/地区科技计划美国先进制造技术计划关键技术(制造)计划敏捷制造使能技术计划日本智能制造技术国际合作计划欧共体尤里卡计划信息技术研究发展战略计划德国制造2000年计划韩国高级先进技术国家计划(G-7)28第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势1数字化设计制造是现代产品研制的基本手段数字化设计制造是现代产品研制的基本手段数字化已成为产品研制生产的必要手段。
采用数字化技术,数字化已成为产品研制生产的必要手段。
采用数字化技术,可以实现制造系统和制造过程信息的存储、传输、共享和处理,可以实现制造系统和制造过程信息的存储、传输、共享和处理,从而实现对复杂系统问题的定量化、最优化、可视化的解决方从而实现对复杂系统问题的定量化、最优化、可视化的解决方案。
案。
以数字化为核心的制造业信息化技术已成为制造业发展的重以数字化为核心的制造业信息化技术已成为制造业发展的重要基础和支撑。
现代产品的研制生产过程包括概念设计、功能要基础和支撑。
现代产品的研制生产过程包括概念设计、功能仿真、结构设计等设计过程,还包括工艺设计、加工制造、质仿真、结构设计等设计过程,还包括工艺设计、加工制造、质量保证、使用维护、维修乃至报废的产品全生命周期的各个环量保证、使用维护、维修乃至报废的产品全生命周期的各个环节。
节。
数字化设计制造改变以模拟量为主的传递方式,不仅可以提数字化设计制造改变以模拟量为主的传递方式,不仅可以提高几何模型的传递精度,而且可以提高设计效率,缩短周期。
高几何模型的传递精度,而且可以提高设计效率,缩短周期。
29第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势2先进制造技术的特征先进制造技术的特征
(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段。
先进制造技术是制造技术的最新发展阶段。
(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期。
整个生命周期。
(3)先进制造技术注重技术与管理的结合。
先进制造技术注重技术与管理的结合。
(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。
先进制造技术是面向工业应用的技术。
30第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势3设计制造技术的发展趋势设计制造技术的发展趋势产品开发周期短;产品开发周期短;竞争能力强;竞争能力强;系统柔性高;系统柔性高;生产过程精良;生产过程精良;提供产品全生命周期质量保障;提供产品全生命周期质量保障;注重环境。
注重环境。
新世纪对制造技术的要求新世纪对制造技术的要求31第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势3设计制造技术的发展趋势设计制造技术的发展趋势全球化全球化设计制设计制造技术造技术网络化网络化虚拟化虚拟化绿色化绿色化智能化智能化32第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势3设计制造技术的发展趋势全球化设计制造技术的发展趋势全球化广泛利用别国的生产设施与技术力量,在自己可以广泛利用别国的生产设施与技术力量,在自己可以不拥有生产设施与制造技术的所有权的情况下,开发、不拥有生产设施与制造技术的所有权的情况下,开发、制造出最终产品,并进行全球销售。
包括的内容主要有:
制造出最终产品,并进行全球销售。
包括的内容主要有:
市场的国际化;市场的国际化;产品设计和开发的国际合作化;产品设计和开发的国际合作化;产品制造的跨国化;产品制造的跨国化;制造企业在世界范围内的重组与集成如动态联盟公制造企业在世界范围内的重组与集成如动态联盟公司;司;制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利制造资源的跨地区、跨国家的协调、共享和优化利用等等。
用等等。
33第一节第一节制造业与制造技术制造业与制造技术四、先进制造技术的发展趋势四、先进制造技术的发展趋势3设计制造技术的发展趋势网络化设计制造技术的发展趋势网络化采用采用Internet技术,建立灵活有效、互惠互利的动态技术,建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟,有效地实现研究、设计、生产和销售各种资源企业联盟,有效地实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组,从而提高企业的市场响应速度和竞争能力。
在企的重组,从而提高企业的市场响应速度和竞争能力。
在企业内部,通过业内部,通过Intranet将制造企业的各个部门及制造过程将制造企业的各个部门及制造过程与企业中的设计、管理信息等子系统
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