第4章 先进设计技术

1、1第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统第第4章章 先进设计技术先进设计技术4.1 4.1 先进设计技术的定义、内容与特点先进设计技术的定义、内容与特点4.2 4.2 计算机辅助计算机辅助X X（CAXCAX）4.3 4.3 面向面向X X的设计（的设计（DFXDFX） 4.4 4.4 模块化设计（模块化设计（MDMD）4.5 4.5 产品数据管理（产品数据管理（PDMPDM）2第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.1 4.1 先进设计技术的定义、内容与特点先进设计技术的定义、内容与特点4.1.1 先进设计技术的定义先进设计技术的定义4.

2、1.2 先进设计技术的基本内容先进设计技术的基本内容 4.1.3 先进设计技术的特点先进设计技术的特点 3第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统先进设计技术-融合最新科技成果，适应当今社会需求变化的，新的、高级水平的各种设计方法和手段。“先进先进”-融入新的科技成果，特别是计算机融入新的科技成果，特别是计算机技术和信息技术的成果，从而使产品在技术和信息技术的成果，从而使产品在性能、质性能、质量、效率、成本、环保、交货时间量、效率、成本、环保、交货时间等方面，达到等方面，达到明显高于现有产品，甚至创新的水平。明显高于现有产品，甚至创新的水平。先进设计系统先进设计系统-设

3、计硬件、软件、人员4.1.1 先进设计技术的先进设计技术的定义定义4第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.1.2 先进设计技术的基本内容先进设计技术的基本内容基础技术基础技术主体技术主体技术支撑技术支撑技术应用技术应用技术 5第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1)(1)基础技术：基础技术： 是指传统的设计理论与方法是指传统的设计理论与方法 运动学 静力学 动力学 材料力学 热力学 电磁学 工程数学等6第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(2)(2)主体技术主体技术 :计算机支持的设计技术 CAX DFX

4、优化设计 有限元分析 模拟仿真 虚拟设计 工程数据库 快速响应设计 智能设计 4.1.2 先进设计技术的基本内容先进设计技术的基本内容7第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(3)支撑技术支撑技术 为设计信息的处理、加工、推理与验证提供了多种理论、方法和手段的支撑。1) 现代设计理论与方法现代设计理论与方法：系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业设计、安全性设计、动态设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、稳健设计等。2) 设计试验技术设计试验技术：产品性能试验、可靠性试验、环保性能试验、数字仿真试验和虚拟试验等。

5、4.1.2 先进设计技术的基本内容先进设计技术的基本内容8第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(4)应用技术应用技术是为了实用而派生的各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。 4.1.2 先进设计技术的基本内容先进设计技术的基本内容9第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统数字化数字化智能化智能化动态化动态化系统性系统性优化性优化性创新性创新性社会性社会性4.1.3 先进设计技术的特点先进设计技术的特点10第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2 4.2 计算机辅助计算机辅

6、助X X（CAXCAX）4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 4.2.3 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM） 11第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2 4.2 计算机辅助计算机辅助X X的涵义的涵义 CAX（Computer Aided X） 在现代产品开发过程中，必须采用各种计算在现代产品开发过程中，必须采用各种计算机辅助工具集机辅助工具集CAX，其中，其中X可以代表生命周可以代表生命周期中的各种因素，如设计、工艺、制造等。期中的各种因素，如设计、工艺、制造等。12第第 4

7、 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD） 利用计算机利用计算机系统来系统来帮助设计者进行设计的帮助设计者进行设计的建立、建立、修改、分析或优化等修改、分析或优化等一切适用技术的总和。一切适用技术的总和。计算机辅助工程计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE） 借助于计算机系统进行分析计算与分析仿真。它借助于计算机系统进行分析计算与分析仿真。它包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动学与寿命评估、运动学/

8、动力学仿真。动力学仿真。CAE的核心技的核心技术是术是有限元技术和虚拟样机技术有限元技术和虚拟样机技术。 4.2 4.2 计算机辅助计算机辅助X X的涵义的涵义13第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统计算机辅助工艺（过程）设计计算机辅助工艺（过程）设计（Computer Aided Process Planning，CAPP） 利用计算机利用计算机系统系统对产品及加工零件工艺参数进行合对产品及加工零件工艺参数进行合理选择。理选择。计算机辅助制造计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM） 按照零件形状及按照零件形状及CAPP生成

9、的数控代码进行数控加生成的数控代码进行数控加工，并考虑刀具补偿等进行的后处理，以及加工过工，并考虑刀具补偿等进行的后处理，以及加工过程的动态仿真、机器人在线控制等。程的动态仿真、机器人在线控制等。4.2 4.2 计算机辅助计算机辅助X X的涵义的涵义14第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统计算机辅助工装设计计算机辅助工装设计（Computer Aided Fixture Design，CAFD） 利用计算机利用计算机系统系统进行夹具建模、分析与设计，达进行夹具建模、分析与设计，达到缩短夹具设计与生产准备时间的目的。到缩短夹具设计与生产准备时间的目的。 本课仅讨论本课

10、仅讨论CAD、CAPP和和CAM。4.2 4.2 计算机辅助计算机辅助X X的涵义的涵义15第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 1. CAD的发展的发展2. CAD的过程与原理的过程与原理3. 计算机辅助绘图计算机辅助绘图4. CAD系统的造型方法系统的造型方法16第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统CAD技术思想起源于20世纪60年代末，美国麻省理工学院Sutherland博士的研究工作。40多年来，CAD技术已发展成为以“计算机技术”和“计算机图形学”为技术基础，并融合各应用领域中

11、的设计理论与方法的一种高新技术。1. CAD的发展的发展4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 17第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统应用应用CAD技术的必要性在于：技术的必要性在于： CAD已成为决定企业市场竞争力的主要因素已成为决定企业市场竞争力的主要因素。在。在重大工程招标中，没有用重大工程招标中，没有用CAD完成的方案图和标书完成的方案图和标书文件，就没有投标资格。文件，就没有投标资格。CAD是实施先进制造的软件平台，企业应用任何是实施先进制造的软件平台，企业应用任何先进制造系统所不可跨越的核心技术先进制造系统所不可跨越的核心技术。4.2.1

12、 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 18第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统线框造型： 20世纪50-60年代曲面造型：20世纪70年代；汽车、飞机表面实体造型：20世纪80年代初 ；精确表达零件的全部几 何属性，推动CAE、CAM技术有了较大发展 参数化技术：20世纪80年代末 ；基于特征、全尺寸约 束、全数据相关、尺寸驱动设计修改；以 Pro/E为代表的参数化造型理论 变量化技术：20世纪90年代 ；欠约束； 以SDRC/I-DEAS为代表4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 1. CAD的发展的发展19第第 4 章章 先进设计技术先进设

13、计技术先进制造系统先进制造系统图图4-1 4-1 传统的产品设计过程传统的产品设计过程设计任务书设计任务书任务书任务书分析分析条件协商条件协商确定设计参数确定设计参数资料的调研和分资料的调研和分析析总体结构方案拟总体结构方案拟定定方案论证方案论证更改更改设计设计调整调整结构设计与绘图结构设计与绘图编写技术文件编写技术文件交付制造交付制造2. CAD的过程与原理的过程与原理4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） (1)传统的产品设计过程传统的产品设计过程20第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统传统设计的传统设计的特点是：特点是：设计者通过类比分析法或经验

14、公式来确定设设计者通过类比分析法或经验公式来确定设计方案；计方案；设计工作周期长，效率低。设计者绘制装配设计工作周期长，效率低。设计者绘制装配图和零部件工作图的时间约占设计时间的图和零部件工作图的时间约占设计时间的70%左右；左右；设计质量受人工计算条件的限制。设计质量受人工计算条件的限制。 4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 21第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统CAD是一种用是一种用计算机硬、软件系统计算机硬、软件系统辅助人们辅助人们对对“产品产品”进行设计的方法与技术，包括进行设计的方法与技术，包括分分析析、计算计算、绘图绘图、仿真仿真、产

15、品结构产品结构和和性能性能的的优化以及文档制作等设计活动，它是一门多优化以及文档制作等设计活动，它是一门多学科综合应用的新技术。学科综合应用的新技术。(2)CAD技术的内涵技术的内涵4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 22第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统CAD技术的基本内容包括： 图形处理技术 如自动绘图、几何建模、图形仿真及其他图形输入、输出技术。工程分析技术 如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等。软件设计

16、技术 如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 23第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统CADCAD硬件硬件 计算机外围设备网络通信环境CADCAD软件软件 支撑软件应用软件设计者设计者(3)CAD系统的组成系统的组成24第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统将设计过程中能用CAD技术来实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。图4-2表示产品CAD过程模型，虚线以上为手工设计进程，虚线以下为CAD方法。目前，设计过程中的每个设计活动都要尽可能采用并行工作方式。 (4)CAD过程模型过程模

17、型4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 25第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(4)CAD过程模型过程模型图图4-2 CAD过程模型过程模型 CAD系统系统设计设计经验经验专家专家知识知识决策决策能力能力设计者设计者提出设提出设计任务计任务确定设确定设计目标计目标建立设建立设计模型计模型设计设计综合综合分析分析计算计算审核审核检验检验表达设表达设计结果计结果产品产品模型模型工程工程分析分析动态动态模拟模拟自动自动绘图绘图计算机硬件与软件计算机硬件与软件数据库数据库知识库知识库图形库图形库4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 26第第

18、 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统1)产品方案设计 2)结构设计与分析 3)产品性能分析与仿真4)产品结构的可装配性检查5）自动生成产品的设计文档资料6）设计文档的管理及产品数控加工仿真 (5) CAD技术的功能技术的功能4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 27第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1)人机交互式绘图人机交互式绘图 直接利用图形支撑软件提供的各种功能。利用人机交互的方式将图形一笔一笔勾画出来。早期的CAD系统都是采用这种方式，缺点是速度慢，绘图工作量大。 3. 计算机辅助绘图计算机辅助绘图4.2.1 计算机

19、辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 28第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(2)参数化绘图参数化绘图 利用图形支撑系统提供的尺寸驱动方式进行绘图。尺寸驱动一般是建立在变量几何原理上的，设计者可以采用“Hand Free”方式随手勾画出零件的拓扑结构，然后再给拓扑结构添加几何和尺寸约束，系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和大小。这种方式大大提高了绘图效率，也支持快速的概念设计。 3. 计算机辅助绘图计算机辅助绘图4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 29第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(3)利用图形

20、库绘图利用图形库绘图 利用图形支撑系统提供的二次开发工具，将一些常用的图素参数化，并将这些图素存在图库中。绘图时，根据需要从图库中按菜单调用有关图素，并将之拼装成所需要的零件图形。由于图素已经参数化，可以方便地修改尺寸。这种利用参数化图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率。 3. 计算机辅助绘图计算机辅助绘图4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 30第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(4)利用实体造型绘图利用实体造型绘图 采用三维造型系统完成零件的三维立体模型，然后采用投影和剖切的方式由三维模型生成二维图形，最后再对二维图形进行必要的修改和

21、补充并标注尺寸、公差和其他技术要求。3. 计算机辅助绘图计算机辅助绘图4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 31第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1)几何造型几何造型（Geometry Modellng）/几何建模 对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，利用交互的方式将物体的想象模型输入计算机，而计算机以一定的方式将模型存储起来。4. CAD系统的造型技术系统的造型技术/建模技术建模技术4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 32第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统1) 线框模型 最简单的造型系统，物体

22、通过棱边来描述，线框模型（图4-3a）只存储有关框架线段信息，占用存储空间最小。但没有面的信息，有时信息不完整，存在多义性，目前应用较少。4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） (1)几何造型几何造型 a） 图4-3 几何造型示例a）线框模型33第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统2)表面模型 是通过对物体各种表面或曲面进行描述的造型方法。除了存储线框线段信息外，还存储各个外表面的几何信息。它常用于有特殊要求的曲面外形设计，如汽车车身、飞机机身的外表面设计。 4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） b） 图4-3 几何造型示例b）表面模型

23、34第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统3)实体模型 描述实体的几何信息和拓扑信息。几何信息反映物体在欧氏空间中的形状、位置和大小；拓扑信息指各外表面的组成及其相互位置关系。实体模型存储物体完整的三维几何信息（图4-3c），它可以区分物体的内部和外部，提取物体全部的几何与拓扑信息，自动生成剖视图，自动计算物体的体积、重量、重心，进行装配干涉检验，支持有限元三维网格划分等。4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） c）图4-3 几何造型示例c）实体模型35第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(2)特征造型特征造型（Feature

24、 Modellng） 几何造型描述了物体的几何信息与拓扑信息 缺乏工程含义，如材料、精度等。特征造型几何信息 拓扑信息 制造工艺相关的信息(工程语义信息） 特征造型为实现CAD/CAPP系统集成创造了有利条件。 4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 4. CAD系统的造型方法系统的造型方法36第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统123 4 5678图图4-9 特征特征造型示例造型示例1端面（自由表面） 2端面倒角 3、5外圆柱面（自由表面） 4过渡圆角 6均布轴向通孔（螺钉过孔） 7端面（配合面） 8端面（配合面）4.2.1 计算机辅助设计（计算机辅

25、助设计（CAD） (2)特征造型特征造型4. CAD系统的造型方法系统的造型方法37第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 1. 工艺设计的任务和内容工艺设计的任务和内容 2. CAPP的设计与开发的设计与开发 3. 案例：案例：CE环境下的环境下的CAPP38第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 工艺设计/工艺过程设计/过程设计工艺设计的任务是： 在给定的资源（机床、刀具、夹具等）约束下，为实现期望的目标（可行的工艺计划，优化的费用等），选择和确定详细的工艺过程，使零件毛坯经过

26、确定的形状、性质和表面质量的改变，能够成为所需的成品。 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 39第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统40第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统41第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统选择机床 选择机床的原则是机床的加工能力及规格数据必需满足零件要求。选择刀具 刀具主要根据零件具体加工要素的加工方法和参数值来决定。当没有现成的通用刀具可利用时，还应提出专用刀具的设计要求。 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 1. 工艺设计的任务

27、和内容工艺设计的任务和内容 42第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统确定定位装夹方案 定位装夹方案的好坏直接影响零件的加工精度、加工时间及加工成本等，定位装夹方案确定是工艺设计最困难和复杂的任务，它与零件的形状配置、所选用的加工设备等因素相关。确定工步序列 主要是对工艺路线的细化，它包括了确定零件单个加工要素的工步序列和整个零件所有工步的排序。 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 1. 工艺设计的任务和内容工艺设计的任务和内容 43第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统确定切削参数 主要是选择切削速度、进给量和切

28、削深度，这些参数直接影响加工时间和表面质量，同时对加工费用和加工精度也有重要影响。生成工艺文件 主要指工序单、工时定额材料清单等文件的生成和输出。数控编程准备 在使用数控加工设备，尤其是加工中心的条件下，还应按NC编程系统的标准化格式要求，转换数据格式，使NC编程系统能够接受和利用。 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 1. 工艺设计的任务和内容工艺设计的任务和内容 44第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1)CAPP系统的设计方法系统的设计方法 检索式检索式 对已有的标准工艺文件的管理。派生式派生式在GT的基础上，利用相似性检索和修改

29、典型工艺以形成新零件的工艺文件。创成式创成式 应用人工智能技术，依靠决策逻辑和制造工程数据信息，根据输入的零件信息自动生成新零件的工艺过程。由于创成法仍不成熟，所以出现了一些比较实用的半创成式系统。 2. CAPP的设计与开发的设计与开发 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 45第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统CAPP系统设计方法系统设计方法检索式检索式派生式派生式创成式创成式基于基于标准工艺文件标准工艺文件的设计的设计基于基于典型工艺文件典型工艺文件的设计的设计基于基于规则知识规则知识的设计的设计图图4-10 CAPP系统设计方法系

30、统设计方法4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 46第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 随着集成制造、并行工程、敏捷制造等先进制造系统的发展，企业对于CAPP系统的要求愈来愈高。归结起来，CAPP系统的发展方向是：集成化、智能化、并行化和标准化。(2)CAPP系统的发展方向系统的发展方向 4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP） 47第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统3. 3. 案例：案例：CECE环境下的环境下的CAPPCAPP创成式系统创成式系统 应用阶段应用阶段派生式系统派生式系统

31、准备阶段准备阶段总结经验工艺并加入工艺库总结经验工艺并加入工艺库确定检索策略并加入规则库确定检索策略并加入规则库设定检索值设定检索值检索工艺过程检索工艺过程组合编辑组合编辑产生可加工方法产生可加工方法产生可制造资源及增加新资源决策产生可制造资源及增加新资源决策产生可选定位夹紧方案产生可选定位夹紧方案全局并行协同优化全局并行协同优化计算工时计算工时计算切削用量计算切削用量工步排序工步排序工艺输出和制表工艺输出和制表零件特点分析零件特点分析工艺工艺设计设计内部信息内部信息模型模型制造资源制造资源模型模型工艺工艺数据库数据库工艺工艺知识库知识库共享共享数据库数据库48第第 4 章章 先进设计技术先进

32、设计技术先进制造系统先进制造系统(2)CE环境下的环境下的CAPP系统外部接口系统外部接口 图图4-12 CE环境下的环境下的CAPP系统的外部关系系统的外部关系CAD结构工艺性、可加工性、经济性评价结构工艺性、可加工性、经济性评价加工过程仿真结果加工过程仿真结果定位装夹分析、夹紧力和变形计算定位装夹分析、夹紧力和变形计算数控工艺分析数控工艺分析数控加工工艺数控加工工艺产品信息产品信息定位装夹方案和切削用量定位装夹方案和切削用量资源需求和工时资源需求和工时NC代码代码CAPPCAFDCAM及后置处理及后置处理DFM及后置处理及后置处理MPS4.2.2 计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（C

33、APP） 49第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2.3 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CAM的发展的发展CAM的概念的概念CAM的内容的内容 数控技术的内涵数控技术的内涵 50第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统20世纪50年代数控机床诞生后首先在飞机制造中得到应用，主要是加工飞机整体蒙皮和骨架。这类工件形状复杂且加工路径长，加工精度要求较高，用机器码人工编程的工作量很大，迫切需要解决编程的自动化。在需求的促进下第一代以英语为基础的数控自动编程工具（APT）不久就诞生了。此后多年APT不断补充更新，又推出几个新版本，并在此

34、基础上派生出多个自动编程系统，如欧洲的EXAPT，日本的FAPT等。显然，应用数控加工的需求促成了APT的迅速出现，这是一种早期的CAM。 1. CAM的发展的发展 4.2.3 计算机辅助制造计算机辅助制造 （CAM） 51第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 广义的CAM是指计算机进入制造过程这样一个总的概念，其目标是通过计算机分级结构控制、监测和管理制造过程的各项作业。广义CAM包含：计算机辅助生产计划计算机辅助工艺设计计算机数控编程计算机辅助加工过程控制等2. CAM的概念的概念 4.2.3 计算机辅助制造计算机辅助制造 （CAM） 52第第 4 章章 先进设

35、计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统通常说的CAM是狭义CAM其内涵是：确定加工方法、加工路线和工艺 参数计算刀位数据文件编制数控加工指令程序4.2.3 计算机辅助制造计算机辅助制造 （CAM） 2. CAM的概念的概念 53第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2.3 计算机辅助制造计算机辅助制造 （CAM） 3. CAM的内容的内容 54第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.2 END55第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 DFX指面向某一应用领域的计算机辅助设计工具，它们能够使设计者在早期就考

36、虑设计决策对后续的影响。 4.3 4.3 面向面向X X的设计的涵义的设计的涵义56第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统l面向制造的设计（Design For Manufacturing，DFM） 强调可加工性和加工的方便性；l面向装配的设计（Design For Assembly，DFA） 强调可装配性、装配的方便性和减少装配价格； l面向成本的设计（Design For Cost，DFC） l综合考虑多种成本因素，并据成本原因及时进行设计修改l面向质量的设计（Design For Quality，DFQ） l面向环境的设计（Design For Environm

37、ent，DFE) 、也称为生态化设计ED（Ecological Design）l面向拆卸的设计（Design for Disassembly，DFD）l面向回收的设计（Design for Recovering and Recycling，DFR）。4.3 4.3 面向面向X X的设计的涵义的设计的涵义57第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.3 4.3 面向面向X X的设计（的设计（DFXDFX）4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFM）4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFA） 58第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制

38、造系统4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）1. DFM的发展2. DFM的基本原理 3. 产品可制造性的评价 59第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 新产品开发的成功率则是衡量企业产品开发和创新的一个重要标志。现有国外企业新产品的开发成功率已达15%，而我国却不到5%。 我国经常出现图样上的产品不能或难以按设计要求制造出来，或不得不用很高的成本才得以制成。DFM是改变这一现状。 1. DFM的发展的发展 4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）60第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先

39、进制造系统4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2. DFM的基本原理的基本原理 在传统的产品开发中，设计者通常重点考虑的是实现产品的功能和性能指标，较少考虑产品的可制造性和经济性评价 。 DFM使设计者不仅要考虑产品的功能和性能的要求，而且还必须同时考虑其可制造性、经济性和制造周期，在保证产品性能的前提下，使制造成本尽可能降低。61第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统DFM的主要原则有：简化零件的形状；尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；选用便于加工的材料；尽量设置较大的公差；采用标准件与外购件；减少不必要的精度要求。4.3.1

40、 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2. DFM的基本原理的基本原理 62第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统狭义DFM 主要以可加工性可加工性作为设计指导。M-Machining广义DFMDFM (machining)DFA4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2. DFM的基本原理的基本原理 63第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统广义广义DFM包含下列内容：包含下列内容：零件的可加工性可加工性，部件和整机的可装拆性可装拆性。零部件加工和装配质量的可检测性可检测性。零部件和整机性

41、能的可试验性可试验性。零部件和整机的可维修性可维修性。零部件及材料的可回收性可回收性等。 4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2. DFM的基本原理的基本原理 64第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统实现DFM的一种重要手段是对产品的设计进行可制造性评价。可制造性是产品设计与制造功能匹配能够满足设计目标的难易程度。评价内容见表4-1。 3. 产品可制造性的评价产品可制造性的评价 4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）65第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统T4.3.1 4.

42、3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）表表4-1 产品可制造性评价内容产品可制造性评价内容评价指标评价指标评价内容评价内容技技术术性性装配装配工艺性工艺性装配自由度、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、自定心结构、装配自由度、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、自定心结构、定位与联接、结构与装配匹配、利于装配的辅助结构零件标准化、装配定位与联接、结构与装配匹配、利于装配的辅助结构零件标准化、装配标准化、标准化、结构结构工艺性工艺性热处理性、锻造性、焊接性、铸造性、切削性、制造资源约束、模块化热处理性、锻造性、焊接性、铸造性、切削性、制造资源约束、模块化结构、多功能复合结构、

43、对称结构、功能与结构匹配、结构与加工方法结构、多功能复合结构、对称结构、功能与结构匹配、结构与加工方法匹配、结构继承性、结构与批量匹配、结构标准化、产品系列化匹配、结构继承性、结构与批量匹配、结构标准化、产品系列化加工加工可行性可行性精度与功能匹配、精度与加工方法匹配、精度与粗糙度匹配、形位精度精度与功能匹配、精度与加工方法匹配、精度与粗糙度匹配、形位精度与尺寸精度匹配、材料与加工方法匹配、加工方法与批量匹配、材料与与尺寸精度匹配、材料与加工方法匹配、加工方法与批量匹配、材料与刀具匹配、工艺继承性、满足装夹定位基准规则、装夹稳定性结构、易刀具匹配、工艺继承性、满足装夹定位基准规则、装夹稳定性结

44、构、易装夹结构材料标准化、工艺标准化、辅助工具标准化、装夹结构材料标准化、工艺标准化、辅助工具标准化、经经济济性性成本成本材料成本、外协成本、加工成本（毛坯、热处理、劳动、机床、刀具、材料成本、外协成本、加工成本（毛坯、热处理、劳动、机床、刀具、工装成本）、装配成本、运输成本、仓储成本、管理成本工装成本）、装配成本、运输成本、仓储成本、管理成本时间时间加工时间、装配时间、工装准备时间加工时间、装配时间、工装准备时间66第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统产品可制造性评价方法有三类： 经验评价经验评价 依赖专家对少量指标的经验评价从产品功能出发，提出设计公理指导设计定

45、量评价定量评价 成本角度制造工艺的难易程度产品性价比基于知识的评价基于知识的评价 4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）3. 产品可制造性的评价产品可制造性的评价 67第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统推理机推理机解释器解释器结构数据结构数据图形表示图形表示（CAD）结论咨询结论咨询决策模型决策模型CAD接口接口知识获取知识获取图图4-16 基于知识的基于知识的DFM系统结构系统结构开始开始知识库知识库动态动态知识库知识库68第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（

46、DFA）1. DFA的发展的发展2. DFA的主要内容的主要内容 3. 基于准则的基于准则的DFA69第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统DFA是最早也是目前最成熟的DFX方法。 DFA的产生可追溯至20世纪60年代初。由于装配方面的进展远远落后于零件的制造，解决装配自动化这一瓶颈问题，是企业生产的迫切需求。因此，早期的DFA是在为了实现装配自动化而进行产品结构改进的研究中形成的。1. DFA的发展的发展 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）70第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 早期的装配设计一味强调

47、零件的形体简单和加工方便，使用时容易发生误导，甚至得到荒唐的结果。案例：所需的功能结构如图按指南设计结果如图结论：加工容易，装配复杂，总体产品结构更为复杂了，总成本反而提高了。这是由于片面强调了单个零件的可加工性而忽视了产品的可装配性。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）71第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 要想真正地降低产品成本，必须从系统观点出发，以简化产品结构为先决条件，先考虑产品的可装配性，再考虑零件的可加工性。DFA思想正是在这一背景下产生的。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）1.

48、 DFA的发展的发展 现在，DFA已成为一种优化产品设计以获得最低的装配费用的技术。DFA在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在评价的基础上，进行产品再设计，通过再设计，使产品易于装配，从而降低产品的装配费用。 72第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1)建立装配信息模型建立装配信息模型 (2)进行可装配性分析进行可装配性分析(3)进行可装配性评价进行可装配性评价(4)进行可装配性再设计进行可装配性再设计4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）2. DFA的主要内容的主要内容 73第第 4

49、章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统产品装配模型产品装配模型图图4-18 产品装配模型的信息组成产品装配模型的信息组成几何信息几何信息管理信息管理信息拓扑信息拓扑信息工程语义信息工程语义信息装配工艺信息装配工艺信息装配资源信息装配资源信息4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(1)建立装配信息模型建立装配信息模型74第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统基于图形的方法 如图4-19所示 直观，但难以表达节点的多类型，多层次关系基于关系数据库的方法 采用关系数据库存储DFA信息。难以表达实体及其关系的语义面向对象的表示方

50、法。分为若干层次类并附有相关属性4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）描述装配设计信息的方法描述装配设计信息的方法图4-19 基于图形的表示方式1箱体 2轮 3螺栓 4箱盖 5轴 6套3142563214561节点有向线弧75第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统1)确定产品装配方法确定产品装配方法 手工装配专用机械（自动化）装配程序控制机械（包括机器人）三者的混合在设计的早期阶段应该确定采用哪种装配方法的系统。装配系统的选择可以根据产品的情况、生产的情况和企业的经营情况。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFA

51、DFA）(2)产品可装配性分析产品可装配性分析（四项基本任务）（四项基本任务）2. DFA的主要内容的主要内容 76第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统2)确定产品可装配性分析方法确定产品可装配性分析方法 基于实验的方法基于统计的方法 基于建模的方法4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2)产品可装配性分析产品可装配性分析2. DFA的主要内容的主要内容 77第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统3)分析分析影响产影响产品的可品的可装配性装配性的各种的各种因素因素4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向

52、装配的设计（DFADFA）(2)产品可装配性分析产品可装配性分析2. DFA的主要内容的主要内容 图图4-20 4-20 广义设计中的可装配性影响因素广义设计中的可装配性影响因素（外因）（外因）产品产品产品种类产品种类产品结构产品结构零部件零部件装配工艺装配工艺装配策略装配策略装配结构装配结构工艺过程工艺过程产品产品可装配性可装配性装配系统装配系统系统种类系统种类系统配置系统配置系统元件系统元件（外因）（外因）（内内因）因）78第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4)考察各因素之间的相互作用和相互关系考察各因素之间的相互作用和相互关系可以从多方面考察产品的可装配性，

53、既可以从零件结构、材料和零件的联接关系等方面进行考察，也可以从装配方法和装配工艺等方面进行考察。通过考察来归纳改善可装配性的设计规则是DFA的主要工作之一。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2)产品可装配性分析产品可装配性分析2. DFA的主要内容的主要内容 79第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）表表4-2 产品可装配性评价内容产品可装配性评价内容评价指标评价指标评价内容评价内容技术性技术性进给性能（套叠、缠结）；元件抓取（尺寸、重量、对称性等）；位置进给

54、性能（套叠、缠结）；元件抓取（尺寸、重量、对称性等）；位置可达（倒角、圆角，装拆顺序）；定位可靠（自定位、预定位）；检测可达（倒角、圆角，装拆顺序）；定位可靠（自定位、预定位）；检测可及工具利用（操作空间）；联接方法（插装、铆接、焊接、胶接等）；可及工具利用（操作空间）；联接方法（插装、铆接、焊接、胶接等）；合成方向（多向、单向、垂直向下）；位姿调整（装拆便利、稳定性）合成方向（多向、单向、垂直向下）；位姿调整（装拆便利、稳定性）经济性经济性装配效率（生产纲领、作业方式）；资源利用（设备、工具、人力）；装配效率（生产纲领、作业方式）；资源利用（设备、工具、人力）；精度保证（公差分布、质量控制）

55、；标准化（标准件比例、零件类数）；精度保证（公差分布、质量控制）；标准化（标准件比例、零件类数）；材料消耗材料消耗社会性社会性可拆卸（结构、操作、顺序）；可再用（零件、子装配）；可回收（材可拆卸（结构、操作、顺序）；可再用（零件、子装配）；可回收（材料再用）；环保（装配、拆卸、报废）料再用）；环保（装配、拆卸、报废）1)评价内容评价内容(3)产品可装配性评价产品可装配性评价80第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统2)评价方法评价方法按技术原理可分为两类： 定性评价定性评价 又称基于准则的DFA，或称公理化方法，该方法基于一系列设计指南，这些指南来源于实际的设计经验和

56、装配实践。定量评价定量评价 使设计者以量化的方式考察产品的可装配性。量化评价内容一般包括：产品结构评价；装配工艺评价；单一零件评价；联接方式评价。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）2. DFA的主要内容的主要内容 81第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统 可装配性再设计一般采用两种形式：再设计建议，即系统根据可装配性分析和评价，给出再设计建议，以改进产品的可装配性。再设计工具，在系统支持下，实现产品装配设计的改进、补充和完善，如改变设计参数、改变装配条件、改变装配结构等。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（

57、DFADFA）(4)产品可装配性再设计产品可装配性再设计2. DFA的主要内容的主要内容 82第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统(1) DFA的常用准则的常用准则3. 基于准则的基于准则的DFA零件数最少。装配方向最少。所有零件应尽量在同一个方向进行装配，以便保证效率和质量。尽量采用模块化设计。尽量减少装配工作面。尽量减少使用紧固件。装配尽量在外部进行，以便于观察和装配的便利。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）83第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统尽量使零件易于识别。须避免零件相互干涉、缠结，优化零

58、件的抓取。装配在一起的零件应有互锁特征。如设计时增加一些凸凹特征，以便使零件保持原位。使零件易于配合。如采用增加导角、引导面等措施引入柔性环境。 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(1) DFA的常用准则的常用准则3. 基于准则的基于准则的DFA84第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统图图4-22 4-22 原始设计的油缸原始设计的油缸 1 1左端盖左端盖 2 2缸筒缸筒 3 3密封圈密封圈 4 4螺栓螺栓 5 5螺母螺母 6 6活塞活塞 7 7密封圈密封圈 8 8垫环垫环 9 9活塞杆活塞杆 1010密封圈密封圈 11 11右端

59、盖右端盖 1212螺母螺母1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 10 11 124.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2) 案例：基于准则的案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用在油缸设计中的应用3. 基于准则的基于准则的DFA85第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统1 2 3 4 5 6 7 8图图4-18 DFA再设计后的油缸再设计后的油缸 1 1密封圈密封圈 2 2活塞杆活塞杆 3 3缸筒缸筒 4 4端盖端盖 5 5密封垫密封垫 6 6垫圈垫圈 7 7密封圈密封圈 8 8螺钉螺钉4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向

60、装配的设计（DFADFA）(2) 案例：基于准则的案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用在油缸设计中的应用3. 基于准则的基于准则的DFA86第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统缸体部件由左端盖和缸筒的分离结构改为整体结构缸体部件的螺栓联接改为螺钉联接活塞部件改为整体结构,省略了螺栓螺母联接 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 10 11 1287第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统4.4 END88第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术先进制造系统先进制造系统