先进制造技术教学课件AMT2

1、1先进制造技术 Advanced Manufacturing Technology第1页，共85页。2第2章 先进工程设计技术本章要点先进设计技术的基本内容 CAPP技术模块化设计的关键技术 CAD的关键技术 创新设计逆向工程 第2页，共85页。3 第2章 先进设计技术Modern Design Technology 2.1 概述Introduction 第3页，共85页。4以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程。指在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。相继经历了直觉设计阶段经验设计阶段半理论半经验设计（传统设计）阶段。 产品设计 设计技术2.

2、1.1 先进工程设计技术的内涵 先进工程设计技术 以满足应市产品的质量、性能、时间、成本价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。 第4页，共85页。5产品形成过程对产品生产周期的影响产品形成过程 = 产品开发过程 + 设计过程产品形成过程制造过程020406080100时间百分比（%)第5页，共85页。60产品形成过程对产品成本的影响来源：VDI 223570605040302010开发设计 生产准备与原材料与管理和销售（形成过程）加工外购件的采购对成本的影响所需的工时成本第6页，共85页

3、。76产品形成过程对质量的影响60错误数量 5040发生错误修改错误80%3075%20100产品开发产品设计生产准备制造检验应用 75%的错误是由产品形成过程引起的 80%的修改工作是在产品制造或后续过程完成的2005年6月28日，北京第7页，共85页。8成本%尽可能避免错误，尽早发现和修正错误越晚修正错误，造成的影响越大目标：尽可能避免错误，尽早发现和修正错误6050403020100产品开发 产品设计 工艺规划制造检验应用第8页，共85页。92.1.2 先进工程设计的体系结构 第9页，共85页。10包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。 指计算机支持的设计技术

4、，包括：计算机辅助X 。优化设计，有限元分析，模拟仿真，虚拟设计，工程数据库，快速响应设计等。 基础技术 主体技术2.1.2 先进工程设计的体系结构 支撑技术主要包括：现代设计理论与方法。包括模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、面向对象设计、可靠性设计等。设计试验技术。 应用技术针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械等设计的知识和技术。第10页，共85页。11静态的设计原理向动态的延伸，经验、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸，而且设计范畴也在不断扩大。 现代的机械产品，如数控机床、加工中心、工业机器人等，正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，

5、模块化方向发展，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。 2.1.1 先进工程设计技术的特征 是传统设计理论与方法的继承、延伸与扩展多种设计技术、理论与方法的交叉与综合 设计手段的计算机化 已从计算机辅助计算和绘图发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、面向制造与装配的设计制造一体化，形成了CAD、CAPP、CAM的集成化、网络化和可视化。 第11页，共85页。12采用可靠性设计描述载荷等随机因素的分布规律，通过有限元法、动态分析等分析工具和建模手段，从而得到比较符合实际工况的真实解，提高了设计的精确化程度。 2.1.1 先进工程设计技术的特征 设计结果的精确化设

6、计过程的并行化 、智能化并行设计的核心是在产品设计阶段就考虑产品生命周期中的所有因素，强调对产品设计及其相关过程进行并行的、集成的一体化设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期。智能CAD系统是模拟人脑对知识处理，并拓展了人在设计过程中的智能活动。原来由人完成的设计过程，已转变为由人和计算机友好结合共同完成的智能设计活动。 第12页，共85页。13人们对产品质量除要求满足一定功能外，对可靠性、合理的寿命、便于使用和维护等也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生态环境要求。这就需要对产品进行动态的、多变量的、全方位的可信性设计 。 2.1.1 先进工程设计技术的特征 面向产品生命周期全过

7、程的可信性设计 多种设计试验技术的综合运用 根据不同产品的特点和要求，进行物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试验等 ；借助功能强大的计算机，在建立数学模型的基础上，对产品进行数字仿真试验和虚拟现实试验，预测产品的性能；亦可运用快速原型技术，直接利用CAD数据，将材料快速成形为三维实体模型，该模型可直接用于设计外观评审或装配试验， 第13页，共85页。14 第2章 先进设计技术Modern Design Technology 2.2 CAD技术 CAD Technology第14页，共85页。15CAD的功能与含义 是以计算机为工具，快速、高效、高质量地处理产品设计过程中的图形和数

8、据信息，辅助完成产品设计的先进设计技术 。图形处理技术：产品的造型、装配、工程图绘制；产品渲染、动态显示；工程分析：如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真等。数据管理与交换内容包括 CAD技术的核心是几何模型的建立。CAD系统为用户提供了颜色、网格、图层等辅助功能，提供了缩放、平移、旋转等各种图形变换工具，提供了各种渲染、动画等可视化操作。 2.2.1 计算机辅助设计的概念第15页，共85页。16CAD技术的特征 CAD技术强调产品设计过程中计算机的支持和参与 强调计算机的辅助作用，设计人员是主体 CAD系统不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节 CAD技术的优越性 大大提高设计质量 提

9、高设计生产率，缩短产品开发周期 较大幅度地降低生产成本 将技术人员从繁重的计算、绘图、修改工作中解放出来 2.2.1 计算机辅助设计的概念第16页，共85页。17产品的造型建模技术 2.2.2 CAD的关键技术CAD的造型建模过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内。以建立计算机内部模型的过程。造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模(Solid Modelling)、特征造型(Feature Modelling)、特征参数模型、产品数据模型的演变过程。特征造型具有：能更好地表达统一完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产

10、；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。 第17页，共85页。18 单一数据库就是与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。相关性设计就是任何设计改动，都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上，例如：修改二维零件工程图样中某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样的左视图中某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。 单一数据库和相关性设计技术的应用，有利于减少设计中差错，提高设计质量，缩短开发周期。单一数据库与相关性设计 2.2.2 CAD的关键技术第18页，共85页。192.2

11、.2 CAD的关键技术NURBS曲面造型技术 非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)，是一种用来定义CAD模型中复杂的曲线、曲面的描述方法。运用NURBS造型技术可以采用统一的数学模型，精确地表示自由曲线、曲面，以及如直线、圆、抛物线、双曲线等这类规则的曲线和曲面，简化了系统结构和数据的管理，有利于对曲线曲面进行局部操作和修改，提高了对曲线和曲面的构造能力和编辑修改能力。第19页，共85页。20CAD技术的集成体现在以下几个方面： CAD与CAE集成、CAD与CAPPCAM的集成、CAD与PDM的集成、CAD与ERP等软件模块集成，为企业提

12、供了产品生产制造一体化解决方案，推动企业信息化进程。将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统，以专用芯片的形式加以固化，一方面可提高CAD系统的运行效率，另一方面可供其他系统直接调用。 CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现 。 2.2.2 CAD的关键技术CAD与其它CAX系统的集成技术第20页，共85页。21标准化技术 2.2.2 CAD的关键技术 国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data, STE

13、P)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。 目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。 第21页，共85页。22计算机辅助产品的概念设计 2.2.3 CAD的研究热点 概念设计涉及产品的基本功能、动作原理和结构要素，需要考虑产品的价格、性能、可靠性、安全性等目标；概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确的或未知的。 为使CAD技术有效地支持概念设计，需要解决建模和推理两大技术难题。 建模技术是需要对产品的功能、动作和结构等要素及其相

14、互间的关系进行完整、清晰描述 。推理就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功能设计，生成和选择合适的产品设计方案。 第22页，共85页。23计算机支持的协同设计 2.2.3 CAD的研究热点 计算机支持的协同设计，便于设计成员间的思想交流，能及时发现各设计组成部分之间的矛盾和冲突，并能及时地加以协调和解决。协同设计有利于避免或减少设计工作的反复，提高产品设计的效率和质量。计算机支持的产品协同设计必须解决以下几个难题：群体成员间多媒体数据传输 实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面等，这需要通过标准化工作来解决。 人人交互 目前自动发现矛盾和冲突

15、，并进行自动协调和解决的技术还不成熟，因此人一人交互的手段成为必要第23页，共85页。24海量信息的存储、管理和检索技术 如何快速、有效地对海量信息进行存储、管理和检索，成为人们关注的焦点。传统的关系型数据库管理系统已难以适应日益增长的数据管理的要求。智能CAD技术 设计过程智能化是CAD发展的必然选择。虽然，当前的CAD系统也体现了一些智能的特点，这些智能与人们所期望值相比还有很大的距离。智能CAD就是将人工智能技术与CAD技术融为一体而建立的系统。2.2.3 CAD的研究热点 第24页，共85页。25CAD技术与虚拟现实技术的集成 虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是利用

16、计算机生成的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Suit)等多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。 CAD技术与VR技术的有机结合，能够快速地显示设计内容、显示设计对象性能特征，以及设计对象与周围环境的关系，设计者可与虚拟设计系统进行自然的交互，灵括方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。目前，VR技术所需的软硬件价格还相当昂贵。技术开发的复杂性和难度还较大，VR技术与CAD技术的集成还有待进一步研究和完善。2.2.3 CAD的研究热点 第25页，

17、共85页。26第2章 现代设计技术Modern Design Technology 2.3 计算机辅助工艺规程设计Computer Aided Process Planning 第26页，共85页。27 CAPP的含义 ：计算机辅助工艺过程设计是通过向计算机输入被加工零件的几何信息和加工工艺信息等，由计算机自动进行编码、编程直至最后输出经过优化的零件工艺规程。 可以代替工艺师的繁重劳动，便于知识积累、数据管理和系统集成克服传统工艺设计的局限性，提高工艺设计的效率和质量 缩短了生产准备周期 减少生产费用，提高经济效益。 CAPP是实现CAD/ CAM集成的纽带。 CAPP的作用 ：基本概念 2.

18、3.1 概述第27页，共85页。282.3.1 概述CAPP的内容与步骤 第28页，共85页。292.3.1 概述CAPP的功能模块 零件信息描述工艺过程拟订工艺参数计算工艺方案分析工艺文件生成毛坯选择第29页，共85页。30（1） 零件编码描述法 ：利用成组技术中的零件分类编码对零件的一些主要设计制造特征进行描述。 输入操作简单，但输入的信息量少，适用于只需要确定工艺路线的场合 缺点是对零件信息的描述较粗糙，难以包括零件的细节，而且也不完整，只能达到将零件分类的目的。对于要求给出详细工艺规程和采用创成原理实现的CAPP系统，很难依据这样的零件设计信息做出工艺决策。 特点：基于工程图纸的交互输

19、入方法 2.3.2 CAPP系统零件信息描述方法与输入 第30页，共85页。31名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码 材 料 毛坯原始形状 热处理主要尺寸 精度 直径或宽度 长度非回转类零件形状及加工码图2-1 JLBM-1 分类编码系统第31页，共85页。32 （2）零件特征描述法 ：是将组成零件的各特征逐个地

20、并按一定顺序输入到计算机中去，在计算机内构成零件的数学表达。一般采用人机交互的形式把零件表面的数据输入到计算机内。 输入操作较繁琐、费时，但可以较完善、准确地输入零件的图形信息。 特点：基于工程图纸的交互输入方法 2.3.2 CAPP系统零件信息描述方法与输入 上述两种方法，都是作为独立开发的CAPP系统中的一个交互式输入模块而存在的，与其他系统之间没有信息交换关系，尤其是它们均不能自动获取CAD系统已有零件原始信息。不仅造成重复工作，也使基于这些输入方法的CAPP系统无法实现与CAD系统的集成。第32页，共85页。33（1）特征提取与模式识别 ：当CAD系统采用实体造型方法，如CSG（结构化

21、实体模型）和B-rep（边界表示法）时，为从CAD几何模型中分离出CAPP需要的特征信息，可以在CSG和B-rep模型基础上进行特征识别。 缺点是必须要求三维CAD软件开放其内部数据结构，以便由所给出的B-rep数据创建属性邻接图AAG，从而得到特征信息。 特点：直接由CAD模型获取产品零件信息 2.3.2 CAPP系统零件信息描述方法与输入 这种方法较适于识别单一特征。对于组合特征、特征交差以及复杂零件上的不规则特征等则很难分离出来，在实用上受到一定限制 。第33页，共85页。34（2）基于数据标准或自定义数据格式的特征表达 ：随着数据标准如初始图形交换标准IGES（Initial Grap

22、hics Exchange Specification）等的出现，有些CAPP系统利用CAD软件生成的IGES文件格式实现产品信息的传递。如日本东京大学研制的TOM系统，清华大学开发的THCAPP系统等。 直接由CAD模型获取产品零件信息 2.3.2 CAPP系统零件信息描述方法与输入 （3）基于STEP的特征造型系统 。产品模型数据交换标准STEP（Standard for the Exchange of Product model data）是正在建立和完善中的产品数据模型标准，其宗旨是支持产品整个生命周期内的全部信息的完整表示。STEP标准独立于各种计算机辅助系统（如CAD、CAPP、C

23、AM等），它为各系统提供了产品数据及其共享、交换的一种中性表达。 第34页，共85页。352.3.3 派生型CAPP系统 基本原理 采用成组技术（GT）的零件分类编码系统。即利用成组技术的原理，将零件按其制造特征分为若干零件组，为每一零件组设计一个标准工艺规程，将标准工艺规程存入计算机数据库中。在利用计算机设计一个新零件的工艺规程时，先对要编工艺规程的零件进行分类编码，当把零件编码输入计算机后，便将检索出相应零件组的标准工艺规程。当待编工艺规程零件的技术要求与标准工艺规程范围不同时，要对标准工艺规程进行编辑修改。第35页，共85页。362.3.3 派生型CAPP系统 零件分类编码系统 基本概念

24、零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。 分类编码系统简介 Opitz 分类编码系统特点： 1）结构简单，使用方便2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善3）适用范围较广（设计、工艺、管理 ）4）工艺信息反映不够充分5）对非回转类零件描述较粗糙 JLBM-1 分类编码系统（图2-1） 第36页，共85页。372.3.3 派生型CAPP系统 名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它

25、回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码 材 料 毛坯原始形状 热处理主要尺寸 精度 直径或宽度 长度非回转类零件形状及加工码图2-1 JLBM-1 分类编码系统第37页，共85页。38开发一个变异式CAPP系统，一般要做以下几方面工作：根据产品的特点，选择合适的编码系统。可以选用标准编码系统，也可以根据零件的特点自己设计编码。制订计算机辅助编码系统或零件信息输入方式，以助于对已有零件的整理和设计零件的输入按编码系统对零件分类归族，按族整理出每族主样件的标准工艺路线和相应的工序内容，并设计存储和检索方法建立必要

26、的工艺数据库或数据文件，以存储工艺数据和规范。进行系统总体设计，实现对标准工艺的存储、检索、编辑和结果输出。 2.3.3 派生型CAPP系统 系统的开发第38页，共85页。39用编码及零件输入模块，完成对所设计零件的描述和输入。检索及判断新零件是否属于某零件族，如属于则调出，否则返回。对标准工艺进行删改，形成所设计零件的工艺规范。对设计结果存储和输出。 派生式CAPP系统的工作过程2.3.3 派生型CAPP系统 第39页，共85页。402.3.4 创成型CAPP系统 基本原理 新零件的工艺规程不是依靠检索方法生成，而是直接向系统输入零件的信息，系统依靠存储的知识、规则、逻辑推理和决策算法，在无

27、人工干预的情况下自动产生一个新的工艺规程。故称之为创成式CAPP系统。 第40页，共85页。41 创成型CAPP系统的输入信息应是全面且准确的零件设计信息，输出信息是零件的工艺规程。创成型CAPP系统需要在数据库和工艺知识库的支持下，经过建立在系统内部的一系列逻辑决策模型及计算程序进行工艺过程决策。 系统数据库中存储的主要是有关各种加工方法的加工能力、各种机床的适用范围、切削用量等基本工艺知识数据。 工艺知识库中存放的是设计工艺过程中要遵循的工艺原则和知识。 工艺过程决策后的输出结果可以是选择好的加工方法，也可以是零件的加工工艺路线，包括详细的工序设计内容，还可包括工序图。2.3.4 创成型C

28、APP系统 第41页，共85页。422.3.4 创成型CAPP系统 在创成型CAPP系统中，系统的决策逻辑是软件的核心，它控制着程序的走向。就决策知识的应用形式来分，创成型CAPP系统有常规程序实现和采用人工智能技术实现两种类型。前者按工艺决策知识利用决策表、决策树或公理模型等技术来实现；后者为工艺设计专家系统，它利用人工智能技术，综合工艺设计专家的知识和经验，进行自动推理和决策。理论上，创成型CAPP系统是一个完备的、高级的系统，它拥有工艺设计所需要的全部信息，在其软件系统中包含着全部决策逻辑，因此使用极为方便。目前，许多CAPP系统的设计都采用以派生法为主、创成法为辅的综合法，它具有两种类

29、型系统的优点。我国自行开发的CAPP系统大多为这种类型。 第42页，共85页。43第2章 现代设计技术Modern Design Technology 2.4 模块化设计Modularization Design第43页，共85页。442.4.1 模块化设计的基本概念和方法 模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。由模块组成的产品称为模块化产品。模块化产品又有两种类型，即纯模块化产品和混合模块化产品。纯模块化产品完全由模块组成，混合模块化产品则以模块组成为主，同时含有非模块部分。模块化设计：在对产品进行市场预测、

30、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块化设计。模块、模块化产品与模块化设计第44页，共85页。452.4.2 机械模块化设计的分类 横系列模块化设计不改变基型产品主参数，主要改变其功能、结构、布局、控制系统或操纵方式等。利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床、卧式铣床或转塔铣床等。在产品的横系列模块化设计过程中，关键之处就是要在

31、结构上采取必要的措施，如留出足够位置、设计合理接口、预先加工出连接的定位面、定位孔等，以便于在进行产品变型时可顺利增加和更换各种模块部件。 第45页，共85页。46纵系列模块化设计纵系列模块化设计指在同一类型中对不同规格的基型产品进行变型产品的设计。它的特点是要改变基型产品主参数。而主参数不同的产品，其动力参数往往也是不同的，这就导致产品的结构型式及尺寸等发生变化。如果产品的动力参数发生变化，仍试图以同一种尺寸规格的模块去满足不同主参数产品的要求，则势必导致模块的强度或刚度产生欠缺或冗余，因而纵系列模块化设计比横系列模块化设计的难度大得多。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，

32、只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。2.4.2 机械模块化设计的分类 第46页，共85页。47跨系列模块化设计跨系列模块化设计的方法是指针对总体结构相差不大的产品所进行的变型设计。它的特点是在基本相同的基础件结构上选用不同模块而构成跨系列产品；或者是在基础件结构不同的跨系列产品上，对具有同一功能的单元，选用相同的模块。2.4.2 机械模块化设计的分类 第47页，共85页。48全系列模块化设计全系列模块化设计的方法是指纵系列模块化设计加横系列模块化设计。 跨系列模块化设计只是横系列兼顾部分纵系列或是纵系列兼顾部分横系列的模块化设计。而全系列模块化设计指的是

33、某类产品的全部横、纵系列范围内的模块化设计。可见，只有当跨系列模块化设计覆盖了整个该类产品时。才称为全系列模块化设计。从这个意义上来讲，跨系列模块化设计是全系列模块化设计的特例。所以全系列模块化设计的复杂程度和难度都很大。所需的模块种类也将更多。2.4.2 机械模块化设计的分类 第48页，共85页。49用户需求分析准确把握同类产品的市场需求，以及同类产品中基型和各种变型需求的比例，同时进行可行性分析。对于那些需求量很小，而研制费用较高的产品，不宜采用模块化设计。2.4.3 模块化设计过程确定产品系列型谱 合理确定产品的主参数范围和产品系列型谱（即产品种类和规格）是模块化设计的关键一步。种类和规

34、格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大。反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。 第49页，共85页。50确定参数范围及主参数 产品的参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）须合理确定，过高过宽会造成浪费，过低过窄不能满足要求。主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数。 2.4.3 模块化设计过程模块划分与设计 模块划分的合理性直接影响到模块化产品的性能、外观、模块的通用化程度和产品成本。在设计模块时，应尽量采用标准化结构，保证模块便于制造、组装、维修和更换，还需考虑各主要模块寿命。第50页，共85页。51NYYN用户需求分析系列型谱确定基

35、型设计功能分析，建立功能模块优化主参数，建立生产模块，模块接口设计和产品技术设计基型产品试制与评估变型产品设计满意？功能分析，建立功能模块和生产模块变型产品试制与评估满意？完成系列产品设计2.4.3 模块化设计过程第51页，共85页。52模块标准化它是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。 在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的

36、发展。相比之下，机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊色一些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业。2.4.4 模块化设计的关键技术 第52页，共85页。53模块的划分与组合 2.4.4 模块化设计的关键技术 模块的划分应遵循的原则：尽量减少产品包含的模块总数，并最大限度地简化模块自身的结构，以避免模块组合时产生混乱；以有限的模块数获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的多方面需求；划分的模块应具有功能独立性和结构完整性；充分注意模块间的结合要素，以便于模块的组合和分离；模块划分应有利于保证产品精度、刚度和其他性能指标；模块的划分要充分考虑经济因素。模块的组合包括模块组合的形式和

37、可行的、实用的、经济的组合产品方案，用以指导模块化产品设计。 第53页，共85页。54模块的连接方式与接口设计 按某一模块连接其它模块的数量，模块的连接方式可分为单向连接、双向连接和多向连接三种类型。按模块的相关性，模块的连接方式可分为刚性连接和柔性连接两种。若连接的两模块几何相关(即有直接的装配关系)，称两模块的连接为刚性连接。刚性连接又有固定连接和柔性连接之分。模块接口设计直接影响模块化产品的性能(精度、刚度、效率、经济性等)和模块组合的方便性与快捷性，必须给予充分注意。 2.4.4 模块化设计的关键技术 第54页，共85页。55第2章 现代设计技术Modern Design Techno

38、logy 2.5 创新设计Invention Design第55页，共85页。56定义创新设计是指不同于以往的设计，可能是一种全新的设计，也可能是对原有设计的改进。创新设计的两个基本特征是设计的非常规性(包括新颖性和非连续性)和设计的成功实现。 定义：通过创造性思维，采用创新设计理论、方法和手段设计出结构新颖、性能优良和高效的新产品的设计活动。2.5.1 创新设计的类型第56页，共85页。57突破性创新又称原理性创新，是指在技术上有重大突破的创新，往往是带有革命性的。2.5.1 创新设计的类型创新设计类型相对于汽油机汽车而言，电动汽车就是一种突破性的创新，因为它采用了完全不同形式的动力源。数控

39、机床对于普通机床而言，是一种突破性的创新。尽管两者的基本切削运动相同，但运动的控制方法完全不同。零件成形方法的变革(例如用精密锻造取代机械加工，用快速原型制造代替传统的去除加工)，加工工艺的重大改进(例如采用成组工艺)等第57页，共85页。58渐进式创新又称局部创新，伴随着大量的、渐进式的改善，实质上是一种技术上的改进。2.5.1 创新设计的类型在过程设计中，通过改变加工设备或工艺参数，使产品制造周期缩短，质量提高，成本降低。在产品设计中，改变产品的造型、色彩、尺度、参数或局部结构等，使产品的性能和外观得到改进，更加适应市场的需要。第58页，共85页。59形象与抽象思维 形象思维形象思维是理性

40、认识，运用形象思维，可以激发人们的联想、类比和创新能力。2.5.2 创造性思维模式 日本某钢厂的一位工程师借鉴他妻子在面板上擀荞麦面的姿势和方法，研究出了轧制钢板的新方法-行星轧压法。 抽象思维 抽象思维是以抽象的概念和推论为形式的思维方式。早在17世纪初，伽利略就运用抽象思维先于牛顿发现了物体运动的惯性规律。为了研究物体下落的运动规律，伽利略进行了有名的斜面小球实验。由此，伽利略发现了物体运动的惯性定律。第59页，共85页。602.5.2 创造性思维模式 分析与综合思维 分析是对问题的明确描述和对问题本质的认识过程。对于复杂问题，要将其分解为逻辑关系与层次清晰的各级子问题。综合是分析的反向过

41、程，在求得各子问题的解之后，通过连接构成整体，实现最终功能和目标。第60页，共85页。61收敛与发散思维 收敛思维首先确定一个理想目标，然后寻求通向目标的多个途径，最后找出一条实现目标的最佳可行解。发散思维是在已经掌握一个(或多个)原始解的情况下，去设法寻求更多和更好的解决方案。2.5.2 创造性思维模式 电灯开关可以用多种形式，如机械式、电动式、电磁式、光敏式等，但也可以采用声控或红外控制式。第61页，共85页。622.5.2 创造性思维模式 离散与组合式思维 很多事物将其分解可能意味着创新。 很多事物，彼此组合会构成创新。电话听筒与主机分离，产生了子母电话机；磨床主轴与床身分离，产生了手动

42、磨头电视与电话组合在一起，出现了电视电话收割机、脱粒机、打包机组合在一起，产生了联合收割机电解加工与磨削加工组合在一起，形成了电解磨削。在制造领域，产品的模块化设计是运用离散(分解)与组合式思维的典型范例。第62页，共85页。632.5.2 创造性思维模式 对应与联想式思维 看到鸟在空中飞翔，联想到人可以在空中飞行，经过不懈努力最终制造出了飞机。由人的手臂动作，联想到机械手和机器人，并最终产生了关节式机器人。将船只与车辆联系在一起，制造出了两栖登陆艇。第63页，共85页。642.5.2 创造性思维模式 换元与移植式思维换元也常常表现为“替代”，而在很多情况下，替代本身就是创新。用电阻丝替代炭火

43、，使炭火锅变成了电火锅用专用计算机替代传统的硬件数控电路，使传统数控系统发展成为计算机数控系统。将力学方法应用于生物学，开创了生物力学学科。将信息技术和其它高新技术引入制造过程，便出现了先进制造技术。移植是把某一领域的成熟理论和方法应用于另一领域。第64页，共85页。65正向，侧向，逆向和迂回思维正向思维是工程设计中常用的思维方式，即从设计起点出发，一步一步向前推进，直至达到虽终目标。侧向思维侧重改变思考问题的角度，离开习惯思维模式和传统思考方向。 逆向思维是从现有事物或习惯做法的对立面出发，按其相反的方向探索和研究，以获取新的构想。迂回思维是用侧面代替正面、用间接代替直接、用渐进代替一步到位

44、等。2.5.2 创造性思维模式 圆珠笔问世时常因笔头滚珠磨损而漏油，许多公司改进产品的思路都是延长圆珠的寿命以防止漏油。而日本一家公司则把“延长圆珠寿命”变为“控制存油量”，使每只笔存油量只够写一万五千字，在圆珠笔因磨损而漏油时油已用完。快速原型制造技术，就是用平面生成立体的迂回思维的产物。第65页，共85页。66第2章 现代设计技术Modern Design Technology 2.6 逆向工程Reverse Engineering 第66页，共85页。67逆向工程的产生与发展 二战后，日本为了恢复和振兴本国经济，所采用的措施正是今天得到普遍重视的逆向工程技术(RE)。 逆向工程是掌握、改

45、进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40以上，从而极大地提高了生产率。20世纪90年代后，数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内工业领域的竞争日趋激烈，企业必须不断地开发新产品、缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量以增强企业在市场的竞争力，从而大大推动了逆向工程技术的研究与发展。 2.6.1 概述第67页，共85页。68逆向工程的含义 正向工程：从市场需求出发，历经产品的概念设计、结构设计、工艺制定、加工制造、装配检验等产品开发过程 。逆向工程：以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，使之成为新产品 。 2.6.1 概述二维图纸CAD数据 零件产品模型 正向工程逆向工程第68页，共85页。692022/8/369产品快速开发流程2D图形实物扫描点云CAD实体建模质量检测 新构思加工中心RPM第69页，共85页。