先进制造技术-现代设计技术

1、先进制造技术第二章 现代设计技术一.现现代设计计技术概概述一.现现代设计计技术概概述(1)现现代设设计技术术的内涵涵与特点点系统性、动态性性、创造造性、计计算机化化、并行行化、最最优化、虚拟化化和自动动化、主主动性现代设计计技术设计技术术设计过程程中解决决具体设设计问题题的各种种方法和和手段静态、经验、被动、手工传统设计技术先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述现代设计计技术是是以满足足应市产产品的质质量、性性能、时时间、成成本、价价格综合合效益最最优为目目的，以以计算机机辅助设设计技术术为主体体，以知知识为依依托，以以多种科科学方法法及技术术为手段段，研究究、改进进、创造造产品活活动过程程

2、所用到到的技术术群体的的总称。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述从现代设设计技术术的内涵涵分析，现代设设计技术术具有如如下一系系列特点点： 系统统性现代设计计技术强强调用系系统的观观点处理理设计问问题，从从整体上上把握设设计对象象，考虑虑对象与与外界（人、环环境）的的联系。 动态态性不仅要考考虑产品品的静态态特性，还要考考虑产品品在实际际工作状状态下的的动态特特征，考考虑产品品与周围围环境的的物质、能量及及信息的的交互。 创造造性现代设计计技术建建立在先先进的设设计理论论及设计计工具基基础上，能充分分发挥设设计者的的创造性性思维能能力和集集体智慧慧，运用用各种创创造方法法和手段段，开发发

3、出具有有创新性性的产品品。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述 计算算机化计算机已已经渗透透到产品品设计开开发的各各个环节节，很多多现代设设计技术术的实现现都依赖赖于计算算机，如如优化设设计、有有限元分分析、系系统仿真真等。它它们充分分利用计计算机快快捷的数数值计算算功能、严密的的逻辑推推理能力力和巨大大的信息息存储及及处理能能力，弥弥补自然然人存在在的天生生不足，实现人人机优势势的互补补。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述 并行行化、最最优化、虚拟化化和自动动化在产品的的设计阶阶段就综综合考虑虑产品全全生命周周期中的的所有因因素，强强调对产产品设计计及其相相关过程程并行地地、集成成

4、地、一一体化地地进行设设计。在在设计过过程中，通过优优化的理理论与技技术，对对产品进进行方案案优选、结构优优选和参参数优选选，力争争实现系系统的整整体性能能最优化化，以获获得功能能全、性性能好、成本低低、价值值高的产产品。设设计过程程自动化化的实现现主要依依托于各各种不同同的计算算机辅助助设计技技术、自自动建模模技术，以及一一批功能能强大的的商品化化CAD 软件件的支撑撑。设计计手段虚虚拟化，是以虚虚拟现实实的设计计系统进进行三维维建模，使设计计者能在在虚拟的的设计环环境下观观察CAD设设计内容容，从而而实现设设计的可可视化、评估设设计产品品的性能能及其可可实现性性，灵活活方便地地修改设设计，

5、大大大提高高设计效效果与质质量。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述 主动动性科学技术术的发展展使得在在产品设设计的早早期，就就可对产产品全生生命周期期的各种种性能作作出准确确预测有利于于及早发发现产品品的潜在在缺陷，将各种种失误、可能发发生的故故障减少少到最低低程度，体现了了主动性性的特征征，也有有利于缩缩短开发发周期、降低生生产成本本、提高高产品质质量。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述(2)现现代设设计技术术的定义义从系统工工程的观观点分析析，现代代设计技技术是一一个由时时间维、逻辑维维和方法法维共同同组成的的三维系系统方法维产品规划划方案设计计技术设计计施工设计计分析综合评价

6、决策时间维逻辑维可靠性设设计优化设计计模块化设设计先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述现代设计计技术的的时间维维：产品规划划-需需求分析析、市场场预测、可行性性分析、总体参参数、制制约条件件和设计计要求；方案设计计-功功能原理理设计，确定原原理方案案；技术设计计-将将产品的的功能原原理具体体化为机机器产品品及其零零部件的的具体结结构；施工设计计-指指工程图图绘制，工艺文文件编写写，说明明书编写写等。先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述.现现代设计计技术的的逻辑维维：分析-明确设设计任务务本质；综合-综合各各种因素素，探求求解决方方案；评价-对多种种方案进进行比较较和评定定，方案案调整和

7、和改进；决策-确定最最佳的设设计方案案先进制造造技术一.现现代设计计技术概概述(3)现现代设设计技术术的体系系结构现代设计计技术由由4个不不同层次次的技术术所组成成，计算算机辅助助设计技技术CAD是现现代设计计技术的的主体技技术主体技术术基础技术术支撑技术术应用技术术传统设计计理论与方法各产品领领域知识识与技术术计算机辅辅助设计计技术现代设计计方法学学可信性设设计技术术设计试验验技术相关学科科与技术术先进制造造工艺材料科学学自动化技技术系统管理理技术自然科学学政治经济济文化社会会科学市场营销销学.先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发现代设计计技术的的整个体体系由基基础技术术、

8、主体体技术、支撑技技术和应应用技术术四个层层次组成成。基础技术术是指传统统的设计计理论与与方法，特别是是运动学学、静力力学与动动力学、材料力力学、结结构力学学、热力力学、电电磁学、工程数数学的基基本原理理与方法法等方面面。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发 主体体技术计算机科科学与设设计技术术结合产产生计算算机辅助助设计、智能CAD、优化设设计、有有限元分分析程序序、模拟拟仿真、虚拟设设计和工工程数据据库等，运用现现代设计计技术的的多种理理论与方方法如优优化设计计、可靠靠性设计计、模糊糊设计等等理论构构造的数数学模型型，来编编制计算算机应用用程序，可以更更广泛、更深入入地模

9、拟拟人的推推理与思思维，从从而提高高计算机机的“智智力”。而计算算机辅助助设计技技术正是是以它对对数值计计算和对对信息与与知识的的独特处处理能力力，成为为现代设设计技术术群体的的主干。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发 支撑撑技术指现代设设计方法法学、可可信性设设计技术术、试验验设计技技术。现现代设计计方法学学涉及内内容很广广，如并并行设计计、系统统设计、功能设设计、模模块化设设计、价价值工程程、质量量功能配配制、反反求工程程、绿色色设计、模糊设设计、面面向对象象的设计计、工业业造型设设计等。可信性性设计是是广义的的可靠性性设计扩扩展，主主要指可可靠性与与安全性性设计、动态

10、分分析与设设计、防防断裂设设计、健健壮设计计、耐环环境设计计等。设设计试验验技术包包括可靠靠性试验验、环保保性能试试验与控控制，以以及运用用计算机机技术的的数字仿仿真试验验和虚拟拟试验等等。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发 应用用技术是针对实实用目的的解决各各类具体体产品设设计领域域的技术术，如机机床、汽汽车、工工程机械械、精密密机械的的现代设设计内容容，可以以看作是是现代设设计技术术派生出出来的具具体技术术群。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发1.数数字化设设计的特特点(1)具具有统统一的产产品定义义模型数字化

11、设设计通过过建立产产品设计计到制造造的单一一数字化化产品定定义模型型，也是是面向PLM的的基础。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发(2)实实现并并行设计计传统设计计在产品品定型生生产前需需经过“样机生生产样样机测试试修改改设计”的过程程，且需需反复多多次，这这不仅耗耗费物力力、财力力，还使使得产品品上市周周期延长长。数字化设设计则在在制造实实物模型型之前，先进行行计算机机仿真分分析与测测试，排排除某些些设计不不合理性性。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发(3)设设计过过程中减减少或避避免实物物模型的的制造传统设计计在产品品定型生生产前需需经过“样机生生产

12、样样机测试试修改改设计”的过程程，且需需反复多多次，这这不仅耗耗费物力力、财力力，还使使得产品品上市周周期延长长。数字化设设计则在在制造实实物模型型之前，先进行行计算机机仿真分分析与测测试，排排除某些些设计不不合理性性。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发2.数数字化产产品开发发方法21世纪纪产品的的特征是是个性化化、多样样化、绿绿色化、微型化化、智能能化、综综合化数字化产产品开发发的概念念不仅仅仅指产品品数据模模型、数数值分析析、仿真真及其产产品数据据管理，更重要要的，它它是一种种新的产产品开发发概念数字化产产品开发发是信息息时代新新的开发发模式，它与计计算机技技术、信信息

13、技术术在制造造中的应应用密切切相关，以产品品数据模模型的数数据处理理、变换换、传递递、共享享和可视视化为基基础利用数据的可可变性、离散性性、共享享性、可可视性产生了支支持产品品创新的的四种方方法，这这四种方方法可分分别支持持变异创创新、模模仿创新新、协同同创新和和自由创创新先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发数字化产品定义义可变可视可控共享离散引发装备备重大革革命，数数字化制制造奠定定基础20世纪纪制造技技术的重重大突破破引发全球球制造模模式和跨跨国企业业出现将人的观观察、思思维、想想象和操操作集为为一体实现快速速设计，保证设设计质量量先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字

14、化产产品开发发(1)数数据的的可变性性参数数化、变变量化、模块化化设计产品设计计大多数数是从已已有产品品进化而而来的，据统计计，典型型定单产产品中的的标准件件、外购购件或变变型件占占90%，全新新零件只只占10%左右右;利用参数数化、变变量化、模块化化建模技技术，可可方便地地修改设设计，提提高设计计的效率率，保证证设计的的质量和和可靠性性;CAD中中的尺寸寸驱动法法是利用用参数化化、变量量化技术术修改设设计的有有力工具具;利用广义义相似理理论，通通过对功功能单元元、结构构单元的的重组可可以获得得不同结结构形式式的系列列化产品品;参数化、变量化化技术也也是配置置设计和和按定单单设计的的基础。先进

15、制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发(2)数数据的的离散性性-反求求工程和和快速原原型技术术设计复杂产品品的模仿仿创新是是一条减减少风险险投入，加快产产品创新新的有效效途径。反求工程程是利用用某些测测量方法法（如三三坐标测测量、CT、核核磁共振振、自动动断层扫扫描法等等），在在实测数数据的基基础上，重构产产品三维维数据模模型的方方法。快速原型型技术是是20世世纪末期期制造领领域的重重大突破破，它直直接利用用CAD的离散散数据，简单、快速、准确地地将人的的思想转转化成功功能原型型或零件件，淡化化了设计计与制造造的界线线 。先进制

16、造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发ScanningPointcloudCAD DrawingSolid Model先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发(3)数数据的的共享性性-异地地协同设设计网络化技技术的发发展为实实现数字字化信息息的传递递和共享享提供了了技术手手段。不仅有利利于顾客客的参与与，更有有利于快快速获得得合作伙伙伴和竞竞争对手手的信息息，从而而打破了了传统的的闭关自自守的开开发方法法。开放的异异地协同同设计方方法可以以充分利利用合作作伙伴的的技术和和资源，实现优优势互补补、资源源共享和和双赢方方针。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开

17、发发先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发(4)数数据的的可视性性-虚拟拟产品开开发方法法虚拟产品品开发技技术（Virtual ProductDevelopment）是在信信息技术术、网络络技术、仿真技技术和虚虚拟现实实技术基基础上出出现的最最新数字字化产品品开发技技术。虚拟产品品开发是是实际产产品开发发、制造造、使用用、维护护在计算算机上的的本质表表现，虚虚拟产产品开发发要求全全面的产产品数据据描述和和各种可可视化的的仿真工工具及人人机交互互操作工工具。虚拟产品品即存储储在计算算机内部部的产品品数据模模型，亦亦称数字字化原

18、型型或数字字化样机机（DigitalMock-up）。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发虚拟产品品开发不不是简单单的数字字化建模模和仿真真，它更更强调虚虚拟技术术的应用用，通过过虚拟现现实的交交互性，沉浸性性和想象象性达到到虚拟产产品开发发环境的的高速逼逼真化，并可对对虚拟原原型直接接进行操操作，产产生身临临其境的的感觉数字化样样机是描描述产品品功能和和行为特特性的产产品数字字化模型型，它支支持产品品的多学学科优化化设计及及产品运运动学、动力学学和使用用性能仿仿真，通通过对模模型的评评估、测测试和优优化，可可以预先先了解相相应物理理样机的的特性随着虚拟拟现实技技术的发发展，

19、在在数字化化样机的的基础上上提出了了虚拟样样机的概概念，它它更强调调仿真技技术和VR技术术的应用用，通过过VR环环境中人人对虚拟拟原型的的操作，可有效效地发挥挥人的创创造性，提高了了概念设设计和总总体设计计中的分分析、决决策能力力。先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发巨型挖土机先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发数字化车车身空气动力力学数值风洞洞人机工程程学先进制造造技术二.数数字化设设计与数数字化产产品开发发载重卡车的数字原型先进制造造技术三.CAD技技术及应应用三.CAD技技术及应应用计算机辅辅助设计计（Computer Aided Design，CAD

20、）是20 世纪纪50年年代末末发展起起来的综综合性计计算机应应用技术术。它是是以计算算机为工工具，处处理产品品设计过过程中的的图形和和数据信信息，辅辅助完成成产品设设计过程程的技术术。CAD技技术包包含的内内容有；利用用计算机机进行产产品的造造型、装装配、工工程图绘绘制以及及相关文文档的设设计；进行产产品渲染染、动态态显示；对产产品进行行工程分分析，如如有限元元分析、优化设设计、可可靠性设设计、运运动学及及动力学学仿真等等。先进制造造技术三.CAD技技术及应应用三.CAD技技术及应应用CAD技技术的主主要功能能零件造型型、产品品装配产品渲染染、动态态显示、运动仿仿真工程分析析，如有有限元分分析

21、、优优化设计计、可靠靠性设计计绘制工程程图样、编制物物料清单单（BOM，Bill of Material )先进制造造技术三.CAD技技术及应应用1.CAD的的关键键技术(1)产产品造造型建模模技术线框模型型：以顶顶点和棱棱边描述述三维形形体，为为两表结结构；表面模型型：以表表面描述述形体方方法，为为三表结结构；实体建模模：能完完整表示示三维的的几何信信息和拓拓扑信息息，有扫扫描表示示法、边边界表示示法、构构造实体体几何法法等结构构形式；特征造型型：以具具有工程程语义的的各类特特征来定定义描述述形体的的方法，便于CAD/CAM技术的的集成。先进制造造技术三.CAD技技术及应应用(2)单单一数数

22、据库与与相关性性设计单一数据据库：与与设计相相关数据据来自同同一数据据库，实实现产品品相关性性设计，提高设设计质量量，缩短短开发周周期。相关性设设计：任任何设计计改动，都将及及时反映映到其它它相关环环节上。如：零零件图-产品装装配图-零件数数控程序序-二维维工程图图；左视视图-主主视图-俯视图图-三维维实体模模型；先进制造造技术三.CAD技技术及应应用(3)NURBS曲曲面造型型技术NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一一自由曲曲线/曲曲面和规规则曲线线/曲面面的数学学模型，简化系系统结构构，有利利于曲线线、曲面面操作和和修改。(4)CAD与CAX集成成技

23、术CAD与与CAX集成涉涉及建模模技术、工程数数据管理理、数据据交换接接口等技技术。包包括如下下集成： CAD/CAE/CAPP/CAM-工程程设计领领域集成成； CAD/ERP-与管管理系统统集成；异地地、异构构系统企企业间CAD集集成，如如全球化化设计、虚拟设设计、虚虚拟制造造及虚拟拟企业等等。先进制造造技术三.CAD技技术及应应用先进制造造技术三.CAD技技术及应应用先进制造造技术三.CAD技技术及应应用2.CAD技技术的的研究热热点计算机辅辅助产品品的概念念设计：建模和和推理计算机支支持的协协同设计计：信息息实时可可靠交换换；异构构环境下下可靠运运行；通通讯方法法与手段段海量信息息处理：存存储、管管理和检检索技术术智能CAD技术术：将人人工智能能技术与与CAD技术融融为一体体，难题题：解决决人类思思维模型型建立和和表达CAD与与虚拟现现实（VR）技技术的集集成： VR向设计计者提供供视觉、听觉、触觉等等直观、自然、实时的的感知先进制造造技术四.CAE技技术