先进制造技术课件第二章现代设计技术

本节要点设计的概念和分类现代设计技术的概念、特点、体系结构第二章现代设计技术第一节现代设计技术的内涵与体系结构1一、现代设计技术的内涵和特点1.设计的概念和分类

（1）设计的概念：是人类运用已有的知识和技术，解决问题或创造新事物，以满足社会需要的一种技术活动。各种方法和手段。

设计是一种创造性的智力活动；设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。

（2）设计的分类：根据设计活动中创造性大小分2一、现代设计技术的内涵和特点

常规设计（Routinedesign）：在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求。20％。

革新设计（Innovationdesign）：在原理、方案基本保持不变前提下，对产品作局部变更设计，使之更能满足用户要求。55％

创新设计（Creativedesign）：运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品。25％

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设计技术:在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。

传统设计技术是以“静态、经验、被动和手工”为特征的。

传统技术难以满足设计的要求。(1)市场竞争激烈，要求创新性的产品；(2)新技术、新工艺的涌现，使产品功能与结构趋于复杂；(3)计算机技术的发展，推动了设计方法及设计手段的现代化。

现代设计技术在传统设计技术基础上发展来的，多学科和多专业交叉的基础科学。4

2.现代设计技术的内涵

（1）概念

概念：根据产品功能要求和市场竞争的需要，应用现代技术和科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造的方案，并使方案实施的技术。

设计的范畴不断扩大，从单纯产品设计－全寿命周期设计；设计的组织形式上，从传统的顺序设计方式－并行设计方式；设计手段上，传统的手工设计－现代化计算机辅助设计。5…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计

模块化设计

从系统工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维系统。6…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计

模块化设计

是反映按时间顺序的设计过程。产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；方案设计--功能原理设计，确定原理方案；技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。现代设计技术的时间维7

是解决问题的逻辑步骤。分析--明确设计任务本质；综合--综合各种因素，探求解决方案；评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；决策--确定最佳的设计方案现代设计技术的逻辑维…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计

模块化设计

8是指设计过程中的各种思维方法和工作方法。

传统设计采用知觉法、类比法等经验为主的设计方法。

现代设计技术采用各种先进的设计理论、方法和工具。现代设计技术的方法维…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计

模块化设计

应用现代设计技术的目的是什么？9

新产品开发是一个技术创新和价值实现的过程，大致可分为市场分析、产品设计、产品制造和市场营销四个阶段10有两个重要的特点：

1）新产品开发过程源于市场、归于市场，也就是说，市场既是新产品开发的出发点，又是新产品开发的归宿，新产品开发成功与否，要接受市场的最终检验。11

2）新产品开发过程涉及企业内部众多部门，受到企业内部各种因素和企业外部各种条件的影响。内部因素包括：企业本身的人员素质、管理水平、技术水平、经济实力等。外部条件包括：相关技术的现实发展水平，当时当地所能提供的技术手段（材料、元件、设备等），以及国家的有关政策、法律等。在新产品开发中，哪些是事关功败垂成的核心因素呢？12（2）现代设计技术的核心因素

现代设计的核心因素：质量、时间和成本：

质量：满足用户功能要求，符合有关法律、标准和生态环境要求，安全性、可靠性、合理寿命，方便使用和维护保养，用户培训、质量保证和维修服务；

成本：产品成本、合理利润、一次性安装费用和经常性维修费用。

时间：设计开发的周期，供货的时间、方式等方面的适应能力。132.现代设计技术的特点

（1）系统性强调用系统的观点处理设计问题。整体上把握涉及对象，考虑对象与人、环境的联系。

（2）动态性要考虑产品的静态特性，和实际工作状态下的动态特性，考虑与周围环境的物资、能量及信息的交互。

142.现代设计技术的特点（3）创造性是建立在先进的设计理论及工具，能充分发挥设计者的创造性思维，运用各种手段和方法，开发出创造性的产品。

（4）计算机化计算机已渗透到产品设计的各个环节，充分利用计算机的数值计算、严密的逻辑思维能力和巨大的信息存储及处理能力：优化设计、有限元分析和系统仿真等。

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（5）并行化、最优化、虚拟化和自动化强调的是设计过程。综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调并行设计。在设计过程中，用优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，达到整体优化。

自动化主要依靠计算机辅助设计技术和自动建模技术。依靠强大的商品化CAD软件的支撑，实现设计虚拟化。三维建模，能在虚拟的环境中观察和评价。

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（6）主动性现代设计在设计初期，就对产品全生命周期的各种可能做出准确预测，减少故障的发生，体现了主动性。17主体技术基础技术支撑技术应用技术传统设计理论与方法各产品领域知识与技术计算机辅助设计技术现代设计方法学可信性设计技术设计试验技术相关学科与技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会科学市场营销学……….现代设计技术体系结构框图二、现代设计技术体系CAD技术、优化设计、有限元分析、虚拟设计和工程数据库。系统设计、模块化设计、反求工程、绿色设计、模糊设计和工业设计等。可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、健壮设计和人机工程设计等。产品的性能试验、可靠性试验、数字仿真试验和虚拟试验等。18（1）基础技术传统的设计理论与方法。运动学、动力学等。

（2）主体技术

计算机辅助设计技术。数值计算、对信息和知识的独特处理能力。CAD技术、优化设计、有限元分析、虚拟设计和工程数据库。19

（3）支撑技术设计信息的处理、加工、推理与验证提供多种理论、方法和手段的支撑。

现代设计方法学：系统设计、模块化设计、反求工程、绿色设计、模糊设计和工业设计等。

可信性设计：可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、健壮设计和人机工程设计等。

设计试验技术：产品的性能试验、可靠性试验、数字仿真试验和虚拟试验等。20

（4）应用技术：针对实用的目的，解决各类具体产品设计领域的技术。机床、汽车、工程机械等。21

本节要点反求工程的定义、分类、应用反求工程设计的基本步骤反求工程的关键技术反求工程设计技术(ReverseEngineering,RE)22反求工程（反向工程、逆向工程）

1.新产品开发的模式

（1）正向工程

是根据零件最终所承担的功能，从无到有，从概念设计出发，进行方案设计、技术设计、施工设计，最终完成产品开发和制造零件。一、反求工程的含义2324

（2）反向工程(反求工程、逆向工程)

是从产品的有关信息（实物、软件和影像等）寻找这些信息的科学依据，加以消化和吸收，再现出产品，产品的CAD模型是在这些信息的基础上建立的。2526

2.反求工程分类

根据产品信息的来源不同分为：

实物反求－产品的实物模型；

软件反求－图样、数控程序、技术文件；

影像反求－图片、照片或影像等。27

3.实物反求工程

按照现有零件的实物模型，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造样件CAD模型的过程。

基本过程是：测量；将所获得的特征数据借助于计算机重构反求对象模型；对重建的模型进行创新改进、分析；进行数控编程，快速加工出产品。以CAD/CAM软件为基础的反求工程应用越来越广泛。反求工程的目的是完成反求对象的仿制和改进。28

（1）在没有原始设计CAD模型和没有设计图纸的情况下，在对实物进行测量的基础上重构其CAD模型或进一步生成零件的设计图纸，并以此为依据生成数控加工的NC代码或应用快速原型技术，加工复制出一个相同的零件；4.实物反求工程的应用29

（4）在批量生产中，每个产品的外形都有着细微的差异这时通过反求工程建立的CAD模型，可以作为工业检测的重要依据；30（5）艺术品、考古文物的复制31

（6）人体中骨头和关节等的复制、假肢的制造（7）特种服装、头盔的制造，要以使用者的身体为原始设计依据，用RE建立人体的几何模型

反求工程的实现需要多种途径和手段，涉及影响因素也很多，如：信息源的形式；反求对象的形状、结构和精度要求；制造企业的软件、硬件条件及工程技术人员的素质。反求工程不同于一般常规产品的仿制，一般采用此技术开发的产品往往比较复杂，一般都由复杂曲面构成，精度要求也高，所以必须借助于计算机辅助（CAX）技术手段。32二、反求工程设计的基本步骤

（1）分析阶段

反求对象的功能原理、结构形状、材料性能、加工工艺。明确其关键功能和关键技术。通过分析可以确定实物的技术指标和几何元素之间的拓扑关系；33二、反求工程设计的基本步骤

（2）再设计阶段

①根据分析结果和实物模型的几何元素拓扑关系，制定零件的测量规划，确定测量设备、测量顺序和精度等；②修正测量数据，剔除测量数据中的坏点、明显不合理的测量结果；③按照修正后的测量数据以及反求对象的几何元素托仆关系，利用CAD系统，重构几何模型；④再设计，创新和改进。34二、反求工程设计的基本步骤

（3）反求产品的制造阶段

按通常的制造方法，完成制造，并采用一定的检测手段，进行结构和功能检测，修改设计。3536

（1）反求对象分析

根据实物，分析其功能、原理、材料性能、加工工艺等。是反求工程成败的关键。1)反求对象的功能及原理分析

分析了解实物所具有的功能，以及实现功能的原理和方法，获得原理方案。2)反求对象的材料分析材料成分的分析，材料组织结构分析和材料的性能检测等。三、反求工程的关键技术373)反求对象的加工、装配工艺分析

对反求对象进行分析，怎样加工和装配来保证其性能要求。4)反求对象的精度分析

产品精度直接影响到产品性能。包括反求对象形体尺寸的确定和精度分配等。进行精度分配时，需考虑产品的精度指标，技术条件和工作原理，企业的生产技术水平和国家技术标准等。385)反求对象的造型分析

造型设计运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理，对产品外形，色彩，质地，提高外观质量，舒适性及方便性。6)反求对象的系列化、模块化分析

系列化和模块化有利于产品的多品种、多规格和通用化设计，以提高质量，降低成本。39（2）反求对象的几何参数采集

是一个关键环节。根据反求对象，确定其形体的尺寸。实物反求中，确定形体尺寸，可以采用的手段有：40

1.以圆规、卡尺、千分尺等简易测量工具进行手工测量；2.采用机械接触式坐标测量设备；3.采用激光、数字成像、声学等非接触测量设备。此方法能得到较为精确模型数据，但相应的测量设备也较昂贵，对技术人员的要求也高。

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接触式测量是通过传感头与实物接触而记录实物表面的坐标位置。可分为点接触式数据采集和连续式数据采集。探针尖逐点移动是点接触式数据采集。采样头连续移动是连续式数据采集。42

接触式测量精度一般较高，但测量速度效率较低。

三坐标测量机CMM（3D-CoordianateMeasureMachine）是一种接触式测量设备。不适合大块曲面的大量点的测量，也不能对橡胶、黏土、弹塑性材料、超薄材料进行测量。德国zeiss公司CONTURASELECT型三坐标测量机

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非接触式测量主要有基于光学、声学、磁学等原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为实物表面的坐标点。(1)结构光法，是将条形光、栅格光投影到被测物体表面，并捕捉被曲面反射后的图像，通过图像的分析获得三维点的坐标。

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非接触式测量主要有基于光学、声学、磁学等原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为实物表面的坐标点。(2)激光测距法，是将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面之间的距离。(3)声纳测量仪，利用声音发射到被测物体后产生回声的时间差来计算与被测点的距离。

464748上海数造机电科技有限公司3DSS便携式三维照相测量仪

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范围：10mm～10m

德国GOM公司

ATOS三维光学测量系统50英国3DScanners公司的REPLICA激光快速扫描仪51北京机床研究所LSH654型3D激光扫描系统52美国Surveyor1200立体激光扫描系统53深圳海信逆向工程有限公司Lacus系列激光扫描测量仪54

逐层扫描测量方法有非破坏性测量和破坏性测量两种：(1)非破坏测量有超声波、CT(ComputedTomography）和核磁共振法（MRI）。(2)破坏性测量有CGI，是美国的公司的，逐层除去材料的方法，获得界面图像，来得到轮廓尺寸。5556（3）模型重构技术

模型重构，就是根据所采集的实物几何数据在计算机内重构实物模型的技术。测量后的数据，一般都是点云，常达几十万甚至上百万个数据点。

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重构过程就是采用适当的算法将集中的三个测量点连成小三角片，各个三角片之间不能有交叉、重叠、穿越或存在缝隙，从而使众多的小三角片连接成分片的曲面。59

2)网格模型生成通过适当的方法生成三角网格模型。三角网格化计算、三角化数据优化。可以开发配套的专用模型重构软件，也可采用通用的反求工程模型重构软件生产网格模型。

3)网格模型后处理小三角面片数量较大，在精度允许的范围内，有必要对三角网格简化。孔洞、缝隙和重叠等缺陷，需要对其进行修补。

1)数据预处理数据量极大，并包含一些噪声数据。对原始数据进行过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作。

60扫描后的点云数据数据处理后的三角面片图61实物原型扫描后的点云数据处理后的三角面片图曲面图62

目前，已有商品化的反求工程软件进行反求模型重构：美国Imageware公司的Surfacer软件英国Delcam公司的Copycad软件美国Raindrop公司的Gemgicstudio软件一些主流的CAD/CAM软件系统中也有反求工程模块：UG中的PointcloudPRO/E中的Pro/Icemsurf、Pro/designer、Pro/scantoolsCimatron中的Reverseengineering

国内也有软件开发：浙江大学、华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学。

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本节要点绿色产品的定义和特点绿色设计的定义绿色设计研究的主要内容绿色设计的原则第二节现代设计方法绿色设计(GreenDesign)64一、.绿色设计产生的背景1.绿色设计是绿色消费的产物地球生态环境急剧恶化。制造业每年产生55亿吨无害废物，7亿吨有害废物。欧洲，80万吨的电视机、计算机设备、收音机和300万吨废旧汽车。（1）绿色消费是指人类的消费活动无害于环境，即无污染或最小污染的消费。绿色设计是由绿色产品的诞生所引申的一种设计方法65（2）绿色消费是指人类的消费活动应做到对自然资源的适度利用和综合利用。

（3）绿色消费是是指人类的消费活动应符合生态系统物质和能量流通的规律。

绿色消费是通过实行绿色产品制度来得以传播和扩展的。1978，德国，绿色产品制度，贴上绿色标志。2.绿色设计是可持续发展的有效途径绿色技术是以节约资源能源为目标；以保护环境为准则。6620世纪80年代。有关资料常见的绿色产品定义有几种：

（1）绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计产生的、可以拆卸和分解的产品，其零部件经过翻新处理后可以重新利用。

（2）刊登在美国《幸福》双周刊上一篇题为“为再生而制造产品”的文章认为：绿色产品是将重点放在减少部件，使原材料使用合理化并能进行回收处理的产品。二、绿色产品的定义和特点67（3）还有人把绿色产品归纳为:绿色产品是指从生产到使用乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害小，以及可以再生或回收、循环、再利用的产品。（4）也有人把绿色产品看成:绿色产品是指其使用寿命完结时，部件可以翻新和重新利用的产品。

绿色产品是指在产品全生命周期内，包括原材料制备、设计、制造、包装、运输、使用、回收、再用或再生过程，对生态环境无害或危害极少，对资源利用率最高，能源消耗最低的产品。68绿色产品的特点：

（1）优良的环境友好性。各个环节对环境无害或危害极小。清洁的原材料、清洁的工艺过程；使用时，对使用者没有危害；报废后很少产生废弃物。

（2）最大限度地利用材料资源。减少材料的使用量和种类；尽量简化产品结构；材料最大限度的再利用。

（3）最大限度地节约能源。各个环节所消耗的能源最少。69三、产品的生命周期从市场营销的角度：

产品生命周期是指从新产品投入市场到退出市场的生命周期过程：产生、成长、成熟和衰退。从设计开发的角度：

传统产品生命周期：从环境中提取原材料，加工成成品，并流通给消费者使用。70绿色产品生命周期：从原材料生产、生产制造、装配、包装、运输、销售、使用直至回收重用及处理处置所涉及的各个阶段总和。绿色产品生命周期包括以下五个过程，即：①绿色产品规划及设计开发过程；②绿色产品制造与生产过程；③产品使用过程；④产品维护与服务过程；⑤废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置过程。7172绿色产品是20世纪80年代末期世界各国为适应全球环保战略，进行产业结构调整的产物。由于发展历史不长，绿色产品至今尚无严格准确的行业标准，但从消费市场来看，目前得到公认的绿色标准包括以下三条：四、绿色产品的评价标准及其认证

73①产品在生产过程中少用资源和能源，并且不污染环境。②产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。

③产品使用后易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。四、绿色产品的评价标准及其认证74只有经过严格认证，获得绿色标志（或称环境标志）的产品才是绿色产品。绿色产品的概念是20世纪70年代在美国政府起草的环境污染法规中首次提出的。但真正的绿色产品首先诞生于前联邦德国。1987年该国实施一项被称为“蓝天使”的计划，对在生产和使用过程中都符合环保要求，且对生态环境和人体健康无损害的商品，环境标志委员会则授予孩产品绿色标志。这就是第一代绿色标志75

1978，德国最早使用绿色标志的。目前，已达7500多种。其后日本、美国、加拿大等国也相继建立自己的绿色标志认证制度，以保证消费者自识别产品的环保性质，同时鼓励厂商生产低污染的绿色产品。

绿色标志：是一种产品的证明性商标，受法律保护，是经过严格检查、检测、综合评定，并经专门机构批准使用的标志。德国蓝天使中国环境标志76匈牙利韩国美国瑞典

泰国克罗地亚新加坡澳地利77

典型的绿色产品：

绿色汽车：节约能源、回收利用率高、不污染环境。电动汽车、天然气汽车、甲醇汽车和太阳能汽车。如日本丰田汽车的马自达HR-X2型汽车，用液氢做为原料，不产生二氧化碳，耗资57亿日元。1992年，拥有15410辆电动汽车。基本结构高碳聚纤维强化的塑料做成，可以100％回收利用。78

绿色电脑：耗电只有一般电脑的25％；采用的平面显示屏产生的辐射比阴极射线管屏少，增加了防辐射安全；能利用特别设计的高效太阳能电池供电；IBM1991年以来开发出12种型号易于分解、低电耗的电脑，仅有3个螺钉，拆卸方便。机身用再生塑料制成，可回收，贵重金属零件翻新后组装在新机器上出售，对余下的则卖给玩具制造商，制造高科技玩具。79

绿色冰箱：耗电少，结构简单，不用氟里昂。英国太阳能冰箱，箱内安装了9片的光电板，通过太阳能的照射发出的电流，为冰箱制冷提供能量。

绿色照相机、绿色纺织品、绿色建筑、绿色食品等。

我国于1993年实行绿色标志认证制度，并制订了严格的绿色标志产品标准，目前涉及七类产品，即家用制冷器具、气溶胶制品、可降解地膜、车用无铅汽油、水性涂料和卫生纸。迄今为止，已有11家企业的18种产品获得了绿色标志。80五、绿色设计（GreenDesign）1.传统产品设计

考虑的是产品的基本属性，如功能、质量、寿命、成本等，很少考虑环境属性。回收率低，资源、能源浪费严重，污染环境。81

不足：产品开发的各个环节顺序进行，反复次数多，开发周期长，开发费用高；

很少考虑环境属性，结构复杂，拆卸回收难度大，造成大量资源、能源浪费，并且污染环境；

设计人员的环境意识不强，对绿色产品和绿色设计的认识不很明确；产品难于适应市场竞争和持续发展的需要。82环境属性：可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性基本属性：功能、质量、寿命、成本考虑各环节资源、能源的合理利用、环境保护和劳动者保护2.

绿色设计

绿色设计是以保护环境资源为核心的设计过程，在产品全生命周期内优先考虑的是产品的环境属性，在满足环境目标的同时保证产品的基本性能和使用寿命。83绿色设计与传统设计在设计依据、设计人员、设计工艺和技术、设计目的等方面都存在不同。比较因素传统设计绿色设计设计依据依据用户对产品提出的功能、性能、质量及成本要求来设计依据环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求来设计设计人员设计人员很少或没有考虑到有效的资源再生利用及对生态环境的影响要求设计人员在产品构思及设计阶段，必须考虑降低能耗、资源重复利用和保护生态环境设计技术或工艺在制造和使用过程中很少考虑产品回收，有也仅是有限的材料回收，用完后就被废弃在产品制造和使用过程中可拆卸、易回收，不产生毒副作用及保证产生最少的废弃物设计目的为需求而设计为需求和环境而设计，满足可持续发展的要求产品传统意义上的产品绿色产品或绿色标志产品84绿色设计的特点：（1）扩大了产品的生命周期（2）绿色设计是并行闭环设计（3）绿色设计有利于保护环境，维护生态系统平衡（4）绿色设计可以防止地球上矿物资源的枯竭（5）绿色设计的结果是减少废弃物数量及其处理的棘手问题

绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。85六、绿色设计研究的主要内容

（1）绿色设计的材料选择与管理要考虑产品的使用性能和要求，材料对环境的影响，无毒、无污染、易回收、可重用、易降解。86六、绿色设计研究的主要内容

（2）产品的可回收性设计考虑零部件回收再用的可能性、回收处理