00-02-01机械产品设计过程（新）

主讲钟健机械产品数字化设计方法概述绪论《机械产品数字化设计》系列课程绪论机械产品设计过程1、机械产品设计过程设计研发制造应用维护报废(1)机械产品的生命周期机械设计是机械产品生命的源头和基础设计的质量、周期是决定机械产品性能和经济效益的最主要因素。机械产品生命周期机械产品设计研发全过程产品需求分析产品描述收集设计数据资料概念化设计方案设计与评审结构设计设计评审设计文档规划设计阶段机械产品设计研发过程机械产品详细设计阶段图纸（设计数据）零部件明细（BOM表）机械产品方案设计原则机械结构设计原则构思阶段机械设计工程师工业设计工程师工业设计工业设计追求的目标产品的实用性：产品的美观性：产品的环境协调性：无形的构思机械设计追求的目标机械设计目标在各种限定的条件(如材料、工艺、强度和公差等理论知识)下设计出最好最优的机械结构。最短的设计制造周期最好的工作性能最低的制造成本最高的可靠性最低的消耗和最少的环境污染

1、机械产品设计过程何谓机械设计根据产品的使用要求，依据机械的工作原理、结构和材料等要素进行构思、分析和计算，同时将这些转化为具体的结构模型，并提供出用于加工制造的图纸或数字化模型。从“无形的构思”到“有形的结构”，再到“成形的产品”注意：绘图不等于设计，设计=基于专业知识的（构思+绘图）无形的构思有形的结构成形的产品1、机械产品设计过程机械产品详细设计过程构思——设计计算——绘图——技术文档基于机械工程材料、强度、公差、工艺等理论知识构思计算绘图传统机械产品设计过程构思——设计计算—绘图—技术文档全部由手工完成。步骤1：方案草图构思设计步骤2：设计计算步骤3：绘制白图草图绘图早期工程师设计工作场景2、传统机械产品设计过程设计构思——计算——绘图全部由手工完成。步骤4：手工描图（硫酸图纸）描图描图用的鸭嘴笔硫酸图纸传统机械产品设计过程步骤5：晒制蓝图（晒图机）意味着设计已经定稿，因为蓝图不易修改。蓝图常用于生产车间和工程现场存档要蓝图晒图机蓝图传统机械产品设计过程弊端环节繁琐：草图-制图-描图-晒图串行的流程计算麻烦：强度计算、重量计算等计算完全手工修改麻烦：每个环节出现错误，都要擦除错误重新绘制工具麻烦：三角板、圆规、铅笔（粗细）、鸭嘴笔出图周期长图纸保存占空间传统机械产品设计过程弊端图纸保存占空间如我国90年代与美国麦道飞机公司合作的干线飞机中MD82，向我国提供重达12吨技术文档资料；若把各种技术文件和其它资料（包括设计、工艺、制造、工装、管理和质控等）总算起来达150万余张，总共有几十吨重。60年代70年代80年代90年代大型计算机CAD系统以中小型机为核心的CAD系统小型机及微型机的CAD代表性二维软件AutoCAD第一个基于Windows开发的三维CAD系统Solidworks출처:앤더슨컨설팅微机的出现才使机械产品数字化设计成为普通机械工程师手中利器计算机设备昂贵计算机技术使机械产品设计走向了数字化CAD（ComputerAidedDesign）计算机辅助设计2、机械产品设计的高效工具3、机械产品设计的高效工具何谓机械产品数字化设计?借助计算机和数字化设计软件完成机械产品设计计算机及其机械数字化设计软件成为机械设计的高效工具机械产品数字化设计软件机械产品数字化设计技术中最先使用的是二维CAD技术，从而取代了传统的手绘操作技术。1991年我国政府开始重视CAD技术的应用推广，进入“甩图板”时代。机械产品数字化技术演变第一阶段：以二维Cax为主的工具应用阶段。50年代计算机技术开始起步，带动了数字化技术以二维CAD技术为引导，促进了各种CAx数字化技术（CAD/CAE/CAM/CAT等）发展并逐步得到应用，标志着数字化技术的开始。数字化技术应用领域二维数字化设计

三维数字化设计数字化技术应用于机械产品生产制造各个环节结构设计->分析优化->制造数字化->数字测试数字化等等以前需要漫长时间进行的手工设计计算，瞬间完成。可以实现以前无法完成的优化CAD计算机辅助设计CAE计算机辅助分析CAX/设计工具/信息集成第二阶段：三维设计软件应用阶段（80年代）三维机械数字化软件（CAD、CAE、CAM等）(1983年UG上市)和网络技术完善发展，而产生几个标志性技术；PDM（产品数据管理）技术PDM系统是用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和过程（包括过程定义和管理）的技术。数据管理、权限管理、工作流管理可把孤岛式的CAD信息有机连接并管理起来，实现岗位之间的无缝衔接。第二阶段：三维设计软件应用阶段并行工程的DFx（如DFM、DFA等）技术应用。并行工程是指在数字化技术的支持下，将原来串行的工作变成了时间和空间上交叉的并行工作。工作效率极大提升，设计制造周期缩短。协同设计需求分析产品设计工艺编制加工装配传统产品开发是串行需求分析产品设计工艺编制加工装配并行工程第二阶段：三维设计软件应用阶段机械设计目标：设计出最好最优的机械结构。寻求上述机械设计目标最优化平衡在并行工程中，结构设计可以根据要求不同，形成了不同的设计模式，称之为DFX（DesignforX）。DFX是基于并行设计的思想，在产品的概念设计和详细设计阶段就综合考虑到制造过程中的工艺要求、测试要求和组装的合理性，同时还要考虑到维修要求、售后服务要求和可靠性要求等，通过设计手段保证产品满足成本、性能和质量的要求。第二阶段：三维设计软件应用阶段DFX是DesignforX(面向产品生命周期各/某环节的设计)的缩写。其中，X可以代表产品生命周期或其中某一环节如：P-采购、A-装配、M-制造，T-测试、加工、使用、维修、回收、报废等等。：DesignforProcurementDFP面向采购的设计(选型设计)；DFM：DesignforManufacture面向制造的设计；DFA：DesignforAssembly面向装配的设计DFT：DesignforTest面向测试的设计；DFD：DesignforDiagnosibility面向诊断分析的设计；DFE：DesignforEnvironment面向环保的设计；DFF：DesignforFabricationofthePCB面向PCB制造的设计；DFS：DesignforServiceability面向服务的设计；DFR：DesignforReliability面向可靠性的设计；DFC：DesignforCost面向成本的设计等等面向不同环节的设计其根本在于设计目标不同而结构要求就不一样第三阶段：MBD与数字样机技术应用阶段（MBD）基于模型定义的数字化设计技术就是全三维基于特征的表达方法。包含了三维尺寸标注、制造信息和产品结构信息。打破了传统设计与制造的壁垒，解决了设计/制造一体化问题。国外已经成熟，波音公司97年提出，现已经全面采用。二维工程图将全面走向消亡第三阶段：MBD与数字样机技术应用阶段数字（虚拟）样机的数字化设计方法;数字化虚拟世界再现真实世界;是CAx/DFx建模/仿真技术、信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术的综合;数字样机用于验证物理样机的功能和性能。产品CAD模型、外观表示模型产品功能和性能仿真模型产品分析模型（可制造性、可装配性等）产品的使用和维护模型以及环境模型等；第四阶段工业互联网阶段基于互联网的数字化设计资源1989年法国TraceParts公司首先构建了零部件数字化库，成为全球最早提供3D零件库和3D电子样本解决方案的公司。陆续出现了一系列工厂自动化零件一站式采购平台，可以直接下载三维数字化模型并在网站采购是机械设计方法的“经验设计法”数字化实现，为面向采购的数字化设计和面向低成本的数字化设计提供了大量实用的数字化模型。第四阶段工业互联网阶段基于互联网的“工业云”为中小企业提供购买或租赁信息化产品服务，整合CAD，CAE，CAM，CAPP，PDM，PLM等一体化产品设计以及产品生产流程管理，并利用高性能计算技术，虚拟现实以及仿真应用技术，提供多层次的云应用信息化产品服务。通过工业云，可以为企业和科研机构提供研发设计、数据管理、协同营销、工程服务等服务项目。公司购买数字化软件变为网络租赁，经常使用具有高性能计算平台和最新数字化设计软件第四阶段工业互联网阶段基于互联网的协同设计协同设计是设计技术发展的必然趋势。波音飞机数字化协同设计基于信息化平台实现了全球范围内的协同设计、制造、测试、交付及销售。波音787的400多万个零部件全球135个地点的合作伙伴完成平均每2.6天一架中国航空的协同设计2000年中国一个团队四年研制了三种类型飞机传统方式10年研制一种飞机国产架支线飞机ARJ21-700协同设计的数字样机依靠国内首次建设的异地协同的数字化设计、制造和管理的信息平台。机械产品数字化设计产品数字化开发环境数字化设计计算机辅助设计（CAD）面向制造的设计(DFM)面向装配的设计(DFA)面向采购的设计(DFP)面向成本的设计(DFC)面向环保的设计(DFE)面向测试的设计(DFT)计算机辅助工程（CAE）逆向工程（RE）数字样机（DMU）数字化制造数控编程与加工（CNC）计算机辅助工艺规划（CAPP）成组技术（GT）快速原型制造（RPM）数字化管理产品数据管理(PDM)生产管理系统（MES）供应链管理（SCM）客户关系管理（CRM）产品生命周期管理（PLM）数字化选型设计

数字化结构设计互联网数字化设计资源设计方法理论设计经验设计试验模型设计4、数字化技术对机械设计的变革市场需求产品描述收集设计数据概念化设计方案设计与评审结构设计设计优化设计评价设计文档数字化设计规划产品设计过程设计方法实现数字化，使机械设计具备一系列专门化的快速设计计算、绘图工具，可以更有效地利用成熟的经验设计。设计过程全部实现数字化设计，4基于二维数字化设计软件的“甩图板”成效设计-出图全过程：纯人工

计算机和软件辅助完成草图即成图，无需反复修改,减少绘图次数；自下而上设计时，零件组装即可出装配图；自上而下设计时，可从装配图拆画零件图；减少设计环节（不用描图、晒图）；绘图、出图快速、尺寸准确；可以快速变更参数形成系列化产品颠覆了传统机械产品设计过程和方法；设计手段计算草图构思绘制工程图最终出图存档方式手工设计慢手工绘制手工绘制描图晒图蓝图存档数字化设计快计算机完成打印数字化存档4、数字化技术对机械设计的变革市场需求产品描述收集设计数据概念化设计方案设计与评审结构设计设计优化设计评价设计文档制造装配质量检验包装运输营销工艺规划生产计划工装夹具物料需求数控编程数字化设计数字化制造规划产品制造过程产品设计过程三维机械设计数字化为制造数字化奠定了基础4、数字化技术对机械设计的变革信息化和网络化的发展为机械设计提供了大量数字化设计资源例如：日本MISUMI公司、上隆工厂自动化零件商、怡合达FA一站式采购平台。可以直接下载三维数字化模型并在网站采购“纯专业化的电子商务平台”4、数字化技术对机械设计的变革实现了机械结构数字化分析和优化，有限元技术发展迅速。易于实现设计的并行化。数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配。形成数字样机，可以对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计不合理性；机械数字化设计软件是工程师高效的机械设计工具4、数字化技术对机械设计的变革机械设计从“有图”向“无图”变化2D产品设计时，容易造成30%~40%的模型不一致，三维模型的使用将可以避免这些错误。当制造工程师用三维模型时，将大大减少物理样机的制造时间和成本应用三维工具将缩短30%~50%的产品开发周期以二维工程图为中心2D主控图，不验证3D以三维工程图为中心2D主控图即关联的3D模型MBD——基于模型的定义3D主控CAD模型及３D标注（２D例外）