先進制造技術(shù)現(xiàn)代設計技術(shù)

1、先進制造技術(shù)第二章 現(xiàn)代設計技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述(1) 現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵與特點系統(tǒng)性、動態(tài)性、創(chuàng)造性、計算機化、并行化系統(tǒng)性、動態(tài)性、創(chuàng)造性、計算機化、并行化、最優(yōu)化、虛擬化和自動化、主動性、最優(yōu)化、虛擬化和自動化、主動性現(xiàn)代設計現(xiàn)代設計技術(shù)技術(shù)設計技術(shù)設計技術(shù)設計過程中解決具體設計問題的各種方法和手段設計過程中解決具體設計問題的各種方法和手段靜態(tài)、經(jīng)驗、被動、手工靜態(tài)、經(jīng)驗、被動、手工傳統(tǒng)設計傳統(tǒng)設計技術(shù)技術(shù)先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 現(xiàn)代設計技術(shù)是以滿足應市產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助設計技術(shù)為主體，以知識為依托，

2、以多種科學方法及技術(shù)為手段，研究、改進、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的技術(shù)群體的總稱。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 從現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵分析，現(xiàn)代設計技術(shù)具有如下一系列特點： 系統(tǒng)性 現(xiàn)代設計技術(shù)強調(diào)用系統(tǒng)的觀點處理設計問題，從整體上把握設計對象，考慮對象與外界（人、環(huán)境）的聯(lián)系。 動態(tài)性 不僅要考慮產(chǎn)品的靜態(tài)特性，還要考慮產(chǎn)品在實際工作狀態(tài)下的動態(tài)特征，考慮產(chǎn)品與周圍環(huán)境的物質(zhì)、能量及信息的交互。 創(chuàng)造性 現(xiàn)代設計技術(shù)建立在先進的設計理論及設計工具基礎上，能充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造性思維能力和集體智慧，運用各種創(chuàng)造方法和手段，開發(fā)出具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 計算機化

3、計算機已經(jīng)滲透到產(chǎn)品設計開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，很多現(xiàn)代設計技術(shù)的實現(xiàn)都依賴于計算機，如優(yōu)化設計、有限元分析、系統(tǒng)仿真等。它們充分利用計算機快捷的數(shù)值計算功能、嚴密的邏輯推理能力和巨大的信息存儲及處理能力，彌補自然人存在的天生不足，實現(xiàn)人機優(yōu)勢的互補。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 并行化、最優(yōu)化、虛擬化和自動化 在產(chǎn)品的設計階段就綜合考慮產(chǎn)品全生命周期中的所有因素，強調(diào)對產(chǎn)品設計及其相關(guān)過程并行地、集成地、一體化地進行設計。在設計過程中，通過優(yōu)化的理論與技術(shù)，對產(chǎn)品進行方案優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)選，力爭實現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)化，以獲得功能全、性能好、成本低、價值高的產(chǎn)品。設計過程自動化的實現(xiàn)主要

4、依托于各種不同的計算機輔助設計技術(shù)、自動建模技術(shù)，以及一批功能強大的商品化CAD 軟件的支撐。設計手段虛擬化，是以虛擬現(xiàn)實的設計系統(tǒng)進行三維建模，使設計者能在虛擬的設計環(huán)境下觀察CAD 設計內(nèi)容，從而實現(xiàn)設計的可視化、評估設計產(chǎn)品的性能及其可實現(xiàn)性，靈活方便地修改設計，大大提高設計效果與質(zhì)量。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 主動性 科學技術(shù)的發(fā)展使得在產(chǎn)品設計的早期，就可對產(chǎn)品全生命周期的各種性能作出準確預測有利于及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，將各種失誤、可能發(fā)生的故障減少到最低程度，體現(xiàn)了主動性的特征，也有利于縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述(2)

5、現(xiàn)代設計技術(shù)的定義 從系統(tǒng)工程的觀點分析，現(xiàn)代設計技術(shù)是一個由時間維、邏輯維和方法維共同組成的三維系統(tǒng)方法維產(chǎn)品規(guī)劃方案設計技術(shù)設計施工設計分析綜合評價決策時間維邏輯維可靠性設計優(yōu)化設計 模塊化設計 先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述 現(xiàn)代設計技術(shù)的時間維：a. 產(chǎn)品規(guī)劃-需求分析、市場預測、可行性分析、總體參數(shù)、制約條件和設計要求；b. 方案設計-功能原理設計，確定原理方案；c. 技術(shù)設計-將產(chǎn)品的功能原理具體化為機器產(chǎn)品及其零部件的具體結(jié)構(gòu)；d. 施工設計-指工程圖繪制，工藝文件編寫，說明書編寫等。先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述. 現(xiàn)代設計技術(shù)的邏輯維：a. 分析-明確設計任務本質(zhì)；b

6、. 綜合-綜合各種因素，探求解決方案；c. 評價-對多種方案進行比較和評定，方案調(diào)整和改進；d. 決策-確定最佳的設計方案先進制造技術(shù)一. 現(xiàn)代設計技術(shù)概述(3) 現(xiàn)代設計技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代設計技術(shù)由4個不同層次的技術(shù)所組成，計算機輔助設計技術(shù)CAD是現(xiàn)代設計技術(shù)的主體技術(shù)主體技術(shù)基礎技術(shù)支撐技術(shù)應用技術(shù)傳統(tǒng)設計理論與方法各產(chǎn)品領域知識與技術(shù)計算機輔助設計技術(shù)現(xiàn)代設計方法學可信性設計技術(shù)設計試驗技術(shù)相關(guān)學科與技術(shù)先進制造工藝材料科學自動化技術(shù)系統(tǒng)管理技術(shù)自然科學政治經(jīng)濟文化社會科學市場營銷學.先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 現(xiàn)代設計技術(shù)的整個體系由基礎技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)和

7、應用技術(shù)四個層次組成。 基礎技術(shù) 是指傳統(tǒng)的設計理論與方法，特別是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、熱力學、電磁學、工程數(shù)學的基本原理與方法等方面。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 主體技術(shù) 計算機科學與設計技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生計算機輔助設計、智能CAD、優(yōu)化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數(shù)據(jù)庫等，運用現(xiàn)代設計技術(shù)的多種理論與方法如優(yōu)化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構(gòu)造的數(shù)學模型，來編制計算機應用程序，可以更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維，從而提高計算機的“智力”。而計算機輔助設計技術(shù)正是以它對數(shù)值計算和對信息與知識的獨特處理能力，成為現(xiàn)代設計技術(shù)群體的主干。

8、先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 支撐技術(shù) 指現(xiàn)代設計方法學、可信性設計技術(shù)、試驗設計技術(shù)?，F(xiàn)代設計方法學涉及內(nèi)容很廣，如并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊化設計、價值工程、質(zhì)量功能配制、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向?qū)ο蟮脑O計、工業(yè)造型設計等。可信性設計是廣義的可靠性設計擴展，主要指可靠性與安全性設計、動態(tài)分析與設計、防斷裂設計、健壯設計、耐環(huán)境設計等。設計試驗技術(shù)包括可靠性試驗、環(huán)保性能試驗與控制，以及運用計算機技術(shù)的數(shù)字仿真試驗和虛擬試驗等。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 應用技術(shù) 是針對實用目的解決各類具體產(chǎn)品設計領域的技術(shù)，如機床、汽車、工程機械、精密機

9、械的現(xiàn)代設計內(nèi)容，可以看作是現(xiàn)代設計技術(shù)派生出來的具體技術(shù)群。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)1. 數(shù)字化設計的特點(1) 具有統(tǒng)一的產(chǎn)品定義模型 數(shù)字化設計通過建立產(chǎn)品設計到制造的單一數(shù)字化產(chǎn)品定義模型，也是面向PLM的基礎。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(2) 實現(xiàn)并行設計 傳統(tǒng)設計在產(chǎn)品定型生產(chǎn)前需經(jīng)過“樣機生產(chǎn)樣機測試修改設計”的過程，且需反復多次，這不僅耗費物力、財力，還使得產(chǎn)品上市周期延長。 數(shù)字化設計則在制造實物模型之前，先進行計算機仿真分析與測試，排除某些設計不合理性。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(3)

10、設計過程中減少或避免實物模型的制造 傳統(tǒng)設計在產(chǎn)品定型生產(chǎn)前需經(jīng)過“樣機生產(chǎn)樣機測試修改設計”的過程，且需反復多次，這不僅耗費物力、財力，還使得產(chǎn)品上市周期延長。 數(shù)字化設計則在制造實物模型之前，先進行計算機仿真分析與測試，排除某些設計不合理性。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)2. 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)方法 21世紀產(chǎn)品的特征是個性化、多樣化、綠色化、微型化、智能化、綜合化 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)的概念不僅僅指產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、數(shù)值分析、仿真及其產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，更重要的，它是一種新的產(chǎn)品開發(fā)概念 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)是信息時代新的開發(fā)模式，它與計算機技術(shù)、信息技術(shù)在制造中的應用密切相關(guān)，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)

11、處理、變換、傳遞、共享和可視化為基礎 利用數(shù)據(jù)的可變性、離散性、共享性、可視性產(chǎn)生了支持產(chǎn)品創(chuàng)新的四種方法，這四種方法可分別支持變異創(chuàng)新、模仿創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新和自由創(chuàng)新 先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化數(shù)字化產(chǎn)品定義產(chǎn)品定義可變可變可視可視可控可控共享共享離散離散引發(fā)裝備重大引發(fā)裝備重大革命，數(shù)字化革命，數(shù)字化制造奠定基礎制造奠定基礎2020世紀制造技世紀制造技術(shù)的重大突破術(shù)的重大突破引發(fā)全球制造模式引發(fā)全球制造模式和跨國企業(yè)出現(xiàn)和跨國企業(yè)出現(xiàn)將人的觀察、將人的觀察、思維、想象和思維、想象和操作集為一體操作集為一體實現(xiàn)快速設計，保證設計質(zhì)量實現(xiàn)快速設計，保證設計質(zhì)量先進制造技術(shù)

12、二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(1) 數(shù)據(jù)的可變性參數(shù)化、變量化、模塊化設計 產(chǎn)品設計大多數(shù)是從已有產(chǎn)品進化而來的，據(jù)統(tǒng)計，典型定單產(chǎn)品中的標準件、外購件或變型件占90%，全新零件只占10%左右; 利用參數(shù)化、變量化、模塊化建模技術(shù)，可方便地修改設計，提高設計的效率，保證設計的質(zhì)量和可靠性; CAD中的尺寸驅(qū)動法是利用參數(shù)化、變量化技術(shù)修改設計的有力工具; 利用廣義相似理論，通過對功能單元、結(jié)構(gòu)單元的重組可以獲得不同結(jié)構(gòu)形式的系列化產(chǎn)品; 參數(shù)化、變量化技術(shù)也是配置設計和按定單設計的基礎。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(2) 數(shù)據(jù)的離

13、散性-反求工程和快速原型技術(shù)設計 復雜產(chǎn)品的模仿創(chuàng)新是一條減少風險投入，加快產(chǎn)品創(chuàng)新的有效途徑。 反求工程是利用某些測量方法（如三坐標測量、CT、核磁共振、自動斷層掃描法等），在實測數(shù)據(jù)的基礎上，重構(gòu)產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型的方法。 快速原型技術(shù)是20世紀末期制造領域的重大突破，它直接利用CAD的離散數(shù)據(jù)，簡單、快速、準確地將人的思想轉(zhuǎn)化成功能原型或零件，淡化了設計與制造的界線 。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)ScanningPointcloudCAD DrawingSolid Model先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(3) 數(shù)據(jù)的共享性-異地協(xié)同設計 網(wǎng)絡化技術(shù)的發(fā)展為實

14、現(xiàn)數(shù)字化信息的傳遞和共享提供了技術(shù)手段。 不僅有利于顧客的參與，更有利于快速獲得合作伙伴和競爭對手的信息，從而打破了傳統(tǒng)的閉關(guān)自守的開發(fā)方法。 開放的異地協(xié)同設計方法可以充分利用合作伙伴的技術(shù)和資源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補、資源共享和雙贏方針。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)(4) 數(shù)據(jù)的可視性-虛擬產(chǎn)品開發(fā)方法 虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)（Virtual Product Development）是在信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎上出現(xiàn)的最新數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。 虛擬產(chǎn)品開發(fā)是實際產(chǎn)品開發(fā)、制造、使

15、用、維護在計算機上的本質(zhì)表現(xiàn)， 虛擬產(chǎn)品開發(fā)要求全面的產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述和各種可視化的仿真工具及人機交互操作工具。 虛擬產(chǎn)品即存儲在計算機內(nèi)部的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，亦稱數(shù)字化原型或數(shù)字化樣機（Digital Mock-up）。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā) 虛擬產(chǎn)品開發(fā)不是簡單的數(shù)字化建模和仿真，它更強調(diào)虛擬技術(shù)的應用，通過虛擬現(xiàn)實的交互性，沉浸性和想象性達到虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境的高速逼真化，并可對虛擬原型直接進行操作，產(chǎn)生身臨其境的感覺 數(shù)字化樣機是描述產(chǎn)品功能和行為特性的產(chǎn)品數(shù)字化模型，它支持產(chǎn)品的多學科優(yōu)化設計及產(chǎn)品運動學、動力學和使用性能仿真，通過對模型的評估、測試和優(yōu)化，可以預先了解相

16、應物理樣機的特性 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字化樣機的基礎上提出了虛擬樣機的概念，它更強調(diào)仿真技術(shù)和VR技術(shù)的應用，通過VR環(huán)境中人對虛擬原型的操作，可有效地發(fā)揮人的創(chuàng)造性，提高了概念設計和總體設計中的分析、決策能力。先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)二. 數(shù)字化設計與數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用三. CAD技術(shù)及應用 計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是20 世紀50 年代末發(fā)展起來的綜合性計算機應用技術(shù)。它是以計算機為工具，處理產(chǎn)品設計過程中的圖形和數(shù)據(jù)信息，輔助完成產(chǎn)

17、品設計過程的技術(shù)。 CAD 技術(shù)包含的內(nèi)容有；利用計算機進行產(chǎn)品的造型、裝配、工程圖繪制以及相關(guān)文檔的設計；進行產(chǎn)品渲染、動態(tài)顯示；對產(chǎn)品進行工程分析，如有限元分析、優(yōu)化設計、可靠性設計、運動學及動力學仿真等。先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用三. CAD技術(shù)及應用CAD技術(shù)的主要功能 零件造型、產(chǎn)品裝配 產(chǎn)品渲染、動態(tài)顯示、運動仿真 工程分析，如有限元分析、優(yōu)化設計、可靠性設計 繪制工程圖樣、編制物料清單（BOM，Bill of Material )先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用1. CAD 的關(guān)鍵技術(shù)(1) 產(chǎn)品造型建模技術(shù) 線框模型：以頂點和棱邊描述三維形體，為兩表結(jié)構(gòu)； 表面模型：

18、以表面描述形體方法，為三表結(jié)構(gòu)； 實體建模：能完整表示三維的幾何信息和拓撲信息，有掃描表示法、邊界表示法、構(gòu)造實體幾何法等結(jié)構(gòu)形式； 特征造型：以具有工程語義的各類特征來定義描述形體的方法，便于CAD/CAM技術(shù)的集成。先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用(2) 單一數(shù)據(jù)庫與相關(guān)性設計 單一數(shù)據(jù)庫：與設計相關(guān)數(shù)據(jù)來自同一數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)產(chǎn)品相關(guān)性設計，提高設計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。 相關(guān)性設計：任何設計改動，都將及時反映到其它相關(guān)環(huán)節(jié)上。如：零件圖-產(chǎn)品裝配圖-零件數(shù)控程序-二維工程圖；左視圖-主視圖-俯視圖-三維實體模型；先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用(3) NURBS曲面造型技術(shù) NURBS（

19、Non-Unifrom Rational B-Splines）可統(tǒng)一自由曲線/曲面和規(guī)則曲線/曲面的數(shù)學模型，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于曲線、曲面操作和修改。(4) CAD與CAX集成技術(shù) CAD與CAX集成涉及建模技術(shù)、工程數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換接口等技術(shù)。包括如下集成： CAD/CAE/CAPP/CAM-工程設計領域集成； CAD/ERP-與管理系統(tǒng)集成； 異地、異構(gòu)系統(tǒng)企業(yè)間CAD集成，如全球化設計、虛擬設計、虛擬制造及虛擬企業(yè)等。先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用先進制造技術(shù)三. CAD技術(shù)及應用2. CAD 技術(shù)的研究熱點 計算機輔助產(chǎn)品的概念設計：建模和推理 計算機支持的協(xié)同設計：信息實時可靠交換；異構(gòu)環(huán)境下可靠運行；通訊方法與手段 海量信息處理： 存儲、管理和檢索技術(shù) 智能CAD技術(shù)：將人工智能技術(shù)與CAD技術(shù)融為一體，難題：解決人類思維模型建立和表達 CAD與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的集成 ： VR向設計者提供視覺、聽覺、觸覺等直觀、自然、實時的感知先進制造技術(shù)四. CAE 技術(shù)及應用四. CAE 技術(shù)及應用 CAE仿真技術(shù)是以數(shù)學理論、相似原理、計算方法、評估理論為基本理論，以計算機技術(shù)、信息技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)以及與仿真應用領域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎，以計算機和各種物理效能設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或