先进制造技术先进制造技术第第二二章章 现代设计技术现代设计技术2021/7/221一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述(1) 现代设计技术的内涵与特点现代设计技术的内涵与特点系统性、动态性、创造性、计算机化、并行化、系统性、动态性、创造性、计算机化、并行化、最优化、虚拟化和自动化、主动性最优化、虚拟化和自动化、主动性现代设计现代设计技术技术设计技术设计技术设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段静态、经验、被动、手工静态、经验、被动、手工传统设计传统设计技术技术先进制造技术2021/7/222一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述现代设计技术是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。先进制造技术2021/7/223一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述从现代设计技术的内涵分析，现代设计技术具有如下一系列特点：系统性现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象，考虑对象与外界（人、环境）的联系。动态性不仅要考虑产品的静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特征，考虑产品与周围环境的物质、能量及信息的交互。创造性现代设计技术建立在先进的设计理论及设计工具基础上，能充分发挥设计者的创造性思维能力和集体智慧，运用各种创造方法和手段，开发出具有创新性的产品。先进制造技术2021/7/224一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述计算机化计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，很多现代设计技术的实现都依赖于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充分利用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力和巨大的信息存储及处理能力，弥补自然人存在的天生不足，实现人机优势的互补。先进制造技术2021/7/225一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述并行化、最优化、虚拟化和自动化在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计。在设计过程中，通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，力争实现系统的整体性能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程自动化的实现主要依托于各种不同的计算机辅助设计技术、自动建模技术，以及一批功能强大的商品化CAD软件的支撑。设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维建模，使设计者能在虚拟的设计环境下观察CAD设计内容，从而实现设计的可视化、评估设计产品的性能及其可实现性，灵活方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。先进制造技术2021/7/226一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述主动性科学技术的发展使得在产品设计的早期，就可对产品全生命周期的各种性能作出准确预测有利于及早发现产品的潜在缺陷，将各种失误、可能发生的故障减少到最低程度，体现了主动性的特征，也有利于缩短开发周期、降低生产成本、提高产品质量。先进制造技术2021/7/227一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述(2) 现代设计技术的定义现代设计技术的定义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 先进制造技术2021/7/228一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述现代设计技术的时间维：a.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；b.方案设计-功能原理设计，确定原理方案；c.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；d.施工设计-指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。先进制造技术2021/7/229一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述.现代设计技术的逻辑维：a.分析-明确设计任务本质；b.综合-综合各种因素，探求解决方案；c.评价-对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；d.决策-确定最佳的设计方案先进制造技术2021/7/2210一一. 现代设计技术概述现代设计技术概述(3) 现代设计技术的体系结构现代设计技术的体系结构现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术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.先进制造技术2021/7/2211二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发现代设计技术的整个体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。先进制造技术2021/7/2212二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发主体技术计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等，运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。先进制造技术2021/7/2213二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发支撑技术指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。先进制造技术2021/7/2214二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发应用技术是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、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。先进制造技术2021/7/2215二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发1. 数字化设计的特点数字化设计的特点(1) 具有统一的产品定义模型具有统一的产品定义模型数字化设计通过建立产品设计到制造的单一数字化产品定义模型，也是面向PLM的基础。先进制造技术2021/7/2216二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(2) 实现并行设计实现并行设计传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产样机测试修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除某些设计不合理性。先进制造技术2021/7/2217二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(3) 设计过程中减少或避免实物模型的制造设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产样机测试修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除某些设计不合理性。先进制造技术2021/7/2218二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发2. 数字化产品开发方法数字化产品开发方法21世纪产品的特征是个性化、多样化、绿色化、微型化、智能化、综合化数字化产品开发的概念不仅仅指产品数据模型、数值分析、仿真及其产品数据管理，更重要的，它是一种新的产品开发概念数字化产品开发是信息时代新的开发模式，它与计算机技术、信息技术在制造中的应用密切相关，以产品数据模型的数据处理、变换、传递、共享和可视化为基础利用数据的可变性、离散性、共享性、可视性产生了支持产品创新的四种方法，这四种方法可分别支持变异创新、模仿创新、协同创新和自由创新先进制造技术2021/7/2219二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发数字化数字化产品定义产品定义可变可变可视可视可控可控共享共享离散离散引发装备重大引发装备重大革命，数字化革命，数字化制造奠定基础制造奠定基础2020世纪制造技世纪制造技术的重大突破术的重大突破引发全球制造模式引发全球制造模式和跨国企业出现和跨国企业出现将人的观察、将人的观察、思维、想象和思维、想象和操作集为一体操作集为一体实现快速设计，保证设计质量实现快速设计，保证设计质量先进制造技术2021/7/2220二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(1) 数据的可变性参数化、变量化、模块化设计数据的可变性参数化、变量化、模块化设计 产品设计大多数是从已有产品进化而来的，据统计，典型定单产品中的标准件、外购件或变型件占90%，全新零件只占10%左右;利用参数化、变量化、模块化建模技术，可方便地修改设计，提高设计的效率，保证设计的质量和可靠性;CAD中的尺寸驱动法是利用参数化、变量化技术修改设计的有力工具;利用广义相似理论，通过对功能单元、结构单元的重组可以获得不同结构形式的系列化产品;参数化、变量化技术也是配置设计和按定单设计的基础。先进制造技术2021/7/2221二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发先进制造技术2021/7/2222二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(2) 数据的离散性数据的离散性-反求工程和快速原型技术反求工程和快速原型技术设计设计复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线。先进制造技术2021/7/2223二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发ScanningPointcloudCAD DrawingSolid Model先进制造技术2021/7/2224二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(3) 数据的共享性数据的共享性-异地协同设计异地协同设计网络化技术的发展为实现数字化信息的传递和共享提供了技术手段。不仅有利于顾客的参与，更有利于快速获得合作伙伴和竞争对手的信息，从而打破了传统的闭关自守的开发方法。开放的异地协同设计方法可以充分利用合作伙伴的技术和资源，实现优势互补、资源共享和双赢方针。先进制造技术2021/7/2225二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发先进制造技术2021/7/2226二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发先进制造技术2021/7/2227二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发(4) 数据的可视性数据的可视性-虚拟产品开发方法虚拟产品开发方法虚拟产品开发技术（VirtualProductDevelopment）是在信息技术、网络技术、仿真技术和虚拟现实技术基础上出现的最新数字化产品开发技术。虚拟产品开发是实际产品开发、制造、使用、维护在计算机上的本质表现，虚拟产品开发要求全面的产品数据描述和各种可视化的仿真工具及人机交互操作工具。虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型，亦称数字化原型或数字化样机（DigitalMock-up）。先进制造技术2021/7/2228二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发虚拟产品开发不是简单的数字化建模和仿真，它更强调虚拟技术的应用，通过虚拟现实的交互性，沉浸性和想象性达到虚拟产品开发环境的高速逼真化，并可对虚拟原型直接进行操作，产生身临其境的感觉数字化样机是描述产品功能和行为特性的产品数字化模型，它支持产品的多学科优化设计及产品运动学、动力学和使用性能仿真，通过对模型的评估、测试和优化，可以预先了解相应物理样机的特性随着虚拟现实技术的发展，在数字化样机的基础上提出了虚拟样机的概念，它更强调仿真技术和VR技术的应用，通过VR环境中人对虚拟原型的操作，可有效地发挥人的创造性，提高了概念设计和总体设计中的分析、决策能力。先进制造技术2021/7/2229二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发巨型挖土机巨型挖土机先进制造技术2021/7/2230二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发数数字字化化车车身身空气动力学空气动力学数值风洞数值风洞人机工程学人机工程学先进制造技术2021/7/2231二二. 数字化设计与数字化产品开发数字化设计与数字化产品开发载重卡车的数字原型载重卡车的数字原型载重卡车的数字原型载重卡车的数字原型先进制造技术2021/7/2232三三. CAD技术及应用技术及应用三三. CAD技术及应用技术及应用计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是20世纪50年代末发展起来的综合性计算机应用技术。它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的技术。CAD技术包含的内容有；利用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以及相关文档的设计；进行产品渲染、动态显示；对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真等。先进制造技术2021/7/2233三三. CAD技术及应用技术及应用三三. CAD技术及应用技术及应用CAD技术的主要功能零件造型、产品装配产品渲染、动态显示、运动仿真工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计绘制工程图样、编制物料清单（BOM，BillofMaterial)先进制造技术2021/7/2234三三. CAD技术及应用技术及应用1. CAD 的关键技术的关键技术(1) 产品造型建模技术产品造型建模技术线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构；表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构；实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何法等结构形式；特征造型：以具有工程语义的各类特征来定义描述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。先进制造技术2021/7/2235三三. CAD技术及应用技术及应用(2) 单一数据库与相关性设计单一数据库与相关性设计单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；先进制造技术2021/7/2236三三. CAD技术及应用技术及应用(3) NURBS曲面造型技术曲面造型技术NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一自由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作和修改。(4) CAD与与CAX集成技术集成技术CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技术。包括如下集成：CAD/CAE/CAPP/CAM-工程设计领域集成；CAD/ERP-与管理系统集成；异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。先进制造技术2021/7/2237三三. CAD技术及应用技术及应用先进制造技术2021/7/2238三三. CAD技术及应用技术及应用先进制造技术2021/7/2239三三. CAD技术及应用技术及应用2. CAD 技术的研究热点技术的研究热点计算机辅助产品的概念设计：建模和推理计算机支持的协同设计：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段海量信息处理：存储、管理和检索技术智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达CAD与虚拟现实（VR）技术的集成：VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知先进制造技术2021/7/2240四四. CAE 技术及应用技术及应用四四. CAE 技术及应用技术及应用CAE仿真技术是以数学理论、相似原理、计算方法、评估理论为基本理论，以计算机技术、信息技术、图形图像技术、系统工程技术以及与仿真应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效能设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科综合性交叉技术先进制造技术2021/7/2241四四. CAE 技术及应用技术及应用有限元法FEM（FiniteElementMethod）一种求解工程数学物理问题近似解的数值分析方法，有限元分析FEA（FiniteElementAnalysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。有限元法的基本思想是将问题的求解区域划分离散为一组有限个单元，单元之间按一定方式仅靠节点相互连接在一起的组合体。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。先进制造技术2021/7/2242四四. CAE 技术及应用技术及应用先进制造技术2021/7/2243四四. CAE 技术及应用技术及应用变形结果变形结果先进制造技术2021/7/2244四四. CAE 技术及应用技术及应用并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析并联运动机床的应力与应变分析先进制造技术2021/7/2245四四. CAE 技术及应用技术及应用先进制造技术2021/7/2246四四. CAE 技术及应用技术及应用控制机构运动分析控制机构运动分析先进制造技术2021/7/2247四四. CAE 技术及应用技术及应用垂直进刀垂直进刀 步进进刀步进进刀 斜线进刀斜线进刀 之字形进刀之字形进刀 螺旋进刀螺旋进刀 不同的切入方式不同的切入方式以以被被加加工工件件曲曲率率为为依依据据，以以走走刀刀路路径最大长度为目标的刀具路径优化径最大长度为目标的刀具路径优化刀具路径速度变化图刀具路径速度变化图 不同层之间切削刀不同层之间切削刀具以螺旋方式运动具以螺旋方式运动 先进制造技术2021/7/2248四四. CAE 技术及应用技术及应用 先进制造技术2021/7/2249