现代工程设计技术.ppt

第2章 现代设计技术,计算机辅助设计技术,现代设计方法,2.1 设计技术概述,2.1.1 设计定义,2.1.2 设计特征,2.1.3 设计分类,2.1.4 设计发展基本阶段,2.1.1 设计定义,设计是人类改造自然的基本活动之一。它与人类的生产活动及生活紧密相关联。人类在改造自然的历史长河中，一直从事设汁活动。从某种意义上讲，人类文明的历史，就是不断进行设计活动的历史。设计一词，即英语的Design，起源于拉丁语Designare，此词由“De”(记下)和“Signare”(符号、记号、图形之意)两词组成。因而它的最初含义是：记下(画上)符号、记号、图形之类的意思，相当于“图案”、“意匠”等意。,2.1.1 设计定义,随着人类社会的进步和需要设计这个词可以有广义和狭义两种概念。广义的概念是指对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。狭义的概念是指将客观需求转化为满足该需求的技术系统(或技术过程)的活动。各种产品包括机、电产品的设计即属此种。,2.1.1 设计定义,1）设计是一种工程活动。设计师的任务就是运用自然科学的知识与法则去创造物质文明，它几乎涉及到人类生活、生产的全部方面。2）设计是一种创造性的智力活动。设计的全过程，需要设计师提出各种不同的构思和设想，具有灵活运用知识和经验处理技术、经济等问题的能力和优良的品质、作风，能创造性地寻求设计目标和任务的实现。,2.1.1 设计定义,3）设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。设计流程就是输入信息处理加工综合、判断、决策输出信息，是寻求满意的设计目标、方案、参数、结构等最优的过程。设计过程也是一个信息综合、反馈（或迭代）、交流的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间相互制约，甚至是相互矛盾的，虽经优化，也只能综合、权衡各方面因素取得相对满意的结果。,2.1.2 设计特征,1)需求特征：产品设计的目的是满足人类社会的需求，所以设计始于需要，没有需要就没有设计。2)创造性特征：时代的发展，使人们的需求、自然环境、社会环境都处于变化之中，从而要求设计者适应条件变化，不断更新老产品，创造新产品。3)程序特征：任何产品设计部有设计过程，它是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作的流程。4)时代特征：设计活动受时代的物质条件、技术水平的限制。如设计方法、设计手段、材料、制造工艺等。所以，各种产品设计都具有时代的烙印。,2.1.3 设计分类,从设计任务的要求来划分，有三种类型的设计。1）开发性设计：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，这是一种完全创新的设计。2）适应性设计：在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求。3）变型设计：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。,2.1.4 设计发展基本阶段,(1)直觉设计阶段古代的设计是一种直觉设计。当时人们或许是从自然现象中直接得到启示或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计者多为具有丰富经验的手工艺人，他们之间没有信息交流。产品的制造只是根据制造者本人的经验或其头脑中的构思完成的，设计与制造无法分开。,2.1.4 设计发展基本阶段,(1)直觉设计阶段设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。一项简单产品的问世，周期很长，这是一种自发设计。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。,2.1.4 设计发展基本阶段,(2)经验设计阶段随着生产的发展，产品逐渐复杂起来，对产品的需求量也开始增大，单个手工艺人的经验或其头脑中自己的构思已难满足这些要求；因而促使手工艺人互相协作，逐渐出现了图纸，并开始利用图纸进行设计。一部分经验丰富的人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。,2.1.4 设计发展基本阶段,(2)经验设计阶段到17世纪初，数学与力学结合后，人们开始运用经验公式来解决设计中一些问题，并开始按图纸进行制造。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来传于他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；图纸还可满足更多的人间时参加同一产品的生产活动、满足社会对产品的需求及生产率的要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由自发设计阶段进步到经验设计阶段。,2.1.4 设计发展基本阶段,(3)半理论半经验设计价段20世纪初以来，由于试验技术与测试手段的迅速发展和应用，人们把对产品采用局部试验、模拟试验等作为设计辅助手段。通过中间试验取得较可靠的数据，选择较合适的结构，从而缩短了试制周期，提高了设计可靠性。这个阶段称为半理论半经验设计阶段(又称中间试验设计阶段)。,2.1.4 设计发展基本阶段,(4)现代设计阶段近30年来，由于科学和技术迅速发展对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用。对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了实现设计自动化的条件。例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料和生产图纸，一体化的CADCAM技术更可直接输出记录有关信息的纸带，使用这种纸带，NC机床即可直接加工出所需要的零件，从而使人类设计工作步入现代设计阶段。,2.1.4 设计发展基本阶段,(4)现代设计阶段现代设计阶段对产品的设计已不能仅考虑产品本身，并且还要考虑对系统和环境的影响；现代设计阶段不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。例如，汽车设计，不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还需考虑使用者的安全、舒适、操作方便等。此外，还需考虑汽车的燃料供应和污染、车辆存放、道路发展等问题。总之，目前已进入现代设计阶段、它已要求在设计工作中把自然科学、社会科学、人类工程学，以及各种艺术、实际经验和聪明才智融合在起，用于设计中。,16,2.1.5 传统设计,传统设计是一种经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计3个发展阶段并于20世纪50年代后期形成的，至今仍被广发采用的设计方法。它基本上是凭借直接或间接的经验，通过类比法来确定方案，然后以机械零件的强度和刚度理论对确定的形状和尺寸进行必要的计算和验算，以满足限定的约束条件。,2.1.5 传统设计,由于运用的数据和计算是经验的总结和概括，因此总要受到当时科学技术条件的限制，其中疏忽了许多重要的因素而造成设计结果的不确切和错误。另外，一个产品的开发需要经过设计试制修改的反复循环，在当今机械产品的功能、原理要创新，经济寿命周期缩短，技术更新速度加快的情况下，传统的常规设计方法在设计科学性和周期上都显得十分不足。,18,2.1.5 传统设计,传统设计是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。,传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。,2.1.6 现代设计,现代设计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。,2.1.6.1 现代设计内涵,（1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物 就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合。（2）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展 从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一定时间和一定的对象中它们共存于一体。,2.1.6.2 现代设计方法体系结构,包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。,指计算机支持的设计技术，包括：计算机辅助X。优化设计，有限元分析，模拟仿真，虚拟设计，工程数据库，快速响应设计等。,主要包括：现代设计理论与方法。包括模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、面向对象设计、可靠性设计等。设计试验技术。,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、工程机械等设计的知识和技术。,2.1.6.2 现代设计方法体系结构,静态的设计原理向动态的延伸，经验、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸，而且设计范畴也在不断扩大。,现代的机械产品，如数控机床、加工中心、工业机器人等，正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块化方向发展，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。,是传统设计理论与方法的继承、延伸与扩展,多种设计技术、理论与方法的交叉与综合,已从计算机辅助计算和绘图发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、面向制造与装配的设计制造一体化，形成了CAD、CAPP、CAM的集成化、网络化和可视化。,2.1.6.3 现代设计方法特点,采用可靠性设计描述载荷等随机因素的分布规律，通过有限元法、动态分析等分析工具和建模手段，从而得到比较符合实际工况的真实解，提高了设计的精确化程度。,设计结果的精确化,并行设计的核心是在产品设计阶段就考虑产品生命周期中的所有因素，强调对产品设计及其相关过程进行并行的、集成的一体化设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期。,智能CAD系统是模拟人脑对知识处理，并拓展了人在设计过程中的智能活动。原来由人完成的设计过程，已转变为由人和计算机友好结合共同完成的智能设计活动。,2.1.6.3 现代设计方法特点,人们对产品质量除要求满足一定功能外，对可靠性、合理的寿命、便于使用和维护等也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生态环境要求。这就需要对产品进行动态的、多变量的、全方位的可信性设计。,面向产品生命周期全过程的可信性设计,根据不同产品的特点和要求，进行物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试验等；借助功能强大的计算机，在建立数学模型的基础上，对产品进行数字仿真试验和虚拟现实试验，预测产品的性能；亦可运用快速原型技术，直接利用CAD数据，将材料快速成形为三维实体模型，该模型可直接用于设计外观评审或装配试验，,2.1.6.3 现代设计方法特点,2.2.1 计算机辅助设计的基本概念2.2.2 计算机辅助设计的关键技术2.2.3 计算机辅助设计的研究热点,2.2 计算机辅助设计技术,第2章 现代设计技术,CAD的含义与研究内容,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，过程的辅助完成产品设计技术。,CAD技术的核心是几何模型的建立。CAD系统为用户提供了颜色、网格、图层等辅助功能，提供了缩放、平移、旋转等各种图形变换工具，提供了各种渲染、动画等可视化操作。,2.2.1 计算机辅助设计的概念,CAD技术的主要功能,2.2.1 计算机辅助设计的概念,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),CAD技术的特征,CAD技术强调产品设计过程中计算机的支持和参与 强调计算机的辅助作用 CAD系统不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节,CAD技术的优越性,大大提高设计质量 提高设计生产率，缩短产品开发周期 较大幅度地降低生产成本,将技术人员从繁重的计算、绘图、修改工作中解放出来,2.2.1 计算机辅助设计的概念,CAD技术的特征,20世纪50年代CAD技术的萌芽期 1950：图形显示设备；1958：滚筒式绘图仪、平板绘图仪20世纪60年代CAD技术的成长期 Sketch PAD图形系统；CADAM、GRAPHIC1软件系统；60年代末美国安装的CAD工作站已达200多台套20世纪70年代CAD技术的发展期 线框模型、曲面模型成熟；各种CAD功能模块基本形成20世纪80年代CAD技术的普及期 PC微机、工作站CAD系统得到广泛使用；实体建模成熟；1988年美国CAD系统达63000套 20世纪90年代CAD技术集成化期 CAD/CAE/CAPP/CAM集成,2.2.1 计算机辅助设计的概念,产品的造型建模技术,2.2.2 CAD的关键技术,CAD的造型建模过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内以建立计算机内部模型的过程。按被设计对象的造型建模技术的发展，经历了以下演变过程：,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。,I-DEAS 美国SDRC公司（实体）UG NX 美国EDS公司 Pro/E 美国PTC（特征）SolidWorks 美国Solid Works公司 CATIA 法国达索飞机公司（曲面）AutoCAD，Inventor 美国Autodesk公司高华CAD、天河CAD、开目CAD、CAXA,当今流行的商品化CAD软件,2.2.2 CAD的关键技术,2.2.2 CAD的关键技术,线框模型：,2.2.2 CAD的关键技术,根据描述方法及存储的几何信息和拓扑信息的不同，将三维几何建模分为三种类型：线框建模、表面建模和实体建模。,两个拓扑等价的几何实体,对于两个形状和大小不同的实体，其几何关系不同，但拓扑关系可能会相同。,2.2.2 CAD的关键技术,实体建模：,2.2.2 CAD的关键技术,特征建模：,产品的造型建模技术,2.2.2 CAD的关键技术,特征造型具有：能更好地表达统一完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。,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。例如：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；单一数据库和相关性设计技术的应用，有利于减少设计中差错，提高设计质量，缩短开发周期。,单一数据库与相关性设计,2.2.2 CAD的关键技术,2.2.2 CAD的关键技术,NURBS曲面造型技术,非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)，是一种用来定义CAD模型中复杂的曲线、曲面的描述方法。运用NURBS造型技术可以采用统一的数学模型，精确地表示自由曲线、曲面，以及如直线、圆、抛物线、双曲线等这类规则的曲线和曲面，简化了系统结构和数据的管理，有利于对曲线曲面进行局部操作和修改，提高了对曲线和曲面的构造能力和编辑修改能力。,CAD技术的集成体现在以下几个方面：,CAD与CAE集成、CAD与CAPPCAM的集成、CAD与PDM的集成、CAD与ERP等软件模块集成，为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动企业信息化进程。将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统，以专用芯片的形式加以固化，一方面可提高CAD系统的运行效率，另一方面可供其他系统直接调用。,CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。,2.2.2 CAD的关键技术,CAD与其它CAX系统的集成技术,标准化技术,2.2.2 CAD的关键技术,国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data,STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。,计算机辅助产品的概念设计 难题：建模和推理计算机支持的协同设计 难题：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，目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大计算机安全 技术保密，防病毒感染,2.2.3 CAD的研究热点,计算机辅助产品的概念设计,2.2.3 CAD的研究热点,概念设计涉及产品的基本功能、动作原理和结构要素，需要考虑产品的价格、性能、可靠性、安全性等目标；概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确的或未知的。概念设计的上述特征和要求，给CAD技术在该领域的应用带来很大难度和挑战。为使CAD技术有效地支持概念设计，需要解决建模和推理两大技术难题。建模技术，是需要对产品的功能、动作和结构等要素及其相互间的关系进行完整、清晰描述。推理就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功能设计，生成和选择合适的产品设计方案。,计算机支持的协同设计,2.2.3 CAD的研究热点,计算机支持的协同设计，便于设计成员间的思想交流，能及时发现各设计组成部分之间的矛盾和冲突，并能及时地加以协调和解决。协同设计有利于避免或减少设计工作的反复，提高产品设计的效率和质量。计算机支持的产品协同设计必须解决以下几个难题：群体成员间多媒体信息传输 实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面等，这需要通过标准化工作来解决。人人交互 目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协调和解决的技术还不成熟，因此人一人交互的手段成为必要,海量信息的存储、管理和检索技术,如何快速、有效地对海量信息进行存储、管理和检索，成为人们关注的焦点。传统的关系型数据库管理系统已难以适应日益增长的数据管理的要求。,智能CAD技术,产品的设计是人类的一种创造性的活动，设计过程智能化是CAD发展的必然选择。虽然，当前的CAD系统也体现了一些智能的特点，这些智能与人们所期望值相比还有很大的距离。智能CAD就是将人工智能技术与CAD技术融为一体而建立的系统，而人类的思维模型的建立和表达还有待继续予以研究和完善。,2.2.3 CAD的研究热点,CAD技术与虚拟现实技术的集成,虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是利用计算机生成的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(Head Mounted Display)、数据手套(Data Glove)、数据衣(Data Suit)等多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。,CAD技术与VR技术的有机结合，能够快速地显示设计内容、显示设计对象性能特征，以及设计对象与周围环境的关系，设计者可与虚拟设计系统进行自然的交互，灵括方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。目前，VR技术所需的软硬件价格还相当昂贵。技术开发的复杂性和难度还较大，VR技术与CAD技术的集成还有待进一步研究和完善。,2.2.3 CAD的研究热点,2.3 设计现代设计方法,模块化设计,创新设计,逆向工程,2.3 设计现代设计方法,2.3.1.1 模块化设计的基本概念和方法,模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元.由模块组成的产品称为模块化产品。模块化产品又有两种类型，即纯模块化产品和混合模块化产品。纯模块化产品完全由模块组成，混合模块化产品则以模块组成为主，同时含有非模块部分。模块化设计：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块化设计。,模块、模块化产品与模块化设计,2.3.1.1 模块化设计的基本概念和方法,模块化产品,模块化智能阵列产品,水厂自控系统,计算机内部采用模块化,根据设计类型分：1）新产品的模块化设计 通常要从最基础的产品功能分析入手，综合考虑产品生命周期中各个阶段的问题，把产品划分为若干模块；然后定义各个模块的整体要求和接口情况；最后对各个模块进行详细设计。,2.3.1.2 模块化设计的分类,根据设计类型分：2）变型产品的模块化设计 在已有基型模块化产品的基础上开发同类产品。3）现有产品的模块化设计 对已有设计制造基础的产品进行模块化改造或按新的零部件组织结构形式重新进行模块化设计。,2.3.1.2 模块化设计的分类,2.3.1.3 模块化设计过程,用户需求分析,这是模块化设计成功的前提。必须准确把握同类产品的市场需求，以及同类产品中基型和各种变型需求的比例，同时进行可行性分析。对于那些需求量很小，而研制费用较高的产品，不宜采用模块化设计。,2.3.1.3 模块化设计过程,合理确定产品的主参数范围和产品系列型谱（即产品种类和规格）是模块化设计的关键一步。种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大。反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。,确定参数范围及主参数,产品的参数（如尺寸参数、运动参数和动力参数等）须合理确定，过高过宽会造成浪费，过低过窄不能满足要求。另外，参数数值大小和数值在参数范围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数。,2.3.1.3 模块化设计过程,模块划分的合理性直接影响到模块化产品的性能、外观、模块的通用化程度和产品成本。在设计模块时，应尽量采用标准化结构，保证模块便于制造、组装、维修和更换，还需考虑各主要模块寿命相当。对设计好的模块应按其功能、类型、规格、层次等进行编码，并以适当的方式存入模块库内以备调用。,模块标准化,它是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即联接或啮合，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相同功能、不同性能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块的有效组合。在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的发展。相比之下，机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊色一些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业。,2.3.1.4 模块化设计的关键技术,模块的划分与组合,2.3.1.4 模块化设计的关键技术,模块的划分应遵循的原则：,尽量减少产品包含的模块总数，并最大限度地简化模块自身的结构，以避免模块组合时产生混乱；以有限的模块数获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的多方面需求；划分的模块应具有功能独立性和结构完整性；充分注意模块间的结合要素，以便于模块的组合和分离；模块划分应有利于保证产品精度、刚度和其他性能指标；模块的划分要充分考虑经济因素。,模块的组合包括模块组合的形式和可行的、实用的、经济的组合产品方案，用以指导模块化产品设计。,模块的连接方式与接口设计,按某一模块连接其它模块的数量，模块的连接方式可分为单向连接、双向连接和多向连接三种类型。按模块的相关性，模块的连接方式可分为刚性连接和柔性连接两种。若连接的两模块几何相关(即有直接的装配关系)，称两模块的连接为刚性连接。刚性连接又有固定连接和活动连接之分：固定连接指连接后两模块之间没有相对运动；而活动连接的两模块之间可以相对运动(如直线运动、旋转运动等)。若连接的两模块没有直接的装配关系，称两模块的连接为柔性连接。例如与机床分离的液压站，它虽然通过油管、电缆等与主机相联系，但非几何相关，故属于柔性连接。模块接口设计直接影响模块化产品的性能(精度、刚度、效率、经济性等)和模块组合的方便性与快捷性，必须给予充分注意。,2.3.1.4 模块化设计的关键技术,2.3 设计现代设计方法,二战后，日本为了恢复和振兴本国经济，制定了“吸收性战略”的基本国策，这种观点给日本国民经济注入了新的活力，推动了日本经济的高速发展，到20世纪70、80年代成为世界上仅次于美国的第二经济强国。日本所采用的措施正是今天得到普遍重视的逆向工程技术(RE)。逆向工程作为掌握、改进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40以上，从而极大地提高了生产率。20世纪90年代后，数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内工业领域的竞争日趋激烈，企业必须不断地开发新产品、缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量以增强企业在市场的竞争力，从而大大推动了逆向工程技术的研究与发展。,2.3.2.1 概述,正向工程：市场分析概念设计结构设计加工制造装配检验反求工程：已有产品实物测量重构模型创新改进加工制造,2.3.2.1 概述,实物反求 信息源为产品实物模型，应用最广；软件反求 信息源为产品工程图样、数控程序、技术文件等技术软件；影像反求 信息源为图片、照片或影像等资料。,2.3.2.1 概述,实物反求有两项基本工作，即反求分析与反求设计。实物反求设计是一个认识产品再现产品超越原产品的过程。,2.3.2.2 逆向工程设计的基本方法,软件反求是以产品样本、技术文件、设计书、数控程序、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等为研究对象的反求工程技术。软件反求的目的是通过对已有技术软件的分析和研究，提高对相关产品设计和制造能力。,2.3.2.2 逆向工程设计的基本方法,影像反求是以产品照片、广告介绍和影视画面等为参考资料进行分析设计的。影像反求难度最大。目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。,2.3.2.2 逆向工程设计的基本方法,2.3.2.3 逆向工程设计的基本步骤,2.3.2.3 逆向工程设计的基本步骤,逆向工程工作流程,测量及后处理,三D点云,物理模型,1,曲面重构,CAD模型,NC加工,在反求工程中，如何根据所提供的反求样本信息，获取反求对象的功能、原理、材料性能、加工工艺等，这是反求工程成败的关键。其具体内容包括：,功能及原理分析；材料分析；加工、装配工艺分析；精度分析；造型的分析；系列化、模块化分析,2.3.2.4 逆向工程关键技术,2.3.2.4 逆向工程关键技术,形体几何参数采集基本方法,2.3.2.4 逆向工程关键技术,德国Steinbichler ET 250光学扫描仪,美国Brown sharpe公司Global status 574三坐标测量机,所谓模型重构，就是根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型的技术。,2.3.2.4 逆向工程关键技术,数据预处理 对原始数据过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作网格模型生成 采用适当的方法生成三角网格模型网格模型后处理 三角网格模型进行简化,修补模型孔洞、缝隙和重叠等缺陷商品化反求工程软件：美国IMAGEWARE公司的SURFACER 英国DELCAM公司的COPYCAD 英国RENISHAW公司的TRACE 国内也有不少高校在从事反求工程的研究与开发,2.3.2.4 逆向工程关键技术,曲面重构,IBM工作站,Surfacer/Catia/Ug/I_deas软件,2.3.2.5 逆向工程应用举例,工程应用-发动机进排气道逆向,一拖集团模具公司江西五十铃汽车公司成都柴油机公司河南柴油机公司.,2.3.2.5 逆向工程应用举例,工程应用-凸轮逆向,2.3.2.5 逆向工程应用举例,工程应用-汽车、拖拉机覆盖件逆向,2.3.2.5 逆向工程应用举例,工程应用-人脸部逆向,2.3 设计现代设计方法,绿色产品的定义：可以拆卸、分解的产品；原材料使用合理化，并能处理回收的产品；从生产、使用、回收过程对生态环境无害或危害小产品；可翻新和重新利用的产品；综合定义：在产品全生命周期内，节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，对生产者及使用者具有良好保护性的产品。绿色产品特点：优良的环境友好性，最大限度地利用材料资源，节约能源。,绿色设计定义,传统设计：主要考虑产品功能、质量和成本属性；绿色设计：除上述之外，重视资源、能源合理利用，重视环境和劳动者保护。,绿色设计的目标与流程,2.3.3.2 绿色设计与传统设计比较,绿色产品描述与建模；准确全面的描述，建立评价模型；绿色设计材料选择 侧重环境约束和材料对环境影响；面向拆卸的设计 能够高效、不加破坏地拆卸，有利于材料的重新利用和循环再生；可回收性设计 包括可回收材料识别及标志、回收处理工艺、可回收性结构设计、可回收经济分析与评价；绿色产品成本分析 包括污染物处理成本、拆卸成本、重复利用成本、环境成本等；绿色产品设计数据库：包括材料成分、降解周期、费用、各种评价标准等,绿色设计主要内容,资源最佳利用原则 能源选用，尽可能使用再生资源，提高利用率；能量消耗最少原则 尽可能选用可再生一次能源，力求能 源消耗最少；“零污染”原则 消除污染源，尽可能地做到零污染；“零损害”原则 将对身心健康损害降低最低程度；技术先进原则 采用新技术，使产品具有市场竞争力；生态经济效益最佳原则 同时考虑经济效益和环境效益。,绿色设计顺应历史发展趋势，强调资源有效利用，减少废弃物排放，追求产品生命周期中对环境污染最小化，对生态环境无害化，将成为人类实现可持续发展的有效手段。,2.3.3.4 绿色设计的原则,本章小结 现代设计技术定义、特征及四个发展阶段；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；CAD技术经历了萌芽期、成长期、发展期、普及期，现已进入CAD与其它信息技术集成的年代；介绍了应用较为广泛、相对比较成熟的几种产品设计计算方法，包括：模块化设计、逆向工程和绿色设计。,2.3 设计现代设计方法,创新设计通常是指不同于以往的设计，可能是一种全新的设计，也可能是对原有设计的改进。创新设计的两个基本特征是设计的非常规性(包括新颖性和非连续性)和设计的成功实现。,2.3.2.1 创新设计的类型,创新设计与一般意义上的发明、创造有所不同，主要区别是创新设计更强调经济层面上的特征和创新本身的商业价值。因此，创新设计被认为是一种技术经济活动，是以技术为手段实现经济目标的活动。,独创性 追求与前任、众人不同的方案，在求异和突破中实现创新 实用性 集优性,突破性创新又称原理性创新，是指在技术上有重大突破的创新。例如，相对于汽油机汽车而言，电动汽车就是一种突破性的创新，因为它采用了完全不同形式的动力源。再如，数控机床对于普通机床而言，也是一种突破性的创新。尽管两者的基本切削运动相同，但运动的控制方法完全不同。在过程设计中，零件成形方法的变革(例如用精密锻造取代机械加工，用快速原型制造代替传统的去除加工)，加工工艺的重大改进(例如采用成组工艺)等，也属于突破性的创新。通常，突破性创新所创造的经济效益是巨大的，但这种效益常常具有隐式特点，即可能需要经过较长时间才能显现。突破性创新而产生的技术进步往往是带有革命性的。,2.5.1 创新设计的类型,创新设计类型,渐进式创新又称局部创新，实质上是一种技术上的改进。例如在产品设计中，改变产品的造型、色彩、尺度、参数或局部结构等，使产品的性能和外观得到改进，更加适应市场的需要。在过程设计中，通过改变加工设备或工艺参数，使产品制造周期缩短，质量提高，成本降低。渐进式创新总会伴随着一定的经济效益，且这种效益常常是显式的和在短期由可以显现的。渐进式创新也是促进技术进步的巨大动力，因为突破性创新在其发展和扩散的过程中一定会伴随着大量的、渐进式的改善才能走向成熟。,2.5.1 创新设计的类型,形象思维形象思维是理性认识，是工程技术创新活动中的一种基本思维方式。运用形象思维，可以激发人们的联想、类比和创新能力。例如行星轧压法的创新，就是由形象思维激发联想而获得成功的。以往将金属轧制成板材，是将金属原料送到两个轧辊之间，靠两个轧辊的转动和原料板的推进而完成的。这种方法对于延展性能良好的钢材适用，但较脆的金属材料在轧制中会出现裂纹。为了解决这一技术难题，日本某钢厂的一位工程师借鉴他妻子在面板上擀荞麦面的姿势和方法，研究出了轧制钢板的新方法-行星轧压法。,2.5.2 创造性思维模式,抽象思维 抽象思维是以抽象的概念和推论为形式的思维方式。早在17世纪初，伽利略就运用抽象思维先于牛顿发现了物体运动的惯性规律。为了研究物体下落的运动规律，伽利略进行了有名的斜面小球实验。由此，伽利略发现了物体运动的惯性定律。,2.5.2 创造性思维模式,分析与综合思维,分析是对问题的明确描述和对问题本质的认识过程。对于复杂问题，要将其分解为逻辑关系与层次清晰的各级子问题。综合是分析的反向过程，在求得各子问题的解之后，通过连接构成整体，实现最终功能和目标。其中连接是关键，通常可以建立多种连接方式的解域，再通过评价确定最优解。分解与综合过程常常就是一个创新过程。,收敛思维首先确定一个理想目标，然后寻求通向目标的多个途径，最后找出一条实现目标的最佳可行解。这实际是在设计中经常使用的方法，即根据设计要求，提出多种可行方案，并从中择优。发散思维是在已经掌握一个(或多个)原始解的情况下，去设法寻求更多和更好的解决方案。这种新的更好的解决方案的产生就是一种创新。例如电灯开关可以用多种形式，如机械式、电动式、电磁式、光敏式等，但也可以采用声控或红外控制式。,2.5.2 创造性思维模式,离散与组合式思维,很多事物将其分解可能意味着创新。如电话听筒与主机分离，产生了子母电话机：磨床主轴与床身分离，产生了手动磨头。很多事物，彼此组合会构成创新。如电视与电话组合在一起，出现了电视电话；收割机、脱粒机、打包机组合在一起，产生了联合收割机：电解加工与磨削加工组合在一起，形成了电解磨削。在制造领域，产品的模块化设计是运用离散(分解)与组合式思维的典型范例。,人类的许多发明创造都是对应与联想式思维的产物。例如，看到鸟儿在空中飞翔，联想到人也可以在空中飞行，经过不懈努力最终制造出了飞机。再如，由人的手臂动作，联想到机械手和机器人，并最终产生了关节式机器人。许多创新设计都是出于联想的结果。联想通常是在可类比的对象之间产生。例如，将船只与车辆联系在一起，制造出了两栖登陆艇。,2.5.2 创造性思维模式,换元与移植式思维,换元也常常表现为“替代”，而在很多情况下，替代本身就是创新。例如，用电阻丝替代炭火，使炭火锅变成了电火锅：用通用计算机或专用计算机替代传统的硬件数控电路，使传统数控系统发展成为计算机数控系统。移植是把某一领域的成熟理论和方法应用于另一领域。将力学方法应用于生物学，开创了生物力学学科。将信息技术和其它高新技术引入制造过程，便出现了先进制造技术。,正向思维是工程设计中常用的思维方式，即从设计起点出发，一步一步向前推进，直至达到虽终目标。侧向和逆向思维都是对现行解进行分析，对其提出疑问，想一想“为什么”，“能否不是这样”。力求突破“思维定势”的束缚，以产生新的构思。侧向思维侧重改变思考问题的角度，离开习惯思维模式和传统思考方向。英国工程师查尔斯德莱帕为泰晤士河设计的扇形防洪闸是侧向思维的一个例子。逆向思维是从现有事物或习惯做法的对立面出发，按其相反的方向击思索和研究，以获取新的构想。例如，圆珠笔问世时常因笔头滚珠磨损而漏油，许多公司改进产品的思路都是延长圆珠的寿命以防止漏油。而日本一家公司则把“延长圆珠寿命”变为“控制存油量”，使每只笔存油量只够写一万五千字，在圆珠笔因磨损而漏油时油已用完。这种廉价而不漏油的产品很快赢得了市场。迂回思维是用侧面代替正面、用间接代替直接、用渐进代替一步到位等。快速原型制造技术，就是用平面生成立体的迂回思维的产物。,2.5.2 创造性思维模式,