《先进制造技术》课件 第二章.pptx

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目录页,CONTENTSPAGE,1,1现代设计技术的内涵与体系结构2计算机辅助设计（CAD）技术,有限元分析,现代设计方法,34,2.1.1机械设计发展的基本历程,机械设计的思想和方法在影响人类生产和生活、推动社会进步的同时，也会受社会发展的影响，不断变化和更新。

为反映这种变化人们提出了“传统设计”和“现代设计”两个术语，这两个术语是相对的，当前被认为先进的事物在未来会被新发展的事物所取代，而成为传统的。

2.1现代设计技术的内涵与体系结构,现代设计技术,2,2.1.1机械设计发展的基本历程,传统设计技术以“静态、经验、被动和手工”为基本特征，它经历了直觉设计、经验设计、半理论经验设计三个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成。

它以经验总结为基础，以长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等为设计依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。

传统设计偏重于经验的概括和总结，往往会忽略一些难解的问题或非主要的因素，这样会导致设计结果不准确，有时甚至会出现不符合实际的情况。

随着设计理论的发展及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，设计过程发生了质的飞跃，在此基础上传统设计技术得到了延伸和发展，产生了现代设计技术。

它是以网络为基础，以电子计算为手段，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法，实现计算结果最优化、设计过程高效化和自动化的设计技术。

2.1现代设计技术的内涵与体系结构,现代设计技术,3,2.1现代设计技术的内涵与体系结构,2.1.2现代设计技术的内涵和特点1现代设计技术的定义,设计是人类改造自然的一种基本活动，也是一种复杂的创造性思维过程。

设计技术就是在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。

现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、周期、成本等为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多学科方法及技术为手段，研究、改进、创造产品的活动过程中所用到的技术群体的总称。

现代设计技术,4,5,1,2,3,4,产品结构分析的定量化,产品工作状况分析的动态化,产品质量分析的可靠化,产品设计结果的最优化,5产品设计过程的高效化和自动化,特点,2.1.2现代设计技术的内涵和特点2现代设计技术的特点,2.1现代设计技术的内涵与体系结构,6,现代设计技术,2.1现代设计技术的内涵与体系结构2.1.3现代设计技术的体系结构,现代设计技术的体系及与其他学科的关系,7,2.1.3现代设计技术的体系结构,1,2,3,4,基础技术：

基础技术是指传统的设计理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、结构力学、强度理论、热力学、电磁学、工程数学等学科的基本原理和方法。

主体技术：

现代设计技术的诞生和发展与计算机辅助技术的发展息息相关、相辅相成。

支撑技术：

支撑技术主要指现代设计方法学、可信性设计技术和试验设计技术，为设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理、映射及验证提供支撑。

应用技术：

应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计领域问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术，它可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。

体系结构,2.1现代设计技术的内涵与体系结构,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.1计算机辅助设计的基本概念,计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）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综合性计算机应用技术。

CAD技术包含的内容有：

利用计算进行产品的造型、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。

现代设计技术,8,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.2计算机辅助设计的产生背景,20世纪60年代CAD技术的成长期,20世纪50年代CAD技术的萌芽期,20世纪70年代CAD技术的发展期,20世纪80年代CAD技术的普及期,12345,20世纪90年代CAD技术的集成化期,现代设计技术,9,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术1产品的造型建模技术,

（1）几何建模几何建模（geometrymodeling）是指对现实世界中的物体进行描述，并将其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。

几何建模主要模型的类型有线框模型、表面模型和实体模型，如图2-2所示。

几何建模能够较好地反映被设计对象的几何信息和拓扑信息，但缺少产品后续制造过程所需的工艺信息和管理信息。

（a）线框模型（b）表面模型（c）实体模型图2-2几何建模的主要模型类型,现代设计技术,10,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术1产品的造型建模技术,

（2）特征建模特征是指描述产品信息的集合，也是构成零部件设计与制造的基本几何体，它既能反映零件的几何信息，又能反映零件的加工工艺信息。

常用的零件特征包括形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。

如图2-3所示为两种特征模型（featuremodeling）。

特征模型实例,现代设计技术,11,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术1产品的造型建模技术,与几何建模相比较，特征建模具有以下特征：

能够更好地表达统一、完整的产品信息；能够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和分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。

因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。

现代设计技术,12,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术2单一数据库与相关性设计,单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。

相关性设计是指任何设计改动都将及时反馈到设计过程的其他相关环节上。

例如，修改二维零件工程图样的某个尺寸后，与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新。

建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计。

单一数据库和相关性设计技术的应用可以减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期。

现代设计技术,13,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术3NURBS曲面造型技术,非均匀有理B样条（Non-UniformRationalB-Splines，NURBS），是一种用来定义CAD模型中复杂曲线、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，以及直线、圆、抛物线、双曲线等规则曲线，简化系统结构和数据的管理，以便于对曲线、曲面进行局部操作和修改，提高对曲线和曲面的构造能力和编辑修改能力。

现代设计技术,14,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术4CAD与其他CAX系统的集成技术,CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP集成等软件模块集成。

CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程。

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系统的运算效率，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。

CAD技术仅为产品的设计开发提供基本的数据化模型，要使产品生产后续作业环节有效利用CAD所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将CAD技术与其他CAX技术进行有效集成。

该集成技术涉及产品的造型建模技术、工程数据的管理技术、数据交换接口技术等。

CAD技术的集成体现在以下几个方面。

现代设计技术,15,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.3计算机辅助设计的关键技术5标准化技术,依靠CAD技术标准化可以解决CAD软件产品的信息共享和相关软件异构、跨平台工作的问题，为此，国际标准化组织（ISO）制定了“产品数据模型交换标准”（StandardfortheExchangeofProductModelData，STEP）。

该标准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。

现代设计技术,16,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.4计算机辅助设计的主要特点,2,3,减少设计人员工作量，图面清洁1,节省时间，提高设计效率,提高设计质量,4较大幅度地降低设计成本,5资料保管较为方便,特点,与传统的机械设计相比，无论在提高效率、改善设计质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，CAD技术都有着巨大的优越性，其主要特点如下。

现代设计技术,17,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.5计算机辅助设计的研究热点1计算机辅助产品的概念设计,概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它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、安全性等设计目标，其设计结果在很大程度上决定了产品的成本、性能及价值，对产品的设计质量起着举足轻重的作用，同时也决定了产品的创新性及其竞争力。

但是，概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确的、近似的或未知的，这就给CAD技术在该领域的应用带来了很大的难度。

现代设计技术,18,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,01,02,03,对群体成员之间的远程实时数据传输还存在一定程度的障碍，如何实时、可靠并且廉价地对群体成员之间有关产品设计的图形、文字、多媒体信息进行有效地交换，是当前需要解决的首要问题。

由于参与协同设计的群体成员在地域上的分散以及所用设备条件存在差异，因此，需要开发能够在异构环境中有效运行的设计系统，这就需要标准化工作来解决。

目前，应用最多的是CORBA，JAVA技术和通信领域的标准等。

但要完全支持协同设计，还有待完善标准并增加其功能。

设计成员的设计思想交流和方案讨论是借助电子会议来进行的，而讨论设计结果和修改设计方案主要依靠应用“共享”工具。

这一工具虽然能实现一个人对一个CAD工具的操作，也可以和电子会议系统相集成，但是也具有一定的局限性，即成员间不能直接进行交互操作，这是需要重点解决的问题。

2.2.5计算机辅助设计的研究热点2计算机支持的协同设计目前，计算机支持的协同设计主要还需要解决以下几个方面的问题。

现代设计技术,19,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.5计算机辅助设计的研究热点3海量信息的存储、管理和检索技术,随着CAD技术应用的深入发展，所涉及的各种信息也越来越多，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要求。

如何快速、有效地对海量信息进行存储、管理和检索，已成为人们关注的焦点。

现代设计技术,20,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.5计算机辅助设计的研究热点4智能CAD技术,智能化CAD是通过引用专家系统、人工智能等技术，使CAD作业过程具有某种程度智能的系统。

这样的系统能够模拟人类专家的思维方式，模拟领域专家如何运用他们的知识和经验来解决实际问题的方法与步骤，能在设计过程中适时地给出智能化提示，告诉设计者下一步该做什么、当前设计存在的问题，并给出解决问题的途径及方案建议。

现代设计技术,21,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.5计算机辅助设计的研究热点5CAD技术与虚拟现实技术的集成,虚拟现实（VirtualReality，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（HeadMountedDisplay）、数据手套（DataGlove）、数据衣（DataSuit）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实时的感知。

CAD技术和虚拟现实技术的有机结合，能够快速地显示设计内容、设计对象的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交互，灵活方便地修改设计，大大提高了设计效果与质量。

目前，虚拟现实技术所需的软、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。

现代设计技术,22,2.2计算机辅助设计（CAD）技术2.2.6计算机辅助设计的软件及应用1系统软件,3,2,1,操作系统,现代设计技术,23,编译系统,图形接口及接口标准,计算机分析软件,计算机分析软件,1,2,3,现代设计技术,24,有限元分析软件,优化设计软件,2.2计算机辅助设计（CAD）技术2.2.6计算机辅助设计的软件及应用2支撑软件常用的数学方法库及其可视化软件,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,集成化CAD/CAM软件,这些软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。

目前较为流行的CAD集成软件有：

美国PTC（ParametricTechnologyCorporation）公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG（Unigraphics），Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公司开发研制的集成智能化CAD系统，清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS等。

现代设计技术,25,2.2.6计算机辅助设计的软件及应用2支撑软件,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,数据库管理系统（DBMS）数据库管理系统用于管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。

数据库管理系统使用三种数据模型，即层次模型、网状模型和关系模型。

目前流行的数据库管理系统有DBASE，FOXBASE，FOXPRO，SYBASE等。

2.2.6计算机辅助设计的软件及应用2支撑软件,现代设计技术,26,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,网络软件,采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已经成为20世纪90年代CAD软硬件配置的首选方案。

网络服务软件为这些系统在网络上传输和共享文件提供了条件。

最常用的是Novell公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。

Microsoft的Windows95以上环境可直接支持绝大多数的网络互连服务。

现代设计技术,27,2.2.6计算机辅助设计的软件及应用2支撑软件,2.2计算机辅助设计（CAD）技术,2.2.6计算机辅助设计的软件及应用3应用软件,应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。

这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。

例如，模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属于应用软件。

现代设计技术,28,2.3有限元分析,2.3.1有限元法的基本概念和特点1有限元法基本概念有限元法（FiniteElementMethod，FEM）也称为有限单元法或有限元素法，其基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题进行求解。

物体被离散以后，通过对其中的各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析。

网络划分中每个小的块体称为单元。

确定单元形状、单元之间相互连接的点称为节点。

单元上节点处的结构内力为节点力，外力为节点载荷。

现代设计技术,29,2.3有限元分析,2,3,4,2.3.1有限元法的基本概念和特点有限元法的基本特点对复杂几何模型的适应性1,对于各种物理问题的适应性,建立在严格理论基础上的可靠性,适合计算机实现的高效性,5与通用CAD软件使用的集成性,特点,现代设计技术,30,2.3有限元分析,2.3.2有限元分析的过程1将分析对象几何离散化将分析对象几何离散化，即将连续的求解域离散为一组由虚拟的线或面构成的有限个“单元”的组合体。

离散后的单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，这样的组合体能够模拟或者逼近求解区域。

所以有限元分析的结构已经不是原有的物体或结构物，而是由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

也就是说，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。

如果划分单元的数目非常多且又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。

现代设计技术,31,2.3有限元分析,2.3.2有限元分析的过程2单元特性分析在有限元分析法中，位移模式的选择主要有选择节点位移作为基本未知量时的位移法、选择节点力作为基本未知量时的力法、取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时的混合法。

其中，位移法易于实现计算自动化，其应用范围最广。

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，根据弹性力学的几何方程和物理方程确定单元的刚度矩阵，形成如下所示的线性方程：

F=K式中：

F节点力向量；K单元刚度矩阵；节点位移向量。

选择位移模式分析单元的力学性质计算等效节点力,现代设计技术,32,对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到单元中去的，而物体离散后，假定的力是通过节点从一个单元传递到另一个单元中去的。

所以，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地转移到节点上去，即用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

2.3有限元分析,03,单元组集是指利用结构里的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来。

04,对式的有限元分析方程进行边界条件处理并,求解，得到节点位移。

在该步骤中，有限元模型的节点越多，线性方程的数量就越多，有限元分析的计算量也就越大，计算结果与实际情况越相符。

05,这是有限元分析的后处理部分，在该步骤中，对计算出来的结果进行加工处理，并以各种形式将计算结果显示出来。

2.3.2有限元分析的过程,现代设计技术,33,2.3有限元分析,2.3.3有限元分析的发展趋势,5,软件面向专业用户的开放性,4,提高自动化的网格处理能力,3,与CAD/CAM等软件的集成,2,由求解线性问题发展到求解非线性问题,1,由单一场计算向多物理耦合场问题的求解方向发展,现代设计技术,34,2.4现代设计方法,相较于传统的串行工程（SequentialEngineering，SE）生产方式，并行工程能够从产品设计一开始就对产品的关键技术进行全面考虑，以达到降低成本、提高产品质量和缩短开发周期的目的。

并行工程的核心是并行设计（ConcurrentDesign）。

并行设计在设计阶段综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维修等环节的因素，全面评价产品设计，及时反馈改进意见，迅速改进产品设计，使产品设计、工艺设计、制造一次成功。

如图2-4所示，在并行设计模式中，产品在各个阶段都有一些重合的部分，这使得并行设计比串行设计有更多的设计活动空间。

设计活动的并行开展，减少了整个设计过程的时间。

2.4.1并行设计1并行设计的基本概念,产品生命周期,需求分析,现代设计技术,35,方案设计,工程分析,制造设计、工艺设计,制造、装配,销售服务,结构设计,方案论证,设计反馈,加工反馈,市场反馈,图2-4并行设计模式,2.4现代设计方法,2.4.1并行设计2并行设计的技术工具,1,2,CAX技术：

CAX技术包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助检测（CAT）等。

DFX技术：

DFX是并行设计的支持技术，DFX中的X可以代表产品生命周期中的制造、装配、拆卸、检测、维护、支持等因素。

这些因素能够使设计人员在设计初期就考虑设计决策对后续过程的影响。

较常用到的是面向装配的设计（DFA）和面向制造的设计（DFM）。

PDM技术：

产品数据管理（PDM）技术是产品数据共享与过程管理技术，为并行设计提供了基础平台。

PDM将所有与产品有关的信息和过程集成于一体，并将从概念设计、计算分析、工艺流程设计、制造、销售、维修直至产品报废的整个生命周期相关的数据加以定义、组织和管理，使产品数据在整个生命周期内保持一致、最新、共享及安全。

技术工具,3,现代设计技术,36,2.4现代设计方法,2.4.2反求工程1反求工程的基本概念反求工程（ReverseEngineering，RE）也称逆向工程、反向工程等，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。

样品,CAM产生NC档,外形修饰,CAD曲面构建,数据处理,3D轮廓测量,模具加工,逐层产生STL文件,RP快速成型技术,模具成型,批量复制,图2-5反求工程工艺流程图,现代设计技术,37,2.4现代设计方法2.4.2反求工程2反求工程的关键技术,3,2,1,数据测量技术,现代设计技术,38,数据预处理技术,模型重构及产品制造技术,2.4现代设计方法2.4.2反求工程3反求工程的实际应用,新产品开发和改型设计,产品质量数字化检测,产品仿制,用于快速原型制造,1,3,2,4,现代设计技术,39,2.4现代设计方法,2.4.3模块化设计1模块化设计的基本概念模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。

模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。

“三化”互相影响、互相制约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标。

现代设计技术,40,相对独立性,互换性,通用性,现代设计技术,41,2.4现代设计方法2.4.3模块化设计1模块化设计的基本概念模块作为模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征：

2.4现代设计方法,2.4.3模块化设计1模块化设计的基本概念模块化设计能够迅速在各个领域得到广泛应用，主要得益于两方面竞争优势：

01,02,解决了品种、规格的多样化与生产专业化之间的矛盾。

现代设计技术,42,为使用先进的制造技术、提高设备的利用率创造了必要条件。

2.4现代设计方法,2.4.3模块化设计2模块化设计的主要方式,2,3,4,横向系列模块化设计1,纵向系列模块化设计,横向系列和跨系列模块化设计,全系列模块化设计,5全系列和跨系列模块化设计,主要方式,现代设计技术,43,2.4现代设计方法,绿色设计是在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。

2.4.4绿色产品设计1绿色设计的基本概念及主要特征,目标设定,实施与完善,绿色设计方案制定,引入绿色设计工具,检查清单建立,综合性产品分析,产品信息市场咨询相关法律法规环境因素,检查清单建立方法：

生命周期流程法绿色设计主体分类法产品类别法,绿色设计关键技术：

材料选择结构设计回收设计包装设计节能设计,图2-6产品绿色设计流程,现代设计技术,44,绿色设计的基本概念,2.4现代设计方法2.4.4绿色产品设计1绿色设计的基本概念及主要特征,绿色设计的主要特征,2,有利于环境保护，降低资源需求,1,扩大了产品的生命周期,现代设计技术,45,2.4现代设计方法2.4.4绿色产品设计2绿色设计方法,1,3,2,4,生命周期设计方法,现代设计技术,46,并行工程方法,模块化设计方法,面向对象法（DesignforX，DFX）,2.4现代设计方法,2.4.4绿色产品设计3绿色设计准则,与材料有关的准则,少用短缺或稀有的原材料，多用废料、余料或回收材料，尽量寻找短缺或稀有原材料的代用材料,现代设