第四章先进设计技术

1、先进制造系统Advanced Manufacturing System 先进制造系统v第 1 章 先进制造系统总论v第 2 章 先进制造系统基本原理v第 3 章 先进制造模式 v第 4 章 先进设计技术v第 5 章 先进制造装备及技术 v第 6 章 先进制造工艺技术 v第 7 章 绿色设计与制造v第 8 章 典型产品的制造系统 v第 9 章 制造系统展望先进设计技术v4.1 先进设计技术的定义、内容与特点v4.2 计算机辅助X（CAX）v4.3 面向X的设计（DFX） v4.4 模块化设计（MD）4.1 先进设计技术的定义、内容与特点一、先进设计技术的定义先进设计技术是指融合最新科技成果，适应

2、当今社会需求变化的，新的、高级水平的各种设计方法和手段。“先进”，是指在设计活动中，由于融入新的科技成果，特别是计算机技术和信息技术的成果，从而使产品在性能、质量、效率、成本、环保、交货时间等方面，达到明显高于现有产品，甚至创新的水平。二、先进设计技术的基本内容(1)基础技术基础技术 v 是指传统的设计理论与方法，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。(2)主体技术主体技术v是指计算机支持的设计技术，包括：计算机辅助X（X指产品设计、工艺设计、数控编程、工装设计等），面向“X”的设计（X指加工、装配、成本、质量等），优化设计，有限元分析，模拟仿真，虚拟设计，工程数据

3、库，快速响应设计，智能设计等。4.1 先进设计技术的定义、内容与特点二、先进设计技术的基本内容(3)支撑技术支撑技术1) 现代设计理论与方法现代设计理论与方法：系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业设计、安全性设计、动态设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、稳健设计、耐环境设计、摩擦学设计、人机工程设计、可信性设计等。2) 设计试验技术设计试验技术：产品性能试验、可靠性试验、环保性能试验、数字仿真试验和虚拟试验等。4.1 先进设计技术的定义、内容与特点二、先进设计技术的基本内容(4)应用技术应用技术v是为了实用而派生的各类具体产品设计领域的

4、技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。4.1 先进设计技术的定义、内容与特点4.1 先进设计技术的定义、内容与特点三、先进设计技术的特点v数字化数字化v智能化智能化v动态化动态化v系统性系统性v优化性优化性v创新性创新性v社会性社会性4.2 计算机辅助X（CAX）v计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）v计算机辅助工程计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）v计算机辅助工艺设计计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）v计算机辅助制造计算机辅

5、助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）计算机辅助工装设计计算机辅助工装设计（Computer Aided Fixture Design，CAFD）v一、计算机辅助设计（CAD）v 1. CAD的发展的发展v.第一代CAD系统出现于60年代，这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。4.2 计算机辅助X（CAX）4.2 计算机辅助X（CAX）1959，DAC-1（Design Automated by Computer ）, 第一个第一个commercial CAD 系统，由系统，由IBM为为General Motor

6、s开发开发Dr. Patrick J. Dr. Patrick J. HanrattyHanratty 于于1957 1957 开发开发了第一个了第一个commercial commercial numerical-control numerical-control programming systemprogramming system被称为：被称为：“the Father the Father of CAD/CAM ”of CAD/CAM ” v60年代初期，年代初期，Ivan Sutherland，SKETCHPADv光笔实现人机交互，定位图形元素光笔实现人机交互，定位图形元素v工程图轮

7、廓、尺寸等的分层表示工程图轮廓、尺寸等的分层表示v交互式图形学与计算机辅助设计的基础交互式图形学与计算机辅助设计的基础4.2 计算机辅助X（CAX）一、计算机辅助设计（CAD） 1. CAD的发展的发展In 1969 Computer vision成立，第一个商用成立，第一个商用 CAD system 卖给了卖给了 Xerox 公司公司 （施乐）（施乐） 当年，当年，Xerox PA RC(Palo Alto研究中心研究中心) 成成立立 ，GUI（图形用户界面）诞生（图形用户界面）诞生4.2 计算机辅助X（CAX）Windows 1995 Apple Macintosh 1984 Xerox

8、Star, 1981 v一、计算机辅助设计（CAD）v 1. CAD的发展的发展 第二代CAD系统始于70年代，直到目前还在广泛应用，这一代系统主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、表面模型和实体模型。在实体造型上广泛采用了实体几何构造法（CSG法）和边界表示法（B-rep法），并在系统内部采用了数据库技术，形成了一些商品化程度高的实用系统。 4.2 计算机辅助X（CAX）v一、计算机辅助设计（CAD）v 1. CAD的发展的发展v 1970年，法国年，法国Renault 公司的公司的Pierre Bezier提出提出一种全新的数学方法，用于构造汽车自

9、由曲面。由一种全新的数学方法，用于构造汽车自由曲面。由他领导研制的他领导研制的Unisurf曲面造型和曲面造型和UniAPT曲面加工曲面加工系统，从系统，从1972年起应用于汽车外形打样和模具加工，年起应用于汽车外形打样和模具加工，为计算机辅助几何设计为计算机辅助几何设计CAGD研究方向奠定了基础研究方向奠定了基础和发展方向。和发展方向。v贵族化的曲面造型系统贵族化的曲面造型系统第一次第一次CAD技术革命技术革命（70年代）年代）4.2 计算机辅助X（CAX）v美国的洛克希德美国的洛克希德(Lochheed)公司从公司从1974年起向市年起向市场推出了场推出了CADAM系统，成为系统，成为70

10、年代中至年代中至80年代末年代末国际上最流行的第一代国际上最流行的第一代IBM主机版交互绘图系统主机版交互绘图系统v麦道公司从麦道公司从1976年起开发年起开发Unigraphics系统，简称系统，简称UG，目前属于，目前属于EDS公司（公司（1975年建立）年建立）v法国法国 达索达索Dassault 公司公司1975年花一百万美元买下年花一百万美元买下了了CADAM源程序，学习源程序，学习CADAM的技术诀窍，同时的技术诀窍，同时又发展又发展Bezier曲面造型方法，自主开发了曲面造型方法，自主开发了CATIA飞飞机外形设计和数控加工系统。机外形设计和数控加工系统。4.2 计算机辅助X（C

11、AX）v基于对于基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，一体化技术发展的探索，SDRC公司于公司于1979年发布了世界上第一个完年发布了世界上第一个完全基于全基于实体造型技术实体造型技术的大型的大型CAD/CAE软件软件I-DEAS。由于实体造型技术由于实体造型技术 能够精确表达零件的全部属能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。模型表达，给设计带来了惊人的方便性。CAD发展史上第二次技术革命。发展史上第二次技术革命。 4.2 计算机辅助X（CAX）v一、计算机辅助设计（CAD）v 1. CAD的发展

12、的发展v第三代CAD系统始于80年代中期。微型机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备的问世，使CAD技术在三维几何造型等方面取得了很大的成就并达到普遍应用的地步。在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维或三维的参数化设计系统，而且出现了这两种建模方法互相融合的系统。这种系统常常在二、三维模型之间以及与CAM系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库，因此做到了二、三维模型修改时的相互关联性，以及CAD/CAM的信息集成。 4.2 计算机辅助X（CAX）v进入进入80年代中期，年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首公司内部以高

13、级副总裁为首的一批人提出了一种的一批人提出了一种参数化实体造型方法参数化实体造型方法主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改关、尺寸驱动设计修改v80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，大大推动了中小企业对下降，大大推动了中小企业对CAD技术的应用技术的应用v第三次第三次CAD技术革命技术革命4.2 计算机辅助X（CAX）v一、计算机辅助设计（CAD）v 1. CAD的发展的发展 第四代CAD系统是90年代以来的商品化系统。目前市场上商品化的软件，如PTC公司的Pr

14、o/Engineer，EDS公司的UGII，SDRC公司的I-DEAS等，都具备强大的造型功能、简便的操作以及系统内部比较完善的信息管理手段。理想的第四代CAD系统是一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。目前这一代系统的相关技术还处在研究与发展中。 4.2 计算机辅助X（CAX）vSDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化变量化技术技术，作为今后的开发方向。，作为今后的开发方向。v经三年时间，投资一亿多美元

15、，将软件全部重新改经三年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于写，于1993年推出全新体系结构的年推出全新体系结构的 I-DEAS Master Series 软件软件在早期出现的大型在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在软件中，这是唯一一家在90年代年代将软件彻底重写的厂家。将软件彻底重写的厂家。第四次第四次CAD技术革命技术革命目前市场上商品化的软件，如PTC公司的Pro/Engineer，EDS公司的UGII，SDRC公司的I-DEAS等4.2 计算机辅助X（CAX）v微机平台CAD系统：Autodesk公司vAutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛

16、的用户群vMicrostation 美国BentleyvSolidworksDassault(法国达索公司）三维机械设计系统 vSolidedge EDS机械零件和组合件设计实体模型系统 vCimatron：以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统vIronCAD美国，创新式协同设计4.2 计算机辅助X（CAX）4.2 计算机辅助X（CAX）v国产CAD系统高华CAD 清华CAXA电子图板 北航海尔软件公司GS-CAD98 浙大金银花系统 广州红地技术有限公司开目CAD 华中理工大学机械学院 v二维较成熟，三维开始起步v绘图技

17、术较为成熟，全面整合较欠缺意为：领先一步的计算机辅意为：领先一步的计算机辅 助设计与产品助设计与产品v一、计算机辅助设计（CAD）v2。CAD的过程与原理4.2 计算机辅助X（CAX）图图4-1 4-1 传统的产品设计过程传统的产品设计过程设计任务书设计任务书任务书任务书分析分析条件协商条件协商确定设计参数确定设计参数资料的调研和分析资料的调研和分析总体结构方案拟定总体结构方案拟定方案论证方案论证更改更改设计设计调整调整结构设计与绘图结构设计与绘图编写技术文件编写技术文件交付交付制造制造图图4-2 CAD过程模型过程模型 CAD系统系统设计设计经验经验专家专家知识知识决策决策能力能力设计者设计

18、者提出设提出设计任务计任务确定设确定设计目标计目标建立设建立设计模型计模型设计设计综合综合分析分析计算计算审核审核检验检验表达设表达设计结果计结果产品产品模型模型工程工程分析分析动态动态模拟模拟自动自动绘图绘图计算机硬件与软件计算机硬件与软件数据库数据库知识库知识库图形库图形库4.2 计算机辅助X（CAX）v一、计算机辅助设计（CAD）v2。CAD的过程与原理vCAD技术的基本内容包括： v图形处理技术 如自动绘图、几何建模、图形仿真及其他图形输入、输出技术。v工程分析技术 如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。v数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范

19、及接口技术等。v文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等。v软件设计技术 如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。4.2 计算机辅助X（CAX）v一、计算机辅助设计（CAD）v2。CAD的过程与原理4.2 计算机辅助X（CAX）CADCAD系统的硬件基本组成系统的硬件基本组成4.2 计算机辅助X（CAX）系统软件系统软件v操作系统、语言系统、操作系统、语言系统、v数据库管理系统数据库管理系统支撑软件支撑软件v图形接口标准、绘图软件、图形接口标准、绘图软件、v计算分析软件、计算分析软件、CAD/CAM软件软件应用软件应用软件v为用户解决的程序。二次开为用户解决的程序。二次开发、优化设计、工程

20、数据库、发、优化设计、工程数据库、专家系统。专家系统。应应用用软软件件支支撑撑软软件件系统系统软件软件CADCAD系统的软件基本组成系统的软件基本组成一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理CAD技术的功能技术的功能v产品方案设计v结构设计与分析v产品性能分析与仿真v产品结构的可装配性检查v自动生成产品的设计文档资料v设计文档的管理及产品数控加工仿真4.2 计算机辅助X（CAX）一、计算机辅助设计（CAD）3。计算机辅助绘图(1)人机交互式绘图人机交互式绘图 (2)参数化绘图参数化绘图(3)利用图形库绘图利用图形库绘图 (4)利用实体

21、造型绘图利用实体造型绘图 4.2 计算机辅助X（CAX）v二、计算机辅助工艺设计（CAPP）v 1. 工艺设计的任务和内容工艺设计又称为工艺过程设计，或称为过程设计。工艺设计的任务是：在给定的资源（机床、刀具、夹具等）约束下，为实现期望的目标（可行的工艺计划，优化的费用等），选择和确定详细的工艺过程，使零件毛坯经过确定的形状、性质和表面质量的改变，能够成为所需的成品。 4.2 计算机辅助X（CAX）二、计算机辅助工艺设计（CAPP） 1. 工艺设计的任务和内容工艺设计的主要内容包括以下7方面： 选择机床 选择刀具 确定定位装夹方案 确定工步序列4.2 计算机辅助X（CAX）确定切削参数生成工艺

22、文件数控编程准备从根本上解决人工设计效率低，周期长，成本高的问题可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来，集中精力去提高产品质量和工艺水平CAPP 是连接 CAD 和 CAM 系统的桥梁，是发展计算机集成制造的不可缺少的关键技术设计效率低，周期长，成本高不必要的花色繁多，不利于管理设计质量参差不齐，难于实现优化设计工艺人员短缺和老化是全球机械制造业面临的共同问题4.2 计算机辅助X（CAX）v二、计算机辅助工艺设计（CAPP）v2。CAPP系统的设计与开发 v(1)CAPP的设计方法 4.2 计算机辅助X（CAX）CAPP系

23、统设计方法系统设计方法检索式检索式派生式派生式创成式创成式基于基于标准工艺文件标准工艺文件的设计的设计基于基于典型工艺文件典型工艺文件的设计的设计基于基于规则知识规则知识的设计的设计图图4-10 CAPP系统设计方法系统设计方法零件组矩阵零件编码查 找零件组输入表头信息工艺规程格式工艺规程打印输出标准工艺路线文件标准工序文件 CAM-I 推出的派生式 CAPP 系统框图工作要素处理应用程序工艺路线检索/编辑标准工序检索/编辑工艺规程存储器4.2 计算机辅助X（CAX）标准工艺规程文件特征矩阵文件零件图编码第零件组零件组形成工艺过程设计a）准备阶段 图5-43 派生式 CAPP 系统工作的两个阶

24、段零件图标准工艺检索编码第零件组零件组搜索工艺 规程（编辑）b）使用阶段派生式 CAPP 系统工作的两个阶段派生式 CAPP 系统特点： 1）程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统。 2）需人工参与决策，自动化程度不高。 3）具有浓厚的企业色彩，局限性较大。从无到有生成（工艺决策算法和逻辑推理）零件信息描述零件工艺过程 4.2 计算机辅助X（CAX）例：普渡大学APPAS（Automated Process Planning and Selection）系统是一个实验性系统，适用于非回转类零件表面加工方法的生成 每一加工表面用一数组表示：孔 AT（40）面 AT（32）槽 AT

25、（31）数组各元素含义： 表面编号； 表面类型（如：1圆孔，2平面，3槽）； 类型号码（取决于类型，如孔：1圆孔，2锥孔，3螺孔）； 材料类型（如：1铸铁，2球铁，3钢）； 材料硬度 零件加工表面信息输入 逻辑关系的建立读入一个表面数据CALL SIMHOL精镗孔/面/槽？光孔/台阶孔？CALL ACCHOLCALL SLOTCALL SURFACECALL COMHOLCALL CORHOLCALL DRILLCALL REAM钻可行？铰可行？套料否？槽面Y光孔台阶孔NNNYY图5-44 APPAS系统工艺决策程序框图 加工方法选择 每种加工方法均对应于一定的工作范围 例例：麻花钻钻孔对应的

26、工作范围 DMAX = 2, DMIN = 0.0625 ES = 0.007D + 0.003 , EI=0.007D 位置精度：0.008 粗糙度：Ra =200m 长径比：L / D12 创成式CAPP系统特点： 1）不需人工干预，自动化程度高。 2）决策更科学，具有普遍性。 3）由于工艺过程设计经验成分偏多，理论还不完善，完全彻底的创成式CAPP系统还在研究探索之中。派生式CAPP系统完全以人的经验为基础，难于保证设计最优，且局限性较大； 完全创成式CAPP系统还不成熟。 将两者结合起来，采用部分创成，部分派生（或部分人工干预）的方法是一种可取的方案。 半创成式CAPP系统特点： 1）

27、集派生式及创成式系统的优点，又克服两者的不足。 2）目前为多数 CAPP 系统采用。 例例：神户大学开发的半创成式CAPP系统（图5-45）热处理、表面处理、手工作业等补充加工顺序和工序修正加工顺序处理机床选择调入一个零件数据机床组合零件数据工艺规程处理完否？NY工艺规程打印策略存储器机床文件 加工顺序存储器1000个零件数据 余量、精 度存储器动态制约：例轴长径比限制；淬火后只能磨确定加工方法策略；机床选用顺序；机床选用策略典型加工顺序检索确定加工余量划分加工阶段人工干预动态存储器图5-45 神户大学半创成式 CAPP 系统程序框图开目CAPP 零件加工表面可分为基本形面和辅助形面；形面可用

28、特征参数进行描述；形面与一定的加工方法相联系 较粗糙，信息输入不完整 多用于只需制定简单工艺路线的场合 只适用于派生式CAPP 系统1）成组编码法： 输入工作量大是其主要的弱点2）形面描述法： 可完整地描述零件的几何、工艺信息，是目前 CAPP 系统使用最多的信息输入方法 多采用菜单（交互）方式输入，便于操作 1. 圆柱面 2. 圆锥面 3. 圆柱齿轮 4. 圆锥齿轮 5. 蜗轮齿形 6. 花键 7. 螺纹 8. 滚花 9. 退出外部基本形面菜单1. 直径： 上偏差： 下偏差：2. 长度： 上偏差： 下偏差：3. 表面粗糙度（Ra）：4. 是否基准面：5. 形位公差代号： 公差： 基准：6.

29、有无辅助面？ 有 无外圆柱面特征参数 1. 径向孔 2. 端面孔 3. 径向螺孔 4. 端面螺孔 5. 圆弧槽 6. 矩形槽 7. 端面槽 8. 斜孔 9. 退出外部辅助形面菜单圆柱面有3）与CAD系统相连接专用接口示例专用接口AutoCAD系统实体模型几何/拓扑特征识别提取输入工艺管理信息特征文件TJU-CAPP系统 通用接口、专用接口、共享数据库 由于目前CAD系统多为实体造型系统，需采用特征识别的方法补充输入工艺信息 发展基于特征造型的CAD系统是长久之计 特点：1）直观，容易建立，便于编程 2）难于扩展和修改 形式：由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定

30、性条件） 条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”分支终点列出应采取的行动（决策行动）1）决策树E3（螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差0.05）E5（0.05 位置度公差0.25）E6E7（直径公差 0.05）E8（0.05 直径公差 0.25）E9（直径公差 0.25）（位置度公差0.25）A1坐标镗A2精镗A3半精镗A4粗镗A5铣A6钻孔， 攻丝表面加工方法选择决策树【例】特点：1）表达清晰，格式紧凑，便于编程 2）难于扩展和修改 用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。 表格分为4个区域（图4-22），左上角为条件项目，右上角为条

31、件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系，决策表的每一列均可视为一条 决策规则。2）决策表 例例：加工方法选择决策表（前例）加工方法选择决策表螺孔槽孔位置度公差0.050.05位置度公差0.25位置度公差0.25直径公差0.050.05直径公差0.25直径公差0.25粗镗半精镗精镗坐标镗铣钻孔，攻丝 派生式 CAPP 系统利用成组技术原理和典型工艺过程进行工艺决策，经验性较强。 创成式 CAPP 系统利用工艺决策算法（如决策表、决策树等方法）和逻辑推理方法进行工艺决策，较派生式前进了一步，但存在着算法死板、结果唯一、系统不透

32、明等弱点；且程序工作量大，修改困难。 采用专家系统进行工艺决策1）什么是专家系统：在特定领域内具有与该领域人类专家相当智能水平的计算机知识程序处理系统计算机知识程序处理系统。专家系统主要用于处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题（工艺过程设计正属于这类问题）。 事实知识（手册、资料等共有的知识） 过程知识（推理原理、规则、方法）控制知识（系统本身控制策略）2）专家系统的构成： 知识库 用于存储专家知识，包括： 推理机具有推理能力，可以根据问题导出结论 数据库存放事实（包括输入信息和推理得到的事实）图5-49 专家系统的构成知识库数据库推理机知识获取专家用户接口最终要求（目标） 选

33、择适当的规则 满足最终要求的加工方法（或加工参数）给出最终加工方法的初始状态新的要求（目标）选择规则 原始状态（毛坯） IF 铰孔加工 THEN 前序加工：扩孔 规则 2IF 扩孔加工 THEN 前序加工：钻孔 规则 3规则 1IF 孔径20 AND 材料：非淬火钢 AND 精度：H7THEN 加工方法：铰孔例例：箱体零件上 7 级精度孔的加工路线确定v二、计算机辅助工艺设计（CAPP）v2。CAPP系统的设计与开发v（3）CAPP系统的发展方向系统的发展方向v1)集成化集成化 2)智能化 3)并行化 4)标准化 4.2 计算机辅助X（CAX）v三、计算机辅助制造（CAM）v1。CAM的发展v

34、20世纪50年代诞生了第一代以英语为基础的数控自动编程工具（APT），并在此基础上派生出多个自动编程系统，如欧洲的EXAPT，日本的FAPT等。 编程过程比较繁琐且不直观v90年代的CAM中的数控编程已普遍采用人机图形交互自动编程。 4.2 计算机辅助X（CAX）4.2 计算机辅助X（CAX）v2。CAM的概念 财务计划财务计划会计会计 供销供销 机床机床 装配机械装配机械 质量管理质量管理生产生产管理管理研究与发展研究与发展 资料选择资料选择草图设计草图设计 试验试验中央管理中央管理生产说明书生产说明书 规范规范 零件数控编程零件数控编程 确定工具确定工具库存管理库存管理 供应与分配供应与分

35、配 生产控制生产控制 设备维修设备维修工程工程设计设计工程工程生产生产工程工程生产生产过程过程控制控制财务财务 一级一级 二级二级 三级三级 计算机计算机广广义义CAM的的分分级级结结构构v三、计算机辅助制造（CAM）v2。CAM的概念通常说的CAM是狭义CAM，其内涵是：根据被加工零件的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求，确定加工方法、加工路线和工艺参数加工方法、加工路线和工艺参数，再进行数值计算获得刀位数据文件刀位数据文件。然后，根据刀具尺寸、刀具中心轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、刀具进给量、切削深度等）以及辅助功能（主轴正反转、冷却液开关等），按数控机床所采用的代码及程序格式，编制出

36、工件的数控加工指令程序数控加工指令程序。 4.2 计算机辅助X（CAX）v三、计算机辅助制造（CAM）v3。CAM的内容v数控自动编程，得到刀位数据文件。v刀位数据文件经后置处理得到所用数控机床的数控加工指令程序。v刀具自动调度设计。v计算机辅助工艺设计及工装设计。工装设计包含刀具、夹具、量具设计。4.2 计算机辅助X（CAX）v三、计算机辅助制造（CAM）v3。CAM的内容v走刀轨迹和工艺过程自动检验。v修改数控指令程序，再返回步骤，直到合格为止。v用软材料加工工件样品，或用RP法加工出样件。若顾客满意就开始加工，否则再次返回步骤修改数控指令程序，至顾客满意为止。v工件检验程序设计。v实施制

37、造装备的数字控制。v编制工序、材料、装备、工具、工时等的目录。4.2 计算机辅助X（CAX）4.2 计算机辅助X（CAX）图图4-14 数控自动编程过程数控自动编程过程修改修改数控程序系统数控程序系统计算机计算机零件加工程序单零件加工程序单数控纸带数控纸带零件图形零件图形接口接口数控语言数控语言零件图纸零件图纸确定工艺过程和工艺参数确定工艺过程和工艺参数零件源程序零件源程序源程序纸带源程序纸带CAPP系统系统CAE系统系统CAD系统系统CAM系统系统产品结构设计信息工程分析评价反馈产品设计任务工艺评价反馈产品工艺信息仿真分析 评价反馈CAD/CAE/CAPP/CAM的集成信息的集成信息4.3

38、面向X的设计（DFX）l面向制造的设计（Design For Manufacturing，DFM） 强调在设计过程中考虑加工因素，即可加工性和加工的方便性；l面向装配的设计（Design For Assembly，DFA） 强调在设计过程中考虑装配因素，即可装配性、装配的方便性和减少装配价格； l面向成本的设计（Design For Cost，DFC） 在设计阶段综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，并根据成本原因及时进行设计修改，从而达到降低产品成本的目的。 l面向质量的设计（Design For Quality，DFQ） 在设计阶段进行质量控制，保证所设计的产品

39、满足顾客的质量要求。 l面向环境的设计（Design For Environment，DFE） 在设计时充分考虑产品在生产和使用过程中，消耗的资源最少，对环境的污染最少，对操作者的危害最低，产品可以回收利用，以节约资源，保护环境。 DFE也称为生态化设计ED（Ecological Design），包括面向拆卸的设计（Design for Disassembly，DFD）和面向回收的设计（Design for Recovering and Recycling，DFR）。4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（DFM）1.DFM的发展的发展在传统的产品开发方式中，设计者通常重点考虑的是

40、实现产品的实现产品的功能和性能指标，功能和性能指标，较少考虑产品的可制造性和经济性评价 。两个原因：产品的可制造性和经济性信息不够全面，进行可制造性和经济性的评价有相当的难度；设计者对企业的制造工艺和制造资源及产品的经济性缺乏全面的了解。vDFM使设计者不仅要考虑产品的功能和性能的要求，而且还必须同时考虑其可制造性、经济性和制造周期，在保证产品性能的前提下，使制造成本尽可能降低。4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（DFM）1.DFM的发展的发展20世纪80年代后期，由于计算机技术和通信技术的迅速发展，人们在以零件为研究对象的面向加工设计以零件为研究对象的面向加工设计领域的研究也

41、取得了较大进展，主要体现在对基本知识的可制造性（确切说是可加工性可加工性Machining）评价系统工程、DFM专家系统、CAD/CAPP并行交互设计系统及基于制造特征的设计系统的开发研究上。 4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（DFM）v2. DFM的基本原理的基本原理vDFM通常定义为通常定义为“实现产品及其相关过程并行设计的系统化方法”。也译作。也译作 “设计为了制造”。v它把产品设计和工艺设计集成在一个共同的活动中，它把产品设计和工艺设计集成在一个共同的活动中，使设计者在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造使设计者在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造有关的约束（如有关

42、的约束（如可制造性可制造性），在制造工艺和制造资源），在制造工艺和制造资源环境的约束下进行零件形状结构设计，全面评价产品环境的约束下进行零件形状结构设计，全面评价产品设计和工艺设计，同时提供改进设计的反馈信息，在设计和工艺设计，同时提供改进设计的反馈信息，在设计过程中完成可制造性检测，以使产品的结构合理、设计过程中完成可制造性检测，以使产品的结构合理、制造简单、装配性好，并实现全局优化。制造简单、装配性好，并实现全局优化。4.3 面向X的设计（DFX）4.3 面向X的设计（DFX）任务任务提出产品概念、产品计划和设计目标提出产品概念、产品计划和设计目标图图4 4-15 典型的典型的DFM过程过

43、程工程工具包工程工具包 零件绘图零件绘图 零件目录零件目录 装配图装配图 过程设计过程设计优化产品优化产品/工艺概念工艺概念优化产品结构优化产品结构简化产品设计简化产品设计确保产品确保产品/工艺一致性工艺一致性v一、面向制造的设计（DFM）v2. DFM的基本原理的基本原理vDFM是一种综合方法，它使用了多种信息，包括：是一种综合方法，它使用了多种信息，包括：v设计图、产品设计任务书、设备选择方案；设计图、产品设计任务书、设备选择方案；v生产和加工过程详情；生产和加工过程详情；v制造成本、产量和投产日期的估计。制造成本、产量和投产日期的估计。许多公司实施许多公司实施DFM时，采用结构化的、跨部

44、门的、以时，采用结构化的、跨部门的、以组为基础的开发机构，以集成和共享组为基础的开发机构，以集成和共享DFM信息。信息。4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（DFM）v2. DFM的基本原理的基本原理vDFM的主要原则有：的主要原则有：v简化零件的形状；简化零件的形状；v尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；v选用便于加工的材料；选用便于加工的材料；v尽量设置较大的公差；尽量设置较大的公差；v采用标准件与外购件；采用标准件与外购件；v减少不必要的精度要求。减少不必要的精度要求。4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（DFM）v

45、2. DFM的基本原理的基本原理v狭义DFM主要是零件的可加工性可加工性评价。其中的M（制造）是指构成产品的单个零件的切削、铸造、焊接、冲压等加工过程。称为面向加工的设计DFM（此处M应为Machining）v广义DFM既包括产品结构的设计，又包括零件结构的设计。广义DFM包含下列内容内容：零件的可加工可加工性性部件和整机的可装拆性可装拆性零部件加工和装配质量的可检测性可检测性零部件和整机性能的可试验性可试验性零部件和整机的可维修性可维修性零部件及材料的可回收性可回收性等。4.3 面向X的设计（DFX）3. 产品可制造性的评价产品可制造性的评价表4-1 产品可制造性评价内容评价指标评价内容技术

46、性装配工艺性装配自由度、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、自定心结构、定位与联接、结构与装配匹配、利于装配的辅助结构零件标准化、装配标准化、结构工艺性热处理性、锻造性、焊接性、铸造性、切削性、制造资源约束、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、功能与结构匹配、结构与加工方法匹配、结构继承性、结构与批量匹配、结构标准化、产品系列化加工可行性精度与功能匹配、精度与加工方法匹配、精度与粗糙度匹配、形位精度与尺寸精度匹配、材料与加工方法匹配、加工方法与批量匹配、材料与刀具匹配、工艺继承性、满足装夹定位基准规则、装夹稳定性结构、易装夹结构材料标准化、工艺标准化、辅助工具标准化、经济性成本材料成本、外

47、协成本、加工成本（毛坯、热处理、劳动、机床、刀具、工装成本）、装配成本、运输成本、仓储成本、管理成本时间加工时间、装配时间、工装准备时间v一、面向制造的设计（DFM）v3. 产品可制造性的评价产品可制造性的评价v技术性评价技术性评价体现了制造功能的约束，主要评价产品结构合理性及加工可行性。经济性评价经济性评价反映了企业的目标需求。v可制造性评价的两个方面是互相联系的可制造性评价的两个方面是互相联系的。技术性评价通过分析并及时发现产品设计的不合理因素，避免不必要的浪费，从而提高经济性。经济性评价是建立在技术分析的基础上，是技术指标的经济体现。 4.3 面向X的设计（DFX）v一、面向制造的设计（

48、DFM）v3. 产品可制造性的评价产品可制造性的评价v产品可制造性评价方法有三类： v经验评价经验评价 v定量评价定量评价 v基于知识的评价基于知识的评价 4.3 面向X的设计（DFX）v经验评价经验评价 这类方法又分三种：v依赖专家对少量几个指标（如时间、费用等）来定性评价零件的可制造性，而且凭经验确定权值。缺点是：常存在估算偏差和估算周期过长。v从产品的功能产品的功能出发，提出一些设计公理指导产品设计，在产品设计中的每个决策由公理引导，最终设计出可制造性好的产品。由于不同人员对公理的认识有很大不同，所以实施起来比较困难。v从制造工艺制造工艺出发，保证设计出来的产品能够在某种特定的环境条件下

49、，采用某种特定的加工工艺加工出来，例如，面向铸造的设计，面向锻压的设计，面向加工中心的设计等，该方法针对性强，一般在产品具有明确的生产单位时经常采用。 4.3 面向X的设计（DFX）v定量评价定量评价 一般利用计算机程序按经验公式自动评价可制造性v从缩短生产成本缩短生产成本出发，该方法常用于产品的技术报价系统，用于产品的成本估计。v从制造工艺制造工艺出发，该方法以加工方法以及加工方法的难度为基础，结合生产单位的实际情况，用百分制表达加工难度和加工费用，并对不合理的加工方法进行改进，评估产品的制造性。v从产品的性能价格比产品的性能价格比出发，分析产品的每个功能和每个功能的价值，综合市场需求，精简

50、或增加新的功能，去掉费用大而又增值少的产品的功能。4.3 面向X的设计（DFX）v基于知识的评价基于知识的评价随着计算机技术和人工智能的发展，产品的制造性评价系统逐渐发展起来。利用各种数学模型和经验公式建立各应用领域如注射模、冲压模和机加工等的费用估算专家系统。由于各个系统的解决对象不同，系统功能有所差别。 4.3 面向X的设计（DFX）推理机推理机解释器解释器结构数据结构数据图形表示图形表示（CAD）结论咨询结论咨询决策模型决策模型CAD接口接口知识获取知识获取图图4-16 基于知识的基于知识的DFM系统结构系统结构开始开始知识库知识库动态动态知识库知识库4.3 面向X的设计（DFX）v二、

51、面向装配的设计（DFA）v1. DFA的发展的发展v装配是将零件结合成完整产品的生产过程。vDFA（Design for Assembly）是一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法。它是最早也是目前最成熟的DFX方法。 4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v1. DFA的发展的发展vDFA的产生可追溯至20世纪60年代初，是在为了实现装配自动化而进行产品结构改进的研究中形成的。 v20世纪70年代，面向装配的产品设计在工业化国家兴起。1980年美国马萨诸塞大学的G. Boothroyd教授等人首次采用面向装配的设计（面向装配的设计（DFA）这一术语。DFA也译作设计

52、为了装配，或可装配性设计。4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v1. DFA的发展的发展v现在，DFA已成为一种优化产品设计以获得最低的装配费用的技术。DFA在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在评价的基础上，进行产品再设计，通过再设计，使产品易于装配，从而降低产品的装配费用。4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）2. DFA的主要内容的主要内容 v(1)产品装配模型的信息描述产品装配模型的信息描述v(2)产品的可装配性分析产品的可装配性分析v(3)产品的可装配性评价产品的可装配性评价v(4)产品的可装配

53、性再设计产品的可装配性再设计4.3 面向X的设计（DFX）4.3 面向X的设计（DFX）产品装配模型产品装配模型图图4-18 产品装配模型的信息组成产品装配模型的信息组成几何信息几何信息管理信息管理信息拓扑信息拓扑信息工程语义信息工程语义信息装配工艺信息装配工艺信息装配资源信息装配资源信息二、面向装配的设计（DFA）2. DFA的主要内容的主要内容 (1)产品装配模型的信息描述产品装配模型的信息描述v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内容的主要内容 v(1)产品装配模型的信息描述产品装配模型的信息描述v基于图形的表示方法v基于关系数据库的表示方法v面向对象的表示方法4.3 面向X

54、的设计（DFX）4.3 面向X的设计（DFX）图4-19 基于图形的表示方式1箱体 2轮 3螺栓 4箱盖 5轴 6套3214561314256v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内容的主要内容v(2)产品的可装配性分析产品的可装配性分析1)确定产品可装配性类别确定产品可装配性类别手工装配；专用机械（自动化）装配；程序控制机械（包括机器人）装配2)确定产品可装配性分析方法确定产品可装配性分析方法 基于实验的方法 基于统计的方法 基于建模的方法 4.3 面向X的设计（DFX）4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内容的主要内容v3)分析影响产

55、品的分析影响产品的可装配性的各种因可装配性的各种因素素图图4-20 4-20 广义设计中的可装配性影响广义设计中的可装配性影响因素因素（外因）（外因）产品产品产品种类产品种类产品结构产品结构零部件零部件装配工艺装配工艺装配策略装配策略装配结构装配结构工艺过程工艺过程产品产品可装配可装配性性装配系统装配系统系统种类系统种类系统配置系统配置系统元件系统元件（外因）（外因）（内内因）因）v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内容的主要内容4.3 面向X的设计（DFX）4)考察各因素之间的相互作用和相互关系考察各因素之间的相互作用和相互关系可以从多方面考察产品的可装配性，既可以从零件结构、

56、材料和零件的联接关系等方面进行考察，也可以从装配方法和装配工艺等方面进行考察。通过考察来归纳改善可装配性的设计规则是DFA的主要工作之一。 (3)产品可装配性评价产品可装配性评价表4-2 产品可装配性评价内容评价指标评价内容技术性进给性能（套叠、缠结）；元件抓取（尺寸、重量、对称性等）；位置可达（倒角、圆角，装拆顺序）；定位可靠（自定位、预定位）；检测可及工具利用（操作空间）；联接方法（插装、铆接、焊接、胶接等）；合成方向（多向、单向、垂直向下）；位姿调整（装拆便利、稳定性）经济性装配效率（生产纲领、作业方式）；资源利用（设备、工具、人力）；精度保证（公差分布、质量控制）；标准化（标准件比例、

57、零件类数）；材料消耗社会性可拆卸（结构、操作、顺序）；可再用（零件、子装配）；可回收（材料再用）；环保（装配、拆卸、报废）(3)产品可装配性评价产品可装配性评价图4-21 技术上不可行的装配v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内容的主要内容2)可装配性评价方法可装配性评价方法v定性评价定性评价 又称基于准则的DFA，或称公理化方法 v定量评价定量评价 使设计者以量化的方式考察产品的可装配性。量化评价内容一般包括：产品结构评价；装配工艺评价；单一零件评价；联接方式评价。 4.3 面向X的设计（DFX）4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v2. DFA的主要内

58、容的主要内容(4)产品可装配性再设计产品可装配性再设计可装配性再设计是产品DFA的关键问题。只有通过产品的可装配性再设计，才能改善产品的可装配性。DFA系统提供的可装配性再设计一般采用两种形式：再设计建议，即系统根据可装配性分析和评价，给出再设计建议，以改进产品的可装配性。再设计工具，在系统支持下，实现产品装配设计的改进、补充和完善，如改变设计参数、改变装配条件、改变装配结构等。 v二、面向装配的设计（DFA）v3. 基于准则的基于准则的DFAv(1) DFA的常用准则的常用准则v所使用的零件数最少。v产品所有零件的装配方向最少。所有零件应尽量在同一个方向进行装配，以便保证效率和质量。v尽量采

59、用模块化设计。v尽量减少装配工作面。v尽量减少使用紧固件。v装配尽量在外部进行，以便于观察和装配的便利。4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v3. 基于准则的基于准则的DFAv(1) DFA的常用准则的常用准则v尽量使零件易于识别。v须避免设计的零件相互干涉、缠结，优化零件的抓取。v装配在一起的零件应有互锁特征。如设计时增加一些凸凹特征，以便使零件保持原位。v使零件易于配合。如采用增加导角、引导面等措施引入柔性环境。 4.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v3. 基于准则的基于准则的DFAv(2) 案例：基于准则的案例：基于准则的DFA在油缸设计中

60、的应用在油缸设计中的应用图图4-22 4-22 原始设计的油缸原始设计的油缸1 1左端盖左端盖 2 2缸筒缸筒 3 3密封圈密封圈 4 4螺栓螺栓 5 5螺母螺母 6 6活塞活塞 7 7密封圈密封圈 8 8垫环垫环 9 9活塞杆活塞杆 1010密封圈密封圈 1111右端盖右端盖 1212螺母螺母1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 10 11 124.3 面向X的设计（DFX）v二、面向装配的设计（DFA）v3. 基于准则的基于准则的DFAv(2) 案例：基于准则的案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用在油缸设计中的应用v根据图4-22，进行油缸的可装配性改进：v缸体部件由左端盖和缸筒的分