先进制造技术现代设计技术

2006-4-261成本沉淀理论—设计的重要性

现代设计技术是先进制造技术的第一个环节，根据成本沉淀理论，设计成本占产品成本5-7%，但却决定产品成本的70％!设计开发生产准备加工材料消耗销售管理

100%50

0

5%70%18%

7%

5%54%28%

3%对成本的影响所需成本企业中成本的确定2006-4-262传统设计技术传统的产品制造模式是一个开环系统，即原料工业生产产品使用报废弃入环境。它是靠大量消耗资源和破坏环境为代价的工业发展模式。所以设计技术主要考虑产品的功能、质量和成本。2006-4-263现代设计技术现代设计技术是根据产品在整个生命周期中功能和市场竞争（时间、质量、价格）的需要，考虑生态环境和资源效率，应用科学知识和现化技术，经过设计人员创造性的思维、规划和决策，制定先进的产品设计方案，通过CAD等先进方法，并使方案付褚实施的技术。2006-4-264现代设计技术的特点现代设计从单纯的产品功能设计扩展到生命周期设计（包括考虑环境因素的绿色设计）;从传统的经验设计转向应用现代计算机技术的数字化设计技术;从传统的顺序设计方式过渡到并行设计和网络协调设计等。

现代设计技术的发展方向是不断吸收现代科学技术，使其实现数字化、智能化和网络化。2006-4-265现代设计技术的内涵现代设计技术包含了：绿色产品设计技术优良性能设计基础技术竞争优势创建技术全寿命周期设计技术2006-4-266绿色产品设计技术绿色产品设计技术是在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率，使产品在整个生命周期（设计、制造、使用到报废）中，符合环境保护和人类健康的需要，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的设计技术。2006-4-267绿色产品设计技术包括:面向环境的设计技术面向能源的设计技术面向材料的设计技术人机工程设计技术2006-4-268绿色产品设计技术举例

—零件结构的拓扑优化减少材料利用2006-4-269优良性能设计基础技术优良性能设计基础技术是一项以提高机械产品综合性能为目标的设计技术，是各种创新技术发展的基础，是全寿命周期设计技术的必要条件，世界各发达国家和企业都十分重视此技术的研究开发和应用。体现在静态到动态、单项到综合、个体到系统、无限寿命到有限寿命、设计对象向太空、深水、微观、生命等领域发展，设计的基础理论要求更高。2006-4-2610优良性能设计基础技术包括：可靠性设计试验技术防疲劳断裂设计技术系统动态设计和稳定性设计技术摩擦学设计技术防腐蚀设计技术表面工程设计技术状态监测补偿控制技术2006-4-2611竞争优优势创创建技技术竞争优优势创创建技技术是是从产产品的的工作作特性性和功功能目目标出出发，，在特特定技技术、、经济济和社社会等等具体体条件件下，，根据据相邻邻学科科的原原理，，创造造性地地设计计产品品，并并使它它在技技术及及经济济上达达到最最佳水水平。。重点研研究设设计思思维、、功能能目标标评价价、设设计决决策技技术、、新的的设计计理论论与方方法、、CAD和集成成化、智能化化。2006-4-2612竞争优优势创创建技技术包括：：创新设设计技技术降低成成本设设计技技术快速设设计技技术仿真与与虚拟拟设计计技术术智能设设计技技术广义优优化技技术工业产产品造造型设设计技技术采用新新原理理、新新方法法的全全新产产品设设计设计是是一种种创造造性思思维活活动，，随科科技和和经济济的发发展对对创新新设计计提出出新的的挑战战，计计算机机的应应用为为设计计创新新带来来新希希望，，智能能化是是重要要方向向。以缩短短产品品开发发周期期为主主要目目的设设计技技术，，包括括模块块化设设计、、并行行设计计、基基于实实例设设计、、反求求设计计、虚虚拟设设计等等，一一切有有助于于加快快产品品开发发速度度的理理论和和方法法都是是快速速设计计的组组成部部分，，涉及及多学学科的的交叉叉、多多方向向发展展。并联机机床设设计2006-4-2613全寿命命周期期设计计技术术全寿命命周期期设计计改变变了制制造业业的企企业结结构和和工作作方式式，能能对产产品生生产周周期、、质量量和成成本进进行有有效控控制，，形成成生产产、销销售、、用户户服务务一条条龙。。主要要体现现在缩缩短产产品投投放市市场时时间、、提高高质量量、降降低生生产成成本、、增强强市场场竞争争力。。其特特点是是全寿寿命全全系统统管理理、全全寿命命周期期费用用分析析，达达到““优生生、优优育、、优管管”。。它包括括并行行设计计技术术、面面向制制造的的设计计技术术、全全寿命命周期期设计计数据据管理理技术术、全全寿命命周期期管理理及费费用分分析技技术。。2006-4-2614全寿命命周期期设计计过程程框图图ProductLifecycleTransformationfortheDigitalEconomy314768259102006-4-2615最引人人注目目的设设计技技术现代设设计技技术中中最受受设计计工作作者关关心的的是并行设设计技术和和虚拟设设计技术。。2006-4-2616并行设设计技技术并行设设计是是并行行工程程、协协同设设计、、敏捷捷制造造、虚虚拟制制造等等先进进技术术的基基础，，它涉涉及到到计算算机技技术、、通讯讯技术术、机机械设设计方方法等等领域域。而而并行行工程程是把把CAD、制造、、管理理和质质量保保证等等有机机地集集成在在一起起，实实现信信息集集成、、信息息共享享、过过程集集成。。设计计者一一开始始就考考虑到到产品品全生生命周周期中中所有有因素素，包包括质质量、、进度度、成成本和和用户户需求求。2006-4-2617并行设设计的的内容容（1）过程重重构：：由传统统的串串行产产品开开发模模式转转变成成集成成的、、并行行的产产品开开发模模式，，使下下游设设计过过程中中的需需求及及早地地反馈馈给相相应过过程中中。数字化化产品品定义义：包括数数字化化产品品模型型定义义和管管理、、数字字化过过程定定义和和管理理、数数字化化工具具定义义和信信息集集成，，如DFQ、DFA、DFM、CAD/CAE/CAM集成等等。2006-4-2618并行设设计的的内容容（2）产品开开发队队伍重重构：：将传统统的以以功能能部门门为主主线的的产品品设计计，改改变以以产品品为主主线，，组织织多功功能集集成产产品开开发团团队，，进行行产品品并行行开发发。协同工作环环境：利用多煤体体、网络等等技术，组组建协调工工作环境，，支持并行行设计。并行设计技技术实际上是一一门涉及多多个领域的的交叉学科科，内容极极为丰富。。2006-4-2619产品分析2006-4-2620以下图零件件的模具设设计为例2006-4-2621在进行模具具设计时，，生产、采采购、工艺艺、标准化化、设计、、试模等方方面的技术术人员协同同工作，完完成设计。。2006-4-2622利用模具CAD/CAM软件，自动动提取BOM表供各生产产环节使用用。2006-4-2623利用自顶向向下的设计计方法，将将总体零件件分解给不不同的设计计小组。2006-4-2624CE产品设计过过程（分组组）2006-4-2625型芯设计、、NC编程、加工工小组2006-4-2626模架、模板板采购加工工组2006-4-2627标准件准备备小组2006-4-2628利用CE以最短的交交货期、最最好的质量量、最低的的成本在市市场竞争中中赢得客户户。2006-4-2629虚拟设计技技术全球化、网网络化和虚虚拟化己成成为制造业业发展的重重要特征，，实现虚拟拟设计是制制造业虚拟拟化的重要要内容。近近年来，为为了缩短产产品开发周周期、降低低生产成本本，人们提提出了各种种各样的制制造模式。。计算机技技术的发展展为这些制制造模式的的应用提供供了有力的的支持，““虚拟现实实”技术的的引入更是是加快了各各种敏捷制制造模式的的实现。2006-4-2630虚拟现实技技术虚拟现实技技术(VirtualReality)是一种三维维计算机图图形技术与与计算机硬硬件技术集集成而实现现的高级人人机交互技技术，让用用户通过视视觉、听觉觉、触觉、、甚至嗅觉觉和味觉等等多种知觉觉方式，实时地与计计算机所建建造的仿真真环境发生生相互作用用。比如，，进入“虚虚拟厂房””，操纵纵“虚拟机机床”，，抓取“虚虚拟零件””，组装装“虚拟设设备”等等等。2006-4-2631虚拟现实的的硬件设备备虚拟现实技技术提供：：具有独特特输入/输输出装置的的特殊人机机界面，如如头盔式显显示器HMD、跟踪器、、数据手套套、定位器器等。借助助这些虚拟拟外设，比比之传统CAD技术，用户户就可沉浸浸在仿真环环境之中，，有“身临临其境”的的感觉，从从而完成在在现实世界界中可能或或不可能的的工作。2006-4-2632（1）头盔（HMD-HeadMountedDisplay)两个LCD或CRT显示器典型分辨率率360x2402006-4-2633（2）立体眼镜镜由液晶光栅栅眼镜和红红外线控制制器组成。。（3）三维鼠标标六自由度探探测器，利利用内构式式超声接收收器和具有发射器的的固定基坐坐标来测量量鼠标器离离开桌面后的位置和和方向。（4）跟踪器（（Tracker)对VR用户的头或或手的位置置和方向进进行实时的的、精确的测量量。类型型有：机械式、电电磁式和超超声式。2006-4-2634（5）数据手套套将用户手的的姿势转化化成计算机机能读的数数据，有测测量几个或全全部手指关关节的传感感器。有的的具有三维维传感器，以以跟踪用户户腕部的运运动。基于光导衰衰减的光纤纤手套2006-4-2635（6）立体投影影屏幕通过立体复复合技术显显示左、右右眼的信息息。使用“无源源”偏振眼眼镜。价格低，可可多人参与与。2006-4-2636（1）单人沉浸浸式头盔式立体体显示器产生逼真的的沉浸感虚拟环境产生器头盔显示器声音合成声音合成语音识别电子显示装置头/眼/手跟踪触觉/动觉系统手位置头位置眼位置虚拟现实环环境的几种种主要形式式2006-4-2637（2）虚拟世界界窗口在虚拟环境境中建立一一窗口，通通过该窗口口漫游环境境。（3）半实物模模拟建立半事物物模拟环境境，并提供供实际控制制与屏幕上上虚拟环境之之间的交互互途径。（4）CAVE墙式显示屏屏全自动声声像虚拟环环境。2006-4-2638虚拟现实技技术应用真实感图形形显示2006-4-2639虚拟现实技技术应用真实感图形形显示2006-4-2640虚拟现实技技术应用2006-4-2641虚拟现实技技术应用2006-4-2642高临场感的的视景仿真真系统2006-4-2643虚拟现实技技术各种仿真工工具2006-4-2644虚拟现实技技术虚拟使用、、操作工具具2006-4-2645增强现实技技术

(AugmentReality)增强现实技技术是一种种“虚实结结合”的人人机交互技技术，是““看穿(see-through)”计算机生生成显示技技术。由于于计算机图图像(虚体体)被叠加加在实物(实体)之之上，用户户看到了物物理世界与与虚拟世界界的混合体体。比如，，轿车整车车装配时，，车身是计计算机产生生的图像，，而车架、、装配环境境则是实物物，用户可可以操作车车身，使之之逼真地安安放在真实实车架上，，从而进行行装配分析析。2006-4-2646虚拟制造中中的主要使使能技术目前虚拟制制造的内涵涵已远远超超出最早的的范畴，但但虚拟现实实技术和增增强现实技技术仍然是是虚拟制造造的重要使使能技术，，可以使虚虚拟制造中中的各项活活动具有更更强的逼真真效果，从从而提供更更准确的产产品设计与与过程设计计的评价分分析手段。。2006-4-2647应用虚拟制制造的意义义虚拟制造技技术可以用用于产品与与过程设计计、产品开开发成本和和风险分析析估算、产产品与过程程开发的集集成，生产产管理决策策的改善，，产品生产产前各项生生产活动的的验证等。。虚拟制造技技术可以促促进远程协协同产品开开发的实现现，充分利利用网络上上的制造资资源。虚拟制造技技术可以应应用于制造造业企业或或教育部门门的技能培培训与教育育。2006-4-2648国外研究概概况(1)虚拟制造技技术是九十十年代产物物，国外许许多知名企企业正在积积极开发此此技术。在在汽车、飞飞机、工程程机械、武武器等产品品上应用成成果己有报报导，以下下是几个例例子：⑴美国国防防部先进研研究计划署署ARPA正在致力于于将虚拟环环境与物理理建模、分分布离散模模拟等技术术结合，为为虚拟武器器设计提供供先进的手手段。2006-4-2649国外研究概概况(2)⑵加利福尼尼亚军火承承包商RockwellInternational开发了将现现有CAD数据转换传传递到虚拟拟环境的软软件，工程程技术人员员能看见设设备部件是是如何被装装配的，无无须制作零零部件的物物理模型。。⑶美国Metalagraphic公司应用虚虚拟检测技技术于航空空和军事产产品的零部部件加工。。2006-4-2650国外研究概概况(3)⑷食品生产产商Nabisco计划将组装装生产线进进行拟实化化，以便培培训人员去去维护和维维修生产线线。⑸摩托罗拉拉自1994年起使使用虚拟技技术开发产产品，据报报道，该项项技术节约约了该公司司数百万美美元的培训训费用。⑹波音公司司用虚拟原原型技术在在计算机上上建立了波波音777飞机的最最终模型。。2006-4-2651国外研究概概况(4)⑺福特汽车车公司已经经计划在汽汽车设计与与工程中应应用虚拟环环境技术，，该公司的的先进车辆辆技术组在在装配仿真真和虚拟成成型方面应应用虚拟技技术，以提提高空气动动力学、人人机工程学学和外型表表面建模的的效果。⑻卡特匹勒勒(CaterpillarInc)公司将虚拟拟设计技术术用在评价价新样车的的内部可视视性。该公公司还打算算用该项技技术让客户户“实际试试车”新产产品。2006-4-2652国外研究概概况(5)⑼在基础础研究和和工具系系统开发发方面也也取得了了进展①美国马马里兰大大学开发发了用于于分析设设计产品品可制造造性的IMACS系统；②美国NIST正在开发发面向虚虚拟制造造的信息息交换系系统；③美国华华盛顿州州立大学学面向设设计与制制造的虚虚拟环境境VEDAM系统是在在PTC的Pro/Engineer等CAD/CAM系统上开开发的，，包括加加工设备备建模、、虚拟设设计、虚虚拟制造造和虚拟拟装配等等虚拟环环境。2006-4-2653国外研究究概况(6)④英国Bath大学的G.Bayliss等人提出出的VMAN(VirtualManufacturing)计划指在在探索简简易的虚虚拟现实实技术对对工程领领域的计计算机辅辅助设计计的作用用。在该该计划中中，利用用虚拟现现实技术术生成工工作空间间，允许许用户利利用假想想的机器器设备制制造产品品，然后后将该过过程再现现在真实实的数控控机床上上。2006-4-2654国外研究究概况(7)⑤新加坡坡国立大大学Lee和Noh等人利用用因特网网、专家家系统开开发工具具、HTML/VRML和数据管管理系统统，开发发了一个个虚拟制制造原型型系统作作为工程程和生产产活动的的实验台台；⑥日本大大阪大学学工学部部电子控控制机械械学科的的岩田一一明教授授和小野野里雅彦彦副教授授领导的的研究小小组自1991年着手手开发应应用的虚虚拟制造造系统VirtualWorks和OpenVirtualWorks。该系统统能如同同现实制制造。2006-4-2655国外研究究概况(8)系统一般般生成和和处理有有关制造造系统的的构造、、状态、、行为等等信息，，包括模模拟设计计、规划划、管理理等制造造活动的的虚拟逻逻辑系统统和建模模，诸如如机器、、材料、、工作人人员等生生产现场场中的物物理实体体，并模模拟这些些物理实实体间相相互作用用的虚拟拟物理系系统。2006-4-2656国内研究究概况(1)国内虚拟拟制造技技术尚处处于研究究起步阶阶段。虚拟制造造技术的的一些单单元技术术在国家家自然科科学基金金、国家家863计划、、国家重重点攻关关项目的的资助下下己取得得了一定定的成果果。1998年年8月““虚拟制制造技术术研讨与与演示会会”在北北京举行行、标志志着相关关领域的的研究己己初具规规模。2006-4-2657国内研究究概况(2)国内具体体研究的的内容涉涉及虚拟拟产品装装配、虚虚拟塑性性成型、、机床总总体方案案虚拟设设计、虚虚拟测试试、虚拟拟板材成成型、虚虚拟数控控加工以以及虚拟拟组织和和虚拟企企业等。。但从总总体来看看，由于于计算机机软硬件件设备的的限制，，大多停停留在系系统框架架和总体体技术的的研究程程度，实实质性的的面向应应用的关关键技术术研究还还有待进进一步拓拓宽范围围。2006-4-2658虚拟制造造技术涉涉及的软软件国外软件件公司在在巨大应应用需求求推动下下，纷纷纷推出Deneb、Multigen、dVISE、WorldToolKit、Medit、MR、Lightscape、ReleaseX、EAI、MOSS等一批支支持虚拟拟制造的的软件产产品。从从使用情情况看，，这些软软件大大大丰富了了CAD技术内容容，但价价格较贵贵，产品品的模块块一般为为数万美美元左右右。2006-4-2659几种软件件的功能能(1)Deneb软件是美美国DenebRobotics公司开发发的，系系统有五五个模块块：Envision、Quest、VirtualNC、Assembly、ERGO。主要功功能有：：虚拟样样机设计计分析、、虚拟环环境漫游游、离散散事件仿仿真、加加工过程程仿真、、虚拟装装配和拆拆卸仿真真、人体体建模与与分析等等。EAI软件是由由美国EngineeringAnimationINC公司开发发，有三三个模块块：VisMockUpVisFly、VisLab，功能是是装配分分析、装装配设置置评估、、模型可可视化，，三维工工程动画画。2006-4-2660几种软件件的功能能(2)dVISE软件是英英国Division公司开发发，系统统有五个个模块：：dv/WebFly、dv/Player、dv/Review、dv/Mock-Up、dvReality。主要功功能有：：实时网网上信息息浏览、、虚拟样样机、装装配拆卸卸仿真等等。WorldToolKit软件是美美国Sence8公司开发发，主要要模块是是WorldUp。主要功功能是实实时交互互虚拟环环境的建建立。2006-4-2661虚拟制造造技术的的研究动动向(1)虚拟制造造系统的的体系研研究：包包括系统统的构成成及相互互关系、、系统的的功能、、系统的的实现技技术等。。日本大大阪大学学小野里里雅彦等等人参照照现实制制造系统统的结构构与功能能提出了了虚拟制制造系统统的体系系框架。。美国标标准与技技术研究究所NIST提出的强强调模块块化的虚虚拟制造造体系包包括调度度器Scheduler、控制器器Controller、仿真器器Simulator、数据采采集模块块Dataacquisitionmodule、状态数数据库Statusdatabase。2006-4-2662虚拟制造造技术研研究动向向(2)支持虚拟拟制造软软件系统统开发研研究。目目前商用用相关软软件系统统的功能能有限，，大多只只能完成成三维世世界的