《先进制造技术》课件(全套)

1先进制造技术

AdvancedManufacturingTechnologyHenanUniversityofScience&Technology

河南省精品课程“先进制造技术”2河南省精品课程“先进制造技术”内容第1章概述第3章先进制造工艺第4章制造自动化技术第2章现代工程设计技术第5章先进生产管理技术第6章先进制造模式3第1章概述本章要点制造技术的概念先进制造技术的特点先进制造技术的体系结构制造系统4第1章

概述

Introduction1.1

制造技术与制造系统ManufacturingTechnologyandManufacturingSystem河南省精品课程“先进制造技术”5

广义制造：不仅包括了具体的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量控制、生产过程管理、营销、售后服务直至产品报废处理等在内的整个产品寿命周期的全过程

。

狭义制造：生产过程从原材料→成品直接起作用的那部分工作内容。制造业是将制造资源，包括物料、设备、工具、资金、技术、信息和人力等，通过制造过程转化为可供人和社会使用和利用的工业产品或生活消费品的行业。制造业是所有与制造有关的企业群体的总称。

制造

制造业1.1.1制造与制造技术制造一词来源于拉丁语词根manu(手)和facere(做)。61.1.1制造与制造技术表1.1我国制造业的分类序号行业名称序号行业名称13农副食品加工业28化学纤维制造业14食品制造业29橡胶制品业15饮料制造业30塑料制品业16烟草制造业31非金属矿物制品业17纺织业32黑色金属冶炼及压延加工业18纺织服装、鞋、帽制造业33有色金属冶炼及压延加工业19皮革、毛皮、羽毛（绒）制造业34金属制品业20木材加工及木、竹、藤、棕、草制造业35通用设备制造业21家具制造业36专用设备制造业22造纸及纸制品业37交通运输设备制造业23印刷业和记录媒介的复制38电气机械及器材制造业24文教体育用品制造业39通信设备、计算机及其它电子设备制造业25石油加工、炼焦及核燃料加工业40仪器仪表及文化、办公用机械制造业26化学原料及化学制品制造业41工艺品及其它制造业27医药制造业42废弃资源和废旧材料回收加工业7第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输

表1.2第一、二、三产业的划分1.1.1制造与制造技术8制造技术

在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……

手段包括

与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。1.1.1制造与制造技术9制造系统结构图1-2制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…

）质量控制1.1.2制造系统10制造系统特性软件硬件图1-3制造系统结构特性

结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。1.1.2制造系统11

转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段图1-4制造系统的物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户1.1.2制造系统12压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配

车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理图1-5汽车生产物流示意图1.1.2制造系统13需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-6制造系统的程序特性

程序特性

程序

——

一系列按时间和逻辑安排的步骤

制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图1-6）

研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。1.1.2制造系统14制造系统的物质流与信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流图1-7制造系统的五种流1.1.2制造系统15第1章

概述

Introduction1.2制造技术的发展及其在国民经济中的地位DevelopmentofManufacturingIndustryandit’sPositioninNationalEconomy河南省精品课程“先进制造技术”161.2.1制造技术的发展

制造技术的进步和发展

制造技术是制造业所使用的一切生产技术的总称，是将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加值的成品/半成品和技术服务的技术群。影响其发展的最主要因素是技术的推动和市场的牵引。人类科学技术的每次革命必然引起制造技术的不断发展，因而也推动了制造业的不断发展和进步。近百年来，在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量→少品种大批量→多品种变批量”的方向发展。在科学技术高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集”的方向发展。与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工→机械化→单机自动化→刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化”的方向发展。171.2.1制造技术的发展

制造技术发展的五个时期工场式生产时期18世纪七十年代，以蒸汽机和纺纱机的诞生，引发第一次工业革命，从手工业作坊式生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产，机器代替手工。工业化规模生产时期19世纪电气技术得到发展，由于电气技术与其他制造技术的融合，开辟了崭新的电气化新时代，制造业得到了飞速发展，制造技术实现了批量生产、工业化规范生产的新局面。与此同时，互换性原理和公差制度应运而生。18刚性自动化发展时期20世纪初，内燃机的发明，引起了制造业的革命，流水生产线和泰勒式工作制及其科学管理方法得到了应用。特别是第二次世界大战期间，以大批量生产为模式，以降低成本为目的的刚性自动化制造技术和科学管理方式得到了很大发展。福特汽车制造公司用大规模刚性生产线代替手工作业，使汽车的价格在几年内降低到原价格的1/8，促进了汽车进入家庭。柔性自动化发展时期20世纪中期，计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展，逐步形成了数控技术（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）等先进的制造单元技术和全面质量管理（TQM）、准时生产（JIT）等科学的管理理念和方法，为单一产品大批量刚性自动化生产向多品种小批量柔性自动化生产方向发展提供了技术基础。1.2.1制造技术的发展

19综合自动化发展时期自20世纪80年代以来，设计、制造和管理在内的单元自动化技术逐渐成熟和完善，如计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助检测（CAT）；在经营管理领域内的物流需求规划（MRP）、制造资源规划（MRPⅡ）、企业资源规划（ERP）；在加工制造领域内的直接或分布式数控（DNC）、工业机器人（ROBOT）等。以计算机为中心的集成制造技术从根本上改变了制造技术的面貌和水平，体现新的制造模式的计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）以及精良生产（LP）得到实践、应用和推广。此外，精密成形技术与装备、快速成形技术与系统、少无切削技术与装备、激光加工技术与装备等进入了一个空前发展的阶段。

1.2.1制造技术的发展

201.2.2制造业在国民经济中的地位

制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机美国：68%的财富来源于制造业；日本：49%的国民生产总值（GNP）来源于制造业；中国：2001年制造业增加值：37613.1亿元占国民生产总值的39.21%，占工业生产总值的77.61%。上交税金4398.17亿元，占国家税收总额的30%和财政收入的27%。制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重基石20世纪兴起的核技术、空间技术、信息技术、生物医学技术等高新技术无一不是通过制造业的发展而产生并转化为规模生产力的。其直接结果是导致诸如集成电路、计算机、提动通信设备、国际互联网、机器人、核电站、航天飞机等产品相继问世，并由此形成了制造业中的高新技术产业。

211.2.2制造业在国民经济中的地位

纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业图1-8

当今制造业的社会功能◆

图1-8显示了当今制造业的社会功能。221.2.2制造业在国民经济中的地位

制造业是吸纳劳动就业和扩大出口的关键产业美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。中国：2001年制造业全部从业人员8083万人，约占全国工业从业人员总数的90.13%，全国全部从业人口的11.1%。中国：2001年制造业出口创汇2398亿元。占全国外贸出口总额90%。制造业是国家安全的重要保障美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。20世纪80年代，发生了轰动一时的“东芝事件”。美国重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。231.2.2制造业在国民经济中的地位

1963年1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额图1-9

美日两国汽车产量变化241.2.2制造业在国民经济中的地位

东芝事件图1-10

多轴数控机床改进核潜艇性能25典型案例案例1半导体、晶体管是美国发明的，由此兴起的微电子工业也可以说纯粹是美国的首创工业。然而在70~80年代间不到十年的时间里，其半导体的市场份额由60%降到了40%，消费电子产品则几乎全军覆没。电视机仅有15%的国内市场，其余全部被日本占领。26典型案例案例2

汽车的大批大量生产方式出自美国，汽车工业也成为美国的最大工业。1955年：美国进口汽车仅占1%；1987年：美国进口汽车上升到31%；1989年：美国汽车世界市场占有率从75%下降到25%；案例3

在机床行业：美国：1980年NC机床自给率80%，1981~1987年，机床企业从1400家减少到500家，进口率达50%；日本：1988年机床产值居世界首位，占世界总量1/4；27第1章

概述

Introduction1.3先进制造技术的特点和发展趋势CharacteristicsofAdvancedManufacturingTechnologyAndItsDevelopingTrend河南省精品课程“先进制造技术”281.3.1先进制造技术产生的背景

消费观念的变革和市场竞争日益激烈自20世纪60年代以来，世界市场的特征由传统的相对稳定逐渐演变成为动态多变，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。在六、七十年代，市场主要是卖方市场，企业制造战略由追求生产规模转向降低生产成本。20世纪80年代，由于产品供过于求，市场转变为买方市场，企业向提高产品质量的制造战略转变。20世纪90年代以来，消费者需求日趋主题化、个性化和多样化，产品的生产和服务界限越来越不明显，市场变化周期越来越短，而其具有不确定性。这就要求制造企业不仅要降低生产成本、提高产品质量、及时响应市场变化，还要追求创新和新颖。291.3.1先进制造技术产生的背景制造全球化和贸易自由化制造业、制造产品和制造技术走向国际化，导致制造业格局在全球的重新分布和组合，并使得经济竞争在全球范围内愈演愈烈。随着世界自由贸易体制进一步完善，以及全球交通运输体系和通信网络的建立，全球采购与制造一体化的格局已初步形成，国际经济合作与交往日趋紧密。科学技术与制造技术的相互制约和促进

计算机、微电子、信息、自动化等技术的相互渗透、融合和衍生，极大地促进了制造技术在宏观（制造系统的建立）和微观（精密、超精密加工）两个方向上的蓬勃发展，急剧地改变了现代制造业的产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织体系，使现代制造业成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集甚至知识密集型产业。301.3.1先进制造技术产生的背景

有限的资源和日益增长的环保压力制造业将制造资源转变为产品的制造过程，以及产品的使用过程和废弃处理过程中，一方面消耗大量人类社会有限的资源，另一方面也造成了环境污染。有限的资源正在威胁着人类的继续发展，环境污染正在威胁着人类的生存。因此，必须迅速研制节能环保性产品及其创新技术、报废产品的回收处理技术、生态工厂的循环制造技术等绿色制造技术与装备。先进制造技术的提出是美国根据本国制造业面临的来自世界各国，特别是亚洲国家的挑战，为增强制造业的竞争力，夺回美国制造工业的优势，促进国家经济的发展，于20世纪80年代末提出来的。31定义

先进制造技术是以提高综合效益为目的，以人为主体，以计算机技术为支柱，综合应用系统技术、自动化技术、信息、材料与工艺技术、能源与环保等高新技术以及现代系统管理技术，研究并改造制造过程作用于产品整个寿命周期的所有适用技术的总称。而把这些适用技术所构成的制造系统，统称先进制造系统。1.3.2先进制造技术的特点

特点AMT是一项综合性技术AMT将各种与制造相关的技术集合成一个整体，并贯穿到从市场分析、产品设计、加工制造、生产管理、市场营销、维修服务直至产品报废处理、回收再生的生产全过程。AMT特别强调计算机技术、信息技术和现代管理技术在制造中的综合应用特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合。32特点AMT是一项动态发展技术AMT没有一个固定的模式，AMT实现规模、实现程度、实现方法以及侧重点要与企业的具体情况相结合，并与企业的周边环境相适应。同时AMT也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和制造活动的整个过程，使其不断趋于完善。AMT是面向工业应用的技术AMT有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在全面提高企业的竞争力，促进国家经济持续增长，加强国家综合实力。AMT坚持以顾客为核心，强调系统集成和整体优化，提倡合理竞争与相互信任，这些都是制造企业生存和发展的重要条件。1.3.2先进制造技术的特点

33AMT是面向全球竞争的技术当前，由于信息技术的飞速发展，使每一个国家每一个企业都处在全球市场中。为了赢得国际市场竞争，必须提高企业综合效益（包括经济效益、社会效益和环境生态效益）及对市场的快速反应能力，而采用先进制造技术是达到这一目标的重要途径。AMT是面向21世纪的技术AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。AMT强调环保技术，突出能源效益，重视产品的回收和再利用，符合可持续发展的战略。1.3.2先进制造技术的特点

特点34制造自动化技术向纵深方向发展

集成化柔性化

网络化虚拟化智能化1.3.3先进制造技术的发展趋势

35产品设计

传统产品设计方法的改进主要是CAD和CAE技术的全面应用。当前研究的重点是产品建模理论、创新设计、快速设计（包括快速原型制造）、数值仿真、设计数据管理技术等。近年来，由于计算机辅助技术的迅速发展，不断出现了许多新的设计思想和设计方法，包括并行设计（ConcurrentDesign）、面向“X”的设计（DesignforX—DFX）、健壮设计（RobustDesign）、优化设计（OptimalDesign）、反求工程技术（ReverseEngineering）等，并已得到实际应用。传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展1.3.3先进制造技术的发展趋势

36零件制造

●毛坯成形技术的改进主要集中在提高成形精度上。近年来出现的近净成形（NearNetShapeProcess）和净成形（NetShapeProcess）技术，使毛坯逐渐向最终零件形状和尺寸逼近。近净成形与净成形技术包括近净铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理改进、表面改进、高精度模具等专业领域。零件机械加工技术的改进主要表现在强力切削/磨削与高速切削/磨削技术的迅速发展。特别是高速切削与超高速切削技术的发展可以实现“以切代磨”，这不仅可以极大地提高生产效率，而且可以获得较高加工精度，还可以实现难以加工材料的切削加工。传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展1.3.3先进制造技术的发展趋势

37零件制造

●新型零件制造方法，又称特种加工方法，将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。精密制造技术精密制造技术包括精密与超精密加工、微细与超微细加工以及微型机械等。目前超精密加工的尺寸精度已达到0.025μm，表面粗糙度Ra达到0.005μm；微细加工通常指1mm以下微小尺寸零件的加工，超微细加工通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工。目前，微细与超微细加工的精度已达到纳米级（0.1nm—100nm）。传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展1.3.3先进制造技术的发展趋势

38绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的一种现代制造模式。对于制造过程而言，绿色制造要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒原材料，将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。对于产品而言，绿色制造覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，及从原材料提取到产品的最终处置，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、消费及报废等，减少对人类和环境的不利影响。传统制造技术不断改进，新型制造技术迅速发展1.3.3先进制造技术的发展趋势

39第1章

概述

Introduction1.4先进制造技术的体系结构和分类ArchitectureofAdvancedManufacturingTechnologyAndItsClassification河南省精品课程“先进制造技术”401.4.1先进制造技术的体系结构

制造基础设施①质量管理②用户/供应商交互作用③工作人员培训和教育④全国监督和基准评测⑤技术获取合理用主技术群设计技术群①产品、工艺设计

CAD

工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程集成工作环境设计②快速成型技术③并行工程制造工艺技术群①材料生产工艺②加工工艺③联接和装配④测试和检验⑤环保技术⑥维修技术⑦其他支撑技术群①信息技术·接口和通信·数据库·集成框架·软件工程·人工智能·决策支持②标准和框架·数据标准·产品定义标准·工艺标准·检验标准·接口框架③机床和工具技术④传感器和控制技术41现代设计技术现代设计方法。包括有模块化设计、系统化设计、价值工程、模糊设计、面向对象的设计、反求工程、并行设计、绿色设计、工业设计等。

产品可信性设计。包括可靠性设计、安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、防疲劳设计、耐环境设计、健壮设计、维修设计和维修保障设计等。

设计自动化技术。包括产品的造型设计、工艺设计、工程图生成、有限元分析、优化设计、模拟仿真虚拟设计、工程数据库等内容。1.4.2先进制造技术的分类42

高效精密成形技术◆精密洁净铸造成形工艺；◆精确高效塑性成形工艺；◆优质高效焊接及切割技术；◆优质低耗洁净热处理技术；◆快速成形和制造技术先进制造工艺现代特种加工工艺

◆高能束加工；◆电加工；

◆超声波加工；◆水射流加工；◆纳米技术及微细加工。高效高精度切削加工工艺

◆精密和超精密加工；◆高速切削和磨削；◆复杂型面的数控加工；◆游离磨粒的高效加工。1.4.2先进制造技术的分类43加工自动化技术★数控技术。★工业机器人技术。★柔性制造技术。★传感技术、自动检测技术。★

信号处理和识别技术。1.4.2先进制造技术的分类44现代生产管理技术

★是指制造型企业在从市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源（材料、设备、能源、技术、信息以及人力资源）得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益（质量、成本、交货期）得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。★现代管理信息系统；★物流系统管理；★工作流管理；★产品数据管理；

★质量保障体系；

1.4.2先进制造技术的分类45先进制造生产模式

计算机集成制造（CIM）

并行工程（CE）

1.4.2先进制造技术的分类

敏捷制造（AM）

智能制造（IM）

精良生产（LP）

46第2章现代工程设计技术本章要点现代设计技术的基本内容CAPP技术模块化设计的关键技术

CAD的关键技术创新设计逆向工程47

第2章

现代设计技术

ModernDesignTechnology

2.1概述Introduction河南省精品课程“先进制造技术”48以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程。指在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。相继经历了直觉设计阶段—经验设计阶段—半理论半经验设计（传统设计）阶段。产品设计

设计技术2.1.1先进工程设计技术的内涵

先进工程设计技术

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。492.1.2先进工程设计的体系结构

50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。基础技术

主体技术2.1.2先进工程设计的体系结构

支撑技术主要包括：①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。②设计试验技术。应用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。51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。

2.1.1先进工程设计技术的特征

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设计手段的计算机化

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。52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。

2.1.1先进工程设计技术的特征

设计结果的精确化设计过程的并行化

、智能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。

53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。

2.1.1先进工程设计技术的特征

面向产品生命周期全过程的可信性设计多种设计试验技术的综合运用

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，54

第2章

现代设计技术

ModernDesignTechnology

2.2

CAD技术

CADTechnology河南省精品课程“先进制造技术”55CAD的功能与含义

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。产品的造型、装配、工程图绘制；产品渲染、动态显示；工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真等。内容包括

与大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56CAD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57产品的造型建模技术

2.2.2CAD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。被设计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模(SolidModelling)、特征造型(FeatureModelling)、特征参数模型、产品数据模型的演变过程。特征造型具有：①能更好地表达统一完整的产品信息；②能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；③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。

58

单一数据库就是与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓的相关性设计就是任何设计改动，都将及时地反映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中某个尺寸，则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；修改二维图样的左视图中某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。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2.2.2CAD的关键技术592.2.2CAD的关键技术NURBS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。60

CAD技术的集成体现在以下几个方面CAD与CAE集成、CAD与CAPP／CAM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。

2.2.2CAD的关键技术CAD与其它CAX系统的集成技术61标准化技术

2.2.2CAD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”(StandardfortheExchangeofProductModelData,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。62计算机辅助产品的概念设计

2.2.3CAD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。63计算机支持的协同设计

2.2.3CAD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64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。2.2.3CAD的研究热点

65CAD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。2.2.3CAD的研究热点

66第2章现代设计技术

ModernDesignTechnology

2.3计算机辅助工艺规程设计ComputerAidedProcessPlanning

河南省精品课程“先进制造技术”67◆

CAPP的含义：计算机辅助工艺过程设计是通过向计算机输入被加工零件的几何信息和加工工艺信息等，由计算机自动进行编码、编程直至最后输出经过优化的零件工艺规程。可以代替工艺师的繁重劳动提高工艺规程的设计质量

缩短了生产准备周期

减少生产费用，提高经济效益。

CAPP是实现CAD/CAM集成的纽带。◆

CAPP的作用：基本概念2.3.1概述682.3.1概述CAPP的内容与步骤

692.3.1概述CAPP的功能模块

零件信息描述工艺过程拟订工艺参数计算工艺方案分析工艺文件生成毛坯选择70◆

零件编码描述法：利用成组技术中的零件分类编码对零件的一些主要设计制造特征进行描述。

输入操作简单，但输入的信息量少，适用于只需要确定工艺路线的场合

缺点是对零件信息的描述较粗糙，难以包括零件的细节，而且也不完整，只能达到将零件分类的目的。对于要求给出详细工艺规程和采用创成原理实现的CAPP系统，很难依据这样的零件设计信息做出工艺决策。◆

特点：基于工程图纸的交互输入方法

2.3.2CAPP系统零件信息描述方法与输入

71◆

零件特征描述法：是将组成零件的各特征逐个地并按一定顺序输入到计算机中去，在计算机内构成零件的数学表达。一般采用人机交互的形式把零件表面的数据输入到计算机内。

输入操作较繁琐、费时，但可以较完善、准确地输入零件的图形信息。◆

特点：基于工程图纸的交互输入方法

2.3.2CAPP系统零件信息描述方法与输入

◆

上述两种方法，都是作为独立开发的CAPP系统中的一个交互式输入模块而存在的，与其他系统之间没有信息交换关系，尤其是它们均不能提供自动获取CAD系统已有零件原始信息的途径。不仅造成重复工作，也使基于这些输入方法的CAPP系统无法实现与CAD系统的集成。72◆特征提取与模式识别：当CAD系统采用实体造型方法，如CSG（结构化实体模型）和B-rep（边界表示法）时，为从CAD几何模型中分离出CAPP需要的特征信息，可以在CSG和B-rep模型基础上进行特征识别。

缺点是必须要求三维CAD软件开放其内部数据结构，以便由所给出的B-rep数据创建AAG图，从而得到特征信息。

◆

特点：直接由CAD模型获取产品零件信息2.3.2CAPP系统零件信息描述方法与输入

◆这种方法较适于识别单一特征。对于组合特征、特征交差以及复杂零件上的不规则特征等则很难分离出来，在实用上受到一定限制。73◆基于数据标准或自定义数据格式的特征表达

：随着数据标准如初始图形交换标准IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）等的出现，有些CAPP系统利用CAD软件生成的IGES文件格式实现产品信息的传递。如日本东京大学研制的TOM系统，清华大学开发的THCAPP系统等。直接由CAD模型获取产品零件信息2.3.2CAPP系统零件信息描述方法与输入

◆基于STEP的特征造型系统

。产品模型数据交换标准STEP（StandardfortheExchangeofProductmodeldata）是正在建立和完善中的产品数据模型标准，其宗旨是支持产品整个生命周期内的全部信息的完整表示。STEP标准独立于各种计算机辅助系统（如CAD、CAPP、CAM等），它为各系统提供了产品数据及其共享、交换的一种中性表达。742.3.3派生型CAPP系统

基本原理

大多数派生型CAPP系统均采用成组技术（GT）的零件分类编码系统。即利用成组技术的原理，将零件按其制造特征分为若干零件组，为每一零件组设计一个标准工艺规程，将标准工艺规程存入计算机数据库中。在利用计算机设计一个新零件的工艺规程时，先对要编工艺规程的零件进行分类编码，当把零件编码输入计算机后，便将检索出相应零件组的标准工艺规程。当待编工艺规程零件的技术要求与标准工艺规程范围不同时，要对标准工艺规程进行编辑修改。因此，派生型CAPP系统也叫检索式或变异式CAPP系统。752.3.3派生型CAPP系统

零件分类编码系统

基本概念——零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。

分类编码系统简介★

Opitz分类编码系统特点：1）结构简单，使用方便2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善3）适用范围较广（设计、工艺、管理…）4）工艺信息反映不够充分5）对非回转类零件描述较粗糙★

JLBM-1分类编码系统（图2-1）762.3.3派生型CAPP系统

名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码

材料

毛坯原始形状

热处理主要尺寸

精度

直径或宽度

长度非回转类零件形状及加工码图2-1JLBM-1分类编码系统77开发一个变异式CAPP系统，一般要做以下几方面工作：根据产品的特点，选择合适的编码系统。可以选用标准编码系统，也可以根据零件的特点自己设计编码。制订计算机辅助编码系统或零件信息输入方式，以助于对已有零件的整理和设计零件的输入按编码系统对零件分类归族，按族整理出每族主样件的

标准工艺路线和相应的工序内容，并设计存储和检索方法建立必要的工艺数据库或数据文件，以存储工艺数据和规范。进行系统总体设计，实现对标准工艺的存储、检索、编辑和结果输出。

2.3.3派生型CAPP系统

系统的开发78用编码及零件输入模块，完成对所设计零件的描述和输入。检索及判断新零件是否属于某零件族，如属于则调出，否则返回。对标准工艺进行删改，形成所设计零件的工艺规范。对设计结果存储和输出。

变异式CAPP系统的工作过程2.3.3派生型CAPP系统

792.3.4创成型CAPP系统

基本原理

新零件的工艺规程不是依靠检索方法生成，而是直接向系统输入零件的信息，系统依靠存储的知识、规则、逻辑推理和决策算法，在无人工干预的情况下自动产生一个新的工艺规程。故称之为创成式CAPP系统。创成型CAPP系统的输入信息应是全面且准确的零件设计信息，输出信息是零件的工艺规程。创成型CAPP系统需要在数据库和工艺知识库的支持下，经过建立在系统内部的一系列逻辑决策模型及计算程序进行工艺过程决策。系统数据库中存储的主要是有关各种加工方法的加工能力、各种机床的适用范围、切削用量等基本工艺知识数据。工艺知识库中存放的是设计工艺过程中要遵循的工艺原则和知识。工艺过程决策后的输出结果可以是选择好的加工方法，也可以是零件的加工工艺路线，包括详细的工序设计内容，还可包括工序图。802.3.4创成型CAPP系统

在创成型CAPP系统中，系统的决策逻辑是软件的核心，它控制着程序的走向。就决策知识的应用形式来分，创成型CAPP系统有常规程序实现和采用人工智能技术实现两种类型。前者按工艺决策知识利用决策表、决策树或公理模型等技术来实现；后者为工艺设计专家系统，它利用人工智能技术，综合工艺设计专家的知识和经验，进行自动推理和决策。理论上，创成型CAPP系统是一个完备的、高级的系统，它拥有工艺设计所需要的全部信息，在其软件系统中包含着全部决策逻辑，因此使用极为方便。但是，由于工艺过程的设计因素很多，开发完全自动生成工艺规程的创成型系统还存在着许多技术上的困难。目前，许多CAPP系统的设计都采用以派生法为主、创成法为辅的综合法，它具有两种类型系统的优点。我国自行开发的CAPP系统大多为这种类型。

81河南省精品课程“先进制造技术”第2章现代设计技术

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2.4模块化设计ModularizationDesign822.4.1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832.4.2机械模块化设计的分类

横系列模块化设计不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床卧式铣床或转塔铣床等。在产品的横系列模块化设计过程中，关键之处就是要在结构上采取必要的措施，如留出足够位置、设计合理接口、预先加工出连接的定位面、定位孔等，以便于在进行产品变型时可顺利增加和更换各种模块部件。

84纵系列模块化设计纵系列模块化设计指在同一类型中对不同规格的基型产品进行变型产品的设计。它的特点是要改变基型产品主参数。而主参数不同的产品，其动力参数往往也是不同的，这就导致产品的结构型式及尺寸等发生变化。如果产品的动力参数发生变化，仍试图以同一种尺寸规格的模块去满足不同主参数产品的要求，则势必导致模块的强度或刚度产生欠缺或冗余，因而纵系列模块化设计比横系列模块化设计的难度大得多。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。2.4.2机械模块化设计的分类

85跨系列模块化设计跨系列模块化设计的方法是指针对总体结构相差不大的产品所进行的变型设计。它的特点是在基本相同的基础件结构上选用不同模块而构成跨系列产品；或者是在基础件结构不同的跨系列产品上，对具有同一功能的单元，选用相同的模块。例如，龙门铣床、龙门刨床和龙门磨床．它们的立柱、横粱，床身的结构形式相差不大，如果能够合理选择上述基础件的形状和尺寸，并兼顾到上进各类机床的刚度要求，那么就可在同一基础件上更换各种铣头、磨头、刨头，从而形成跨系列机床产品。2.4.2机械模块化设计的分类

86全系列模块化设计全系列模块化设计的方法是指纵系列模块化设计加横系列模块化设计。全系列模块化设计与跨系列模块化设计是有很大区别的。跨系列模块化设计只是横系列兼顾部分纵系列或是纵系列兼顾部分横系列的模块化设计。而全系列模块化设计指的是某类产品的全部横、纵系列范围内的模块化设计。可见，只有当跨系列模块化设计覆盖了整个该类产品时．才称为全系列模块化设计。从这个意义上来讲，跨系列模块化设计是全系列模块化设计的特例。所以全系列模块化设计的复杂程度和难度都很大．所需的模块种类也将更多。2.4.2机械模块化设计的分类

87NYYN用户需求分析系列型谱确定基型设计功能分析，建立功能模块优化主参数，建立生产模块，模块接口设计和产品技术设计基型产品试制与评估变型产品设计满意？功能分析，建立功能模块和生产模块变型产品试制与评估满意？完成系列产品设计2.4.3模块化设计过程88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。2.4.3模块化设计过程确定产品系列型谱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。89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。

2.4.3模块化设计过程模块划分与设计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。90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。2.4.4模块化设计的关键技术

91模块的划分与组合

2.4.4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。

92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。

2.4.4模块化设计的关键技术

93河南省精品课程“先进制造技术”第2章现代设计技术

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2.5创新设计InventionDesign94定义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。2.5.1创新设计的类型特点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95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96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97形象与抽象思维

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

98形象与抽象思维

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。99收敛与发散思维

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。100对应与联想式思维

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。101正向，侧向，逆向和迂回思维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

102河南省精品课程“先进制造技术”第2章现代设计技术

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2.6逆向工程ReverseEngineering103逆向工程的产生与发展

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。2.6.1概述104逆向工程的含义

正向工程。从市场需求出发，历经产品的概念设计、结构设计、加工制造、装配检验等产品开发过程。逆向工程。以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有产品进行解剖、深化和再创造，使之成为新产品2.6.1概述二维图纸CAD数据…

零件产品模型

正向工程逆向工程105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。2.6.2逆向工程设计的基本方法实物反求法106软件反求法软件反求是以产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、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。

2.6.2逆向工程设计的基本方法107影像反求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。

2.6.2逆向工程设计的基本方法1082.6.3逆向工程设计的基本步骤

制造阶段再设计阶段分析阶段反求对象信息源(实物、图样、图片、NC程序、图像等)分析样本，确定技术指标定义零件的拓扑关系样本零件数据的获取测量数据修正反求对象模型重构制造工艺规划零件加工、检验、测试反求工程新产品模型的再分析和再设计1092.6.3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…110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

反求对象的分析2.6.4逆向工程关键技术

1112.6.4逆向工程关键技术

反求工程中的测量技术

1122.6.4逆向工程关键技术

德国SteinbichlerCOMET250光学扫描仪美国Brownsharpe公司Globalstatus574三坐标测量机113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◆有序数据的模型重构

。有序数据的模型重构充分利用了模型间的相互关系，其算法具有针对性，可以简化计算方法．提高模型重构效率。然而，这类模型的重构往往只能处理某类数据，不具有通用性。◆散乱数据的模型重构。不依赖于数据的特殊组织方式，可以对任意测量数据进行处理，扩大了所能解决的问题域，具有更强的通用性。因此，海量散乱数据的模型重构更为人们所关注。模型重构技术2.6.4逆向工程关键技术

1142.6.4逆向工程关键技术

曲面重构IBM工作站Surfacer/Catia/Ug/I_deas软件1152.6.5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…….1162.6.5逆向工程应用举例

工程应用-----凸轮逆向1172.6.5逆向工程应用举例

工程应用-----汽车、拖拉机覆盖件逆向118YouareWelcome河南省精品课程“先进制造技术”119第3章先进制造工艺本章要点超精密加工技术特种加工技术的特点几种快速原型制造技术

高速加工关键技术绿色加工技术及其应用120第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.1概述Introduction1213.1.1概述◆定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。◆特点先进制造工艺技术的定义与内容优质高效低耗清洁灵活1223.1.1概述◆先进制造工艺技术的内容

精密、超精密加工技术。它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措旌。当前，纳米(nm)加工技术代表了制造技术的最高精度水平。超精加工材料由金属扩大到非金属。根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，如表3-1所