先进制造系统 第四章

①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。
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 ②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（Brep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。
计算机辅助设计（CAD）
CAD的发展
CAD的过程与原理 计算机辅助绘图 CAD系统的造型方法
计算机辅助设计（CAD）
2. CAD的过程与原理 (1)传统的产品设计过程
条件协商 资 料 的 调 研 和 分 析 总 体 结 构 方 案 拟 定 在传统的产品设计过程中，每 一个环节都是由设计者以手工 方式完成的，如图4-1所示。 调整 结 构 设 计 与 绘 图
先进设计技术的特点
⑺社会性：先进设计技术要综合考虑技术、经济和 社会因素，产品开发过程要以面向社会、面向市 场为主导思想，要考虑满足人－机－环境等之间 的协调关系，强调产品内在质量（物质功能）的 实用性与外观质量（精神功能）的艺术性的统一。 所涉及的相关学科有：制造工艺技术、材料科学、 自动化技术、系统管理、政治、经济、法律、自 然科学、人文科学、艺术科学和市场营销学等。
第四章


先进设计技术
先进设计技术的定义、内容与特点
计算机辅助X（CAX）
面向X的设计（DFX）
模块化设计（MD）
产品数据管理（PDM）
计算机辅助X（CAX）

计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助工艺设计（CAPP） 计算机辅助制造（CAM）


计算机辅助X的涵义


CAX是指计算机辅助X （Computer Aided X） 在现代产品开发过程中，必须采用各 种计算机辅助工具集CAX，其中X可 以代表生命周期中的各种因素，如设 计、工艺、制造等。 典型CAX的涵义如下：


先进设计技术的基本内容
(1)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、材料力学、热力 学、电磁学、工程数学等。过些基础技 术为现代设计技术提供了坚实的理论基 础，是现代设计技术发展的源泉。
先进设计技术的基本内容
(2)主体技术 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，工程数据库，快速 响应设计，智能设计等。它以对数值计算和对 信息与知识的独特处理能力，正成为先进设计 技术群体的主干。
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 ③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。
计算机辅助设计（CAD）
(2)CAD技术的内涵 随着CAD技术不断研究、开发与广泛应用，对CAD 技术提出越来越高的要求。现代CAD技术包括在复 杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理 论和方法、设计环境、设计工具各相关技术。因此， 现代CAD技术能使设计工作实现集成化、网络化、 虚拟化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产 品成本和缩短设计周期的目的。
先进设计技术的特点
⑶动态化：在静态分析的基础上考虑生产中实际存在 的多种变化量的影响，研究面向产品生命周期全过 程的可信性设计。如产品的工作可靠性问题，考虑 载荷谱、负载率等随机变量，可用可靠性设计、有 限元法、边界元法等，进行动态特性的最优化。 ⑷系统性：把产品的整机作为一个系统；把产品的设 计过程作为一个系统。产品系统设计的方法有两种 体系：一是以“功能-原理-结构”框架为模型的横 向变异和纵向综合，用计算机构造、评价和决策方 案；二是运用创造技法，进行创新思维，形成新的 构思和设计。
先进制造系统
Advanced Manufacturing System
主讲：葛茂根 合肥工业大学机械与汽车工程学院
第四章


先进设计技术
先进设计技术的定义、内容与特点
计算机辅助X（CAX）
面向X的设计（DFX）
模块化设计（MD）
产品数据管理（PDM）
先进设计技术的定义、内容与特点

先进设计技术的定义 先进设计技术的基本内容 先进设计技术的特点
计算机辅助X（CAX）

计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助工艺设计（CAPP） 计算机辅助制造（CAM）


计算机辅助设计（CAD）
CAD的发展
CAD的过程与原理 计算机辅助绘图 CAD系统的造型方法
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 CAD技术思想起源于20世纪60年代末，美国麻省理 工学院Sutherland博士的研究工作。40多年来，CAD 技术已发展成为以“计算机技术”和“计算机图形 学”为技术基础，并融合各应用领域中的设计理论 与方法的一种高新技术。
计算机辅助X的涵义
①计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）。它 是指在设计活动中，利用计算机系统来帮助设计 者进行设计的建立、修改、分析或优化等一切适 用技术的总和。
②计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE） 。它是指在工程设计中借助于计算机系统进行分 析计算与分析仿真。它包括工程数值分析、结构 与过程优化设计、强度与寿命评估、运动学/动力 学仿真。CAE的核心技术是有限元技术和虚拟样 机技术。


先进设计技术的定义


设计是创造性地建立满足功能要求的技术 方案的构思和表达并付诸实践的活动过程。 设计的本质是创新。设计技术是设计过程 中解决具体设计问题的各种方法和手段的 总称 。 先进设计技术是指融合最新科技成果，适 应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。
先进设计技术的定义
先进设计技术的基本内容
(4)应用技术 是为了实用而派生的各类具体产品设计 领域的技术，如机床、汽车、工程机械、 精密机械等设计的知识和技术。
先进设计技术的定义、内容与特点

先进设计技术的定义 先进设计技术的基本内容 先进设计技术的特点


先进设计技术的特点
⑴数字化：所有信息通过数字化后均可为计算机 所用。广泛使用计算机，从计算绘图到制造改 进一体化功能日益强大的软件，使设计工作面 貌不断更新，能够包容的影响设计的因素日益 增多，大大提高了设计的准确性和效率，修改 设计极为方便。 ⑵智能化：在已被认识的人的思维规律的基础上， 在智能工程理论的指导下，以计算机为主模仿 人的智能活动，通过知识的获取、推理和运用， 解决极复杂的问题，能够设计出高度智能化的 产品系统。
设 计 任 务 书
任 务 书 分 析
确 定 设 计 参 数
方 案 论 证
编 写 技 术 文 件
交 付 制 造
更改设计
图4-1
传统的产品设计过程
Байду номын сангаас
计算机辅助设计（CAD）
(1)传统的产品设计过程 传统设计的特点是： 设计者通过类比分析法或经验公式来确定设计方案； 设计工作周期长，效率低。设计者绘制装配图和零 部件工作图的时间约占设计时间的70%左右； 设计质量受人工计算条件的限制。
先进设计技术的特点
⑸优化性：重视综合集成，在性能、技术、经济、制 造工艺、使用、环境、可持续发展等各种约束条件 下，和广泛的学科领域之间，通过优化设计、人工 神经网络、工程遗传算法和计算机应用技术等，寻 求设计方案和参数在各种工作条件下的最优解或满 意解。 ⑹创新性：突出创新意识，力主抽象的设计构思，扩 展发散的设计思维、多种可行的创新方法，广泛深 入地评价决策，集体运用创造技法，探索创新工艺 试验，不断要求最优方案。
(2)CAD技术的内涵 CAD技术的基本内容包括： ①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。 ②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。 ③数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数 据管理、产品数据交换规范及接口技术等。 ④文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等。 ⑤软件设计技术 如窗口界面设计、软件工具、软件 工程规范等。
计算机辅助X的涵义
③计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning， CAPP）。 它又称为计算机辅助过程设计，是指利用
计算机系统对产品及加工零件工艺参数进行合理选
择。
④ 计 算 机 辅 助 制 造 （ Computer Aided Manufacturing ， CAM）。它是指按照零件形状及CAPP生成的数控代
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 ④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Pro/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。
计算机辅助设计（CAD）
(2)CAD技术的内涵
CAD是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对 “产品”进行设计的方法与技术，包括分析、计 算、绘图、仿真、产品结构和性能的优化以及文 档制作等设计活动，它是一门多学科综合应用的 新技术。这里的“产品”一词，是指各行业中一 切需要设计的对象。
计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 在工业化国家如美国、日本和欧洲各国，CAD已广 泛应用于设计与制造的各个领域，如飞机、汽车、 机械、模具、建筑、集成电路，已实现100%的计算 机绘图。机械产品CAD系统，在全球各类CAD系统 销售额中约占一半强，其开发难度也比较大。各种 CAD软件的功能越来越完善，越来越强大。
计算机辅助设计（CAD）
1. CAD的发展 应用CAD技术的必要性在于： CAD已成为决定企 业市场竞争力的主要因素。在重大工程招标中，没 有用CAD完成的方案图和标书文件，就没有投标资 格。CAD是实施先进制造的软件平台，企业应用任 何先进制造系统所不可跨越的核心技术。因为任何 产品都需要经过设计这个环节，不存在不设计的制 造模式。因此，CAD技术是任何先进制造模式、技 术与系统（FMS、CIMS、AMS等）所不可跨越的 核心技术环节。
先进设计技术的基本内容
(3)支撑技术
为设计信息的处理、加工、推理与验证提供了多 种理论、方法和手段的支撑。主要包括两方面内容： 1) 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、 稳健设计等。 2) 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。
码进行数控加工，并考虑刀具补偿等进行的后处理， 以及加工过程的动态仿真、机器人在线控制等。
计算机辅助X的涵义
⑤计算机辅助工装设计 （Computer Aided Fixture Design，CAFD）
它是指利用计算机系统进行夹具建模、分析与设计， 达到缩短夹具设计与生产准备时间的目的。
限于篇幅，本书仅讨论CAD、CAPP和CAM。


“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。 AMS中的先进设计系统包括设计硬件、设 计软件和设计人员三方面 。
先进设计技术的定义、内容与特点

先进设计技术的定义 先进设计技术的基本内容 先进设计技术的特点