第三篇__计算机辅助产品设计方法(1)_(2)

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概念设计 CAI
详细设计
CAD: CAXA AutoCAD Solidworks PRO-E Unigraphics CATIA
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设计自由度与开发成本的关系
开 发
设 计
成自
本
用 度
设计自用度
开发成本
概念设计 详细设计 设计过程时间
产品设计的早期重视概念设计至关重要， 将计算机技术用于概念设计阶段，可快速、高 效地响应市场需求。
?
『跳跃式创新』
創新幅度大，可進行第三及第四級創新
具獨特性，有能力『創新專利』，
建立完整的『專利地圖」， 更進一步執行策略性的『專利佈局』
從IFR反推之未來系統
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IFR
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渐进式改善 vs. IFR 跳跃式创新
–以笔记本型电脑屏幕为例
『漸進式改善』— 創新程度有限，多為第一及第二級創新
辅助控制
主进辅 运给助 动运动 机动作 构机机
构构
加工
加工好 的零件
切屑
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3.3 基于知识的产品创新设计
❖ 基于功能分解与重组的创新设计方法 步骤： 1. 功能分类 2. 功能分析 3. 功能综合 4. 功能评价
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计算机辅助产品设计的方法
用户 试用
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2.1 设计过程及阶段划分
5. 定型生产阶段
设计 定型
生产 规划
生产 制造
产 结束 品
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2.2 设计类型及计算机应用
❖设计任务划分（一）
1. 功能设计 2. 布局设计 3. 参数设计 4. 公差设计
2. 概念设计建模技术
计算机辅助概念设计的核心，主要是从概念设 计的方法和过程性出发，研究面向概念设计的产 品模型和过程模型的建立方法。研究面向产品级 和全生命周期的概念设计建模技术。
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3.3计算机辅助概念设计的关键技术
基于UG/WAVE的产品参数化建模技术
❖计算机辅助创新设计 （Computer Aided Innovation）
在概念设计阶段应用计算机辅助人 类从事创新性研究能大大促进创新设计 技术。
❖ CAI 商品化软件
TechOpitimizer，Innovation Workbench， Invention Tools。
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计算机辅助产品设计的方法
現有系統
?
IFR
『跳躍式創新』— 創新幅度大 從IFR反推之未來系統 ，可進行第三及第四級創新
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3.3 基于知识的产品创新设计
❖ 基于功能分解与重组的创新设计方法
一种自顶向下、逐步分解功能元的方法。 其创新性体现在功能抽象的描述及功能与结 构的映射方法。
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3.4 产品概念设计中的美学设计
商品化的CAD软件现大多提供较强的全 面造型及色彩渲染、光照等可视化技术，可 使产品的结构设计与美学设计有机地结合起 来。体现一种设计思想和设计理念。
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3.4 产品概念设计中的美学设计
色彩渲染
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计算机辅助产品设计的方法
•39×39矛盾矩阵
•40个创新原理
4万→50万
•发明等级及其特征 •技术系统进化法则
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迄今为止，TRIZ已分
析了15,000,000专利
有代表性的
实用专利
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3. 计算机辅助概念设计
3.1 产品概念设计内涵 3.2 概念设计过程模型 3.3 计算机辅助概念设计的关键技术 3.4 基于知识的产品创新设计 3.5 产品概念设计中的美学设计
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计算机辅助产品设计的方法
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1. 概述
计算机辅助产品设计
首先分析设计过程，探讨计算机应用的必要性 和可行性；
研究产品概念设计的创新性内涵； 学习参数化、变量化、模块化等方法，认识产
品设计的可变性、继承性； 应用产品设计的可视化技术对设计结果进行描
述和表达。
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要求表 功能结构 原理解 模块结构 初始技术设计草案 总体技术设计草案 产品文件
后续的实现
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基于公理设计理论的产品设计过程模型
用户域CNs
功能域FRs
结构域 DPs
过程域 PVs
需求集 QC
映射
功能集 QF
映射
结构集 QS
映射
过程集 QP
从创新角度看，产品设计过程本质上就是一个产品创新的过程，
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3.3 基于知识的产品创新设计
基于知识的产品创新设计是知识过 程与产品设计相结合的产物，它依赖于 知识系统的推广和知识的重用，解决基 于知识的产品设计等问题。
知识：手册、技能、经验、原理和规范。
计算机辅助概念设计过程本质上是一个推理与
决策的过程。
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功能描述的抽象程度越高，其概念设计 的求解空间就越大，涉及结果的创新性就 越高，知识、技术含量就越高。
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加工好
毛坯
数控
的零件
图纸
机床
切屑
电能 数控
数控程序
装置
CNC
毛坯
机械执 行机构
加工
加工好 的零件
切屑
电能
数
数控程序
控 装
置
CNC
毛坯
伺服驱动 及位置检测
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3.3 基于知识的产品创新设计
❖ 产品创新设计分类 1. 渐进性产品创新 2. 根本性产品创新
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渐进式改善 vs. IFR 跳跃式创新
『渐进式改善』
现有系统
創新程度有限，多為第一及第二級改善 易與其他單位專利衝突，必須『迴避專利』
产品创新的核心是构思创新产品概念，产 品的概念设计在产品创新中具有决定作用。
产品设计的60％～70％是由概念设计决定 的，而概念设计的花费成本和时间只占总设计 周期的20％。
产品的概念设计过程中，方案选择的自由
度大，创新的空间大，决策风险也大，它决定 着产品最终价值的80%。
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计算机辅助产品设计的方法
设计的本质是创新，目的是寻求满足 用户需求的最佳方案。设计的结果对产 品的功能、性能、质量、价格都有着至 关重要的影响。
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1. 概述
设计方法学
是研究产品设计规律和方法的学科， 研究的目的是为使长期处于经验设计的 设计活动变得更合理化、科学化、规律 化，是利用计算机辅助人类完成更多设 计活动的前提。
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3.2 概念设计过程模型
需求分析
需求集 QC
功能分解
功能求解
映射
功能集 QF
映射
原理 解集
QS
映射
概念产品 评价
概念 产品 QP
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3.3计算机辅助概念设计的关键技术
1. 原理方案设计
产品创新的关键，体现在基于设计目标的原 理方案求解和基于知识的原理方案设计专家系统。
详细设计--完成全部生产图纸及技术 文件。
图纸
描述型设计过程模型（French模型）
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规定型设计过程模型
工作阶段
任务
工作结果
1 阐明并精确规定任务书 2 查明功能及结构 3 寻求解决原理及其结构 4 分解为可实现的模快 5 主模快结构设计 6 整个产品结构设计 7 拟定制造及使用说明
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❖ 基于知识的辅助创新理论——TRIZ
在Altshuller的带领下，动用前苏联的1500多名专家，经过50多年对数以百 万计的专利文献加以搜集、研究、整理、归纳、提炼和重组,建立起一整套 体系化的、实用的解决发明问题的理论方法体系——TRIZ（发明问题解决 理论）
发明专利库
20万→250万
TRIZ工具
基于WAVE的Top-Down结构示意图
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3.2计算机辅助概念设计的关键技术
3. 设计创新技术
研究概念设计过程中需遵循的原则、规范 和创新技术。（基于知识的创新设计智能模型）
4. 并行和协同概念设计
• 产品功能、原理、布局、形状之间的并行设计和协同设计、 • 考虑制造、成本等其他因素的并行设计技术 • 不同或相同领域的设计师之间的协同设计技术
在产品设计的用户域、功能域、结构域和过程域都需要创新，只是
它们创新的层次和特点是不同的，对整个产品的影响力也不同。其
中，在功能域、结构域的创新是产品设计的关键。
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2.1 设计过程及阶段划分
1. 任务规划阶段
开始
需求 分析
可行性 分析
制定设计 任务书
2. 概念设计阶段
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2. 计算机辅助设计过程分析
2.1 设计过程及阶段划分
2.2 设计类型及计算机应用
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计算机辅助产品Байду номын сангаас计的方法
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2.1 设计过程及阶段划分
设计方法学将设计过程划分为若干 个设计阶段，各设计阶段又可划分为若 干个设计步骤。完成设计从抽象到具体， 从定性到定量，从全局到局部，从系统 的上层结构到下层结构的过程。
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3.1 产品概念设计内涵
概念设计一词首先是由德国的Palh和 Beitza提出。
定义： 在确定任务之后，通过抽象化，拟
定功能结构，寻求适当的作用原理及其 组合，确定出基本求解途径，得出求解 方案。
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3.1 产品概念设计内涵
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1. 概述
计算机辅助产品设计系统
以计算机硬件、软件为支持环境，用 先进的设计方法，通过各个功能模块实现 对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、 工艺设计。以及对各类数据的存储、传递、 加工功能。在运行过程中，结合人的经验、 知识及创造性，形成人机交互、各尽所长、 紧密配合的系统。
概 念 车
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4. 参数化与模块化设计
➢ 参数化与模块化设计概念 ➢ 参数化、变量化设计的实现方法 ➢ 模块化设计方法
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4. 1参数化与模块化设计概念
尺寸驱动：
几何模型可以通过更改尺寸达到更改设计的目的的 方法。
拓扑关系：
几何模型各分量的数目及其相互间的连接关系。
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描述型设计过程模型（French模型）
用户需求 问题分析 问题定义 概念设计
选定的原理解 技术设计 详细设计
问题分析--对待设计的对象定义、确 定各种约束、标准及可用资源等。
概念设计--要产生多个原理解，并经 评价选定一个或几个可行的原理解。
技术设计--要完成产品的总体结构设 计。如有几个可行方案，还须最后确 定一个方案。
第三章 计算机辅助产品设计的方法
1. 概述 2. 计算机辅助设计过程分析 3. 计算机辅助概念设计 4. 参数化与模块化设计 5. 产品设计的可视化技术
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1. 概述
基本概念
设计
是设计者根据生产和生活的需要， 通过思维规则分析和决策过程，最终将 设想变为现实的技术方案。
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2.2 设计类型及计算机应用
❖设计任务划分（二）
1. 新设计——24% 2. 适应性设计——56% 3. 参数化设计——20%
设计方法、手段的科学化、系统化、现 代化，实现CAD非常必要。
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2.2 设计类型及计算机应用
产品功能原理的实现阶段。
系统总 分解 功能元 求解 功能元 组合 系统原
功能
的解
理解
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2.1 设计过程及阶段划分
3. 结构设计阶段
功能原 具体化 理解
产品结 分析计算 产品装
构草图
优化
配草图
4. 详细设计阶段
零件分解 模型试验 绘制技
设计优化
术图样
工艺规 程设计
参数化设计是规格化、系列化产品设 计的简单、高效、优质的设计方法。
参数化设计代表性软件: Pro/E
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4. 1参数化与模块化设计概念
参数化设计： 优势：
利用一系列定义好的参数对模型进行 顺序计算，速度快。
如：表示点、线、面之间的连接关系、邻近关系及 边界关系的拓扑元素构成几何模型的拓扑关系。
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4. 1参数化与模块化设计概念
➢ 参数化设计：
设计图形的拓扑关系不变，图形的尺寸形 状由一组程序化的参数进行约束，绘图时，修 改不同的尺寸参数即可得到不同规格的图形。