先进制造技术课件第2章课件.ppt
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先进制造技术第2章课件
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先进制造技术课件第2章课件.ppt
设计过程中解决具体设计问题的各 种方法和手段
静态、经验、被动、手工
传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉，综合性技术。
第二章
现代设计技术的定义
时间维 施工设计 技术设计 方案设计
产品规划
可靠性设计 模块化设计 优化设计
…
方法维
分 综评 决 析 合价 策
逻辑维
第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
目标函数
使极小化函数f(x1,x2, …..,xn)
满足约束条件
不等式约束条件
gu(x1,x2,…..,xn)≤0 hv(x1,x2,…..,xn)=0
(u=1,2,…m)
(v=1,2,…p)
等式约束条件
第二章
（1）设计变量
设计变量的不同参数表示不同的设计方案。 设计变量必须是一组相互独立的变量，将其表示 成X，即：X=（x1,x2,…,xn)T 其中n是设计变量的个数，也称为维数。 设计变量的取值：一是连续变化量，另一是离散 量比如齿轮的模数。 由n个设计变量所组成一个向量空间，称之为设 计空间。
第二章
4)优化设计举例 如图对称两杆桁架：
2P＝300KN，2L＝1500mm，H＝900mm， E＝2.1×105N/mm，ρ ＝7.85×103Kg/m3， σs＝350N/mm2，D＝25-60mm、B＝3-8mm。 求解：满足强度前提下桁架重量最轻时的管径D及壁 厚B。
第二章
•设计变量：
第二章
1）优化设计的数学模型 实例1： 有一块边长为6m的正方形铝板，四角各裁去
一个小的方块，做成一个无盖的盒子。试确定裁 去的四个小方块的边长，以使做成的盒子具有最 大的容积。
先进制造技术课件(PPT 28页)
第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （2）. 先进制造技术是面向新世纪的技术系统，它的目的很 明确，即提高制造业的综合效益（包括经济效益、社会效益 和环境生态效益），赢得激烈的国际市场竞争。 （3）.先进制造技术并不抛弃传统技术，而是不断用科技新 手段去研究它，并运用科技新成果去改造它，充实它。特别 是利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型， 并利用优化设计技术进行传统工艺方法的优化。
第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （7）.先进制造技术不是一项具体技术，它是利用系统工程 技术将各种相关技术集成的一个有机整体。 （8）. 先进制造技术特别强调环境保护，既要求其产品是所 谓的“绿色商品”，又要求产品的生产过程是环保型的。
第一章先进制造技术概述
3. 先进制造技术特点的具体体现 （1）.高效率 在提高生产效率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方 向。近些年来，计算机数控（CNC）、计算机辅助设计与制 造（CAD∕CAM）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成 制造系统（CIMS）发展非常迅速。各种新理论层出不穷， 如敏捷制造、快速原型制造、并行工程、及时生产、虚拟制 造，集成相关信息和资源，其本质均是实现高效率、自动化 生产的思想。就应用于实践的CNC、FMC、FMS来看，已 有力地显示出其有柔性化、自动化、资源共享和高效率的强 大生命力。
第一章先进制造技术概述
（2） 、高精度
在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这是世界 各主要工业发达国家致力发展的方向。例如，超大规模集成电 路、导弹火控系统、惯导陀螺、精密仪器、精密雷达、精机 床等都需要采用超精密加工技术。众所周知，在飞机、潜艇等 军事设施中使用的精密陀螺、复印机的磁鼓、大型天文望远镜 以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工 技术的支持。精密加工是指加工精度在0.1-1µm之间，表面粗 糙度Ra在0.1µm以下的加工方法；而加工精度控制在0.1µm 以下，表面粗糙度Ra在0.02µm以下的加工方法则称为超精密 加工。
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
《先进制造技术》PPT课件 (2)
薄层成形时收缩大,易翘曲变形; 成形薄层强度低,不同方向组织均匀性差。
X
第二章 加工域活动中的先进工艺
1. Tri-Hatch扫描法
这是一种三角形扫描固化法,扫描后三角形内部不固化,总固化面积为50%。 这种方法的特点是能极大缩短零件的制造时间,特别适合制作大零件;缺点 是固化后会引起较大的扭曲变形,最终生成零件的精度不高。
CT或MRI
CAD
STL
STL、IGES、STEP……
RP系统
第二章 加工域活动中的先进工艺
三、原型制作时的扫描路径
薄层制造是通过扫描路径的规划和控制来实现的。激光按一定的扫描模式使 材料固化或烧结,生成薄层。
SLA和SLS中普遍采用的是长线扫描方式。
优点
方式简单,计算方便; 数据存储量小。
Y
缺点
IGES 的特点
优点 支持广泛 提供全面的实体信息来精确描述3D模型。
缺点 包含大量冗余信息 不支持网格模型 基于IGES的切片算法复杂。
第二章 加工域活动中的先进工艺
②HP/GL HP/GL(Hewlett- Packard graphics language)格式图形绘图仪的标准。它 也属于面片模型。
1 . STL ( Stereo Lithography interface specification )格式
STL 最初是用于美国30Systems 公司生产的SLA 快速原型系统的一 种文件格式，目前是快速原型系统与CAD 系统之间的准行业数据交换 标准。一个STL 模型如图8 一1 所示。
STL 文件格式中每一个三角面片由四个数据项表示，即三个顶点 坐标和面片的法矢，而STL 文件就是所有三角面片的集合.STL 文件格 式有ASCll 码和二进制码两种输出形式.二进制码输出形式所占用的文 件空间比ASCll 码输出形式的小得多，但是ASCll 码输出形式直观明了、 便于检查
先进制造技术课件(第二章)资料
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
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。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
第二章 先进设计技术
本章要点 1、现代设计技术的基本内容 2、CAD的关键技术 3、模块化设计的关键技术 4、创新设计 5、逆向工程
华中技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
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
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
◆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。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
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。
华中科技大学武昌分校机械电子工程专业课程《先进制造技术》
2.5.4 逆向工程关键技术 反求对象的分析
先进制造技术课件(PPT292页)
在几何形体上，极大、极小、 极厚、极薄、极平、极柔、极圆、 极方以及奇形怪状；在物理性能 上，极高硬度、极高塑性、极大 弹性、极大脆性、极强磁性、极 强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪 能。
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
《先进制造技术》课件(全套)
26
河南省精品课程“先进制造技术”
第1章
概述
Introduction
1.3 先进制造技术的特点和发展趋势
Characteristics of Advanced Manufacturing Technology And Its Developing Trend
……
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。
8
1.1.2 制造系统
制造系统结构
经营管理 财务
经营管理信息流 生产管理信息流 技术信息流 物质流
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。
生产 技术 信息 产品 设计 产品 设计 信息 工艺 过程 计划 工艺 过程 信息
需求 订货 信息
综合 生产 计划
生产 计划 信息
生产 进度 计划
进度 计划 信息
作业 计划
作业 计划 信息
生产 实施
生产 结果 数据
生产 控制
生产 控制 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
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。
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。
先进制造技术现代设计技术
先进制造技术
一.现代设计技术概述
②. 现代设计技术的逻辑维： 分析--明确设计任务本质； 综合--综合各种因素，探求解决方案； 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进； 决策--确定最佳的设计方案
先进制造技术
一.现代设计技术概述
(3) 现代设计技术的体系结构 现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术
先进制造技术
01
02
二.数字化设计与数字化产品开发
02
支撑技术 指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
二.数字化设计与数字化产品开发
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
(2) 数据的离散性----反求工程和快速原型技术设计 复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。 反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。 快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线 。
主体技术
基础技术
支撑技术
应用技术
传统设计理论 与方法
一.现代设计技术概述
②. 现代设计技术的逻辑维： 分析--明确设计任务本质； 综合--综合各种因素，探求解决方案； 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进； 决策--确定最佳的设计方案
先进制造技术
一.现代设计技术概述
(3) 现代设计技术的体系结构 现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术
先进制造技术
01
02
二.数字化设计与数字化产品开发
02
支撑技术 指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
二.数字化设计与数字化产品开发
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
(2) 数据的离散性----反求工程和快速原型技术设计 复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。 反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。 快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线 。
主体技术
基础技术
支撑技术
应用技术
传统设计理论 与方法
先进制造技术ppt课件
有液体静压导轨、空气静压导轨。
15
铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
超塑性 气压成形
19
精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高 精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。
椭圆凹模
圆角凹模
三种光洁冲裁凹模结构
倒角刃口
20
精密冲裁
负间隙冲裁
带齿圈压板精冲
21
辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率 高、质量好、材料消耗少。
辊锻轧制
辗环轧制
22
气冲造型
12
消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
13
特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
9
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
10
3.2.1 精密洁净铸造成形
15
铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
超塑性 气压成形
19
精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高 精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。
椭圆凹模
圆角凹模
三种光洁冲裁凹模结构
倒角刃口
20
精密冲裁
负间隙冲裁
带齿圈压板精冲
21
辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率 高、质量好、材料消耗少。
辊锻轧制
辗环轧制
22
气冲造型
12
消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
13
特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
9
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
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3.2.1 精密洁净铸造成形
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• 计算机辅助产品的概念设计 难题：建模和推理 • 计算机支持的协同设计 难题：信息实时可靠交
换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段 • 海量信息处理 存储、管理和检索技术 • 智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融
为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达 • CAD与虚拟现实（VR）技术的集成 • VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、
• 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产
品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说
明书编写等。
第二章
现代设计技术的逻辑维
• 分析--明确设计任务本质； • 综合--综合各种因素，探求解决方案； • 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整
第二章
第二章
第二章
只需要建立两张表就能描述任一复杂的物体， 一是点（立体的顶点）表；二是边（点的连线） 表，如图所示棱锥体，表2-1和2-2即为其全部 几何信息
表2-1点表
表2-2边表
第二章
表2-3 面表
第二章
单一数据库与相关性设计
• 单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现 产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。
设计过程中解决具体设计问题的各 种方法和手段
静态、经验、被动、手工
传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉，综合性技术。
第二章
现代设计技术的定义
时间维 施工设计 技术设计 方案设计
产品规划
可靠性设计 模块化设计 优化设计
…
方法维
分 综评 决 析 合价 策
逻辑维
第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
标准化技术 目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES （Initial Graghical Exchange System)图形交 换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的研究热点
和改进；
• 决策--确定最佳的设计方案
第二章
2.1.2 现代设计技术体系
先进制造工艺
材料科学
自动化技术
相
系统管理技术
关 学
自然科学
科
政治经济
与 技
文化社会科学 术
市场营销学
……….
应用技术 支撑技术 主体技术 基础技术
各产品领域知识与技术 现代设计方法学 可信性设计技术 设计试验技术
计算机辅助设计技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何 法等结构形式； • 特征造型：以具有工程语义的各类特征来定义描 述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。
第二章
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 现代设计方法
第二章
2.1 现代设计技术内涵与体系结构
2.1.1 现代设计技术的内涵和特点 2.1.2 现代设计技术体系
第二章
2.1.1 现代设计技术的内涵与特点
设计技术
传统设计 技术
现代设计 技术
第二章
特征就是描述产品信息的集合，也是构成零、 部件设计与制造的基本几何体，它既能反映零件的 几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的 零件特征包括：形状特征、精度特征、材料特征、 装配特征等。
形状特征是特征造型的主要部分，是其他特 征的载体，形状特征定义为一组唯一确定该特征的 参数，这组参数中有形状参数及定位参数。
第二章
CAD技术特征
• 计算机的支持和参与 利用计算机信息存储、 逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算 等能力和特长，提高产品设计效率和质量；
• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业；
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
构，有利于曲线、曲面操作和修改。
第二章
CAD与CAX集成技术
• CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数 据交换接口等技术。包括如下集成：
•
① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成；
•
② CAD/ERP--与管理系统集成；
•
③ 异地、异构系统企业间CAD集成，如全
球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。
自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂 贵，技术开发难度大 • 计算机安全 技术保密，防病毒感染
第二章
2.3 现代设计方法
2.3.1优化设计 最优化设计是借助最优化数值计算方法和计
算机技术，求取工程问题的最优设计方案。 即Hale Waihona Puke 进行最优化设计时，首先必须将实际问
题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的 数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和 计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最 佳的设计参数。
• 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相 关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二 维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
NURBS曲面造型技术
NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可统一自 由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结
传统设计理论 与方法
现代设计技术体系结构框图
第二章
2.2 计算机辅助设计技术
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念 2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
第二章
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能
• 零件造型、产品装配 • 产品渲染、动态显示、运动仿真 • 工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠 性设计 • 绘制工程图样、编制物料清单（BOM)
第二章
精度特征可分为两类：一种是各几何元素本身 的要求，如尺寸公差、表面粗糙度等，另一种和其 他几何元素相关，即相对于基准的精度要求，如形 状及位置公差。
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及 局部处理特征，整体材料特征作为零件的属性，包 括材料种类代号、性能、热处理方法等，表面处理 特征作为表面的属性，包括表面淬火、渗碳、渗氮 等。
换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段 • 海量信息处理 存储、管理和检索技术 • 智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融
为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达 • CAD与虚拟现实（VR）技术的集成 • VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、
• 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； • 技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产
品及其零部件的具体结构； • 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说
明书编写等。
第二章
现代设计技术的逻辑维
• 分析--明确设计任务本质； • 综合--综合各种因素，探求解决方案； • 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整
第二章
第二章
第二章
只需要建立两张表就能描述任一复杂的物体， 一是点（立体的顶点）表；二是边（点的连线） 表，如图所示棱锥体，表2-1和2-2即为其全部 几何信息
表2-1点表
表2-2边表
第二章
表2-3 面表
第二章
单一数据库与相关性设计
• 单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现 产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。
设计过程中解决具体设计问题的各 种方法和手段
静态、经验、被动、手工
传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉，综合性技术。
第二章
现代设计技术的定义
时间维 施工设计 技术设计 方案设计
产品规划
可靠性设计 模块化设计 优化设计
…
方法维
分 综评 决 析 合价 策
逻辑维
第二章
现代设计技术的时间维
• 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求；
标准化技术 目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES （Initial Graghical Exchange System)图形交 换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的研究热点
和改进；
• 决策--确定最佳的设计方案
第二章
2.1.2 现代设计技术体系
先进制造工艺
材料科学
自动化技术
相
系统管理技术
关 学
自然科学
科
政治经济
与 技
文化社会科学 术
市场营销学
……….
应用技术 支撑技术 主体技术 基础技术
各产品领域知识与技术 现代设计方法学 可信性设计技术 设计试验技术
计算机辅助设计技术
产品的造型建模技术 • 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表
结构； • 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； • 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信
息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何 法等结构形式； • 特征造型：以具有工程语义的各类特征来定义描 述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。
第二章
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 现代设计方法
第二章
2.1 现代设计技术内涵与体系结构
2.1.1 现代设计技术的内涵和特点 2.1.2 现代设计技术体系
第二章
2.1.1 现代设计技术的内涵与特点
设计技术
传统设计 技术
现代设计 技术
第二章
特征就是描述产品信息的集合，也是构成零、 部件设计与制造的基本几何体，它既能反映零件的 几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的 零件特征包括：形状特征、精度特征、材料特征、 装配特征等。
形状特征是特征造型的主要部分，是其他特 征的载体，形状特征定义为一组唯一确定该特征的 参数，这组参数中有形状参数及定位参数。
第二章
CAD技术特征
• 计算机的支持和参与 利用计算机信息存储、 逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算 等能力和特长，提高产品设计效率和质量；
• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业；
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
第二章
2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
构，有利于曲线、曲面操作和修改。
第二章
CAD与CAX集成技术
• CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数 据交换接口等技术。包括如下集成：
•
① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成；
•
② CAD/ERP--与管理系统集成；
•
③ 异地、异构系统企业间CAD集成，如全
球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。
自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂 贵，技术开发难度大 • 计算机安全 技术保密，防病毒感染
第二章
2.3 现代设计方法
2.3.1优化设计 最优化设计是借助最优化数值计算方法和计
算机技术，求取工程问题的最优设计方案。 即Hale Waihona Puke 进行最优化设计时，首先必须将实际问
题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的 数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和 计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最 佳的设计参数。
• 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相 关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二 维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
NURBS曲面造型技术
NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可统一自 由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结
传统设计理论 与方法
现代设计技术体系结构框图
第二章
2.2 计算机辅助设计技术
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念 2.2.2 计算机辅助设计的关键技术
第二章
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能
• 零件造型、产品装配 • 产品渲染、动态显示、运动仿真 • 工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠 性设计 • 绘制工程图样、编制物料清单（BOM)
第二章
精度特征可分为两类：一种是各几何元素本身 的要求，如尺寸公差、表面粗糙度等，另一种和其 他几何元素相关，即相对于基准的精度要求，如形 状及位置公差。
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及 局部处理特征，整体材料特征作为零件的属性，包 括材料种类代号、性能、热处理方法等，表面处理 特征作为表面的属性，包括表面淬火、渗碳、渗氮 等。