现代设计技术(第五讲)..ppt

第二讲第二讲 现代设计技术现代设计技术主讲主讲:周哲波周哲波 教授教授2-1 概述概述一、现代设计技术的概念一、现代设计技术的概念1.设计是人类改造自然的一种活动，是一设计是人类改造自然的一种活动，是一种复杂的创造性思维的过程。种复杂的创造性思维的过程。注注:（1）广义设计：发展过程的安排（发）广义设计：发展过程的安排（发展方向、程序、细节和目标）展方向、程序、细节和目标）（2）狭义设计：将客观需求转化为满）狭义设计：将客观需求转化为满足该需求的技术的系统活动。足该需求的技术的系统活动。（3）设计技术：设计过程中解决具体）设计技术：设计过程中解决具体问题的方法。问题的方法。2.现代设计技术现代设计技术 以满足应市产品的质以满足应市产品的质量、性能、时量、性能、时间、成本间、成本/价格综合效益最优为目的，价格综合效益最优为目的，以计算机为辅助设计（以计算机为辅助设计（CAD）技术为）技术为主体，以知识为依托，以多种科学方主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创新法及技术为手段，研究、改进、创新产品活动过程所用到的技术群体的总产品活动过程所用到的技术群体的总称。称。3.设计的类型设计的类型1）按设计任务要求分）按设计任务要求分（1 1）开发性设计：运用成熟的科学技术，）开发性设计：运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品。新型产品。（2 2）应用性设计：原理、方案基本不变）应用性设计：原理、方案基本不变的前提下，对产品作局部的变更使之的前提下，对产品作局部的变更使之满足四个要求。满足四个要求。（3 3）变形设计：功能、原理不变，进行）变形设计：功能、原理不变，进行结构结构方式和尺寸的变化。方式和尺寸的变化。2)新型的现代设计方法新型的现代设计方法 CAD、设计方法学、人工神经网络、设计方法学、人工神经网络、工程遗传算法并行工程、价值工程、可工程遗传算法并行工程、价值工程、可靠性、有限元、动态设计、工业设计、靠性、有限元、动态设计、工业设计、人机工程、模块设计、相似性设计、摩人机工程、模块设计、相似性设计、摩擦学设计、迭代（三次）设计、反求工擦学设计、迭代（三次）设计、反求工程、智能工程、模拟设计。程、智能工程、模拟设计。3）现代设计的软件系统）现代设计的软件系统（1 1）时间维）时间维产品规划：市场调研分析预测，确定产品规划：市场调研分析预测，确定总参数，制定制约条件和设计要求，总参数，制定制约条件和设计要求，提出决策的纲领性文件。提出决策的纲领性文件。方案设计：产品功能原理设计：以需方案设计：产品功能原理设计：以需求出发，采用功能分析法和原理试验，求出发，采用功能分析法和原理试验，确定最优方案是关键，创新性和先进确定最优方案是关键，创新性和先进性决定产品的未来和寿命及产品的成性决定产品的未来和寿命及产品的成本的本的70%.70%.技术设计：将产品的功能具体化技术设计：将产品的功能具体化 施工阶段：制图、编制工艺文件，说施工阶段：制图、编制工艺文件，说明书和使用手册明书和使用手册（2 2）逻辑维：解决问题的逻辑方法）逻辑维：解决问题的逻辑方法:抽抽象、发散、逆向。象、发散、逆向。（3 3）方法维：包括思维方法和工作方法）方法维：包括思维方法和工作方法传统的：直觉法、类比法、经验法传统的：直觉法、类比法、经验法现代的：模拟、仿真、虚拟现代的：模拟、仿真、虚拟二、现代设计技术的目标和特点二、现代设计技术的目标和特点1.设计目标设计目标1）工效实用性：系统的总体的技术指标）工效实用性：系统的总体的技术指标形式的提出，产量、质量、精度。形式的提出，产量、质量、精度。2）系统可靠性：在预定的时间能可靠工）系统可靠性：在预定的时间能可靠工作（寿命作（寿命)3)运行稳定性：抗干扰和适应环境的功运行稳定性：抗干扰和适应环境的功能，产品的精度。能，产品的精度。4）人机安全性：人、机无故障和事故。）人机安全性：人、机无故障和事故。5）环境无害性：无污染、噪音。）环境无害性：无污染、噪音。6）操作宜人性：操作方便。）操作宜人性：操作方便。7）结构工艺性：符合制造要求。）结构工艺性：符合制造要求。8）技术经济性：制造、运行的成本。）技术经济性：制造、运行的成本。9）造型艺术性：人机和谐）造型艺术性：人机和谐10）设计规范性：符合国家、民族、行）设计规范性：符合国家、民族、行业的规范标准。业的规范标准。2、特点、特点1）系统性：）系统性：德国：抽象到具体的发散思维方法德国：抽象到具体的发散思维方法（功能（功能原理原理结构）。结构）。美国：创造性设计学、运用创造技美国：创造性设计学、运用创造技术、发挥想象、辩证思维。术、发挥想象、辩证思维。传统方式：经验、类比，采用收敛传统方式：经验、类比，采用收敛方法。方法。2 2）社会性：）社会性：从产品概念、设计、制从产品概念、设计、制造、报废、回收的全社会综合考虑。造、报废、回收的全社会综合考虑。传统方式：技术主管指导，过程中采传统方式：技术主管指导，过程中采用单纯注意技术性，设计后再进行经用单纯注意技术性，设计后再进行经济分析。济分析。3）创造性：激励创造冲动、突出创新意）创造性：激励创造冲动、突出创新意识、力主抽象的设计构思，扩展发散识、力主抽象的设计构思，扩展发散的设计思维、综合评价、细心决策。的设计思维、综合评价、细心决策。传统方式：封闭收敛的设计思维、思传统方式：封闭收敛的设计思维、思维定式化、强调经验类比。维定式化、强调经验类比。4）宜人性：人机协调、机环协调、人）宜人性：人机协调、机环协调、人-机机-环协调。环协调。传统传统:主要强调功能性、使用性。主要强调功能性、使用性。5）主动性：应用科学技术的手段，对产）主动性：应用科学技术的手段，对产 品的周期、性能作早期预测。品的周期、性能作早期预测。6）优化：运用科学的原理和方法来规划）优化：运用科学的原理和方法来规划 最优方案。最优方案。传统：采用自然优化、设计传统：采用自然优化、设计-使用使用-改改 进进-设计。设计。7）动态化：动态模拟、概率分析。）动态化：动态模拟、概率分析。传统：采用静态传统：采用静态+安全系数。安全系数。8）智能化：扩展机器的功能）智能化：扩展机器的功能9）数字化：）数字化：CAD、CAM 传统：手工、人工。传统：手工、人工。10）并行虚拟化：社会参与、全员参与。）并行虚拟化：社会参与、全员参与。2-2 并行工程并行工程（CE,concurrent,Engeering)一、并行设计一、并行设计 以缩短产品的开发周期、以缩短产品的开发周期、降低成本、降低成本、提高质量、成功率为目标，把先进的提高质量、成功率为目标，把先进的管理思想和先进的自动化技术结合来，管理思想和先进的自动化技术结合来，采用集成化的、并行化的思想设计产采用集成化的、并行化的思想设计产品及相关过程。品及相关过程。二、技术特征二、技术特征1.产品的开发过程的并行重组产品的开发过程的并行重组 市场分析、构思、市场策划、各部市场分析、构思、市场策划、各部门并行进行、重新组合。门并行进行、重新组合。2.支持并行工程的群组工作支持并行工程的群组工作 项目管理的工作模式。项目管理的工作模式。3.统一的产品信息模型统一的产品信息模型 符合各部门收集的信息。符合各部门收集的信息。4.具有人工智能处理不完善、不确定信具有人工智能处理不完善、不确定信 息的功能。息的功能。能及时调整信息不全面的影响。能及时调整信息不全面的影响。5.基于时间的决策基于时间的决策 多目标优化方法。多目标优化方法。6.分布式的软硬件环境分布式的软硬件环境 网络系统。网络系统。7.开放式系统界面开放式系统界面 高度集成化。高度集成化。三、关键技术三、关键技术1.产品并行开发过程建模及优化产品并行开发过程建模及优化2.支撑并行设计的计算机信息系统支撑并行设计的计算机信息系统 信息的采集和交流的畅通性。信息的采集和交流的畅通性。3.模拟仿真技术模拟仿真技术 改变改变“设计设计-样机样机-修改修改”的方法。的方法。4.产品性能综合评价和决策系统产品性能综合评价和决策系统5.并行设计中的管理技术并行设计中的管理技术四四 优点优点1.市场响应快；市场响应快；2.开发的一次成功率高；开发的一次成功率高；3.能降低产品的成本。能降低产品的成本。2-3 反求工程反求工程一、反求工程一、反求工程 以先进产品设备的实物、样件、软件以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件）或形（包括图样、程序、技术文件）或形象（图像，图片等）作为研究对象。象（图像，图片等）作为研究对象。应用现代设计方法、生产工程学，材应用现代设计方法、生产工程学，材料学和相关专业知识进行系统分析和料学和相关专业知识进行系统分析和研究，探索掌握关键技术，进而开发研究，探索掌握关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品技术（它包出同类的更为先进的产品技术（它包括几何反求，材料反求，工艺反求）。括几何反求，材料反求，工艺反求）。1.几何反求方法：几何反求方法：（1）了解该产品的使用特点，制造）了解该产品的使用特点，制造商的产地及国家区域。商的产地及国家区域。（2）对外形的几何要素检查、分析。）对外形的几何要素检查、分析。（3）使用先进的测量仪器来进行技）使用先进的测量仪器来进行技术处理及建模（三坐标、抄描仪）。术处理及建模（三坐标、抄描仪）。（4）利用可靠的先进软件进行还原。）利用可靠的先进软件进行还原。2.材料反求方法材料反求方法：（1）谨慎取样（以新的没有使用的最好）。）谨慎取样（以新的没有使用的最好）。（2）成分检测（光谱直读、化学分析）。）成分检测（光谱直读、化学分析）。（3）硬度检测（硬度计）。）硬度检测（硬度计）。（4）组织分析（光谱仪，显微镜）。）组织分析（光谱仪，显微镜）。3.工艺反求方法工艺反求方法：（1）反判法编制工艺规程：用现有）反判法编制工艺规程：用现有的样件的样件 （尺寸、精度、粗糙度等）在（尺寸、精度、粗糙度等）在整机中的应用来判定基准。采用反推整机中的应用来判定基准。采用反推法。法。（2）改进工艺：保证引进技术的原）改进工艺：保证引进技术的原设计要求（从装配关系入手）。设计要求（从装配关系入手）。（3）用曲线对应法反求工艺参数：将）用曲线对应法反求工艺参数：将需分析的产品性能指标或工艺参数建需分析的产品性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二立第一参照系，以实际条件建立第二 参照系。根据已知点或某些特殊点把参照系。根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系工艺参数及其有关的量与性能的关系 拟合成一条曲线来确定工艺参数。拟合成一条曲线来确定工艺参数。（4）材料国产化：以与现有的工艺水）材料国产化：以与现有的工艺水平相对应。平相对应。4.反求对象的精度确定反求对象的精度确定 （1）依据产品的技术指标及技术条件，）依据产品的技术指标及技术条件，产品的工作原理图，并综合考虑生产技产品的工作原理图，并综合考虑生产技术水平，产品生产的经济性和国家标准。术水平，产品生产的经济性和国家标准。（2）判断产品精度的指标。）判断产品精度的指标。（3）综合考虑原理误差和理论误差，）综合考虑原理误差和理论误差，进行产品的工作原理反推。进行产品的工作原理反推。（4）完成草图，进行精度计算。）完成草图，进行精度计算。（5）编制技术文件。）编制技术文件。二、反求工程的内容二、反求工程的内容1.分析所引进产品的设计指导思路。分析所引进产品的设计指导思路。2.功能和原理方案分析。功能和原理方案分析。3.结构分析。结构分析。4.形状尺寸分析。形状尺寸分析。5.精度分析。精度分析。6.材料分析。材料分析。7.工作性能分析。工作性能分析。8.造型设计分析。造型设计分析。9.工艺分析。工艺分析。10.使用及维修分析和包装技术分析。使用及维修分析和包装技术分析。11.包装技术包装技术三反求工程的基本步骤四、反求工程的关键技术四、反求工程的关键技术 1.反求对象的数字化方法及技术反求对象的数字化方法及技术1）接触式数据采集方法）接触式数据采集方法（1）触发式数据采集：测头的探针。）触发式数据采集：测头的探针。（2）连续式数据采集：采用模拟量开关）连续式数据采集：采用模拟量开关采样头，连续取点。采样头，连续取点。（3）磁场法：将被测物置于磁场中，手）磁场法：将被测物置于磁场中，手持触针在物体表面采样，简单（磁电持触针在物体表面采样，简单（磁电数字信号）。数字信号）。（2）非接触式数据采集方法）非接触式数据采集方法 1）激光三角法：曲面数据采样）激光三角法：曲面数据采样 特点：特点：触针不与工件接触，不受触针不与工件接触，不受 松软材料尖松软材料尖 角、凹坑无影响；角、凹坑无影响；数据采样速度快；数据采样速度快；价格贵，垂直壁表面特征会影响精价格贵，垂直壁表面特征会影响精 度，杂散反射。度，杂散反射。2）距离法：利用光传播时间来测量被测实）距离法：利用光传播时间来测量被测实物与参考平面的距离。物与参考平面的距离。种类有：脉冲波、调幅连续波、调频连续种类有：脉冲波、调幅连续波、调频连续波。波。3）结构光法：将一定模式的光照射到结构光法：将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别图像，通过对比不同模式之间的差别来获取表面点的位置（干涉仪），不来获取表面点的位置（干涉仪），不需要使用三坐标机。需要使用三坐标机。特点：造价低、精度低、操作复杂。特点：造价低、精度低、操作复杂。4）图像分析法，不采用摄影模板，而是）图像分析法，不采用摄影模板，而是通过匹配确定物体同通过匹配确定物体同 一点在两幅图像中一点在两幅图像中的位置由视差计算距离。的位置由视差计算距离。特点：受匹配精度的影响，只描述物特点：受匹配精度的影响，只描述物 体上的特征点，对三维实体的测量精度体上的特征点，对三维实体的测量精度有限。有限。5）工业计算机切片成型法：采用）工业计算机切片成型法：采用ICT技技术（术（Industrial computer tomography）2.模型的重构技术模型的重构技术 （1）小三角鳞片法）小三角鳞片法 （2）分片连续的样条曲法）分片连续的样条曲法 （3）步骤：）步骤：1）数据预处理：测出样机的输出数）数据预处理：测出样机的输出数据极大，并包含一些噪音，测量的数据极大，并包含一些噪音，测量的数据有伪值，要进行过滤、筛选、去噪，据有伪值，要进行过滤、筛选、去噪，平滑和编辑处理。平滑和编辑处理。2)网格模型的生成：采用三角片构建网格模型的生成：采用三角片构建骨架。骨架。3）网格模型的后处理（光顺化）。）网格模型的后处理（光顺化）。3.常用的软件常用的软件（1）美国：）美国：SDRC公司公司.Imageware.surfacer。（2）美国：）美国：DELCOM公司公司.CopyCad。（3）美国：）美国：RENIShaw公司公司.Frace。（4）美国：）美国：UG/Quick.shape。（5）国产：浙大、华中、南航、北理工均有）国产：浙大、华中、南航、北理工均有相应软件。相应软件。结束结束谢谢大家谢谢大家再见再见