先進制造技術現代設計技術

2006-4-261成本沉淀理論—設計的重要性

現代設計技術是先進制造技術的第一個環(huán)節(jié)，根據成本沉淀理論，設計成本占產品成本5-7%，但卻決定產品成本的70％!設計開發(fā)生產準備加工材料消耗銷售管理

100%50

0

5%70%18%

7%

5%54%28%

3%對成本的影響所需成本企業(yè)中成本的確定2006-4-262傳統(tǒng)設計技術傳統(tǒng)的產品制造模式是一個開環(huán)系統(tǒng)，即原料工業(yè)生產產品使用報廢棄入環(huán)境。它是靠大量消耗資源和破壞環(huán)境為代價的工業(yè)發(fā)展模式。所以設計技術主要考慮產品的功能、質量和成本。2006-4-263現代設計技術現代設計技術是根據產品在整個生命周期中功能和市場競爭（時間、質量、價格）的需要，考慮生態(tài)環(huán)境和資源效率，應用科學知識和現化技術，經過設計人員創(chuàng)造性的思維、規(guī)劃和決策，制定先進的產品設計方案，通過CAD等先進方法，并使方案付褚實施的技術。2006-4-264現代設計技術的特點現代設計從單純的產品功能設計擴展到生命周期設計（包括考慮環(huán)境因素的綠色設計）;從傳統(tǒng)的經驗設計轉向應用現代計算機技術的數字化設計技術;從傳統(tǒng)的順序設計方式過渡到并行設計和網絡協(xié)調設計等。

現代設計技術的發(fā)展方向是不斷吸收現代科學技術，使其實現數字化、智能化和網絡化。2006-4-265現代設計技術的內涵現代設計技術包含了：綠色產品設計技術優(yōu)良性能設計基礎技術競爭優(yōu)勢創(chuàng)建技術全壽命周期設計技術2006-4-266綠色產品設計技術綠色產品設計技術是在保證產品的功能、質量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率，使產品在整個生命周期（設計、制造、使用到報廢）中，符合環(huán)境保護和人類健康的需要，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率最高，能源消耗最低的設計技術。2006-4-267綠色產品設計技術包括:面向環(huán)境的設計技術面向能源的設計技術面向材料的設計技術人機工程設計技術2006-4-268綠色產品設計技術舉例

—零件結構的拓撲優(yōu)化減少材料利用2006-4-269優(yōu)良性能設計基礎技術優(yōu)良性能設計基礎技術是一項以提高機械產品綜合性能為目標的設計技術，是各種創(chuàng)新技術發(fā)展的基礎，是全壽命周期設計技術的必要條件，世界各發(fā)達國家和企業(yè)都十分重視此技術的研究開發(fā)和應用。體現在靜態(tài)到動態(tài)、單項到綜合、個體到系統(tǒng)、無限壽命到有限壽命、設計對象向太空、深水、微觀、生命等領域發(fā)展，設計的基礎理論要求更高。2006-4-2610優(yōu)良性能設計基礎技術包括：可靠性設計試驗技術防疲勞斷裂設計技術系統(tǒng)動態(tài)設計和穩(wěn)定性設計技術摩擦學設計技術防腐蝕設計技術表面工程設計技術狀態(tài)監(jiān)測補償控制技術2006-4-2611競爭優(yōu)優(yōu)勢創(chuàng)創(chuàng)建技技術競爭優(yōu)優(yōu)勢創(chuàng)創(chuàng)建技技術是是從產產品的的工作作特性性和功功能目目標出出發(fā)，，在特特定技技術、、經濟濟和社社會等等具體體條件件下，，根據據相鄰鄰學科科的原原理，，創(chuàng)造造性地地設計計產品品，并并使它它在技技術及及經濟濟上達達到最最佳水水平。。重點研研究設設計思思維、、功能能目標標評價價、設設計決決策技技術、、新的的設計計理論論與方方法、、CAD和集成成化、智能化化。2006-4-2612競爭優(yōu)優(yōu)勢創(chuàng)創(chuàng)建技技術包括：：創(chuàng)新設設計技技術降低成成本設設計技技術快速設設計技技術仿真與與虛擬擬設計計技術術智能設設計技技術廣義優(yōu)優(yōu)化技技術工業(yè)產產品造造型設設計技技術采用新新原理理、新新方法法的全全新產產品設設計設計是是一種種創(chuàng)造造性思思維活活動，，隨科科技和和經濟濟的發(fā)發(fā)展對對創(chuàng)新新設計計提出出新的的挑戰(zhàn)戰(zhàn)，計計算機機的應應用為為設計計創(chuàng)新新帶來來新希希望，，智能能化是是重要要方向向。以縮短短產品品開發(fā)發(fā)周期期為主主要目目的設設計技技術，，包括括模塊塊化設設計、、并行行設計計、基基于實實例設設計、、反求求設計計、虛虛擬設設計等等，一一切有有助于于加快快產品品開發(fā)發(fā)速度度的理理論和和方法法都是是快速速設計計的組組成部部分，，涉及及多學學科的的交叉叉、多多方向向發(fā)展展。并聯(lián)機機床設設計2006-4-2613全壽命命周期期設計計技術術全壽命命周期期設計計改變變了制制造業(yè)業(yè)的企企業(yè)結結構和和工作作方式式，能能對產產品生生產周周期、、質量量和成成本進進行有有效控控制，，形成成生產產、銷銷售、、用戶戶服務務一條條龍。。主要要體現現在縮縮短產產品投投放市市場時時間、、提高高質量量、降降低生生產成成本、、增強強市場場競爭爭力。。其特特點是是全壽壽命全全系統(tǒng)統(tǒng)管理理、全全壽命命周期期費用用分析析，達達到““優(yōu)生生、優(yōu)優(yōu)育、、優(yōu)管管”。。它包括括并行行設計計技術術、面面向制制造的的設計計技術術、全全壽命命周期期設計計數據據管理理技術術、全全壽命命周期期管理理及費費用分分析技技術。。2006-4-2614全壽命命周期期設計計過程程框圖圖ProductLifecycleTransformationfortheDigitalEconomy314768259102006-4-2615最引人人注目目的設設計技技術現代設設計技技術中中最受受設計計工作作者關關心的的是并行設設計技術和和虛擬設設計技術。。2006-4-2616并行設設計技技術并行設設計是是并行行工程程、協(xié)協(xié)同設設計、、敏捷捷制造造、虛虛擬制制造等等先進進技術術的基基礎，，它涉涉及到到計算算機技技術、、通訊訊技術術、機機械設設計方方法等等領域域。而而并行行工程程是把把CAD、制造、、管理理和質質量保保證等等有機機地集集成在在一起起，實實現信信息集集成、、信息息共享享、過過程集集成。。設計計者一一開始始就考考慮到到產品品全生生命周周期中中所有有因素素，包包括質質量、、進度度、成成本和和用戶戶需求求。2006-4-2617并行設設計的的內容容（1）過程重重構：：由傳統(tǒng)統(tǒng)的串串行產產品開開發(fā)模模式轉轉變成成集成成的、、并行行的產產品開開發(fā)模模式，，使下下游設設計過過程中中的需需求及及早地地反饋饋給相相應過過程中中。數字化化產品品定義義：包括數數字化化產品品模型型定義義和管管理、、數字字化過過程定定義和和管理理、數數字化化工具具定義義和信信息集集成，，如DFQ、DFA、DFM、CAD/CAE/CAM集成等等。2006-4-2618并行設設計的的內容容（2）產品開開發(fā)隊隊伍重重構：：將傳統(tǒng)統(tǒng)的以以功能能部門門為主主線的的產品品設計計，改改變以以產品品為主主線，，組織織多功功能集集成產產品開開發(fā)團團隊，，進行行產品品并行行開發(fā)發(fā)。協(xié)同工作環(huán)環(huán)境：利用多煤體體、網絡等等技術，組組建協(xié)調工工作環(huán)境，，支持并行行設計。并行設計技技術實際上是一一門涉及多多個領域的的交叉學科科，內容極極為豐富。。2006-4-2619產品分析2006-4-2620以下圖零件件的模具設設計為例2006-4-2621在進行模具具設計時，，生產、采采購、工藝藝、標準化化、設計、、試模等方方面的技術術人員協(xié)同同工作，完完成設計。。2006-4-2622利用模具CAD/CAM軟件，自動動提取BOM表供各生產產環(huán)節(jié)使用用。2006-4-2623利用自頂向向下的設計計方法，將將總體零件件分解給不不同的設計計小組。2006-4-2624CE產品設計過過程（分組組）2006-4-2625型芯設計、、NC編程、加工工小組2006-4-2626模架、模板板采購加工工組2006-4-2627標準件準備備小組2006-4-2628利用CE以最短的交交貨期、最最好的質量量、最低的的成本在市市場競爭中中贏得客戶戶。2006-4-2629虛擬設計技技術全球化、網網絡化和虛虛擬化己成成為制造業(yè)業(yè)發(fā)展的重重要特征，，實現虛擬擬設計是制制造業(yè)虛擬擬化的重要要內容。近近年來，為為了縮短產產品開發(fā)周周期、降低低生產成本本，人們提提出了各種種各樣的制制造模式。。計算機技技術的發(fā)展展為這些制制造模式的的應用提供供了有力的的支持，““虛擬現實實”技術的的引入更是是加快了各各種敏捷制制造模式的的實現。2006-4-2630虛擬現實技技術虛擬現實技技術(VirtualReality)是一種三維維計算機圖圖形技術與與計算機硬硬件技術集集成而實現現的高級人人機交互技技術，讓用用戶通過視視覺、聽覺覺、觸覺、、甚至嗅覺覺和味覺等等多種知覺覺方式，實時地與計計算機所建建造的仿真真環(huán)境發(fā)生生相互作用用。比如，，進入“虛虛擬廠房””，操縱縱“虛擬機機床”，，抓取“虛虛擬零件””，組裝裝“虛擬設設備”等等等。2006-4-2631虛擬現實的的硬件設備備虛擬現實技技術提供：：具有獨特特輸入/輸輸出裝置的的特殊人機機界面，如如頭盔式顯顯示器HMD、跟蹤器、、數據手套套、定位器器等。借助助這些虛擬擬外設，比比之傳統(tǒng)CAD技術，用戶戶就可沉浸浸在仿真環(huán)環(huán)境之中，，有“身臨臨其境”的的感覺，從從而完成在在現實世界界中可能或或不可能的的工作。2006-4-2632（1）頭盔（HMD-HeadMountedDisplay)兩個LCD或CRT顯示器典型分辨率率360x2402006-4-2633（2）立體眼鏡鏡由液晶光柵柵眼鏡和紅紅外線控制制器組成。。（3）三維鼠標標六自由度探探測器，利利用內構式式超聲接收收器和具有發(fā)射器的的固定基坐坐標來測量量鼠標器離離開桌面后的位置和和方向。（4）跟蹤器（（Tracker)對VR用戶的頭或或手的位置置和方向進進行實時的的、精確的測量量。類型型有：機械式、電電磁式和超超聲式。2006-4-2634（5）數據手套套將用戶手的的姿勢轉化化成計算機機能讀的數數據，有測測量幾個或全全部手指關關節(jié)的傳感感器。有的的具有三維維傳感器，以以跟蹤用戶戶腕部的運運動?；诠鈱ニp的光纖纖手套2006-4-2635（6）立體投影影屏幕通過立體復復合技術顯顯示左、右右眼的信息息。使用“無源源”偏振眼眼鏡。價格低，可可多人參與與。2006-4-2636（1）單人沉浸浸式頭盔式立體體顯示器產生逼真的的沉浸感虛擬環(huán)境產生器頭盔顯示器聲音合成聲音合成語音識別電子顯示裝置頭/眼/手跟蹤觸覺/動覺系統(tǒng)手位置頭位置眼位置虛擬現實環(huán)環(huán)境的幾種種主要形式式2006-4-2637（2）虛擬世界界窗口在虛擬環(huán)境境中建立一一窗口，通通過該窗口口漫游環(huán)境境。（3）半實物模模擬建立半事物物模擬環(huán)境境，并提供供實際控制制與屏幕上上虛擬環(huán)境之之間的交互互途徑。（4）CAVE墻式顯示屏屏全自動聲聲像虛擬環(huán)環(huán)境。2006-4-2638虛擬現實技技術應用真實感圖形形顯示2006-4-2639虛擬現實技技術應用真實感圖形形顯示2006-4-2640虛擬現實技技術應用2006-4-2641虛擬現實技技術應用2006-4-2642高臨場感的的視景仿真真系統(tǒng)2006-4-2643虛擬現實技技術各種仿真工工具2006-4-2644虛擬現實技技術虛擬使用、、操作工具具2006-4-2645增強現實技技術

(AugmentReality)增強現實技技術是一種種“虛實結結合”的人人機交互技技術，是““看穿(see-through)”計算機生生成顯示技技術。由于于計算機圖圖像(虛體體)被疊加加在實物(實體)之之上，用戶戶看到了物物理世界與與虛擬世界界的混合體體。比如，，轎車整車車裝配時，，車身是計計算機產生生的圖像，，而車架、、裝配環(huán)境境則是實物物，用戶可可以操作車車身，使之之逼真地安安放在真實實車架上，，從而進行行裝配分析析。2006-4-2646虛擬制造中中的主要使使能技術目前虛擬制制造的內涵涵已遠遠超超出最早的的范疇，但但虛擬現實實技術和增增強現實技技術仍然是是虛擬制造造的重要使使能技術，，可以使虛虛擬制造中中的各項活活動具有更更強的逼真真效果，從從而提供更更準確的產產品設計與與過程設計計的評價分分析手段。。2006-4-2647應用虛擬制制造的意義義虛擬制造技技術可以用用于產品與與過程設計計、產品開開發(fā)成本和和風險分析析估算、產產品與過程程開發(fā)的集集成，生產產管理決策策的改善，，產品生產產前各項生生產活動的的驗證等。。虛擬制造技技術可以促促進遠程協(xié)協(xié)同產品開開發(fā)的實現現，充分利利用網絡上上的制造資資源。虛擬制造技技術可以應應用于制造造業(yè)企業(yè)或或教育部門門的技能培培訓與教育育。2006-4-2648國外研究概概況(1)虛擬制造技技術是九十十年代產物物，國外許許多知名企企業(yè)正在積積極開發(fā)此此技術。在在汽車、飛飛機、工程程機械、武武器等產品品上應用成成果己有報報導，以下下是幾個例例子：⑴美國國防防部先進研研究計劃署署ARPA正在致力于于將虛擬環(huán)環(huán)境與物理理建模、分分布離散模模擬等技術術結合，為為虛擬武器器設計提供供先進的手手段。2006-4-2649國外研究概概況(2)⑵加利福尼尼亞軍火承承包商RockwellInternational開發(fā)了將現現有CAD數據轉換傳傳遞到虛擬擬環(huán)境的軟軟件，工程程技術人員員能看見設設備部件是是如何被裝裝配的，無無須制作零零部件的物物理模型。。⑶美國Metalagraphic公司應用虛虛擬檢測技技術于航空空和軍事產產品的零部部件加工。。2006-4-2650國外研究概概況(3)⑷食品生產產商Nabisco計劃將組裝裝生產線進進行擬實化化，以便培培訓人員去去維護和維維修生產線線。⑸摩托羅拉拉自1994年起使使用虛擬技技術開發(fā)產產品，據報報道，該項項技術節(jié)約約了該公司司數百萬美美元的培訓訓費用。⑹波音公司司用虛擬原原型技術在在計算機上上建立了波波音777飛機的最最終模型。。2006-4-2651國外研究概概況(4)⑺福特汽車車公司已經經計劃在汽汽車設計與與工程中應應用虛擬環(huán)環(huán)境技術，，該公司的的先進車輛輛技術組在在裝配仿真真和虛擬成成型方面應應用虛擬技技術，以提提高空氣動動力學、人人機工程學學和外型表表面建模的的效果。⑻卡特匹勒勒(CaterpillarInc)公司將虛擬擬設計技術術用在評價價新樣車的的內部可視視性。該公公司還打算算用該項技技術讓客戶戶“實際試試車”新產產品。2006-4-2652國外研究概概況(5)⑼在基礎礎研究和和工具系系統(tǒng)開發(fā)發(fā)方面也也取得了了進展①美國馬馬里蘭大大學開發(fā)發(fā)了用于于分析設設計產品品可制造造性的IMACS系統(tǒng)；②美國NIST正在開發(fā)發(fā)面向虛虛擬制造造的信息息交換系系統(tǒng)；③美國華華盛頓州州立大學學面向設設計與制制造的虛虛擬環(huán)境境VEDAM系統(tǒng)是在在PTC的Pro/Engineer等CAD/CAM系統(tǒng)上開開發(fā)的，，包括加加工設備備建模、、虛擬設設計、虛虛擬制造造和虛擬擬裝配等等虛擬環(huán)環(huán)境。2006-4-2653國外研究究概況(6)④英國Bath大學的G.Bayliss等人提出出的VMAN(VirtualManufacturing)計劃指在在探索簡簡易的虛虛擬現實實技術對對工程領領域的計計算機輔輔助設計計的作用用。在該該計劃中中，利用用虛擬現現實技術術生成工工作空間間，允許許用戶利利用假想想的機器器設備制制造產品品，然后后將該過過程再現現在真實實的數控控機床上上。2006-4-2654國外研究究概況(7)⑤新加坡坡國立大大學Lee和Noh等人利用用因特網網、專家家系統(tǒng)開開發(fā)工具具、HTML/VRML和數據管管理系統(tǒng)統(tǒng)，開發(fā)發(fā)了一個個虛擬制制造原型型系統(tǒng)作作為工程程和生產產活動的的實驗臺臺；⑥日本大大阪大學學工學部部電子控控制機械械學科的的巖田一一明教授授和小野野里雅彥彥副教授授領導的的研究小小組自1991年著手手開發(fā)應應用的虛虛擬制造造系統(tǒng)VirtualWorks和OpenVirtualWorks。該系統(tǒng)統(tǒng)能如同同現實制制造。2006-4-2655國外研究究概況(8)系統(tǒng)一般般生成和和處理有有關制造造系統(tǒng)的的構造、、狀態(tài)、、行為等等信息，，包括模模擬設計計、規(guī)劃劃、管理理等制造造活動的的虛擬邏邏輯系統(tǒng)統(tǒng)和建模模，諸如如機器、、材料、、工作人人員等生生產現場場中的物物理實體體，并模模擬這些些物理實實體間相相互作用用的虛擬擬物理系系統(tǒng)。2006-4-2656國內研究究概況(1)國內虛擬擬制造技技術尚處處于研究究起步階階段。虛擬制造造技術的的一些單單元技術術在國家家自然科科學基金金、國家家863計劃、、國家重重點攻關關項目的的資助下下己取得得了一定定的成果果。1998年年8月““虛擬制制造技術術研討與與演示會會”在北北京舉行行、標志志著相關關領域的的研究己己初具規(guī)規(guī)模。2006-4-2657國內研究究概況(2)國內具體體研究的的內容涉涉及虛擬擬產品裝裝配、虛虛擬塑性性成型、、機床總總體方案案虛擬設設計、虛虛擬測試試、虛擬擬板材成成型、虛虛擬數控控加工以以及虛擬擬組織和和虛擬企企業(yè)等。。但從總總體來看看，由于于計算機機軟硬件件設備的的限制，，大多停停留在系系統(tǒng)框架架和總體體技術的的研究程程度，實實質性的的面向應應用的關關鍵技術術研究還還有待進進一步拓拓寬范圍圍。2006-4-2658虛擬制造造技術涉涉及的軟軟件國外軟件件公司在在巨大應應用需求求推動下下，紛紛紛推出Deneb、Multigen、dVISE、WorldToolKit、Medit、MR、Lightscape、ReleaseX、EAI、MOSS等一批支支持虛擬擬制造的的軟件產產品。從從使用情情況看，，這些軟軟件大大大豐富了了CAD技術內容容，但價價格較貴貴，產品品的模塊塊一般為為數萬美美元左右右。2006-4-2659幾種軟件件的功能能(1)Deneb軟件是美美國DenebRobotics公司開發(fā)發(fā)的，系系統(tǒng)有五五個模塊塊：Envision、Quest、VirtualNC、Assembly、ERGO。主要功功能有：：虛擬樣樣機設計計分析、、虛擬環(huán)環(huán)境漫游游、離散散事件仿仿真、加加工過程程仿真、、虛擬裝裝配和拆拆卸仿真真、人體體建模與與分析等等。EAI軟件是由由美國EngineeringAnimationINC公司開發(fā)發(fā)，有三三個模塊塊：VisMockUpVisFly、VisLab，功能是是裝配分分析、裝裝配設置置評估、、模型可可視化，，三維工工程動畫畫。2006-4-2660幾種軟件件的功能能(2)dVISE軟件是英英國Division公司開發(fā)發(fā)，系統(tǒng)統(tǒng)有五個個模塊：：dv/WebFly、dv/Player、dv/Review、dv/Mock-Up、dvReality。主要功功能有：：實時網網上信息息瀏覽、、虛擬樣樣機、裝裝配拆卸卸仿真等等。WorldToolKit軟件是美美國Sence8公司開發(fā)發(fā)，主要要模塊是是WorldUp。主要功功能是實實時交互互虛擬環(huán)環(huán)境的建建立。2006-4-2661虛擬制造造技術的的研究動動向(1)虛擬制造造系統(tǒng)的的體系研研究：包包括系統(tǒng)統(tǒng)的構成成及相互互關系、、系統(tǒng)的的功能、、系統(tǒng)的的實現技技術等。。日本大大阪大學學小野里里雅彥等等人參照照現實制制造系統(tǒng)統(tǒng)的結構構與功能能提出了了虛擬制制造系統(tǒng)統(tǒng)的體系系框架。。美國標標準與技技術研究究所NIST提出的強強調模塊塊化的虛虛擬制造造體系包包括調度度器Scheduler、控制器器Controller、仿真器器Simulator、數據采采集模塊塊Dataacquisitionmodule、狀態(tài)數數據庫Statusdatabase。2006-4-2662虛擬制造造技術研研究動向向(2)支持虛擬擬制造軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)開發(fā)研研究。目目前商用用相關軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)的功能能有限，，大多只只能完成成三維世世界的