先进制造技术之现代设计技术65

2006-4-261成本沉淀理论—设计的重要性现代设计技术是先进制造技术的第一个环节，根据成本沉淀理论，设计成本占产品成本5-7%，但却决定产品成本的70％!设计开发生产准备加工材料消耗销售管理100%5005%70%18%7%5%54%28%3%对成本的影响所需成本企业中成本的确定2006-4-262传统设计技术•传统的产品制造模式是一个开环系统，即原料工业生产产品使用报废弃入环境。它是靠大量消耗资源和破坏环境为代价的工业发展模式。所以设计技术主要考虑产品的功能、质量和成本。2006-4-263现代设计技术•现代设计技术是根据产品在整个生命周期中功能和市场竞争（时间、质量、价格）的需要，考虑生态环境和资源效率，应用科学知识和现化技术，经过设计人员创造性的思维、规划和决策，制定先进的产品设计方案，通过CAD等先进方法，并使方案付褚实施的技术。2006-4-264现代设计技术的特点•现代设计从单纯的产品功能设计扩展到生命周期设计（包括考虑环境因素的绿色设计）;•从传统的经验设计转向应用现代计算机技术的数字化设计技术;•从传统的顺序设计方式过渡到并行设计和网络协调设计等。现代设计技术的发展方向是不断吸收现代科学技术，使其实现数字化、智能化和网络化。2006-4-265现代设计技术的内涵现代设计技术包含了：•绿色产品设计技术•优良性能设计基础技术•竞争优势创建技术•全寿命周期设计技术2006-4-266绿色产品设计技术•绿色产品设计技术是在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率，使产品在整个生命周期（设计、制造、使用到报废）中，符合环境保护和人类健康的需要，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的设计技术。2006-4-267绿色产品设计技术包括:•面向环境的设计技术•面向能源的设计技术•面向材料的设计技术•人机工程设计技术2006-4-268绿色产品设计技术举例—零件结构的拓扑优化减少材料利用2006-4-269优良性能设计基础技术•优良性能设计基础技术是一项以提高机械产品综合性能为目标的设计技术，是各种创新技术发展的基础，是全寿命周期设计技术的必要条件，世界各发达国家和企业都十分重视此技术的研究开发和应用。•体现在静态到动态、单项到综合、个体到系统、无限寿命到有限寿命、设计对象向太空、深水、微观、生命等领域发展，设计的基础理论要求更高。2006-4-2610优良性能设计基础技术包括：•可靠性设计•试验技术•防疲劳断裂设计技术•系统动态设计和稳定性设计技术•摩擦学设计技术•防腐蚀设计技术•表面工程设计技术•状态监测•补偿控制技术2006-4-2611竞争优势创建技术•竞争优势创建技术是从产品的工作特性和功能目标出发，在特定技术、经济和社会等具体条件下，根据相邻学科的原理，创造性地设计产品，并使它在技术及经济上达到最佳水平。•重点研究设计思维、功能目标评价、设计决策技术、新的设计理论与方法、CAD和集成化、智能化。2006-4-2612竞争优势创建技术包括：•创新设计技术•降低成本设计技术•快速设计技术•仿真与虚拟设计技术•智能设计技术•广义优化技术•工业产品造型设计技术采用新原理、新方法的全新产品设计设计是一种创造性思维活动，随科技和经济的发展对创新设计提出新的挑战，计算机的应用为设计创新带来新希望，智能化是重要方向。以缩短产品开发周期为主要目的设计技术，包括模块化设计、并行设计、基于实例设计、反求设计、虚拟设计等，一切有助于加快产品开发速度的理论和方法都是快速设计的组成部分，涉及多学科的交叉、多方向发展。并联机床设计2006-4-2613全寿命周期设计技术•全寿命周期设计改变了制造业的企业结构和工作方式，能对产品生产周期、质量和成本进行有效控制，形成生产、销售、用户服务一条龙。主要体现在缩短产品投放市场时间、提高质量、降低生产成本、增强市场竞争力。其特点是全寿命全系统管理、全寿命周期费用分析，达到“优生、优育、优管”。•它包括并行设计技术、面向制造的设计技术、全寿命周期设计数据管理技术、全寿命周期管理及费用分析技术。2006-4-2614全寿命周期设计过程框图ProductLifecycleTransformationfortheDigitalEconomy314768259102006-4-2615最引人注目的设计技术•现代设计技术中最受设计工作者关心的是并行设计技术和虚拟设计技术。2006-4-2616并行设计技术•并行设计是并行工程、协同设计、敏捷制造、虚拟制造等先进技术的基础，它涉及到计算机技术、通讯技术、机械设计方法等领域。而并行工程是把CAD、制造、管理和质量保证等有机地集成在一起，实现信息集成、信息共享、过程集成。设计者一开始就考虑到产品全生命周期中所有因素，包括质量、进度、成本和用户需求。2006-4-2617并行设计的内容（1）•过程重构：由传统的串行产品开发模式转变成集成的、并行的产品开发模式，使下游设计过程中的需求及早地反馈给相应过程中。•数字化产品定义：包括数字化产品模型定义和管理、数字化过程定义和管理、数字化工具定义和信息集成，如DFQ、DFA、DFM、CAD/CAE/CAM集成等。2006-4-2618并行设计的内容（2）•产品开发队伍重构：将传统的以功能部门为主线的产品设计，改变以产品为主线，组织多功能集成产品开发团队，进行产品并行开发。•协同工作环境：利用多煤体、网络等技术，组建协调工作环境，支持并行设计。•并行设计技术实际上是一门涉及多个领域的交叉学科，内容极为丰富。2006-4-2619产品分析2006-4-2620以下图零件的模具设计为例2006-4-2621在进行模具设计时，生产、采购、工艺、标准化、设计、试模等方面的技术人员协同工作，完成设计。2006-4-2622利用模具CAD/CAM软件，自动提取BOM表供各生产环节使用。2006-4-2623利用自顶向下的设计方法，将总体零件分解给不同的设计小组。2006-4-2624CE产品设计过程（分组）2006-4-2625型芯设计、NC编程、加工小组2006-4-2626模架、模板采购加工组2006-4-2627标准件准备小组2006-4-2628利用CE以最短的交货期、最好的质量、最低的成本在市场竞争中赢得客户。2006-4-2629虚拟设计技术•全球化、网络化和虚拟化己成为制造业发展的重要特征，实现虚拟设计是制造业虚拟化的重要内容。近年来，为了缩短产品开发周期、降低生产成本，人们提出了各种各样的制造模式。计算机技术的发展为这些制造模式的应用提供了有力的支持，“虚拟现实”技术的引入更是加快了各种敏捷制造模式的实现。2006-4-2630虚拟现实技术•虚拟现实技术(VirtualReality)是一种三维计算机图形技术与计算机硬件技术集成而实现的高级人机交互技术，让用户通过视觉、听觉、触觉、甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式，实时地与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。比如，进入“虚拟厂房”，操纵“虚拟机床”，抓取“虚拟零件”，组装“虚拟设备”等等。2006-4-2631虚拟现实的硬件设备•虚拟现实技术提供：具有独特输入/输出装置的特殊人机界面，如头盔式显示器HMD、跟踪器、数据手套、定位器等。借助这些虚拟外设，比之传统CAD技术，用户就可沉浸在仿真环境之中，有“身临其境”的感觉，从而完成在现实世界中可能或不可能的工作。2006-4-2632（1）头盔（HMD-HeadMountedDisplay)两个LCD或CRT显示器典型分辨率360x2402006-4-2633（2）立体眼镜由液晶光栅眼镜和红外线控制器组成。（3）三维鼠标六自由度探测器，利用内构式超声接收器和具有发射器的固定基坐标来测量鼠标器离开桌面后的位置和方向。（4）跟踪器（Tracker)对VR用户的头或手的位置和方向进行实时的、精确的测量。类型有：机械式、电磁式和超声式。2006-4-2634（5）数据手套将用户手的姿势转化成计算机能读的数据，有测量几个或全部手指关节的传感器。有的具有三维传感器，以跟踪用户腕部的运动。基于光导衰减的光纤手套2006-4-2635（6）立体投影屏幕通过立体复合技术显示左、右眼的信息。使用“无源”偏振眼镜。价格低，可多人参与。2006-4-2636（1）单人沉浸式头盔式立体显示器产生逼真的沉浸感虚拟环境产生器头盔显示器声音合成声音合成语音识别电子显示装置头/眼/手跟踪触觉/动觉系统手位置头位置眼位置虚拟现实环境的几种主要形式2006-4-2637（2）虚拟世界窗口在虚拟环境中建立一窗口，通过该窗口漫游环境。（3）半实物模拟建立半事物模拟环境，并提供实际控制与屏幕上虚拟环境之间的交互途径。（4）CAVE墙式显示屏全自动声像虚拟环境。2006-4-2638虚拟现实技术应用真实感图形显示2006-4-2639虚拟现实技术应用真实感图形显示2006-4-2640虚拟现实技术应用2006-4-2641虚拟现实技术应用2006-4-2642高临场感的视景仿真系统2006-4-2643虚拟现实技术各种仿真工具2006-4-2644虚拟现实技术虚拟使用、操作工具2006-4-2645增强现实技术(AugmentReality)•增强现实技术是一种“虚实结合”的人机交互技术，是“看穿(see-through)”计算机生成显示技术。由于计算机图像(虚体)被叠加在实物(实体)之上，用户看到了物理世界与虚拟世界的混合体。比如，轿车整车装配时，车身是计算机产生的图像，而车架、装配环境则是实物，用户可以操作车身，使之逼真地安放在真实车架上，从而进行装配分析。2006-4-2646虚拟制造中的主要使能技术•目前虚拟制造的内涵已远远超出最早的范畴，但虚拟现实技术和增强现实技术仍然是虚拟制造的重要使能技术，可以使虚拟制造中的各项活动具有更强的逼真效果，从而提供更准确的产品设计与过程设计的评价分析手段。2006-4-2647应用虚拟制造的意义•虚拟制造技术可以用于产品与过程设计、产品开发成本和风险分析估算、产品与过程开发的集成，生产管理决策的改善，产品生产前各项生产活动的验证等。•虚拟制造技术可以促进远程协同产品开发的实现，充分利用网络上的制造资源。•虚拟制造技术可以应用于制造业企业或教育部门的技能培训与教育。2006-4-2648国外研究概况(1)•虚拟制造技术是九十年代产物，国外许多知名企业正在积极开发此技术。在汽车、飞机、工程机械、武器等产品上应用成果己有报导，以下是几个例子：•⑴美国国防部先进研究计划署ARPA正在致力于将虚拟环境与物理建模、分布离散模拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进的手段。2006-4-2649国外研究概况(2)•⑵加利福尼亚军火承包商RockwellInternational开发了将现有CAD数据转换传递到虚拟环境的软件，工程技术人员能看见设备部件是如何被装配的，无须制作零部件的物理模型。•⑶美国Metalagraphic公司应用虚拟检测技术于航空和军事产品的零部件加工。2006-4-2650国外研究概况(3)•⑷食品生产商Nabisco计划将组装生产线进行拟实化，以便培训人员去维护和维修生产线。•⑸摩托罗拉自1994年起使用虚拟技术开发产品，据报道，该项技术节约了该公司数百万美元的培训费用。•⑹波音公司用虚拟原型技术在计算机上建立了波音777飞机的最终模型。2006-4-2651国外研究概况(4)•⑺福特汽车公司已经计划在汽车设计与工程中应用虚拟环境技术，该公司的先进车辆技术组在装配仿真和虚拟成型方面应用虚拟技术，以提高空气动力学、人机工程学和外型表面建模的效果。•⑻卡特匹勒(CaterpillarInc)公司将虚拟设计技术用在评价新样车的内部可视性。该公司还打算用该项技术让客户“实际试车”新产品。2006-4-2652国外研究概况(5)•⑼在基础研究和工具系统开发方面也取得了进展①美国马里兰大学开发了用于分析设计产品可制造性的IMACS系统；②美国NIST正在开发面向虚拟制造的信息交换系统；③美