1、现代制造系统,第13章 现代设计方法（1-2） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第13章 现代设计方法,在产品的生产过程中，设计环节通常位于制造环节的前端。 因此，好的设计方案对提高制造效率、保障制造质量和降低制造成本都有重要的意义。 在现代制造系统中，强调包括设计和制造的多个生产环节的集成。 这种集成以信息化为基础，结合了多种先进的理论与方法。 与现代制造系统中的“现代”类似，这些设计理论与方法都是最近几十年内提出的，因此称为现代设计方法。,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13
2、.1 计算机辅助设计技术,计算机辅助设计技术（computer aided design, CAD），是在产品开发过程中使用计算机系统辅助产品创建、修改、分析和优化的有关技术。 狭义上的CAD技术特指利用相关的计算机软件实现产品的二维和三维图纸设计，本小节将重点介绍这些内容； 而广义上的CAD还包括了有限元分析、优化设计和反求工程等内容，这些将在后面章节介绍。,CAD的发展历程： （1）20世纪60年代初，CAD产生， 最早的CAD系统为美国麻省理工学院开发的Sketchpad系统。 Sketchpad系统的用途为科学计算和绘图， Sketchpad系统属于专用系统，即只适合于固定某型号的计算
3、机， 同时期开发的CAD软件均属于专用系统。,Sketchpad系统出现穿孔卡片机的末期， 使用了早期的电子管显示器 ， 以及刚发明的光电笔， 并安装了最早的面向对象的应用程序。,CAD的发展历程： （2）20世纪70年代中期。 CAD系统开始商品化， 主要用于研究所或企业的大中型计算机，用以复杂产品研发。 出现了线框模型， 能表达基本几何造型， 但不能有效表达几何数据之间的拓扑关系。,CAD的发展历程：（3）20世纪70年代后期。 出现了自由曲面建模技术（表面模型）， 能够根据给定的一系列离散点自由定义曲面的形状，从而实现汽车、飞机等产品中复杂零件的设计。 自由曲面建模技术被称为第一次CAD
4、技术革命。,CAD的发展历程：（4）20世纪80年代初。 出现了实体造型技术（实体模型）， 此时模型除形体表面信息外， 还进一步表达形体质量、强度等信息。 可用于静力、动力和温度分析， 并支持建立物理引擎。 实体造型技术被称为 第二次CAD技术革命。,CAD的发展历程： （5）20世纪80年代中期， 出现参数化实体造型技术， 被称为第三次CAD技术革命，主要技术为 基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计。 （6）20世纪90年代初期， 出现变量化实体造型技术， 被称为第四次CAD技术革命，主要改进为 突破了全尺寸约束的限制。,案例，大型空调外机的参数化设计： 大连冷冻机厂委托项目， 大型空调外机形
5、状简单，但不同用户往往对尺寸有不同要求，因此基于AutoCAD开发参数化设计工具能够极大地提高设计效率。 参数化设计适合外形近似，但尺寸多变的产品。 讨论： 还有其它产品有此特征？ 提示： 按订单设计， 并且需求量较大的零件。,概念辨析 参数化设计与变量化设计的区别： 一是是否要求尺寸标注齐全。 参数化要求先有全尺寸案例，再进行局部修改； 变量化可只设置部分尺寸，其它尺寸系统推导。 二是非全约束时，是否可以继续操作。 参数化不可继续操作； 变量化可以继续操作， 最终再联立方程，一起求解尺寸满足约束。,目前，Pro/E、UG、SolidWork等主流CAD软件均提供了变量化设计功能。 回顾第1章
6、的视频SolidWork的自由曲面设计：,设计者只需手动勾勒出主要轮廓，计算机自动完成细节绘制，这就是变量化设计技术提供的支持。,CAD技术的未来发展： （1）更加精确化和高效化， 与新的计算机技术相结合， 例如，出现分布式计算功能和移动版CAD。 （2）更加集成化， 支持并行设计和协同设计， 与企业管理软件（例如ERP）相结合。 （3）更加智能化， 进一步增强变量化造型功能， 需要智能算法配合求解未知参数化。,与CAD相关的主要技术： 基础技术： （1）计算机图形技术； 针对线框模型： （2）曲线造型技术； 针对曲面模型： （3）曲面造型技术 针对实体模型： （4）三维几何造型技术； 针对复
7、杂产品装配： （5）装配建模技术。,（1）计算机图形技术包括 图形变换技术， 指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形，是一种用于构造或修改图形的方法。 图形变换除了图形的位置变动外， 还可以将图形放大或缩小， 或者拉伸图形来使其扭曲变形等等。,（1）计算机图形技术包括 图形消隐技术， 当沿投影视线观察一个三维物体时，由于物体中各种表面或其它物体的遮挡，某些线段或面不可见，这些不可见的线段或面称为隐藏线或隐藏面。 要消除二义性，就必须在绘制时消除实际不可见的线和面，习惯上将这些隐藏线或隐藏面消除的过程称为消隐。（参考视频：“几何二义性”）,？,？,（1）计算机图形技术包括 图形的光照处理技
8、术， 采用消隐技术消除了隐藏线和隐藏面后，图形没有了二义性问题，但要创造真实感图形需要光照处理技术。,（1）计算机图形技术包括 图形裁剪技术， 实际应用中，面对一幅大的画面，常要求开一个矩形窗口显示指定的部分画面。 窗口内的图形被显示出来，而窗口之外的图形则被裁剪掉，使图形恰当地显示到屏幕上的处理技术称为裁剪技术。,（2）曲线造型技术中， 常用的曲线有 Bezier曲线， 法国雷诺公司的工程师贝塞尔（Bezier）于1962年提出； 主要用于 飞机、汽车、船舶的外形设计； 复杂机械零件的设计； 建筑、日常用品的曲线设计； 字体、地图的曲线设计。,Bezier曲线的定义:,其它顶点，用于控制曲线
9、的阶次和形状。,Bezier曲线是参数多项式曲线， 它由一组控制多边形的顶点唯一的确定。,控制多边形各顶点，只有第一个和最后一个在曲线上,改变顶点的位置就会改变曲线的形状(便于修改),增加顶点，则增加了曲线段的阶次(灵活),（2）曲线造型技术中， 常用的曲线有 B样条曲线， B样条曲线在Bezier曲线的基础上进行改进，提出的具有不同参数方程的曲线描述方法。 优点在于阶次与控制顶点无关，使用更灵活，并具有局部可修改性。 因此，B样条在实际设计中更为常用。 相关概念样条是绘制曲线的一种绘图工具，是富有弹性的细长条。绘图时用压铁使样条通过指定的形值点（样点），并调整样条使它具有满意的形状，然后沿样
10、条画出曲线。,（3）曲面造型技术中， 曲面通常利用曲线间接进行绘制， 常用的方法有扫描曲面： 由曲线的运动轨迹生成曲面。,（3）曲面造型技术中， 曲面通常利用曲线间接进行绘制， 常用的方法有直纹面： 以两条空间曲线为相对边界定义出的曲面。,（3）曲面造型技术中， 曲面通常利用曲线间接进行绘制， 常用的方法有复杂曲面： 对给定离散点进行拟合或逼近形成的曲面。 常用的有 孔斯（Coons）曲面、 Bezier曲面、 B样条曲面等。 参考视频： “Bezier曲面”。,（4）常用的三维几何造型技术包括 构造实体几何法（constructive solid geometry，CSG），也译作几何体素表
11、示法。,1977年，切斯特大学的Voelcker和Bequicha等人在首先提出。 基本思想为一个复杂物体可由一些比较简单、规则的形体经过布尔运算得到。,（4）常用的三维几何造型技术包括 边界表示法（boundary representation，B-rep）。 基本原理为物体都由有限个面构成，每个面由有限条边围成的有限个封闭域定义。 例如下图所示实体可以方便地分成10个单元面，各个单元面由有向、有序的边组成，每条边则由两个点定义。,CSG与B-rep为目前最常用的两种三维几何实体构造方法，其有着各自的优缺点。 对于CSG方法， 优点在于表达直观，符合机械装配习惯；数据存储空间小，方便修改。
12、缺点在于没有记录全部几何信息，导致图形绘制速度较慢。 对于B-rep方法， 优点在于精确表示物体，几何变换容易，图形绘制速度快。 缺点在于数据结构复杂，存储空间大，直观性不如CSG，容易出现错误。,CSG与B-rep两种方法哪种好？ 问题：哪种方法存储空间小，便于人理解？ 哪种方法绘制速度快，便于计算机操作？ 答案：CSG法存储空闲小，便于人理解； B-rep法绘制速度快，便于计算机操作。 思考：存储空间和绘制速度哪个更重要？ 答案：目前来说，提升计算机存储空间的成本更低，而提升计算机运行速度的难度更大。 在考虑到应该优先注重便于人理解，一种混合方法被提出：在CSG结构树的节点上再扩充一级边界
13、数据结构，用以快速显示图形。,（4）常用的三维几何造型技术还包括 分割表示法（decomposition representation，D-rep），也称作单元分解法。 基本思想是将三维实体逐步分解成有限个单元，是有限元分析的基础。,注意，随实体的在不同位置的细节表现程度不同，其分解的粒度也不相同。 即需要细致表现的地方拆分出更多的单元。,分割表示法中经常使用八叉树来描述三维实体， 即任一实体先用一个八等分的立方体描述， 需要进一步详细描述的地方，其对应的八分之一立方体再使用一个更小的八等分的立方体描述，逐步细化，直到精度令人满意为止。 这样可以最大限度地节省数据存储空间。,（4）常用的三维几
14、何造型技术还包括 扫描表示法（sweep）。 基本思想类似于前面介绍扫描曲面方法，不过这里是通过曲面运动生产实体。 主要方法有平移扫描、选择扫描和路径扫描等。,平移扫描,旋转扫描,路径扫描,（5）装配建模技术， 其需要描述的装配信息包括 层次关系；装配关系；装配约束。 装配模型能够提供的分析功能主要有 装配干涉分析; 质量特性分析; 爆炸视图。 参考视频：“回转工作台的爆炸视图“。,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13.2 计算机辅助制造技术,计算机辅助制造（computer aide
15、d manufacturing, CAM）技术是将计算机系统直接或间接地应用于计划、管理和控制生产作业的有关技术。 在实际应用中，CAM主要指底层（单台设备或单个制造单元）的生产控制技术； 上层（整个车间或企业）的生产调度和计划通常属于制造执行系统（MES）、企业资源计划（ERP）或计算机集成制造（CIM）的范畴。,CAM技术的发展历程： （1）20世纪50年代初， 最初的CAM系统产生， 为专机系统。 人工或辅助式 直接计算数控刀路。 具有上述技术特征的系统， 称为第一代CAM系统。,最初的CAM依靠人工直接计算数控刀路带来了极大的工作量，所以自上世纪50年代末以来，各国都在大力开发数控机床
16、的自动编程技术。 比较典型的数控机床自动编程系统有美国的APT、西德的EXAPT、英国的ICL和日本的FAPT等。其中以美国的APT最为完善，在国际上流传得最广泛。 上述系统都是适用于一般数控机床的，而不是局限于某一类型的机床，仅在处理任务的最后再将通用代码翻译成适合具体设备的程序。,（2）20世纪70年代末， 实现了CAD与CAM一体化， 即CAM系统能够直接使用CAD系统产生的图纸， 并自动计算相应的数控刀路， 有些还提供走刀过程仿真功能。 实现CAD与CAM一体化的系统称为第二代CAM系统。 参考视频： “UG仿真加工“。,第二代CAM系统中 使用的自动编程技术发生了重大变化： 相对于之
17、前的直接编程，此时的编程方式变为直接在零件的CAD图纸上设置以下工艺参数，然后由计算机自动计算数控刀路，这称为图形交互数控编程。 目前，主流的CAD软件，例如Pro/E、UG等，也提供CAM编程功能，支持CAD/CAM一体化的实现。,（3）20世纪80年代， 大量出现与CAM相关的技术，例如： 计算机辅助工艺规划（computer aided process planning, CAPP）， 零件分类编码系统（classing and coding system，第4.2节有介绍）， 计算机辅助质量管理（computer aided quality，CAQ）等等。 此时期的CAM系统致力于实现
18、 计算机集成制造（CIM）和柔性制造（FM）。,（4）20世纪90年代， 进一步与新出现的相关技术相结合，包括 产品数据管理（product data management, PDM）、 面向对象（object oriented, OO）、 并行工程（concurrent engineering，CE）、 人工智能（artificial intelligence，AI）等。 CAM技术的未来发展： 标准化、集成化、智能化。,与CAM相关的概念和技术： 上世纪80年代的研究热点： （1）计算机辅助工艺规划； 上世纪90年代的研究热点： （2）产品数据管理； 未来的发展方向之一标准化： （3）产生
19、数据交换标准； 未来的发展方向之二集成化： （4）协同设计； 未来的发展方向之三智能化： （5）CAD/CAM一体化技术。,（1）计算机辅助工艺规划 （computer aided process planning, CAPP）： 狭义上的CAPP软件主要实现工艺数据的管理， 并通过提供三维零件图、加工仿真等形式辅助工艺人员设计工艺内容和工艺路线。,广义上的CAPP还包括 零件分类编码系统（参考第4.2节）、 制定标准工艺路线（参考第10.5节）、 应用成组技术设计制造单元（参考第4.3节） 等与优化生产相关的内容。,相关概念工艺决策： 根据产品设计信息，利用工艺经验，参考具体的生产环节，确定
20、产品的工艺过程。 这是CAPP辅助完成的主要工作。 根据工艺决策的方式，CAPP可分为 检索式；派生式；创成式； 混合式；专家系统。 其中派生式为目前绝大多数CAPP系统所采取的方式。,CAPP的分类： 检索式方法是一种古老的工艺决策方式，指CAPP系统仅单纯地存储历史产品的工艺信息。 工艺人员设计新工艺时，检索出类似的工艺参考，再人为地修改，编制新工艺。 派生式（variant）方法，又称为修订式方法，基本思路是利用零件的分类编码技术（参考第4.2节）将相似零件归并成零件族。设计时检索出零件族的标准工艺流程，然后根据设计对象的具体特征加以修订。 派生式CAPP相对于检索式CAPP增加了零件族
21、的分类，并针对零件组提供了标准工艺模板，从而明显提高了工作效率。 派生式方法是目前CAPP系统中应用最多的方法。,CAPP的分类： 创成式（generative）方法，也称为生成式方法，其基本思路是将人们设计工艺过程时的推理和决策方法转换成计算机可以理解的决策逻辑、算法，在使用时由计算机程序根据内容的决策逻辑、算法以及生产环节信息，自动生成零件的工艺流程。 目前，创成式的理论基础还不完善，没有纯粹的创成式CAPP产品。 混合式方法，也称为综合式方法，或半创成式（semi-generative）方法，指目前尚在发展的创成式CAPP都掺杂了派生式方法。 专家系统，指应用了人工智能技术中的专家系统的
22、CAPP，目前尚在科学研究阶段。,（2）产品数据管理（product data management, PDM）： 狭义上的PDM只管理所有与产品相关的信息（包括纸质文档、电子文档和数据库记录等）。,广义上的PDM还管理所有与产品相关的过程信息（包括审批文件、工程更改、一般流程、配置管理等）。 广义上的PDM除了管理信息外，通常还提供项目管理功能，经常作为企业资源计划（ERP）的一部分，为企业设计部门所使用的管理信息系统。 较新的PDM还融入了产品全生命周期管理（product life cycle management, PLM）的思想（参考第5.4节），管理更多与产品相关的信息（例如产品的
23、使用寿命调查、产品对生态的影响等），并且支持新产品向环境的快速导入，因此有的PDM也称为PLM软件。,（3）产品数据交换标准： 目前，CAM的软硬件开发商数量众多， 除了提供CAD/CAM一体化系统的AutoCAD、Pro/Engineer、UG、Solid Works、Solid Edge、Inventor以及擅长有限元分析的Nastran、ANSYS、ABQUS、ADAMS等产品外， 专业的CAM系统还有Surf CAM、Smart CAM、Master CAM、WorkNC、Cimatron、DelCAM等等。 这些产品提供的数据格式大多不通用，给大公司综合应用这些产品带来了困难。 规范
24、化是CAM未来的发展方向之一，而其中最重要的方法就是制定产品数据交换标准。,产品数据交换标准的发展历史： 产品数据交换标准的制订工作，最初由美国CAMI公司开始的。它于1979年委托McAuto公司制订了实体造型数据文件规范（file specification for solid modeling data，FS），1980年又委托Shape Data公司制订了实体造型的应用接口规范（application interface specification，AIS）。 同一时期，美国国家标准局（NBS）开发了初始图形交换规范（initial graphics exchange specific
25、ation，IGES），于1980年发表了草案，称为IGES1.0，其中吸收了波音和通用电气公司的某些技术。 IGES是目前世界上最著名的标准之一，许多著名的的计算机软/硬件厂商都声称在其产品中支持该标准。,产品数据交换标准的发展历史： 然而IGES也存在一些不足，例如文件太长、有些数据不能表达等。为了克服这些不足，在世界范围内也出现了其他一些著名的标准： 法国在1983年发布了数据交换规范（SET），采用IGES的数据模型，但文件格式完全不同； 德国在1984年发布了产品数据交换的德国国家标准（VDAFS），又记作DIN 66301，但其应用领域较窄，只处理自由曲面数据的交换； 美国空军在1
26、985年发表了自定义标准产品定义数据接口（PDDI），定义了一些数据结构来改进IGES表达能力的不足，并且还首次提出了产品定义数据和产品生命周期数据等概念。,产品数据交换标准的发展历史： 1984年，IGES组织设置了一个研究计划PDES，目的是想建立一种方法论并开发新的产品数据交换标准，克服IGES的弱点。该标准的显著特点是着重于产品模型信息的交换，而不仅是几何和图形数据的传递。 PDES的开发方法基于一个三层的体系结构、参考模型及形式化语言（EXPRESS），消除了定义中的二义性，提高了计算机可实现程度。因此，无论是开发标准的方法还是在标准的结构和内容方面，PDES计划都有重大的突破和创新
27、，为STEP标准的制订奠定了基础。 1984年，欧共体的ESPRIT计划专设计算机辅助设计接口研究计划CAD*I，目的是开发一种几何模型描述语言，并在商品化的CAD和FEM系统上设计和实现相应的前后处理器，该技术在STEP国际标准的制订中有很大的影响。,产品数据交换标准的发展历史： 1983年12月，ISO设立了TC184工业自动化系统技术委员会，下设第4分委员会SC4，即产品数据表达与交换分委员会，负责制订Standard for the Exchange of Product Model Data，缩写为STEP，以PDES计划为基础，同时吸收了欧洲国家几种标准的长处。 1988年，ISO
28、把美国PDES文本作为STEP标准的建议草案公布，而PDES计划的制订工作也并入STEP计划，PDES的工作则转向STEP标准的应用，并讲PDES的含义改为“应用STEP进行产品数据交换”。,STEP的体系结构由三个层次构成： 最上层是应用层，包括应用协议及对应的抽象测试集，这是面向具体应用的一个层次； 这个层次负责解释不同应用软件提供的数据格式。 第二层是逻辑层，包括集成通用资源及集成应用资源，以及由这些资源建造的一个完整的产品模型； 它把产品数据从实际应用中抽象出来，并与具体实现无关。 第三层是物理层，包括实现方法，给出具体在计算机上的实现形式。 这个层次负责解释数据在不同计算机或操作系统
29、上的存储格式。,（4）协同设计（co-design）： 通常指一种设计工作的管理平台，从流程、协作和管理三个方面提高设计团队的协作性，提高设计质量并缩短设计时间。 协同设计平台通常由以下三部分组成： 流程模块，与项目管理软件类似，提供设计工作的流程管理。 协作模块，制定公共资源的提取、提交和提取机制，为不同设计人员提供交流环境。 管理模型，提供产品图纸、文档等各种设计资源的管理功能，与PDM软件类似。,案例：电子产品开发系统Altium Designer 6.0提供了现场可编程门阵列（FPGA）与印制电路板（PCB）的协同设计能力。,案例：elecworks与SolidWorks的协同设计。
30、参考视频：“协同设计”。,（5）CAD/CAM一体化技术： 指产品从设计到制造整个过程利用计算机进行信息处理的技术。 有的文献将CAPP从CAM中独立出来，称为CAD/CAPP/CAM一体化技术，与CAD/CAM一体化技术所指大致相同。 CAD/CAM一体化技术的实现有两个层次： 其一是实现集成化，即CAD软件的数据可以直接导入CAM软件之中，其主要实现手段为应用PDM和制定产品数据交换标准。,CAD/CAM一体化技术的实现有两个层次： 其二是实现智能化，即CAD软件的提供的产品设计数据（例如零件形状、尺寸、精度等）无需人工翻译，可直接转换成CAM软件所需的加工数据（例如工艺路线、工艺内容等）
31、。 这个层次的最终目标是计算机完全取代人的工作，属于人工智能领域的研究。目前的研究多属于基础研究包括 产品的特征造型技术， 工艺知识表达和工艺决策推理等。,特征造型技术， 即建立产品的特征模型（feature model），是当前主流CAD软件的研究热点。 特征是设计者对设计对象的功能、形状、结构、制造、装配、检验、管理与使用信息及其关系等具有确切的工程含义的高层次抽象描述。 特征模型能够很方便地从中其中出后续加工、装配等各种应用所需的信息，是CAD/CAM实现高层次一体化的基础。,典型零件的基本特征举例：,一般来说，特征模型除了记录零件的 形状特征外，还需记录 管理特征，即与零件管理有关的信
32、息集合，如零件名、图号、设计者、设计日期等。 技术特征，描述零件的性能和技术要求的信息集合。 材料热处理特征，与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性能、热处理方式、硬度值等。 精度特征，即描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差和表面粗糙度等。 装配特征，即零件的相关方向、相互作用面和配合关系等。,工艺知识表达和工艺决策推理， 是创成式CAPP实现的基础。 规则元是工艺知识表达的一种常见形式，其中的规则可分为 元规则,用来实现知识的调度和设计进程的控制； 启发式规则用来进行工艺决策； 定义式规则用来表达工艺设计中涉及的静态事实，主要用于逆向推理中进行事实判断。,工艺决策的过程
33、通常先将产品特征转换成最基本的加工动作，称为加工元， 然后再由局部到整体，逐步拼接出整个工艺规程。如下图所示：,上述决策过程需要决策支持系统（Decision Support System，DSS）来实现： 方法库中存放特征提取规则和表达工艺知识的规则元； 模型库中存放已有产品的模板数据； 数据库存放新产品的设计要求； 由人机交互系统统一调用三库数据，计算机辅助推理实现工艺决策。,课程要求（13.1）,知道CAD技术的含义和发展历程（6个时间点）， 知道每个时间点出现的新技术（4次革命）； 简单了解CAD技术的未来发展方向（3点）。 知道与CAD相关的主要计算机图形技术（4点）。 知道CAD造
34、型时常用的曲线（2个）， 知道B样条曲线的优点：局部可修改性。 知道常用的曲面造型方法（3种）。 知道常用的三维几何造型技术（4种）， 理解CSG与B-rep的优缺点。 简单了解装配模型需要包含的信息和提供的功能。,课程要求（13.2）,知道CAM技术的含义和发展历程（4个时间点） 知道每个时间点出现的代表性技术：CAD/CAM一体化、CAPP和PDM； 简单了解CAM技术的未来发展方向（3点）。 知道CAPP的分类（5种）， 知道目前CAPP的主流方式为派生式。 知道目前主要的产品数据交换标准：IGES、STEP。 知道STEP体系结构上的层次（3层）。 知道协同设计的组成部分（3个）。 知道加工元与工步、工序和工艺的关系。,
