計算機輔助設計

1、 東華大學研究生課程論文封面教師填寫：得分任課教師簽名年 月 日學生填寫：姓名張莉?qū)W號2110711專業(yè)工業(yè)設計導師林劍放課程名稱計算機輔助設計任課教師王俊民課程學分上課時間20 12 至20 13 學年 第 1 學期 星期 五 遞交時間2013年 1 月 7 日本人鄭重聲明：我恪守學術(shù)道德，崇尚嚴謹學風。所呈交的課程論文，是本人獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 論文作者簽名： 注：本表格作為課程論文的首頁遞交，請用水筆

2、或鋼筆填寫。 計算機輔助下的產(chǎn)品設計開發(fā) 摘要隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機在工業(yè)設計中發(fā)揮了很大的作用。本文將從產(chǎn)品開發(fā)設計的角度，闡述計算機輔助設計的產(chǎn)品特征，機理和方法；計算機軟件環(huán)境的功能，表現(xiàn)形式；以及計算機輔助設計對工業(yè)設計互動效率，能力提升的影響作用。關鍵詞：計算機輔助設計 產(chǎn)品設計開發(fā) 計算機軟件環(huán)境 效率在一系列計算機輔助設計、計算機輔助生產(chǎn)過程中,在新的數(shù)字化、可視化設計系統(tǒng)運用中, 企業(yè)管理、開發(fā)發(fā)生了重大的變化。原有順序的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),設計方法將改變?yōu)椴⑿薪Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)設計方法,包括產(chǎn)品部分進行設計和綜合以及有關工程、制造和支持的相關協(xié)調(diào)處理, 使設計人員一開始就考慮到產(chǎn)品生命周

3、期中所有的環(huán)節(jié), 從產(chǎn)品開發(fā)的立項, 規(guī)劃設計到產(chǎn)品生產(chǎn)交付的有關質(zhì)量、成本、周期和用戶要求。也就是說, 在(C A D / C A M )運用中, 把設計、制作、使用材料和用戶支持等有關人員組織起來, 協(xié)調(diào)設計共同開發(fā)一個少修改、少出錯以及少返工的設計。通過減少設計更改減少錯誤而大幅度降低生產(chǎn)成本, 而進一步提高企業(yè)的市場競爭能力。同時由于電腦輔助設計的可視化, 在交流方面, 對于設計師與用戶之間的溝通尤為重要, 傳統(tǒng)的設計表現(xiàn)手法由于工具的約束導致了工作方式限制, 在表達與溝通之間存在著相當距離, 因為不同的設計師與不同的用戶之間, 其文化素養(yǎng), 欣賞能力,審美習慣等大相徑庭, 而計算機輔

4、助設計正是跨越這一障礙的最好途徑之一。一計算機輔助設計的產(chǎn)品特征，機理和方法1.1計算機輔助設計的產(chǎn)品特征，機理計算機輔助設計與計算機技術(shù),信息技術(shù)在制造中的應用密切相關。計算機輔助設計的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段：第一階段為單元自動化階段：包括CAD, CAPP等系統(tǒng)的廣泛應用。此階段的主要目標是甩掉圖版，減輕設計人員繁瑣的勞動，實現(xiàn)局部設計自動化及管理規(guī)范化。第二階段為信息集成階段，通過三維實體建模,特征建模,產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口等技術(shù),實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的信息交換,信息共享及企業(yè)信息集成。此階段的典型代表是CIMS的實施;第三階段為過程集成階段。通過三維數(shù)字化產(chǎn)品 (DPD),DFX技術(shù)以及PDM技術(shù)

5、,實現(xiàn)各部門的協(xié)同工作和開發(fā)過程的交叉與并行。此階段的典型代表是并行工程和無紙制造的實現(xiàn)。第四階段是全方位集成階段，通過網(wǎng)絡技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用，實現(xiàn)人機協(xié)同自動化及企業(yè)間集成。 這4個發(fā)展階段實質(zhì)上是從計算機的單元應用到集成應用的過程，從串行工作模式到并行工作模式的過程，從提高自動化程度到提高信息共享的過程，同時也是從提高產(chǎn)品開發(fā)過程的速度到提高產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新能力的過程。在現(xiàn)代意義上，計算機輔助設計的概念不僅僅指產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，數(shù)值分析，仿真及其產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。更重要的，它是一種新的產(chǎn)品開發(fā)概念。它突破了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計開發(fā)的內(nèi)涵，通過對知識，信息的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)產(chǎn)生高附加值產(chǎn)品的集成開發(fā)活動。

6、計算機輔助設計的設計開發(fā)是信息時代新的開發(fā)模式，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)處理，變換，傳遞，共享和可視為基礎，產(chǎn)生了很多新的現(xiàn)代化設計方法和管理方法,包括變異創(chuàng)新，模仿創(chuàng)新，協(xié)同創(chuàng)新和自由創(chuàng)新。1.2計算機輔助設計環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)設計1.2.1計算機輔助技術(shù)環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)設計產(chǎn)品開發(fā)設計是一個多因素、多環(huán)節(jié)循環(huán)復雜的決策過程。過去產(chǎn)品設計師是從市場調(diào)研、設計研究、手繪草圖、到效果圖、再手工做模型,與工程師配合完成產(chǎn)品的功能與外觀設計。在計算機輔助技術(shù)環(huán)境下的產(chǎn)品設計變成了在計算機上市場調(diào)研、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，信息收集、計算機建模、計算機模擬預演,這種計算機模型對定量描述產(chǎn)品外形、功能、實用性質(zhì)以及各項測量

7、等有著極其重要的作用,進而對產(chǎn)品做出定性描述。用計算機模型進行測試、仿真,用數(shù)控機床、快速成型機或三維打印機制作模型。在計算機技術(shù)環(huán)境下,設計過程是以產(chǎn)品數(shù)字化模型為載體,設計師并不會參與所有任務,而是要和其他專業(yè)人員共同協(xié)作完成。它改變了傳統(tǒng)的串行設計開發(fā)模式,使得很多任務能夠同步、交叉進行,實時交換設計、制造、試驗的反饋信息,保證整個產(chǎn)品設計開發(fā)的順利進行。1.2.2產(chǎn)品開發(fā)設計不同階段的計算機輔助技術(shù)按照產(chǎn)品開發(fā)的設計過程,設計師的工作大體可以劃分為產(chǎn)品策劃、概念設計、詳細設計、工程化設計4個階段,在不同設計階段工作側(cè)重點不同,應用的數(shù)字化技術(shù)也不同。產(chǎn)品策劃是整個新產(chǎn)品設計開發(fā)的首要環(huán)

8、節(jié)，具體工作包括:市場需求分析、用戶調(diào)查、資料搜集、建立資料數(shù)據(jù)庫、設計研究、產(chǎn)品概念定義、產(chǎn)品定位、方案規(guī)劃和功能描述等。策劃階段的計算機技術(shù)可用于網(wǎng)絡環(huán)境中調(diào)查與問卷設計、調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、資料檢索技術(shù)等。概念設計階段就是要將設計理念轉(zhuǎn)化為豐富多樣的表現(xiàn)形式,篩選創(chuàng)意,通過再設計、再評價反復多次,最終得出滿意的方案。這一設計階段工作包括:功能原理規(guī)劃與設計、概念草圖、可行性評價與分析、概念設計評價,是產(chǎn)品設計師工作的重點。概念設計階段應用的數(shù)字化設計技術(shù)主要是:計算機輔助概念設計、逆向工程、計算機輔助圖形與圖像處理技術(shù)。通過專用的虛擬輸入設備,將設計輸入虛擬仿真設備并轉(zhuǎn)換

9、成矢量曲線,這些曲線為準確地轉(zhuǎn)換成計算機數(shù)字模型提供依據(jù),在三維建模中發(fā)揮重要作用。在實際產(chǎn)品設計過程中通常是就算計輔助設計方式和傳統(tǒng)方式相結(jié)合的過程。首先在計算機中根據(jù)創(chuàng)意建立產(chǎn)品概念模型,然后按照這個數(shù)字模型用油泥、石膏等材料實物模型,在此基礎上,設計師對模型做一些修改、調(diào)整,修改完后通過三維掃描方式對實物模型進行測量,并轉(zhuǎn)化為一個符合要求的、可以編輯修改的產(chǎn)品CAD模型,并在此基礎上對其進行變體和深入設計,形成最終設計方案。利用逆向工程技術(shù)可以解決那些造型復雜、表面豐富產(chǎn)品的計算機建模問題。產(chǎn)品詳細設計階段就是具體方案設計,同時創(chuàng)意出該方案的多種變化、組合;然后篩選出最具潛力的方案進行細

10、節(jié)設計和修改,包括具體結(jié)構(gòu)、詳細尺寸、材料、色彩等。這一階段的工作包括:變體方案設計、具體方案設計、方案比較、方案評價、細節(jié)設計、模型制作與評價等。該階段虛擬仿真技術(shù)可以從:計算機輔助設計(CAD) 、計算機輔助工程分析(CAE) 、快速成型(RPM) 、逆向工程(FJ二),以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)等多方位切入。在完成產(chǎn)品設計分析、優(yōu)化和評價之后,應根據(jù)需要生成產(chǎn)品的設計文檔。對于一些尚采用傳統(tǒng)加工方式的企業(yè),還必須生成產(chǎn)品的工程圖,制作產(chǎn)品模型或工作樣機。工作主要包括:產(chǎn)品數(shù)據(jù)整合、生成工程圖、模具設計與制造、工藝規(guī)劃、形成物料清單等等。這一階段雖不是設計工作的重點,但仍然起著承上啟下的作用

11、,設計師需要將設計工作最后落實到技術(shù)層面上,把最終的設計交給下一個流程,然后進行生產(chǎn)。產(chǎn)品工程化階段中所應用到的就算計技術(shù)主要有:計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP) 、計算機輔助制造(CAM) 、數(shù)控技術(shù)(NC)等。計算機仿真問題得到了很好地解決。但是,產(chǎn)品創(chuàng)新設計源頭往往在產(chǎn)品策劃和概念設計階段,概念設計階段現(xiàn)在還缺乏好的計算機手段,目前還沒有很好的解決方案。計算機輔助創(chuàng)新己作為新產(chǎn)品開發(fā)中的一項關鍵基礎技術(shù)被提出來,倍受人們的重視。它是以現(xiàn)代設計方法學、人工智能技術(shù)為基礎,研究設計思維過程和計算機支持下的設計過程遵循的原則和規(guī)范;探討各類創(chuàng)新技法,深入研究創(chuàng)新設計的原理、方法和技術(shù)等,以期為企

12、業(yè)提供基于知識和系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新平臺。二 舉例說明軟件環(huán)境的功能表達形式現(xiàn)代意義上的計算機輔助設計包括計算機設計、計算機制造與計算機管理三位一體數(shù)字化體系建設，CIMS、FMS、PDM 系統(tǒng)信息集成為代表的數(shù)字化信息集成工程，直接地完善了整個生產(chǎn)研制體系，能夠提高科研生產(chǎn)可持續(xù)的發(fā)展。2.1計算機建模與虛擬制造及裝配技術(shù)的運用計算機建模與虛擬制造及裝配技術(shù)，它從根本上改變了傳統(tǒng)的設計和制造方式，用數(shù)字量取代傳統(tǒng)的模擬量，精確地傳遞到制造階段，其內(nèi)容包括全面采用計算機三維設計、虛擬裝配技術(shù)、快速原型制造技術(shù)、反向工程技術(shù)，實現(xiàn)并行工程和虛擬制造系統(tǒng)，極大提高研制水平和創(chuàng)新能力，使資源和能力合理

13、配置和高效運作。有了計算機技術(shù)作基礎，為并行工程技術(shù)的發(fā)展開辟了新天地。設計制造的并行工程技術(shù)包括產(chǎn)品各部分的同時設計和綜合，以及有關工程、制造、和支撐相關協(xié)調(diào)的處理。這一技術(shù)的應用使產(chǎn)品壽命期內(nèi)的所有環(huán)節(jié)得到合理監(jiān)控，即從項目規(guī)劃到產(chǎn)品交付的有關質(zhì)量、成本、周期和用戶要求等。2.2.計算機輔助技術(shù)條件下的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)在開發(fā)設計當中的作用PDM是一個軟件框架,是一個高度集成了各種應用軟件而組成的系統(tǒng),該系統(tǒng)使設計者、制造者和管理者能全面管理、跟蹤、控制及實時查看那些圍繞產(chǎn)品設計、開發(fā)及整個工作過程中的所有與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)與過程,實現(xiàn)在正確的時間,把正確的信息以正確的方式傳給正確的人。

14、PDM系統(tǒng)實施的具體細節(jié)如下:1.歸納產(chǎn)品開發(fā)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)電子倉庫,以便實現(xiàn)對產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù)和文件的管理;2.在PDM系統(tǒng)控制下,用戶可獲得所有相關的產(chǎn)品信息;3.將產(chǎn)品開發(fā)的并行流程裝入PDM,實現(xiàn)對產(chǎn)品開發(fā)過程的管理與控制;4.將某些應用軟件封裝入PDM,通過調(diào)用應用程序進行產(chǎn)品設計與修改；5.根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)過程中開發(fā)人員的權(quán)限,確定產(chǎn)品開發(fā)團隊成員的權(quán)限、工作空間,實現(xiàn)對人員的管理;6.根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)流程,實現(xiàn)版本與變更管理,確保版本的一致性與安全性;7.基于開發(fā)流程,實現(xiàn)在線信息發(fā)布,確保及時準確地將數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳到正確的開發(fā)人員的終端,進行下游設計，設計修改,以及設計

15、評審;8.建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,實現(xiàn)配置管理,為制造提供符合要求的裝配信息、物料清單等。如CHBPS 條碼管理系統(tǒng)。條碼由生產(chǎn)計劃管理與質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)、生產(chǎn)配套查詢系統(tǒng)、供應管理系統(tǒng)和工裝管理系統(tǒng)四部分組成。CHBPS 條碼管理系統(tǒng)集成于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)內(nèi)部，以制造過程及相關信息為主要管理對象。該系統(tǒng)是以條碼為信息采集介質(zhì)，通過計算機技術(shù)進行處理，從而對實物的生產(chǎn)、物流、銷售、售后過程和信息控制流實施監(jiān)控，借助條碼掃描技術(shù)對實物進行識別和關聯(lián)信息處理。2.3.項目管理理念和并行系統(tǒng)工程管理技術(shù)的結(jié)合并行工程概念是美國防御研究所在1988年以武器生產(chǎn)為背景對傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式進行系統(tǒng)分析的基礎上提

16、出的,即并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程,包括制造過程和支持過程的系統(tǒng)化方法。即要求產(chǎn)品設計人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素,包括質(zhì)量、成本、并行工程的目的是提高質(zhì)量、降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時間。并行工程是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程的系統(tǒng)化方法產(chǎn)品開發(fā)人員從設計開始初期就考慮產(chǎn)品生命周期中的各種因素,因此,并行工程實施所涉及到的關鍵技術(shù)主要包括:1.產(chǎn)品開發(fā)過程重組:并行工程把產(chǎn)品開發(fā)的各種活動作為一個集成的過程,從全局優(yōu)化的角度出發(fā),對該集成過程進行管理和控制,并對已有的產(chǎn)品開發(fā)過程不斷改進和提高,對產(chǎn)品開發(fā)過程建模、仿真和

17、優(yōu)化,以減少不必要的設計環(huán)節(jié),使產(chǎn)品開發(fā)過程更合理有效。在產(chǎn)品開發(fā)中,相關人員及早加入,并行地開展工作。在產(chǎn)品開發(fā)早期階段發(fā)現(xiàn)問題,及早修改,消除設計隱患,在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前進行多次設計迭代和仿真,確保設計的正確性；2.集成產(chǎn)品開發(fā)團隊IPT:打破部門間的界限,組成跨部門多專業(yè)的集成產(chǎn)品開發(fā)團隊；3.協(xié)同工作環(huán)境:在并行工程產(chǎn)品開發(fā)模式下,產(chǎn)品開發(fā)是由分布在異地并且可能采用異種計算機軟件工作的多學科小組完成的。多學科小組之間及多學科小組內(nèi)部各組人員之間存在著大量相互依賴的關系,并行工程協(xié)同工作環(huán)境支持IPT的異地協(xié)同工作。 協(xié)同系統(tǒng)用于各類設計人員協(xié)調(diào)和修改設計,傳遞設計信息,以便作出有效地群

18、體決策,解決各小組間的矛盾。正是在計算機技術(shù)條件下，通過并行工程管理技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)設計制造串聯(lián)式管控過程冗長、拖沓，工作進程反復的詬病，并行工程的運用極大地縮短了產(chǎn)品研制的周期，提升過程效率，提升了公司產(chǎn)品的市場競爭力。 三.計算機輔助設計對工業(yè)設計活動效率、能力提升的影響作用相比于傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，現(xiàn)代意義下的計算機輔助設計有很多優(yōu)點。第一，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程中心產(chǎn)品開發(fā)的周期長，風險大，上市慢，限制了企業(yè)的市場競爭力。計算機輔助設計的設計開發(fā)將從根本上改變這個現(xiàn)狀。它把產(chǎn)品設計和樣機試制過程結(jié)合在一起，盡可能采用計算機原型替代物理原型。縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，減少失誤，保證一次投產(chǎn)成功

19、，從而加快上市速度。例如，通過計算機輔助設計設計開發(fā)，使得飛機研制周期縮短40%，成本減低30%，廢品率減少90%。第二，計算機輔助設計下的產(chǎn)品設計開發(fā)能夠極大程度上提高產(chǎn)品開發(fā)效率,反復完善產(chǎn)品的外觀和性能，產(chǎn)品的可制造和可裝配性,規(guī)劃生產(chǎn)新產(chǎn)品的設備布局和流程。計算機輔助設計的設計設計開發(fā)使得設計者，企業(yè)各部門以及客戶關聯(lián)在一起,對產(chǎn)品的整個生命周期負責。第三，計算機輔助設計的設計開發(fā)過程是多學科交叉，多部門合作的過程,其開發(fā)結(jié)果不僅是產(chǎn)品圖樣或模型,而是通過計算機技術(shù)設計開發(fā)中信息收集，整理，分析和管理，對整個生產(chǎn)過程和產(chǎn)品使用性能的預測。參考文獻：1張潔：面向并行工程的產(chǎn)品開發(fā)過程的研究.蘭州理工大學.2009（05）；2曾琎：基于虛擬