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現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)山東理工大學(xué)交通與車輛學(xué)院焦學(xué)健一、從設(shè)計(jì)說起1、設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)是人類的一種重要?jiǎng)?chuàng)造活動(dòng),而且任何人類的創(chuàng)造活動(dòng)必然包含設(shè)計(jì)。我們把根據(jù)功能要求,按步驟地、創(chuàng)造性地求解總體功能的各個(gè)解決方案的過程定義為設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)也是一種描述子功能和它們組裝成整體功能的過程。2、設(shè)計(jì)的重要性決定一個(gè)產(chǎn)品在市場(chǎng)上成功與否的產(chǎn)品總體特征和產(chǎn)品特性都是在設(shè)計(jì)中確定的。設(shè)計(jì)是產(chǎn)品形成過程中所有后續(xù)工作的出發(fā)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的結(jié)果,即產(chǎn)品的幾何和技術(shù)特征是以工程圖樣、零件明細(xì)表、幾何模型等諸如此類形式的文檔表達(dá)并提供給后續(xù)部門。因此設(shè)計(jì),亦即產(chǎn)品形態(tài)的確定在產(chǎn)品形成過程中占有核心的地位,同時(shí)作為信息源也具有特別重要的意義。3、設(shè)計(jì)對(duì)人的要求設(shè)計(jì)者要有理論知識(shí),又要熟悉車間和加工設(shè)備。要充當(dāng)科學(xué)認(rèn)識(shí)與實(shí)際制造的調(diào)解人。對(duì)于工程師的培養(yǎng)來說,盡可能早地參與設(shè)計(jì)實(shí)踐具有重要意義。設(shè)計(jì)創(chuàng)造要求一系列的能力,如:想像能力,推理、聯(lián)想能力,邏輯思維能力,專心致志能力,良好的記憶,認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度,責(zé)任感,決斷力,堅(jiān)韌不拔的毅力以及對(duì)美學(xué)的敏感性。設(shè)計(jì)創(chuàng)造性活動(dòng)不僅是一種目標(biāo)明確的智力活動(dòng),而且還要求創(chuàng)造力及直覺的靈感。4、設(shè)計(jì)過程的計(jì)劃對(duì)于開發(fā)技術(shù)產(chǎn)品來說,有計(jì)劃的行動(dòng)在設(shè)計(jì)時(shí)可能是很有益的。設(shè)計(jì)過程可以通過設(shè)計(jì)方法學(xué)系統(tǒng)地、透明地、高效地形成。設(shè)計(jì)方法學(xué)把操作指南提供給技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)者,其目的是為了系統(tǒng)地制定設(shè)計(jì)方案。它考慮了設(shè)計(jì)科學(xué)、心理學(xué)知識(shí)以及在應(yīng)用中得到的經(jīng)驗(yàn)。有計(jì)劃的工作方式是通過把設(shè)計(jì)過程分解成一個(gè)接一個(gè)的順序段,即設(shè)計(jì)階段來實(shí)現(xiàn)的。5、設(shè)計(jì)過程的劃分(1)根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn),設(shè)計(jì)過程可以劃分為“規(guī)劃”、“方案設(shè)計(jì)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”、“施工設(shè)計(jì)”四個(gè)設(shè)計(jì)階段。各設(shè)計(jì)階段又可劃分為若干個(gè)設(shè)計(jì)步驟。這些階段和步驟的劃分意味著設(shè)計(jì)從抽象到具體;從定性到定量;從全局到局部;從系統(tǒng)的上層結(jié)構(gòu)到下層結(jié)構(gòu)??蓪⒃O(shè)計(jì)過程概括描述如圖所示。任務(wù)需求分析與可行性論證制定設(shè)計(jì)任務(wù)書構(gòu)造設(shè)計(jì)模型確定功能結(jié)構(gòu)確定設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)擬定制造使用說明后續(xù)的工作各步驟的一次或多次循環(huán)任務(wù)規(guī)劃階段方案設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段施工設(shè)計(jì)階段(2)深入研究各個(gè)階段的主要任務(wù),可將設(shè)計(jì)劃分為:(a)功能設(shè)計(jì)確定產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(b)布局設(shè)計(jì)完成技術(shù)實(shí)體部分(零部件)的排列組合。(c)參數(shù)設(shè)計(jì)定義零部件的幾何形狀及尺寸參數(shù)。(d)公差設(shè)計(jì)制定形狀、位置及尺寸精度??梢姡O(shè)計(jì)任務(wù)不同,設(shè)計(jì)變量亦不同。(3)針對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,各設(shè)計(jì)任務(wù)所占的比重又將設(shè)計(jì)劃分為如下設(shè)計(jì)類型:(a)新設(shè)計(jì)這是一種從無到有的開發(fā)性設(shè)計(jì)。或者從概念設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)開始,或者重新排列組合現(xiàn)有的、或新的零部件來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。新設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)造性的思維。(b)適應(yīng)性設(shè)計(jì)其特點(diǎn)是保持總體布局不變,修改個(gè)別零部件的功能或形狀以適應(yīng)質(zhì)和量方面的附加要求。(c)參數(shù)化設(shè)計(jì)其特點(diǎn)是功能、布局、零件的幾何拓?fù)潢P(guān)系均保持不變,僅改變零件的尺寸參數(shù),產(chǎn)生系列化的設(shè)計(jì)結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì),機(jī)械制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作有56%屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì),20%屬于參數(shù)化設(shè)計(jì),只有24%屬于新設(shè)計(jì)。某些標(biāo)準(zhǔn)化程度高的領(lǐng)域,參數(shù)化設(shè)計(jì)達(dá)到50%左右。由于適應(yīng)性設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)的比例很高,所以使設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)手段科學(xué)化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化,實(shí)現(xiàn)CAD是非常必要的。設(shè)計(jì)草圖方案設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)思想方面,必須站在為使用者服務(wù)的基點(diǎn)上,能給人們帶來使用上的最大便利和精神上以美的享受,要認(rèn)真貫徹“實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則,要注意從實(shí)際條件出發(fā),避免主觀片面性。設(shè)計(jì)方法方面,要做多方案的探討和比較。在開始構(gòu)思時(shí)就要力求多種多樣的辦法,盡量探索一切可能性,力求思路開闊,而切忌從最初的構(gòu)思開始就只有一個(gè)辦法。在眾多的方案中經(jīng)過比較、分析、淘汰、歸納,方案越來越少,越來越精,并綜合和集中各方案的優(yōu)點(diǎn),最后才發(fā)展成為成熟的好方案。方案定稿模型制作
產(chǎn)品模型能直觀地表現(xiàn)產(chǎn)品造型的空間關(guān)系和立體形象。模型的制作,是對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的檢驗(yàn),更是對(duì)整個(gè)構(gòu)思的檢驗(yàn)。它可以補(bǔ)充圖紙?jiān)诒磉_(dá)上的不足,便于暴露問題,發(fā)現(xiàn)問題,以便得到改進(jìn)。模型制作的過程,是深化構(gòu)思、完善造型設(shè)計(jì)的過程,是表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的重要手段。色彩設(shè)計(jì)①確定色調(diào)通過對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查,參照用戶的意見和要求,來確定機(jī)柜的基本色調(diào),如暖色調(diào)或冷色調(diào),明色調(diào)或暗色調(diào)等。②制作色板依據(jù)所確定的基本色調(diào),制作若干個(gè)小色板。在這些小色板中進(jìn)行配色,通過比較,最后選出幾個(gè)比較理想的色彩,制作比所畫機(jī)柜外形視圖略大一些的大色板。③進(jìn)行配色用白紙畫出機(jī)柜的外形視圖,然后用美工刀或剪刀沿著視圖的外輪廓線將視圖挖切掉,形成與機(jī)拒外形相同的外形窗框配色時(shí),將色板放在窗框的后面,逐個(gè)進(jìn)行配色,找出較為理想的配色方案。制作樣機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序6.設(shè)計(jì)類型與設(shè)計(jì)方法概述設(shè)計(jì)的類型:1)創(chuàng)新設(shè)計(jì);2)適應(yīng)性設(shè)計(jì);3)變參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展:17世紀(jì)前的“直覺設(shè)計(jì)階段”;17世紀(jì)后的“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段”及其后形成的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段”;現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段現(xiàn)代設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系:
Ⅰ
繼承;Ⅱ
共存與突破
創(chuàng)新設(shè)計(jì):
創(chuàng)新設(shè)計(jì)是在國內(nèi)外尚無類似產(chǎn)品或結(jié)構(gòu),亦或設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案都未知,只根據(jù)產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)的總功能和約束條件,進(jìn)行全新的創(chuàng)造。適應(yīng)性設(shè)計(jì)
適應(yīng)性設(shè)計(jì)是在總方案和原理不變的條件下,對(duì)已有產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)或性能進(jìn)行局部的改進(jìn)更新,以適應(yīng)新的需求。
變參數(shù)設(shè)計(jì):
變參數(shù)設(shè)計(jì)是在總體結(jié)構(gòu)形式、工作原理不變的條件下,僅對(duì)結(jié)構(gòu)的布置、參數(shù)或尺寸的大小加以改變,來提高性能。這在系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用。二、關(guān)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的思想和方法一方面不斷地影響著人類的生活與生產(chǎn),推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步,另一方面又受社會(huì)發(fā)展的反作用,不斷變化和更新。為了反映設(shè)計(jì)思想和方法隨社會(huì)發(fā)展的變化,人們通常用“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“現(xiàn)代設(shè)計(jì)”這兩個(gè)術(shù)語。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)及可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的發(fā)展如創(chuàng)新設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、機(jī)電產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)和反求設(shè)計(jì)等等?,F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容1、信息論方法—現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的前提,如信息分析法、技術(shù)預(yù)測(cè)法等。
2、系統(tǒng)論方法,如系統(tǒng)分析法、人機(jī)工程以及面向產(chǎn)品生命周期中各個(gè)階段的設(shè)計(jì)。
3、控制論方法,如動(dòng)態(tài)分析法等。
4、優(yōu)化論方法—現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的目標(biāo)。
5、對(duì)應(yīng)論方法,如相似設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)等。
6、智能論方法—現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心,如CAD、CAE、并行工程、慮擬設(shè)計(jì)、人工智能等。
7、壽命論方法,如可靠性設(shè)計(jì)、價(jià)值工程和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容8、離散論方法,如模糊評(píng)價(jià)和決策等。
9、突變論方法—現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ),如創(chuàng)新性設(shè)計(jì)等。
10、藝術(shù)論方法,如藝術(shù)造型等。本課程重點(diǎn)討論的一些設(shè)計(jì)方法都是發(fā)展歷史較長(zhǎng)、理論較成熟和應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程CAE、優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)等五個(gè)方面?,F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介一、概述現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法二十世紀(jì)六十年代以來,機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了一系列新興的理論與方法。為區(qū)別于過去的傳統(tǒng)的方法,把這些稱為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。一、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述現(xiàn)代設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的深入、豐富和完善。現(xiàn)代設(shè)計(jì):以市場(chǎng)需求為驅(qū)動(dòng),以現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想、理論為指導(dǎo),以知識(shí)獲取為中心,以現(xiàn)代技術(shù)手段為工具,考慮產(chǎn)品的全生命周期和人、機(jī)、環(huán)境相容性等因素的設(shè)計(jì)。借助計(jì)算機(jī),應(yīng)用精度較高的分析方法(如有限元方法等)進(jìn)行分析計(jì)算,從大量的可行設(shè)計(jì)中尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)用理論代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),用精確計(jì)算代替近似計(jì)算,用優(yōu)化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。其目的是為了提高設(shè)計(jì)的主動(dòng)性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段
(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD
計(jì)算機(jī)繪圖
(2)計(jì)算機(jī)輔助幾何建模
實(shí)體或曲面模型圖
(3)工程分析與計(jì)算
CAE--有限元或動(dòng)力學(xué)
(4)智能設(shè)計(jì)與專家系統(tǒng)
人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)
提高決策判斷能力
(5)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的集合
2、現(xiàn)代設(shè)計(jì)特征(1)設(shè)計(jì)手段的更新
傳統(tǒng)圖板、圖紙電子文檔(2)產(chǎn)品表示
二維三維(3)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展
有限元、優(yōu)化、模態(tài)、并行設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真(4)工作方式
串行設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)<<數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(5)設(shè)計(jì)制造一體化
CAPPNC(6)管理水平的提高M(jìn)IS、PDM、ERP(7)組織模式的開放
內(nèi)部封閉設(shè)計(jì)多企業(yè)異地設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享傳統(tǒng)設(shè)計(jì):生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、力學(xué)、數(shù)學(xué)公式靜態(tài)現(xiàn)代設(shè)計(jì):摩擦學(xué)、模態(tài)、可靠性、疲勞動(dòng)態(tài)3、現(xiàn)代設(shè)計(jì)原則(1)功能滿足
前提(2)質(zhì)量保證
性能、可靠、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性等(3)工藝優(yōu)良可制造性、可裝配性、可測(cè)試性、
(4)經(jīng)濟(jì)合理較低的開發(fā)成本和使用費(fèi)用(5)社會(huì)使用(社會(huì)價(jià)值)
環(huán)境友好適應(yīng)(綠色工程)、人機(jī)友好(以人為本)、可維修、安全性、可安裝性、可拆卸、可回收(6)管理水平的提高M(jìn)IS、PDM、ERP(7)組織模式的開放
內(nèi)部封閉設(shè)計(jì)多企業(yè)異地設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享傳統(tǒng)設(shè)計(jì):生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、力學(xué)、數(shù)學(xué)公式靜態(tài)現(xiàn)代設(shè)計(jì):摩擦學(xué)、模態(tài)、可靠性、疲勞動(dòng)態(tài)3、現(xiàn)代設(shè)計(jì)原則傳統(tǒng)方法現(xiàn)代方法經(jīng)驗(yàn)、類比邏輯、推理、系統(tǒng)靜態(tài)、少參數(shù)
動(dòng)態(tài)、多變量、多方案當(dāng)然,現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法還不能完全取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,一些行之有效的經(jīng)驗(yàn)方法目前仍在廣泛使用,它們?nèi)允乾F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要組成。具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性、綜合性和程式性主要現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法
設(shè)計(jì)方法學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有限元法工業(yè)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)價(jià)值工程相似性設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)人工智能模塊化設(shè)計(jì)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)反求工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
1.概念以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段,來生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息和圖形信息進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在制造工業(yè)中CAD技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)群中的一項(xiàng)主體關(guān)鍵技術(shù)。2.CAD技術(shù)的優(yōu)越性①能顯著提高設(shè)計(jì)效率提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程制圖的速度②有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化可利用存儲(chǔ)的信息及數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)件。③設(shè)計(jì)與分析統(tǒng)一利用CAE軟件進(jìn)行性能分析④設(shè)計(jì)與制造一體
CAD數(shù)據(jù)可生成數(shù)據(jù)代碼,用于數(shù)控機(jī)床加工。
設(shè)計(jì)方法學(xué)
1.概念用系統(tǒng)觀點(diǎn),考慮自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)諸因素以獲得優(yōu)質(zhì),價(jià)廉新穎的產(chǎn)品,所應(yīng)用的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)規(guī)律及設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具的總和。2.主要研究?jī)?nèi)容①設(shè)計(jì)規(guī)律。設(shè)計(jì)工作應(yīng)符合客觀事物發(fā)展規(guī)律②設(shè)計(jì)思維規(guī)律。設(shè)計(jì)人員運(yùn)用科學(xué)的創(chuàng)造性思維規(guī)律、方法和技術(shù)③設(shè)計(jì)過程。研究各設(shè)計(jì)階段的任務(wù)與特點(diǎn)尋找符合設(shè)計(jì)規(guī)律的設(shè)計(jì)方法。④設(shè)計(jì)步驟。研究解決問題的合理邏輯步驟。⑤設(shè)計(jì)類型。研究不同類型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及方法步驟。⑥設(shè)計(jì)信息庫。大量設(shè)計(jì)信息的表達(dá)存儲(chǔ)和使用。⑦設(shè)計(jì)工具。研究先進(jìn)的高效的設(shè)計(jì)工具
工業(yè)設(shè)計(jì)
1.概念以工業(yè)產(chǎn)品為表現(xiàn)對(duì)象,在滿足工業(yè)屬性的前提下,用藝術(shù)手段創(chuàng)造出實(shí)用、美觀、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。2.基本特征①批量性:有一定批量有工業(yè)屬性,不同于工藝品②創(chuàng)造性:區(qū)別于仿制,是一種創(chuàng)造活動(dòng)③實(shí)用性:考慮產(chǎn)品的規(guī)定功能④藝術(shù)性:造型美是產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)體現(xiàn)出來的全部美的綜合⑤舒適性:考慮操作的生理和心理因素⑥經(jīng)濟(jì)性:應(yīng)用價(jià)值工程學(xué)、設(shè)計(jì)物美價(jià)廉的產(chǎn)品⑦時(shí)代性:產(chǎn)品具有時(shí)尚性和流行性⑧社會(huì)性:考慮消費(fèi)者的社會(huì)屬性和社會(huì)環(huán)境價(jià)值分析1.概念以功能分析為核心以開發(fā)創(chuàng)造性為基礎(chǔ),以科學(xué)分析為工具,尋求功能與成本最佳比例,是產(chǎn)品獲得最大價(jià)值的一種現(xiàn)代管理技術(shù)。2.分析程序(過程)①確定價(jià)值分析對(duì)象②進(jìn)行成本分析和功能價(jià)值估算③應(yīng)用最新成果進(jìn)行革新和創(chuàng)造提出新方案。④對(duì)新方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策。
專家系統(tǒng)1.概念在專家水平上工作的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。2.應(yīng)用特點(diǎn)①具有該領(lǐng)域?qū)<业呢S富知識(shí)②具有該領(lǐng)域?qū)<业膶iT知識(shí)和推理能力模塊化設(shè)計(jì)1.概念對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能,不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分設(shè)計(jì)出一系列的功能模塊,通過模塊的不同選擇,可構(gòu)成不同的產(chǎn)品。2.優(yōu)點(diǎn):①減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間
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