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1、第一章 绪论 1.1 1.1 制造业与制造技术制造业与制造技术 制造业是现代社会经济的支柱产业，包括机械装备制造、电子产制造业是现代社会经济的支柱产业，包括机械装备制造、电子产品制造、非金属制品制造、服装、食品、玩具等等。品制造、非金属制品制造、服装、食品、玩具等等。制造业是将有关的制造资源（原材料、设备、工具、能源、资制造业是将有关的制造资源（原材料、设备、工具、能源、资 金、人才、技术以及信息）转化为有价值的、可供人们利用和消费的金、人才、技术以及信息）转化为有价值的、可供人们利用和消费的 产品与服务的行业。产品与服务的行业。制造业的水平反映了一个国家的经济实力、科技和生活水平。工制造业的
2、水平反映了一个国家的经济实力、科技和生活水平。工 业化国家业化国家60608080的社会财富靠制造业制造，制造业占国际贸易总的社会财富靠制造业制造，制造业占国际贸易总 额额7575。所以制造业的水平代表一个国家的综合实力。所以制造业的水平代表一个国家的综合实力。制造的定义：制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计制造的定义：制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计 划、生产质量保证、经营管理、市场营销和服务等一系列相关活动的划、生产质量保证、经营管理、市场营销和服务等一系列相关活动的 总称。总称。制造技术：与制造业相关的一系列技术的总和。制造技术：与制造业相关的一系列技术的总和。先进制造技
3、术是在传统制造技术的基础上发展起来的。分界线大先进制造技术是在传统制造技术的基础上发展起来的。分界线大 体可划在体可划在2020世纪世纪5050年代。主要标志：电子计算机、数控机床、工业机年代。主要标志：电子计算机、数控机床、工业机 器人的出现。器人的出现。1.2 制造技术的发展过程19世纪：手工制造20世纪初：批量生产20世纪30年代：刚性自动化20世纪6080年代：CAD/CAM/CAE、FMS、JIT20世纪80年代：集成制造、并行工程20世纪90年代：敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造1.3 先进制造技术 1.3.11.3.1先进制造技术的主要领域先进制造技术的主要领域 （5 5大
4、领域）大领域）uu1.1.系统总体技术系统总体技术 柔性制造（柔性制造（FMSFMS）、计算机集成制造（）、计算机集成制造（CIMSCIMS）、敏）、敏捷制造捷制造 (AMAM）、智能制造（）、智能制造（IMIM）。）。uu2.2.设计制造一体化技术设计制造一体化技术 CAD/CAM/CAE CAD/CAM/CAE、数控技术（、数控技术（NCNC）、并行工程）、并行工程（CECE）、虚拟制造（）、虚拟制造（VMVM）。）。uu3.3.制造工艺与装备制造工艺与装备 材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切削工艺与装备、精密削工艺与装备、精密/超精密
5、与纳米加工工艺与装备、特超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备。种加工工艺与装备。4.4.管理技术管理技术 计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产（JITJIT）、精益生产（）、精益生产（LPLP）、企业业务流程再造等。）、企业业务流程再造等。5.5.支撑技术支撑技术 标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机
6、工程学、环境科学。工程学、环境科学。1.3.2 1.3.2 先进制造技术分类先进制造技术分类 先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，分成分成5 5大类：大类：uu1.1.现代设计技术现代设计技术 现代设计技术是先进制造技术的基础。现代设计技术是先进制造技术的基础。随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技术的深优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技
7、术的深度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、CADCAD、CAPPCAPP、CAACAA（计算机辅助装配）、计算机辅助夹（计算机辅助装配）、计算机辅助夹具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。2.2.现代加工技术现代加工技术 先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、特种加工技术和快速原型制造技术。特种加工技术和快速原型制造技术。3.3.自动化技术自动化技术
8、 数控加工技术、工业机器人技术、数控加工技术、工业机器人技术、FMSFMS、CIMSCIMS。4.4.制造管理技术制造管理技术 成组技术（成组技术（group technology GTgroup technology GT）、全面质量管）、全面质量管理（理（total quality management TQMtotal quality management TQM）、物料需求规）、物料需求规划划(material requirement planning MRP)(material requirement planning MRP)、即时生产、即时生产（JITJIT）、企业资源规划（）、
9、企业资源规划（ERPERP）等管理方法。）等管理方法。5.5.先进制造技术先进制造技术 CIMS CIMS、并行工程（、并行工程（CECE）、精益生产（）、精益生产（LPLP）、敏捷）、敏捷制造（制造（AMAM）、虚拟制造（）、虚拟制造（VMVM）、绿色制造（）、绿色制造（GMGM），是），是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科学的各学科交叉。学的各学科交叉。正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的方向发展。方向发展。第二章 现代设计技术大连理工大学现代制造研究所赵福令 教授2.
10、1 概述 2.1.1 现代设计技术的概念 是根据产品功能要求及市场竞争要素（质是根据产品功能要求及市场竞争要素（质量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术条件，制定用于产品制造的设计方案。技术条件，制定用于产品制造的设计方案。现代设计技术使产品设计开发建立在科学现代设计技术使产品设计开发建立在科学技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统科学的发展，现代设
11、计技术日新月异，新的设科学的发展，现代设计技术日新月异，新的设计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。特点：特点：1.1.从单一目标规划向多目标规划转变从单一目标规划向多目标规划转变 目标目标 2.2.从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡 手段手段 3.3.从传统的顺序设计从传统的顺序设计 并行设计并行设计 组织方式组织方式 4.4.从单纯的产品设计从单纯的产品设计 全生命周期设计全生命周期设计 环节环节 5.5.异地设计异地设计 地域地域 6.6.可持续发展的绿色设计可持续发展的绿色设计 功能功能 现代设计技术十分重要。产品
12、设计成本占产现代设计技术十分重要。产品设计成本占产品成本的品成本的15152020，但决定了产品成本的，但决定了产品成本的7070到到8080。设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力的主要因素。的主要因素。2.1.2 现代设计方法 1.优化设计方法 用数学方法和系统工程方法对产品结构和性用数学方法和系统工程方法对产品结构和性能进行分析、决策，以获取最优解的方法。近年能进行分析、决策，以获取最优解的方法。近年来优化设计与可靠性设计、模糊设计等方法相结来优化设计与可靠性设计、模糊设计等方法相结合形成了新的优化设计方法。合形成了新的优化设计方法。2.有限元分析方
13、法 将零件看成是由有限个元素组成，通过将零件看成是由有限个元素组成，通过对每一个元素求解（位移、应力）来获取零对每一个元素求解（位移、应力）来获取零件整体的解。广泛用于零件和结构的分析和件整体的解。广泛用于零件和结构的分析和计算中。计算中。3.计算机辅助设计 运用计算机强大的数据计算及信息处理功运用计算机强大的数据计算及信息处理功能来完成设计工作，应用最广泛。能来完成设计工作，应用最广泛。4.面向产品全生命周期的设计 将并行工程思想用于产品设计中，在设计将并行工程思想用于产品设计中，在设计阶段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、阶段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、加工、装配、测试、维修
14、、销售及报废回收环加工、装配、测试、维修、销售及报废回收环节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发周期短、成本低、质量高的目的。周期短、成本低、质量高的目的。5.5.网络化异地设计网络化异地设计 随着网络和通讯技术的发展，实现远程、随着网络和通讯技术的发展，实现远程、异地的设计开发资源的共享与整合，极大地异地的设计开发资源的共享与整合，极大地拓展了设计工作的时空维度。拓展了设计工作的时空维度。6.反求工程 以先进产品的实物或软件（程序、图样、以先进产品的实物或软件（程序、图样、文件资料）作为研究对象，综合运用现代工程文件资料）作为研究对象，综合运用现代工
15、程设计的相关理论与方法，进行解剖、分析和研设计的相关理论与方法，进行解剖、分析和研究，进而开发出同类产品。究，进而开发出同类产品。7.绿色设计 将产品和环境作为一个系统，充分考虑产将产品和环境作为一个系统，充分考虑产品及其制造系统与环境相容性，做到对环境影品及其制造系统与环境相容性，做到对环境影响最小。响最小。2.2 计算机辅助设计（CAD）2.2.1 2.2.1 概述概述1.CAD1.CAD的发展过程的发展过程uu19501950年年MITMIT研制出研制出Whir/WindWhir/Wind可以显示简单的图形。可以显示简单的图形。uu19581958年美国年美国CalcompCalcomp
16、公司研制滚筒式绘图仪，公司研制滚筒式绘图仪，GerberGerber公司平板绘图公司平板绘图仪。仪。uu19621962年年MITMIT的的SutherlandSutherland提出了计算机图形学、交互技术、分层存提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构，为储符号的数据结构，为CADCAD技术发展打下了理论基础。技术发展打下了理论基础。uu19701970年美国年美国AppliconApplicon公司推出完整的公司推出完整的CADCAD系统。系统。uu上世纪上世纪8080年代年代CAD/CAMCAD/CAM技术用于工程设计，图形接口、图形功能日技术用于工程设计，图形接口、图形功
17、能日趋标准化，出现了由趋标准化，出现了由CAD/CAM/CAECAD/CAM/CAE构成的构成的CIMSCIMS，提高了设计自动，提高了设计自动化。化。2.CAD的功能工程与产品设计工程与产品设计 借助于计算机辅助技术，工程技术人员借助于计算机辅助技术，工程技术人员可以方便的完成某一工程或产品的方案选型、可以方便的完成某一工程或产品的方案选型、评估、详细设计、优化等工作，实现从零件评估、详细设计、优化等工作，实现从零件图到装配图、总装图、平面布置图、管道布图到装配图、总装图、平面布置图、管道布置图的自动绘制。置图的自动绘制。仿真模拟仿真模拟 高性能的高性能的CADCAD系统可以真实地模拟产品系
18、统可以真实地模拟产品的实际运动和变化过程，如机构的运动、零的实际运动和变化过程，如机构的运动、零件的加工、柔性制造系统的运行，汽车、飞件的加工、柔性制造系统的运行，汽车、飞机的行驶过程等。帮助设计人员正确地进行机的行驶过程等。帮助设计人员正确地进行方案论证、产品选型、性能评估等。方案论证、产品选型、性能评估等。事务管理 实现设计文档的计算机管理，有利于产品设计的成组化、标准化和系列化，减少了设计人员的重复工作量。2.2.2 通常CAD的工作 1.1.信息管理信息管理 提供丰富的设计需要的信息。可以为设计提供丰富的设计需要的信息。可以为设计人员提供有关客户的需求和改进意见、组织生人员提供有关客户
19、的需求和改进意见、组织生产特定结构零件的成本核算、外购件的成本、产特定结构零件的成本核算、外购件的成本、原材料信息、生产装备、生产状况等，有利于原材料信息、生产装备、生产状况等，有利于更好的设计零件和产品。更好的设计零件和产品。2.智能CAD 计算机辅助设计技术与人工智能相结合，计算机辅助设计技术与人工智能相结合，用于产品概念设计，帮助设计人员进行决策、用于产品概念设计，帮助设计人员进行决策、分析和推理，更高效地进行方案设计。分析和推理，更高效地进行方案设计。3.计算机图形显示与几何造型 利用利用CADCAD系统丰富多样的交互方法与造系统丰富多样的交互方法与造型工具，通过人机对话进行方案的构思
20、与总型工具，通过人机对话进行方案的构思与总体设计。在计算机系统中建立产品的几何模体设计。在计算机系统中建立产品的几何模型，在显示器上展示产品的形状。型，在显示器上展示产品的形状。4.分析计算 对模型进行分析计算，包括工程计算、力对模型进行分析计算，包括工程计算、力学动态性能分析及物理特性分析，确定产品的学动态性能分析及物理特性分析，确定产品的几何、力学、物理等参数，评价设计的优劣，几何、力学、物理等参数，评价设计的优劣，并迅速修改和完善，达到最佳效果。并迅速修改和完善，达到最佳效果。5.自动绘图 自动绘制工程图纸（效率高、质量好）。自动绘制工程图纸（效率高、质量好）。6.6.工程数据管理工程数
21、据管理 管理产品设计过程中产生和使用的各种数管理产品设计过程中产生和使用的各种数据、文字和图形，保持其良好的数据独立性、据、文字和图形，保持其良好的数据独立性、一致性和完整性，并提供标准化的数据转换接一致性和完整性，并提供标准化的数据转换接口。口。2.2.3 概念设计CAD 概念设计是产品设计过程中最具创造性的工作，根据市场和用户的需求，完成设计方案的制定、分析和选择，需要设计人员凭借丰富的专业知识和经验进行构思、推理和判断。采用专家系统来进行。在概念设计阶段，专家系统主要协助设计人员进行评价、选择和决策，自动生成设计方案。下图是专家系统CAD求解设计方案的一般过程。此过程是一个此过程是一个“
22、设设 计计评价评价再设再设计计”过程。由于设计过程。由于设计的需求是多方面的、的需求是多方面的、模糊的，有时是矛盾模糊的，有时是矛盾的可行性方案。一般的可行性方案。一般有一定的范围，需要有一定的范围，需要评价和选择，有时需评价和选择，有时需要人工判断。要人工判断。开始确定设计要求指定设计方案分析设计方案评价设计方案决策结束修改设计要求再设计NY 2.2.4 详细设计CAD 1.二维设计 在机械制造中通常用一组工程图来表达在机械制造中通常用一组工程图来表达产品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某产品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某一平面上的投影，反映产品几何形状的一个一平面上的投影，反映产品几何
23、形状的一个侧面。因此需要二维设计，产生产品二维的侧面。因此需要二维设计，产生产品二维的几何轮廓。几何轮廓。2.三维设计 二维视图需要人们通过思维才能推二维视图需要人们通过思维才能推测出视图与物体真实形象之间的关系，测出视图与物体真实形象之间的关系，很不直观，因此需根据二维信息构造三很不直观，因此需根据二维信息构造三维形体。维形体。2.2.5 CAD技术的发展 随着随着CADCAD自身和相关技术的发展，自身和相关技术的发展，CADCAD技术正朝着集成化、网络化、智能化和可视化技术正朝着集成化、网络化、智能化和可视化的方向发展。的方向发展。1.CAD1.CAD系统的集成化系统的集成化 CAD CA
24、D技术是技术是CIMSCIMS的核心技术，而的核心技术，而CIMSCIMS的概念是把设计、制造、生产和管理连成一的概念是把设计、制造、生产和管理连成一体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调一致，成为一个整体。一致，成为一个整体。2.CAD系统的网络化 基于网络技术的基于网络技术的CADCAD系统技术迅速发系统技术迅速
25、发展，开放式、分布式计算机环境可以实现展，开放式、分布式计算机环境可以实现远程资源共享。网络化远程资源共享。网络化CADCAD系统可以全面系统可以全面统一考虑各个工作站的具体配置，从而用统一考虑各个工作站的具体配置，从而用最低的成本获得最好的效果。例如，可以最低的成本获得最好的效果。例如，可以只在个别工作站上配备某些昂贵的软硬件，只在个别工作站上配备某些昂贵的软硬件，其它工作站可以通过网络调用，不需要每其它工作站可以通过网络调用，不需要每个工作站上都具备齐全的资源。个工作站上都具备齐全的资源。3.CAD系统的可视化 可视化技术将科学计算过程中以及计算可视化技术将科学计算过程中以及计算结束后的数
26、据和计算结果，借助计算机图形结束后的数据和计算结果，借助计算机图形学和图像处理技术，以图形图像的形式表达学和图像处理技术，以图形图像的形式表达出来，并进行交互处理。利用可视化技术可出来，并进行交互处理。利用可视化技术可以处理大量复杂的数据，控制和干涉计算分以处理大量复杂的数据，控制和干涉计算分析过程和设计过程。它与多媒体技术结合，析过程和设计过程。它与多媒体技术结合，能便捷、高效地处理信息。能便捷、高效地处理信息。4.CAD系统的智能化 传统的传统的CADCAD系统缺乏综合和选择能力，用户系统缺乏综合和选择能力，用户使用时，需要具备较高的专业知识和丰富的经验，使用时，需要具备较高的专业知识和丰
27、富的经验，为此人们研制了人工智能专家系统。利用专家系为此人们研制了人工智能专家系统。利用专家系统辅助设计，可以使知识信息处理与一般数值信统辅助设计，可以使知识信息处理与一般数值信息结合起来，利用专家知识来求解专门的问题，息结合起来，利用专家知识来求解专门的问题，机器的智能可以通过知识的积累、存储、联想、机器的智能可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、论证、比较、优化等信息处类比、分析、计算、论证、比较、优化等信息处理过程，求得问题的解答。智能理过程，求得问题的解答。智能CADCAD系统还不成系统还不成熟。熟。2.3 计算机辅助工艺规程（CAPP）通过计算机辅助技术，工艺人员采用系通
28、过计算机辅助技术，工艺人员采用系统化、标准化的方法确定零件或产品从毛坯统化、标准化的方法确定零件或产品从毛坯到成品的制造方法的技术叫计算机辅助工艺到成品的制造方法的技术叫计算机辅助工艺规程设计（规程设计（computer aided process computer aided process planning CAPPplanning CAPP）。）。CAPPCAPP的一般过程是通的一般过程是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路批量等），
29、由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。线和工序内容等工艺文件。1.CAPP系统的主要功能 （1 1）接收或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和）接收或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和 测量信息；测量信息；（2 2）检索标准工艺文件；）检索标准工艺文件；（3 3）选择加工方法；）选择加工方法；（4 4）安排加工路线；）安排加工路线；（5 5）选择机床、刀具及夹具；）选择机床、刀具及夹具；（6 6）选择切削用量；）选择切削用量；（7 7）计算切削参数、加工时间和加工费用；）计算切削参数、加工时间和加工费用；（8 8）进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优）进行工艺
30、流程的优化及多工序、单工序切削用量的优 化；化；（9 9）确定工序尺寸和公差，选择毛坯；绘制工序；）确定工序尺寸和公差，选择毛坯；绘制工序；（1010）产生刀具运动轨迹，自动进行数控加工编程；）产生刀具运动轨迹，自动进行数控加工编程；（1111）模拟加工过程、显示刀具运动轨迹。）模拟加工过程、显示刀具运动轨迹。2.CAPP系统的类型变异式方法 变异式方法的工作原理建立成组技术（变异式方法的工作原理建立成组技术（GTGT）基）基础上，利用零件的相似性，建立具有相似的工艺规础上，利用零件的相似性，建立具有相似的工艺规程的一组零件的标准工艺，采用以成组技术（程的一组零件的标准工艺，采用以成组技术（G
31、TGT）为基础的编码系统，标准工艺规程存储在计算机内，为基础的编码系统，标准工艺规程存储在计算机内，一个新零件的工艺规程是通过一个新零件的工艺规程是通过GTGT码检索系统中已有码检索系统中已有的相似零件的标准工艺规程加以筛选、编辑而成。的相似零件的标准工艺规程加以筛选、编辑而成。变异方法工作原理图输入零件GT编码及辅助信息零件族搜索和识别检索、编辑标准工艺路线检索、编辑标准加工路线输出工艺规程工艺过程结果信息的存储零件族矩阵文件工艺路线文件加工工序文件其它应用程序 创成式方法 依靠自身的决策逻辑以及相关的产品数据进依靠自身的决策逻辑以及相关的产品数据进行加工工艺规划，通过向计算机输入描述零件信
32、行加工工艺规划，通过向计算机输入描述零件信息，计算机系统依据其知识决策规则自动进行工息，计算机系统依据其知识决策规则自动进行工艺过程规划。艺过程规划。创成式方法工作原理图输入零件形状及其它信息零件特征分析分解工艺设计、分析和逻辑决策工艺设计结果的信息存储输出工艺规程数据库其它应用程序 人工智能人工智能 应用人工智能技术形成的应用人工智能技术形成的CAPPCAPP专家系统。专家系统。CAPPCAPP专家系统由知识库、推理机和用户输入专家系统由知识库、推理机和用户输入3 3部分构成。它根据输入的零件信息去访问知识部分构成。它根据输入的零件信息去访问知识库，并通过推理机中的控制策略从知识库中搜库，并
33、通过推理机中的控制策略从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后去执行索能够处理零件当前状态的规则，然后去执行这条规则，并按照每一次执行规则得到的结论这条规则，并按照每一次执行规则得到的结论按先后次序记录下来，直到零件加工到终结状按先后次序记录下来，直到零件加工到终结状态，从而形成工艺规程。态，从而形成工艺规程。专家系统方法代表发展趋势，但需完善。专家系统方法代表发展趋势，但需完善。专家系统方法工作原理图用户系统用户界面解释与推理系统推理机推理控制专家知识采集系统知识库规则事实2.4全生命周期设计 1全生命周期设计 全生命周期设计技术是现代设计技术的重全生命周期设计技术是现代设计技术的重要
34、内容。产品设计不仅进行产品的功能和结构要内容。产品设计不仅进行产品的功能和结构设计，而且对产品的全生命周期，包括产品的设计，而且对产品的全生命周期，包括产品的规划、设计、制造、销售、使用、维修直至报规划、设计、制造、销售、使用、维修直至报废、回收处理的全过程，进行系统的设计。这废、回收处理的全过程，进行系统的设计。这意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全生命周期设计的综合优所有环节，以求产品全生命周期设计的综合优化。化。2全生命周期设计的特点 集成性：全生命周期设计依赖于各环节、各集成性：全生命周期设计依赖于各环节、各 部分的设计人
35、员分工协作。部分的设计人员分工协作。开放性：全生命周期设计涉及的人和领域复开放性：全生命周期设计涉及的人和领域复 杂，因此设计方案建立在开放的基杂，因此设计方案建立在开放的基 础上。础上。前瞻性：为了保证制造的产品一次成功，在前瞻性：为了保证制造的产品一次成功，在 设计过程中，不仅考虑产品的功设计过程中，不仅考虑产品的功 能、造型的复杂性，而且要考虑产能、造型的复杂性，而且要考虑产 品的可靠性。品的可靠性。分布式环境：由于工作地点的分散性，每个设计分布式环境：由于工作地点的分散性，每个设计 人员都有自己的终端，所以为了保人员都有自己的终端，所以为了保 证设计工作的快速协作完成，必须证设计工作的
36、快速协作完成，必须 有完善网络环境和分布式知识库来有完善网络环境和分布式知识库来 保证设计人员彼此之间的信息传递保证设计人员彼此之间的信息传递 和资源共享。和资源共享。标准数据管理：为保证数据的一致性和共享性，标准数据管理：为保证数据的一致性和共享性，在产品数据交换标准（在产品数据交换标准（StandardStandard for the exchange of product for the exchange of product model data model data，STEP STEP）的支持下）的支持下 实现集成的并行的开发工作。实现集成的并行的开发工作。2.2.并行设计并行设计并
37、行设计的提出并行设计的提出 传统的产品开发过程是：传统的产品开发过程是：市场调研产品计划产品设计试制样机修改设计工艺准备正式投产缺点：缺点：设计阶段不能及早发现制造过程中和后设计阶段不能及早发现制造过程中和后续环节的问题，一旦出现问题，需要重新修续环节的问题，一旦出现问题，需要重新修改设计，后续阶段和与设计相关的环节也要改设计，后续阶段和与设计相关的环节也要随之改变。这种模式周期长，导致产品成本随之改变。这种模式周期长，导致产品成本增加。增加。随着产品种类和质量的提高，要求产品随着产品种类和质量的提高，要求产品研发周期短，因而提出了并行设计。研发周期短，因而提出了并行设计。并行设计并行设计 并
38、行设计是集成的并行的产品设计方法，强并行设计是集成的并行的产品设计方法，强调在产品开发的初期阶段就全面考虑产品生命周调在产品开发的初期阶段就全面考虑产品生命周期的各个阶段对产品设计的综合影响，从而实现期的各个阶段对产品设计的综合影响，从而实现产品全生命周期的优化设计。在并行设计中，产产品全生命周期的优化设计。在并行设计中，产品开发的各项活动尽可能在时间上平行进行。要品开发的各项活动尽可能在时间上平行进行。要实现这一目标，必须依靠先进的组织形式和管理实现这一目标，必须依靠先进的组织形式和管理方法。在组织上，并行设计需要建立由各阶段专方法。在组织上，并行设计需要建立由各阶段专家组成的多功能设计小组
39、，并采用全过程协调技家组成的多功能设计小组，并采用全过程协调技术。术。并行设计通过及时改进产品设计方案，可使并行设计通过及时改进产品设计方案，可使早期生产中工程变动次数减少早期生产中工程变动次数减少5050以上，产品开以上，产品开发周期缩短发周期缩短40406060，成本降低，成本降低30304040。2.5绿色设计 1 1绿色设计的主要内容绿色设计的主要内容 （1 1）材料选择：不仅考虑产品的使用和性能，而且）材料选择：不仅考虑产品的使用和性能，而且考虑其对环境的影响。选用无毒、无污染和易回收、可考虑其对环境的影响。选用无毒、无污染和易回收、可重用、易降解材料。重用、易降解材料。（2 2）产
40、品可拆卸性设计：设计的结构易于拆卸，因）产品可拆卸性设计：设计的结构易于拆卸，因而维护方便，在产品报废以后可重用部分能有效地回收而维护方便，在产品报废以后可重用部分能有效地回收和重复使用，达到节约资源和能源的目的。和重复使用，达到节约资源和能源的目的。（3 3）产品可回收性设计：设计初期充分考虑零件材）产品可回收性设计：设计初期充分考虑零件材料回收的可能性。回收价值大小，回收处理方法和相关料回收的可能性。回收价值大小，回收处理方法和相关问题，实现材料资源和能源利用的最大化和对环境污染问题，实现材料资源和能源利用的最大化和对环境污染最小。最小。（4 4）绿色产品的成本分析：绿色产品的）绿色产品的
41、成本分析：绿色产品的成本分析和传统产品成本分析不同，由于产成本分析和传统产品成本分析不同，由于产品设计初期考虑了产品的回收、再利用和环品设计初期考虑了产品的回收、再利用和环保问题，因而降低了环保费用。保问题，因而降低了环保费用。（5 5）绿色产品设计数据库：数据库主要）绿色产品设计数据库：数据库主要内容包括产品生命周期中与环境、经济等有内容包括产品生命周期中与环境、经济等有关的数据，还包含产品制造、装配、销售、关的数据，还包含产品制造、装配、销售、使用过程中所生产的附加物数量及对环境的使用过程中所生产的附加物数量及对环境的影响值，以及对环境评估准则所需的各种判影响值，以及对环境评估准则所需的各
42、种判断准则。断准则。2 2绿色设计的关键技术绿色设计的关键技术 面向材料的设计技术面向材料的设计技术 传统设计：选择材料时较少考虑对环境的影传统设计：选择材料时较少考虑对环境的影响，包括材料本身对环境的影响。材料加工过程响，包括材料本身对环境的影响。材料加工过程对环境的影响，材料报废对环境环境的影响。对环境的影响，材料报废对环境环境的影响。绿色设计：在产品的整个生命周期，以材料绿色设计：在产品的整个生命周期，以材料对环境的影响为控制目标，在实现产品功能要求对环境的影响为控制目标，在实现产品功能要求同时，使材料对环境污染最小，能源消耗最少。同时，使材料对环境污染最小，能源消耗最少。（1 1）面向
43、材料设计技术的主要内容）面向材料设计技术的主要内容产品计划阶段：采用产品的技术性、经济性和环保性三产品计划阶段：采用产品的技术性、经济性和环保性三维指标进行产品设计的可行性分析，确定与环境协调的维指标进行产品设计的可行性分析，确定与环境协调的方案。方案。方案设计阶段：对产品各种可行性方案评定时，除了考方案设计阶段：对产品各种可行性方案评定时，除了考虑产品性能和经济性之外，还要评定材料的环境。虑产品性能和经济性之外，还要评定材料的环境。结构设计阶段：结构具有应用的功能，良好的工艺性，结构设计阶段：结构具有应用的功能，良好的工艺性，同时满足易于拆卸和回收。同时满足易于拆卸和回收。详细设计阶段：对产
44、品所用的材料及其拆卸、回收性能详细设计阶段：对产品所用的材料及其拆卸、回收性能和可重复利用性能进行统计建库。和可重复利用性能进行统计建库。（2 2）对材料选择的要求）对材料选择的要求 对材料提出更高的要求：不仅满足产品的对材料提出更高的要求：不仅满足产品的基本性能要求，还应有利于环保。基本性能要求，还应有利于环保。uu减少产品所用材料种类减少产品所用材料种类uu选用废弃后能自然分解并为自然吸收选用废弃后能自然分解并为自然吸收uu选用不加涂镀的原材料，便于回收选用不加涂镀的原材料，便于回收uu选用再生材料，便于循环利用选用再生材料，便于循环利用（3 3）面向材料的设计技术发展趋势）面向材料的设计
45、技术发展趋势uu建立系统的面向材料设计技术的基础理论和方法建立系统的面向材料设计技术的基础理论和方法uu搜索、整理面向材料设计所需的数据资料，进而指导搜索、整理面向材料设计所需的数据资料，进而指导设计设计uu建立绿色材料的评价体系，评价模型和评价标准建立绿色材料的评价体系，评价模型和评价标准uu建立适合绿色设计的材料管理方法和数据库建立适合绿色设计的材料管理方法和数据库uu开发基于绿色设计的材料选择专家系统开发基于绿色设计的材料选择专家系统 面向能源的设计技术面向能源的设计技术 采用对环境影响最小和资源消耗最少的能源采用对环境影响最小和资源消耗最少的能源供给方式支持产品的整个生命周期。供给方式
46、支持产品的整个生命周期。（1 1）基本要求：）基本要求：uu在设计理念上采用合适的能源供给方式在设计理念上采用合适的能源供给方式uu在满足功能的前提下，尽量减小能量消耗在满足功能的前提下，尽量减小能量消耗uu充分预见各环节的能量消耗形式，寻求合理、高充分预见各环节的能量消耗形式，寻求合理、高效、经济的回收和再利用方法效、经济的回收和再利用方法uu使产品加工过程能量消耗最少使产品加工过程能量消耗最少（2 2）发展趋势）发展趋势对可用的新能源建立与设计相结合的技术规范对可用的新能源建立与设计相结合的技术规范和标准。和标准。建立面向能源设计的数据库、模型库和运行环建立面向能源设计的数据库、模型库和运
47、行环境标准。境标准。寻求合理的设计参数，控制材料应用和环境影寻求合理的设计参数，控制材料应用和环境影响方面的变化，从而达到设计的绿色化。响方面的变化，从而达到设计的绿色化。面向拆卸的设计技术（面向拆卸的设计技术（design for design for disassemblydisassembly，DFDDFD）在设计过程中，将可拆卸性作为设计目标在设计过程中，将可拆卸性作为设计目标之一，使产品的结构不仅便于制造，而且便于之一，使产品的结构不仅便于制造，而且便于装配、拆卸、维修和回收。其基本准则：装配、拆卸、维修和回收。其基本准则：（1 1）拆卸工作量少）拆卸工作量少 包括零件合并原则，减少
48、零件所用种类，材料相容包括零件合并原则，减少零件所用种类，材料相容性原则和有害材料集成原则。性原则和有害材料集成原则。（2 2）结构可拆卸）结构可拆卸 采用易于拆卸和未破坏的联结方法，紧固件少原则，采用易于拆卸和未破坏的联结方法，紧固件少原则，简化拆卸运动原则，装配及拆卸可达性原则。简化拆卸运动原则，装配及拆卸可达性原则。（3 3）拆卸易操作）拆卸易操作 （4 4）易于分离）易于分离 包括一次表面原则，便于识别零部件标准化，模块包括一次表面原则，便于识别零部件标准化，模块化原则。化原则。（5 5）产品结构的可预估性。）产品结构的可预估性。避免将易老化、易腐蚀的材料与需要拆卸、回收的避免将易老化
49、、易腐蚀的材料与需要拆卸、回收的材料零件组合，防止要拆卸回收的零件被腐蚀。材料零件组合，防止要拆卸回收的零件被腐蚀。面向回收的设计技术（面向回收的设计技术（design for recovering design for recovering&recycling&recycling，DFRRDFRR）（1 1）重用）重用（2 2）再加工）再加工（3 3）高级回收：重新处理以后被用于更高价值）高级回收：重新处理以后被用于更高价值 的产品中的产品中（4 4）次级回收：回收零件用于低价值产品中）次级回收：回收零件用于低价值产品中（5 5）三级回收：化合分解，生产新材料）三级回收：化合分解，生产新材料
50、（6 6）四级回收：燃烧回收，用作燃料发电）四级回收：燃烧回收，用作燃料发电（7 7）处理（）处理（disposaldisposal）（填埋）（填埋）第三章 现代加工技术 大连理工大学现代制造研究所 赵福令 教授1.现代加工技术(1）.定义及内容定义及内容 各种加工方法和制造工艺的总称。包 括先进切削加工技术、成形加工技术、变 形加工技术、联接加工技术、材料性能调 整技术和特种加工技术。切削加工内容uu切削加工技术：（包括车、铣、刨、钻、磨、拉等）切削加工技术：（包括车、铣、刨、钻、磨、拉等）效率高、成本低是精加工和最后成形的重要手段。效率高、成本低是精加工和最后成形的重要手段。uu成形加工：