基于先进设计技术体系的创新服务

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1、基于先进设计技术体系的创新服务基于先进设计技术体系的创新服务 企业自主创新能力的强弱决定了其市场竞争能力，区域装备制造业能否实现高效、快速、可持续发展，关键是行业自主创新能力能否形成和强化。设计技术是装备制造业技术创新的基础和核心，而先进设计技术是制造业实现信息化、产业技术升级、改变增长模式、实现可持续发展的技术支撑；是大幅度缩短新产品研发周期，降低新产品研发成本和风险的技术支撑；是制造业创新能力提高，特别是自主创新能力提高，并由此提高其市场竞争能力的技术支撑；是优化产品设计、方便加工制造、提高产品质量、提高生产率的技术支撑。21 世纪是“设计的世纪” ，这是著名华裔物理学家杨振宁博士和德国哲

2、学家沃尔冈韦尔施不约而同对设计者的提醒。世界各国都十分清楚美国人所提出的“为竞争的优势而设计”的口号的重要意义。面对全球化的竞争，我国要想从一个制造业大国变成制造业强国，关键是要大力发展推广先进制造技术。而作为先进制造技术的核心环节先进设计技术更要快速超前发展。为此，深入研究先进设计技术，大力发展先进设计技术，是制造业在市场中立于不败之地的关键所在。一、先进设计技术体系的概念1、先进设计技术的定义和特点工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品。产品所达到的质量、性能、时间、成本、寿命等综合指标主要是在设计阶段决定的。设计占成本 5%，设计决定成本 75%。先进设计技术是以满足市场产品的质量、

3、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。传统的工程设计，根据工作性质与内容不同，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。先进设计技术已扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的设计。先进设计技术的特点是系统性、动态性、创造性、主动性、计算机化、并行化、最优化、虚拟化和自动化。 2、先进设计技术体系框架先进设计技术的整个体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学

4、、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。先进设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等技术。运用先进设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为先进设计技术群体的主干，即主体技术。支撑技术主要有现代设计方法

5、学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的先进设计内容可以看作是先进设计技术派生出来的具体技术群。先进设计技术已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各

6、个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。 二、先进设计技术体系的发展趋势1、先进设计技术发展历程：从产品形成过程的昨天、今天、明天发展看，由昨天的过程设计到今天过程链条并将发展到明天的过程流。可见产品形成过程并行程度越来越高，其效率也不断提高。从产品设计的昨天、今天、明天的发展看，它是从手绘图到CAD，发展到虚拟制造。从直觉设计、经验设计、传统设计到现代设计，

7、它们在各个发展过程中的重点是不同的，过去重视零件，重点放在机械开发和制造上；今天注重的是原型，重点放在产品的形成过程；将来注重的产品，重点放在产品全生命周期。即产品的设计由点到线再到面的发展趋势。（1）二维 CAD 技术发展。进入二十世纪六十年代，CAD 技术随着在计算机屏幕上绘制变为可行而开始迅速发展。人们借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘画。这时 CAD 技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，CAD 的含义仅仅是图板的替代品，以二维绘图为主要目标的算法一直持续到二十世纪七十年代末期。随着技术的发展，CAD 系统参与与介入产品设计程度越来越深，功能越来越强，逐步发展成

8、为真正的计算机辅助设计系统。（2）曲面造型技术及三维 CAD 系统发展。二十世纪六十年代出现的三维 CAD 系统只是极其简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM 及 CAE 均无法实现。二十世纪七十年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维 CAD 带来良好的机遇，法国达索机械制造公司在二维绘图的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出三维曲面造型系统 CATIA，标志着计算机辅助设计技术从单纯的模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述机械产品零件的主要信息，同时也使 CAM 技术

9、的开发有了现实的基础。曲面造型系统第一次为CAD 技术带来革命。（3）实体造型技术与三维 CAD 系统发展。由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达机械零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，美国 NASA 公司于 1979 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型 CAD/CAE 软件，实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，有助于统一 CAD、CAE、CAM 的模型表达，给设计带来方便，代表着未来 CAD 的技术发展方向。（4）参数设计技术与三维 CAD 系统发展。进入二十世纪八十年代中期，提出了一种比无约束自由造型更新颖的算法：参数化实体造型方法。其特点是：基于特征、全

10、尺约束、全数据相关、尺寸驱动设计修正。进入二十世纪九十年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现其在许多通用机械零件、零部件设计上存在的简便易行的优势。（5）先进机械制造技术发展总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、集成化及管理的创新，而先进设计与制造技术是先进制造技术的基础。进入二十一世纪后，随着计算机技术的飞速发展，Internet 网络技术的普及应用， CAM、CAE、PDM 等技术的发展，有力地促进了先进设计技术的进一步发展。发展趋势有以下四个方面：1）单项技术向完善化发展。2）PDM 与 CAD/CAPP 的技术集成。当前和今后一个时期，主要集中在封装、接口和集成技术。3）

11、数字化设计与虚拟制造的无缝连接。基于 CAD 技术和以计算机支持的仿真技术，形成虚拟的环境，虚拟的制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高一次成功率。4）设计的网络化。网络技术使得并行协同异地设计成为可能，必将极大的拓展强化提高数字化设计的效能。网络技术的高速发展推动网络设计制造技术的发展和广泛应用。企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最近用户的生产基地制造成产品。2、先进设计技术体系现状当前先进的设计技术就是利用 CAD/CAE/CAPP/PDM、虚拟现实等技术，实现产品设计手段和设计

12、过程的数字化，缩短产品开发周期，提高企业的产品研发能力。其关键技术包括：数字化设计流程、标准和规范体系研究，建立复杂产品三维设计环境，快速三维数字设计建模，数据库框架和海量信息处理，并行化、最优化和智能化的设计研究，面向产品寿命周期全过程，协同仿真分析，设计管理。3、先进设计技术体系的未来发展趋势：先进设计技术在产品及相关技术的集成方面取得了长足进步，其发展特点是借助信息技术的飞速发展，通过并行工程，建立协同设计平台，在 CAD/CAPP/CAM 的基础上，利用工程数据库，针对不同目标对象进行多学科优化设计、DFx 设计、快速原型设计、全寿命周期设计。先进设计技术所追求的目标为产品开发人员从一

13、开始就考虑到产品全寿命周期内各个阶段的因素（如功能、制造、装配、质量、成本、维护和用户需求等），强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间有效的信息交流与通信机制，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，并得以解决，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可靠性、可维护性及可回收再生性等特性，最大限度地减少返工，缩短设计、生产准备和制造时间并大大降低产品投入使用后的维修和保障费用。创新设计、生态化设计、智能设计、保质设计、组合化系列化设计及文化与情感创意设计技术是先进设计技术的重要组成部分，将其交叉融合，形成完整的先进设计技术体系，并应用到一个

14、产品的设计过程中，是未来先进设计技术发展的方向。先进设计技术体系的未来发展框架三、我院已建立的先进设计技术创新服务体系先进设计技术是一个复杂的技术体系，它的应用是一个系统工程，需要一支专业素养高、工程经验丰富、拥有多学科专业知识的群体组成的工作团队，在软硬件、设施等方面投入较大。我省制造业行业集中度低，就单个企业而言其产品线是有限的，企业独立投资构建专业的先进设计技术应用研发机构是不经济的，投入大产出小、创新资源利用率偏低且无法共享、很难组织起满足要求的工作团队。为此，借鉴工业发达国家成功的做法和经验，在政府的引导下我院组建了甘肃省装备制造业数字化设计公共服务平台，甘肃省先进设计与制造技术工程

15、实验室，甘肃省机械工业先进制造技术行业技术中心等机构，形成了先进设计技术创新服务体系，在我省及周边区域制造业推广应用先进设计技术，加速甘肃及周边地区装备制造业企业的发展，提高其创新能力，特别是自主创新能力，提高其市场竞争力。平台总框架甘肃省装备制造业数字化设计公共服务平台主要包括产品创新设计支撑系统、逆向设计系统、信息标准服务系统、培训服务系统。1、产品创新设计支撑系统产品创新设计支撑系统由创意融合设计、结构设计、分析测试评价、虚拟制造四个子系统构成，主要为企业提供新产品全生命周期的设计服务。新产品设计：市场需求设计要求设计师的创造性活动产品设计人员首先通过创意融合设计系统构思产品的外形、性能

16、和大致的技术参数等，然后利用结构设计系统建立产品的三维数字化模型，应用分析和测试评价系统及虚拟制造系统，对产品的性能进行预估和优化，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。2、逆向设计系统实实 物物 / 原原 型型数数 据据 获获 取取改改型型设设计计设设计计意意图图理理解解原原始始 设设计计 参参数数 还还原原反反 求求 软软 件件产产 品品 创创 新新 设设 计计产产 品品 数数 字字 化化 模模 型型C A D 系系 统统计计算算 机机辅辅 助助分分 析析 （CA E)新新 产产 品品 数数 字字 化化 模模 型型原原型型修修改改新新 产产 品品造造型型规规律律识识别别已有产品消化、再创造市场竞争的新产品。根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程