先进制造技术(第2章)

河南省精品课程“先进制造技术” 河南省精品课程“先进制造技术”
先进制造技术
Advanced Manufacturing Technology
Henan University of Science & Technology
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第2章 先进工程设计技术
本章要点
现代设计技术的基本内容 CAD的关键技术 模块化设计的关键技术 创新设计 逆向工程
静态的设计原理向动态的延伸，经验、类比的设计方法 向精确的、优化的方法延伸，而且设计范畴也在不断扩大。
多种设计技术、 多种设计技术、理论与方法的交叉与综合
现代的机械产品，如数控机床、加工中心、工业机器人 等，正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成 化，模块化方向发展，从而对产品的质量、可靠性、稳定 性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。
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2.2.3 CAD的研究热点 CAD的研究热点
计算机辅助产品的概念设计
概念设计涉及产品的基本功能、 概念设计涉及产品的基本功能 、 动作原理和结构要素 需要考虑产品的价格、性能、可靠性、 ， 需要考虑产品的价格、 性能 、 可靠性、 安全性等目标 ； 概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确 的或未知的。概念设计的上述特征和要求， CAD技术 的或未知的 。概念设计的上述特征和要求，给CAD技术 在该领域的应用带来很大难度和挑战。 在该领域的应用带来很大难度和挑战。 为使CAD技术有效地支持概念设计， 为使 CAD 技术有效地支持概念设计 ， 需要解决建模和 CAD技术有效地支持概念设计 推理两大技术难题。 推理两大技术难题。 建模技术， 是需要对产品的功能、 建模技术 ， 是需要对产品的功能 、 动作和结构等要素 及其相互间的关系进行完整、 及其相互间的关系进行完整、清晰描述 推理就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功 能设计， 能设计，生成和选择合适的产品设计方案。

思考题第一章1．说明制造、制造系统与制造业概念，比较广义制造与狭义制造的区别。

答：制造（manufacturing）是人类按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。

制造系统是指由制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个具有特定功能的有机整体。

制造业是指以制造技术为主导技术进行产品制造的行业。

广义制造与狭义制造的区别：狭义的制造，是指生产车间内与物流有关的加工和装配过程；而广义的制造，则包含市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及报废后的回收处理等整个产品生命周期内一系列相互联系的生产活动。

2．制造业在国民经济中的地位与作用如何?答：（1）人们的物质消费水平的提高，有赖于制造技术和制造业的发展。

（2）制造业是实现经济增长的物质保证。

（3）提高制造技术是影响发展对外贸易的关键因素。

（4）制造业是加强农业基础地位的物质保障，是支持服务业更快发展的重要条件。

（5）制造业是加快信息产业发展的物质基础。

（6）制造业是加快农业劳动力转移和就业的重要途径。

（7）制造业是加快发展科学技术和教育事业的重要物质支撑，它不仅为科技发展和教育发展提供经费支持，还为研究开发提供许多重要的研究方向与课题及先进的实验装备。

（8）制造业也是实现军事现代化和保障国家基本安全的基本条件。

3．先进制造技术是在什么样的背景之下产生与发展起来的。

答：1．社会经济发展背景近20多年来，市场环境发生了巨大的变化，一方面表现为消费者需求日趋主题化、个性化和多样化，消费行为更具有选择性，产品的生命周期缩短，产品的质量和性能至关重要；另一方面全球性产业结构调整步伐加快，制造商着眼于全球市场激烈竞争的同时，着力于实力与信誉基础上的合作和协作。

制造业的核心要素是质量、成本和生产率。

段，开发出具有创新性的产品。 4）计算机化 应用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力和
巨大的信息存储及处理能力，弥补了人不足。 5）并行化、最优化、虚拟化和自动化
--并行化 在产品设计阶段综合考虑产品全生命周期中的所有因素。 --最优化 对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，实现系统整体
性能最优化。 --虚拟化 利用虚拟现实技术，在虚拟环境下评估产品性能。 --自动化 应用CAD/CAM等工具，完成建模、分析、测试、评价任务。 6）主动性 对产品全生命周期各种性能作出准确预测，及早发现产品潜
--技术设计 将产品功能原理化为具体机械结构，决定产品最终形态 和性能。
--施工设计 指零部件和产品工程图绘制以及工艺文件和说明书编写。 2）逻辑维 设计过程中解决问题的逻辑步骤。
--分析 明确设计任务，是解决设计问题的前提； --综合 是探求解决方案的创新过程，可采用抽象、发散、逆向等思维
方法寻求尽可能多的方案解； --评价 对多种方案进行比较和评定，对方案不断进行调整和改进，直
3）支撑技术 为设计过程的信息处理、加工、推理与验证提供支撑。 --现代设计方法学：包括系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、 反求工程、绿色设计、模糊设计等； --可信性设计：包括可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、 耐腐蚀设计、耐环境设计等； --设计试验技术：包括性能试验、可靠性试验、仿真试验和虚拟试验等。
• 等式约束： hv ( X ) 0
v 1， 2， ， p n
x2
• 可行域：指设计变量所允许取值 的设计空间，即在该区域内满足 设计约束条件；
g（X）>0 非可行域
• 而非可行域：不允许设计变量取 值的空间。
g（X）<0

2. 光栅扫描法
对于任一层片，先沿Y方向扫描固化，再沿X方向扫描固化。 研究表明，固化期间扭曲变形的程度与零件内部未固化树脂所占体积有关。 光栅扫描的基本思想是尽可能地减少零件内部的未固化树脂。
第二章 加工域活动中的先进工艺
3. STAR-WEAVE扫描法
这种扫描法的扫描路线为分形曲线，故又称为分形扫描路径。 当分形曲线的维数为2时，曲线可充满平面，生成非自交、简单且自相似的 结构，具有递归性，易于计算机处理。 分形扫描路径都是小折线，扫描方向在不断改变，使得刚刚烧过的部分沿扫 描方向能够自由收缩。所以零件内部应力较小，变形也小。
优点：
SLA工艺 的特点
由于紫外激光波长短，可以得到很小的 聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。 缺点： 有时需要辅助支撑结构；翘曲变形大； 成本较高；材料有污染。
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
第二章 加工域活动中的先进工艺
2. 选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）
第二章 加工域活动中的先进工艺
③LEAF格式 LEAF（layer exchange ASCII format）格式采用二叉树形式表示整个实体模 型的分层 。基于CSG（Constructive Solid Geometry ）模型的切片几乎都能直接 在LEAF中表达，但该数据格式十分复杂。
④SLC格式 SLC（stereo lithography contour）是一个二维半的实体轮廓模型，由Z方向 上一系列逐步上升的横截面组成。SLC算法比较复杂，所需时间长。
SLS技术是C.R.Deckard于1989年研制成功，1992年由DTM公司推出商品化 产品。SLS原理与SLA十分相似，其主要区别是SLS使用的是粉末状的材料。 目前，可用于SLS技术的材料有四类：金属类、陶瓷类、塑料类和复合材料 类。 SLS采用二氧化碳类红外激光对已预热（或未预热）的粉末一层层地扫描加 热，使其达到烧结温度，最后烧结出由金属或塑料制成的立体结构。