2006-4-26 1
成本沉淀理论—设计的重要性
现代设计技术
是先进制造技术
的第一个环节，
根据成本沉淀理
论，设计成本占
产品成本5-7%，
但却决定产品成
本的70％!
设计开发 生产准备 加工 材料消耗 销售管理
100 %
50
0 5%
70%
18%
7%
5%
54%
28%
3%
对成本的影响
所需成本
企业中成本的确定
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传统设计技术
• 传统的产品制造模式是一个开环系统，
即原料 工业生产 产品使用 报
废 弃入环境。它是靠大量消耗资
源和破坏环境为代价的工业发展模式。
所以设计技术主要考虑产品的功能、
质量和成本。
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现代设计技术
• 现代设计技术是根据产品在整个生命周期中功能
和市场竞争（时间、质量、价格）的需要，考虑
生态环境和资源效率，应用科学知识和现化技术
，经过设计人员创造性的思维、规划和决策，制
定先进的产品设计方案，通过CAD等先进方法，
并使方案付褚实施的技术。
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现代设计技术的特点
• 现代设计从单纯的产品功能设计扩展到生
命周期设计（包括考虑环境因素的绿色设
计）;
• 从传统的经验设计转向应用现代计算机技
术的数字化设计技术;
• 从传统的顺序设计方式过渡到并行设计和
网络协调设计等。
现代设计技术的发展方向是不断吸收现
代科学技术，使其实现数字化、智能化和
网络化。
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现代设计技术的内涵
现代设计技术包含了：
• 绿色产品设计技术
• 优良性能设计基础技术
• 竞争优势创建技术
• 全寿命周期设计技术
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绿色产品设计技术
• 绿色产品设计技术是在保证产品的功能、质
量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资
源效率，使产品在整个生命周期（设计、制
造、使用到报废）中，符合环境保护和人类
健康的需要，对生态环境无害或危害极少，
资源利用率最高，能源消耗最低的设计技术。
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绿色产品设计技术包括:
•面向环境的设计技术
•面向能源的设计技术
•面向材料的设计技术
•人机工程设计技术
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绿色产品设计技术举例
— 零件结构的拓扑 优化 减少材料利用
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优良性能设计基础技术
• 优良性能设计基础技术是一项以提高机械产品综合性
能为目标的设计技术，是各种创新技术发展的基础，
是全寿命周期设计技术的必要条件，世界各发达国家
和企业都十分重视此技术的研究开发和应用。
• 体现在静态到动态、单项到综合、个体到系统、无限
寿命到有限寿命、设计对象向太空、深水、微观、生
命等领域发展，设计的基础理论要求更高。
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优良性能设计基础技术包括：
•可靠性设计
•试验技术
•防疲劳断裂设计技术
•系统动态设计和稳定性设计技术
•摩擦学设计技术
•防腐蚀设计技术
•表面工程设计技术
•状态监测
•补偿控制技术
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竞争优势创建技术
• 竞争优势创建技术是从产品的工作特性和功能
目标出发，在特定技术、经济和社会等具体条
件下，根据相邻学科的原理，创造性地设计产
品，并使它在技术及经济上达到最佳水平。
• 重点研究设计思维、功能目标评价、设计决策
技术、新的设计理论与方法、CAD和集成化、
智能化。
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竞争优势创建技术包括：
•创新设计技术
•降低成本设计技术
•快速设计技术
•仿真与虚拟设计技术
•智能设计技术
•广义优化技术
•工业产品造型设计技术
采用新原理、新方法的全新产品设计
设计是一种创造性思维活动，随科技和
经济的发展对创新设计提出新的挑战，计算
机的应用为设计创新带来新希望，智能化是
重要方向。
以缩短产品开发周期为主要目的设计技
术，包括模块化设计、并行设计、基于实例
设计、反求设计、虚拟设计等，一切有助于
加快产品开发速度的理论和方法都是快速设
计的组成部分，涉及多学科的交叉、多方向
发展。
并联机床设计并联机床设计
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全寿命周期设计技术
• 全寿命周期设计改变了制造业的企业结构和工作
方式，能对产品生产周期、质量和成本进行有效
控制，形成生产、销售、用户服务一条龙。主要
体现在缩短产品投放市场时间、提高质量、降低
生产成本、增强市场竞争力。其特点是全寿命全
系统管理、全寿命周期费用分析，达到“优生、优
育、优管”。
• 它包括并行设计技术、面向制造的设计技术、全
寿命周期设计数据管理技术、全寿命周期管理及
费用分析技术。
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全寿命周期设计过程框图
Product Lifecycle
Transformation for the
Digital Economy
3
1
4
7
6
8
2
5
9
10
../../../wx/plm/eFactory marion slide 1
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最引人注目的设计技术
•现代设计技术中最受设计工
作者关心的是并行设计技
术和虚拟设计技术。
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并行设计技术
• 并行设计是并行工程、协同设计、敏捷制造、
虚拟制造等先进技术的基础，它涉及到计算机
技术、通讯技术、机械设计方法等领域。而并
行工程是把CAD、制造、管理和质量保证等有
机地集成在一起，实现信息集成、信息共享、
过程集成。设计者一开始就考虑到产品全生命
周期中所有因素，包括质量、进度、成本和用
户需求。
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并行设计的内容（1）
• 过程重构：由传统的串行产品开发模式转
变成集成的、并行的产品开发模式，使下
游设计过程中的需求及早地反馈给相应过
程中。
• 数字化产品定义：包括数字化产品模型定
义和管理、数字化过程定义和管理、数字
化工具定义和信息集成，如DFQ、DFA、
DFM、CAD/CAE/CAM集成等。
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并行设计的内容（2）
• 产品开发队伍重构：将传统的以功能部门
为主线的产品设计，改变以产品为主线，
组织多功能集成产品开发团队，进行产品
并行开发。
• 协同工作环境：利用多煤体、网络等技术，
组建协调工作环境，支持并行设计。
• 并行设计技术实际上是一门涉及多个领域
的交叉学科，内容极为丰富。
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产品分析
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以下图零件的模具设计为例
2006-4-26 21
在进行模具设计时，生产、采购、工艺、标
准化、设计、试模等方面的技术人员协同工作，
完成设计。
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利用模具CAD/CAM软件，自动提取BOM表供
各生产环节使用。
2006-4-26 23
利用自顶向下的设计方法，将总体零件分
解给不同的设计小组。
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CE产品设计过程（分组）
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型芯设计、NC编程、加工小组
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模架、模板采购加工组
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标准件准备小组
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利用CE以最短的交货期、最好的质量、最
低的成本在市场竞争中赢得客户。
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虚拟设计技术
• 全球化、网络化和虚拟化己成为制造业发
展的重要特征，实现虚拟设计是制造业虚
拟化的重要内容。近年来，为了缩短产品
开发周期、降低生产成本，人们提出了各
种各样的制造模式。计算机技术的发展为
这些制造模式的应用提供了有力的支持，“
虚拟现实”技术的引入更是加快了各种敏捷
制造模式的实现。
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虚拟现实技术
• 虚拟现实技术(Virtual Reality)是一种三维计算
机图形技术与计算机硬件技术集成而实现的高
级人机交互技术，让用户通过视觉、听觉、触
觉、甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式 ，实时地
与计算机所建造的仿真环境发生相互作用。比
如，进入“虚拟厂房” ，操纵“虚拟机床” ，抓取
“虚拟零件” ，组装“虚拟设备”等等。
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虚拟现实的硬件设备
• 虚拟现实技术提供：具有独特输入/输出装置
的特殊人机界面，如头盔式显示器HMD、跟
踪器、数据手套、定位器等。借助这些虚拟
外设，比之传统CAD技术，用户就可沉浸在
仿真环境之中，有“身临其境”的感觉，从而
完成在现实世界中可能或不可能的工作。
2006-4-26 32
（1）头盔（HMD-Head Mounted Display)
两个LCD 或CRT显示器
典型分辨率 360 x 240
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（2）立体眼镜
由液晶光栅眼镜和红外线控制器组成。
（3）三维鼠标
六自由度探测器，利用内构式超声接收器和具
有发射器的固定基坐标来测量鼠标器离开桌面
后的位置和方向。
（4）跟踪器（Tracker)
对VR用户的头或手的位置和方向进行实时的、
精确的测量。 类型有：
机械式、电磁式和超声式。
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（5）数据手套
将用户手的姿势转化成计算机能读的数据，有测
量几个或全部手指关节的传感器。有的具有三维
传感器，以跟踪用户腕部的运动。
基于光导衰
减的光纤手
套
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（6）立体投影屏幕
通过立体复合技术显示左、右眼的信息。
使用“无源”偏振眼镜。
价格低，可多人参与。
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（1）单人沉浸式
头盔式立体显示器
产生逼真的沉浸感
虚
拟
环
境
产
生
器
头
盔
显
示
器
声音合成
声音合成
语音识别
电子显示装置
头/眼/手
跟踪
触觉/动觉系统
手位置
头位置
眼位置
虚拟现实环境的几种主要形式
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（2）虚拟世界窗口
在虚拟环境中建立一窗口，通过该窗口漫游环境。
（3）半实物模拟
建立半事物模拟环境，并提供实际控制与屏幕上
虚拟环境之间的交互途径。
（4）CAVE
墙式显示屏全自动声像虚拟环境。
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虚拟现实技术应用 真实感图形显示
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虚拟现实技术应用 真实感图形显示
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虚拟现实技术应用
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虚拟现实技术应用
2006-4-26 42
高临场感的视景仿真系统
2006-4-26 43
虚拟现实技术 各种仿真工具
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虚拟现实技术 虚拟使用、操作工具
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增强现实技术
(Augment Reality)
• 增强现实技术是一种“虚实结合”的人机交互技
术，是“看穿(see-through) ”计算机生成显示
技术。由于计算机图像(虚体)被叠加在实物(实
体)之上，用户看到了物理世界与虚拟世界的混
合体。比如，轿车整车装配时，车身是计算机
产生的图像，而车架、装配环境则是实物，用
户可以操作车身，使之逼真地安放在真实车架
上，从而进行装配分析。
2006-4-26 46
虚拟制造中的主要使能技术
• 目前虚拟制造的内涵已远远超出最早的范畴，
但虚拟现实技术和增强现实技术仍然是虚拟制
造的重要使能技术，可以使虚拟制造中的各项
活动具有更强的逼真效果，从而提供更准确的
产品设计与过程设计的评价分析手段。
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应用虚拟制造的意义
• 虚拟制造技术可以用于产品与过程设计、
产品开发成本和风险分析估算、产品与过
程开发的集成，生产管理决策的改善，产
品生产前各项生产活动的验证等。
• 虚拟制造技术可以促进远程协同产品开发
的实现，充分利用网络上的制造资源。
• 虚拟制造技术可以应用于制造业企业或教
育部门的技能培训与教育。
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国外研究概况 (1)
• 虚拟制造技术是九十年代产物，国外许多
知名企业正在积极开发此技术。在汽车、
飞机、工程机械、武器等产品上应用成果
己有报导，以下是几个例子：
• ⑴美国国防部先进研究计划署ARPA正在致
力于将虚拟环境与物理建模、分布离散模
拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进
的手段。
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国外研究概况 (2)
• ⑵加利福尼亚军火承包商Rockwell
International开发了将现有CAD数据转换
传递到虚拟环境的软件，工程技术人员能
看见设备部件是如何被装配的，无须制作
零部件的物理模型。
• ⑶美国Metalagraphic公司应用虚拟检测技
术于航空和军事产品的零部件加工。
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国外研究概况 (3)
• ⑷食品生产商Nabisco计划将组装生产线
进行拟实化，以便培训人员去维护和维修
生产线。
• ⑸摩托罗拉自1994年起使用虚拟技术开发
产品，据报道，该项技术节约了该公司数
百万美元的培训费用。
• ⑹波音公司用虚拟原型技术在计算机上建
立了波音777飞机的最终模型。
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国外研究概况 (4)
• ⑺福特汽车公司已经计划在汽车设计与工程中
应用虚拟环境技术，该公司的先进车辆技术组
在装配仿真和虚拟成型方面应用虚拟技术，以
提高空气动力学、人机工程学和外型表面建模
的效果。
• ⑻卡特匹勒(Caterpillar Inc)公司将虚拟设计技
术用在评价新样车的内部可视性。该公司还打
算用该项技术让客户“实际试车”新产品。
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国外研究概况 (5)
• ⑼在基础研究和工具系统开发方面也取得了进展
①美国马里兰大学开发了用于分析设计产品可制
造性的IMACS系统；
②美国NIST正在开发面向虚拟制造的信息交换系
统；
③美国华盛顿州立大学面向设计与制造的虚拟环
境VEDAM系统是在PTC的Pro/Engineer等
CAD/CAM系统上开发的，包括加工设备建模、虚拟
设计、虚拟制造和虚拟装配等虚拟环境。
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国外研究概况 (6)
• ④英国Bath大学的等人提出的
VMAN(Virtual Manufacturing)计划指在
探索简易的虚拟现实技术对工程领域的计
算机辅助设计的作用。在该计划中，利用
虚拟现实技术生成工作空间，允许用户利
用假想的机器设备制造产品，然后将该过
程再现在真实的数控机床上。
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国外研究概况 (7)
• ⑤新加坡国立大学Lee和Noh等人利用因特网、
专家系统开发工具、HTML/VRML和数据管理系
统，开发了一个虚拟制造原型系统作为工程和生
产活动的实验台；
• ⑥日本大阪大学工学部电子控制机械学科的岩田
一明教授和小野里雅彦副教授领导的研究小组自
1991年着手开发应用的虚拟制造系统Virtual
Works和Open Virtual Works。该系统能如同
现实制造。
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国外研究概况 (8)
• 系统一般生成和处理有关制造系统的构造、
状态、行为等信息，包括模拟设计、规划、
管理等制造活动的虚拟逻辑系统和建模，诸
如机器、材料、工作人员等生产现场中的物
理实体，并模拟这些物理实体间相互作用的
虚拟物理系统。
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国内研究概况 (1)
• 国内虚拟制造技术尚处于研究起步阶段。
• 虚拟制造技术的一些单元技术在国家自然科学
基金、国家863计划、国家重点攻关项目的资
助下己取得了一定的成果。1998年8月“虚拟制
造技术研讨与演示会”在北京举行、标志着相
关领域的研究己初具规模。
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国内研究概况 (2)
• 国内具体研究的内容涉及虚拟产品装配、虚拟塑
性成型、机床总体方案虚拟设计、虚拟测试、虚
拟板材成型、虚拟数控加工以及虚拟组织和虚拟
企业等。但从总体来看，由于计算机软硬件设备
的限制，大多停留在系统框架和总体技术的研究
程度，实质性的面向应用的关键技术研究还有待
进一步拓宽范围。
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虚拟制造技术涉及的软件
• 国外软件公司在巨大应用需求推动下，纷纷推
出Deneb、Multigen、dVISE、WorldToolKit、
Medit、MR、Lightscape、Release X、EAI、
MOSS等一批支持虚拟制造的软件产品。从使
用情况看，这些软件大大丰富了CAD技术内容，
但价格较贵，产品的模块一般为数万美元左右。
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几种软件的功能 (1)
• Deneb软件是美国Deneb Robotics公司开发
的，系统有五个模块：Envision、Quest、
Virtual NC、Assembly、ERGO。主要功能
有：虚拟样机设计分析、虚拟环境漫游、离散
事件仿真、加工过程仿真、虚拟装配和拆卸仿
真、人体建模与分析等。
• EAI软件是由美国Engineering Animation
INC公司开发，有三个模块：VisMockUp
VisFly、VisLab，功能是装配分析、装配设置
评估、模型可视化，三维工程动画。
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几种软件的功能 (2)
• dVISE软件是英国Division公司开发，系统有
五个模块：dv/WebFly、dv/Player、
dv/Review、dv/Mock-Up、dvReality。主要
功能有：实时网上信息浏览、虚拟样机、装配
拆卸仿真等。
• WorldToolKit软件是美国Sence 8公司开发，
主要模块是WorldUp。主要功能是实时交互虚
拟环境的建立。
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虚拟制造技术的研究动向 (1)
• 虚拟制造系统的体系研究：包括系统的构成及
相互关系、系统的功能、系统的实现技术等。
日本大阪大学小野里雅彦等人参照现实制造系
统的结构与功能提出了虚拟制造系统的体系框
架。美国标准与技术研究所NIST提出的强调模
块化的虚拟制造体系包括调度器Scheduler、
控制器Controller、仿真器Simulator、数据
采集模块Data acquisition module、状态数
据库Status database。
2006-4-26 62
虚拟制造技术研究动向 (2)
• 支持虚拟制造软件系统开发研究。目前商用相
关软件系统的功能有限，大多只能完成三维世
界的可视化，比如虚拟空间中的穿越与浏览。
而具有碰撞检测、接触分析、实时仿真、高级
可视化和交互功能的系统尚处于开发阶段。目
前，相关软件系统基本上是国外产品。价格昂
贵，开发符合国情、价廉和功能完善的虚拟制
造系统是一项重要工作。
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企业如何实现虚拟制造
1. 建立企业网和数据库，初步实现CAD、CAPP、
CAM的功能。
2. 推行PDM技术，进行信息集成，形成一个CAD、
CAPP、CAM的集成系统。
3. 建立产品统一信息模型，初步实现并行工程，
将MIS、MRPII、ERP与CAD、CAPP、CAM系
统集成，实现企业信息集成，全面实现并行工程。
4. 基于上述工作，对企业内的生产、经营等多方面
的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造。
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技
术
人
员
及
用
户
实
际
制
造
过
程
数 字 化 模 型 计算机仿真虚拟现实
虚
拟
开
发
平
台
虚
拟
企
业
平
台
虚
拟
设
计
虚
拟
加
工
虚
拟
企
业
动
态
组
合
协
同
工
作
环
境
虚
拟
装
配
有限元分析
运动学分析
动力学分析
装配工艺规划
异地设计
异地装配
异地测试
资源共享
人机交互
网络支撑环境
系统集成环境
任务协调环境
成形过程分析
工艺过程优化
工具设计优化
单元工艺优化
加工过程优化
装配路径规划
公差分配规划
装配质量规划
虚
拟
生
产
平
台 虚
拟
调
度
虚
拟
设
备
虚
拟
布
局
实现集成支撑
环境
优化集成方案
模拟实际生产环境
模拟生产动态过程
优化生产环境布局
模拟产品生产
过程
优化生产调度
方案
产品数据管理（PDM）
虚拟制造体系结构
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结 束 语
• 市场竞争的生命力在于产品的创新。任何科技
成果要转变为有竞争力的商品，设计起着关键
性的作用。设计是产品制造的第一道工序，设
计工作质量和水平，直接关系到产品的质量、
性能、研制周期和技术经济效益。关心设计技
术、研究发展设计技术、广泛应用先进设计技
术是我们这一代人的神圣职责。
