陈 旭 教 授
2010年3月
新产品开发与数字化
重庆理工大学汽车学院
主 要 内 容
第1章 概论
第2章 新产品策划与概念设计数字化
第3章 新产品详细设计数字化
第4章 基于逆向工程的新产品数字化设计
第5章 新产品数字化设计中的仿真分析
第6章 新产品设计验证中的数字化制造
第7章 产品数据管理（PDM）
第8章 网络化协同设计与产品生命周期管理
第1章 概 论
新产品开发概述
制造业新产品开发的重要意义
工业企业中除了自来水、蒸汽发电、供热和采掘业外，其它的工业
企业都属制造业。
产品是一切制造企业生产经营活动的主体，新产品开发是这一活动
主体的源头，因而产品现代开发方法和开发支持技术就受到制造企业的
高度重视。社会在发展，需求在变化，市场和用户对产品的品种、功能
和质量会不断提出新的要求，迫使激烈竞争中的制造企业竞相采用先进
的技术手段来开发新产品，而新产品的开发又不断地对开发技术的发展
提出新的要求。
第1章 概 论
产品的分类
1、面向终端用户的产品
（1）消费类产品
A——耐久性消费产品：如家电、汽车、摩托车、家具、住房等；
B——快速消费产品：轻工、日用百货、服装、化装品等；
（2）装备或生产资料类产品（能源设备、交通设备、工业装备等）
（3）特殊产品（如培训、咨询服务、工程实施与监理、旅游等）
第1章 概 论
2、按产品结构与组成分
（1）最终产品（具有完整功能和结构，可独立运行或工作的产品）
（2）部件（有独立功能，但一般独立运行或工作没有实际意义）
（3）零件（很少有独立功能，是构成部件或产品的最小组成单位）
本课程涉及的产品主要指机电类产品
零部件和产品构成特点——产业链
主机厂或OEM厂商，开发生产整机
一级供应商，开发生产系
统级总成
二级供应商，开发生产模
块级总成或部件
三级供应商，开发生产小
部件和零件
四级供应商，开发生产毛
坯或原材料
产
业
链
层
次
大批量生产的产品这种划分明显，单件
小批或订单型产品的层次划分不明显
制造业在国民经济中的重要地位
1、国家的繁荣和安全离不开军事装备制造业的支撑；
2、人们丰富的物质生活离不开产品加工制造业提供的各种
消费品；
3、人类的健康和繁衍离不开医药制造业提供的各种医药产
品；
4、人类的精神生活离不开各种各样的文化产品。
第1章 概 论
新产品设计开发的驱动力：
1、市场需求驱动——人类对物质文明的高度追求和个性化
需求，是驱动新产品开发的主要动力；
2、技术驱动——自然科学和技术科学的发展，新技术的出
现和在产品中的应用，引导人类的消费增长和社会的繁
荣与进步；
3、国家和人类共同利益的驱动，不断开发出国防、医药、
环保、文化、体育等新产品。
第1章 概 论
所谓新产品，指的是：采用新技术原理、新设计构思而开发生产出的全新
型产品，或应用新技术原理、新设计构思，在结构、功能、材料、工艺等各方
面对老产品进行重大改型，并显著提高原有老产品的性能或扩大功能而得到的
改型新产品。
当今一个全新型的产品问世，不仅给市场和最终用户带来新的物质产品，而
且给开发生产这一新产品的企业带来新的经济增长点和丰厚的回报，甚至会影
响整个行业，形成新的产业。例如，移动通讯设备和产品（如手提电话）的开
发成功和投放市场，以摩托罗拉（MOTOROLA）、爱立信（ERICSSON）、若
基亚（NOKIA）三大巨头为代表的移动通讯业，从90年代初开始就在全球逐步
形成了一个庞大的新兴产业，拉动了全球经济的快速增长。
全新产品开发——发明创新（如电视机、电冰箱的发明）
重大改进开发新产品——持续改进创新（如第一代产品到第二代产品）
局部改进开发新产品——局部功能和外观的改进（如年度新产品，或同一产
品的不同版本）
新产品开发的一般模式
1、自主开发新产品
2、引进新产品和新
技术
3、联合开发新产品
4、模仿创新开发新
产品
潜在顾客需求驱动产品开发
先进技术驱动产品开发
1、原有平台产
品上的派生改进
新产品；
2、原有产品的
局部改进；
3、全新产品平
台；
4、原有技术的
持续改进。
新产品开发结果
市场竞争驱动产品开发
新产品开发活动
新产品开发类型分析
各类新产品占全部新产品的百分比
新产品开发与产品生命周期
P1
P2
P3
P4T1
T2
顾客需求生命周期
技术生命周期
产品生命周期
D
增
长
率
时间
第一代产品
第二代产品
第三代产品 第四代产品
生产
试制
设计
构思
销
售
额
销售时间
产品生命周期的演变
产品生命周期与新产
品开发战略研究
第1章 概论 新产品开发与信息支持技术
市场分析 产品及工艺设计 产品制造 市场营销
新
产
品
概
念
设
计
市
场
调
查
与
需
求
定
义
潜
在
用
户
需
求
转
换
目
标
新
产
品
概
念
定
义
新
产
品
工
程
化
设
计
新
产
品
工
艺
工
装
设
计
新
产
品
小
批
试
制
新
产
品
批
量
生
产
新
产
品
性
能
试
验
定
型
产
品
市
场
策
划
与
宣
传
产
品
市
场
销
售
产
品
售
后
服
务
与
回
收
市场市场
图 产品生命周期的四个阶段
第1章 概论 新产品开发与信息支持技术
与新产品开发相关的信息支持技术
1、计算机辅助设计——CAD（包括二维/三维CAD和KBE、并行协同设计）
2、计算机辅助工艺设计——CAPP（装配工艺、机加工艺、热加工工艺、特
种加工工艺、数控加工工艺等）
3、计算机辅助工程——CAE/CAT（整机和零部件的性能仿真分析和仿真试验）
4、计算机辅助制造——CAM（有广义和狭义之分，广义——凡是采用计算机进
行辅助制造的都叫CAM；狭义——主要指数控加工）
5、逆向工程技术——RE（又叫反求设计），属于CAD技术的范畴
6、激光快速原型制造——RP
7、数字样机——DMU（Digital Mockup）
8、计算机辅助生产工程——CAPE（又叫数字化工厂）
9、产品数据管理（PDM）和产品生命周期管理（PLM）
计算机辅助设计（二维
CAD）
计算机辅助设计（三维CAD）
曲轴与天然气压缩机机体设计
逆向工程技术（又名反求工程）
虚拟现实技术与虚拟样机技术
计算机辅助工程（CAE技术）
整车扭转刚度计算
焊接工艺和焊缝质量仿真分析
整车振动分析计算
锻压工艺仿真分析
计算机辅助工艺规程设计CAPP
典型工艺规程库
新零件工艺过程卡编辑
新零件工序卡编辑
引用数据库中的工艺
知识和工艺资源信息
提交工艺审签归档
归档管理
工艺文件归档
工艺资源信息库 工艺知识库 特殊工艺符号库 工艺参数计算器
工艺文档发放
工序简图编辑检索式派生
工艺汇总信息
ERP系统
计算机辅助制造（CAM技术）
• O 0011
• N1 G92
• N2 S200 T01 M03
• N3 G90 G00
• G01 F100 M08
• G91 G41 D01
• G01
•
•
•
• G40 M09
•
• M30
• 主程序番号
• 建立工件坐标系
• 选刀，让主轴正转
• 快速下刀到上表面附近
• 工进下刀，同时开切削液
• 切入，同时加刀补
• 铣短边
• 铣长边
• 铣短边
• 铣长边
• 切出，取消刀补，关切削液
• 提刀
• 停机结束,复位
激光快速原型制造
（RPM）
改型后的摩托车部分快速原型件 摩托车快速原型件的装配验证
升
降
台
液面
刮平器
光敏树脂
成形零件
紫外激光器
Z
选择性液体固化成形方法
计算机辅助生产工程
（CAPE）
物流运输过程仿真
人工装配过程的人机工程仿真
产品数据管理（PDM技术）
第1章 概论 新产品开发模式与数字化设计、管理
现代制造企业生产经营模式
1、面向客户订单的精益生产（大批量生产所采用的ERP/JIT、SCM、物
流配送和零库存）；
2、快速响应市场需求的敏捷制造（单件小批生产所采用的分工协作、数
控化加工、柔性制造等）；
3、面向社会资源整合的网络化制造（可达到工序间的协作与设备资源共
享）；
4、满足顾客个性需求的大批量定制；
5、协同产品商务与电子商务（全球化协同产品设计、SCM、CRM）
第1章 概论 现代制造企业生产经营模式
市场竞争的日益激烈，迫使企业必须采用新的管理运行机制和新的商业模式，
其核心体现为电子商务（e—Business），它的核心内容如下：
（1）适应网络经济和知识经济的发展，以Internet为技术平台，创建新的企业商业
模式和整合现有的商业模式；
（2）以商务流程和业务流程再造为手段，系统化重构和改善企业的组织结构，提高
企业经营绩效；
（3）以供应链管理（SCM）和客户关系管理（CRM）为手段，重新定义和延伸制
造商与供应商和客户的关系，实现企业延伸，建立牢固的商业链，提高顾客对企业
的忠诚度；
（4）以商务流程和业务流程的整合为手段，实现对企业内部资源和外部资源的一体
化运作，将企业对价值链的关注由内部价值链扩展到外部价值链；
（5）以建立战略资源数据和广义信息整合的商业智能为工具，实现数字化的经营决
策。
第1章 概论 .1 现代制造企业生产经营模式
E—Commerce
电子商务
1995—2000
信息技术应用
1995年以前
C—Commerce
协同商务
2000—2005
企业
传统的贸易合作伙伴
计算机协同网络化市场
用户的生产率 电子商务交易 协同知识交流
连
接
模
式
应用模式
图 1. 3 电子商务向协同商务的发展过程
制造企业生产经营的核心是产品，对制造业而言，以Internet为平台的协同商务（C—
Commerce）是电子商务的高级形式，它包括电子商务和协同产品商务（CPC——
Collaborative Product Commerce）两部分，其发展过程如图所示。电子商务（E—
Commerce）与协同商务的比较如下：
电子商务（E—Commerce）
PLM
第1章 概论 .1 现代制造企业生产经营模式
经营费用受到控制 增加了机遇
产品目录 丰富的信息财富
事先联系好的贸易合作伙伴 计算机协同网络化市场
购买、销售、拍卖 协同商务过程
交换汇票（Exchange ） 交换开发思想和知识资本
Competitiveness=Margin利润X Market Share市场份额X Market Size市场的大小
E—Commerce
电子商务
C—Commerce
协同商务
CAD/CAE/CAM DMU/PDM PLM
图1. 4 通过电子商务与协同商务的整合，提升企业竞争力
第1章 概论 .1 现代制造企业生产经营模式
制造业电子商务应用成功案例1：美国福特汽车公司应用网络技术，完成票据审
核流程，由原来的2周缩短为2小时，处理人员由500人减少到150人。而福特投资
800万美元开发的知识管理系统，运行后的第一年为公司节约的运营成本就达
亿美元。福特通过Convensent电子商务平台实施供应链管理和全球网络化采购，
每年降低采购成本约20%，约400亿美元。
制造业电子商务应用成功案例2：海尔在网上交易中，采购行为增强了竞争力，
导致价格下降，另一方面买卖双方之间的谈判被大幅度减少，节省了这部分成本。
现在海尔物流每年的采购额超过了200亿元，来自近1000多个供应商，全部是网
上招标完成的，得到真正价廉物美的产品。海尔在全国有42个配送中心，每天配
送的产品超过5万件，配送到1550个海尔专买店、9000多个营销点。所有配送都
是通过信息系统指令进行，到货及时率由95%提高到98%，实现了对用户的零距
离服务。
商业零售企业电子商务成功案例3：全球500强之首——沃尔玛成功的核心，就是
建立世界上最先进的信息管理系统、卫星定位系统和电视调度系统，并同休斯公
司合作，发射了专用卫星，用于全球店铺的信息传送与运输车辆的全球定位及联
络。全球4000多个店铺的销售、订货、库存情况，可以随时调出查阅和分析。
核心企业的数字样机开发
CPC平台上的协同开发信息交流
主机厂夹、模具开发
供应商参与开发
供应商1 供应商2
零部件协同制造
市场产品需求定义
装配制造
零部件协同开发
市场销售
协同产品商务平台
第1章 概论 .2 现代新产品开发模式
维 护
装 配
布置设
计
加 工
工模具
电器设计
生产设计
设计阶段预分析
机构分析
造型设计
从概念设计
到产品的应用
概念设计
CAD/CAE/CAM CAD/CAE/CAM 应应 用用 在在 产产 品品 开开 发发 的的 全全 过过 程程
三维设计
电子样车(件)
智能化软件
处理复杂的3D模
型
. 进行局部优化
支持产品开发的 “可视性”
和同步工程环境 / 虚拟产品
加速产品的合成和流程的优化
虚拟的数字化车间
企业内部经验知识的累积和分享
数字化企业
虚拟数字化产品
和生产流程
数数 字字 化化 企企 业业
提高图纸的修改，编辑
和交互能力
设计数字化技术提升产品开发技术的变革
阶段 1 阶段 2
设计工作的优化 开发流程的优化
二维制图
第1章 概论 .3 新产品开发中的数字化设计与管理技术
在三维CAD技术基础上发展起来的产品设计综合技术
DMU
数字样机
三维主模型
仿真评价
人机工程与工
业设计
过程数据管理
三维公差设计
KBE知识工程驱
动的设计
1) 在组织形式上，DMU是由从事产品设计、分析、仿真、成本、质量、市场等多方面合作和协同工作
的各种人员所组成。他们通过互联网建立“虚拟”的产品开发团队，将设计人员、工艺人员、分析专家、
质量控制、供应商及客户代表联成一体，不用管他们所处何地，都可实现异地协同开发。DMU是用数
字方式确定工作任务，再用数字方式在各部门、各地点、各分公司、各地区以及企业的联盟者之间进行
任务分派和过程控制。
2) DMU的应用过程是用数字形式“虚拟地”创造新产品，并在制造实物原型之前由企业在计算机中对
产品的形式、配合和功能进行评审，完成新产品的设计。
3) 在DMU环境中的产品实际上是一种数字模型，因此可以对它进行观察、分析、通讯和及时更新，这
样使产品开发的方方面面，包括设计、分析、可制造性、可维护性、可销售性等，都能够在异地配合和
协同地进行。
4) DMU可以使大家同时在同一个产品模型上工作，因而可以减少大量不必要的不增值时间，减少或避
免与产品开发过程有关的一些具体事务(例如反复制作实物原型，并对原型进行手工试验及分析)上所投
入的时间和费用，同时还能及早地发现和解决问题，例如美国克莱斯勒公司用编写的“克莱斯勒数据观
察仪”(CDV)软件在’98型汽车模型上发现了1500多处零部件干涉，并在制作第一个原型之前进行调整，
结果避免了大量的时间浪费，并节省了开发费用。
5) DMU建立的数字化产品模型与实物模型相比，更有利于企业之间的异地通讯与协作，这一点对加速
新产品的工程设计过程来说是极为重要的，这样可以使每一位参与产品设计的人员在他们需要有关信息
的时候能及时获得所需要的信息。
第1章 概论 .3 新产品开发中的数字化设计与管理技术
第1章 概论 .3 新产品开发中的数字化设计与管理技术
协同产品商务平台（互联网及数据仓库平台）
PDM（产品数据管理）
战略资源数据管理系统、
KBE、NETPART等
CAD/CAE/CAM，逆向工程、工业设计、快速原型、人机
工程、CAT等支撑系统
JSP应用服务和协同设计工具
本地和异地的各种使用人员
DMU各应用系统
图1. 6 网络化环境下的产品设计支持技术的体系结构
第1章 概论
产品数字化设计与生命周期管理的内涵和学科体系
产品数字化设计与管理技术的内涵
从新产品设计的过程与方法看：
1）新产品设计过程是一种有计划、有目的、有组织的创造性活动。设计者的
任务就是运用自然科学知识和法则去创造物质文明，它几乎涉及到人类生活、生
产的全部方面。
2）新产品设计是一种创造性的人类智力活动，设计的全过程需要设计师提出
各种不同的构思和设想，灵活应用领域知识、工程经验和专门技术，处理用户需
求、实现技术、经济指标和环保等一系列复杂问题，最终达到满足市场预测的目
标产品上市的要求。
3）新产品设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。设计流程就是输入信
息——处理加工——综合——判断、决策——输出信息，寻求满足设计目标的原
理、方案、参数、结构等不断优化的过程。设计过程也是一个信息综合、反馈
（或迭代）、交流的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间的相互制约，
使得产品设计过程十分复杂，欲达到的设计目标虽经优化，但也只能综合、权衡
各方面的利弊因素取得相对满意的结果。
第1章 概论
产品数字化设计与管理技术的内涵
新产品设计支持技术的内涵可以从以下两个方面来说明：
1）新产品设计支持技术是多学科与工程技术交叉融合的产物。就目前产品设计支持技术所涉及的理
论、方法和技术的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计、计算机辅助工程分析
与数字仿真技术、虚拟测试技术、新产品开发业务流程再造与协同控制、网络和通信技术、价值工程、
质量功能配置（QFD）、产品数据管理（PDM）技术、逆向工程与快速原型技术、虚拟设计与制造技
术等多技术学科的交叉与融合。而其中每一个具体的设计支持技术，同样也是若干学科的交叉与融合。
例如，计算机辅助设计技术可以看作是三维数学建模、工程图学与计算机软件技术的有机结合；而计算
机辅助工程分析，则是工程力学（理论力学、材料力学、塑性力学、弹性力学、断裂力学、计算力学等
2）、有限元理论、计算数学、疲劳理论、可靠性理论等与计算机软件技术的有机结合而成。在这个产
品设计支持技术群体各学科之间既相对独立又相互联系、相互渗透。根据设计对象和任务的不同，以及
设计过程中各阶段特点，采用其中某些相适宜的、有效的方法和技术，去解决整个产品设计中的总体及
各个具体的问题。
3）以信息技术为依托的现代产品设计支持技术，是传统设计技术与信息技术结合的产物，是对传统设
计技术的继承、延伸和提高，并在一定的时间和一定的对象中它们共存于一体。例如，传统的运动学、
动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计支持技术的数学建模及许多分支学
科（如可靠性设计、疲劳设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代产品设计支持技术是在吸收了传
统设计技术的核心思想、观点和方法的精华而发展起来的，如：并行协同设计、虚拟设计、面向装配的
设计、面向制造的设计、面向成本的设计和面向质量的设计等设计验证技术。因此，我们在论述现代产
品设计支持技术的时候，不能将现代产品设计支持技术与传统的设计技术割裂开来，片面夸大支持技术
的作用，而应将它们看成是一个整体的不同方面，它们是不可分割的。
大批量产品设计开发过程及特点
产品总体性能定义
由主体企业开发部门分解零
部件性能指标与目标任务
协同设计与试制后产品的实际性能指标
协同设计、样
件试制、样机
试验后各零部
件总成的实际
性能指标合成
主、配套企业间的网络
化虚拟协同设计与制造
美国福特汽车公司基于C3P信息技术平台的新产品开发模式
用户需求分析和目标产品定义
动力总成系统
底盘系统
覆盖件总成
制动总成
电气分总成
零部件
设计过程
中各零部
件/总成的
性能指标
分解
动力总成系统
底盘系统
覆盖件总成
效果评价：实际效果与用户满意度
制动总成
电气分总成
零部件
整车总体性能指标 整车实际性能指标
美国福特汽车公司新产品V型开发模式
包括耐久性、安全、动
态特性、NVH、油耗等
14个整车技术性能指标
开发流
程定义
设计数
据管理
PDM
整车
系统
分系统
零部件
订单型产品设计制造过程特点
方案设计
投标报价
技术设计
施工设计
工艺设计
工装设计
生产准备
零部件制造 装配/拆卸
客户订单合
同
中标合
同
顾客
产品方案设计阶段 产品设计、工艺设计阶段 生产、发运、售后服务阶段
方案设
计文档
合同评审
修改意见
技术设计、
装配图
明细表
零件图
说明书
工艺路线、
装配工艺、机加
工艺、铸锻工艺
工装设计图等
产品和工装
物料需求
产品销售技术
档案、售后服务
技术文件等
在产品的设计过程中，需
要有项目进度计划的制定、
执行过程的管理，并会产
生大量的管理文档和各类
技术文档（电子的和纸质
的），需要有效的手段进
行存储和管理。
在产品的制
造和销售过
程中，会产
生大量与技
术相关的生
产数据、售
后服务数据，
需要有效管
理。
产品的设计制造是按
合同项目进行组织，
因此，在同一时间内
有多个合同项目在执
行，是一种多项目组
批生产模式。
某集团公司技术准备、生产准备计划流程
客户订单 销售
合同
工艺路线表
工艺所
制造部计划科
锻压分厂
图纸和
明细表
采购部
技术准备计划
设计院
装配工艺
机加工艺
铸造分厂重机分厂 工具分厂 涂装分厂
热工工艺/工装设计
专用工装明细原辅材料需
求明细汇总
原辅材料
采购计划
与进出物
资台帐
发出采
购订单
供应商
技术准备计划执行反馈
技术准备计划执行反馈
技术、
生产
准备
计划
执行
反馈
采购物
资台帐
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
1）新产品设计业务流程再造与流程管理技术
产品设计业务流程的顺畅和开发项目计划制订的合理性与科学性，将直接影响
新产品设计的成功与否。传统的产品设计流程是一个串行的作业流程，在串行作业
模式下，产品设计各阶段工作只能按部就班，前一阶段工作完成后，下一阶段的工
作才能开始，各阶段工作只考虑自己的问题，而很少主动考虑上、下游相关阶段的
设计问题，使设计过程中各阶段的联系松散，出现的问题不能及时反馈并得到解决，
各专业技术人员协调困难，导致总体效率低下，产品质量得不到有效的控制和保证，
制约了新产品的快速开发与提早上市。
新产品设计业务流程再造（BPR），是以并行工程原理为指导，在信息技术支
持下，从产品开发的组织结构、运行管理模式入手，采用现代CAX/DFX/PDM技术，
将传统的串行工作模式变为并行协同的工作模式，并采用项目管理方式，将参与产
品设计、工艺工装设计、样机试制及技术管理的各种工程技术人员有机地集成为一
个多功能项目组（或团队），使产品设计全过程不再是彼此分离的环节，而是一个
有机的整体，产品设计的所有问题都在团队内部解决，从而使团队内各成员间的协
调工作变得更容易，使并行协同工作得以实现，并在各种使能技术支持下，团队成
员能高效率地完成新产品设计中的所有工作。
实施并行工程再造业务流程
市场分析 方案设计 结构设计 零件设计 工艺设计 零件制造 产品装配 产品试验 批量生产
串行作业方式方案设计
结构设计
零件设计
工艺设计
零件制造
产品装配
产品试验
批量生产
缩短开发周期
开发时间
采用CAX/DFX/PDM技术，
把错误消灭在设计阶段
大循环
小循环
并行协同
多功能团队讨论
多功能团队的组织结构形式
市场部门 设计部门 工艺部门 试制部门 生产车间
项目组1
项目组2
项目组3
项目组N
矩阵式多功能团队的组建方式
原有组织机构
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
2）新产品策划阶段的数字化技术 新产品策划是整个产品开发过程的首要环节，
它包括：市场需求分析、用户需求与目标产品的功能转化、新产品概念定义、新
产品开发计划制订及新产品的目标成本体系等。新产品策划阶段的数字化技术有：
市场调查与量表设计技术、调查数据的统计分析技术、战略情报分析、市场预测
与分析、用于市场预测的虚拟现实技术（如动画仿真）、QFD用户需求转换技术、
技术经济分析技术，新产品概念评价技术等。
新产品规划和策划业务流程及数字化技术应用
6. Targets6..技术竞争力评估
4. Inter-
relationships
3.顾客需求和技术需求
之间的关系
4.顾客
竞争性
评估
1.
顾客
需求
项目
3. Technical
Requirements
2.技术需求项目
5. Roof
5.技术需求
相关关系
顾客需求转换结果
目标新产品的
工程技术特性
（新产品概念生成）
概念的选择和评价
目标顾客
经销商
维修人员
设计专家
顾客需求详细调查
通过战略规划锁
定的目标市场与
目标产品
多维顾客需
求转换模型
生成多个新产品概念方案
新产品开发
项目建议书和
（项目前计划）
新产品开发
设计开始
企业决策层审批
通过
开发新产品
的概念从哪
里来？
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
3）新产品概念设计阶段的数字化技术 新产品概念设计阶段包括：原理设计、总
体布局设计、工业设计、人机工程设计、整机初步性能仿真分析、先期质量计划、
技术经济分析与成本控制方针、初步结构配置、供应商选择、概念产品制作、产
品概念设计评价等。可采用的数字化设计技术有：CAID——计算机辅助工业设计、
CAD——计算机辅助设计、CAE——计算机辅助工程、KBE——基于知识的工程、
CAM——计算机辅助制造（概念产品制作）、可视化协同设计工具（如VisView）
和PDM技术等。
产品概念设计阶段的逆向工程技术应用
基于逆向工程的产品数字化设计
•产品及零部件实物表面数据的采集（点云数据）
•采用逆向工程软件处理点云数据，得到初步的
三维曲面模型
•再通过三维CAD软件进行工程设计，得到正确
的设计结果
•设计结果的仿真验算与优化设计
•向工艺/工装设计提供三维数据
通过激光扫描方法得到汽
车仪表板的点云数据，再用逆
向工程软件处理得到三维模型。
产品概念设计阶段的人机工程分析与工业设计
汽车产品概念设计中的人机界面设计 整车总布置设计中的人机工程学评价
CAID技术在数字样机开发中的应用
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
4）新产品工程化设计阶段的数字化技术 新产品的工程化设计阶段包括：总体结
构设计、零部件设计、装配设计，零部件及整机的工程分析与运行仿真，工艺性
评估等。新产品设计阶段的数字化技术有：CAD/CAE、CAT——计算机辅助试
验、DFX——（面向装配的设计、面向制造的设计、面向质量的设计、面向成本
的设计、面向环保的设计等）、逆向工程技术、快速原型技术、KBE、CBD——
基于实例的设计、基于GT的相似设计、PDM、供应商信息管理等。
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
5）新产品设计阶段的工艺验证数字化技术 新产品设计阶段的工艺验证包括
装配、检验、零部件制造的工艺性验证，其目的是保证所设计的新产品有良好的
可制造性。其数字化技术有：GT——成组技术、工艺过程数字仿真技术（如冲压
仿真、铸造工艺仿真、注塑工艺仿真、锻造工艺仿真、装配仿真、生产线物流仿
真等）、制造资源数据库、工艺知识库、工艺决策支持系统、工艺技术信息管理
等。
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
6）零部件及样机试制阶段的数字化技术 新产品的零部件及样机试制，多为单
件小批试制，为了提高样件试制质量和效率，采用的数字化技术有：数控加工技
术、数控加工过程仿真、快速原型制造技术等。
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
7）零部件及产品制造阶段的数字化技术 新产品的零部件加工及整机装配，根
据生产批量的不同而采用不同的生产组织形式与设备，如单件小批生产，采用工
序集中的机群式方式，大批大量生产采用工序分散的流水线作业形式。
采用数字化工厂技术，可对产品及零部件的正式生产过程，预先进行仿真和
生产节拍、工艺路线、车间物流系统等参数的计算、生产计划安排的可行性评估，
保证产品投产后的均衡生产。
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
7）新产品销售中的数字化技术 当新产品开发完成并推向市场试销时，仍需提
供技术支持，如新产品的远程故障诊断、可视化的拆装显示技术、电子维修手册、
质量反馈信息收集、备品备件供应链管理、客户关系管理技术等。
数字化维修
第1章 概论
新产品数字化设计与管理技术的学科构成
信息技术 传统设计/工艺技术
业 务 流 程 再 造 与 过 程 管 理 技 术
(BPR/PDM)
新
产
品
策
划
数
字
化
技
术
新
产
品
概
念
设
计
数
字
化
新
产
品
工
程
设
计
数
字
化
新
产
品
工
艺
验
证
数
字
化
新
产
品
试
制
数
字
化
技
术
新
产
品
试
销
数
字
化
技
术
新产品设计各领域及应用技术
图 新产品数字化设计与管理技术学科结构
计算机硬、软件技术
网络、通信技术
电子商务平台
工程数据库管理平台
相关学科与支撑技术
产品现代设计方法与技
术
产品工艺设计技术
零部件及整机制造技术
材料科学与技术
产品试验与质量保证技
术
相关学科与支撑技术
第1章 概论
新产品数字化设计与生命周期管理的应用和发展趋势
在全球经济一体化的浪潮中，国内制造业的CAX技术应用，已从“九五”的
甩图板工程，迅速向三维设计技术发展。国内有代表性的制造企业，如航空航天、
汽车摩托车、机械、仪器仪表、家电等，已开始投入巨资引进先进的三维CAX技
术，来改造原来的二维辅助设计系统。在新产品设计中广泛采用三维实体、曲面、
实体/曲面混合建模技术，建立零部件的三维数字化模型，并逐步向全数字样机
DMU方向发展；CAE技术的应用也从关键零部件的强度、刚度、模态分析，向整
机的工作原理仿真和性能评估分析发展；在CAE的分析方法中，结合许多领域专
业知识，形成了专业化的CAE分析评估系统，如汽车产品开发中的发动机燃烧性
能分析、NVH分析、悬架分析、整车的动力响应分析，冷却系统的流场、温度场、
应力场的多场偶合作用分析等。CAM技术的应用已从简单的零件、工模具的辅助
制造，向复杂曲面零件、大型复杂模具三维型面的NC加工、加工过程仿真发展，
DNC技术已得到普及，现代CAM技术为新产品的试制、工艺工装制造提供了先进
的数字化加工手段。
三维设计
电子样车(件)
智能化软件
处理复杂的3D模
型
. 进行局部优化
支持产品开发的 “可视性”
和同步工程环境 / 虚拟产品
加速产品的合成和流程的优化
虚拟的数字化车间
企业内部经验知识的累积和分享
数字化企业
虚拟数字化产品
和生产流程
数 字 化 企 业
提高图纸的修改，编辑
和交换能力
面向数字样机开发的CAX技术应用与发展趋势
阶段 1 阶段 2
设计工作的优化 开发流程的优化
二维制图
一般企业处于零部件级别的三维建模
销的受力分析（strength
analysis）模型
少数企业已开始进入数字样机设计阶段
左转向拉杆与转向节处球铰运动分析曲线 前轮转向及跳动时动态距离分析
前后轮跳动包络面分析 前轮转动包络（Trace）面分析
第1章 概论
面向数字样机开发的PDM技术应用与发展趋势
产品战略规划 新产品概念设计 产品工程化设计 工艺工装设计 样车试制 样车试验 批量生产 销售
传统PDM管理范围
PLM管理范围
市场调查、
需求分析、
产品规划
市场调查、
需求转换、
目标产品定
义、
（项目管理、配置管理、文档管理、变更管理、系统工具）
需求管理 （项目管理、配置管理、文档管理、变更管理、系统工具）供应链管理
客户关
系管理知识管理
制造与销售过程新产品战略定义过程 新产品设计过程
客户订
单与销
售
与ERP系统
接口
PDM关注企业内部协同设计
过程和设计数据管理
PLM既关注企业内部、也关注企业间的协
同设计过程和设计数据管理
产品生命周期
第1章 概论
DFX及数字仿真技术的应用与发展趋势
为了更有效地缩短新产品开发的周期，面向装配、面向工艺、面向制
造、面向质量、面向成本等一系列的设计评估技术（DFX技术）和数字仿
真技术得到了迅速的发展和应用。DFX技术就是在数字样机模型建立的同
时，通过知识工程（KBE）、数字仿真方法，对数字样机进行可装配性、
可制造的工艺性、目标成本的可控制性、设计质量的保证性等产品的技术
经济性能进行评估，把产品开发各阶段的缺陷和价值链上不增值的环节，
尽可能地消灭在产品早期的设计阶段，从而可以避免大量的设计制造返工
和废品，提高产品开发质量和效率。例如，在大型复杂车身覆盖件的设计
/制造中，冲压仿真技术就是一种DFX技术。采用冲压仿真技术，可显式
地看到覆盖件在冲压模具的压力作用下，由平板材料变为成型零件的整个
薄板材料变形过程，通过调整冲压工艺、模具、压机的参数，不断完善覆
盖件结构设计和成型工艺方案，最终可得到覆盖件模具的设计参数，最大
程度地保证覆盖件产品和模具开发的一次成功。
整车和零部件装配的干涉检查
在前驱总成的三维虚拟装配模型中做干涉检查 车架装配设计中发现的一个简单干涉
车架总成的一个简单干涉分析模型
整车装配间隙(Clearance)分析模型
虚拟样车装配设计向导二次开发界面
JS400ATV四轮摩托车的装配设计向导主界面
第1章 概论
逆向工程和快速原型技术的应用与发展趋势
随着快速原型技术的迅速发展和逐步普及，逆向工程技术也得到了相当快速的
发展。目前，国内许多制造企业把逆向工程技术作为对引进国外产品消化吸收的重
要手段而得到推广应用。然而，逆向工程技术的主要作用除了消化吸收别人的设计
外，它的另一大作用是在新产品概念模型设计与制作完成后（实物模型），通过三
维测量和反求，在计算机中重构被测量模型的三维实体数学模型（如从汽车的油泥
模型到三维数字化主模型），从而建立概念产品的数字化主模型，以便于进行后期
产品的三维结构设计。因此，逆向工程技术的发展方向可体现在如下方面：
几何反求：基于实物三维扫描或三维成像测量技术的几何反求与三维重构；基于特征值提
取测量方法的几何反求与三维重构技术。
原理反求：通过拓延、遗传算法、CAE仿真和优化迭代，以产品功能和性能特征为核心的
原理反求技术。
工艺反求：根据已有零部件制造特征进行工艺反求，以建立零部件的三维工艺模型。
反求与三维重构评价技术：集中在评价标准、评价体系和评价方法与技术手段上。
第1章 概论
PDM技术的应用与发展趋势
PDM（产品数据管理）是管理新产品整个开发过程和所有技术数据的
总称，它以项目管理为核心，对产品开发的业务流程（任务分解、项目进
度计划、物流计划等）进行协同控制和流程数据管理；另一方面它以产品
结构配置（BOM）为核心，对与产品设计制造相关的零部件设计信息、工
艺信息、制造信息、工程更改信息、图档信息、零部件汇总信息、销售技
术信息、客户需求信息等进行有效的管理。PDM技术已在国外的先进制造
企业得到了广泛应用，如美国波音公司777飞机的无纸化设计制造就采用
了PDM技术、福特汽车公司“福特2000计划”实施的全球产品开发C3P技
术，也通过PDM技术来管理遍布全球的新车开发海量数据。国内的制造企
业近年来也在积极实施PDM/PLM技术，目前许多企业已开始从部门级的
PDM应用向企业级PLM应用发展，逐步实现与国际接轨。
产品生命周期管理与PDM/PLM的联系
新产品战略
规划与策划
新产品概念
设计
新产品详细
设计
工艺/工装
设计/生产
准备
产品生产与
制造
销售与售后
服务
战略管理
产品数据管理（PDM）
供应链管理（SCM）
企业资源计划（ERP）
客户关系管理（CRM）
财务管理/质量管理/及上述各系统的集成（PLM）
CRM
第1章 概论
协同商务时代的产品数字化设计与管理技术发展趋势
主机厂、供应商在新产品开发过程中面向产品生命周期管理的协同控制与管理技术（PLM）；
基于EXTRANET的企业与企业间可视化DMU技术；
基于“中性”数据格式（如JT）的网上三维零部件库（NETPART）与虚拟装配设计技术；
基于EXTRANET的产品数据通信、数据一致性保证、整机及零部件版本控制、数据安全保
障、网上可视化三维动态图形浏览技术；
基于EXTRANET的产品虚拟装配过程仿真、性能仿真和评估技术；
基于INTERNET的配套件及原材料供应链管理；
基于INTERNET的网络化设计知识库和设计支持专业网站的建立等；
基于J2EE和WEB的网络化协同市场需求分析、潜在用户需求转换、新产品概念生成与评价
技术
支持客户关系管理的远程在线技术支持和售后服务的数字化技术。
第1章 概论
产品数字化设计与生命周期管理对国民经济的重要作用
1、产品数字化设计与管理技术是制造业发展的主要技术支撑
2、产品数字化设计与管理技术是高新技术发展和应用的重要领域
3、产品数字化设计与管理技术是提高企业竞争力的重要技术支撑
4、产品数字化设计与管理技术是满足人类不断增长物质需求的主要技术
支撑
当今的产品功能越来越多，结构也越来越复杂，开发周期越来越短，机、电、
液、信息、通信、自动控制、人工智能等高新技术在新产品中的大量应用，增加
了新产品开发的难度和投入，可以说当今的新产品开发离开了先进数字化手段的
支撑是难以实现的。波音公司777飞机的无纸设计/制造、福特公司的C3P汽车开发
新技术、克莱斯勒公司的平台制数字样车开发、通用汽车公司的协同产品商务等
新的产品开发模式和技术，都是现代制造业采用先进产品数字化设计与管理技术
取得的成果，并对全球制造业的发展和新产品开发产生了深远影响。
推行并行工程，缩短开发
周期
实现 3D设计，迈向电子样
车
发掘独特市场，一平台多型
号
大众汽车 VW- AO 级平台上开发的
车型
VW Golf
Cabrio
VW Bora
VW Beetle
Audi A3
Audi TT
Audi TT
Cabrio
Skoda
Octavia Seat
Toledo
追求品牌路线，不断创新产
品
Suzuki MR Wagon Honda FCX
Daihatus AT 7
对制造业新产品开发的重要作用
对新产品生产线规划设计的重要作用
汽车焊接生产线仿真
汽车装配、
维修仿真
通过CAPE技术实现数字化工厂
对供应链与第三方物流产业的重要作用
库
存
出
库
订单
零部件订单
订单
一级供应商
一级供应
商
供应商
库
存
二级供应商
或生产企业
入
库发运 总
装
车
间
分
销
商
分
销
商
公司总部销售公司：
订单、销售、库存、
配送、结算等信息
的及时获取与发布
以互联网传递销售、生
产、采购信息，信息传
递快捷、准确。
顾客订单
中
储
顾
客
销售
发运
物流配送
成品入库
对大规模定制与电子商务的重要作用
产品配置与配批计算
生成主生产计划
Suzuki MR Wagon
A客户
A地区
Honda FCX
B客户
B地区.
Daihatus AT 7
C客户
C地区.
INTERNET
订单
供应商
物料需求计划
发运及配送
销售
从客户订货到交货
从原来的3周 2周
（从订单到订单的技术和商务协同过程）
/
产品开发信息系统延伸到电子商务
工程部门工程部门
◆◆企业各部门
◆◆市场市场
◆◆车间车间
◆◆发货发货
◆◆采购采购
◆◆销售销售
◆◆服务服务
◆◆广义企业各部门
◆◆供应商供应商
◆◆合作伙伴合作伙伴
◆◆代销商代销商
◆◆展销厅展销厅
◆◆客户客户
◆◆维修点维修点
PDM
协同
商务
INTERNET/INTRANET网络/数据库平台
电子商务平台
外购件库
原料库
成品库
产品协同开发平台
（PDM/PLM）
协同
设计
客户
定制
设计
虚拟数字样机
BOM NC
生产线、生产车间
工艺
ERP
物
料
清
单
B
O
M
主
生
产
计
划
物
料
需
求
计
划
车
间
作
业
计
划
能
力
需
求
计
划
财
务
管
理
CRMSCM
销售自动化
营销管理
服务管理
采购/供应管理
仓库管理
供应商关系管理
汽车集团
供应商
客户
客户
客户
Call
center
Web
eMail
面对面
产品
服务
订单
需求
数字化设计与管理系统建设后的运行模式
物 流
信息流
资金流
重庆大学机械工程学院
Q & A ！
电 话：023—65103556
手 机：13908370166
Email: cquguogang@
mailto:t@
