三维参数化造型及---设计

三维参数化造型及设计三维参数化造型及设计第一讲产品创新设计与CAD的应用一、从设计说起1、设计的概念设计是人类的一种重要创造活动，而且任何人类的创造活动必然包含设计。我们把根据功能要求，按步骤地、创造性地求解总体功能的各个解决方案的过程定义为设计。设计也是一种描述子功能和它们组装成整体功能的过程。2、设计的重要性决定一个产品在市场上成功与否的产品总体特征和产品特性都是在设计中确定的。设计是产品形成过程中所有后续工作的出发点。设计的结果，即产品的几何和技术特征是以工程图样、零件明细表、几何模型等诸如此类形式的文档表达并提供给后续部门。因此设计，亦即产品形态的确定在产品形成过程中占有核心的地位，同时作为信息源也具有特别重要的意义。3、设计对人的要求设计者要有理论知识，又要熟悉车间和加工设备。要充当科学认识与实际制造的调解人。对于工程师的培养来说，尽可能早地参与设计实践具有重要意义。设计创造要求一系列的能力，如：想像能力，推理、联想能力，逻辑思维能力，专心致志能力，良好的记忆，认真细致的工作态度，责任感，决断力，坚韧不拔的毅力以及对美学的敏感性。设计创造性活动不仅是一种目标明确的智力活动，而且还要求创造力及直觉的灵感。4、设计过程的计划对于开发技术产品来说，有计划的行动在设计时可能是很有益的。设计过程可以通过设计方法学系统地、透明地、高效地形成。设计方法学把操作指南提供给技术系统的开发和设计者，其目的是为了系统地制定设计方案。它考虑了设计科学、心理学知识以及在应用中得到的经验。有计划的工作方式是通过把设计过程分解成一个接一个的顺序段，即设计阶段来实现的。5、设计过程的划分（1）根据设计方法学的观点，设计过程可以划分为“规划”、“方案设计”、“结构设计”、“施工设计”四个设计阶段。各设计阶段又可划分为若干个设计步骤。这些阶段和步骤的划分意味着设计从抽象到具体；从定性到定量；从全局到局部；从系统的上层结构到下层结构。可将设计过程概括描述如图1-1所示。任务需求分析与可行性论证制定设计任务书构造设计模型确定功能结构确定设计方案结构草图设计产品总体设计拟定制造使用说明后续的工作各步骤的一次或多次循环任务规划阶段方案设计阶段结构设计阶段施工设计阶段（2）深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为：(a)功能设计确定产品功能和结构之间的对应关系。(b)布局设计完成技术实体部分(零部件)的排列组合。(c)参数设计定义零部件的几何形状及尺寸参数。(d)公差设计制定形状、位置及尺寸精度。可见，设计任务不同，设计变量亦不同。（3）针对整个设计过程中，各设计任务所占的比重又将设计划分为如下设计类型：(a)新设计这是一种从无到有的开发性设计。或者从概念设计、功能设计开始，或者重新排列组合现有的、或新的零部件来达到设计目的。新设计需要创造性的思维。(b)适应性设计其特点是保持总体布局不变，修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。(c)参数化设计其特点是功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，产生系列化的设计结果。据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。由于适应性设计和参数化设计的比例很高，所以使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现CAD是非常必要的。二、关于现代设计方法设计的思想和方法一方面不断地影响着人类的生活与生产，推动社会进步，另一方面又受社会发展的反作用，不断变化和更新。为了反映设计思想和方法随社会发展的变化，人们通常用“传统设计”和“现代设计”这两个术语。CAD/CAE的应用设计方法的发展如创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、可靠性设计、优化设计、人机工程学设计、绿色设计、稳健设计、并行设计、模糊设计、智能设计和反求设计等等。三、创新设计理论作为机电工程技术方面的高级专业人才，无论具体从事哪项工作，都会以不同的方式不同程度地涉及到产品设计与创新。在现在市场激烈竞争的情况下，没有优秀的产品设计和创新是难以在竞争中取胜的。机械创新设计的参考书：《机械创新设计》张春林主编机械工业出版社《机械创新设计》黄纯颖主编高等教育出版社1、概述创新是设计的本质，也是设计活动的最终指标。产品创新是为企业利益服务的。除掉技术上的创新，当然还可以有管理上的创新，销售上的创新，售后服务上的创新等等。技术上的创新有两类：第一类是原始性创新。是原理上的改变，是从无到有的创新，如科技发明；第二类是积累性创新。是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求，创新性的设计属于其中。也就是个性化的产品。2、创新及其设计思维创造性思维具有两种形式：直觉思维与逻辑思维。直觉思维是一种在下意识状态下，对事物内在复杂关系突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降临的色彩。逻辑推理型创造思维方式是人们根据所提出的创造目标，进行逻辑推理式的思维，把目标展开、分解和综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终整体解，用主动的可按部就班的工作方式向目标逼近。实际上，大量的创造过程是这两种思维方式交叉和综合的结果。（1）创新思维法则创造学建立了促发创造思维的一些法则，作为外部因素的有：•（a）激发创造激情•（b）增强信息获取方式•（c）促进知识融合了解创造思维内在的特点，在创造过程中主动加以运用，是促进创造思维的重要内部因素。在技术性的创新设计中，常用的有如下几种思维形式：（a）分析与综合思维分析与综合是一个逻辑性很强的思维过程。•面对所提出的创造对象、任务或设想，首先需要进行分析。•综合是分析的反向过程，在求得各子问题的解之后，必须通过建立联结，构成总体，实现最终需要的总体功能。•分析与综合是最基本的创新思维过程，由它们构成一个创造过程的思维框架。（b）收敛与发散式思维•创造意味着寻求一个解，我们可以先确定一个原始解，它可以是一个完全满足所提要求的理想系统，然后以它为目标，寻求凡是想得出或可能的，通向这个目标的途径。由于条条思维途径都指向一个收敛目标，所以这种创造思维称为收敛式思维。•以一个原始解为出发点，去寻找更多更好的解。这种创造思维称为发散式思维，由原始解出发辐射出多根思维射线，其终点常常是一些创新解。•将创造原点抽象化，然后用收敛或发散的思维模式求解，是一种十分有效的创造思维法则。（c）对应与联想式思维•科技史上很多发明创造都是对应联想的产物。人们看到鸟在天上飞，联想到人也装上翅膀飞；看到鱼在水中游，联想到人也能在水中游，为此不断地创造，终于发明了飞机和潜艇。直到今天，对应联想法则依然是创造思维的重要法则。对应是指作为类比的对象，它距离人们常规的思维范畴越远，越容易激发新思路，实现创新与发明。联想把类比对象的某些特征引导到现实的创造任务中。（d）离散与组合式思维•很多事物将其分解意味着创新。也有很多事物，彼此组合意味着创新。在科技发明创造中充满这类实例:眼镜片与镜架分离，设计出隐形眼镜；电话听筒与主机分离，成为子母式电话机。但是相反，电视与电话组合，成为可视电话。所以，分解与组合是对立统一的思维，很多场合，分解是为了组合，为了形成最佳组合，首先应将对象分解。（e）换元与移植式思维•客观事物都有内在的运动规律，有很多规律表现的因素不同，但规律相同，数学很好地反映了这一点。三大数学物理方程并没有针对特定的物理量，但却在振动、热传导、液体动力学不同领域得到应用。方程中的x、y、z可以用不同的物理元代入，解决不同的问题。这种思维方法转移到创造学中，成为换元法则。如：气动刹车装置的发明，就是采用移植式的思维方式，从挖隧道时。驱动风钻的压缩空气使用橡胶管输送得到的启发。（2）创新工作方法通过组织学手段可以帮助创新思维的展开，为此人们创造出很多工作方法。（a）智暴法智暴法是一种让智力像山洪一样爆发的方法。它的基本思想是组织一些来自不同领域但思想活跃的人，向他们提出会议的主题，鼓励大家提出无偏见的主意，规定每个人只能补充别人的思想，不许否定或批评对方，努力构成新思想的联合。参与智暴法活动的人来源应尽量广泛，与非专业、非技术人员交往有时会得到绝妙的充实，从智暴法活动中得到的往往是原始的主意，进一步需要与专业人员分析提出的主意，建立切实可行的方案。（b）635法635法是由智暴法进一步发展而成，在宣布了活动主题后，要求参加者每次写下三个解并作提纲式的注释，然后传给邻座，后者读后再提出三个进一步解或作补充。这个活动常有6人参加，因此每个参加者的建议都经过5个人的补充或组合发展，故称635法。与智暴法相比，在635法中，一个有内容的主意将会得到系统的补充或开发，而且消除了活动领导人的影响。缺点是不够自由活泼，对积极思维有一定影响。（c）陈列法陈列法的前提条件和小组构成与智暴法相同，但参与者把自己的主意用简图加以适当的文字描述，然后把每一个人的结果像美术画廊式陈列出来，以便所有参与者交流讨论，然后形成新的想法，由参加者作进一步发展，最后进行审视、排队和补充完善，选出有成功希望的初始解或原始主意。这种方法能防止不着边际的讨论，而且特别适合结构设计的创新。（d）哥顿法哥顿法是一个用抽象类比思维方式开发创造活动的方法。会议主持人在开始时并不宣布所要讨论的具体内容，而是把问题抽象化，提交与会者讨论。例如，要研究开罐头的工具，可把问题抽象化为:“打开东西有什么办法?”采用这种方式能引导与会者无约束地进行思考，提出各种方案，最后，由主持人亮出所要解决的具体问题，从所提方案中评选适用的解。（3）人的创造力创造型人才描述精神素质一个富于创新的人必须充满创造的激情。怀疑精神不为眼前的现象所迷惑。不为前人的结论所束缚，勇于提出不同的看法,大胆设想，冲破传统。求知欲望和学习能力凡富于创造力的人都是发奋学习的人,也是具有很强学习能力的人。只有这样,才能积累创造所需的丰富知识。勇于实践创造是一个艰苦的过程，需要在实践中经历反复的实验与失败,需要具有解决实际问题的能力。群体能力在科学高度发展的今天,大多数创造活动都是群体活动,善于联合集体的智慧,具有群体工作艺术，将是创造能力的重要组成部分。表创造型人才的五个特征四、CAD的应用对于我们来说，如何用好CAD软件，使其为创新设计服务，将我们创造的结果以最快、最明确的方式表达出来是最重要的。怎样用好CAD软件，那我们要从脑说起。1、从“脑”说起（1）脑（2）人脑（3）电脑：只会作加法的机器。（4）软件：实现一些规则处理的自动化。2、关于“规则”既然提到了规则，必然引发谁确立、谁遵守的问题。搞清楚这个问题，就能恰当地确定我们自己的位置和对策，把精力用到合适的地方，以较快的速度掌握软件、更好地使用软件。实际上，许多人、在许多年的时间中都在使用CAD软件，可还是不能解决很多实际设计问题，关于规则的概念不清楚是主要原因。（1）谁确立规则是软件设计者。（2）谁执行规则是软件使用者。（3）谁解释规则不甚明确。（4）谁完善规则当然是软件开发商。（5）软件应用效果的分析比较为了能清楚地说明问题，下面用大家都熟悉的Word和AutoCAD进行比较。项目WordAutoCAD所涉及的知识范围常识比较专业软件设计者对使用的理解到位不太到位软件功能与需求的关系相当对应需要自己对应需要用户定制的部分很少很多普通人掌握的难度简单比较难现有参考书的指导作用很大很小通常的使用效果好一般表Word与AutoCAD的此较3、怎样有效地使用CAD软件（1）使用CAD的目的从二维CAD技术来说，设计总要绘图，因为一个工程师无法记住自己的设计中的全部细节，图形表达就是唯一的方法。可见，我们绘制工程图，实际上是设计思维的表达手段。究竟CAD软件会对我们的设计有什么样的辅助作用？这就要从计算机软件的基本概念和设计的过程开始讨论。（2）计算机软件和数据库所有的计算机软件都是“数据库”。计