计算机辅助设计

计算机辅助设计

东华大学研究生课程论文封面

教师填写：

得分任课教师签名

年

月日

学生填写：

姓名张莉学号2110711

专业工业设计导师林剑放

课程名称计算机辅助设计

任课教师王俊民课程学分

上课时间2012至2013学年第1学期星期五

递交时间2013年1月7日

本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本

人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论

文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为

本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人

承担。

论文作者签名：

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或钢笔填写。

计算机辅助下的产品设计开发

摘要

随着计算机技术的发展，计算机在工业设计中发挥了很大的作用。本文将从

产品开发设计的角度，阐述计算机辅助设计的产品特征，机理和方法；计算机软

件环境的功能，表现形式；以及计算机辅助设计对工业设计互动效率，能力提升

的影响作用。

关键词：计算机辅助设计产品设计开发计算机软件环境效率

在一系列计算机辅助设计、计算机辅助生产过程中,在新的数字化、可视化

设计系统运用中,企业管理、开发发生了重大的变化。原有顺序的结构系统,设

计方法将改变为并行结构,系统设计方法,包括产品部分进行设计和综合以及有

关工程、制造和支持的相关协调处理,使设计人员一开始就考虑到产品生命周期

中所有的环节,从产品开发的立项,规划设计到产品生产交付的有关质量、成

本、周期和用户要求。也就是说,在(CAD/CAM)运用中,把设计、制作、

使用材料和用户支持等有关人员组织起来,协调设计共同开发一个少修改、少出

错以及少返工的设计。通过减少设计更改减少错误而大幅度降低生产成本,而进

一步提高企业的市场竞争能力。同时由于电脑辅助设计的可视化,在交流方面,

对于设计师与用户之间的沟通尤为重要,传统的设计表现手法由于工具的约束

导致了工作方式限制,在表达与沟通之间存在着相当距离,因为不同的设计师

与不同的用户之间,其文化素养,欣赏能力,审美习惯等大相径庭,而计算机辅

助设计正是跨越这一障碍的最好途径之一。

一．计算机辅助设计的产品特征，机理和方法

1.1计算机辅助设计的产品特征，机理

计算机辅助设计与计算机技术,信息技术在制造中的应用密切相关。计算机

辅助设计的发展经历了4个阶段：第一阶段为单元自动化阶段：包括CAD,CAPP等

系统的广泛应用。此阶段的主要目标是甩掉图版，减轻设计人员繁琐的劳动，实

现局部设计自动化及管理规范化。第二阶段为信息集成阶段，通过三维实体建模,

特征建模,产品数据交换接口等技术,实现产品开发过程的信息交换,信息共享及

企业信息集成。此阶段的典型代表是CIMS的实施;第三阶段为过程集成阶段。通

过三维数字化产品(DPD),DFX技术以及PDM技术,实现各部门的协同工作和开发

过程的交叉与并行。此阶段的典型代表是并行工程和无纸制造的实现。第四阶段

是全方位集成阶段，通过网络技术，虚拟现实技术的应用，实现人机协同自动化

及企业间集成。

这4个发展阶段实质上是从计算机的单元应用到集成应用的过程，从串行工

作模式到并行工作模式的过程，从提高自动化程度到提高信息共享的过程，同时

也是从提高产品开发过程的速度到提高产品开发创新能力的过程。在现代意义

上，计算机辅助设计的概念不仅仅指产品数据模型，数值分析，仿真及其产品数

据管理。更重要的，它是一种新的产品开发概念。它突破了传统的产品设计开发

的内涵，通过对知识，信息的统一管理，实现产生高附加值产品的集成开发活动。

计算机辅助设计的设计开发是信息时代新的开发模式，以产品数据模型的数据处

理，变换，传递，共享和可视为基础，产生了很多新的现代化设计方法和管理方

法,包括变异创新，模仿创新，协同创新和自由创新。

1.2计算机辅助设计环境下的产品开发设计

1.2.1计算机辅助技术环境下的产品开发设计

产品开发设计是一个多因素、多环节循环复杂的决策过程。过去产品设计师

是从市场调研、设计研究、手绘草图、到效果图、再手工做模型,与工程师配合

完成产品的功能与外观设计。在计算机辅助技术环境下的产品设计变成了在计算

机上市场调研、数据统计，信息收集、计算机建模、计算机模拟预演,这种计算

机模型对定量描述产品外形、功能、实用性质以及各项测量等有着极其重要的作

用,进而对产品做出定性描述。用计算机模型进行测试、仿真,用数控机床、快速

成型机或三维打印机制作模型。

在计算机技术环境下,设计过程是以产品数字化模型为载体,设计师并不

会参与所有任务,而是要和其他专业人员共同协作完成。它改变了传统的串行

设计开发模式,使得很多任务能够同步、交叉进行,实时交换设计、制造、试

验的反馈信息,保证整个产品设计开发的顺利进行。

1.2.2产品开发设计不同阶段的计算机辅助技术

按照产品开发的设计过程,设计师的工作大体可以划分为产品策划、概念设

计、详细设计、工程化设计4个阶段,在不同设计阶段工作侧重点不同,应用的数

字化技术也不同。

产品策划是整个新产品设计开发的首要环节，具体工作包括:市场需求分析、

用户调查、资料搜集、建立资料数据库、设计研究、产品概念定义、产品定位、

方案规划和功能描述等。策划阶段的计算机技术可用于网络环境中调查与问卷设

计、调查数据的统计分析技术、数据库技术、资料检索技术等。

概念设计阶段就是要将设计理念转化为丰富多样的表现形式,筛选创意,通

过再设计、再评价反复多次,最终得出满意的方案。这一设计阶段工作包括:功能

原理规划与设计、概念草图、可行性评价与分析、概念设计评价,是产品设计师

工作的重点。概念设计阶段应用的数字化设计技术主要是:计算机辅助概念设计、

逆向工程、计算机辅助图形与图像处理技术。通过专用的虚拟输入设备,将设计

输入虚拟仿真设备并转换成矢量曲线,这些曲线为准确地转换成计算机数字模型

提供依据,在三维建模中发挥重要作用。

在实际产品设计过程中通常是就算计辅助设计方式和传统方式相结合的过

程。首先在计算机中根据创意建立产品概念模型,然后按照这个数字模型用油泥、

石膏等材料实物模型,在此基础上,设计师对模型做一些修改、调整,修改完后通

过三维扫描方式对实物模型进行测量,并转化为一个符合要求的、可以编辑修改

的产品CAD模型,并在此基础上对其进行变体和深入设计,形成最终设计方案。利

用逆向工程技术可以解决那些造型复杂、表面丰富产品的计算机建模问题。

产品详细设计阶段就是具体方案设计,同时创意出该方案的多种变化、组合;

然后筛选出最具潜力的方案进行细节设计和修改,包括具体结构、详细尺寸、材

料、色彩等。这一阶段的工作包括:变体方案设计、具体方案设计、方案比较、

方案评价、细节设计、模型制作与评价等。该阶段虚拟仿真技术可以从:计算机

辅助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)、快速成型(RPM)、逆向工程(FJ

二),以及虚拟现实技术(VR)等多方位切入。

在完成产品设计分析、优化和评价之后,应根据需要生成产品的设计文档。

对于一些尚采用传统加工方式的企业,还必须生成产品的工程图,制作产品模

型或工作样机。工作主要包括:产品数据整合、生成工程图、模具设计与制造、

工艺规划、形成物料清单等等。这一阶段虽不是设计工作的重点,但仍然起着

承上启下的作用,设计师需要将设计工作最后落实到技术层面上,把最终的设

计交给下一个流程,然后进行生产。产品工程化阶段中所应用到的就算计技术

主要有:计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、数控技术(NC)

等。

计算机仿真问题得到了很好地解决。但是,产品创新设计源头往往在产品策

划和概念设计阶段,概念设计阶段现在还缺乏好的计算机手段,目前还没有很好

的解决方案。计算机辅助创新己作为新产品开发中的一项关键基础技术被提出来,

倍受人们的重视。它是以现代设计方法学、人工智能技术为基础,研究设计思维

过程和计算机支持下的设计过程遵循的原则和规范;探讨各类创新技法,深入研

究创新设计的原理、方法和技术等,以期为企业提供基于知识和系统的产品开发

创新平台。

二．举例说明软件环境的功能表达形式

现代意义上的计算机辅助设计包括计算机设计、计算机制造与计算机管理三

位一体数字化体系建设，CIMS、FMS、PDM系统信息集成为代表的数字化信息集

成工程，直接地完善了整个生产研制体系，能够提高科研生产可持续的发展。

2.1．计算机建模与虚拟制造及装配技术的运用

计算机建模与虚拟制造及装配技术，它从根本上改变了传统的设计和制造方

式，用数字量取代传统的模拟量，精确地传递到制造阶段，其内容包括全面采用

计算机三维设计、虚拟装配技术、快速原型制造技术、反向工程技术，实现并行

工程和虚拟制造系统，极大提高研制水平和创新能力，使资源和能力合理配置和

高效运作。有了计算机技术作基础，为并行工程技术的发展开辟了新天地。设计

制造的并行工程技术包括产品各部分的同时设计和综合，以及有关工程、制造、

和支撑相关协调的处理。这一技术的应用使产品寿命期内的所有环节得到合理监

控，即从项目规划到产品交付的有关质量、成本、周期和用户要求等。

2.2.计算机辅助技术条件下的产品数据管理PDM系统在开发设计当中的作用

PDM是一个软件框架,是一个高度集成了各种应用软件而组成的系统,该系统

使设计者、制造者和管理者能全面管理、跟踪、控制及实时查看那些围绕产品设

计、开发及整个工作过程中的所有与产品相关的数据与过程,实现在正确的时间,

把正确的信息以正确的方式传给正确的人。

PDM系统实施的具体细节如下:1.归纳产品开发过程中产生的数据,建立产品

数据电子仓库,以便实现对产品的所有数据和文件的管理;2.在PDM系统控制下,

用户可获得所有相关的产品信息;3.将产品开发的并行流程装入PDM,实现对产品

开发过程的管理与控制;4.将某些应用软件封装入PDM,通过调用应用程序进行产

品设计与修改；5.根据产品开发过程中开发人员的权限,确定产品开发团队成员

的权限、工作空间,实现对人员的管理;6.根据产品开发流程,实现版本与变更管

理,确保版本的一致性与安全性;7.基于开发流程,实现在线信息发布,确保及时

准确地将数字化产品数据传到正确的开发人员的终端,进行下游设计，设计修改,

以及设计评审;8.建立产品结构树,实现配置管理,为制造提供符合要求的装配信

息、物料清单等。

如CHBPS条码管理系统。条码由生产计划管理与质量跟踪系统、生产配套查

询系统、供应管理系统和工装管理系统四部分组成。CHBPS条码管理系统集成于

产品数据管理（PDM）系统内部，以制造过程及相关信息为主要管理对象。该系

统是以条码为信息采集介质，通过计算机技术进行处理，从而对实物的生产、物

流、销售、售后过程和信息控制流实施监控，借助条码扫描技术对实物进行识别

和关联信息处理。

2.3.项目管理理念和并行系统工程管理技术的结合

并行工程概念是美国防御研究所在1988年以武器生产为背景对传统的生产

模式进行系统分析的基础上提出的,即并行工程是集成地、并行地设计产品及其

相关过程,包括制造过程和支持过程的系统化方法。即要求产品设计人员在一开

始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素,包括质量、成

本、并行工程的目的是提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法产品开发人

员从设计开始初期就考虑产品生命周期中的各种因素,因此,并行工程实施所涉

及到的关键技术主要包括:1.产品开发过程重组:并行工程把产品开发的各种活

动作为一个集成的过程,从全局优化的角度出发,对该集成过程进行管理和控制,

并对已有的产品开发过程不断改进和提高,对产品开发过程建模、仿真和优化,以

减少不必要的设计环节,使产品开发过程更合理有效。在产品开发中,相关人员及

早加入,并行地开展工作。在产品开发早期阶段发现问题,及早修改,消除设计隐

患,在产品投入生产之前进行多次设计迭代和仿真,确保设计的正确性；2.集成产

品开发团队IPT:打破部门间的界限,组成跨部门多专业的集成产品开发团队；3.

协同工作环境:在并行工程产品开发模式下,产品开发是由分布在异地并且可能

采用异种计算机软件工作的多学科小组完成的。多学科小组之间及多学科小组内

部各组人员之间存在着大量相互依赖的关系,并行工程协同工作环境支持IPT的

异地协同工作。协同系统用于各类设计人员协调和修改设计,传递设计信息,以

便作出有效地群体决策,解决各小组间的矛盾。

正是在计算机技术条件下，通过并行工程管理技术有效地解决了传统设计制

造串联式管控过程冗长、拖沓，工作进程反复的诟病，并行工程的运用极大地缩

短了产品研制的周期，提升过程效率，提升了公司产品的市场竞争力。

三.计算机辅助设计对工业设计活动效率、能力提升的影响作用

相比于传统的产品开发系统，现代意义下的计算机辅助设计有很多优点。第

一，传统的产品开发过程中心产品开发的周期长，风险大，上市慢，限制了企业