制造业信息化与工业设计

制造业信息化与工业设计 863计划现代集成制造系统技术主题专家组中国航天科技集团公司杨海成 2005年9月9日

主要内容 制造业信息化工程 1 计算机辅助工业设计 2 863计划支持CAID技术研发 3 CAID技术发展展望 4

信息时代制造业新的工业革命 • 制造业是国家国民经济和综合国力的重要基础，中国制造业逐渐成为世界制造业中越来越重要的一部分。 • 21世纪，围绕着以知识为基础的创新能力竞争，一场以信息技术为特征的全球化的制造业革命正在波澜壮阔地展开。 • 以敏捷制造为代表的先进制造技术已成为全球制造业不断推出新产品，快速响应市场并赢得竞争的主要手段。

制造业信息化将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化、咨询服务的网络化，全面提升我国制造业的竞争力。制造业信息化将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化、咨询服务的网络化，全面提升我国制造业的竞争力。制造业信息化

制造业信息化技术的 5 个主要特征 管理数字化设计数字化企业数字化制造装备数字化生产过程数字化

“十五”制造业信息化工程战略目标 • 突破一批重大关键技术，形成一批具有自主知识产权和市场竞争力的制造业信息化关键技术产品； • 实施一批制造业信息化应用的示范企业、示范行业、示范区域和示范省市，并通过辐射和扩散效应，提升我国制造业的核心竞争力； • 培育制造业信息化软硬件产业、中介及咨询服务业，形成一批制造业信息化专业化、网络化的服务公司； • 培养一批人才，形成一支推进制造业信息化的专业队伍。

制造业信息化工程任务体系结构 制造业信息化工程推广应用体系技术创新体系关键技术产品研发及应用制造业信息化工程试点示范企业应用示范应用技术攻关技术服务支撑营造制造业信息化工程的社会氛围

关键技术产品研发 企业应用示范 CAD ERP MES NC ……. 技术服务支撑产品、应用、服务协同发展 • 软件供应商和科研院所等承担关键技术产品研究开发的任务； • 应用企业采用这些新的技术工具和产品解决设计制造管理的需求； • 中介机构来提供咨询、培训、监理等专业化的服务； • 三方面有机配合，相互促进，协同发展，构成了较为完整的产业链。

应用示范 服务支撑 ※※省（市）制造业信息化工程 CAD ERP MES NC ……. 产品研发中国制造业信息化发展之路抓企业应用，提高我国制造业竞争能力带软件开发，发展我国制造业软件产业建服务体系，发展我国高技术服务产业制造业信息化推广应用体系技术服务支撑应用技术攻关企业应用示范做得出、用得上、卖得掉千家万套

科技部会同5部委及27个省、自治区和直辖市、47个重点城市共同推进。形成了从中央到省、城市和企业，包括领导小组、办公室和专家组及中介服务机构等构成的完善的工作支持体系。各地方通过制定政策进行引导和激励；开展多种形式的人才培训；多种方式的宣传推动。工作成效1－良好工作氛围和组织体系

在产品设计开发、制造生产、企业建模、系统集成技术、大批量定制技术、网络化制造、基于以太网的现场总线控制技术等方面突破一批重大关键技术；在产品设计开发、制造生产、企业建模、系统集成技术、大批量定制技术、网络化制造、基于以太网的现场总线控制技术等方面突破一批重大关键技术；国产计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、产品数据管理（PDM）、企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、制造执行系统（MES）等一批产品形成产业规模。国产软件在企业得到广泛成功应用。培育和扶植了一批信息化专业中介服务机构。工作成效2－关键技术产品开发及产业化

软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件软构件关键技术研究开发项目布局过程自动化系统企业管理与电子商务系统数字化设计与制造系统计划调度实时数据库 EPA 制造资源优化配置 3DCAD CAPP EB SCM CRM MES PDM ERP 现代集成制造系统平台、企业建模、应用服务器典型区域网络化制造系统/ASP (成德绵、关中、浙江、重庆）重点行业现代集成制造系统（航空、航天、铝业、镁合金）

专用行业 工具集家电设计装备设计模具设计其它行业 IGES 专业设计零件库专业设计知识库设备电路布线设计应用平台设计流程导航工业设计 STEP 应用层基于组件的二次开发接口基于 WEB 协同管理平台专用接口： X_T,ACIS, STL,VRML 接口：CAPP/ CAM/CAE/RP 动画/ 仿真复杂曲面造型逆向工程钣金设计设计资源管理知识管理标准件机制基于WEB 的系统组件一对一接口： CATIA, PRO/E, AUTOCAD 零件设计装配设计工程图设计工业渲染基本曲面造型特征造型通用平台层通用文件： Word,Excel, PDF 图形管理器几何引擎通用函数库二/三维约束求解其它核心层面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集

以省市为主组织，以企业为主体推进，全国范围内超过5000家企业实施信息化典型示范及推广应用。以省市为主组织，以企业为主体推进，全国范围内超过5000家企业实施信息化典型示范及推广应用。 100家国家级制造业信息化示范企业；面向中小企业的ASP；多企业协同的供应链管理；网络环境下的协同设计与制造；流程行业MES应用示范工作成效3－典型应用示范

计算机辅助工业设计是制造业信息化的重要方面计算机辅助工业设计是制造业信息化的重要方面 • 计算机辅助工业设计（Computer Aided Industrial Design，简称CAID）技术是工业设计理论与CAD技术的有机结合，与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术。 • CAID技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，充分贯彻工业设计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述。

CAID方法体系

CAID技术体系

设计定位 市场调研分析总汇设计定位概念草图手工模型 CNC模型（样件）三维造型数据模型模型制作三维激光扫描仪方案设计平面效果 CNC （数控加工）三维工业设计或工程设计软件（模块）三维逆向工程软件（模块） RP模型（样件） RP快速原型三维CAD（产品设计）快速制作模具动画造型软件虚拟产品 CAM （模具设计）工程设计市场推介小批量生产后期产品推介 CNC （数控加工）模具幻灯片产品彩页影视广告厅堂POP 零件生产 CAID流程

计算机辅助工业设计技术中新技术的应用 1 快速成型制造（RP&M）技术新技术的应用计算机辅助工业设计技术中虚拟现实（VR）技术 2 虚拟油泥建模（VCM）技术 3 虚拟装配设计（VAD）技术 4 应用服务提供商（ASP）技术 5 计算机支持的协同工作（CSCW）技术 6 多媒体（MT）技术 7 定制创新设计技术 8

新产品开发过程 外观设计结构设计模拟装配设计方案及尺寸确认快速成型装配验证样件后处理快速成型制造（RP&M）技术快速成型制造(RapidPrototypingManufacturing--RP&M)技术是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。快速成型(RapidPrototyping--RP)技术是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型，无需任何专用工具。

快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造的费用。 RP&M技术可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或实际零件，从而对产品设计进行快速评价、测试、改进，以响应市场需求，它是机械工程、CAD、数控、激光以及材料等技术的交叉与优化集成。先进的快速成型制造（RP&M）系统，是与CAD集成的快速成型制造系统，直接由计算机数据信息驱动设备进行制造。

虚拟现实（VR）技术 虚拟现实（ Virtual Reality，VR ）技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。

虚拟现实技术的主要特征 多感知性(Multi-Sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。浸没感(Immersion)——指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。构想性(Imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

生成的物理模型应用快速原型法虚拟油泥造型虚拟油泥建模（VCM）技术虚拟油泥建模（Virtual Clay Modeling），可以适应创造性设计过程所提出的直观要求，设计人员可以在虚拟环境空间中，利用轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚拟的油泥材料。所设计的产品可得到精确的描述，物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来。

设计交互 设计师灵感的虚拟油泥汽车车型捕捉与表达造型系统气动力设计系统相关车型的继承与修改模型转换数字化草图模型 STL ó CAD 传递汽车车型计算机辅助支撑汽车车型拓扑概念设计系统系统优化设计系统色彩设计模型修正汽车车型创新设计结果车型设计 CAD 工程模型全数字化车型设计流程及信息流模型

虚拟装配设计（VAD）技术 虚拟装配（Virtual Assembly）采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计返工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的质量与可靠性，同时也降低新产品开发的成本。

用户界面 输出界面立体图像、三维立体声、力反馈设备输入界面语音命令、三维鼠标、数据手套装配规划模式装配建模模式实体造型模式设计工具形状建立：参数化实例调用构造元素形状修改：非精确尺寸；基于直接三维操作精确尺寸：基于语音命令规划、仿真工具静态干涉检查，用户引导的拆装：碰撞检测装配程序管理器、装配路径记录器交互工具三维导航、三维物体选择、操纵三维物体；平移、旋转面向VR CAD的几何引擎基于约束的实体模型及装配模型（适合予直接三维操作）、Euler操作、glue运算、布尔运算、约束识别与求解机制（适合于实体造型模式和装配建模模式）、变动设计、几何模型的三角化表示（用于着色显示和碰撞检测）、碰撞检测等。集成的虚拟设计与虚拟装配系统的框架结构

ASP技术 ASP（Application Server Provider）应用服务提供商，是指通过Internet或VPN（虚拟专用网络），将运行在自己服务器上的应用系统出租给商业用户并收取租金的公司。 ASP以互联网为核心，为客户提供各种应用功能服务，如市场信息、销售管理、账务处理等；提供各种信息技术服务，如企业配套系统的配置、专业技术的咨询等等。 ASP的目的是为用户提供应用软件服务，其规模可大可小，复杂程度可高可低，应用软件系统完全以开放平台为主，以Internet作为主要的连接手段，应用行业内标准和成熟的软硬件。

协同设计 与CSCW 协同设计与CAID CSCW 技术协同设计是计算机支持的协同工作（CSCW）技术在设计领域的一种应用，用于支持设计群体成员交流设计思想、讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，从而进一步提高设计工作的效率和质量。融合协同设计技术的CAID系统为设计师实现这个梦想了提供全面的技术支持，应用CAID系统，在协同设计方式的支持下，让更多相关的人员自由的参与到产品设计活动中来，形成一个动态的虚拟设计团队，针对设计中出现的各种问题，相互交流沟通，协商解决，经过这种协同设计方式设计交流，可以设计出更便于制造，节约成本，环保贴近用户需求的产品。

计算机支持企业群体设计平台

多媒体技术 多媒体技术(Multimedia Technology)是计算机领域的一支新兴的技术，一般认为：多媒体技术是能够同时综合处理多种信息，且使信息之间建立逻辑联系，集成为一个交互性系统的技术。是指能够同时采集、处理、编辑、存储和输出两个以亡不同类型信息媒体的技术，将文、声、图、像和计算机集成在一起的技术。 “多种信息”是指信息媒体多样化。这些信息媒体包括文字、声音、图形、图像、动画、活动影像等。多媒体技术的特征 “交互性”向用户提供更加有效控制和使用信息的手段，同时也为多媒体技术的应用开辟了更加广阔的领域。 “集成性”主要指多媒体的集成以及这些媒体设备的集成。信息媒体的集成主要指倍息媒体应该成为一体，不应分离，即信息的获得、存储、组织管理、加工处理等表现应是统一的。 “实时性”，是由于多种媒体集成时，其中的声音及活动的视频图像是和时间密切相关的，甚至是强时的。

定制创新设计技术

1 面向产品创新的计算机辅助概念设计技术的研究 2 3 4 面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集面向信息家电的三维数字化定制设计关键技术研究关中高新产业带网络化制造系统开发与应用

专用行业 工具集家电设计装备设计模具设计其它行业 IGES 专业设计零件库专业设计知识库设备电路布线设计应用平台设计流程导航工业设计 STEP 应用层基于组件的二次开发接口基于 WEB 协同管理平台专用接口： X_T,ACIS, STL,VRML 接口：CAPP/ CAM/CAE/RP 动画/ 仿真复杂曲面造型逆向工程钣金设计设计资源管理知识管理标准件机制基于WEB 的系统组件一对一接口： CATIA, PRO/E, AUTOCAD 零件设计装配设计工程图设计工业渲染基本曲面造型特征造型通用平台层通用文件： Word,Excel, PDF 图形管理器几何引擎通用函数库二/三维约束求解其它核心层面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集

计算机辅助工业设计子系统

面向产品创新的计算机辅助概念设计技术 从概念设计包含的内容来看，广义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、形态设计、色彩设计、布局设计、人机工程设计和初步的结构设计；从工业设计角度看，概念设计一般包括：形态设计、色彩设计、布局设计、人机工程设计。

信息家电三维数字化定制设计专用系统 基于WEB的信息家电三维数字化定制设计系统客户需求产品数据管理功能定制色彩定制信息管理产品数据管理功能定制色彩定制服务定制工具信息管理材质定制设计分析形态定制材质定制委托设计形态定制包装定制客户需求 CAXA实体设计系统组件库色彩方案库人机参数库产品部件库标准色彩库标准材质库 3D标准人体库 3D人体姿态库评价目标模板库参考图库部件级智能拼装技术产品非标色彩智能匹配技术非形态约束功能定制技术三维产品虚拟展示与交互技术三维数字化定制评价技术定制信息管理技术技术三维定制人机检测技术定制设计多目标评价技术客户需求挖掘技术定制工作流信息管理技术三维数字化设计技术 COM组件技术 ADO数据库访问技术 CAXA二次开发技术 Cult 3D网络交互技术方法网络定制卖场定制创新设计电子商务形态设计色彩设计人机设计设计评价定制设计工业设计面向信息家电的三维数字化定制设计关键技术研究

拼装定制模块 材质定制模块色彩定制模块原型定制模块信息管理模块产品数据管理模块电子合同模块委托设计模块功能定制模块

信息管理工具集 设计分析工具集形态定制工具集色彩定制工具集功能定制工具集材质定制工具集客户需求捕捉工具集产品数据管理工具集

基于ASP模式的计算机辅助工业设计子系统 工具模块订购工具在线使用

计算机辅助工业设计技术展望 智能化网络化网络化敏捷化 • 模糊信息处理与决策 • 创造性思维研究与设计方法学研究 • 基于知识的辅助设计技术 • 网络协同设计 • 网络化知识获取 • 网络化设计推广 • 信息集成 • 设计过程集成 • 知识集成 • 反求工程（Reverse Design） • 快速原型系统

中国制造业总量大，而且高速增长； 中央高度重视自主创新，把自主创新作为结构调整的中心环节。制造业的自主创新最核心的就是新产品开发； “以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”是国家战略。推进制造业信息化，带动制造业发展已经成为共识；近20年推动制造业信息化取得显著成效，打下了良好基础，积累了经验；国内在CAID技术研发及应用方面已经有了很好的开端。中国发展CAID大有可为

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