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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现 代 设 计 方 法,宁夏大学 机械工程学院,朱学军,Modern Design Methodology,第二章 设计方法学,一、概述,1.,主要研究内容,设计方法学是用系统观点研究产品的,一般设计进程、设计规律、设计思维、工作方法、设计工具,的综合性学科。,对具体的产品设计而言，,具有方法论的性质,。,目的是指导设计师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。,2.,主要研究对象,设计对象：,能够实现一定技术过程的技术系统。,设计进程：,设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。,设计评价：,多目标优化规划,最佳设计方案的确定。,设计思维：,激发、培养创新思维的能力和方法。,设计工具：,信息集约,Database,，,调用、参考。,现代设计理论和方法应用：,完善方法论，推广、应用。,二、技术系统及其确定,1.,一般性定义,技术系统：,针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。,作业对象：,物料,(,Materiel,),、,能量,(,Energy,),、,信息,(,Information,),。,举例：,坯料是,作业对象,；加工中心是,技术系统,；加工是,技术过程,。,2.,技术过程的确定；,5 Steps,分析,作业对象及其转换要求；,分析,实现转换的工作原理；,明确,实现技术过程的环境和约束条件；,明确,主要技术过程和其他辅助过程；,划定,技术系统的边界（工作范围）。,二、技术系统及其确定,3.,技术系统的功能单元,技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。,作业单元：,转换的实现；,控制单元：,采集、处理并输出控制信息；,动力单元：,能量的转换、传递、分配；,检测单元：,反馈信息；,结构单元：,系统各部分的联接、支承。,4.,其他环节,信息集约：,产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；,调研预测：,市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；,可行性报告：,系统化产品设计的初步开发依据。,三、系统化设计：,以,机械执行系统运动方案设计为例,功能原理设计,根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作,运动规律设计,通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理,执行机构型式设计,决定选择何种机构实现给定的运动规律,执行系统协调设计,执行机构型式设计,根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图,确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图,运动和动力分析,检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求,方案评价与决策,对,方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案,三、系统化设计,1.,执行系统的功能原理设计,功能原理的选择与构思,产品的功能,产品的用途、性能、使用价值等，根据生产或生活需要提出。,确定功能指标的考虑因素,先进性,可行性,经济性,功能原理设计的重要性,决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。,三、系统化设计,1.,执行系统的功能原理设计,功能原理设计的多方案性,工作原理不同，运动方案也不同,齿轮加工,剃齿,范成原理,仿形原理,工作原理相同，运动方案不同,齿轮加工,插齿,滚齿,三、系统化设计,1.,执行系统的功能原理设计,确定方案,确定方案时应注意两点：,用最简单的方法实现同一功能。,注意光、机、电、流体等知识的综合运用。,设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径,10mm,，,厚度,0.8mm,。,10,0.8,功能分解,送料 冲制 退回,1.,执行系统的功能原理设计,确定方案,光、机、电、流体等知识的综合运用举例,指针,玛瑙,支撑,K,向,刀口,活动游标,图示分析天平，要求精度达到,0.01g,，,但靠目力读指针的微小偏角已不可能。,活动游标,光源,透镜,读数窗,增加了一级光学放大镜，将读数放大,。,1.,执行系统的功能原理设计,功能分析和功能元求解,总,功能,功能元解,功能原理方案,最佳功能原理方案,明确任务,黑箱法,功能树,创造技法,形态学矩阵,评价法,功能元,功能分析法将机械产品的总功能分解成若干功能元,，,求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。,2.,执行系统的运动规律设计,工艺动作分解和运动方案选择,刀具作复合运动,刀具与工作台分别运动,运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。,立式钻床工艺动作分解,直线运动,曲线运动,复合运动,往复摆动,执行构件运动形式,回转运动,每分钟转数,rpm,由两个以上单一运动合成,间歇转动,停歇往复直线运动,停歇单向直线运动,沿可变曲线运动,连续转动,沿固定曲线运动,往复直线运动,每分钟转位次数、转角大小、运动系数,每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数,每分钟行程数、大小、行程速度变化系数,每次进给量的大小,每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度,2.,执行系统的运动规律设计,工艺动作分解和运动方案选择,3.,执行机构的型式设计,设计原则,满足执行构件的工艺动作和运动要求,尽量简化和缩短运动链,尽量减小机构尺寸,选择合适的运动副形式,考虑动力源的形式,使执行系统具有良好的传力和动力特性,使机械具有调节某些运动参数的能力,保证机械的安全运转,3.,执行机构的型式设计,机构选型,目的：,选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。,举例：,传递连续转动的机构,啮合传动机构,连杆机构,传递连续转动机构,摩擦传动机构,摩擦轮传动,蜗杆传动,链传动,齿轮传动,平行四边形机构,双曲柄机构,带传动,4.,执行系统的协调设计,设计原则,满足各执行机构动作先后的顺序性要求,满足各执行机构动作在时间上的同步性要求,满足各执行机构在空间布置上的协调性要求,满足各执行机构在操作上的协同性要求,各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率,各执行机构的布置要有利于系统的能量协调,各执行机构的布置要有利于系统效率的提高,4.,执行系统的协调设计,协调配合示例,执行构件动作的协调配合,送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压,冲头上移一段距离后，进行下次送料动作,折叠包装机构的两个执行构件,两个构件不能同时位于区域,MAB,中，以免干涉。,饼干,1,3,4,2,饼干,2,1,左,折边构件,饼干,3,2,包装纸,4,右折边构件,饼干,1,3,4,2,饼干,1,3,4,2,饼干,1,3,4,2,饼干,1,3,4,2,包装纸,右折边构件,右折边构件,M,B,A,5.,方案评价与决策,评价指标,系统功能,实现运动规律或运动轨迹、工艺动作的准确性,运动性能,运转速度、行程可调性、运动精度等,动力性能,承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等,工作性能,效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、,可靠性、适用范围等,经济性,加工难易、能耗大小、制造成本等,紧凑性,尺寸、重量、结构复杂性等,5.,方案评价与决策,评价方法,针对评价目标中各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行评价。,建立评价体系,选择评分方法,选择评分标准,对,各个项目进行评分,选择总分计分法，计算总分,选取高分者为优选方案,5.,方案评价与决策,总分计分法,方法,公式,特点,分值相加法,将,n,个评价目标评分值简单相加，计算简单、直观,分值连乘法,将,n,个评价目标评分值相乘，使各方案总分差拉开，便于比较,均值法,将相加所得结果除以评价目标系数，结果直观,相对值法,将均值法所得结果除以理想值，使,Q,i,1,，,可看出与理想值的差距,加权计分法,(,有效值法,),将各项评分值乘以加权系数后相加，考虑了各评价目标的重要程度,5.,方案评价与决策,评价结果的处理,入选,方案数,设计阶段,评价准则,结果处理,1,最后阶段,合理,已,得到最佳方案，设计结束,可,改进,重新决定评价准则，再作评价,中间阶段,合理,评价结束，转入下一阶段,多于,1,最后阶段,合理,增加评价项目或提高评价要求再作评价,中间阶段,需,改进,若,入选数太多，按上述方案改进准则再作评价,合理,将,入选方案排序，转入下一设计阶段,0,任何阶段,可,改进,放宽评价要求，再作评价,合理,待评,设计方案质量不高需再设计,三、系统化设计,6.,典型系统化设计的综合过程,并行设计组,技术、经济,社会目标评价,最优方案,信息集约,调研预测,可行性报告,功能分析,功能元求解,方案综合,组合方案,四、创新思维与技法,为什么要创新？,激烈的市场竞争；,对新市场机遇的快速反映；,产品质量和性能的提高；,设计信息的复用。,创新三要素,有效的,创新方法,希望打破,“常规”的人,广博的,技术知识,实现,创新,!,四、创新思维与技法,四、创新思维与技法,创造性人才必备的条件,创造性人才,创造者个性品质,创造学知识及,发明原理,创造思维能力,基础领域知识,创造技能,学习精神,合作精神,结构特性,奉献精神,独立精神,知识能力,综合创造能力,创造技法,四、创新思维与技法,1.,机械现代设计与创造性思维的特点,机械现代设计的特点,从经验积累上升至系统理论，更具,科学性,；,从应用力学体系发展至多学科系统工程，更具,综合性,；,从指导思想、设计技法和物质手段，充分体现了最新的科学,技术成就，更具,创造性,；,“,绿色机器,”是机械现代设计追求的目标。,创造性思维的特点,独特性,多向发散性,非逻辑性,联动性,综合性,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的表现形式,产品数字化,设计数字化,制造数字化,消费数字化,服务数字化,信息数字化,知识数字化,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的优势,（,1,）虚拟表示，便于模拟、再现、认识自然界的物与现象,（,2,）处理快速，便于分析、处理、解决问题,（,3,）信息复用，便于积累、创新、发展,（,4,）资源共享，便于远程、异地、实时共享统一资源,（,5,）零距沟通，便于缩短人与人之间交流的距离,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的优势,:,数控技术的发展示例,随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。,运行高速化,加工高精化,控制智能化,功能复合化,交互网络化,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的优势,:,数控技术的发展示例,Linear Motor,高效加工中心上达到,90 m/min,的快移速度和,1g,的加速度。,直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的优势,:,数控技术的发展示例,电主轴实际是指电主轴系统，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。,与传统的机床传动系统相比,其优势十分明显,:,主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。,而且利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。,Spindle Motor,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,数字化的优势,:,数控技术的发展示例,高速加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、轴承、导轨、丝杠、卡盘、夹具、冷却,Spindle Motor,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,国外的发展,英国就以国家政策和财力支持发展新技术,德国提出“设计就是科学”，且设计学的发展初具规模,美国也迅速成立“设计委员会”,日本把设计看作是技术、经济、美学和人机学一体化整体,自二十世纪中期,国际上每年召开一次与创新设计有关的年会,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,国内的发展,60,年代,90,年代至今,经验设计,仿生设计,实验室研究,计算机设计,80,年代,计算机分析,70,年代,四、创新思维与技法,2.,数字化创新设计简介,基于网络的创新设计,INTERNET,市场分析、营销规划组,网络决策,平,台,需求分析,产品方案,产品报告,市场营销,产品生产,售后服务,功能分析、结构方案组,造型分析、造型方案组,质检分析、质检方案组,技术分析、技术报告组,生产分析、生产规划组,成本分析、经济报告组,政策分析、经济报告组,供,应,商,销,售,商,用,户,企,业,联,盟,四、创新思维与技法,基于实例的创新设计,DBMS,提出性能指标,推理,初步设计,改型,定型,经验、历史设计,专家知识库,工艺标准,推理规则,四、创新思维与技法,知识库,设计资料库,标准件库,产品信息库,创新设计系统基础库,四、创新思维与技法,标准件建库工具集,知识库建库工具,流程管理工具,设计资源管理工具,二次开发工具集,创新设计工具集,四、创新思维与技法,概念设计方案的生成,功能单元的结构设计,产品装配设计,详细设计,改良设计,优化设计,创新设计系统功能,四、创新思维与技法,国内外著名的数字化设计制造系统,UGS,的,CAX/PDM,全,集成制造系统,CATIA,的集成制造系统,Pro/E,的集成制造系统,国内的,CAX,集成制造系统,四、创新思维与技法,数字化创新设计案例,UGS,的创新设计,四、创新思维与技法,数据和系统的集成,Data&System,功能集成,Functions、,过程集成,Process、,信息集成,Information、,企业集成,Enterprise,UGS,的,CAX/PDM,全,集成制造系统,四、创新思维与技法,航空,的,产品过程设计技术,四、创新思维与技法,工程分析,CAE,与设计,CAD,全,相关,四、创新思维与技法,优化,Optimization,四、创新思维与技法,动态虚拟大装配技术,四、创新思维与技法,数字样机的,虚拟可视环境,VisProducts,四、创新思维与技法,创新设计结果,四、创新思维与技法,2.,部分创新技法简介,方法名称,方法的主要特点,方法的主要目的,特性列举法,将,事物按名词、形容词、动词分解为三方面特性，将每类特性加以改变或延拓,化整为零，逐个研究改进,组合创新法,按一定技术原理，将两个或多个功能元素合并，形成新产品、新工艺、新材料,产生新功能,缺点列举法,挑事物的毛病，提出改进设想,追求完满，追求卓越,智爆法,集合,35,人，根据议题自由畅谈，不准批评，寻求创意,以量求质,设问探求法,根据多项创造性的提问，进行分项检核，寻求创意,帮助人们广思，思考方向和目标明确,联想类比法,通过比较，借助原有知识，在异中求同，在同中求异,分析两事物的相同或相似点，由此及彼,2.,部分创新技法简介,方法名称,方法的主要特点,方法的主要目的,635法,6,人,参加，每次每人写,3,个设想，,5,分钟后交换，看过别人的设想后，再修正和补充,3,个设想,以笔代口，相互激励，短时间内可产生较多的设想方案,激智慧法,相互启发，信息直接传递，需要方向引导,发散思维，评出最优设想付诸实施,Delphi,法,问卷调查方式，专家独立思考，逐步激励交流,长时间反复评价，获取明确结果,5W2H法,适用于任何工作，可以突出其中任何一问,试求创新构思,分解法,把事物分解或离散，使问题暴露出来，改进后重组,便于抓住主要矛盾，寻求特色创意,形态综合法,对,创造对象进行因素分解，列出每个因素的全部形态,(,手段,),，按组合原理形成众多方案,寻找尽可能多的解，从中选优,五、设计实例：,专门化数控磨床方案设计,1.,明确设计任务,并行设计组,调研预测,5W2H,法,明确设计目标,可行性报告,2.,方案设计,功能识别：磨削经过铣削并热处理后的高硬度凸轮曲线。,功能原理分析：分解至功能元，建立功能原理图。,功能元求解：列出功能载体形态矩阵，并求解。,考虑最优配置，组合为若干个原理方案。,3.,评价决策,建立评价目标树，运用评分法选择最优设计方案。,本章小结,设计方法学的性质、设计对象的定义,设计对象、技术系统、作业单元的概念,系统化设计的综合过程,:,3,个有机组成部分，并行设计组完成,机械现代设计的特点,:,科学性、创造性、综合性、绿色机器,创造性思维的特点,:,5,个方面,技术系统的组成单元,