现代设计方法课后习题解答

现代设计方法作业 第五章 相似设计与模块化设计 1、就某机电、家具、家电产品，谈谈如何进行模块化设计？ 答：模块化设计是近年来发达国家普遍采用的一种先进设计方法，它的核心思 想是将系统按功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、 不同规格的产品。而数控机床结构的特点也决定了模块化设计方法对于数控机 床设计的适用性： 1) 同一类型的数控机床均可划分为基本相同的若干部分； 2) 同一类型的数控机床通过一个或若干个基本参数的变化形成不同规格的； 3) 同一类的数控机床尽管有着各种不同的结构布局和用途范围，但其基本控制、 运动功能和工作原理是相同的； 4) 数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨副、丝杠副、冷却系统、润滑系 统、液压系统、气动系统、电气控制系统等。这一特点使其适应于模块化设计 方法； 5) 数控机床的加工要求向高速、高精度方向发展，要求机床结构具有高刚度、 高可靠性，机床基础大件 (床身、工作台、主轴箱、滑鞍、立柱等 ) 的结构动、 静态特性和传动系统的高刚性成为设计的主要矛盾； 6) 数控机床采用计算机控制技术，使机床的机械传动机构大为简化； 7) 市场竞争和市场需求的多变，要求数控机床产品规格和功能多样化、性能好、 成本低、制造周期短； 8) 随着技术的进步和市场的发展，许多数控机床功能部件已实现专业化生产和 商品化。 对于数控机床而言，模块化设计是指将机床上同一功能的单元，设计成具有不 同用途或性能的、可以互换选用的模块，用以更好地满足用户需要的一种设计 方法。数控机床的整体结构可以分解为单个部件的有机组合。通过功能分析， 使得功能相同或相似，联接接口相同，而性能、用途不同的各种功能单元，经 过选择、优化、简化和统一，形成各种具有独立功能的单元模块。通过对机床 单元模块选择、使模块间有机地匹配与连接，进而组合成各种通用机床、变型 机床和专用机床。 模块化设计的一般过程： 模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需 要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程， 如图 2.1 所示。 开始 市场调查与分析 进行产品功能分析 拟定产品系列型谱 确定参数范围及主参数 划分模块 模块结构设计 形成模块库 编写技术文件 结束 图 2.1 模块化系列产品研制过程 - 3 - 第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选 择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过程，如 图 2.2 所示。 开始 划分模块 划分模块 模块结构设计 划分模块 划分模块 划分模块 结束 图 2.2 模块化产品设计过程 总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费 更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能。 1.市场调查与分析 模块化设计成功的前提。必须注意市场对同类产品的需求量、市场对同类产品 基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性 等。对市场需求量很少而又需要付出很大的设计与制造花费的产品，不应在模 块化系统设计的总功能之中。 2.进行产品功能分析，拟定产品系列型谱 合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应 变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变 能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。 3.确定参数范围和主参数 产品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数(功率、转矩、电压等)，须合理确 定，过高过宽造成浪费，过低过窄不能满足要求。另外，参数数值大小和数值 在参数范围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。 主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或 等差数列。确定模块化设计类型，划分模块只有少数方案用到的特殊功能，可 由非模块实现:若干部分功能相结合，可由一个模块实现(对于调整功能尤其如 此)。 4.模块结构设计，形成模块库 由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块的较多接 合部位，应做到加工合理、装配合理;应尽量采用标准化的结构；尽量用多工位 组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观;还应保证模块寿命相当， 维修及更换方便。 5.编写技术文件 由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的 编制，才能将不同功能的块有机联系起来，指导制造、检查和使用。技术文件 主要包括以下内容: (1)编制模块组合与配置各产品的关系表。其中应包括全系列的模块种类及各产 品使用的模块种类和数量。 (2)编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。 (3)编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。 (4)编制模块式的使用说明 以适应不同产品、不同模块的需要。 模块的划分根据其划分角度的不同，有不同的划分方式，最终得到不同的基本 单元。从产品生命周期的观点看，这些不同的划分角度分别是面向产品生命周 期中的不同阶段。因此，可以根据模块划分所面向的生命周期中的具体阶段， - 5 - 把模块划分为： (1)面向设计的模块划分 (2)面向制造的模块划分 (3)面向使用、装配和维修的模块划分 (4)面向回收的模块划分 (5)面向整个生命周期的模块划分 本次数控机床的设计从面向设计的角度来进行数控机床模块的划分。首先对数 控机床的功能进行分解，将数控机床的总的功能分解为不同的功能元，根据不 同功能元之间的相关性定性的进行模块聚类，其次按照结构将已经聚类的功能 模块对应的零部件分解出来，再根据各个零部件之间在制造和装配上的相关性 进行分析，最终将两次分析的结果综合起来 得到更为细小的具有不同用途或 性能的模块。将数控机床分为 10 个模块，具体划分如下： 传动模块：丝杠，联轴器，伺服电机，电机架，轴承端盖，轴承架 支撑连接模块：导轨，滑块 工作台模块：工作台底盘，工作台托盘 主轴箱模块：主轴箱体，主轴 刀库模块：刀库，抓刀机械手 防护模块：丝杠防护罩，整机防护罩 辅助模块：气动液压装置，排屑装置，冷却装置，润滑装置，电气控制装置 床身模块：床身 立柱模块：立柱 滑板模块：滑板 2、查阅相关资料，围绕相似设计或模块化设计写一篇小论文？ 数控机床作为最为重要的制造装备之一,是机电行业的重要基础；是交通、 电子及采矿产业实现生产现代化的最主要的手段；是制造业实现自动化、柔性 化、集成化的基础；同时也是发展军事工业的重要战略物资。目前,国内模具、 汽车等行业的兴旺，使得市场对数控机床的需求量增大，这给数控机床的发展 带来了新一轮的发展机遇，但同时也带来了挑战，这种挑战主要来自于用户对 数控机床性能个性化、多样化的需求与产品生产性能、产品生产成本之间矛盾 的切入点的寻优。此外、国外知名机床制造厂家纷纷在国内设立设计、生产基 地使得国内数控机床原有的价格优势已经不再明显。面对市场和国外竞争厂商 带来的挑战和压力是摆在国内制造业企业、各大院校和科研机构面前刻不容缓 需要得到解决的课题。为了这些问题、许多企业采用了模块化设计这一指导思 想。所谓模块化设计就是指将机床分解成相对独立的子单元并通过对这些子单 元的标准化和重新配置最终产生一组满足不同客户需求的产品集合。这些相对 独立的子单元具有特定的功能和完整的接口，所以我们可以称之为模块。模块 是模块化产品的基本组成元素。通过模块组合来实现全局功能的产品即可称为 模块化产品。与传统意义上的数控机床相比，模块化设计是一种柔性开发策略。 企业能够通过模块的重组来实现数控机床的开发从而缩短了开发的周期和设计 成本。数控机床中有不少独立的功能单元 如导轨件、丝杠副、冷却、润滑、 驱动、控制、检测装置等。这一特点使其适应于模块化设计方法。 近几年来、随着计算机技术的迅速发展，大多数企业实现了信息化和数字 化。而 CAD 技术在企业数字化信息化过程中起着重要作用。正如此、基于计算 机辅助设计的模块化设计已经成为当前研究热点之一。然而目前绝大多数 CAD 系统软件比如 UG、CATIA、Pro/E、Solid Works 等。虽然提供了一些常用的标 准件库但是都没有提供面向产品设计的参数化、用户可方便自扩充的模块数据 库。这样对于产品设计人员就常常因为没有模块数据库而要进行很多不必要的 重复绘图工作大大降低了设计人员的工作效率。因此要在 CAD 系统上建立一套 用户自己可以维护修改的参数化的模块设计库便成了企业进行模块化设计要解 决的当务之急。 对于模块化的概念 Urich 认为模块化与设计中的两个特点紧密相关。1.设计中 功能领域与物理结构领域之间的对应程度影响模块化的程度 2.产品物理结构间 相互影响程度的最小化。这两点从设计学角度指出了影响模块化设计的基本因 素。Sun 从功能设计参数映射的角度定义模块化设计。模块化设计是一种分 析结果的产生，是这种结果以产品、过程和系统的形式表现并满足预定的需求， 其方法是选择适当的设计参数完成从功能需求域到设计参数域的映射。Paul 和 Berlitz 认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，然后再考 虑模块性能（如尺寸、重量等）基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射 - 7 - 并将模块功能域的功能分为基本功能、附加功能、适应性功能、专用功能和用 户定制功能五类 相应的将模块结构定义为基本模块、附加模块、适应性模块、 专用模块和用户定制模块。在国内、贾延林认为模块化设计实在对一定范围内 的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上划分 并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和重组可以构成不同的产品，以满 足市场不同需求的设计方法。劳俊等人认为、模块化设计是综合考虑系统对象， 把系统按功能分解成不同用途和性能的模块并使之接口标准化选择不同的模块 （必要时设计部分专用模块）迅速组成各种要求的系统的一种方法。童时中从 系统论角度定义模块化为：为取得最佳效益，从系统观点出发研究产品（从系 统）的构成形式用分解和组合的方法建立模块化系统并运用模块组合成产品 （或系统）的全过程。施进发、梁锡昌认为机床模块化设计是讲机床上同一功 能的单元设计成具有不同用途或者性能的课互相选用的模块根据市场需要拼组 成具有不同性能特点的机床。胡维刚认为模块是一组同时具有相同功能和相同 结合要素而具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元。并进一步 指出模块化设计是基于模块的思想将一般产品设计任务设计成模块化产品方案 的设计成模块化产品方案的设计方法。 在设计方法上、国外的 Zakuski 的文章 中表达了一种侧重于功能分解和集成的模块化设计方法，主要指产品和过程的 集成对产品的分解、集成和评估做了讨论。Sakieh 和 Kamrar 发展了一种结构 化的方法。这种方法包括需求分析、概念分析（分解） 、概念集成。他们提出了 链接方法中各步骤的结合度。Jiao 和 Ts-eng 发展了一种模块性的系统规划。 在三个连续的观点中功能（需求分析） 、技术（分解集成） 、物理（经济评 估） ，集成了产品开发中的不同阶段。国内浙江大学的祁国宁教授也提出了一种 基于结构特征的设计方法。 在模块的识别研究上， 国外 GU 等人提出的面向产品全生命周期的模块 化划分方法，针对每一阶段的设计目标构造相关矩阵，由设计师对每一个设计 目标的模块划分结果进行对比和综合，得到最终的模块划分结果；Stone 等提 出一种启发式模块创建方法，根据产品功能结构图中的能量流、物料流、信号 流一级力等来进行产品模块划分。Tshi 等人通过制造和装配过程中的功能设计 研究，得出模块形成的最优方式，并对模块的设计、制造顺序进行排序。 Sakieh 等人把马快的形成过程分解成四阶段，并通过零件之间特征指标的关联 度形成模块。国内潘双夏等从客户需求、功能、几何、物理等相关准则出发， 提出了基于模糊聚类的模块化分方法。王海军等分别用直接集类法、最大模糊 树法和模拟退火算法进行了面向产品再设计的功能模块划分。高飞等利用广义 有向图对创新设计产品功能模块进行了合理的划分。南京理工大学的周开俊等 利用遗传算法进行了面向产品创新设计的划分。 第九章 并行设计 1、并行设计中的协同工作是什么？试说明其组织模型。 答：协同设计的概念主要体现在设计信息的“并行”共享上，即设计者能在 “适当”的时候，采用“适当”的方法，在“适当”的地方，以“适当”的形 式存取“适当”的设计信息。之所以强调适当性，是因为协同行为发生在网络 系统中的不同地点和不同时间。协同的含义具体体现以下几个方面： （1）产品设计信息的协同。 （2）设计过程的协同。 （3）设计工具的协同。 （4）设计环境的协同。 （5）通信的协同。 在产品开过程中，工作小组之间的协同工作是保证产品开发速度和质量的关键， 合理的组织划分和定义是实现数据管理的基础，也是流程管理的基础。在实施 产品开发时，应首先家里有效的组织模型，设置相应的工作权限，然后才能建 立项目的工作流程、审批规则等。通常采用五级组织模型，如图 9-3 所示。 项目主管 项目主管 工作组 工作组 角色 角色 系统管理员 - 9 - 用户 用户 图 9-3 五级组织模型 2、简述产品数据管理系统的组成。 答：一个理想的产品数据管理系统应包括如下组成要素： 1 信息仓库。 2 信息管理。 3 基础体系结构。 4 接口模块。 5 信息结构定义模块。 6 信息结构管理模块。 7 工作流定义模块。 8 工作流控制模块。 9 系统管理模块。 目前，还没有什么系统可以单独提供上述产品数据管理的全部功能，因此， 企业实际应用的产品数据管理系统一般都是由多个异构系统集成的结构。其中 包括：一个核心程序，若干个集成工具和若干个局部的产品数据管理中心。 第十一章 绿色设计 1、何谓绿色设计？何谓绿色产品？何谓绿色技术？ 答：绿 色 设 计 (Green Design)， 又 称 又 称 生 态 设 计 （ Ecological Design） 、 面 向 环 境 的 设 计 （ Design for Environment） 、 生 命 周 期 设 计 、 环 境 意 识 设 计 等 ， 是 指 借 助 产 品 生 命 周 期 中 与 产 品 相 关 的 各 类 信 息 (技 术 信 息 、 环 境 协 调 性 信 息 、 经 济 信 息 )， 利 用 并 行 设 计 等 各 种 先 进 的 设 计 理 论 ， 使 设 计 出 的 产 品 具 有 先 进 的 技 术 性 、 良 好 的 环 境 协 调 性 以 及 合 理 的 经 济 性 的 一 种 系 统 设 计 方 法 。 绿 色 设 计 着 眼 于 人 与 自 然 的 生 态 平 衡 关 系 ， 在 设 计 过 程 的 每 一 个 决 策 中 都 充 分 考 虑 到 环 境 效 益 ， 尽 量 减 少 对 环 境 的 破 坏 。 对 工 业 设 计 而 言 ， 绿 色 设 计 的 核 心 是 “3R”， 即 Reduce、 Recycle 和 Reuse， 不 仅 要 尽 量 减 少 物 质 和 能 源 的 消 耗 、 减 少 有 害 物 质 的 排 放 ， 而 且 要 使 产 品 及 零 部 件 能 够 方 便 地 分 类 回 收 并 再 生 循 环 或 重 新 利 用 。 绿 色 设 计 不 仅 是 一 种 技 术 层 面 的 考 量 ， 更 重 要 的 是 一 种 观 念 上 的 变 革 ， 要 求 设 计 师 放 弃 那 种 过 分 强 调 产 品 在 外 观 上 标 新 立 异 的 做 法 ， 而 将 重 点 放 在 真 正 意 义 上 的 创 新 上 面 ， 以 一 种 更 为 负 责 的 方 法 去 创 造 产 品 的 形 态 ， 用 更 简 洁 、 长 久 的 造 型 使 产 品 尽 可 能 地 延 长 其 使 用 寿 命 。 绿 色 产 品 又 称 为 环 境 协 调 产 品 ， 是 相 对 于 普 通 产 品 而 言 的 。 目 前 绿 色 产 品 的 “绿 色 程 度 ”还 没 有 达 到 共 识 。 所 以 ， 关 于 绿 色 产 品 的 定 义 尚 有 各 种 说 法 。 例 如 ， 绿 色 产 品 是 指 以 环 境 资 源 保 护 为 核 心 概 念 而 设 计 生 产 的 可 以 拆 卸 并 分 解 的 产 品 ， 产 品 报 废 后 零 件 可 以 回 收 利 用 ； 绿 色 产 品 是 指 将 重 点 放 在 减 少 部 件 ， 使 原 材 料 合 理 化 ， 部 件 可 重 新 利 用 的 产 品 。 概 括 起 来 讲 ， 绿 色 产 品 应 是 在 产 品 生 命 周 期 全 程 中 ， 符 合 特 定 的 环 境 保 护 要 求 ， 对 生 态 环 境 无 害 或 危 害 极 少 ， 资 源 利 用 率 最 高 ， 能 源 消 耗 最 低 的 产 品 。 绿 色 技 术 又 称 为 环 境 友 善 技 术 ， 是 减 轻 环 境 污 染 或 减 少 原 材 料 、 自 然 资 源 使 用 的 技 术 、 工 艺 或 产 品 的 总 称 。 其 中 包 括 以 下 几 种 技 术 ： 1) 面向材料的设计技术； 2) 面向环境的设计技术； 3) 面向能源的设计技术。 2、自拟题目，写一篇关于环境保护与产品设计关系的小论文。 机械设计与环境保护 流水、鸟鸣之声,能镇静人的情绪,松弛我们的身心,而且给人一种返回大自 然的感觉,听了这些声音,脑电波会增加,左右脑的沟通亦会更加有效,智慧因而 慢慢打开 而来的气息沁人心脾。 大自然音符滋润心灵的选择，永远无悔的决定，没有年龄限制的音乐极品。 当一个人身心疲乏之际听到那些自然音乐而感到心情舒畅，当一个人身心烦 躁时候一个静静大自然的音乐有使你陶醉其中，当一个人没落的时候，又是自 然音乐给你了一丝的光明。当自然的音乐无处不在。 作为一名大学生，作为一名西安科技大学高新学院的一名学生，更作为一 名学机械专业的学生，机械设计与环境保护无疑使我们要现在和将来工作中都 要学会的一门技术，更是一门艺术，现在的每一门产业链都无不和绿色环保挂 - 11 - 着勾，面对大自然赠与我们如此美丽的世界，我们怎能忍心将至毁于自己手中， 所以可持续发展、人类与大自然的和谐再一次成为我们要认真对待的一个课题。 随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放 的污染物对环境产生了难以估计的负荷。为保护人类十分宝贵且有限的地球资 源，实现全球可持续发展，提高操作人员的安全性及工作舒适性，努力达到人、 机和环境的亲和，我们所设计的产品很有必要做关于环保方面的评估。 下面以建筑机械的环保设计理念来探究一下关于环保机械设计应该注意的 问题。 1) 使用环保型发动机；发动机是建筑机械所有系统中对环境影响最大的部件， 应使用低油耗、低排放、低噪声、高效率的环保型发动机或配置废气净化、 再循环等装置，大大降低对环境的负荷。目前工程机动车辆尚未限制发动 机尾气排放和噪声，但随着国内外各大中城市对城市环境保护的日益重视， 特别是装载机等建筑机械产品在市政建设中的使用量不断加大，对机动车 辆尾气排放烟度、噪声等指标的限制愈来愈严格，有必要按照汽车行业的 环保标准来设计建筑机械产品。 2) 采用低环境负荷材料；尽量使用可回收、易分解、能再生、无毒的无污染 或低污染的材料和工作介质,尽可能不使用氟利昂(空调)、含氯橡胶、树脂 及石棉等有害材料。如装载机、挖掘机的驾驶室内饰上不使用难以自然分 解且对环境有害的工程塑料及其它一些非金属材料，在仪表、散热器及蓄 能电池等配套件的生产中尽可能减少或替代铅的使用量。 3) 延长寿命、降低能耗及减轻重量；在保持主机各项性能参数前提下尽量减 少主机和附属作业装置体积和重量，提高动力传动系统零部件的强度和耐 久性能，考虑各系列产品同类零部件的通用性和互换性。延长产品寿命就 等于减少了机械的生产量和降低其报废量，降低产品能耗可减少对环境的 污染，而减轻产品重量即可减少材料和资源的消耗。 4) 开发清新能源和节能技术；清新能源具有低能耗、低污染并可再生使用的 特点，开发电动机械、电动执行元件、太阳能电池和新型蓄电池，采用节 能技术措施，如开发新型驱动机构，合理确定传动与动力匹配，建立能源 回收存储系统，减少泄露和管路损失，电梯的同步永磁无齿轮曳引机、变 频驱动系统或间歇式操作系统都具有明显的节能效果。 5) 开发减振降噪技术和机械；如弹性支承和油气悬挂技术、阻尼技术、蓄能 技术，开发低噪声施工机械，如变频低噪声振捣器，优化零件设计、提高 加工精度，降低传动系和液压系的工作噪声，采用隔声和吸声材料，消除 或弱化噪声对环境的影响。 当然我们所设计的产品在符合环保要求的同时也要遵循实用的要求，要能 给企业带来效益，还要做到能循环利用，即在设计之初就对产品的组成类型进 行分析计算，考虑产品的可回收性、可拆卸性和再循环利用性，并对零部件分 类，确定可再循环利用的比率，要考虑报废件处理简单、费用低和污染小，零 部件解体方便、破碎容易、能焚烧处理或可作为燃料回收。最后还要有一定的 美学元素在里面，只有我们设计的产品能符合以上这些要求时我们才能称之为 一款成功的机械产品。 机械的节能与环保符合国际绿色机械的发展潮流，符合和谐社会可持续发 展的要求，是社会进步的标志，也是社会发展的必然趋势。为了我国机械的健 康发展，参与国际化的竞争，业内人士必须提高机械的环保与节能意识，只有 通过机械行业的共同支持和整体协作才能完成。我们作为将来机械工业的接班 人，要从现在就把环保设计的理念牢记脑海，让将来设计的产品更符合环保理 念、更符合绿色设计理念。 第十二章 商品化设计 1、简述产品与商品的区别。 产品在不同的所有者之间交换后就成为商品，产品被购买后才能体现其使用价 值。产品的生产和交换过程如图 12-1 所