现代设计方法

现代设计方法 宁夏大学机械工程学院 ModernDesignMethodology 第二章设计方法学 第一章作业 P12 1 11 2简述设计的类型1 3 课程考核 N 2 考核方式 N指平时考核 含考勤5 5次 10分 小论文 1篇 14分 作业 8次 16分 2 1指读书笔记或心得体会 20分 第14周前交 内容含 教材重点内容摘抄 疑难问题记录及课后复习总结 2 2指期末考试 40分 期末考试成绩 40分时 只记卷面成绩 期末考试成绩 40分时 按 N 2 比例折算 一 概述 二 技术系统及其确定 二 技术系统及其确定 加工中心的功能构成 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 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 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 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 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 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 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 摩擦轮传动 蜗杆传动 链传动 平行四边形机构 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 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 5 方案评价与决策评价结果的处理 三 系统化设计 6 典型系统化设计的综合过程 四 评价决策 概述评价目标评价方法评分法技术 经济评价法模糊评价法设计中的决策 一 概述 1 工程设计的三个特点 约束性 多解性 相对性 设计结果的多方案性 对设计方案进行评价 根据评价结果进行决策 2 评价的类型 评价方案的完善程度 评价解答方案与所提问题的相符程度 评定最优解答方案 评定某项特性的最优值 3 评价过程中的几项主要工作 选定评价准则 如 成本低 寿命长 结构简单 可靠性高等等 为评价准则选定度量尺度 即评价好坏的标准 确定评价对象有关各项准则的价值 即按预定度量尺度对评价对象进行评定 对各单独评价值进行合成 以便对评价对象做出总的比较 4 评价的意义 评价是决策的基础和依据 方案评价是提高产品质量的首要前提 方案评价有利于提高设计人员的素质 形成合理的知识结构 5 评价的内容 技术评价 性能指标 可靠性 有效性 安全性 操作性 保养性 能源消耗等 经济评价 成本 利润 实施费用 经营周期 方案的适用周期 资金回收期等 社会评价 政策 环保 资源利用等等 二 评价目标 评价标准或评价指标 1 评价的指标体系 2 评价目标树 Z Z1 Z2 Z11 Z12 Z21 Z22 Z111 Z112 Z121 Z121 Z211 Z212 Z213 总目标 一级子目标 二级子目标 三级子目标 目标树与加权系数 3 目标重要性系数 加权系数 加权系数是反映评价目标重要程度的量化系数 加权系数越大 重要程度越高 加权系数通常进行归一化处理 即 加权系数的确定方法 经验法 判别表计算法 根据经验人为地确定各评价目标的加权系数 比较目标 评价目标 判别计算表 常用评价法 评分法 技术 经济评价法 模糊评价法 一 评分法 具体方法 用分值作为衡量方案优劣的尺度 对多个评价目标 则先分别对各目标进行评分 经过处理后再求得方案的总分 分制 5分制 10分制 理想状态最高分 不能用0分 评分函数曲线 三点定曲线法 一 评分法 4 多评价目标方案评价方法分值相加法分值相乘法加权记分法电池评分表 评分值矩阵 加权总分值 课堂作业 用加权计分法对某种手表三种设计方案进行评价 目标评价树如下图所示评价目标Z 计时防水防磁防震夜光外观成本 三 各评价目标加权系数GG 0 30 10 050 10 050 20 2 计分方法和评价标准 手表评分结果 对方案进行技术评价 求方案的技术分值 1 技术评价 确定评价目标 确定评价指标 技术分值总评 确定各目标的技术分值 理想方案技术分值 1 可选方案技术分值 0 65 二 技术 经济评价法 2 经济评价 对方案进行经济评价 求方案的经济价 H 实际制造成本 包括材料费 工资费 管理费等 估算值 H2 允许制造成本 市场最低价格 H1 理想制造成本 0 7H2 理想方案经济价 1 可行方案经济价 0 7 1 求总价值 3 技术 经济综合评价 直线法 抛物线法 2 作优度图 可选方案 例2 2高速专用磨床主轴轴承技术经济评价 技术评价 经济法评价 技术经济总价 相对价 W1 Wt1Ww1 0 5 0 676W2 Wt2Ww2 0 5 0 632W3 Wt3Ww3 0 5 0 605 3作价值剖面图 一般只对两个较优方案 方案1 方案2 4 技术 经济综合评价步骤 1 模糊 模糊集合 模糊隶属度 隶属函数 天气冷热 雨的大小 风的强弱 人的胖瘦 年龄大小 个子高低 模糊的概念 三 模糊评价法 模糊集合 隶属函数 隶属度 常用形式的隶属函数 三 模糊评价法 2 步骤确定评价目标集 Y y1 y2 yn 确定评价标准集 X x1 x2 xm 确定加权系数集合 A a1 a2 an 确定评模糊评价矩阵 RRij 第i个指标对评价集中第j个元素的隶属度 三 模糊评价法 2 步骤确定综合模糊评价集 比较决策 最大隶属度原则 按每个方案的综合评价集中的最高隶属度确定方案的优劣顺序 排序原则 在评价矩阵中 同级 列 中按隶属度高低排序 在几个级中 按各级隶属度之和的大小排序 例2 3计算机管理系统的模糊评价 计算机管理系统的目标情况评价目标集B 投资 性能 周期性 例2 3计算机管理系统的模糊评价 计算机管理系统评价目标树加权系数Q 0 2 0 55 0 25 例2 3计算机管理系统的模糊评价 对投资的隶属度评价集P 优 中 差 例2 3计算机管理系统的模糊评价 综合模糊评价矩阵五 综合模糊评价 取大取小法 Z1 QR1 0 55 0 13 0 2 Z2 QR2 0 2 0 55 0 2 Z3 QR3 0 2 0 3 0 55 例2 3计算机管理系统的模糊评价 五 综合模糊评价 乘加运算法P23 Z1 QR1 0 788 0 066 0 146 Z2 QR2 0 1375 0 73 0 1325 Z3 QR3 0 26 0 235 0 505 模糊评价法作业题2 7 试用模糊评价法对家用洗衣机进行评价选优 三种被评为价的洗衣机分别为滚筒式洗衣机 T 波轮式洗衣机 L 搅拌式洗衣机 J 1 评价目标 加权系数矩阵 A 0 2 0 1 0 3 0 1 0 1 0 1 0 1 模糊评价法 2 对三种洗衣机进行模糊评价评价目标集 Y y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 洗净度 损衣度 价格 耗水量 耗电量 外观 噪声 加权系数矩阵 A 0 2 0 1 0 3 0 1 0 1 0 1 0 1 评价标准集 X x1 x2 x3 x4 优 良 中 差 三种洗衣机的模糊评价矩阵 模糊评价法例 模糊评价法 2 对三种洗衣机进行模糊评价评价目标集 Y y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 洗净度 损衣度 价格 耗水量 耗电量 外观 噪声 评价标准集 X x1 x2 x3 x4 优 良 中 差 三种洗衣机的模糊评价矩阵 RT RL RJ加权系数矩阵 A 0 2 0 1 0 3 0 1 0 1 0 1 0 1 用乘法进行矩阵合成 BT A RT 0 21 0 3 0 41 0 08 BL A RL 0 27 0 55 0 16 0 02 BJ A RJ 0 21 0 48 0 31 0 三 决策方案J L总评为良 方案T总评为中 三者排序为L J T 四 创新思维与技法 创新三要素 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 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 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 LinearMotor 高效加工中心上达到90m 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 SpindleMotor 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 SpindleMotor 四 创新思维与技法 2 数字化创新设计简介国外的发展 四 创新思维与技法 2 数字化创新设计简介国内的发展 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 四 创新思维与技法 基于实例的创新设计 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 2 部分创新技法简介 五 设计实例 专门化数控磨床方案设计 1 明确设计任务 专门化数控磨床方案设计 本章小结 第二章作业 P35 2 12 22 32 52 6试按评分法示例另作一例及其解答2 7 突破思维定势 创意 选题 第五届全国大学生机械创新设计大赛 习比学重要做比说可靠 主题为 幸福生活 今天和明天 内容 休闲娱乐机械家庭用机械设计和制作 休闲娱乐机械 家庭用机械 根据对日常生活所观察到的或根据对若干年以后人们的生活环境和状态的设想 设计并制作出能够使人们的生活更加丰富 便利的机械装置 休闲娱乐机械 家庭用机械 家庭用机械指 家用物件的清洁 整理 储存和维护用机械 休闲娱乐机械指 机械玩具 在家庭或校园内所用的健康益智类娱乐机械 如何选题 切题 爱因斯坦说过 提出一个问题往往比解决一个问题更重要 好的选题是成功的一半要从 问题 中筛选 课题 人类的 好奇心 是产生 问题 的心理源泉 怪异的三角形 好奇分析 突破思维定势 思维定势 习惯性思维 是由人们先前的活动而造成的倾向性思维 在环境不变的条件下 思维定势使人们能够应用已掌握的方法迅速解决问题 在情境发生变化时 它则会妨碍人们采用新的方法进行创造性的工作 思维 是一种复杂的心理现象 是人的大脑的一种能力 思维惯性 这次这样解决了一个问题 下次遇到类似的问题或表面看起来相同的问题 不由自主地还是沿着上次思考的方向或次序去解决 思维定势 思考同类或相似问题的惯性轨道 来自于心理定势 过去的思维影响当前的思维 形成了固定的思维模式 思维定势不利于创新思考 不利于创造 思维惯性和思维定势合起来我们就称为思维障碍 骑自行车 思考题 方轮自行车能骑吗 有两人能并排骑一辆自行车吗 有仿骑马奔腾效果的自行车吗有横骑自行车吗有无把自行车吗半轮自行车能骑吗 思维障碍的原因 知识贫乏无批判的学习迷信固执与偏见习惯性思维 水上自行车 水鸟水上自行车 它既像弹簧高跷 又像喷气式滑雪橇 骑手驾驶它时 一边手握前面的方向杆 一边用脚在其后面的一个小小平台上不停地上下跳跃 以推动水鸟前进 它没有螺旋推进器 也没有踏板 其推力整个来自此水鸟下的水翼 其速度可达30公里 小时 其机械设计是将驾驶者的跳跃动作转变成对后翼的拍打动作 以此推动此水鸟前进 习惯性思维的原因 态度 价值观心理 知识背景过去经验 方轮自行车能骑吗 改变思维定势的误区 创造性思维是一种天份 有些人有 有些人没有 有仿骑马奔腾效果的自行车吗 只要善于发掘 人人都有创造性思维 两人能并排骑一辆自行车 仿骑马奔腾效果的自行车 其特点是车轮的圆心与轴心有一定的偏心距从而使自行车行驶时形成车身周期性的上下波浪起伏 骑车人犹如骑坐在奔驰的马背上一样 改变思维定势的误区 新点子策划太难 要思维敏捷 不是一般人的能力所为 无把自行车 有意识的深思熟虑的积累才能创意无限 雨伞收纳式餐桌 这款餐桌的收纳方式借鉴了雨伞的结构 由于桌面由多个扇形拼接而成 需要将其收起来时 就可以像折叠雨伞一样 将桌子聚拢成一束 非常的节约空间 家庭用机械 改变思维定势的误区 只有聪明人才有好主意 不可以忽略每一个小小的改进 小创意大发明 不要链条传动自行车 如何突破思维定势 勇于探索善于拓展思维开阔打破常规 仔细观察善于变化 每一个具体的创新对象 其属性都是无穷多的就像世界上没有两片完全相同的树叶一样这使得每一个对象都有别于其他任何对象 选题也是这样 世界上所有事物都有可能成为人们创新的对象 因此我们都面临着无穷多的思维对象 选题 自然为师奇思妙想突破原型异想天开 自然为师 模仿是仿生学的基础 人类生活在自然界 与周围的生物为 邻居 这