北京航空航天大学设计概论-期末总

设计概论本课程：产品设计中的理论及方法。-概念设计、形体设计到制造过程.主要内容：1功能分析及产品构思设计产品的机构设计方法学；2机构的组合方法；3设计评价；4柔性制造系统的建模设计柔性系统中的求解算法。包括资源规划、机床规划、精良生产及并行工程5.模糊理论与模糊规划,第一章绪论1.1设计概念人类的社会活动：围绕物质财富的创造和分配展开1狭义的设计概念：设计：将客观需求转化为满足需求的技术系统活动。技术系统活动：产品创新设计或产品开发设计中的一切活动。2广义设计概念：例1，设计是一种针对目标问题的求解活动；例2，设计是一种创造性的活动，创造前所未有的，新颖而有益的东西。,设计是“一种构思与计划，以及把这种构思与计划通过一定的手段转为视觉化的活动过程”。涵盖面更广的概念：对发展过程的安排对发展过程进行的活动发展过程：发展方向、程序、细节、要达到的目标。,3创新是设计的灵魂设计目标产品赢得市场产品的竞争力：性能使用户满意；开发周期最短；成本最低；无污染或污染被降低到最低的限度。“创新”的含义：A.原创新：建立新理论、新方法，发明新机构、新运动原理。B.新产品创新：非圆齿轮：凸轮与齿轮的组合；手机：新型手机=手机+电子记事本+网络。,1.2设计过程及产品的开发过程1.设计的四个过程阶段：需求分析构思设计结构与精度设计制造过程设计2.现代产品制造的特点：A.创造设计过程长，制造过程缩短；B.由原来的满足精度，经久耐用的特点现代的个性化、流行化的特征发展。3.现代产品设计的模式：反馈的闭环模式,2.1功能概念及分析方法2.2功能原理与运动规律之间的关系2.3运动规律与机构组合的关系2.4制定运动规律的原则和步骤2.5创新技法2.6机构组合时的基本原则及影响因素2.7按功能结构矩阵设计运动简图2.8.按机构的结构特性作机构组合,第二章功能分析与机构设计,2.1功能概念及分析方法产品设计的首要环节，将市场需求转化为产品的抽象化性能1功能概念：体现在产品实体上的效用性能，包括：效能、用途、作用、目的2功能定义的方法：动词+名词：千斤顶顶起+重物，电池储存+电能定义功能需提取最本质的性能，有助于引导新的构思与产品3功能分析法（1）总功能确定：通过比较输入与输出之间的差别定义总功能（2）功能树作功能分解：将功能分解为多个简单功能元，通过对功能元的求解，得到机构，最后得到总功能的求解方案功能分解获取机构运动简图机构控制简图,（3）功能分解的方法（目的手段）将产品性能的网络结构按树型结构展开进行功能分析,2.2功能原理与运动规律之间的关系板材送料机构都有三个操作：供料，取料与送料。但不同的机构，原理不同，结构也不同；原理相同，结构也不同；功能原理：推力摩擦吸力,归纳：功能与运动规律之间的对应关系A功能与运动规律之间有对应关系，这个映射关系实现机构构思中由功能设计向运动规律设计的转化。B功能与运动规律之间为1n的关系，即：单对多的关系。,（2）直线往复运动的机构（水平）,图2-7往复运动的机构,归纳：运动规律与机构之间的对应关系A运动规律与机构之间存在对应关系，这种关系能实现由运动规律到机构设计的转化。这种转化实现了由设计构思到实体产品之间的联接。B运动规律与机构之间为1n的关系，即：单对多关系。,2功能原理、运动规律与机构综合之间的关系（1）功能与运动规律之间存在着对应关系，运动规律与机构之间存在着对应关系；设计活动：从功能分析运动规律分析机构设计过程转化的有序性、逻辑性（2）两个1n（单对多）关系对于机构设计，优点：灵活性、多样性、丰富多彩性，实现用户对产品的个性化与求异的心里需求。缺点：不同的功能组合构成不同的机构和不同的运动规律构成不同的机构这两层1：N的关系，构成设计的复杂性和分析评价的困难，各种因素难以把握，利弊难以平衡。机构综合中的结构类型选择与机构组合是机构设计的关键点和难点。,2.4制定运动规律的原则和步骤1步骤（1）功能分析将用户使用要求转化为产品的一系列的有序操作动作（2）运动规律分析将复杂运动按某一性能指标分解成若干个基本运行（3）型选择a.原理类型：b.结构类型：（4）运动协调分析及协调设计能完成要求的操作动作，满足使用性能；动作协调，无碰撞、干涉、过程平稳。,2制定运动规律的原则运动最简原则及规律集最小原则减少冗余环节规律集最小运动规律为简单运动II结构最简原则采用新机构、新技术采用简单轮廓结构,2.5创新技法1分析综合法,（1）分析成熟产品：取签上胶压签及贴签贴签瓶的输入与输出（2）提取特征机构，组合成设计机构,2思维扩展性在已有成熟产品的机构上作扩展设计，获取新机构,思维扩展法有两个特点：（1）将多种技术综合应用；（2）在原有的机构上，根据产品的新要求，延续构思，创造出新机构。2.6机构组合时的基本原则及影响因素1)结构最简原则选取的基本机构，减小加工误差与加工累积误差对产品性能的影响。,2）机械效益最大原则,3）机构效率最大的原则,4）获得较大的传动角原则,5）机构动力源因素动力源有多种形式：电能、电磁能、气能、液压、波能量能转换形式电动机、气、液压机构6）动载荷最小原则高速机构，力争:平衡惯性力,平衡惯性力矩重载机构也要有平衡惯性力,平衡惯性力矩措施是：机构取对称结构，重力矩自行平衡机构最有利于重力平衡,2.7按功能结构矩阵设计运动简图一、设计原理与过程1.原理功能运动规律机构之间存在的映射关系分解与组合完成矩阵的手段2功能结构矩阵设计过程1）功能分类，用图形符号表示2）作功能分解按关联树组成功能结构矩阵；3）作原型选择，即：基本机构选择；4）组合成机构，并构造多个方案；5）分析比较，选出最佳方案,图2-20关联数图,二、示例设计一个锻压设备，它采用电动机作为动力源，要求锻压部件（锻头）作上下往复运动，锻造出高精度的毛坯。（1）功能分解分析：电机旋转，锻压头上、下往复运动，机构应有：A.运动形式变换功能，将旋转运动变为直线运动；B.驱动力放大功能,C.锻压头作上、下往复运动方向变换的功能,（2）建立功能机构矩阵(343),（3）构造机构方案构造机构注意三项原则：a.组合的可能性原则，相关点的运动要一致；b.组合的有效性原则组合后运动不干涉，保证运动范围，满足运动精度要求；c.构件的轮廓应有可加工性。（4）分析比较，确定最佳方案结论：依据设计要求，选出方案A,图2-21运动简图筛选方案,2.8.按机构的结构特性作机构组合1.单自由度机构中构件数与运动副的配置1）不同运动符的构件类型及构件数代号二极杆：一个构件上有两个铰接点；三极杆：一个构件上有三个铰接点；四级杆：一个构件上有四个铰接点；若：二极杆的构件数：三极杆的构件数：四极杆的构件数：n极杆的构件数N：机构的总件数,2）单自由度机构中不同运动副的构件的配置,（2-5）,四杆机构：只有一种配置方案；,六杆机构：有两种配置方案:有效配置案一种，构成两种运动链即为：瓦特链斯蒂芬链,八杆机构：具有三种配置方案构成16种运动链图,图2-22六杆机构的运动链图,图2-23八杆机构的运动链图,2运动链图及机构的生成法运动链图：去掉机构中构件的工程（功能）含义，只保留构件之间的联接关系，所构成的连接结构图称为运动链图。例4.按步行机构的轨迹，用6杆机构设计步行机构,图2-24步行机构轨迹图,图2-25瓦特链的倒置机构,图2-26斯蒂芬链链的倒置机构,4,图2-27选出的步行机构,图2-28机构变异,3基本结构变异（1）转动副变异成移动副演化原理：构件杆长变为时，构件：转动副移动副。,（2）低副变异为高副变异原理：变异前、后各构件之间的拓扑关系保持不变。二极杆高副配合面,图2-29机构变异（4杆机构的低副变高副）,4.瓦特链的代换过程,图2-30瓦特链的低副变高副,5.斯蒂芬链的代换过程,图2-31斯蒂芬链的低副变高副,第三章机构的组合方式3.1机构的组合方法分类1.机构的组合类别2.以连接特征的分类类别3.2机构的组合模式1串联组合模式2并联组合模式3反馈组合模式4运载机构5时序组合机构,3.1机构的组合方法机构的组合类别与分类的特征有关有两种分类方法：A.以几何特征分类B.以连接特征分类1.以几何特征分类：多杆机构、凸轮机构、齿轮机构.,图3-1组合机构,图3-2串联组合机构,2以连接特征为主的分类主要以两个或多个基本机构组合时的连接方式为特征：串联、并联、反馈、运载、时序组合（顺序控制）,3.2机构的组合模式1串联组合模式2并联组合模式3反馈组合模式4运载机构5时序组合机构1串联组合模式1）固结式串联：前一机构输出杆与后一机构的输入杆为公共杆。,2）轨迹点串联：前一输出机构通过连杆上的一点将运动传给后一输入机构。,图3-3轨迹点串联,2并联组合模式1）以差动轮系为基础机构的并联机构,图3-4差动轮系的并联机构,图3-5差动齿轮并联组合机构,2）以差动齿轮为基础机构并联组合机构,3）摩擦轮为基础机构的并联组合机构,图3-6摩擦轮的并联组合机构,4）十字滑架为基础机构的并联组合机构,图3-7十字滑架的并联组合,3反馈组合模式反馈组合：输出通过一个机构又返回给输入，联接输出与输入的机构是反馈构件。1）齿轮副与摇杆机构为反馈构件的机构,图3-8齿轮副与摇杆机构为反馈构件的机构,2）凸轮副为反馈构件的机构,图3-9凸轮副为反馈构件机构,3）齿轮副与摩擦轮为反馈构件的反馈机构,图3-10齿轮副与摩擦轮为反馈件的机构,4运载机构运载机构：后一个机构的运动是在前一个机构运动的基础上叠加而成。组合结构按层次叠加。,图3-11电动飞马运载机构,图3-12机器手运载机构,4运载机构,图3-13电扇运载机构,5时序组合机构按各个构件的操作运动的时间顺序依次连接各个组成元件，因此，前一机构的运动总是被累加到后一构件的运动上去。同时，后一构件的启动由前一机构的运动决定。实质上它是一种实现顺序控制的机构。连接：操作时间顺序运动：前者运动累加到后者运动之上后者的启动由前者的运动来决定,图3-14时序组合机构,设计评价：是一种反馈设计的方法设计构思阶段多中选优选出最佳方案形体设计过程与工艺规划同步进行，剔除设计缺陷，使设计对制造完善。评价方法按其基本原理可分为三类：简单评价法、实验评价法、数学评价法简单评价法：数据作统计量化比较排列选出对首数学评价法：某种算法不确定量量化逻辑推理结论技术-矩阵法、模糊评价法、层次分析评价法,第四章设计评价方法,内容：4.1评价目标及目标权值4.2简单评价法4.3评分法4.4技术-经济评价法4.5模糊评价法4.1评价目标及目标权值1.评价目标：目标评价依据（评