第二讲 设计方法学

1、第二章第二章 设计方法学设计方法学n概述概述n技术系统及其确定技术系统及其确定n系统化设计系统化设计n评价决策评价决策n设计实例设计实例n商品化设计思想及方法商品化设计思想及方法一、概述一、概述n设计方法学涵义设计方法学涵义设计方法学是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设计工具的综合性学科。各国设计方法学研究侧重点各国设计方法学研究侧重点n德国：设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。n英美：创造性开发和计算机在设计中的应用

2、。5个重要研究领域：设计中的定量方法和系统方法；方案设计（概念设计）和创新；智能系统和以知识为基础的系统；信息、综合和管理；设计学的人类学接口问题。n日本：创造工程，自动设计，价值工程设计方法学的研究对象设计方法学的研究对象n设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统；n设计进程研究设定技术过程及划定技术系统的边界，确定技术系统的总功能；n设计评价n设计思维n设计工具n现代设计理论与方法的应用二、技术系统及其确定二、技术系统及其确定1 1 技术系统技术系统技术系统及其确定技术系统及其确定n作业对象物料、能量和信息n技术过程的确定n确定作业对象及其主要转换要求n确定主要转换的工作原理n明确实现技

3、术过程的环境和约束条件n确定主要技术过程和其他辅助过程根据高效、经济等原则，初步划定技术系统的边界n技术过程不唯一，相应的技术系统不同技术系统及其确定技术系统及其确定n技术过程的完成人技术系统环境n技术系统的单元作业单元动力单元控制单元检测单元结构单元技术系统及其确定技术系统及其确定n情报部门n开发部门n制造部门n营销部门n公关部门n社会部门2 2 信息集约信息集约技术系统及其确定技术系统及其确定n市场调研用户对象，用户需求，产品的市场位置，同行，外购件供应；n技术调研现有产品存在的问题，新材料，新工艺，新技术，相关科技成果，标准，法规，专利，情报。n社会环境调研国家政策，产品使用环境，用户社

4、会心理与需求；n企业内部调研开发能力，生产能力，供应能力，营销能力；3 3 调研预测调研预测技术系统及其确定技术系统及其确定n产品开发的必要性和可能性n产品国内外现状及水平n确定产品的技术规格、性能参数和约束条件n提出该产品的技术关键和解决途径n预期达到的技术、经济、社会效益n预算投资费用及项目进度、期限4 4 可行性报告可行性报告设计任务书作为可行性报告的附件，设计任务书的原则是详细而明确，先进而合理。三、功能分析设计法三、功能分析设计法例例车床加工零件1 1 功能分析和总功能分解功能分析和总功能分解把多余材料从毛坯上分离出去获得合格表面车削强力磨削激光加工成型挤压冷轧用抽象的概念来表述系统

5、的功能，才能深入认识需求的本质。基本功能元及符号表示基本功能元及符号表示丝杠冷轧机的功能树丝杠冷轧机的功能树冷轧轧制力测量控制坯料轧制运动自动停止夹紧松开运动径向轴向旋转取信号转换放大显示启动停止运动到位超载总功能总功能分功能分功能分功能分功能功能元功能元径向轴向旋转功能分析功能分析例例1 齿轮加工方法齿轮加工方法 无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、 切削加工(成型法、展成法)、 成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿。例例 糖果包装机设计糖果包装机设计例例 自动输送料板的装置自动输送料板的装置 纽结式纽结式折叠式折叠式接缝式接缝式机械推拉机械推拉平板摩擦平板摩

6、擦 工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。 例例 加工内孔加工内孔 摩擦轮摩擦轮底部气吸底部气吸顶部气吸顶部气吸车床车床镗床镗床钻床钻床拉床拉床 例例 加工平面加工平面 牛头刨床刀具往复运动牛头刨床刀具往复运动龙门刨床工件往复运动龙门刨床工件往复运动即使对于同一功能原理，也会有不同的运动方案。即使对于同一功能原理，也会有不同的运动方案。三、功能分析设计法三、功能分析设计法n选择工作原理不应局限于机械学科 选择先进的工作原理选择先进

7、的工作原理: 磁力轴承代替液压轴承，带编码器的伺服电机代磁力轴承代替液压轴承，带编码器的伺服电机代替带交流电机的齿轮轴系，激光器代替切削机床等。替带交流电机的齿轮轴系，激光器代替切削机床等。 必须分析工作条件：必须分析工作条件：普通钢材在超低温的冷脆性使强度大大降低，而在普通钢材在超低温的冷脆性使强度大大降低，而在超高压下的高塑性使硬度大大降低。脆性材料在高振频下加工。超高压下的高塑性使硬度大大降低。脆性材料在高振频下加工。n构思功能载体2 2 功能元求解功能元求解 检索: 利用设计目录、信息库、手册等设计工具。 集成：耐拉纤维和耐高温陶瓷有机结合成为高强度陶瓷，多功能收音机，多功能手拉行李车

8、。 缩放：机器人缩小到进入血管，成为微机械。 变换：电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，成为高响应特性的控制电动机。三、功能分析设计法三、功能分析设计法3 3 方案综合方案综合功能元功能载体aa1a2akbb1b2bkblnn1n2nknlnm功能原理方案的形态学矩阵功能原理方案的形态学矩阵加压执行机构功能形态学矩阵加压执行机构功能形态学矩阵方案综合方案综合n各功能元解必须相容，不相容者淘汰；n淘汰与国家政策，民族习性有矛盾的解；n优先选择主要功能元的技术先进的解。100.8冲床功能分解：送料冲床功能分解：送料 冲制冲制 退回退回冲头功能细分：往复运动、增力、急回、减速；冲头功能细分：往复运动、

9、增力、急回、减速；送料功能细分：间歇送料；送料功能细分：间歇送料；1 1）往复运动、增力、急回功能元可）往复运动、增力、急回功能元可 用以下两种机构来实现：用以下两种机构来实现：凸轮机构凸轮机构六杆肘杆机构六杆肘杆机构例：例：2 2）为了实现冲头的减速功能，可以采用如下方案；）为了实现冲头的减速功能，可以采用如下方案；两级带传动；两级带传动；两级齿轮传动；两级齿轮传动；一级带传动一级带传动 一级齿轮传动；一级齿轮传动；3 3）为了实现间歇送功能料，可以采用如下方案；）为了实现间歇送功能料，可以采用如下方案；间歇滚轮传动间歇滚轮传动棘轮机构棘轮机构推勾式送料机构推勾式送料机构将上述各种机构进行组

10、合，就能得到多种方案。将上述各种机构进行组合，就能得到多种方案。三、功能分析设计法三、功能分析设计法n设计目录4 4 设计工具设计工具 对象目录：对象目录：提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息。 作业目录：作业目录：提供各种单项设计工作步骤和工作过程及其使用条件和判断准则等，如构形规则、解法选用等。 解法目录：解法目录：列入特定功能、任务或附带一定的边界条件，如产生某种功能的效应、载体、外形及制造方法等。三、功能分析设计法三、功能分析设计法n知识库 数据库 设计词典 手册四、评价决策四、评价决策评价目标评价目标1 1 评价目标树评价目标树技术目标：技术性能、工艺性、可靠性、自动

11、化程度等。经济目标：成本、利润、投资额、回报率、市场寿命等。社会目标：国家政策、国际惯例、资源、节能、环境污染等。q11b11q12b12q13b13q21b21q22b22q1b1q2b2b评价决策树评价决策树建立目标树需要满足下列要求：建立目标树需要满足下列要求：n把起决定作用的设计要求和条件，作为主要目标，避免面面俱到和主次不分；n各目标之间相互独立，不能相互矛盾；n高一级子目标只同低一级中相关联的子目标联系。简单评价法简单评价法ABCDEF总分0155545529024445432403321324150423323114051121128)(12C32nnmSm专家数；n方案数；S各

12、方案总分的差分和；Xi第i个方案的总分。nXXSii22)(评分法评分法n根据规定的标准用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。0.5寿命0.3电压0.8性能0.2成本电池评价目标成本元电压 v寿命h理想值1.69.1120优等值28.9100及格值3.28.685加权系数实际值A2.49100B2.28.6110C1.68.990评分法评分法评价目标成本电压寿命总分加权系数分值相加 加权方案评分A34.5411.53.95B3.514.593.25C542113.2技术经济评价技术经济评价max1/ PgPwniiit技术评价Pi-第i个技术评价

13、指标的评分值gi-第i个技术评价指标的加权系数Pmax-最高分值技术经济评价技术经济评价HHwIw/经济评价H-实际制造成本HI-理想制造成本wtwww 相对价相对价高速专用磨床的主轴前支承有三排深沟球轴承、三瓦液体动压轴承和球面液体静压轴承三种方案。试评价和决策出较好方案。技术经济评价技术经济评价模糊评价法模糊评价法l评价目标集X=X1,X2,Xnl加权系数集G=g1,g2,gnl评价集P=P1,P2,Pn求出各方案评价目标对于不同评价标准的隶属度，建立各方案的模糊评价矩阵，按一定模型合成模糊矩阵，求出考虑加权的综合模糊评价，折算为按百分比表示的隶属度。模糊评价法模糊评价法n例：对建立某计算

14、机管理系统的三个方案进行评价决策。投资控制在30万元以内，15万元为中，低于5万元为优。要求性能完善、建成周期短。投资性能周期1、购买专用软件28优短2、购买通用软件12中中3、自行开发6差长0.55性能0.2投资管理系统0.25周期模糊评价法模糊评价法n评价目标集B投资，性能，周期n评价集P优，中，差n加权系数集Q0.2，0.55，0.25模糊评价法模糊评价法模糊评价法模糊评价法五、设计实例五、设计实例机械执行系统运动方案设计机械执行系统运动方案设计执行系统是直接完成机械系统预期工作任务的部分。由一个或多个执行机构组成。执行构件的数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的

15、结构方案。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心。 功能原理设计功能原理设计 考虑选择何种工作原理来实现机械预期的考虑选择何种工作原理来实现机械预期的功能。采用的工作原理不同，设计出的机械功能。采用的工作原理不同，设计出的机械会有很大的差异，因此必须根据机械的具体会有很大的差异，因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定，量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定，尽可能多采用几个方案。尽可能多采用几个方案。 动作及运动设计动作及运动设计 根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行根据工艺要求进行工艺动

16、作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。不同的工艺动作分解，将会工艺动作分解。不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。得到不同的设计结果。 执行机构型式设计执行机构型式设计 实现同一种运动，可以选择不同型式的机实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。选用何种机构来实现所需运动，这需要构。选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。等因素。 执行系统的协调设计执行系统的协调设计 对于由多个执行构件及执行机构组合而成对于由多个执行构件及执行机构组合而成的复杂

17、机械，必须使这些执行构件的运动以的复杂机械，必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调配合，以完成预期的工作要一定的次序协调配合，以完成预期的工作要求。求。 机构的尺度设计机构的尺度设计 对所选择的各个执行机构进行运动和动力对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动学尺寸，如转设计，确定各执行机构的运动学尺寸，如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。等。 运动和动力分析运动和动力分析 对整个系统进行运动分析和动力分析，检对整个系统进行运动分析和动力分析，检验是否满足

18、运动要求和动力性能方面的要验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。求。 方案评价与决策方案评价与决策 方案评价包括定性评价和定量评价。实现方案评价包括定性评价和定量评价。实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原同一种功能要求，可以采用不同的工作原理；实现同一种工作原理，可以选择不同的理；实现同一种工作原理，可以选择不同的运动规律；实现同一种运动规律，可以采用运动规律；实现同一种运动规律，可以采用不同型式的机构。因此，为了实现同一种预不同型式的机构。因此，为了实现同一种预期的功能要求，可以有多种不同的方案。机期的功能要求，可以有多种不同的方案。机械执行系统方案设计所要研究的课题，就是械执行系统方

19、案设计所要研究的课题，就是如何合理地利用设计者的专业知识和分析能如何合理地利用设计者的专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能的方案，并从力，创造性地构思出各种可能的方案，并从中选出最佳方案。中选出最佳方案。 机械传动系统设计举例机械传动系统设计举例一、一、C1325C1325自动车床刀架机械传动系统的分析自动车床刀架机械传动系统的分析1 1）功能分析）功能分析功能要求：功能要求：自动换刀，并能沿工件轴向完成进给运动。自动换刀，并能沿工件轴向完成进给运动。进刀凸进刀凸轮机构轮机构刀具刀具主轴主轴转塔刀架转塔刀架9工件工件齿条齿条714压簧压簧12圆柱凸轮机圆柱凸轮机构构4曲柄曲柄5圆锥齿轮传

20、动圆锥齿轮传动3宽齿轮宽齿轮2齿轮齿轮1活动支架活动支架8定位销定位销10六槽轮机构六槽轮机构11613功能要求：功能要求：自动换刀，自动换刀，轴向进给轴向进给功能分解：功能分解： 转位转位转塔刀架每次转过转塔刀架每次转过6060 ；让刀让刀转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉；转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉；定位定位将保证加工精度的定位销，转位之前拔出；将保证加工精度的定位销，转位之前拔出；进、退刀进、退刀不转时，精确实现预定的进退刀运动。不转时，精确实现预定的进退刀运动。进刀凸进刀凸轮机构轮机构刀具刀具主轴主轴转塔刀架转塔刀架9工件工件齿条齿条714压簧压簧12圆柱凸轮机圆柱凸轮机构

21、构4曲柄曲柄5圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动3宽齿轮宽齿轮2齿轮齿轮1活动支架活动支架8定位销定位销10六槽轮机构六槽轮机构11613退刀：压簧退刀：压簧12 12 推杆推杆1313回程回程齿轮齿轮6 6 齿条齿条7 7 活动活动 支架支架8 8向右完成退刀。向右完成退刀。2 2）刀架机械传动系统的工作过程）刀架机械传动系统的工作过程让刀：退刀的同时，齿轮让刀：退刀的同时，齿轮1 1 的离合器结合并开始转动的离合器结合并开始转动 过宽齿轮过宽齿轮2 2 圆锥齿轮圆锥齿轮3 3 圆柱凸轮机构圆柱凸轮机构4 4 拔出销拔出销10 10 ； 同时，曲柄同时，曲柄5 5旋转旋转支架支架8 8快速向右让刀。快

22、速向右让刀。进刀凸进刀凸轮机构轮机构刀具刀具主轴主轴转塔刀架转塔刀架9工件工件齿条齿条714压簧压簧12圆柱凸轮机圆柱凸轮机构构4曲柄曲柄5圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动3宽齿轮宽齿轮2齿轮齿轮1活动支架活动支架8定位销定位销10六槽轮机构六槽轮机构11613转位：让刀快结束时，槽轮开始转位转位：让刀快结束时，槽轮开始转位曲柄曲柄5 5的后半圈的后半圈 支架支架8 8向左移动完成复位。向左移动完成复位。2 2）刀架机械传动系统的工作过程）刀架机械传动系统的工作过程定位：转位结束时，凸轮机构定位：转位结束时，凸轮机构4 4的推杆摆动的推杆摆动插入定插入定 位销位销10 10 ，齿轮，齿轮1 1离合器脱

23、开并停止运转。离合器脱开并停止运转。进刀凸进刀凸轮机构轮机构刀具刀具主轴主轴转塔刀架转塔刀架9工件工件齿条齿条714压簧压簧12圆柱凸轮机圆柱凸轮机构构4曲柄曲柄5圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动3宽齿轮宽齿轮2齿轮齿轮1活动支架活动支架8定位销定位销10六槽轮机构六槽轮机构11613转位转位2 2）刀架机械传动系统的工作过程）刀架机械传动系统的工作过程定位定位进给：推杆进给：推杆1313推程推程齿轮齿轮6 6 齿条齿条7 7 活动支架活动支架8 8向左向左 完成进给。完成进给。进刀凸进刀凸轮机构轮机构刀具刀具主轴主轴转塔刀架转塔刀架9工件工件齿条齿条714压簧压簧12圆柱凸轮机圆柱凸轮机构构4曲柄曲

24、柄5圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动3宽齿轮宽齿轮2齿轮齿轮1活动支架活动支架8定位销定位销10六槽轮机构六槽轮机构11613刀架机械传动系统的工作循环图：刀架机械传动系统的工作循环图：定位销定位销转塔转塔活动活动支架支架定位定位拔出拔出静止静止转位转位后退后退复位复位圆柱凸轮转角圆柱凸轮转角0 90 180 270 360 组合方式分析：组合方式主要以串联方式为主，但在组合方式分析：组合方式主要以串联方式为主，但在I I、IIII处采用了特殊的并联方式。处采用了特殊的并联方式。进刀凸进刀凸轮机构轮机构齿轮齿齿轮齿条机构条机构曲柄滑曲柄滑块机构块机构圆柱凸圆柱凸轮机构轮机构槽轮机构槽轮机构连杆机构连杆机构圆柱圆柱齿轮齿轮机构机构圆锥圆锥齿轮齿轮机构机构活动支架进退活动支架进退转塔刀架转位转塔刀架转位定位销进退定位销进退I IIIII3 3）刀架机械传动系统各机构的组合方式及特点）刀架机械传动系统各机构的组合方式及特点 机构功用分析：机构功用分析：进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工进刀凸轮