健身器械的创新设计

1、任务书1设计的主要任务及目标1进行市场调查，学习创造技法和设计法学；拟定总体方案，提出产品开发合理模式；运用设计方法基本原理开发日用健身器；2设计的基本要求和内容简述产品开发模式的研究现状和发展趋势，论证本设计的必要性、可行性；指出创新点；对设计进行总体描述并建立系统框架，并有详细的设计框图和流程图，主要介绍了几种设计方法，并结合这几种方法提出了产品开发的模式；利用创造技法，开发设计健身器（最低4种）设计图纸不少于2.张设计说明书不少于1份，字数不少于10000字；3主要参考文献赵慧田发明创造技法M北京：科学普及出版社，1988邹慧君机械原理M北京：高等教育出版社，1999董仲元设计方法学M北

2、京：高等教育出版社，1992梁桂明.董洁晶.创造学与新产品开发思路及实例M.北京:机械工业出版社，20054进度安排毕业设计各阶段名称起止日期1进行调查研究，查阅资料，完成开题报告2014.02.152012.03.082初步拟定总体方案，总体方案论证、确定2014.03.92014.04.0123利用创造技法设计健身器2014.04.132014.04.224绘制几种健身器的零件图及装配图2014.04.232014.05.235撰写并编制论文、打印，准备毕业答辩资料2014.05.252014.06.5健身器械的创新设计摘要：本文对设计学的发展状况进行了介绍，并对德国VDI2222新产品设

3、计模式、三段式设计法、美国R.C.Johnson教授提出的设计模式的介绍，分析、比较几种产品开发设计模式的优缺点。重点介绍了几种创造技法，如功能分析法、反求工程、智力激励法、形态分析法、模块化设计等设计方法，并举了一些实例，阐述如何应用。分析了几种设计类型，结合几种设计方法，提出了产品的合理开发模式，即运用形态分析法和模块化设计方法相结合的开发模式，并以运用设计方法学开发新型健身器为例进行说明。关键词：开发模式，设计方法学，创新方法，形态分析法，模块化设计TheinnovativedesignoffitnessequipmentAbstract：Basedonthedevelopmentofd

4、esignareintroduced,andthedesignmethod,theGermanVDI2222tastingnewproductdesignpatterns,AmericanprofessorR.C.Johnsonmodeofdesign,analysisandcomparisonofseveralproductdevelopmentdesignpattern.Thepaperintroducessomecreatetechniques,suchasintelligenceexcitationmethod,functionalanalysismethod,form,reverse

5、engineering,modulardesignmethod,andthedesignofsomeexamples,expoundshowtoapply.Severaltypesofdesign,combinedwithseveraldesignmethods,theauthorputsforwardthereasonabledevelopmentpattern,theproductthatusingmodularizationdesignmethod,themethodandcombiningwiththedevelopmentmode,andthedevelopmentofnewmach

6、inesusingdesignmethodologyforexample.Keywords:Developmentmode,Thedesignmethodology,Innovativemethodsandform,Modulardesignmethod 目录1前言错误!未定义书签。2开发模式的发展状况错误!未定义书签。2.1发展历程错误!未定义书签。2.2各国设计学发展概况错误!未定义书签。2.3开发模式的比较错误!未定义书签。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark18 3设计方法5 HYPERLINK l bookmark20 智力激励法5 HYPERLINK

7、 l bookmark22 形态分析法6 HYPERLINK l bookmark24 功能分析法9 HYPERLINK l bookmark26 功能分类10 HYPERLINK l bookmark28 功能分解11 HYPERLINK l bookmark30 功能元求解13 HYPERLINK l bookmark32 系统原理解133.4反求工程1错误!未定义书签。3.4.1反求工程的时代背景1错误!未定义书签。3.4.2反求工程的含义1错误!未定义书签。 HYPERLINK l bookmark40 反求设计的过程17 HYPERLINK l bookmark42 3.5模块化设计

8、19 HYPERLINK l bookmark44 国外模块化发展与研究状况20 HYPERLINK l bookmark46 模块化的概念及特点21 HYPERLINK l bookmark48 模块化过程特点21 HYPERLINK l bookmark50 4产品的开发设计合理模式构思234.1各种设计类型的概述2错误!未定义书签。4.2产品系列设计特点2错误!未定义书签。对产品的系列开发设计模式的要求2错误!未定义书签。 HYPERLINK l bookmark58 产品合理模式构思24 HYPERLINK l bookmark60 4.4.1合理模式的几个阶段说明26 HYPERLI

9、NK l bookmark62 合理模式的特点26 HYPERLINK l bookmark64 实例分析265常见健身器材及其作用-5.1扭腰按摩器5.1.1草图说明5.1.2扭腰器5.2踏步器5.3臂力锻炼器5.3.1弹簧拉力器5.3.2双向推胸训练器5.3.3弹簧推力器5.3.4圆柱螺旋弹簧5.3.5拉伸弹簧弹性线图-5.3.6弹簧强度计算5.3.7弹簧刚度计算5.3.8弹簧的选择5.3.9选择结果6扭转盘力的校核7健身器表面涂料的选择-7.1健身器表面涂料的作用7.2表面喷漆的选择错误!未定义书签。错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未

10、定义书签4042424错误!未定义书签。4444454648505050 HYPERLINK l bookmark100 8多功能健身器52结论54 HYPERLINK l bookmark112 参考文献55致谢56 V、性、亠1前言近几年，随着国家对全民健身的大力推动，以及广大群众健身意识的普遍提高，健身已经成为了普通民众一种新的生活方式。为纪念北京奥运会成功举办，国务院批准从2009年起，将每年8月8日设置为“全民健身日”。由此可见，全民健身已经被提升到了国家战略的层面，健身能使全体人民增强力量，柔韧性，增加耐力，提高协调，控制身体各部分的能力，旨在全面提高国民体质和健康水平。产品开发模

11、式的研究，从60年代开始至今，研究理论已进入应用阶段。国标工程设计界对美国、瑞士及和德国的研究结果给予了承认，尤其以德国VDI2222（VereinDeutscherIngenieure德国工程师协会）新产品设计模式最为典型，主张创造性设计的英美学派对此也作了充分肯定。我国工程设计界长期沿用的是“三段式”设计方法，改革开放后获取了国外关于“设计模式”的研究信息。机械工业部在机械工业新产品研制管理办法中提取了新产品研究与发展的模式，力图改进我国长期沿用的“三段式”设计法。为了更好的研究产品开发的模式，本人查找了一些文献资料、学术论文等，如学术期刊有太原重型机械学院学报、机械设计等,著作有机械创新

12、设计、机械设计方法学等，在学术论文网站查阅有关资料。重点在于收集有关产品开发模式的新思路、新观点，为提出自己的观点开拓思路。查阅资料的同时，对一些产品的设计方法进行了学习，同时理清了自己的设计思路。本次设计的创新点是在以往设计的基础上对常见的健身器如：扭腰器，上肢牵引器，举推器等进行某些部位的优化及改进，使其更加接近锻炼者的身体特点，并能对锻炼中可能出现的某些事故进行有效的避免。2开发模式的发展状况设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计思维和工作方法的一门综合性学科。1962年9月在英国伦敦召开的国际设计方法会议被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。若以这个时间点为界，可将设计方法划分

13、为传统设计方法和现代设计方法。传统设计方法是一种经历了直觉设计、经验设计、半理论半经验设计3个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成的至今仍被广泛采用的设计方法。而现代设计方法是具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与CAD结合等特点的科学方法。2.1发展历程传统设计阶段：设计方法学的发展应从古代人类发明工具开始算起，早在中国的先秦时期就有记录机械设计方法与思想的著作。在工业化时代之前，设计依靠的是直觉和经验。如早期的制陶者根据经验与构思直接操作黏土，做出所需要形状的陶器，并没有事先绘制陶器的形状，经验来自师傅对徒弟的培训及徒弟自身实践的积累。在工业化开始后，设计方法学进入了半理论半

14、经验设计阶段。这一时期的代表有：F.Redtenbacher提出的机械设计基本原则，可认为是最早的机械设计理论基础；A.Erkens提出了今天意义上的方法学观点；H.WSgerbauer的贡献被认为是方法学设计的起点；以及C.Bach、A.Riedler、F.RStscher、K.Laudien和R.Franke等。现代设计阶段：20世纪60年代初，国际市场竞争日趋激化，为了在市场中占有一席之地，一些工业发达国家大力开展设计理论与方法学研究。1962年9月，在英国伦敦召开的国际设计方法会议(TheConferenceonDesignMethods)被认为是设计方法学作为一个研究领域的开始。经过

15、德国、英国、美国、日本、苏联等国学者的探索、研究和实践，已形成具有程式性、创造性、系统性、优化性、综合性以及能与CAD结合等特点的科学方法。它与传统设计存在着继承共存突破的关系。2.2各国设计学发展概况德国概况德国学者F.Kesselring、GNiemann和JA.Leyer等，是现代设计方法的先行者。之后德国工科大学的教授F.Hansen、J.Muller、W.G.Rodenacker、K.Roth、K.Koller、R.Wchtler、G.Pahl、W.Beitz、K.Ehrlenspiel等人开始了一场全力以赴的方法开发。其中，Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研

16、究的正教授。Pahl和Beitz的系统化设计方法和Grabowski的泛设计理论(UniversalDesignTheory，UDT)，是德国设计方法学的代表。英国概况英国成立了多个机构组织来促进设计方法学的发展，如组建于1944年的“工业设计委员会(1972年，更名为“设计委员会一DesignCouncil)，1966年成立了“设计研究学会(DesignResearchSociety)，1994年组建了“工程与物理科学研究委员会(EngineeringandPhysicalSciencesResearchCouncil)等。英国设计方法发展的转折点是1963年Fialden的报告，而J.C.

17、Jones于1970年出版的设计方法(DesignMethods)被认为是英国“设计方法运动”的代表作。美国概况美国在创造性开发和计算机技术应用方面的工作特别突出：1952年，美国麻省理工学院提供了第一台数控铳床；1963年，I.Sutherland研制了第一个计算机辅助设计(CAD)系统Sketchpad；20世纪70年代，H.A.Simon的研究作产生了一个全新的领域人工智能(ArtificialIntelligence)。这一时期美国的几个组织机构，美国国家科学基金委员会(NSF)、美国国家研究委员会(NRC)和美国机械工程师协会(ASME)，指导推动了美国设计方法领域的发展。美国80年

18、代后期提出的“并行工程”和N.P.Suh提出的“公理设计”如今以得到广泛应用。日本概况日本研究设计方法学具有标志性意义的起点也是1963年，这一时期许多外国文献介绍到了日本，其中对日本冲击最大的是美国的自动化设计和CAD技术“。重要成果有：东京大学K.Hongo编辑出版了设计理论丛；N.Okino、Y.Kakazu、H.Kubo等人开发的TIPSI和II系统；T.Mifune开发的订货自动整台电动机设计的系统一一OrderEntrySystem。日本也在这一时期产生了几个重要的设计理论：ShigeruMizuno和YojiAkao提出的“质量功能配置”(QualityFunctionDeplo

19、yment，QFD)；Yoshikawa提出的“通用设计理论”(GeneralDesignTheory，GDT)；GenichiTaguchi提出的口田方法(TaguchiMethods)。2.3开发模式的比较下面将“三段式”设计方法，我国“机械产品设计进程模式”(1980年)，美国R.C.Johnson教授提出的设计模式，德国VDI2222新产品设计模式比较分析中表2.1所示。表2.1称名*模式优点握少掌屮rm么J-9者易验，短经单期计简周设功骤计有成步设对获123销完制馈计设12整计的设售善模式不足、多、性识用学意应差科观法幟乏主方体程少科性过据代造计依现创设观对12客3,够性不123扭模

20、式优点宪应技系效律析个理规分论一物维值理作术思价计看技合，设程求符比用设发复用价把出到运评1能单2济功简经从从术体考及方过循、的收论环回理循，计个售假、一销运闿ri亠宀1创2生用了了利现虑再模式不足差计123握掌尖考笼有太没从表1中可以看出：现有的典型设计模式都有其自身的优点和不足，作者在吸取了以往学者的研究成果及这些典型模式优点的基础上，结合国情，结合产品的细类开发设计的特点，提出科学、实用、合理的系列开发设计模式，以填补国内研究空白，加速设计速度，提高设计质量，推动产品系列开发创新，使产品有更强的市场竞争力3设计方法下面主要针对在设计过程中运用到的设计方法进行探讨与研究任何创新都是在传统知

21、识和成果基础上产生的，没有坚实的知识基础，就不可能在已有的技术水平上发展、创新。人类创造出来的每一件“新作品”，在当时的环境中看来是最好的，但随着时间的推移核技术的进步，人们就会发现他的不足，发现他需改进、需要完善，甚至需要用其他东西来取代。从这个意义上看：创新只有起点而永无终点。传统的学习与研究是一种尊重已有知识、遵循已有方法、高度浓缩的思维活动。然而学习与研究的目的不仅仅是对已有知识的准确把握，学习的真正目的在于创新。学习与研究只有牢牢的扎根于传统科学之中，才有可能打破旧的传统而获得创新。科学家必须依附于一种传统，但突破性的成功又在于与之决裂。在一个根深蒂固的传统领域中进行深入的研究，比那

22、些没有收敛标准的研究更能打破传统，因为任何泛泛的研究绝对没有比长期集中而更容易发现传统中的疑点和深度。因此，一切创新活动都应当从学习大量的传统知识开始。智力激励法智力激励法又称智暴法。它的英文原文是BrainStorming,故又称为头脑风暴法或BS法，是创造学的奠基人一美国学者奥斯本于1939年创立的。智爆法是运用群体创造原理，充分发挥集体创造力来解决问题的一种创新设计方法。这种方法的操作过程是：针对一个设计问题，八五六个人召集到一起进行讨论，与会者可以敞开思想，畅所欲言，充分表明自己对解决该问题的意见，供设计者参考研究。智暴法的中心思想是：激发每个人的直觉、灵感和想象力，让大家在和睦、融洽

23、的气氛中自由思考。不论什么想法，都可以原原本本的讲出来，不必考虑这个想法是否“荒唐可笑”。为此，组织者对与会者提出四条原则规定：不许对他人意见进行反驳，不做批评，不下结论，力求避免在会上使用“这根本行不通”、“这种思想体荒唐”和“棒杀”他人意见的话。欢迎自由奔放的思考、鼓励海阔天空的议论，努力营造一种相互激励的气氛，借与会者之间的知识互补、信息交流、情绪鼓励，提出大量有价值的设想。提出的设想越多越好。4）允许综合的改进他人的设想。例如，美国北部冬季气候严寒，大跨度的输电线常被线上的积雪压断造成事故。如何避免这类事故，过去一直未能找到好的解决方案。后来，电力公司决定采用智爆法来解决这问题。会上有

24、人提出设计一种专用电线扫雪机；有人提出用电热来化雪；也有人提出用振荡技术来清除积雪。其中有人提出一个几乎十分滑稽可笑的方案：乘坐直升飞机去扫除电线上的积雪。一位工程师在听到这个想法后，思维受到激励，马上提出利用直升飞机螺旋桨产生的高速下降气流扇扫积雪的方案。方案提出后，顿时又引起其他与会者的联想，进一步提出制造专用的“除雪飞机”和“特殊扇雪螺旋桨”等创意。会后，公司组织专家对各种设想进行论证，最终选择了用改进直升飞机扇雪的方案。于是一种专门用于清除电线上积雪的小型直升飞机就这样诞生了。形态分析法形态分析法又称形态方格法、棋盘格法或形态综合法。其出发点是：创新并不一定要创造一种完全新的东西，也可

25、能是陈旧东西的重新组合（组合创造原理）。这种方法以建立形态学矩阵为基础，通过对创造对象进行因素分解，找出因素可能的全部形态（技术手段），再通过形态学矩阵进行方案综合得到方案的多种可行解，从中筛选出最佳方案。所谓因素，指构成事物的特性，如产品的用途，产品的功能等。形态指实现相应功能或用途的技术手段，如“时间控制”功能作为产品的一个因子，那么“手动控制”“机械定时器控制”“电脑控制”则为相应因子的表现形态。形态分析法的具体过程如下：（1）因素分析因素分析就是确定创造对象的构成因素。在确定因素时应确保个因素在逻辑上彼此独立，本质上十分重要，属灵上充分全面。这就要求设计者必须预先感觉到经过组合形式的各

26、种方案的粗略结构，从而才有可能认识到哪些因素是重要的和对立的，也才有可能寻求到更多的相关因素。这是整个方案创新的关键，他需要设计者具有丰富的经验和创造新产品的极大欲望。（2）形态分析形态分析即按照因素的功能属性尽可能多的列出满足功能要求的各种技术手段（即形态）。显然，要尽可能多的列出实现某种功能的个专业领域的各种技术手段，收集情报和查阅资料十分重要的。（3）方案综合方案综合包括方案形成与方案优选。假如创新对象由n个因素构成，而每个因素又有m种形态，从每种因素中取出任意一种形态进行组合就可以构成一个方案。设t表示第i个因素的第j种形态，将所有因素的全部形态构成形态矩ij阵表可表示为：t11t21

27、每一行的一种形态于其它行的成供选择的方案数N为tt121mtt222ntij一种形态组合就组成一个方案，因此，可组N=nm当然，这N个方案中并不是每一种方案都成立，有些可能是重复的，有些可能是无效的，但无论如何，他为设计者提供了一个能系统而全面的搜索形成创造性方案的程式化方法，为用计算机自动生成方案提供了可能性，也为设计者提供了一个能系统而全面地搜索形成创造性方案的程序化方法，为计算机自动生成设计方案提供了可能性，也为设计者优选方案提供了评选的基础。例如，在研究挖掘机的设计方案是可以做如下的分析：挖掘机必须具备五个独立的功能因素，即动力、移动、挖掘和分别给移动、挖掘传递动力共五个功能因素。列出

28、能满足上述五个功能因素采用的技术措施（形态），组成挖掘机设计方案的形态学矩阵见表3.1.表3.1挖掘机设计方案形态学矩阵功能因素技术措施（形态）123456A动力电动机汽油机柴油机蒸汽透平液压机马达B移动动力传动齿轮传动涡轮传动带传动链传动液力耦合器C移动轨道及车轮轮胎履带气垫D挖掘动力传动拉杆绳传动汽缸传动液压缸传动E挖掘挖斗抓斗钳式斗根据上表进行组合可得6X5X4X4X3=1440种设计方案。其中，根据选优比较采用A+B+C+D+E组合得到履带式挖掘机；采用A+C+D+E组合得到152425242履带式挖掘机。由于上述两种挖掘方案具有合理的结构形式和对特殊工况的适应能力，已在挖掘机的生产制

29、造中被广泛的采用。又如，在研究新型单缸洗衣机的设计方案是可以做出如下分析：洗衣机必须盛装衣物、污分离物、控制洗涤三个功能因素。三个功能因素中“分离污物”是最关键的功能因素，在考虑如何将污物从衣物上“分离”时，应从各个技术领域去深入思考，采用可能应用的一切技术措施，包括现有的和先进的，甚至暂时没有但有可能通过努力而实现的。根据上述分析可得表3.2所示洗衣机方案设计形态学矩阵。表3.2洗衣机方案设计的形态学矩阵功能因素功能解（形态）1234A盛装衣物铝桶塑料桶玻璃桶陶瓷桶B污分离物机械摩擦电磁振荡热胀超声波C控制洗涤人工控制机械定时电脑控制根据上表进行组合，可得4X4X3=48中方案，其中：A+B

30、+C是最原始的洗衣机；A+B+C是目前市场销售的普通型单缸洗衣机；A1+B+C是一种简单的112231热张增压式洗衣机，其工作原理是用热水加洗涤剂，用手摇的方式使洗涤桶旋转加压，达到分离衣物上污物的目的；A+B+C是一种新型的，用电磁震荡除去衣物上污122物的的洗衣机；A+B+C是一种应用超声波除去衣物上的污物的洗衣机。142图3.1为超声波洗衣机的工作原理图。洗衣时先在桶内放入衣服，加入水和洗涤剂。启动气泵1后，使其产生具有一定压力的气体由管2经风压调节管4和输气管3送至洗涤桶下部，再经喷嘴5在水中产生细小气泡，气泡上升至水面上破裂产生503000Hz的超声波，其中2000Hz以上的超声波可

31、使衣物纤维产生强烈的振动，在超声波的振动和污物与脂类的乳化作用下，油脂及污物从衣服上被分离出来。气泡上升及水流对衣物摩擦，进一步强化了洗涤剂去污效果。这种洗衣机由于没有旋转部件，工作时噪声很小，节水节电，衣物磨损小，洗净度高，是一种市场潜力很大的新型洗衣机。功能分析法19世纪40年代，美国通用电气工程师麦尔斯首次提出了产品“功能”的概念。他认为：“用户购买的不是产品的本身，而是产品具有的功能”。既然人们购买的是产品具有的功能，那么任何一种产品在保证实现功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。换句话说，功能是产品的本质，而具体内容只是一种形式，只要本质不变，形式可以是各种各样的。采用对产品进行

32、功能分析的方发，可以把对产品具体结构的思考转化为最产品功能的思考，从而可以排开产品形式结构对思维的约束，放开手脚搜索一切能满足产品功能要求的工作原理，搜索满足这些工作原理的技术装置功能载体，并且通过各种功能载体的组合和优选，找到能实现产品功能要求并具有创造性设计方案。这种紧紧围绕产品功能进行分析、分解、求解、组合、优选的方案设计方法称为功能分析法。功能分析法的步骤和各设计阶段应用的主要方法如图3.2所示图3.2功能分类从不同角度出发，功能可以有各种不同的分类，按其性质、用途、重要程度和逻辑关系可将功能做如下分类：（1）基本功能和辅助功能基本功能是指产品具有的用来满足用户某种需求的效能，是产品的

33、用途或存在的价值。例如，电视机的基本功能是显示图像，如果电视机失去了这一功能，或这一功能出现故障，即使它具有其他方面的功能，需要看电视的用户也不会购买它，它对这些用户而言也就失去了存在的价值。一个产品基本功能的数量根据其分类的角度不同可以有一个或数个。例如，冷暖空调可以降低室温，也可以升高室温，因此，它具有两个基本功能。但是我们也可以认为它只有一个功能，即调节室温。辅助功能是与基本功能并存的，但是处于次要地位的附加功能。它是为了更有效地实现基本功能而添加的功能，但是没有它，产品并不会失去基本使用价值。例如，手表中的日历显示功能，汽车内的音响、空调、电视机给车辆带来的功能都属于辅助功能。在进行创

34、造性构思时，在确保实现基本功能的前提下，创造者可以根据设想和需要任意添加或舍去各种辅助功能，以保证产品更好的实现其基本功能。例如，目前市场上卖的家用洗衣机，“去污”是洗衣机的基本功能，“脱水”可以看作是辅助功能，洗衣机可以添加“脱水”功能，从而使洗衣机使用方便，当然也可以不添加这种功能，这样可以降低成本。因此添加什么辅助功能，添加多少辅助功能应根据产品的具体要求而定。实用功能和表现功能实用功能是指产品的实用价值。以插齿机为例，插齿机如果没有插制齿轮这一实用功能，他就失去了价值的存在。表观功能是指对产品起美化和装饰作用的功能。表观功能包括产品形态、色彩、图形、暗示作用等方面的内容。大多数的产品通

35、过添加表现功能可以提高产品价值，加强使用功能。对绝大多数产品而言，使用功能是第一位的，而表现功能是第二位的。必要功能和不必要功能必要功能是指用户所需要的功能，包括产品的基本功能和辅助功能。由于产品的使用功能和表现功能是通过基本功能和辅助功能来实现的，因此必要功能也包括使用功能和表现功能。以上我们从不同的角度出发对功能进行了分类，对功能进行分类分析有利于我们弄清楚产品应具有的全部功能，明确哪些功能是必要的，哪些是多余的，从而影响创造或发明的具体方向。对产品功能进行分类有利于我们掌握产品或系统中各功能之间的逻辑关系和相互作用关系，从而保证最终功能的实现。对产品功能进行分类能帮助我们从先进的产品中找

36、到关键技术，为产品的再创新拓宽思路。同时，功能分类分析也是价值工程的核心。功能分解从系统轮的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，那么一个系统的总功能也应该可以分解为一些分功能。因此，我们可以将产品或技术系统的总功能按功能的逻辑关系逐层地展开，分解为只完成一项或一方面功能任务的功能元，为最终寻找到能完成功能元的技术单元功能载体奠定基础。然而，功能分解的具体内容取决于实现功能应采取的功能原理和实用的手段，即采用的工作原理和手段不同，功能的分解结果也不相同。因此，当总功能目标确定后，首先需要考虑的是用什么工作原理来实现它，即构思实现总功能的原理型设计(亦称功能原理设计)。功能原理设计是一个创造性的

37、构思过程，这个过程没有一定的法则可遵循。功能原理设计的最终结果主要取决于设计者本人的知识、经验、才能和灵敏。任何一个功能原理设计一定有解，但肯定不会是唯一的，而且要得到一个绝对理想的解是非常困难的。功能分解可以按照以下方法进行：1)按照解决问题的因果关系或目的手段关系进行分解。例如，台式虎钳的总功能是“施压加紧”。为了加紧，必须施压，前者为目的，后者为手段，顺着这种思路逐步进行分解。2)按照工艺过程的空间顺序或时间顺序来分解。如汽水自动灌装机的分功能包括：输送瓶、盖，汽水的贮存与运输、灌装，加盖、封口，贴商标，成品输送。可按上述工艺过程来确定其功能分解内容和顺序。功能分解的结果一般可用图表示为

38、一种树状的功能结构，称为功能树。功能树起源于相当于总功能的树干，实现总功能这一目标的所需要采用的全部手段功能构成一级分功能，这些分功能相当于数值。实现一级分功能目的手段功能又构成二级分功能，构成小树枝。如此分解，知道分解到可以直接求解的位于树枝末端的功能元。由于总功能分解为分功能再分解功能元，最后做出功能树状结构图过程，成为功能分析。图3.3所示为材料拉伸试验机经功能分析后得到的功能树结构图。图3.3功能元求解将总功能分解为功能元的目的是为了便于找到实现功能的功能载体。设计功能载体是完成原理方案的重要设计环节。功能载体是具有可以完成某一功能属性的物体。物体的属性是多方面的，人们可以在一定条件下

39、利用物体的某种属性来完成某些特定的功能。物体属性包括物理特性、化学特性、运动特性、几何特性、节谢特性等。例如利用一对渐开线齿瞬时传动比恒定的特性，可以实现传动比传动的功能；利用一对齿轮的齿廓与包容这对齿轮的机壳间容积的变化这一特性，可以制成齿轮泵或齿轮马达，实现泵或马达的功能。因此，功能元求解的关键是在科学原理的基础上寻求尽可能多的载体。系统原理解当功能元的解法求出后，将各功能的解合理地组合起来成为一个整体，便形成实现系统总功能的原理解。系统原理解可以用功能元解形态学矩阵求出。以系统的功能元为行，各功能的相应解法位为列，构成形态学矩阵。将个功能元的不同求解进行组合可以形成多个系统原理，记得到多

40、个原理设计方案。在组合过程中应当注意：组合在一起的各功能元的解应具有相容性，即个功能元的解在几何学、运动学、能量流、物质流和信息流上分析是相互协调的，不相互干扰，不相互矛盾，否则形成的方案应予以剔除；其次，组合的方案从技术和经济效益上衡量具有先进性、合理性和经济型。例如，设计某化工厂用双干搅拌机。（1）功能分析得功能结构图3.4。图3.4（2）在功能元解法目录表中查出降速法、回转摆动的功能元解法和两杆同摆的解法，将功能元及解法（功能载体）组成功能形态矩阵如下表3.3：表3.3传动方案形态学矩阵功能因素功能载体（形态）1234A降速齿轮传动带传动链传动摩擦传动B回转-摆动曲柄摇杆机构摆动导杆机构

41、摆动从动杆凸轮机构C两杆同摆平行四边形机构摆动从动杆对称凸轮机构3）双杆搅拌器原理方案取三种功能的各一种解法组合可得N=4x3x2=24共24中方案。根据工厂的使用条件比较恶劣，且摩擦传动体积太大，故从24种方案中选用齿轮啮合传动或链传动得A+B+C和A+B+C两种方案如图所示。其中第一种方案结构紧凑；第132311二种方案可实现远距离传动，成本低。反求工程反求工程的时代背景二次世界大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电

42、等行业上最突出。为了国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求工程(InverseEngineering)或反求设计(InverseDesign)，这两者是同一内涵仅是不同国家的不同提法。发展到现在已成为世界各国在经济发展中不可缺少的手段或重要对策反求工程的大量应用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制等，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济世界各国都在

43、研究对策。从共性特征可以概括为4个方面：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程，使之能在高的起点去创造新产品。反求工程的含义反求工程是综合性很强的科学，它是以设计方法学为指导以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业员的工程设计

44、经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。(1).正设计人们通称的设计，一般均指正设计。它是对一个事物真相事先并不知道，通过设计师的创造性劳动，变为人类需求的产品。为此，首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案。经过一系列的设计活动，变为产品。概括地说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，其示意图如图3.4。市场需求设计要求设计师的创造性活动产品图3.4正设计过程示意图(2).反设计反设计是从已知事物的有关信息(包括硬件、软件、照片、广告、情报等)去寻求这些信息的科学性、技术性、先

45、进性、经济性、合理性、国产化的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要的本质是在此基础上要改进、挖潜，进行再创造。反求的目标如仅限于仿制，是最原始、低级的模仿，其质量和生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权保护制裁。图3.5为反设计过程示意图。已知一个确定的事物通过消化进行再创造I产品图3.5反设计过程示意图如果说正设计的关键是要解答“怎么做?”。即设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标那么反求的关键则是要解答“为什么要这样做?”，即已知目标后，要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和

46、设计理论与方法。从这个意义上说，正设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难度。故反求并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，这是因为：(1)先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握：(2)别人的思维不会告诉你，要想“钻进别人脑袋里去挖出来”，需要艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求工程的研究和应朋是多么重要。正设计和反设计既有区别又相辅相成，具有丰富正设计经验和水平的人，可以显著提高反求水平

47、；反设计的成功经验可以促进正设计的水平。但缺乏正设计经验者，反设计中也不能充分消化吸收。作为一个国家来说，吃透别人的技术仅仅是第一步在此基础上结合国情进行再创造，变成有自主权和竞争力的新产品，才是反求工程的完整意义和目的。反求设计的过程反求设计分为两个阶段：反求分析阶段与再设计阶段。反求分析阶段：通过对原有产品的剖析，寻找原产品的技术缺陷，吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。再设计阶段：是一个创新设计阶段，包括变异设计和开发设计。在对原产品进行反求分析的基础上，开发出符合和市场需求的新产品的过程，称为“再设计”。反求设计的过程如图3.6所图3.6机电产品作为一个系统（如图3.7

48、所示），在对它做分析时就应该以系统整体效益为目标，以寻求解决特定问题的最优策略为重点，运用定性和定量分析方法，最终获得反求设计对象的最佳切入点。能量流*物料流1信息流图3.73.5模块化设计模块和模块化设计理论本身是一种较新颖的方法理论,其诸多的设计方法在产业系统的综合应用得到了较为深入的推广系统原理!标准化的原理以及方法理论构成了主要的理论基础。当前模块化进程中,模块化是作为一种标准化的形式被加以应用,有人称之为积木化或者组合化,但是模块化的具体含义（实质和模块化理论的实际应用却鲜有突破性的成果）与传统的设计方法不同,模块化产品设计不是面向某一个产品,而是面向整个的产品系统,即面向产品族设计

49、，模块化设计是标准化设计和组合型设计的结合,一般来说,模块化设计有两个对象,一个是针对特定功能的模块,另一个则是针对有使用功能的产品。产品的模块化设计分三个层次第一层次为对设计研发产品进行一个总体的把握,将产品从整体上进行系统的模块化设计，即模块化系统总体设计；第二层次，对模块化总体设计下的各个功能模块部分进行分类、分部划分,完成产品各模块系统的设计,即模块系统设计最后,将各个产品模块按照模块化总体设计的要求将分模块进行产品的整体把握,完成模块产品总体设计,即模块的产品设计。产品的模块化设计系统复杂,若仅凭经验进行设计违背了模块化设计的初衷,设计出企业适用高效的模块化产品系统,应遵循合理的原则

50、和方法,运用各种分解组合方法,重视模块接口的设计。国外模块化发展与研究状况模块化设计方法最初于年诞生于德国,一家家具公司设计出了一种理想书架,划分为底座、架体和顶板三种模块,该家具公司的架体具有几种不同尺寸类型,客户可以根据要求自己选择适合自己的理想书架,这就构成了最早按照模块化思路设计产品的先例,其中的架体也就是现在模块化理论中的通用模块此后一段时间,该理论被各行业的技术人员研究并应用到相关的技术行业,就形成了现在的模块化设计概念,模块化设计在机械行业的应用极为广泛,尤其以机床行业最为显著。近些年,模块化设计的思路在国内外的汽车行业也被广泛重视。随着计算机技术的飞速发展,以及技术、虚拟制造、

51、柔性制造以及产品协同技术的广泛应用,使得模块化的思想在产品设计中得以快速的实施,并充分应用到机床、电子、家具、船舶以及汽车等行业中。在模块化技术方面,欧洲发展较快,美国紧随其后,日本相对滞后。上世纪70年代以后,才是这种设计方法得到真正普及应用的时期。舰船和飞机模块化技术的应用,在第二次世界大战期间得到充分的应用,例如美国的一轰炸机在利用模块化技术划分为六个模块,极大的提高了这种轰炸机的性能和设计效率,于此同时,德国的潜艇也利用此技术将潜艇进行船体的模块化。随着模块化技术日渐成熟,当代的国外产业制造更加重了模块化的利用效率，以汽车产业为例,在美国底特律汽车工程学会年会上,美国公司展出一辆概念车

52、，该车的车厢内饰件全部实现模块化,车厢内被简化为前座模块、后座模块、仪表板模块、车间衬模块、车门模块和行李箱衬模块等六大件,六大模块与电气、机械设备进行预装配,极大的节省了设计生产时间。上世纪末期,公司率先将引擎结构进行调整,实现了汽车行业中的引擎模块设计,使得引擎中的大多数零部件实现通用化,尽量减少规格部件重合的部分,实现各部分零部件的有效组合。这种引擎模块设计使得发动机本身的生产工艺最优化，此外，像克莱斯勒、戴尔、索尼等各产业也充分的利用了模块化设计的技术,并取得了同行产业中的骄人战绩。通过其内涵,揭示了模块的主要特征模块是系统的组成部分具有确定功能的单元一种标准单元是具有能构成系统的接口

53、。上述各条具体概括了模块概念的内涵，而模块概念的外延则是具有上述特性的任何独立单元都可以认为是广义范围内的模块。模块化的概念及特点模块化概念所谓模块化,指为了获取最佳效益,从系统观点出发研究产品的构成形式,用产品设计过程中的分解或者组合的方式,建立模块体系,并用模块组合成产品的全过程。模块化研究如下的概念，功能需求集是市场和客户对模块化产品基本功能要求的集合,可以功能树的方式表达。产品功能需求分析是实施产品模块化设计的依据,为进一步创建合理的模块系统,必须针对性地收集、分析市场需求对全部产品集的基本功能要求。功能单元功能单元描述的是模块的功能,它是在对产品功能树进行相关性分析的基础上,进行功能

54、划分的结果，功能模块产品结构中对应于功能单元的产品组成元素。结构模块结构模块属于功能模块的一个具体模块结构,结构模块一般由部件或子结构模块组成。模块接口描述结构模块组合时相互间几何、物理关系的结合面。模块接口是模块可组合的依据，模块接口的标准化决定着模块的通用化程度。基型模块是指设计中通用性强、结构完整的典型结构模块。由基型模块组成的模块化产品称为基型模块化产品，变型模块变型模块指在基型模块的基础上,针对特定的功能需求改变模块某些结构参数而派生出的模块。变型模块化产品指的是在基型模块化产品基础上通过替换、增减某些功能模块而组成的模块化产品。模块化过程特点目的性建立一个模块化系统,需有一个明确的

55、目的或者对象目标，没有明确的目标,模块化就失去方向，系统内部要素和参与模块化系统工作应有序进行,才能保证模块化中的分工协作有一定的基础,确定了相应的目标,就应有相应的分阶段的计划和措施实现从整体到部分的产品模块化系统性贯穿模块化整个过程中,直至模块化的实现。综合性模块化的目标建立一个模块系统和模块化产品系统,这是综合性和复杂性系统工程,模块化周期比较常,往往涉及多个研发部门,多个学科专家通力协作,这需要投入相当程度的人力、物力!以及资金它涉及的不仅仅是技术问题,而且涉及系统的管理以及模块实现后的服务。在模块化过程中,在考虑各种要素的基础上制定综合性的计划,使模块化工作有序进行。超前性鉴于模块化

56、的周期比较长,在进行某种产品或者某种系列产品的模块化设计时,应考虑到模块化的预期效果,达到何种程度,是否实现产品在设计研发过程中的优化,因此应具有超前性。模块化方案的确定,需模块化的规划者有比较高的技术起点,正确预测模块化发展趋势,在模块化的进行过程中应该及时预测和追踪技术的发展方向,及时采用新的技术,以确保模块化系统技术的先进性和准确性。而且,超前性亦表现为,在模块化规划阶段不仅考虑系列化计划,而且考虑时间序列的产品扩展。动态性模块化过程是一个动态过程,一个模块化的产品系统不仅有其形成!完善和成熟的过程,而且还有其老化和更新的过程。由于新技术的不断出现,以及市场需求的多变性,随着时间推移,已

57、经建立的模块系统某些模块会因老化而被淘汰,需要补充新的模块,才能实现模块化的更新,进而影响产品的更新,实现经济效益的最大化。除此之外,任何系统都会有其寿命周期,当原有的模块仅靠优化更新无法实现产品技术更新时,则需要模块的动态转化。因此建立一个模块化系统以后,需要及时调整和更新,才能充分发挥模块化的优势。4产品的开发设计合理模式构思4.1各种设计类型的概述不同设计工作，其设计要达到的目标、要求及条件均不相同，相应的设计模式亦应不同，所以关于设计类型的描述讨论，逐步建立合理的设计模式是必不可少的。根据材料并结合机械产品设计之特点，归纳整理如表4.1所示。表4.1设计类型简述开发性设计是没有样机的创

58、造性设计，从产品的基本要求出发，设计出质和量方面都满足要求和功能的产品适应性设计在产品工作原理基本保持不变的前提下，对产品进行局部变更，满足质和量的附加要求的设计变参数设计工作原理、总的结构型式都不表，仅改变产品部分结构、尺寸及布局的设计系列开发性设计在没有样机的情况下，创造性地开发设计参数、型式、尺寸、性能等指标均有一定排列规则的一组产品从表1中发现，几种不同的设计类型，其工作性质也各不相同，所以其设计模式也应有区别，由此，我对产品的系列开发设计合理模式进行探讨。产品系列设计特点产品系列化设计是按标准化基本原理，以及性产品为基础，根据社会或生产需要，将主要参数及形势变化排成系列，以设计出同一

59、系列内各种型式、规格的产品。产品系列化设计有以下要求和特点：（1）统一规划，精心设计“基型产品”，利用相似原理，发展系列内其他规格产品;（2）产品具有较高的标准化，通用化水平，降低了生产成本；（3）归纳总结寻求同列产品的共同规律，以基型产品为主，兼顾变性产品，设计系列产品产品系列开发设计具有开发型设计和变参数设计特点，开展产品系列的开发创新设计，可不断扩展产品功能，提高产品质量，增加产品类型，缩短产品开发周期，增强产品的国际竞争力。对产品的系列开发设计模式的要求通过产品系列设计特点的分析，作者认为研究制定以及评价产品系列开发设计模式应遵循以下几条原则：（1）设计模式的结构组成要简明扼要，具有通

60、用性和使用方便性；（2）应符合客观事物的发展规律既符合设计对象的形成和发展的规律；（3）应符合思维发展规律即有利于创造性发挥；（4）应有利于最新科研成果、科学理论的应用；（5）尽可能做到对各种研究对象具有普遍意义，对各类产品系列开发均可以实现具体化。根据以上几条原则，结合各种设计模式之优点，产品系列开发设计模式应具体体现在以下特点：（1）系统性系统理论为基础；（2）逻辑性符合事物发展规律；（3）创造性充分运用各种创造技法，体现创造设计性；（4）简明性模式简单明了，易理解、掌握和运用；（5）新颖性体现现代设计法，信息贯穿现代设计主线，运用现代设计理论方法；（6）实用性符合国情，符合产品系列开发设