设计概论课件

1、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 按教学大纲要求，主要讲解六方面的内容： 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 6. 机器人构型设计中的模糊优化建模,第一章 绪 论 1.1设计概念 人类的社会活动：物质财富创造 财富的分配 设计-物质财富创造-最基本的概念 1狭义的设计概念： 设计-客观需求-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。 包括：机

2、构设计-结构（功能结构与工艺结构）与精度设 计-装配设计-维修与运输及安装-报废回收设计-制造规划设计-等。 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。,例3，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。,涵盖面更广的,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

3、含义：A.原创新： 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.产品设计的模式：反馈闭环的模式,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

4、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 1功能概念： 效能 用途 作用 目的 2功能定义的方法： 动词+名词 3功能分析法 （1）总功能确定 （2）功能树作功能分解 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）,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

5、规律设计的转化。 B功能与运动规律之间为1 n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 1 n（单对多）关系,2.4 制定运动规律的原则和步骤

6、 1步骤 （1）功能分析 （2）运动规律分析 （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 a. 能完成要求的操作动作，满足使用性能； b. 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 例1：设计方形罐头瓶自动贴签的机构,（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,图2-10 纸张分离机构,图2-11邮票上胶机构,图2-12带式上胶

7、机构,图2-13 方瓶自动贴签的机构,3) 组合与调整，最后形成方瓶自动贴签的设计机构,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 例2：要设计实现大行程的复杂运动规律的机构,图2-14 大行程复杂运动机构,大行程用线性函数Sk实现，即： Sk = K（t） 复杂运动用非线性函数Sf实现，即：Sf =f（t） 机构系统：机械（丝杠）机构+电磁控制 综上所述：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

8、品性能的影响。,图2-15直线机构,2）机械效益最大原则,图2-16曲柄滑块机构,（2-1）,（2-2）,不计摩擦，瞬间输入功应等于输出功,（2-3）,（2-4）,3）机构效率最大的原则,图2-17 高副低代的机构,4）获得较大的传动角 原则,图2-18 机构的传动角,图2-19 高副机构的传动角,在一个周期中，传动角是变化的，总存在一个最小的传动角,作机构综合时：,0 且, ,要有越过死点措施，通常应用惯性力越过死点,= 0,5）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 重载机构也要有平

9、衡惯性力 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

10、. 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,（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

11、个铰接点； 四级杆：一个构件上有四个铰接点； 若：n2 ：二极杆的构件数 n3：三极杆的构件数 n4 ：四极杆的构件数 nn ：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；n2 = 4 ；,六杆机构 ：有两种配置方案 n2 = 4 ，n3 = 2 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

12、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,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

13、法的分类 1. 基本机构的几何形体的组合机构 2. 基本机构之间的连接特征的组合机构 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 分类方法 机构的组合类别与分类的特征有关 1.以几何特征分类 2按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。,图3-1 组合机构,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。,图3-2 串联组合机构,2）轨迹点串联： 前一输出机构通过

14、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

15、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（评价