公理设计经典教程.ppt

1、,第4章 公理性设计,4.2.1 设计公理 4.2.2 设计公理的推论 4.2.3 公理性设计方法 4.2.4 设计定理 4.1.2 面向X设计,4.1 设计公理,公理性设计（Axiomatic Design）方法是美国麻省理工学院N. P. Suh教授于20世纪70年代中期提出来的一种设计决策方法，如果与设计方法学中的“功能分析法”相结合，可以有效地提高设计效率，有助于找到最佳设计解。 自从公理性设计方法提出以来，受到人们的普遍重视，它被用在新产品开发、制造过程设计、软件系统研制等许多方面。 (Axiomatic：自明的),4.1 设计公理,由Suh教授提出的两条设计公理为：功能独立性公理和

2、信息量最少公理。 独立性公理（The Independence Axiom）：在一个可接受的设计中，从功能需求到设计参数的映射过程中，每个功能需求的保证应不影响其他的功能需求。 信息公理（The information Axiom）：在所有满足独立性公理的有效解中，最好的设计方案应使所包含的信息为最少。,4.1 设计公理,独立性公理要求在设计中必须保持产品及零部件功能的独立性。各功能需求之间应是相互独立的。在一个零件上既不希望出现重复的或相同的功能，也不希望一个零件只有一种功能。 这就要求在设计过程中，产品的零部件必须具有多种功能，而且这些功能必须相互独立、互不重复，通过这一点达到构成产品零件

3、的数量为最少。这是由于，产品中每多出一个零件便必须多编制一份工艺规程、相应的工艺装备和毛坯，同时还必须在该零件的质量控制、生产控制以及库存管理上面耗费相当多的人力、财力、物力与时间，从而影响最终产品的成本和交货期。因此，在满足产品功能要求的前提下，构成产品的零部件数必须越少越好。,4.1 设计公理,信息公理要求在设计中必须使产品及零部件的信息量最少。 为满足这一要求，不仅需要构成产品的零部件数量为最少，而且每个零件的结构还必须做到最简单。只有零件的结构最简单，零件所包含的信息量才能达到最少，同时零件才能易于制造。 可以看出， 独立性公理可用来减少设计问题的有效解的数量， 信息公理用来从有效解中

4、找出最好的设计方案来。,4.2 设计公理的推论,根据上面的两条设计公理，可以进一步得出下面的 8条推论/规则： 偶合设计的解偶。如果功能需求之间是偶合的（相关的），那么，设法使它们解偶。 功能需求最小化。使功能需求和约束的数量为最小。 设计特征集成化。在得出的设计解中，如果功能需求可以被独立地满足，那么尽可能地将设计特征集成到一个零件上。 零件标准化。如果功能需求和约束允许，尽量使用标准化零件或可互换零件。,4.2 设计公理的推论,形状对称性。如果功能需求和约束允许，尽量使用对称形状零件，以减少信息内容。 公差最大化。定义尽可能大的公差。 具有可能少信息的非偶合设计方案。在满足一组功能需求的条

5、件下，寻找一个比偶合的设计方案包含更少信息的非偶合的设计方案。 标量的等效正交性。具有偶合矩阵或元素的标量的等效正交性是1。 （若 转置矩阵A=逆矩阵A-1， 则 A称为正交矩阵，且当i=j时，aik ajk=aki akj=1）,4.3 公理性设计方法,产品的设计信息包括产品的设计方案、可行性分析、结构设计和详细设计等。 公理性设计将设计域信息分为4种类型： 用户/需求域信息 功能域信息 结构/物理域信息 工艺/过程域信息 产品设计就是求出这4个域之间的映射关系。 图4-1表示了4个域和它们之间的映射过程。,4.3 公理性设计方法,4.3 公理性设计方法,任何两个相邻域之间都有下面的关系：

6、左边的域定义“我们想做什么”， 右边的域描述“我们希望如何来做它”。 4个域之间可以建立3种映射关系： 建立用户域和功能域之间映射关系的过程相应于产品定义阶段； 建立功能域和结构域之间映射的过程相应于产品设计阶段； 建立结构域和工艺域之间映射关系的过程相应于工艺设计阶段。 后两种映射关系目前研究得较多。,4.3 公理性设计方法,用独立性公理求出每个功能需求与工艺变量之间的对应关系 设计者首先分析用户的需求，并把它们转化为产品的一系列功能需求FR（function requirements） 然后根据产品的功能需求FR来确定零部件的结构及其设计参数DP（design parameters） 最后

7、对零部件进行工艺设计，确定一系列 PV工艺变量（process variables） 在从FR到DP的过程中，可能会得到多种设计方案，对候选方案的评定可以根据信息公理来进行。,4.3 公理性设计方法,设FR为功能需求向量，DP为相应的设计参数向量，则从功能域到结构域的映射可以用下式来表示，称为设计方程组： FRADP 其中，A称为设计矩阵，表示FR与DP之间对应元素的关系。设FR为功能需求向量，DP为相应的设计参数向量，则从功能域到结构域的映射可以用下式来表示，称为设计方程组： FRADP 其中，A称为设计矩阵，表示FR与DP之间对应元素的关系。,4.3 公理性设计方法,设计方程中的任一个方程

8、可以表示为： i=1，2，m 式中,4.3 公理性设计方法,在线性设计方案中，Aij是个常数。 在非线性设计方案中，Aij是DPj的函数。 设计矩阵的一般形式为：,4.3 公理性设计方法,独立性原理可以用设计矩阵A来检验。 若A为对角矩阵，则每个FR可以通过调整某一个DP来保证，而不影响其他的FR。因此，对角矩阵满足独立性公理，这样的设计称为非偶合设计。 若A为三角矩阵，独立性公理也可以被满足，这时，设计参数的变化应遵循一定的顺序，则这样的设计称为准偶合设计。 若A为其他形式的矩阵，则称之为偶合设计。 偶合设计不满足独立性公理，应分解偶合。,4.3 公理性设计方法,类似地，工艺设计要求将结构域

9、中的设计参数DP作为功能需求映射到工艺域中。 设PV为工艺变量向量，同样应有表示DP和PV之间关系的方程形式，称为工艺方程： DPBPV 且,4.3 公理性设计方法,式中，B称为工艺矩阵，表示PV是如何满足DP的，其一般表达式为：,4.3 公理性设计方法,对于一个理想的设计，A和B是两个同样大小的矩阵，设计方程和工艺方程可以组合成一个方程： FRCPVABPV 为了满足独立性公理，矩阵C必须是对角线的或三角形的。对于每个功能需求，有：,4.3 公理性设计方法,公理性设计分两步进行： 第一步是用独立性公理求出每个功能需求和工艺变量之间的一一对应关系，可以得出很多个可行解； 第二步是利用信息公理从

10、众多可行解中求出最好的解来。,4.4 设计定理,由于设计参数数量不足造成的偶合设计：当设计参数的数量小于功能需求的数量时，则设计是偶合的，否则，功能需求不能被满足。 偶合设计的解偶：当一个设计由于FR的数量大于DP的数量而造成偶合现象时，可以通过增加DP的数量（与FR相等）使设计解偶，但此时设计矩阵A应是三角形的。 冗余设计：当DP数大于FR数时，设计或者是冗余的，或者是偶合的。,4.4 设计定理,理想设计：在一个理想的设计中，DPFR 。 对新设计的要求：当功能需求改变后（增加、替换、全部改变），与原功能需求相应的设计参数肯定不能满足要求.必须寻求新的设计解。 非偶合设计的过程独立性：一个非

11、偶合设计的信息容.与设计参数的改变顺序无关。,4.4 设计定理,偶合和解偶设计的过程独立性：偶合和解偶设计的信息容量取决于设计参数的改变顺序和设计参数变化的方式。 独立性和公差：当设计者定义的公差比的结果更大时，设计是个非偶合设计，在这种情况下，设计矩阵的非对角线元素是可忽略不计的。 独立性度量的模块性质：假设一个设计矩阵A能够被细分成主对角线元素为非零的小矩阵，那么，矩阵A的正交性和一致性等于各非零小矩阵正交性和一致性的积。,4.4 设计定理,不变性：只要FR和DP的相对关系不变，一个偶合矩阵的正交性和一致性不随FR和DP变量的顺序改变而变化。 信息和：当事件之间在统计意义上并不是相互独立的

12、，假如适当的条件概率被应用，一组事件的信息和还是信息。 整个系统的信息含量：如果每个DP在统计意义上都与其他事件相互独立，那么，整个系统的信息含量是所有单个事件的信息含量之和。,4.4 设计定理,偶合设计与非偶合设计的信息含量：在功能域中，当FR的状态改变后，偶合设计发生改变所需的信息比非偶合设计所需的信息量大。 设计/制造接口：当制造系统采取折衷措施维护产品FR之间的相互独立性时，或者产品的设计必须被改变，或者应设计一个新制造过程，以便保持产品FR之间的相互独立性。 信息含量的相等：不管设计任务的物理性质如何，它们的信息量具有同等重要性，因此，加权系数是不必要的。,4.4 设计定理,结论：公

13、理性设计（Axiomatic Design，AD） AD方法首先要求给出彼此独立的产品功能需求，然后经设计矩阵与工艺矩阵AB变换，完成从功能域到工艺域的映射，这种变换必须符合独立性公理，否则会因为产品的功能不足或重迭，不能很好地满足用户需求。 AD方法利用信息公理从多个可行解中求出最好的解来。 AD方法有利于保证设计过程围绕用户需求进行，且功能独立，结构简单。 AD方法可视为支持并行设计的理论基础之一。,4.5 面向X设计,4.5.1 面向X设计的内容 4.5.2 面向X设计的特点 4.5.3 面向X设计的工作方法 4.5.4 DFX方法的主要步骤,4.5.1 面向X设计的内容,面向X设计DF

14、X（Design For X）指面向某一应用领域的计算机辅助设计工具，它们能够使设计人员在早期就考虑设计决策对后续的影响。 DFX最初是以面向制造的设计DFM和面向装配的设计DFA出现的。 DFX中的“X”是将DFM和DFA进一步扩展到产品生命周期的所有其他领域，并逐渐形成一个“技术族”，力图设计出好造、好修、好用的产品。无疑，DFX是一类面向产品生命周期的设计方法，它们对提高产品的市场竞争力非常有用。,4.5.1 面向X设计的内容,DFX中的X为产品生命周期内的活动，DFX必须考虑产品设计对后续过程的影响。在产品设计阶段最大程度地考虑所有应该考虑的影响因素，以此达到提高产品质量、缩短开发周期

15、和降低产品成本的目的。DFX的覆盖范围很广，见图4-2 。,4.5.1 面向X设计的内容,4.5.1 面向X设计的内容,面向制造的设计 DFM（Design For Manufacturing）： 可以在产品详细设计阶段即考虑零件的结构工艺性、资源约束、可制造性及加工制造的成本、时间等。 面向装配的设计 DFA（Design For Assembly）： 用来制定装配工艺规划，考虑装拆的可行性，优化装配路径，在结构设计过程中通过装配仿真考虑装配干涉。,4.5.1 面向X设计的内容,面向成本的设计DFC（Design For Cost）： 综合运用产品特征建模技术、制造工艺过程规划、装配工艺过程

16、规划、价值工程分析方法等，使设计者能在设计阶段就综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，进行产品设计成本的综合评价，达到降低产品成本的目的。事实上，DFM和DFA技术也同样是为了降低成本。除DFM和DFA技术外，还有很多降低成本的方法，如价值分析法。,4.5.1 面向X设计的内容,面向质量的设计DFQ（Design For Quality）：是在设计阶段进行质量控制.保证所设计的产品满足用户的质量要求。面向质量的设计技术包括田口博士的三次设计和质量功能展开QFD。 面向维修的设计DFM （Design For Maintenance）：是在设计阶段考虑产品的维修问题，

17、使设计出的产品便于维修（维修的简化性、可达性、维修时的安全性、提高维修效率、防错设计等）。例如，机床的镶装导轨就可认为是一种便于维修的结构。,4.5.1 面向X设计的内容,面向回收的设计（Design For Recycling）：产品用完后的回收和重新利用已越来越受到人们的重视，因为回收和重新利用不仅可以节约资源.还可以保护环境。面向回收的设计主要考虑产品的可回收性和可重用性，设计出便于回收利用的产品。 面向包装运输的设计（Design For Packing and Transport，DFPT ）：是在产品设计时考虑包装和运输问题，要使所设计的产品便于包装，便于运输，且不会在运输过程中受

18、到损坏，例如，有些大型产品在设计时就应考虑到运输问题，采用分段制造、现场装配的方式。,4.5.1 面向X设计的内容,面向均衡寿命的设计（Design For Equipoise Life， DFEL ）：有很多产品，我们希望达到一定寿命后，所有组成部分同时报废，这种使产品（如鞋子）各部分寿命相同的设计称为均衡寿命设计。很显然，均衡寿命设计对节省资源有很重要的意义。 面向操作（人机工程学）的设计（Design For Operating ，DFO ）：面向操作的设计意味着在设计时充分考虑操作者的要求，在操作空间布置、操纵器的位置布置、操纵力等方面适合人机工程学的原理。,4.5.1 面向X设计的内

19、容, 面向环境的设计 DFE（Design For Environment）： 环保型（清洁）生产过程和环保型产品正日益受到人们的重视。环保型生产过程强调在产品生产过程中尽量少消耗各种资源（包括能源、材料等），并使生产过程对环境的污染（无法回收利用的废料、噪声、灰尘、毒烟、污水等）减少到最低限度。环保型产品强调产品使用过程中消耗的资源少，产品使用过程中对环境的污染少，产品对操作者的危害尽可能小，产品可以回收利用。,4.5.1 面向X设计的内容,还有 面向功能的设计 面向美学的设计 面向应力的设计 面向可靠性的设计 面向测试的设计 面向服务的设计 面向拆卸的设计 面向互换性的设计,4.5.2 面

20、向X设计的特点,面向“X”的设计强调在设计过程中考虑“X”因素，但不强调“X”方面的专家与设计人员共同工作。 并行设计却强调各种过程和设计过程的并行进行，特别是生产准备过程和设计过程的并行进行。 可见，DFX的重点是在“因素”上， 而并行设计的重点是在“过程”上。,4.5.2 面向X设计的特点,面向“X”的设计只强调单个的“X”因素很难得到整体最佳化设计。 并行设计强调各阶段的专家共同工作，可以随时将意见反馈给设计者。不片面强调某一因素，有利于得到整体最佳的效果，这是DFX单项技术所无法达到的。,4.5.3 面向X设计的工作方法,DFX工作方法对其效果有很大的影响。 早期的DFM和DFA强调设

21、计的规则性，即将便于加工和装配的经验归纳成一组规则，如“系统的零件应尽可能地少”就是一条使于装配的规则，设计人员对照这些规则来检查设计结果，或者把这些规则溶入产品的设计过程中。,4.5.3 面向X设计的工作方法,后来发展了计算机辅助DFM技术，是采用专家系统原理，把规则编入计算机程序或存入规则库，以帮助设计人员选择正确的机构和结构。 再后来发展到请各方面专家“会审”和“咨询”的办法，但往往是在设计快结束时进行的，除非有重大的问题，一般不会重新大修改原设计，会给后续工作埋下隐患。,4.5.3 面向X设计的工作方法,最近几年发展起来的Team Work式的并行设计，可以认为是对DFX技术的发展。它强调与“X”有关的所有专家组成工作小组，共同工作。所以，并行设计应是DFX的最佳工作方式。,4.5.3 面向X设计的工作方法,在并行设计技术还不成熟的条件下，采用实时咨询的方式也可取得满意的结果。 计算机辅助DFX技术将面对专家的实时咨询变成向计算机咨询，对提高设计效率和质量，降低产品成本，也可收到