某大学设计概论期末总课件.ppt

1、设设 计计 概概 论论本课程：产品设计中的理论及方法。本课程：产品设计中的理论及方法。-概念设计、概念设计、形体设计到制造过程形体设计到制造过程.主要内容：主要内容：1功能分析及产品构思设计功能分析及产品构思设计 产品的机构设计方法学；产品的机构设计方法学；2机构的组合方法；机构的组合方法；3设计评价；设计评价；4柔性制造系统的建模设计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规划、精良生产及并行工程5.模糊理论与模糊规划模糊理论与模糊规划第一章第一章 绪绪 论论 1.1设计概念设计概念 人类的社会活动：围

2、绕物质财富的创造和分配展开围绕物质财富的创造和分配展开 1狭义的设计概念：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：广义设计概念：例1，设计是一种针对目标问题目标问题的求解求解活动；例2，设计是一种创造性的活动创造性的活动，创造前所未有的，新颖而有益有益的东西东西。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的安排 对发展过程进行的活动进行的活动 发展过程：过程：发展方向方向、程序程序、细节、要达到的目标细节、要达到的目标

3、。3创新是设计的灵魂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

4、功能概念及分析方法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制定运动规律的原则和步骤 2.5 创新技法创新技法2.6 机构组合时的基本原则及影响因素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按机构的结构特性作机构组合 第二章第二章 功能分析与机构设计功能分析与机构设计2.1 功能概念及分析方法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：功能概

5、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：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

6、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：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1 n 的关系，即：单对多关系。2功能原理、运动

7、规律与机构综合之间的关功能原理、运动规律与机构综合之间的关系系（1）功能功能与与运动规律运动规律之间存在着对应关系，之间存在着对应关系，运动规运动规律律与与机构机构之间存在着对应关系；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）两个 1 n（单对多）关系（单对多）关系 对于机构设计，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

8、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制定运动规律的原则和步骤1步骤步骤 （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；a.动作协调，无碰撞、干涉、过程平稳。2制定运动规律的原则制定运动规律的原则 运动最简原则及规律集最小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

9、新技法创新技法 1分析综合法（1）分析成熟产品：）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）提取特征机构，组合成设计机构 2思维扩展性思维扩展性在已有成熟产品的机构上作在已有成熟产品的机构上作扩展设计扩展设计，获取新机构，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机构组合时的基本原则及影响因素 1)结构最简原则结构最简原则 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）机械效益最大原则则 3）

10、机构效率最大的原则）机构效率最大的原则 4）获得较大的传动角）获得较大的传动角 原则原则 5）机构动力源因素）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）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

11、 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，锻造出高精度高精度的毛坯。（1）功能分解）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2211VFVF2112vvFF 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）建立功能机构矩阵(343)（3）构造机构方案）构造机构方案 构造机构注意三项原则：a.组合的

12、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）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2n3n4nnn2）单自由度机

13、构中不同运动副的构件的配置 Nnnnnninnnnnnnniin.)3(4)3(.32443246542（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：瓦特链瓦特链 斯蒂芬链斯蒂芬链24n 32n 24n 八杆机构八杆机构：具有三种配置方案：具有三种配置方案 构成构成16种运动链图种运动链图 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及机构的生成法运动链图：运动链图：去掉机构中构件的工程（功能）含义，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，所构成的连接结构只保留构件之

14、间的联接关系，所构成的连接结构图称为运动链图。图称为运动链图。例例4.按步行机构的轨迹，用按步行机构的轨迹，用6杆机构设计步行机构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基本结构变异基本结构变异（1）转动副变异成移动副）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）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

15、）4.瓦特链的代换过程瓦特链的代换过程 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第三章 机构的组合方式机构的组合方式 3.1 机构的组合方法分类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

16、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

17、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

18、，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评价：是一种反馈设计的方法 设计构思阶段设计构思阶段 多中选优多中选优 选出最佳方案选出最佳方案 形体设计过程形体设计过程 与工艺规划同步进行与工艺规划同步进行 ，剔除设剔除设 计缺陷计缺陷，使设计对制造完善。，使设计对制造完善。评价方法按其基本原理可分为三类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、

19、实验评价法、数学评价法 简单评价法：数据作统计简单评价法：数据作统计 量化量化比较排列比较排列选出对首选出对首数学评价法数学评价法：某种算法：某种算法不确定量量化不确定量量化逻辑推理逻辑推理结论结论 技术技术-矩阵法、模糊评价法、层次分析评价法矩阵法、模糊评价法、层次分析评价法第四章第四章 设计评价方法设计评价方法内容：内容：4.1 评价目标及目标权值评价目标及目标权值4.2 简单评价法简单评价法 4.3 评分法评分法4.4 技术技术-经济评价法经济评价法 4.5 模糊评价法模糊评价法 4.1 评价目标及目标权值评价目标及目标权值1.评价目标：目标评价目标：目标 评价依据（评价准则）评价依据（

20、评价准则）技术目标技术目标 经济目标经济目标 生产率目标生产率目标 社会评价目标社会评价目标 2.目标权值目标权值 目标权值目标权值 重要系数重要系数gi（加权系数）（加权系数）gi1 gi=1 目标权值目标权值（1）等权值法）等权值法（2）老手法）老手法（3）加权系数法）加权系数法 （1）等权值法：各项目标的权值均相等，即有：）等权值法：各项目标的权值均相等，即有：ngi1ni,2,111niig例如1：n=425.0ig4,3,2,1i（2）老手法又称为经验法应用统计学的数学期望值确定目标权值的方法。ijmijgmg11（3）加权系数=判别矩阵法j=1,2,n （4-3）niiiikkg1

21、/niinnk1242（4-4）（4-5）3.评价目标树4.2 简单评价法简单评价法 1.点评价法 方案 A B C 评价 目标 满足功能要求满足功能要求 +成本在规定范围内成本在规定范围内 -+加工装配可行加工装配可行 +?+使用维护方便使用维护方便 +-+满足人机学要求满足人机学要求 -+总评总评 +?+5+2.名次计分法名次计分法 （1）得分（）得分（n，n-1，1），计算总分；），计算总分；（2）排序；对首为最佳方案；）排序；对首为最佳方案；（3）一致性检验（）一致性检验（c0.70，c=1最好）最好）)(1232nnmScnxxSii22)(（4-6）（4-7）4.3 评分法评分法评

22、分法：用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评分法：用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。评价。多评价目标多评价目标 单目标评分单目标评分 总目标总目标 的总分的总分 评分分制评分分制概念：概念：1）分制：）分制：10分制分制 （10，8，2）5分制分制 （5,4，3，1）2）评分曲线）评分曲线 3）总分计算法）总分计算法 总分计算总分计算 分值相加法分值相加法 分值连乘法分值连乘法 均值法均值法 相对值法相对值法 有效值法有效值法 2）评分曲线3）总分计算法）总分计算法2.若总分按有效值法计算，则有：（1）获取权值矩阵、评分矩阵；（2）两矩阵相乘得到有效值矩阵；3.有效值法

23、平分法的评价过程4.总分按排序，选出队首元素为评价结果。3.有效值评分法评价的过程：(1)确定评价目标；),(21nuuuu(2)确定各评价目标的加权系数 gi产品B制造精度，外形:产品A尺寸产品 B尺寸，获利:产品A 0.40 元/件 产品B 0.30元/件制作时间:产品B需要1小时,产品A所需要的劳动时间是产品的B的两倍，资源:材料:每天生产400件产品 劳动力:每天500个劳动小时 假设:该公司生产的所有产品都可以销售出去，管理者希望制订一个能获得最大利润的生产计划。1211221212max0.40.3.()400()2500,zxxstg xxxgxxxx x 线性规划模型:线性规划的图解法 12300130 xxz=100元图8.2生产计划的图解法 1211221212max0.40.3.()400()2500,zxxstg xxxgxxxx x