1、第二章第二章 設計方法學設計方法學n概述概述n技術系統及其確定技術系統及其確定n系統化設計系統化設計n評價決策評價決策n設計實例設計實例n商品化設計思想及方法商品化設計思想及方法一、概述一、概述n設計方法學涵義設計方法學涵義設計方法學是用系統的觀點，考慮自然科學、社會科學、經濟科學等各種現代因素，為獲得質優價廉有創新的產品，研究產品的一般設計進程、設計規律、設計思維和工作方法、設計工具的綜合性學科。各國設計方法學研究側重點各國設計方法學研究側重點n德國：設計的進程、步驟和規律，進行系統化的邏輯分析，并將成熟的設計模式、解法等編成規范和資料供設計人員參考。n英美：創造性開發和計算機在設計中的應用

2、。5個重要研究領域：設計中的定量方法和系統方法；方案設計（概念設計）和創新；智能系統和以知識為基礎的系統；信息、綜合和管理；設計學的人類學接口問題。n日本：創造工程，自動設計，價值工程設計方法學的研究對象設計方法學的研究對象n設計對象是一個能實現一定技術過程的技術系統；n設計進程研究設定技術過程及劃定技術系統的邊界，確定技術系統的總功能；n設計評價n設計思維n設計工具n現代設計理論與方法的應用二、技術系統及其確定二、技術系統及其確定1 1 技術系統技術系統技術系統及其確定技術系統及其確定n作業對象物料、能量和信息n技術過程的確定n確定作業對象及其主要轉換要求n確定主要轉換的工作原理n明確實現技

3、術過程的環境和約束條件n確定主要技術過程和其他輔助過程根據高效、經濟等原則，初步劃定技術系統的邊界n技術過程不唯一，相應的技術系統不同技術系統及其確定技術系統及其確定n技術過程的完成人技術系統環境n技術系統的單元作業單元動力單元控制單元檢測單元結構單元技術系統及其確定技術系統及其確定n情報部門n開發部門n制造部門n營銷部門n公關部門n社會部門2 2 信息集約信息集約技術系統及其確定技術系統及其確定n市場調研用戶對象，用戶需求，產品的市場位置，同行，外購件供應；n技術調研現有產品存在的問題，新材料，新工藝，新技術，相關科技成果，標準，法規，專利，情報。n社會環境調研國家政策，產品使用環境，用戶社

4、會心理與需求；n企業內部調研開發能力，生產能力，供應能力，營銷能力；3 3 調研預測調研預測技術系統及其確定技術系統及其確定n產品開發的必要性和可能性n產品國內外現狀及水平n確定產品的技術規格、性能參數和約束條件n提出該產品的技術關鍵和解決途徑n預期達到的技術、經濟、社會效益n預算投資費用及項目進度、期限4 4 可行性報告可行性報告設計任務書作為可行性報告的附件，設計任務書的原則是詳細而明確，先進而合理。三、功能分析設計法三、功能分析設計法例例車床加工零件1 1 功能分析和總功能分解功能分析和總功能分解把多余材料從毛坯上分離出去獲得合格表面車削強力磨削激光加工成型擠壓冷軋用抽象的概念來表述系統

5、的功能，才能深入認識需求的本質。基本功能元及符號表示基本功能元及符號表示絲杠冷軋機的功能樹絲杠冷軋機的功能樹冷軋軋制力測量控制坯料軋制運動自動停止夾緊松開運動徑向軸向旋轉取信號轉換放大顯示啟動停止運動到位超載總功能總功能分功能分功能分功能分功能功能元功能元徑向軸向旋轉功能分析功能分析例例1 齒輪加工方法齒輪加工方法 無屑加工(精密鑄造、粉末冶金成型、滾壓成型)、 切削加工(成型法、展成法)、 成型法加工的盤狀齒輪銑刀和指狀齒輪銑刀、展成法的滾齒和插齒。例例 糖果包裝機設計糖果包裝機設計例例 自動輸送料板的裝置自動輸送料板的裝置 紐結式紐結式折疊式折疊式接縫式接縫式機械推拉機械推拉平板摩擦平板摩

6、擦 工藝動作分解與運動方案選擇有著密切關系。實現同一機器功能工藝動作分解與運動方案選擇有著密切關系。實現同一機器功能時，應盡可能采用動作簡單、工序少數的動作過程。時，應盡可能采用動作簡單、工序少數的動作過程。 例例 加工內孔加工內孔 摩擦輪摩擦輪底部氣吸底部氣吸頂部氣吸頂部氣吸車床車床鏜床鏜床鉆床鉆床拉床拉床 例例 加工平面加工平面 牛頭刨床刀具往復運動牛頭刨床刀具往復運動龍門刨床工件往復運動龍門刨床工件往復運動即使對于同一功能原理，也會有不同的運動方案。即使對于同一功能原理，也會有不同的運動方案。三、功能分析設計法三、功能分析設計法n選擇工作原理不應局限于機械學科 選擇先進的工作原理選擇先進

7、的工作原理: 磁力軸承代替液壓軸承，帶編碼器的伺服電機代磁力軸承代替液壓軸承，帶編碼器的伺服電機代替帶交流電機的齒輪軸系，激光器代替切削機床等。替帶交流電機的齒輪軸系，激光器代替切削機床等。 必須分析工作條件：必須分析工作條件：普通鋼材在超低溫的冷脆性使強度大大降低，而在普通鋼材在超低溫的冷脆性使強度大大降低，而在超高壓下的高塑性使硬度大大降低。脆性材料在高振頻下加工。超高壓下的高塑性使硬度大大降低。脆性材料在高振頻下加工。n構思功能載體2 2 功能元求解功能元求解 檢索: 利用設計目錄、信息庫、手冊等設計工具。 集成：耐拉纖維和耐高溫陶瓷有機結合成為高強度陶瓷，多功能收音機，多功能手拉行李車

8、。 縮放：機器人縮小到進入血管，成為微機械。 變換：電動機的部分矽鋼片變換為永磁材料，成為高響應特性的控制電動機。三、功能分析設計法三、功能分析設計法3 3 方案綜合方案綜合功能元功能載體aa1a2akbb1b2bkblnn1n2nknlnm功能原理方案的形態學矩陣功能原理方案的形態學矩陣加壓執行機構功能形態學矩陣加壓執行機構功能形態學矩陣方案綜合方案綜合n各功能元解必須相容，不相容者淘汰；n淘汰與國家政策，民族習性有矛盾的解；n優先選擇主要功能元的技術先進的解。100.8沖床功能分解：送料沖床功能分解：送料 沖制沖制 退回退回沖頭功能細分：往復運動、增力、急回、減速；沖頭功能細分：往復運動、

9、增力、急回、減速；送料功能細分：間歇送料；送料功能細分：間歇送料；1 1）往復運動、增力、急回功能元可）往復運動、增力、急回功能元可 用以下兩種機構來實現：用以下兩種機構來實現：凸輪機構凸輪機構六桿肘桿機構六桿肘桿機構例：例：2 2）為了實現沖頭的減速功能，可以采用如下方案；）為了實現沖頭的減速功能，可以采用如下方案；兩級帶傳動；兩級帶傳動；兩級齒輪傳動；兩級齒輪傳動；一級帶傳動一級帶傳動 一級齒輪傳動；一級齒輪傳動；3 3）為了實現間歇送功能料，可以采用如下方案；）為了實現間歇送功能料，可以采用如下方案；間歇滾輪傳動間歇滾輪傳動棘輪機構棘輪機構推勾式送料機構推勾式送料機構將上述各種機構進行組

10、合，就能得到多種方案。將上述各種機構進行組合，就能得到多種方案。三、功能分析設計法三、功能分析設計法n設計目錄4 4 設計工具設計工具 對象目錄：對象目錄：提供有關物理、幾何、材料、工藝等設計對象的知識和信息。 作業目錄：作業目錄：提供各種單項設計工作步驟和工作過程及其使用條件和判斷準則等，如構形規則、解法選用等。 解法目錄：解法目錄：列入特定功能、任務或附帶一定的邊界條件，如產生某種功能的效應、載體、外形及制造方法等。三、功能分析設計法三、功能分析設計法n知識庫 數據庫 設計詞典 手冊四、評價決策四、評價決策評價目標評價目標1 1 評價目標樹評價目標樹技術目標：技術性能、工藝性、可靠性、自動

11、化程度等。經濟目標：成本、利潤、投資額、回報率、市場壽命等。社會目標：國家政策、國際慣例、資源、節能、環境污染等。q11b11q12b12q13b13q21b21q22b22q1b1q2b2b評價決策樹評價決策樹建立目標樹需要滿足下列要求：建立目標樹需要滿足下列要求：n把起決定作用的設計要求和條件，作為主要目標，避免面面俱到和主次不分；n各目標之間相互獨立，不能相互矛盾；n高一級子目標只同低一級中相關聯的子目標聯系。簡單評價法簡單評價法ABCDEF總分0155545529024445432403321324150423323114051121128)(12C32nnmSm專家數；n方案數；S各

12、方案總分的差分和；Xi第i個方案的總分。nXXSii22)(評分法評分法n根據規定的標準用分值作為衡量方案優劣的尺度，對方案進行定量評價。0.5壽命0.3電壓0.8性能0.2成本電池評價目標成本元電壓 v壽命h理想值1.69.1120優等值28.9100及格值3.28.685加權系數實際值A2.49100B2.28.6110C1.68.990評分法評分法評價目標成本電壓壽命總分加權系數分值相加 加權方案評分A34.5411.53.95B3.514.593.25C542113.2技術經濟評價技術經濟評價max1/ PgPwniiit技術評價Pi-第i個技術評價

13、指標的評分值gi-第i個技術評價指標的加權系數Pmax-最高分值技術經濟評價技術經濟評價HHwIw/經濟評價H-實際制造成本HI-理想制造成本wtwww 相對價相對價高速專用磨床的主軸前支承有三排深溝球軸承、三瓦液體動壓軸承和球面液體靜壓軸承三種方案。試評價和決策出較好方案。技術經濟評價技術經濟評價模糊評價法模糊評價法l評價目標集X=X1,X2,Xnl加權系數集G=g1,g2,gnl評價集P=P1,P2,Pn求出各方案評價目標對于不同評價標準的隸屬度，建立各方案的模糊評價矩陣，按一定模型合成模糊矩陣，求出考慮加權的綜合模糊評價，折算為按百分比表示的隸屬度。模糊評價法模糊評價法n例：對建立某計算

14、機管理系統的三個方案進行評價決策。投資控制在30萬元以內，15萬元為中，低于5萬元為優。要求性能完善、建成周期短。投資性能周期1、購買專用軟件28優短2、購買通用軟件12中中3、自行開發6差長0.55性能0.2投資管理系統0.25周期模糊評價法模糊評價法n評價目標集B投資，性能，周期n評價集P優，中，差n加權系數集Q0.2，0.55，0.25模糊評價法模糊評價法模糊評價法模糊評價法五、設計實例五、設計實例機械執行系統運動方案設計機械執行系統運動方案設計執行系統是直接完成機械系統預期工作任務的部分。由一個或多個執行機構組成。執行構件的數量及運動形式、運動規律和傳動特性等要求，決定了整個執行系統的

15、結構方案。機械執行系統的方案設計是機械系統總體方案設計的核心。 功能原理設計功能原理設計 考慮選擇何種工作原理來實現機械預期的考慮選擇何種工作原理來實現機械預期的功能。采用的工作原理不同，設計出的機械功能。采用的工作原理不同，設計出的機械會有很大的差異，因此必須根據機械的具體會有很大的差異，因此必須根據機械的具體工作要求，如強度、精度、壽命、效率、產工作要求，如強度、精度、壽命、效率、產量、成本、環保等諸多因素綜合考慮確定，量、成本、環保等諸多因素綜合考慮確定，盡可能多采用幾個方案。盡可能多采用幾個方案。 動作及運動設計動作及運動設計 根據工藝要求進行工藝動作的分解及執行根據工藝要求進行工藝動

16、作的分解及執行運動的確定。同一個工作原理，可以有多種運動的確定。同一個工作原理，可以有多種工藝動作分解。不同的工藝動作分解，將會工藝動作分解。不同的工藝動作分解，將會得到不同的設計結果。得到不同的設計結果。 執行機構型式設計執行機構型式設計 實現同一種運動，可以選擇不同型式的機實現同一種運動，可以選擇不同型式的機構。選用何種機構來實現所需運動，這需要構。選用何種機構來實現所需運動，這需要考慮機構的動力特性、機械效率、制造成本考慮機構的動力特性、機械效率、制造成本等因素。等因素。 執行系統的協調設計執行系統的協調設計 對于由多個執行構件及執行機構組合而成對于由多個執行構件及執行機構組合而成的復雜

17、機械，必須使這些執行構件的運動以的復雜機械，必須使這些執行構件的運動以一定的次序協調配合，以完成預期的工作要一定的次序協調配合，以完成預期的工作要求。求。 機構的尺度設計機構的尺度設計 對所選擇的各個執行機構進行運動和動力對所選擇的各個執行機構進行運動和動力設計，確定各執行機構的運動學尺寸，如轉設計，確定各執行機構的運動學尺寸，如轉動副間的相對位置尺寸、移動副的導路位動副間的相對位置尺寸、移動副的導路位置、高副運動副元素的幾何形狀及尺寸等置、高副運動副元素的幾何形狀及尺寸等等。等。 運動和動力分析運動和動力分析 對整個系統進行運動分析和動力分析，檢對整個系統進行運動分析和動力分析，檢驗是否滿足

18、運動要求和動力性能方面的要驗是否滿足運動要求和動力性能方面的要求。求。 方案評價與決策方案評價與決策 方案評價包括定性評價和定量評價。實現方案評價包括定性評價和定量評價。實現同一種功能要求，可以采用不同的工作原同一種功能要求，可以采用不同的工作原理；實現同一種工作原理，可以選擇不同的理；實現同一種工作原理，可以選擇不同的運動規律；實現同一種運動規律，可以采用運動規律；實現同一種運動規律，可以采用不同型式的機構。因此，為了實現同一種預不同型式的機構。因此，為了實現同一種預期的功能要求，可以有多種不同的方案。機期的功能要求，可以有多種不同的方案。機械執行系統方案設計所要研究的課題，就是械執行系統方

19、案設計所要研究的課題，就是如何合理地利用設計者的專業知識和分析能如何合理地利用設計者的專業知識和分析能力，創造性地構思出各種可能的方案，并從力，創造性地構思出各種可能的方案，并從中選出最佳方案。中選出最佳方案。 機械傳動系統設計舉例機械傳動系統設計舉例一、一、C1325C1325自動車床刀架機械傳動系統的分析自動車床刀架機械傳動系統的分析1 1）功能分析）功能分析功能要求：功能要求：自動換刀，并能沿工件軸向完成進給運動。自動換刀，并能沿工件軸向完成進給運動。進刀凸進刀凸輪機構輪機構刀具刀具主軸主軸轉塔刀架轉塔刀架9工件工件齒條齒條714壓簧壓簧12圓柱凸輪機圓柱凸輪機構構4曲柄曲柄5圓錐齒輪傳

20、動圓錐齒輪傳動3寬齒輪寬齒輪2齒輪齒輪1活動支架活動支架8定位銷定位銷10六槽輪機構六槽輪機構11613功能要求：功能要求：自動換刀，自動換刀，軸向進給軸向進給功能分解：功能分解： 轉位轉位轉塔刀架每次轉過轉塔刀架每次轉過6060 ；讓刀讓刀轉位前刀架先右退，以免刀具與工件干涉；轉位前刀架先右退，以免刀具與工件干涉；定位定位將保證加工精度的定位銷，轉位之前拔出；將保證加工精度的定位銷，轉位之前拔出；進、退刀進、退刀不轉時，精確實現預定的進退刀運動。不轉時，精確實現預定的進退刀運動。進刀凸進刀凸輪機構輪機構刀具刀具主軸主軸轉塔刀架轉塔刀架9工件工件齒條齒條714壓簧壓簧12圓柱凸輪機圓柱凸輪機構

21、構4曲柄曲柄5圓錐齒輪傳動圓錐齒輪傳動3寬齒輪寬齒輪2齒輪齒輪1活動支架活動支架8定位銷定位銷10六槽輪機構六槽輪機構11613退刀：壓簧退刀：壓簧12 12 推桿推桿1313回程回程齒輪齒輪6 6 齒條齒條7 7 活動活動 支架支架8 8向右完成退刀。向右完成退刀。2 2）刀架機械傳動系統的工作過程）刀架機械傳動系統的工作過程讓刀：退刀的同時，齒輪讓刀：退刀的同時，齒輪1 1 的離合器結合并開始轉動的離合器結合并開始轉動 過寬齒輪過寬齒輪2 2 圓錐齒輪圓錐齒輪3 3 圓柱凸輪機構圓柱凸輪機構4 4 拔出銷拔出銷10 10 ； 同時，曲柄同時，曲柄5 5旋轉旋轉支架支架8 8快速向右讓刀。快

22、速向右讓刀。進刀凸進刀凸輪機構輪機構刀具刀具主軸主軸轉塔刀架轉塔刀架9工件工件齒條齒條714壓簧壓簧12圓柱凸輪機圓柱凸輪機構構4曲柄曲柄5圓錐齒輪傳動圓錐齒輪傳動3寬齒輪寬齒輪2齒輪齒輪1活動支架活動支架8定位銷定位銷10六槽輪機構六槽輪機構11613轉位：讓刀快結束時，槽輪開始轉位轉位：讓刀快結束時，槽輪開始轉位曲柄曲柄5 5的后半圈的后半圈 支架支架8 8向左移動完成復位。向左移動完成復位。2 2）刀架機械傳動系統的工作過程）刀架機械傳動系統的工作過程定位：轉位結束時，凸輪機構定位：轉位結束時，凸輪機構4 4的推桿擺動的推桿擺動插入定插入定 位銷位銷10 10 ，齒輪，齒輪1 1離合器脫

23、開并停止運轉。離合器脫開并停止運轉。進刀凸進刀凸輪機構輪機構刀具刀具主軸主軸轉塔刀架轉塔刀架9工件工件齒條齒條714壓簧壓簧12圓柱凸輪機圓柱凸輪機構構4曲柄曲柄5圓錐齒輪傳動圓錐齒輪傳動3寬齒輪寬齒輪2齒輪齒輪1活動支架活動支架8定位銷定位銷10六槽輪機構六槽輪機構11613轉位轉位2 2）刀架機械傳動系統的工作過程）刀架機械傳動系統的工作過程定位定位進給：推桿進給：推桿1313推程推程齒輪齒輪6 6 齒條齒條7 7 活動支架活動支架8 8向左向左 完成進給。完成進給。進刀凸進刀凸輪機構輪機構刀具刀具主軸主軸轉塔刀架轉塔刀架9工件工件齒條齒條714壓簧壓簧12圓柱凸輪機圓柱凸輪機構構4曲柄曲

24、柄5圓錐齒輪傳動圓錐齒輪傳動3寬齒輪寬齒輪2齒輪齒輪1活動支架活動支架8定位銷定位銷10六槽輪機構六槽輪機構11613刀架機械傳動系統的工作循環圖：刀架機械傳動系統的工作循環圖：定位銷定位銷轉塔轉塔活動活動支架支架定位定位拔出拔出靜止靜止轉位轉位后退后退復位復位圓柱凸輪轉角圓柱凸輪轉角0 90 180 270 360 組合方式分析：組合方式主要以串聯方式為主，但在組合方式分析：組合方式主要以串聯方式為主，但在I I、IIII處采用了特殊的并聯方式。處采用了特殊的并聯方式。進刀凸進刀凸輪機構輪機構齒輪齒齒輪齒條機構條機構曲柄滑曲柄滑塊機構塊機構圓柱凸圓柱凸輪機構輪機構槽輪機構槽輪機構連桿機構連桿機構圓柱圓柱齒輪齒輪機構機構圓錐圓錐齒輪齒輪機構機構活動支架進退活動支架進退轉塔刀架轉位轉塔刀架轉位定位銷進退定位銷進退I IIIII3 3）刀架機械傳動系統各機構的組合方式及特點）刀架機械傳動系統各機構的組合方式及特點 機構功用分析：機構功用分析：進刀凸輪機構控制整個工件的加工過程，不同的工進刀凸輪