2.2现代设计技术.ppt

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1、第二章 现代设计技术,第二节 机械设计问题及过程描述,协同设计的一个关键特征就是强调交流：交流依赖于对名词术语的共同理解。所有有关成员都要使用相同的名词术语来表达相同的物体、方法和行为。,2.1 概述,将产品分解成零件对制造是非常重要的，但设计要聚焦于功能。,2.2 机械系统的分解,在过去很长的历史阶段，机械设计学科只需要机械零件和部件的知识。但是，早在20世纪初，电子元件被引进到机械装置中。从此，机械设计学科经历了从纯机械向机电产品的稳定转变。但是，不管装置如何的“电子”化，几乎所有产品都需要有机械界面来面对公众。另外，所有产品都需要机械设备来进行加工、装配和机械零件来支撑和包容。 在20世

2、纪60和70年代，另一个学科被引进到机电设计中，即：软件设计。现在，许多机电产品中部有微处理器作为控制系统的组成部分。例如：考察一下照相机、办公复印机和许多智能玩具：这些产品都具有机械、电子和软件部分，称为智能装置。这类产品的设计困难在于需要相互交叉，但又显然不同的三个专业领域和设计过程的知识。,一般在设计过程中首先要考虑系统的功能和功能的分解。当功能尽可能地细分后，就可以得到实现这些功能的零部件。因此，机械的分解要有层次。,在机械系统中，形式实现功能，功能决定形式。,2.3 产品功能、行为和性能的重要性 功能的同义词很多。在机械工程领域中，英语常用“function”、“operation”

3、、“purpose”等来表示装置做什么。一种常用的机械装置分类方法是根据它们的功能来划分。事实上，有些装置只有一项主要功能，并用此功能来命名。 功能分解一般要比物理分解困难得多，因为每一个功能可能由多个零件来实现或一个零件实现多个功能。 许多通用装置根据其功能分类编人产品目录。比如：轴承。每一类轴承虽然基本功能相同，即：减少轴和其他零件之间的摩擦，但有不同的几何特征不同外形。,在机械设计中，一旦其基本功能可以通过一个单独的硬件，不论是一个零件还是一个部件来明确表示出来，就可以对其进行分类列目。换句话说，其形式和功能是按照同一个界限来分解的。在许多机械装置中确实也是这样做的，如：泵、阀、热交换器

4、、齿轮箱、鼓风机叶片，而且特别是许多电器元件也是这样分类的，如：电阻、电容器、放大器。 另外，与功能相关的两个术语是“行为”和“性能”。功能和行为往往同义使用。然而，其中还有微小的差别，行为是真实的性能输出，是系统的物理性质对输入能量或控制做出的反应。因此，行为可以去模拟或测量，而功能只能是期望。,性能是对功能和行为的度量。,选择设计问题：选择设计就是从列表中选出一项(或多项)，这个选项满足一定的要求。是最简单的设计问题。 我们的目标就是不按照学科来描述不同类型的设计问题。 2.4.1 选择设计 为解决选择设计问题，必须从一个明确的需求开始，以便能够有效地从产品目录或选项表中得到问题可能的答案

5、。我们必须根据给出的特定需求对可能的答案进行评价，以获得正确的选择。,2.4 机械设计问题的不同类型,2.4.2 组装设计 更复杂一些的设计是组装或称为包装设计。在这类问题中所有零件已经设汁出，需要解决的是如何将这些零件装配在一起组成完整的产品。实际上，这类设计问题与玩搭积木游戏或其他拼装游戏或者是摆放卧室家具类似。 2.4.3 参数设计 参数设计就是要确定表征研究对象特征的特性参数值。这看起来好像很简单只要找到满足要求的值即可。 设计问题可能不是一个简单的方程而是由一组方程和规则制约着的设计。,实例： 复印机主要制造商要为每一台新复印机设计送纸机构(送纸机构包括一组滚子、驱动轮和隔板，以使纸

6、张在机器内由一个位置移动到另一个位置）。许多参数，如：滚子的数量、它们的位置、隔板的形状等，表征了这一特定设计问题的特征。但是，显然送纸机构还有相似之处，不管是纸张起、止的相对位置，还是(运动中的)一些阻碍(机器中的其他零件)一定要指出，也包括纸张的尺寸和重量。公司会提供一系列的方程或条件帮助设计师确定可行的送纸路径。 根据这些信息，设计师就能够确定新产品的相关参数值。,2.4.4 原创设计 要求开发出以前没有过的过程、部件或零件，或者设计师无法得到可用信息的这种设计称为原创设计，如：我们没有看到过轮子而设计出一个轮子，就可以称为原创设计。虽然大部分选择、组装和参数设计问题通过方程、规则或一些

7、逻辑图表述出来，但是原创设计问题一般都不能简化成任何算法。每一个问题都代表了一个新的和惟一的事物。 从许多方面考虑，其他类型的设计问题选择、组装、参数设计仅仅是原创性设计的子集。可能的答案限定在某个列表、零件的安排或者一组相关参数。因此，如果有一个明确的完成原创设计的方法，我们就能够用一组有限的可能答案来解决任何的设计问题。,2.4.5 再设计 在工厂中，许多的设计问题都是对现有产品的再设计。许多再设计问题是程式化的；对设计领域非常了解，所采用的设计方法也可以在手册中表示为一系列的公式和规则供查阅。,有许多设计问题是再设计问题，因为它们是用以前有的、相似的设计为基础的。相反地，也有许多设计问题

8、是原创设计问题，因为它们包含新的、以前的设计不能适用的要素。,实例： 自行车的基本结构包括：两个被张紧、带辐条的等直径轮子，菱形的支架和驱动链，此结构19世纪末期已经完善。 图3.1所示的1890年Humber自行车看起来和现代的自行车很像，但是那个时期不是所有的自行车都是这种结构。 图3.2所示的Otto自行车有两个带辐条的轮子和链，此车的制动和驾驶具有挑战性。 事实上，自行车的设计技术在19世纪末期已经发展得很完善了，1896年就发表了专门的论著自行车和三轮车：关于它们的设计和结构的基本论述。从这本书发表后， 自行车设计的主要变化就是在20世纪30年代加入了变速器。,然而，到了20世纪80

9、年代，传统的自行车设计又开始发生了变化。例如：图3.3所示的概念自行车不再有菱形车架，车架不是钢的，甚至骑行者的位置也不同。这种实验性自行车与前面介绍的自行车产品并没有太多的不同。为什么像自行车这样的成熟设计又开始进化呢? 首先，使用者总是希望提高产品的性能。图3.3中的自行车形式和前言提到的自行车都比传统自行车骑行更舒服和更有趣。 第二，对于人的舒适性、人类工程学和空气动力学的认识进一步提高。 第三，这种结构的自行车更便于大批量生产。 第四，使用者总是希望一些新的、令人兴奋的新事物，即使产品功能上没有很多的提高。,总之，成熟设计的改进是为了满足新的需求，吸引新的顾客，或者采用新的材料。如图3

10、.3所示的FantaE自行车的设计也是程式化的，部分是原创的，另外，还有一些子问题，如：参数问题、选择问题和组装问题。因此，即使是一个成熟产品的再设计，也需要广泛的设计行为活动。,设计就是通过不断地决策，推动信息在技术于社会方面的进化,2.5 机械设计的语言 词语 用一个词或一段文字描述一个实体，如：螺栓这个词或句子“螺栓所受剪切应力的大小等于作用在螺栓上的剪力除以螺栓受剪面积。” 图形 实体的图形，如：按比例绘制的投影图、草图或者艺术性的透视图。 解析 用公式、法则或者程序表示实体的形式或功能。 实物 零件实物或者物理模型。,大多数机械设计问题的初始要求是用词语语言表述的，如写成说明书或者由

11、消费者或管理者提出的书面要求。 设计过程的最终结果是产品实物。虽然设计师给出的是产品图样，不是产品本身，但在产品从最初的简要文字说明到最终的实体形成的过程中，所有的表达方法都将用到。,2.6 约束、目标和设计决策 从初始的设计要求(设计问题)到最终产品的过程是由设计决策不断推进的进化过程i每一个设计决策都改变了设计状态，就像所设计的产品在形成过程中每一个给定时间内得到的有关产品信息的快速摄影，在设计的初始阶段，设计状态只是一个对问题的表述。随着工作进程，设计状态就是对迄今为止获得的所有认识、工程图样、模型、分析和记录的收集汇总。,关于在设计过程中如何从一个设计状态到另一个设计状态有两种不同的观

12、点。 一种观点认为产品是在不断地将设计状态与设计目标相比较中进化的，设计目标是在设计问题表达中描述的对产品的要求。这种理念意味着在设计之初要了解对产品的所有要求，并且这些要求与当前设计状态之间的差异很容易发现。正是这些要求与状态之间的差异控制着设计过程。 关于设计过程的另一种观点认为：当一个新的问题提出时，设计要求有效地将所有可能的设计方案约束到包含所有可能的产品设计方案的子集中。随着设计进程的发展，另一些约束的添加使得可行方案进一步减少，可行方案不断减少直至只有一个最终的设计方案。换句话说，设计就是不断完善和不断运用约束直到剩下惟一的设计方案。这个模式最好地代表了大多数设计问题的求解。,除了

13、在初始设计问题说明中包含的约束外，在设计过程中还有两个来源会增加约束。第一个就是设计师具有的关于机械装置和待求解的特定设计问题的知识：如果一个设计师说：“我知道用螺栓连接可以很好地把钢板连接起来。”那么，这项知识就会约束解决方案只能是采用螺栓连接。因为每个设计师的知识是不同的，所以这种约束被引入到设计过程中，使得每个设计师对给定设计问题所提出的解决方案都是独特的。 第二个在设计过程中增加约束来源于设计决策的结果。如果一个设计师说：“我将采用1cm直径的螺栓来连接这两块钢板。”这项设计结果就被限定在1cm直径的螺栓上，这个约束将对许多其他的决策产生影响拧紧螺栓所用工具的空间、所用材料的厚度等等。

14、在设计过程中，决策的结果是主要的约束来源。因此每个设计师在设计过程中做出好的决策的能力就十分重要。,图3.4 信息的价值,2.7 信息的价值 我们生活在一个信息时代。因为这个论断对我们非常有用，所以了解信息的价值，特别是工程信息的价值是很重要的。图3.4表示出四类信息。最简单的信息类型是数据参数或变量的值。如果我们能够揭示这些数据之间的关系，就可以得到模型。这些关系可能是导出的公式、经验公式或者只是定性模型。这些模型只是数据间的静态关系。为获得知识，我们必须了解或解释模型的行为，最后，当我们积累了足够的知识，我们就可以运用基于这些知识的判断作出设计决策。 在我们的教育过程中，解决过许多数据模型

15、问题。通过求解这些问题，我们获得了作出决策的有关知识。好的决策要靠丰富的知识，它需要涉及有关变量的模型。,图3.5 零件的抽象草图到最终的零件图,2.8 设计是对抽象需求的细化 请看图3.5对同一产品的三种图形表示，图3.5a是一个草图，它只表示出零件的简要信息。图3.5b表示的是同一零件的实体模型。图3.5c是表示出零件细节的零件图。从草图到实体模型图，再到详细的零件图的过程中，对零件的抽象层次得到细化。 一些设计过程技术较好地适用于抽象层次，而另一些适用于更具体的层次，尽管实际上没有真正意义上的抽象层次，但是能够表示出来(零件)形式或功能的连续过程。,2.9 小结 一个产品可以分解成以功能

16、为目标的多个操作系统。它们由机械部件、电子电路和计算机程序组成。机械部件由各种机械零件组成； 机械装置的重要形式和功能模式称为特性。 功能和行为告诉我们某个装置做什么；形式描述了它是怎样完成的。 功能用于描述所期望的行为。 一个零件可能有许多的功能，而一个功能也可能需要多个不同的零件来实现。,机械设计问题有许多不同的形式：选择、组装、参数、原创、再设计、程式化和成熟设计。 机械零件可以通过词语、图形、分析或实体来描述。 设计过程就是不断给可能的产品设计加入约束，直到最终产品形成。设计空间的约束是通过不断与设计要求相比较得来的。 机械设计是一个从抽象表达到最终制成成品的细化过程。 最有价值的信息是相互之间交流的决策信息。,图3.1 1890年的Humber自行车,图3.2 Otto自行车,图3.3 BikeE公司的FantaE自行车,本节结束,