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1、机械创新设计,武汉理工大学物流工程学院物流自动化系,第三章系统化设计方法,（计划与原理方案设计）,系统化设计法是将设计对象看作一个系统，用系统工程的方法进行分析与综合，按设计进程有条理有步骤地进行设计，以求得价值最优的最佳方案的一种方法。计划是设计进程模式中的第一阶段内容；原理方案设计是设计进程模式中的第二阶段中第一步的内容。这二者决定了整个设计的方向和基本构思。,明确设计任务（计划阶段的主要内容）如果把一次设计看作是进行一次战役的话，那么计划阶段的任务就是要确立此次战役的战略目标，制定战略思想。,此阶段有三项具体内容：需求识别（确立此次战役的战略目标）调查及可行性研究产品设计任务书,明确设计
2、任务,需求识别应列入设计的进程模式中，因为认识到一种需求，本身就是一个创造过程。爱因斯坦说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个科学上的实验技能而已，而提出新问题，新的可能性，以及从新的角度看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”有一位软件设计人员说：只要你想得出的（即认识到某种需求），他就能设计得出。有很多产品出自于生产实践和生活，而设计者是一些门外汉。为什么不是专家或内行设计的呢?这是因为不能他们认识到这种需求，没有参与这一创造过程。目前，社会上有许多人或单位有资金，有技术，有场地，就是没有产品，这就是因为不能识别需求。,明确设计任
3、务,需求有两种：一种为显需求，一种为隐需求。显需求是人们都知道的，说得出来的明显需求。如衣食住行的产品：各种衣服，食品，房屋及交通工具等。隐需求是人们还没有意识到的潜在需求。显然，今天的许多显需求，在昨天还是隐需求。如微波炉，在推向市场之前，人们对它只是一种隐需求，进入市场后，人们使用起来觉得很方便，它才变成一种显需求。设计者的任务不仅仅是去不断改进，提高那些满足人们显需求的产品，更重要的是要去开发那些满足人们隐需求的产品。(显需求一般为适应性设计与改进性设计，隐需求一般为创造性设计),例,明确设计任务,一次战役的胜负不取决于局部战术，决定的因素在于明确的战略目标和正确的战略思想。一次产品开发
4、的成败，最困难的不一定是采用科学技术手段的高低，而是确定需要什么样的产品。如果一个产品开发出来以后，不能被市场所接受，则说明开发它的战咯目标和战略思想不正确，或者市场调查不够深入。,所以说，需求识别的结果就是确立了此次战役的战略目标。,明确设计任务,此阶段是在需求识别所确定的产品构思基础上，从市场需求，技术，经济，社会以及法律政策等方面进行全面的调查与分析，并论证该产品构思是否有效。如果可行，那么构思出一套可行的方案，并提出可行性研究报告，作为本阶段的输出，进入下一设计阶段。,明确设计任务,2调查及可行性研究,现在国际国内都比较重视项目的可行性研究，以尽量避免或减少失误造成的经济损失。对于一些
5、大项目，更是慎之又慎。,可行性研究报告包括以下主要内容：(1)从市场需求预测出发，论述该设计项目的必要性；(2)该产品目前国内外现状及水平；(3)确定产品的技术规格、性能参数和约束条件；(4)提出该产品的技术关键和解决途径；(5)预期达到的技术、经济、社会效益；(6)预算投资费用及项目进度、期限。,明确设计任务,3产品设计任务书拟定产品设计任务书即为明确系统的功能，输入与输出，确定系统的边界及约束条件。任务完成后可根据产品设计任务书提出的设计要求，作为评价的依据。(1)拟定原则*全面：尽可能列出全部设计要求；*定量：设计要求尽可能定量化；*适度：设计要求定得不高不低：*先进：与同类产品相比能体
6、现出先进性。,明确设计任务,(2)设计要求产品设计要求是设计、制造、试验和鉴定的依据。设计要求一般包括以下几方面：必达要求根据设计任务规定，必须无条件达到的要求。如机械产品的功能，生产率，精度，安全性与可靠性等指标。最低要求主要反映设计的边界及约束条件（即系统的环境）。如机械产品的工作环境，空间尺寸，噪声大小，维修可达性等。尽量满足的要求(即希望)在可能条件下希望考虑的要求。,明确设计任务,(3)设计任务书的格式,目前设计任务书没有统一的格式，它可用明细表，合同书等方式表达。产品设计要求拟定后,必须以设计任务书的形式固定下来。设计任务书是设计师进行产品设计的路标,是产品鉴定和验收的依据,是解决
7、设计单位和委托单位之间矛盾的准绳。,明确设计任务,19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的功能。在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。机械产品的常规设计是从结构件开始，而功能分析则是从对机械结构的思考转为对它的功能思考，从而做到不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。,功能分析设计法,功能分析设计法,明确设计任务,在产品创新设计中,由于只有在认清问题本质的同时,才能得到根本性的创造。而产
8、品概念设计的主要目的是产生满足所需功能要求的设计解,设计过程受功能制约,也就是说,设计由功能引导,所以功能在概念设计中起着十分重要的作用。功能根据不同的研究领域和不同的研究对象有不同的定义。当功能与组件相联系时,它表现出一种相关性;在实际运作上,功能是组件在能量、材料、信息之间输入和输出的一种关系;在实施目标上,功能又是设计目的和组件行为之间的一种纽带;对具体产品来说,功能是指产品的效能、用途和作用。人们购置的是产品功能,人们使用的也是产品功能。当功能与原始问题相联系时,功能成为描述设计问题的行为和结果。,功能分析设计思路,明确设计任务,产品设计过程的出发点是来自于产品设计任务书,也就是说,产
9、品设计是要在设计任务书要求的条件下达到预定的目的,实现系统的目的功能。而产品概念设计是根据任务书的要求产生设计概念,它的目的是为设计系统寻找一个或一组满足设计任务书要求的原理解,它的过程是将抽象的功能转化为具体结构。设计方法学中提出了从给定的设计任务书中产生一个设计的全局功能,然后对此功能分解成一系列相互独立的子功能,再由此子功能形成一个层状的可映射到结构解的功能结构。,技术系统的功能即产品的用途。功能是产品所具有的能够满足用户某种需要的特性。按功能的重要程度，功能分为两类：基本功能与辅助功能。基本功能是实现产品使用价值必不可少的；辅助功能即产品的附加功能。如闹钟：基本功能是指示时间，辅助功能
10、是提示注意。系统具有的功能一般总是以成本作为代价的，多余的功能会使用户付出更多的代价，所以附加功能要根据技术条件进行取舍或改变。,例,功能分析设计法,功能概念,功能分类,按用户要求的性质分，有使用功能与外观功能。使用功能是指产品的实际使用价值，即能够满足用户使用要求的功能。齿轮加工机床的“加工齿轮”的功能：载重汽车的“运输货物”的功能：手表的“指示时间”的功能等，都是使用功能。外观功能是指在使用功能的基础上，对产品起美化，装饰作用的功能。外观功能具有吸引顾客的作用。同类产品中，在价格，性能相同的条件下外观最受顾客欢迎者，必能取得竞争的优势。故在设计产品时，在保证实现产品的使用功能的前提下，还必
11、须注意重视产品的外观功能。,例,功能分析设计法,按用户的需要划分，有必要功能与不必要功能。必要功能是指凡是用户所需要的功能。不必要功能是指凡是用户不需要的功能，包括多余功能及过剩功能。多余功能是由于不根据实际情况分析而盲目照搬已有设计形成的。吉普车过去在战场或恶劣环境中越野行驶，具有前后轴分别驱动的功能在城市中行驶前轴驱动功能就成为多余的功能。过剩功能是指有的功能属必要，但超过产品所需的适宜程度。产品的功率，速度，寿命等性能超过实际需要；采用过分贵重的原材料；不必要地提高加工精度等。使用普通车床加工批量很大的零件（已成为专用机床）时，车床的变速功能则成为多余的。,例,例,例,功能分析设计法,采
12、用功能分析法进行原理方案设计时，按下列步骤进行工作：(1)确定总功能(2)总功能分解(分析)(3)功能元求解寻求完成功能元的技术实体功能载体(4)求整体方案解(综合)(将分功能解组合成整体方案解)(5)评价与决策(对得到的多种方案优选出最优解)此过程中，用到了解决问题的逻辑步骤：,分析,综合,评价,决策,功能分析设计法,功能分析设计步骤,(1)功能定义一要抽象，二要准确，二要简洁。抽象：确定总功能时应首先使设计问题抽象化抽象与具体对应了两种思维方式。问题越具体思维就会越收敛，问题越抽象则思维就越发散，发散思维才有创造性。,确定总功能,不论是开发性设计(设计全新产品)，还是适应性设计(改造已有产
13、品)，都要求设计人员能够跳出已有产品结构原理的框框，去探索，开拓实现新产品功能的新思路，新方法。由于思维的惯性作用，人们的思维易被已有产品结构，原理所局限，依循着老的设计思路兜圈子。要使设计者产生新思路，就必须把问题抽象化，其目的就是为了有利于开拓设计思路。,确定总功能,破壳取仁,壳仁分离,砸：锤（冲击）,夹：（杠杆）,压：（静压）,扔：核桃向硬靶,取出核桃仁的功能描述,功能定义,作用于核桃,原理解法,钻孔后，向壳内充气,整体加压：外压骤减，内压破壳,除以上考虑外,反作用于核桃,外部施力,内部施力,抽象化,还原法则,逆向思维,例,确定总功能,确定总功能,中国古代哲学家老子认为我们所见的万物之本
14、隐入不可见之中。人的本质不在肉体的外貌。产品的功能也不在可见的结构。实际的设计问题千变万化，多种多样且各具特色。设计师必须善于简化问题，提炼出本质的要素，揭示整个体系的内在结构或者形式即是抽象化的过程。,功能定义务求准确，避免失真，要客观地反映产品的真实功能。自来水笔通常用来写字或绘图功能定义只能表达产品的基本效用，没有说明实现效用的具体条件。如果没有具体条件的约束，能达到定义所规定功能的产品将会有很多种。能够完成“加工孔”的功能的机床,确定总功能,准确,例,例,，如果定义为“写字”就会失它自身并不能完成这个功能。它的功能应该定义为“存和出墨水”。,就有钻床、镗床、铣床、车床、拉床、内园磨床等
15、等。,因此在设计之前，必须根据用户需要确定实现功能的约束条件，才能设计出完全符合用户要求的产品。钻床的功能定义应为“在无孔处加工出孔”。,定义功能应用最简单的语句，一般用一个动词加上个名词来表示。千斤顶的功能就是顶起重物；洗衣机的功能就是除去污迹；钟表的功能就是指示时间。,确定总功能,简洁,使用简明确切的语句反映产品或零部件的基本效用，使人一看就能明了该产品的作用或用途。,例,确定总功能,黑箱法的特点：便于摆脱具体的结构只按功能来思考，通过“黑箱”与输入量和输出量及周围环境的信息联系，了解其功能特性，进一步探求系统的机理和结构逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。一般的黑箱示意图如下：,系统分析方
16、法-黑箱法,待设计的技术系统（黑箱）,物料,物料,能量,能量,信号,信号,环境对系统的影响,系统对环境的影响,值得注意的是：黑箱法并不能确定系统的总功能，它只能通过“黑箱”与输入量和输出量及周围环境的信息联系，探求系统内部的结构，对分析系统的总功能由哪些分功能组成是较好的。,确定总功能,(1)功能分解树为了更好地寻求解答，应当把技术系统的总功能分解为比较简单的分功能或功能元，一般分解到能直接找到解法的功能元为止。功能分解不只是问题求解的手段，而且是深刻认识事物的方法，即化整为零。分功能或功能元的输入量和输出量之间的关系更为明确，所需的物理原理比较单一，较易求解。功能分解的结果用功能分解树的形式表达比较简单，易于掌握。功能分解树的末端树叶即是功能元。,总功能分解,总功能分解,例,单桶全自动洗衣机的功能分解树,除去污迹,容器,动力,控制,联结与支承,容纳衣物和水,传递与转换,进水,波轮旋转,桶体旋转,搅水,脱水,排水,定时：波轮正反转,脱水启停,电源开关,总功能,总功能分解,例,电风扇的功能分解,使空气
