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1、现 代 设 计 方 法,宁夏大学 机械工程学院朱学军,Modern Design Methodology,第二章 设计方法学,一、概述,二、技术系统及其确定,二、技术系统及其确定,三、系统化设计：以机械执行系统运动方案设计为例,功能原理设计,根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作,运动规律设计,通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理,执行机构型式设计,决定选择何种机构实现给定的运动规律,执行系统协调设计,执行机构型式设计,根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图,确定各
2、执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图,运动和动力分析,检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求,方案评价与决策,对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案,三、系统化设计,1. 执行系统的功能原理设计 功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据生产或生活需要提出。 确定功能指标的考虑因素先进性可行性经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。,三、系统化设计,1. 执行系统的功能原理设计 功能原理设计的多方案性,工作原理不同，运动方案也不同,齿轮加工,剃齿,范成原理,仿形原理,工作原理相同，运动方案不同
3、,齿轮加工,插齿,滚齿,三、系统化设计,1. 执行系统的功能原理设计 确定方案,确定方案时应注意两点： 用最简单的方法实现同一功能。 注意光、机、电、流体等知识的综合运用。,设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度0.8mm。,1. 执行系统的功能原理设计 确定方案,光、机、电、流体等知识的综合运用举例,指针,图示分析天平，要求精度达到0.01g，但靠目力读指针的微小偏角已不可能。,增加了一级光学放大镜，将读数放大。,1. 执行系统的功能原理设计 功能分析和功能元求解,总功能,功能元解,功能原理方案,最佳功能原理方案,明确任务,形态学矩阵,评价法,功能元,功能分析法
4、将机械产品的总功能分解成若干功能元，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。,2. 执行系统的运动规律设计工艺动作分解和运动方案选择,刀具作复合运动,刀具与工作台分别运动,运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。,立式钻床工艺动作分解,直线运动,曲线运动,复合运动,往复摆动,每分钟转数 rpm,由两个以上单一运动合成,间歇转动,停歇往复直线运动,停歇单向直线运动,沿可变曲线运动,每分钟转位次数、转角大小、运动系数,每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数,每分钟行程数、大小、行程速度变
5、化系数,每次进给量的大小,每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度,2. 执行系统的运动规律设计工艺动作分解和运动方案选择,3. 执行机构的型式设计设计原则,满足执行构件的工艺动作和运动要求尽量简化和缩短运动链尽量减小机构尺寸选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转,3. 执行机构的型式设计机构选型,目的：选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。,举例：传递连续转动的机构,啮合传动机构,连杆机构,摩擦轮传动,蜗杆传动,链传动,平行四边形机构,4. 执行系统的协调设计设计原则,满足各执行机构动作先后
6、的顺序性要求满足各执行机构动作在时间上的同步性要求满足各执行机构在空间布置上的协调性要求满足各执行机构在操作上的协同性要求各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率各执行机构的布置要有利于系统的能量协调各执行机构的布置要有利于系统效率的提高,4. 执行系统的协调设计协调配合示例,执行构件动作的协调配合,送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压,冲头上移一段距离后，进行下次送料动作,折叠包装机构的两个执行构件,两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。,5. 方案评价与决策评价指标,系统功能 实现运动规律或运动轨迹、工艺动作的准确性 运动性能 运转速度、行程可调性、运动精度等 动力性
7、能 承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等 工作性能 效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性、适用范围等 经济性 加工难易、能耗大小、制造成本等 紧凑性 尺寸、重量、结构复杂性等,5. 方案评价与决策评价方法,针对评价目标中各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行评价。,建立评价体系,选择评分方法,选择评分标准,对各个项目进行评分,选择总分计分法，计算总分,选取高分者为优选方案,5. 方案评价与决策总分计分法,5. 方案评价与决策评价结果的处理,三、系统化设计,6. 典型系统化设计的综合过程,四、创新思维与技法,创新三要素,四、创新思维与技法,四、创新思维与技法,创造性
8、人才必备的条件,四、创新思维与技法,1. 机械现代设计与创造性思维的特点 机械现代设计的特点,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的表现形式,产品数字化 设计数字化 制造数字化 消费数字化 服务数字化 信息数字化 知识数字化,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的优势,（1）虚拟表示，便于模拟、再现、认识自然界的物与现象,（2）处理快速，便于分析、处理、解决问题,（3）信息复用，便于积累、创新、发展,（4）资源共享，便于远程、异地、实时共享统一资源,（5）零距沟通，便于缩短人与人之间交流的距离,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的优势: 数控技
9、术的发展示例,随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。,运行高速化 加工高精化 控制智能化 功能复合化 交互网络化,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的优势: 数控技术的发展示例,Linear Motor,高效加工中心上达到90 m/min的快移速度和1g的加速度。 直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的优势: 数控技术的发展示例,电主轴实际是指电主轴系统，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。与传统的机床传动系统相比
10、,其优势十分明显: 主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。而且利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。,Spindle Motor,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 数字化的优势: 数控技术的发展示例,高速加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、轴承、导轨、丝杠、卡盘、夹具、冷却,Spindle Motor,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 国外的发展,四、创新思维与技法,2. 数字化创新设计简介 国内的发展,四、创新思维与技法
11、,2. 数字化创新设计简介 基于网络的创新设计,四、创新思维与技法,基于实例的创新设计,四、创新思维与技法,知识库,设计资料库,标准件库,产品信息库,创新设计系统基础库,四、创新思维与技法,标准件建库工具集知识库建库工具流程管理工具设计资源管理工具二次开发工具集,创新设计工具集,四、创新思维与技法,概念设计方案的生成,功能单元的结构设计,产品装配设计,详细设计改良设计优化设计,创新设计系统功能,四、创新思维与技法,国内外著名的数字化设计制造系统,UGS的CAX/PDM全集成制造系统,CATIA的集成制造系统,Pro/E的集成制造系统,国内的CAX集成制造系统,四、创新思维与技法,数字化创新设计
12、案例,UGS的创新设计,四、创新思维与技法,数据和系统的集成 Data & System功能集成 Functions 、过程集成 Process 、信息集成 Information 、企业集成 Enterprise,UGS的CAX/PDM全集成制造系统,四、创新思维与技法,航空的产品过程设计技术,四、创新思维与技法,工程分析CAE 与设计CAD 全相关,四、创新思维与技法,优化 Optimization,四、创新思维与技法,动态虚拟大装配技术,四、创新思维与技法,数字样机的虚拟可视环境,VisProducts,四、创新思维与技法,创新设计结果,四、创新思维与技法,2. 部分创新技法简介,2. 部分创新技法简介,五、设计实例：专门化数控磨床方案设计,1. 明确设计任务,本章小结,
