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1、机械工业出版社,现代制造中的 机电系统应用,第1章 产品的初步设计,2,1.1 机电产品现代设计的概念,设计是人类改造自然的基本活动之一。 设计的目的是将预定的目标经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息，形成设计方案，并通过制造使设计方案成为产品，造福人类。 设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。 现代设计是传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累而逐步发展起来的。 现代设计的出现的支撑： 是以电子计算机的出现 设计方法学和创造方法学的迅速发展,3,现代设计的发展,在20世纪60年代末期，在机电产品的设计领域中相继出现了一系列新兴学科，主要有设计方法学、优化设计、价
2、值工程计算机辅助设计（CAD）、可靠性设计、工业艺术造型设计、模块化设计、反求工程、有限元方法等； 还有一系列的分支，如相似性设计、系统化设计、人机工程学、模态设计、动态设计、疲劳设计、三次设计等，其中不少技术已日趋成熟，并已得到广泛的应用。 为了强调对设计领域的革新，我国设计领域习惯上把国际上新崛起的设计方法的相关学科称为“现代设计”，而把过去常用的设计称为“传统设计”。,4,1.2 现代设计的特点(1) 综合性,现代设计突破传统、经验、类比的设计，采用逻辑、理论、系统的设计方法： 在静态分析的基础上考虑载荷谱等随机变量，进行更合理、更全面的动态分析； 强度设计时不是一味地加大安全系数，而是
3、从概率论和统计学出发，考虑载荷和应力的离散性进行可靠性设计。 现代设计在系统工程、创造工程基础上运用信息论、相似论、模糊论、可靠性理论、有限元方法、人机学等自然科学理论及价值工程、决策论、预测论等社会科学理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和计算机技术更科学地解决设计问题。,5,1.2 现代设计的特点(2) 最优性,现代优化设计即是在产品设计时，在各种限制条件下，运用最优化方法，通过计算机迭代计算，寻求最佳的设计参数值。 而“传统设计”仅是通过设计评定再设计等一系列试探性的设计过程，从多种设计方案中选取其中较为满意的方案，虽然这也是一种优化过程，但是这是凭借设计人员的知识、经验、判断力进行
4、的，因此这仅是一个“自然优化”的过程。 这种“自然优化”无论在设计的时间、优化的精度等方面与最优化设计方法都是不能比拟的。,6,1.2 现代设计的特点(3) 系统性,现代设计强调用系统工程的方法来处理技术系统问题，设计时分析各部分的有机联系，力求系统整体优化，同时考虑技术系统与外界的联系，即人机环境三者之间的相互协调关系，并把舒适性放在首位。 通过功能分析、功率分配、界面设计、系统综合等方法，使人机之间的功能相互协调，从而发挥产品的最大潜力或提高系统的有效性， 而“传统设计”是凭借经验或自发状态来考虑人机环境间的关系。 “传统设计” 往往是通过对操作者的训练来适应机器的设计中对操作的要求。,7
5、,1.2 现代设计的特点(4) 创造性,现代设计突出创造性，发挥集体智慧，运用各种创造技法，通过直觉想象和推理思维，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品。,8,1.2 现代设计的特点(5) 程式性,现代设计方法研究设计的全过程，要求设计者从产品规划、方案设计、技术创新、施工设计到试验、试制进行全面考虑，按步骤、有计划地进行设计。 现代设计方法强调设计、生产与销售一体化。设计不是单纯的科学技术问题，要把市场需求、社会效益、经济成本、加工工艺、生产管理等问题统一考虑，最终反映到质高价廉的产品上。,9,1.2 现代设计的特点(6) 艺术感染性,现代设计在强调内在质量的实用性的同时，也非常重视外观质量
6、的美观性、时代性、艺术性，使产品造型有一定的艺术感染力，对操作者有新颖、心情舒畅、愉快、兴奋等精神功能，满足操作者的审美要求。 现代设计对造型已形成较为完整的美学法则，即比例尺与尺度、对称与平衡、稳定与轻巧、节奏与韵律、统一与变化等，并灵活地运用色彩设计、视错觉、新材料、新工艺、新结构等以增强产品的美感。,10,1.2 现代设计的特点(7) 计算机辅助设计,现代设计全面地引入计算机辅助设计，通过设计者和计算机的密切配合，采用先进设计方法，提高设计质量和速度。 对于许多设计对象可先建立设计模型，将参数输入计算机进行计算或绘图，使设计更加准确、高效且便于修改。 计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，它
7、在信息储存、预测、评价决策、动态模拟、特别是人工智能方面将发挥更大作用。,11,1.3 现代制造的一些设计方法 1.3.1 并行设计,并行设计发展现状及趋势 自20世纪80年代提出并行工程以来，美国、欧盟和日本等先进发达国家均给予了高度重视，成立了研究中心，并开展实施一系列以并行工程为核心的政府支持计划，如美国的DICE计划（投资逾亿美元）、欧盟的ESPRIT计划以及日本的IMS计划。 通过大量的研究，国际上已在并行工程的思想、方法和实现技术上取得了一些成果，如阵列型机构、稻草人指导原则等企业组织机构形式和多功能综合产品开发（群）组（Team Work）的组织与管理方式；动态经营模型、高级Pe
8、tri网等产品开发过程的建模和仿真技术；DFx（面向装配/制造/拆卸/检测/维护等的设计）等并行设计技术。 很多企业，特别是空中客车公司、波音公司、ABB、西门子、IBM等一系列大公司开始了并行工程实践的尝试，取得了良好效果。,12,并行工程概述,并行工程(Concurrent Engineering，CE)技术是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。,图1-1 并行工程的内涵及其组成,13,并行工程概述,并行工程产品要求开发人员从一开始就考虑产品全生命周期内各阶段的因素，并强调各部门的协同工作。 并行工程是一种现代产品开发中的系统化方法，它以信
9、息集成为基础，通过组织各学科的产品开发小组，利用各种计算机辅助手段，实现产品开发过程的集成。,14,并行工程的关键,用并行设计方法代替串行设计方法 。,图1-2 串行设计方法示意图,图1-3 并行设计方法示意图,15,并行设计系统,并行设计是指设计工程师在产品设计阶段就已经综合考虑到工艺规划、制造、装配、测试、维护等其他环节的影响，以证明其设计的正确性与可行性。在产品并行设计过程中，按4个阶段进行设计和评价。 (1) 产品概念设计 (2) 结构设计及其评价 (3) 详细设计及其评价 (4) 产品总体性能评价,16,并行设计系统,图1-4 计算机辅助产品并行设计系统,17,并行工程的特点,(1)
10、 强调团队工作方式和团队精神 (2) 强调设计过程的并行性 (3) 强调设计过程的系统性 (4) 强调设计过程的快速反馈,18,并行工程的效益,(1) 缩短产品投放市场的时间 (2) 降低成本 (3) 提高质量 (4) 保证了功能的实用性 (5) 增强市场竞争能力,19,并行工程在先进制造技术中的地位与作用,并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，这主要体现在以下两个方面。 并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重叠，它充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、信息技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的基础。 在并行工程中为
11、了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作。可以说，并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的。,20,1.3.2 系统设计,系统论的设计思想，其核心是把设计对象以及有关的设计问题，如设计程序和管理、设计信息资料的分类整理、设计目标的拟定、人机环境系统的功能分配与动作协调规划等等，视为系统，然后用系统论和系统分析概念和方法加以处理和解决。 系统设计是一种综合的、形象性的创造行为，是为满足人的特定需求，运用系统原理，集中相关信息与能力要素，研究与处理其环境整体局部间动态关系，有效提出问题解决方案的活动。,21,系统设计的构
12、筑要素,基系统指的是狭义上的，仅仅针对开发对象可视范围内的系统范畴，即开发对象所必须的，不可或缺的系统要素，包括围绕对象最紧密的要素和对象内部的子要素，否则开发对象失败。 宏系统指的是广义上的，考虑到与社会经济、时代、环境、用户等等的相互关系及影响，开发对象做为系统中的一个有着复杂相互关系的主要要素来考虑。 两者区别在于一个是将开发对象作为系统。一个是将开发对象作为系统中的一个子要素。,22,1.3.3 模块化设计,模块化的概念 ： 模块是模块化产品的基本元素，是一种实体的概念，可以把模块定义为一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元。 模块化一般
13、是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和生产组织。 产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能，或相同功能而不同性能、不同规格的产品进行功能结构分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。,23,机电产品模块化的特点,(1) 互换性强、便于维修 (2) 质量高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾 (3) 有利于企业采用先进技术改造旧产品、开发新产品 (4) 有利于缩短产品的设计、制造和供货期限,24,模块化设计的优势,(1) 减少产品开发时间 (2) 便于产品顾客化和升级 (3) 提高效率、降低成本 (4) 提
14、高产品质量 (5) 易于确立统一的设计标准 (6) 缩短产品的订购周期,25,模块化设计的基本支撑理论,(1) 系统论原理 整体性是系统的最基本属性 ，系统内各单元之间是互相联系、互相作用、有机结合的，系统与环境、系统与系统之间也存在相互联系和相互作用。在模块化系统中，这种相关性体现为系统中的链状的接口系统。 (2) 相似性原理 产品和过程中的相似性有各种不同的形式，例如零件之间的几何相似性，产品结构之间的结构相似性，部件、产品之间的功能相似性等等，这些不同类型的相似性的归纳将构成模块化系统的基础。 (3) 重用性、标准化原理 标准化是实施模块化的基础和目标之一。模块化也是标准化的一种新形式，
15、它是标准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化等理论的综合运用，是标准化的高级形式。,26,机械产品模块化设计方法,产品的模块化设计可归纳为两大类： 侧重功能划分的模块化设计方法，这种模块化设计的方法，主要是从系统的观点出发，将整个产品系统划分为各个相对独立的功能单元，通过对模块的不同选择和组合来构成满足顾客需求的不同产品。在这种方法中，对于模块内部的结构没有作为重点来考虑。 一种方法侧重于产品或零部件的形状结构的分类。该方法侧重零部件形状结构的分析，对于产品构成简单，但某个零部件形状结构较复杂的单件、小批量的产品，则显得比上面提到的以功能划分为主的设计方法具有优势。,27,侧重功能分解
16、的设计方法,1) 顾客的需求分析 2) 产品要求分析 3) 产品/概念分解 4）产品/概念集成 5）方案评估,图1-5 以功能分解为主的模块化设计方法流程图,28,基于结构特征的设计方法,1) 零部件的几何形状分析 2) 零部件参数分析 3) 建立零部件主模型 4) 建立产品主结构,图1-6 侧重形状特征的模块化设计方法流程图,29,模块化设计对现代设计、先进制造技术和制造系统的影响,将模块化制造系统与虚拟制造相结合，在虚拟环境下构造制造系统，产品、制造装备及制造系统的设计均采用模块化方法，使产品和制造系统有机地统一起来，这种最优集成系统的研究将是今后的一个研究重点。 (1) 快速设计 (2) 大规模定制 (3) 虚拟设计与虚拟制造技术,30,1.3.4 价值工程,价值工程，是指以产品或作业的功能分析为核心，以提高产品或作业的价值为目的，力求以最低寿命周期成本实现产品或作业使用所要求的必要功能的一项有组织的创造性活动，有些人也称其为功能成本分析。 它最早是美国为了适应军事工业的需要创立和发
