设计概论本课程_产品设计中的理论及方法 ----概念设计、形体设计到

文库专用1设计概论本课程：产品设计中的理论及方法。----概念设计、形体设计到制造过程按教学大纲要求，主要讲解六方面的内容：1．功能分析及产品构思设计——产品的机构设计方法学；2．机构的组合方法；3．设计评价；4．柔性制造系统的建模设计——柔性系统中的求解算法。包括资源规划、机床规划、精良生产及并行工程5.模糊理论与模糊规划6.机器人构型设计中的模糊优化建模文库专用2第一章绪论1.1设计概念人类的社会活动：物质财富创造财富的分配设计---物质财富创造---最基本的概念1．狭义的设计概念：设计--客观需求---满足需求的技术系统活动。技术系统活动：产品创新设计或产品开发设计中的一切活动。包括：机构设计--结构（功能结构与工艺结构）与精度设计---装配设计--维修与运输及安装--报废回收设计--制造规划设计--……等。2．广义设计概念：例1，设计是一种针对目标问题的求解活动；例2，设计是一种创造性的活动，创造前所未有的，新颖而有益的东西。文库专用3例3，设计是“一种构思与计划，以及把这种构思与计划通过一定的手段转为视觉化的活动过程”。涵盖面更广的概念：对发展过程的安排对发展过程进行的活动发展过程：发展方向、程序、细节、要达到的目标。涵盖面更广的3．创新是设计的灵魂设计目标——产品——赢得市场，产品的竞争力：——性能使用户满意；——开发周期最短；——成本最低；——无污染或污染被降低到最低的限度。“创新”的含义：A.原创新：B.新产品创新：非圆齿轮：凸轮与齿轮的组合；手机：新型手机=手机+电子记事本+……+网络。文库专用41.2设计过程及产品的开发过程1.设计的四个过程阶段：——需求分析——构思设计——结构与精度设计——制造过程设计。2.现代产品制造的特点：A.创造设计过程长，制造过程缩短；B.由原来的满足精度，经久耐用的特点—→现代的个性化、流行化的特征发展。3.产品设计的模式：反馈闭环的模式文库专用52.1功能概念及分析方法2.2功能原理与运动规律之间的关系2.3运动规律与机构组合的关系2.4制定运动规律的原则和步骤2.5创新技法2.6机构组合时的基本原则及影响因素2.7按功能－结构矩阵设计运动简图2.8.按机构的结构特性作机构组合第二章功能分析与机构设计文库专用62.1功能概念及分析方法1．功能概念：——效能——用途——作用——目的2．功能定义的方法：动词+名词3．功能分析法（1）总功能确定（2）功能树作功能分解功能分解获取—→机构运动简图—→机构控制简图文库专用7（3）功能分解的方法——（目的——手段）2.2功能原理与运动规律之间的关系板材送料机构都有三个操作：供料，取料与送料。但不同的机构，原理不同，结构也不同；原理相同，结构也不同；功能原理：推力摩擦吸力文库专用8文库专用9归纳：功能与运动规律之间的对应关系A．功能与运动规律之间有对应关系，这个映射关系实现机构构思中由功能设计向运动规律设计的转化。B．功能与运动规律之间为1∶n的关系，即：单对多的关系。文库专用10文库专用11（2）直线往复运动的机构（水平）图2-7往复运动的机构文库专用12归纳：运动规律与机构之间的对应关系A．运动规律与机构之间存在对应关系，这种关系能实现由运动规律到机构设计的转化。这种转化实现了由设计构思到实体产品之间的联接。B．运动规律与机构之间为1∶n的关系，即：单对多关系。文库专用132．功能原理、运动规律与机构综合之间的关系（1）功能与运动规律之间存在着对应关系，运动规律与机构之间存在着对应关系；设计活动从功能分析→运动规律分析→机构设计过程转化的有序性、逻辑性（2）两个1∶n（单对多）关系文库专用142.4制定运动规律的原则和步骤1．步骤（1）功能分析（2）运动规律分析（3）型选择a.原理类型b.结构类型（4）运动协调分析及协调设计a.能完成要求的操作动作，满足使用性能；b.动作协调，无碰撞、干涉、过程平稳。文库专用152．制定运动规律的原则І．运动最简原则及规律集最小原则减少冗余环节规律集最小运动规律为简单运动II．结构最简原则采用新机构、新技术采用简单轮廓结构文库专用162.5创新技法1．分析综合法例1：设计方形罐头瓶自动贴签的机构文库专用17（1）分析成熟产品：取签上胶压签及贴签贴签瓶的输入与输出（2）提取特征机构，组合成设计机构文库专用18图2-10纸张分离机构图2-11邮票上胶机构文库专用19文库专用20图2-12带式上胶机构文库专用21图2-13方瓶自动贴签的机构3)组合与调整，最后形成方瓶自动贴签的设计机构文库专用222．思维扩展性在已有成熟产品的机构上作扩展设计，获取新机构例2：要设计实现大行程的复杂运动规律的机构图2-14大行程复杂运动机构文库专用23大行程用线性函数Sk实现，即：Sk=K（t）复杂运动用非线性函数Sf实现，即：Sf=f（t）机构系统：机械（丝杠）机构+电磁控制综上所述：思维扩展法有两个特点：（1）将多种技术综合应用；（2）在原有的机构上，根据产品的新要求，延续构思，创造出新机构。2.6机构组合时的基本原则及影响因素1)结构最简原则选取的基本机构，减小加工误差与加工累积误差对产品性能的影响。文库专用24图2-15直线机构文库专用252）机械效益最大原则图2-16曲柄滑块机构输入力输出力..AM（2-1）24.FFAM（2-2）不计摩擦，瞬间输入功应等于输出功||||2244vFvF（2-3）1||||..4224vvFFAM（2-4）文库专用263）机构效率最大的原则图2-17高副低代的机构文库专用274）获得较大的传动角µ原则图2-18机构的传动角图2-19高副机构的传动角文库专用28ktCtf))((在一个周期中，传动角是变化的，总存在一个最小的传动角min作机构综合时：≥0且min≥[µ]min要有越过死点措施，通常应用惯性力越过死点=0文库专用295）机构动力源因素动力源有多种形式：电能、电磁能、气能、液压、波能……量能转换形式———电动机、气、液压机构6）动载荷最小原则高速机构，力争平衡惯性力重载机构也要有平衡惯性力措施是：①机构取对称结构，重力矩自行平衡②机构最有利于重力平衡文库专用302.7按功能－结构矩阵设计运动简图一、设计原理与过程1.原理功能—运动规律—机构之间存在的映射关系分解与组合完成矩阵的手段2．功能－结构矩阵设计过程1）功能分类，用图形符号表示2）作功能分解按关联树组成功能－结构矩阵；3）作原型选择，即：基本机构选择；4）组合成机构，并构造多个方案；5）分析比较，选出最佳方案文库专用31图2-20关联数图文库专用32二、示例设计一个锻压设备，它采用电动机作为动力源，要求锻压部件（锻头）作上下往复运动，锻造出高精度的毛坯。（1）功能分解分析：电机旋转，锻压头上、下往复运动，机构应有：A.运动形式变换功能，将旋转运动变为直线运动；B.驱动力放大功能2211VFVF2112vvFFC.锻压头作上、下往复运动方向变换的功能文库专用33（2）建立功能－机构矩阵文库专用34（3）构造机构方案构造机构注意三项原则：a.组合的可能性原则，相关点的运动要一致；b.组合的有效性原则组合后运动不干涉，保证运动范围，满足运动精度要求；c.构件的轮廓应有可加工性。（4）分析比较，确定最佳方案结论：依据设计要求，选出方案A文库专用35图2-21运动简图筛选方案文库专用362.8.按机构的结构特性作机构组合1.单自由度机构中构件数与运动副的配置1）不同运动符的构件类型及构件数代号二极杆：一个构件上有两个铰接点；三极杆：一个构件上有三个铰接点；四级杆：一个构件上有四个铰接点；若：n2：二极杆的构件数n3：三极杆的构件数n4：四极杆的构件数……nn：n极杆的构件数N：机构的总件数文库专用372）单自由度机构中不同运动副的构件的配置Nnnnnninnnnnnnniin43246542)3(4)3(324（2-5）四杆机构：只有一种配置方案；n2=4；六杆机构：有两种配置方案n2=4，n3=2有效配置案一种，构成两种运动链即为：瓦特链斯蒂芬链：文库专用38八杆机构：具有三种配置方案构成16种运动链图图2-22六杆机构的运动链图文库专用39图2-23八杆机构的运动链图文库专用402．运动链图及机构的生成法1)运动链图：去掉机构中构件的工程（功能）含义，只保留构件之间的联接关系，所构成的连接结构图称为运动链图。例4.按步行机构的轨迹，用6杆机构设计步行机构图2-24步行机构轨迹图文库专用41图2-25瓦特链的倒置机构图2-26斯蒂芬链链的倒置机构文库专用42图2-27选出的步行机构图2-28机构变异3．基本结构变异（1）转动副变异成移动副演化原理：构件杆长变为时，构件：转动副——移动副。文库专用43（2）低副变异为高副变异原理：变异前、后各构件之间的拓扑关系保持不变。二极杆——高副配合面图2-29机构变异（4杆机构的低副变高副）文库专用444.瓦特链的代换过程图2-30瓦特链的低副变高副文库专用455.斯蒂芬链的代换过程图2-31斯蒂芬链的低副变高副