試談機電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計課件

1、機電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計第1頁，共23頁。2.1 概念設(shè)計的一般概念 Pahl和Beitz于1984年提出了設(shè)計過程分為：明確任務(wù)（Clarification of Task）、概念設(shè)計（Conceptual Design）、具體設(shè)計（Embodiment Design）詳細設(shè)計（Detailed Design）的四階段模型. 并將概念設(shè)計定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案” 的這一部分設(shè)計工作。第2頁，共23頁。機電一體化的概念設(shè)計 幾種定義設(shè)計的過程是產(chǎn)品的功能描述向結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換過程，而概念設(shè)計是這個過程的早

2、期階段。 產(chǎn)品的功能描述可以是一個真值表、一條性能曲線或者一組動詞短語； 結(jié)構(gòu)的描述包括通過圖形、模型或裝置本身的物理實現(xiàn)等方式所體現(xiàn)的一組結(jié)構(gòu)屬性。 功能描述與結(jié)構(gòu)描述是多對多的映射關(guān)系。概念設(shè)計可分為問題本質(zhì)的抽象識別、功能結(jié)構(gòu)的建立、子功能解原理的匹配、子結(jié)構(gòu)的組合及基于設(shè)計規(guī)范的方案評價五個階段。概念設(shè)計為由功能需求到抽象物理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過程： （1）現(xiàn)象設(shè)計（Phenomenological Design）階段基于物理原理將功能需求抽象為行為的描述； （2）具體設(shè)計（Embodiment Design）階段將行為的描述具體為能夠?qū)崿F(xiàn)行為的物理系統(tǒng)。第3頁，共23頁。機電一體化的概念設(shè)計

3、創(chuàng)新層次（1）任務(wù)創(chuàng)新分析、發(fā)現(xiàn)市場的新需求。 （2）功能創(chuàng)新一個是通過對市場需求信息和設(shè)計任務(wù)書的創(chuàng)造性分析而得到的新的功能需求，另一個則是指對產(chǎn)品總功能的創(chuàng)造性描述和抽象，從而更易于引發(fā)不同的求解思路，有可能導致更佳的產(chǎn)品方案。（3）原理創(chuàng)新實現(xiàn)原理可細分為工作原理和技術(shù)原理2類：所謂工作原理，是指該產(chǎn)品賴以實現(xiàn)功能的根本性原理，或者說物理性原理；技術(shù)原理則是為保證該工作原理的實現(xiàn)而采用的技術(shù)手段。工作原理創(chuàng)新總會導致全新產(chǎn)品；而技術(shù)原理創(chuàng)新往往使產(chǎn)品種類更為豐富。（4）行為創(chuàng)新（工藝動作過程創(chuàng)新）。（5）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 包括機構(gòu)、布局、控制系統(tǒng)及使用的機、電、檢測元器件的組成等，是技術(shù)原理創(chuàng)新

4、和行為創(chuàng)新的延伸和具體實現(xiàn)。（6）控制創(chuàng)新 信息處理的新方法，新的控制算法的使用和創(chuàng)新，往往能使機電一體化系統(tǒng)的性能大幅度提高，可以認為是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新向軟件的進一步延伸。第4頁，共23頁。機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新技法第5頁，共23頁。機電一體化概念設(shè)計的三子系統(tǒng)論（1）機電一體化系統(tǒng)是由計算機進行信息處理和控制的現(xiàn)代機械系統(tǒng)，它的最終目的是實現(xiàn)機械運動和動作；（2）從完成工藝動作過程這一總功能要求出發(fā)，機電一體化系統(tǒng)可劃分為：廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)。它們分別完成機械運動和動作、信息檢測、信息處理及控制；（3）機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行子系統(tǒng)，有它的特殊性，它是由驅(qū)動元件和

5、執(zhí)行件（或執(zhí)行機構(gòu)）融為一體的廣義執(zhí)行機構(gòu)。這種機構(gòu)的最大特點是可控性。 上述三點認識，有助于對機電一體化系統(tǒng)按功能進行分解，從而分別尋求各自的功能載體，通過集成優(yōu)化來得到機電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計的若干方案。第6頁，共23頁。 機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計的過程描述市場需求和設(shè)計要點總功能分析描述工藝動作過程分解及運動流程確定（行為分析）子功能確定軟件、硬件的分配機電一體化的集成建模與仿真評價第7頁，共23頁。機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計的過程模型行為分析功能、原理分析結(jié)構(gòu)、控制分析任務(wù)分析第8頁，共23頁。2.2 機電一體化系統(tǒng)的功能設(shè)計主功能控制功能動力功能輸出結(jié)構(gòu)功能輸入控制信號顯示輸出廢棄物干擾環(huán)

6、境界面人機界面技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)的目的是促使過程對象（物質(zhì)、能量、信息）的變換過程實現(xiàn)第9頁，共23頁。機電一體化系統(tǒng) 概念設(shè)計-方案生成 一個機電一體化系統(tǒng)抽象、完整的功能結(jié)構(gòu)模型，可以由變換功能、目的功能和狀態(tài)變遷來分析、闡述。 變換功能（變換過程）通過物質(zhì)、能量、信息的輸入輸出流轉(zhuǎn)換來描述系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能，主要通過人/機（技術(shù)系統(tǒng)和系統(tǒng)的操作者）協(xié)作，將過程對象的輸入狀態(tài)有目的地變換為期望的輸出狀態(tài)。 可以將變換功能系統(tǒng)看成輸入/輸出已知而內(nèi)部未知的黑箱。 系統(tǒng)部件以“垂直因果鏈”的形式向技術(shù)系統(tǒng)傳遞物理效應。垂直因果鏈原理從抽象到具體、從總體到細化將技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素和行為要素聯(lián)系起來

7、。 按照設(shè)計者的思維習慣，引入目的功能，更接近人們對系統(tǒng)功能理解的實際經(jīng)驗，能夠有效表示設(shè)計意圖和生成系統(tǒng)方案。 如果一個變換包涵多個操作（狀態(tài)變換）實現(xiàn)，則需要應用“水平因果鏈原理”來分析。第10頁，共23頁。機電一體化系統(tǒng) 概念設(shè)計-功能方法樹原理圖 機電一體化系統(tǒng)可以視為含有因果關(guān)系或邏輯關(guān)系的變換功能結(jié)構(gòu)或目的功能結(jié)構(gòu)。聯(lián)系變換功能和目的功能的紐帶是“技術(shù)”的選擇。目的功能：-描述“要做什么”變換功能：-描述“怎么做”由于變換功能可以看成是目的功能的技術(shù)實現(xiàn)（采用何種技術(shù)實現(xiàn)目的功能），在機電一體化系統(tǒng)方案生成推理過程中，目的功能就成為從系統(tǒng)的變換功能描述到功能物理實現(xiàn)間的必經(jīng)之路。

8、第11頁，共23頁。電話機系統(tǒng)的功能求解案例自上而下的因果關(guān)系水平方向的因果鏈第12頁，共23頁。2.3 機電一體化系統(tǒng)的四視圖 四視圖描述的是同一個對象，它們的視角不同，但各個視角之間是相互聯(lián)系的。 在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，四視圖是有力的工具。一方面，從功能視圖開始的四視圖設(shè)計，有利于創(chuàng)新方案的形成；另一方面，對于一個設(shè)計方案，完成上述四視圖的設(shè)計要求之后，就提供了評價決策的基礎(chǔ)。通過對各種不同方案的四視圖加以評價、比較，可以獲得完整的、優(yōu)化的、正確的設(shè)計方案。一、功能視圖（Function View）三、控制視圖（Control View）四、信息視圖（Information View）二、

9、結(jié)構(gòu)視圖（Configuration View）第13頁，共23頁。 功能視圖一、總功能分功能（輔助功能）的分解和描述；二、功能原理-技術(shù)系統(tǒng)的推理，技術(shù)方案的形成；第14頁，共23頁。 功能視圖簡略目的功能描述變換功能描述（黑箱）主要的功能組成主功能的技術(shù)原理功能/行為/結(jié)構(gòu)分析與求解包括子功能在內(nèi)的功能/行為/結(jié)構(gòu)的詳細分析與求解原理系統(tǒng)的構(gòu)成（原理試驗系統(tǒng)）分功能的技術(shù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成描述機電一體化基本單元（ME）的分析包括結(jié)構(gòu)視圖在內(nèi)的系統(tǒng)方案設(shè)計（實驗樣機）詳細的四視圖概念設(shè)計分析報告（概念樣機）抽象詳細具體第15頁，共23頁。 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計域抽象具體簡單詳細功能設(shè)計域結(jié)構(gòu)設(shè)計域

10、控制設(shè)計域信息設(shè)計域從功能設(shè)計域向其他設(shè)計域擴展圖2-9 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計域第16頁，共23頁。 結(jié)構(gòu)視圖一、總體布局（模塊）；二、傳動及支承系統(tǒng)；三、重要結(jié)構(gòu)。第17頁，共23頁。 控制視圖一、機電一體化的基本單元（組成及工作原理）；二、控制器（信息處理軟硬件平臺）的組成；三、接口。第18頁，共23頁。信息視圖一、人機界面信息輸入形式（控制語言）；二、人機界面信息到機器界面信息的變換過程；三、處理信息流變換的軟件結(jié)構(gòu)。第19頁，共23頁。 典型案例討論2.4 典型案例1：全自動洗衣機的功能分析與設(shè)計2.5 設(shè)計實例2: 快速成形設(shè)備的功能分析和設(shè)計2.6 設(shè)計實例3: 氣調(diào)包裝機的功能分析

11、和設(shè)計第20頁，共23頁。 機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計方案討論中藥配藥機。要求：1，能減輕配藥勞動強度；2，能適應醫(yī)院處方計算機管理系統(tǒng)；3，能容納150200種常用中藥，每種中藥預存量1kg；可以 人工補充；4，占地面積小、成本低。第21頁，共23頁。歡迎提問第22頁，共23頁。1、有時候讀書是一種巧妙地避開思考的方法。7月-227月-22Friday, July 29, 20222、閱讀一切好書如同和過去最杰出的人談話。02:38:2702:38:2702:387/29/2022 2:38:27 AM3、越是沒有本領(lǐng)的就越加自命不凡。7月-2202:38:2702:38Jul-2229-Jul

12、-224、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯兒。02:38:2702:38:2702:38Friday, July 29, 20225、知人者智，自知者明。勝人者有力，自勝者強。7月-227月-2202:38:2702:38:27July 29, 20226、意志堅強的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。29 七月 20222:38:27 上午02:38:277月-227、最具挑戰(zhàn)性的挑戰(zhàn)莫過于提升自我。七月 222:38 上午7月-2202:38July 29, 20228、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/7/29 2:38:2702:38:2729 July 20229、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強不息。2:38:27 上午2:38 上午02:38:277月-2210、你要做多大的事情，就該承受多大的壓力。7/29/2022 2:38:27 AM02:38:2729-7月-2211、自己要先看得起自己，別人才會看得起你。7/29/2022 2:38 AM7/29/2022 2:38 AM7月