第三章-系統(tǒng)分析設(shè)計方法

現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)主講：田富洋ModernDesignMethodsandManufactureTechnology機械與電子工程學院山東農(nóng)業(yè)大學機電學院本科專業(yè)選修課程sdaumee@126.comsdaumee123第三章系統(tǒng)分析設(shè)計方法系統(tǒng)分析設(shè)計方法產(chǎn)生于自20世紀40年代以來逐步形成和完善起來的系統(tǒng)論、信息論和控制論等系統(tǒng)科學理論，它的主要觀點是將研究對象放在系統(tǒng)中加以研究和認識。系統(tǒng)觀作為一種新的思維方法，給整個設(shè)計科學提供了新思路、新觀點。一、系統(tǒng)分析設(shè)計方法概述系統(tǒng)分析設(shè)計方法：把設(shè)計對象看作是一個系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的概念進行分析和綜合，并且按產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)的進程進行設(shè)計，以求獲得最佳的設(shè)計方案。1、基本概念系統(tǒng)單元、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、邊界條件，輸入和輸出要素邊界條件：系統(tǒng)與外部環(huán)境的作用界面，通過這種界面可以明確分析設(shè)計對象的范圍。輸入輸出元素：系統(tǒng)與其外部環(huán)境相互聯(lián)系和作用的要素，影響系統(tǒng)的行為。系統(tǒng)單元：完成某種功能而無需進一步劃分的單元，即系統(tǒng)相互聯(lián)系和作用的基本組成要素。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：反映著系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的關(guān)系，即相互聯(lián)系和作用的聯(lián)結(jié)形式。系統(tǒng)分析設(shè)計方法要求從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，始終著重于從整體與部分之間，整體對象與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的關(guān)系中綜合地、精確地考查對象，以求最優(yōu)地處理和解決問題。系統(tǒng)化的設(shè)計觀，其核心是把產(chǎn)品設(shè)計的設(shè)計對象以及產(chǎn)品設(shè)計過程中的相關(guān)問題，然后用系統(tǒng)論的分析方法加以處理和解決。2、工程技術(shù)系統(tǒng)及系統(tǒng)工程設(shè)計方法模式工程技術(shù)系統(tǒng)處理對象：能量、物料、信號等。能量：機械能、熱能、電能、光能、核能、生物能、化學能等。物料：材料、毛坯、試件、氣體、液體等。信號：數(shù)據(jù)、控制脈沖、顯示等。系統(tǒng)工程設(shè)計方法模式：設(shè)計時把一般程式（縱向主線）和基體設(shè)計技術(shù)（橫向方法）縱橫交叉關(guān)系看成時一個三維結(jié)構(gòu)模式，它是一個考慮多因素、多層次的科學方法體系。系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)制造系統(tǒng)運行二、系統(tǒng)分析設(shè)計方法過程產(chǎn)品規(guī)劃方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計過程施工設(shè)計產(chǎn)品規(guī)劃：首先明確所設(shè)計的系統(tǒng)或產(chǎn)品的目的、任務(wù)和要求，進行市場需求分析、可行性分析和設(shè)計要求的擬定工作銷售方案設(shè)計：一般從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構(gòu)思擬出多種方案，通過分析－綜合－分析，求得最佳方案。技術(shù)設(shè)計：為完成設(shè)計目標而采用的技術(shù)手段，如通過分析了解技術(shù)方案中的創(chuàng)新點和難點以及解決他們的方法和技術(shù)路線。施工設(shè)計：按照技術(shù)路線而進行的實施，該過程為分析－施工－修正－施工過程，從而達到設(shè)計目的。銷售設(shè)計：根據(jù)歷史銷售記錄和已有的銷售合同，綜合考慮產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)，將結(jié)果反饋設(shè)計人員。三、功能綜合法求解最佳方案設(shè)計基本思路：設(shè)計中重點保證基本功能，兼顧輔助功能，同時考慮使用和外觀功能，取出多余功能，調(diào)整過剩功能，分清主次的合理使用成本，求得價值優(yōu)化。功能綜合法一般分為功能定義、功能分類和功能整理三個步驟。1、功能綜合法分析步驟（1）功能定義功能定義，就是給設(shè)計對象及其組成部分的各功能項下定義，以限定每一項功能的內(nèi)容，明確其本質(zhì)。一般使用一個動詞和一個名詞或只使用一個動詞來給產(chǎn)品做簡明的功能定義。一臺機器所能完成的功能，稱為機器的總功能(Totalfunction)。功能分析法就是將機械產(chǎn)品的總功能分解成若干功能元(Functionelement)，然后求解功能元，再將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價選擇。(２)功能分類

在實際設(shè)計項目中，許多設(shè)計對象都具備很多種功能，這時，為了更好地分析設(shè)計對象，有必要確定各功能的性質(zhì)及其重要程度。

功能按性質(zhì)的不同可以分為實用功能、審美功能、象征功能、社會功能、環(huán)境功能等；按重要程度可以分為基本功能和輔助功能;按對消費者而言的必要性可以分為必要功能和不必要功能?；竟δ苁侵笧檫_到設(shè)計對象的目的，發(fā)揮設(shè)計對象的效用所必不可少的功能。輔助功能是為了更好地實現(xiàn)基本功能而添加的功能，它的作用對于基本功能來說是次要的、輔助性的?；竟δ茉胺柋硎靖鶕?jù)機構(gòu)的基本功能，歸納整理為功能元。任何一個復(fù)雜的機構(gòu)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的運動，都可以認為由一些基本的功能元按一定規(guī)律組成的，根據(jù)功能元就易于找到相應(yīng)的功能載體，實現(xiàn)功能元的求解。(３)功能整理所謂功能整理，是指用系統(tǒng)的思想，分析各功能之間的內(nèi)在聯(lián)系，按照功能的邏輯體系編制功能關(guān)系圖。功能綜合設(shè)計方法對產(chǎn)品設(shè)計的重要意義：

確定了產(chǎn)品的功能問題在設(shè)計分析中的核心地位，設(shè)計構(gòu)思以產(chǎn)品的功能系統(tǒng)為主線。通過理性、直觀的功能系統(tǒng)分析，幫助設(shè)計師克服思維定勢和傳統(tǒng)觀念束縛，得到全新的設(shè)計思路。通過產(chǎn)品功能分析，及時準確地發(fā)現(xiàn)和排除產(chǎn)品的不必要功能，降低產(chǎn)品成本，經(jīng)濟地實現(xiàn)產(chǎn)品的價值。以功能為中心的設(shè)計方法有助于實現(xiàn)產(chǎn)品良好的實用性和可靠性。依靠功能分解認識功能與造型單元的關(guān)系，提供了一種思考產(chǎn)品造型單元組合方案的新思路。用系統(tǒng)化的思想為指導(dǎo)，提高了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的效率，降低了開發(fā)成本。2、功能綜合法－黑箱分析法黑箱法：根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系來研究實現(xiàn)系統(tǒng)功能的一種方法，即根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入，要求獲得什么樣的輸出的功能要求，從中尋找出某種規(guī)律來實現(xiàn)輸入－輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的解決方法，從而推求出“黑箱”的功能結(jié)構(gòu)，使黑箱變成白箱的一種方法。黑箱法的基本思路：把待求的系統(tǒng)看作黑箱，分析比較系統(tǒng)的輸入和輸出能量、物料和信號，而其性質(zhì)和狀態(tài)上的變化、差別和關(guān)系就反映了系統(tǒng)的總功能。黑箱法的基本步驟：比較輸入和輸出的差別和關(guān)系，找出實現(xiàn)功能的各種可能的原理方案，把黑箱打開，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。338輸入輸出黑箱？功能綜合法：把系統(tǒng)功能元和局部解分別作為縱橫坐標，列出“功能求解綜合表”，從每個功能元取出一種局部解進行有機組合，構(gòu)成一個系統(tǒng)解的方法。3、機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理及方案的多樣性（1）斜面的應(yīng)用螺旋壓力機、螺旋千斤頂、螺紋聯(lián)接件、螺旋輸送機、螺桿泵、螺旋微動機構(gòu)、千分尺等（2）齒輪加工方法

無屑加工(精密鑄造、粉末冶金成型、滾壓成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盤狀齒輪銑刀和指狀齒輪銑刀、展成法的滾齒和插齒紐結(jié)式折疊式接縫式（3）糖果包裝機設(shè)計（4）自動輸送料板的裝置機械推拉平板摩擦摩擦輪底部氣吸頂部氣吸車床鏜床鉆床拉床（5）內(nèi)孔的加工（6）平面的加工牛頭刨床－刀具往復(fù)運動龍門刨床－工件往復(fù)運動分路驅(qū)動集中驅(qū)動沖壓床傳動系統(tǒng)配置（7）沖壓設(shè)備的傳動設(shè)計4、功能綜合法求解原理方案例1、挖掘機的設(shè)計（1）功能分析（2）列出功能元及其局部解的功能求解綜合表履帶式電動繩傳動挖掘機（3）將各局部解排列組合共有的方案有：N=6×5×4×4×3=1440種其中一種組合A1+B4+C3+D2+E1→履帶式電動繩傳動挖掘機（4）系統(tǒng)考察各方案的優(yōu)缺點及其他因素，確定最優(yōu)方案4、相關(guān)表格及相關(guān)網(wǎng)法求解原理方案例2、電子皮帶稱的原理方案設(shè)計（1）功能分析（2）功能結(jié)構(gòu)模型中各要素相對應(yīng)的相關(guān)表格和相關(guān)網(wǎng)即要確定各要素間的相互關(guān)系。電子皮帶稱功能結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)表格和相關(guān)網(wǎng)“0”表示兩者有直接關(guān)系，“+”不是兩者有非直接關(guān)系，“空白”表示兩者無直接關(guān)系或非直接關(guān)系三、方案設(shè)計舉例例3、瓶蓋整列裝置的原理方案設(shè)計（1）明確設(shè)計要求把一堆不規(guī)則防止的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個輸出，瓶蓋質(zhì)量為10g，整列速度為100個/min，能量為200V交流電和高壓氣體（壓力為0.6MPa），其余功能要求見表。（2）總功能分析及分解－瓶蓋整列輸出瓶蓋整列功能的黑箱模型總功能與分功能間功能結(jié)構(gòu)（3）功能元求解－采用功能求解綜合表格求解功能元共分為五個方面：輸入（A）、測向（B）、分揀（C）、翻轉(zhuǎn)（D）及輸出（E）。（4）系統(tǒng)解－組合各功能元共有N=8×6×6×3×7=6048種（5）評價與決策－采用簡單的評價法（專家評價法）方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ整列速度高++++-整列誤差小-+-+成本低-++-+便于加工-++-結(jié)構(gòu)簡單-+++-操作方便-++-+合計4個“-”9個“+”1個“+”0經(jīng)過簡單評價法，可以得知，方案Ⅱ為最優(yōu)方案例4、精鍛機主機構(gòu)加壓執(zhí)行系