机械设计方法学教案

1、机械设计方法学教案 你也许也曾有过这样的经历： 看着眼前美观豪华的门却不知如何打开； 颇具现代感的水龙头却把你弄得手忙脚乱； 因为不会使用家里的组合音响而生出跟不上时代的挫折感 这些人前的尴尬、人后的沮丧，其实问题全然不在你！全怪设计者考虑不周而我们却在代为受过！ 优秀的设计是设计人员与用户之间的一种交流，用户的需求应当始终贯穿在整个设计过程之中。但这并不是说产品的易用性可以凌驾于其他因素之上，所有伟大的设计，都是在艺术美、可靠性、安全性、易用性、成本和性能之间寻求平衡与和谐。 应该让用户一目了然地知道如何去操作，应该让消费者享受乐趣而不是饱受挫折。所以，如果你是设计人员，那么在构思产品时，请

2、在推崇外观美感、艺术风格和成本之前，首先设身处地地想像一下用户的感受，为设计的易用性而努力吧，因为这才是产品的生命力之源我们再不要用设计者的错误惩罚自我！ US Donald A. Norman: The Design of Everyday Things使用问题：培训解决加工问题：修复解决设计问题：全局性，连锁反应，损失严重 产品的研究与开发是企业争得市场的重要条件，也是企业生存与发展的关键因素。 产品的设计可赋于产品“先天特优、先天良好、先天一般和先天不足”的本质特性，产品设计是产品质量的“灵魂”。 据统计：因元件、材料原因造成故障的比例为33%因制造不良造成设备故障的比例为17%因设计造

3、成设备故障的比例占50%全产品成本水平的70%-80%取决于产品的设计 因此,研究产品设计具有十分重要的意义。第1章 概 论1.1 设计及其特征 什么是设计？ 请各位同学思考 石刀、石斧、石锛河姆渡石犁河姆渡骨针 半坡遗址出土的小口尖底瓶，是当时人们的汲水用具。汲水时，将绳子穿过瓶子的双耳，瓶子刚入水时，瓶口朝下，汲满水时，瓶口向上并保持平衡。该文物反映了当时半坡居民科学知识的萌芽。司母戊（后母戊）大方鼎 中国国家博物馆镇馆之宝，商代晚期的青铜器。1939年于河南安阳殷墟商代晚期墓出土。因腹内壁铸有“司母戊”三字而得名。该鼎的化学成分为：铜84.77%，锡11.64%，铅2.79%，其他0.8

4、%。是中国目前已发现的最大、最重的古代青铜器。 金面罩成都金沙遗址博物馆藏古蜀国（商至春秋）杜宇时期秦 铜车马 公元132年张衡创制了世界上第一台地震仪，即候风地动仪。 指南车是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。无论如何向前、向后、还是转弯，小木人的手一直指向南方。这种装置好像现代的自动定向仪。据考证是在三国时期由马钧创造的。三国 铜弩机（成都武侯祠博物馆藏）明代束综提花织机宋应星天工开物明代束综提花织机局部图2007年6月桂林之行水乡侗寨的纺织机 瓦特和他发明的蒸汽机（第一次工业革命） 18世纪中叶，由于

5、物理学对热机和热学理论的研究成果，导致了蒸汽机的发明，引起了第一次技术革命，使人类进入了机械化时代。蒸汽机、焦炭、铁和钢是促成工业革命技术加速发展的四项主要因素。 西门子发电机（第二次工业革命） 世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它的名称叫ENIAC(埃尼阿克)，是电子数值积分式计算机(Electronic Numerical Integrator And Calculator)的缩写。它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。 1964年10月16日，中国自行研制的第一颗原子弹爆

6、炸成功（图左）。1967年6月17日，第一颗氢弹爆炸成功（图中上），1970年4月24日，第一颗人造地球卫星发射成功（图中下）。1971年9月10日，第一枚洲际火箭发射成功（图右） 美国阿特兰蒂斯号航天飞机 从以上人类社会发展过程中的物品，我们可以得到以下结论： 人类创造的物质文明无不包含着设计的思维与实践过程，换言之：任何物品（产品）都始于设计怎么理解设计呢？ （1）需求是设计的动力和源泉。 （2）设计的本质是革新和创造。 （3）设计是把技术成果转化为生产力的活动。 （4）设计远不仅是计算和绘图。 （5）设计是建立技术系统的重要环节，应是给定条件下的“最优解”，避免出现“思维灾害” 之一：

7、设计是“面临不确定性情形，其失误代价极高的决策” 。 （阿西莫夫：设计导论，1962）之二： 设计是“一种对目标的问题求解活动”。（阿切尔：设计者运用的系统方法，1965）之三： 设计是“在我们对最终结果感到自信之前，对我们想要做的东西所进行的模拟”。（鲍克：工程设计教学会议论文集，1964）之四： 设计是“在特定情形下，向真正的总体需要提供的最佳解答”。（玛切特：创造性工作中的思维控制，1968）设计定义之五： 设计是“从现存事实转向未来可能的一种想象跃迁” 。 （佩奇：给人用的建筑，1966）之六： 设计是“一种创造性活动创造前所未有的，新颖而有益的东西”。（李斯威克：工程设计中心简介，1

8、965）之七： 设计是“使人造物产生变化的活动，这个最终定义不仅适用 于工程师、建筑师及其它专科设计人员的工作，而且适用于经济计划者、立法者、管理者、社会活动家、应用研究者、抗议者和政治家的活动，适用于从形式上和内容上从事改变产品、市场、城市、服务机构、公众舆论、法律等等，而经受压力的集团的活动” 。（琼斯：设计方法人类未来的的种子，1970）之八： 设计是“旨在改进现实的一种活动。设计过程的产物，被用作进行这种改进的模型”。（盖茨帕斯基：设计之人性观，1980）之九： 设计“作为一种专业活动，反映了委托人和用户所期望的东西；它是这样一个过程，通过它便决定了某种有限而称心的状态变化，以及把这些

9、变化置于控制之中的手段”。（雅克斯：设计科学方法，“导言”，1981）之十： “设计像科学那样，与其说是一门学科 ，不如说是以共同的学术途径、共同的语言体系和共同的程序，予以统一的一类学科。设计像科学那样，是观察世界和使世界结构化的一种方法。因此，设计可以扩展应用到我们希望以设计者身份去注意的一切现象，正像科学可以应用到我们希望给以科学研究的一切现象那样”。（阿克：设计研究的本质述评，1981）之十一： 设计是“一种社会文体活动。一方面，设计是创造性的、类似于艺术的活动；另一方面，它又是理性的、类似于条理性科学的活动”。（迪尔诺特：超越科学和反科学的设计哲理，1981） 设计：在有限的时空范围

10、内，在特定的物质条件下，人们为了满足一定的需求而进行的一种创造性思维活动的实践过程。1.1.2 设计的特征 （1）有限时空特征所有的设计活动都受到时间与空间的限制 蒸汽机从设计到应用花费100年 自行车170年 柴油机19年（18781897） 电动机57年（1829 1886） 电子管31年（1884 1915） 汽车27年（1862 1895） 雷达15年（1925 1940） 电视机12年（1922 1934） 晶体管5年（1948 1953） 原子反应堆3年（1939 1942） 激光器1年（1960）这个特征对于考古学有极为重要的意义！ （2）物性特征所有的设计活动都是在特定的物质条

11、件约束下进行的 各个不同的历史时期的物品，都有着鲜明的物质条件约束的影迹。 现代工程材料的发展，已经基本做到所需即有所供，人类的设计思路进一步扩展。 （3）需求性特征所有的设计活动都是为了满足某种需求 设计是有目的性的。需求是设计的核心，商品是该核心的载体，利润是设计的经济效益的表现形式。 （4）创造性特征所有的设计活动都是为了取得创造性成果 设计成果的创造性设计师的创造性 “中国的飞船不是联盟号，中国的飞船就是中国的。”（米申，莫斯科航空学院教授，俄罗斯联盟号总设计师） “CCTV感动中国”2005年度人物，中南大学黄伯云院士主持研制“高性能碳碳航空制动材料的制备技术”，获2004年国家技术

12、发明一等奖，结束了该奖自设立连续空缺6年的历史。 2006年国家最高科学技术奖、国家自然科学一等奖、国家技术发明一等奖、国家科学技术进步特等奖4大顶级奖项全部名花有主，标志着我国科技创新能力迈上新台阶，其中一个重要特点就是科技原始创新能力显著提高。 2006年国家技术发明一等奖 “超精密特种形状测量技术与装置”。据介绍，该项目是应用于超精装备制造业的一项国际先进测量技术，直接关系到超精装备制造业的水平和能力。经过18年攻关，哈尔滨工业大学教授谭久彬带领研究团队解决了这一测量难题，使国家走出了长期以来不掌握核心单元技术、无能力自行研制大型高端仪器的困境。这一技术将广泛应用于大型先进装备制造领域，

13、对我国特殊军用、军民两用大型超精密仪器、大型超精密加工装备和超精密工作母机等大型高端装备整体技术水平的跨越式提升将起到直接推动作用。 “SD凹印对印技术”项目获2010年度国家技术发明奖一等奖。它率世界之先，攻克了雕刻凹印两面对印的技术难题，不仅标志着我国钞票核心防伪印刷技术进入世界强国之林，也将使人民币印制向“公众易于识别、造假者难以伪造”的目标更近一步。 2011年度国家技术发明二等奖项目：列车结构塑变吸能技术及装置（原名称：列车碰撞可控变形吸能技术及装置） “创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。”（十六大报告） “自主创新基础能力建设是国家创新体系建设的重要组成部分，

14、是保障和促进全社会创新活动、培养和凝聚高层次人才、建设创新型国家的必要物质技术基础，是国家基础设施建设的重要内容，是由国家重大科技基础设施、实验室体系、工程中心、企业技术中心等构成的国家自主创新支撑体系。” （发展改革委 科技部 教育部 ：国家自主创新基础能力建设“十一五”规划） “提高自主创新能力，建设创新型国家。这是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。 ” （十七大报告）“实践永无止境，创新永无止境。”（十七大报告） （5）过程性特征所有的设计活动都不是一蹴而就的 设计过程是一个实践性很强的过程，不同于纯粹的理论研究过程。中国载人航天工程发展历程（1） “863”计划中纳入载人航天工

15、程。（2） 1992年党中央审时度势，确定实现载人航天工程的战略决策（921工程，）。（3）1999年11月 神舟一号（无人） 2001年1月 神舟二号（无人） 2002年3月 神舟三号（无人） 2002年12月 神舟四号（无人） 2003年10月 神舟五号（一人一天） 2005年10月 神舟六号（多人多天） 2008年9月 神舟七号（太空行走） 2011年9月 天宫一号目标飞行器（空间站） 2011年11月 神舟八号与天宫一号对接 2012年6月 神舟九号与天宫一号对接（首位女航天员）1.2.1 对设计方法的探讨 “方法”就是为了达到某种目的所运用的手段、工作程序以及可以被人们总结出来的规律

16、性的东西。 不同的学科门类（如基础科学、技术科学、工程科学等）存在与之相应的不同的方法（如科学方法、技术方法、工程方法等）。 “设计”过程就是要找到满足功能的最优方案，它涉及自然科学、社会科学等诸多学科领域，解决这一问题必然存在诸多的选择，换言之，设计方法的存在是必然的，并且方法不止一个。1.2 设计方法与设计方法学 在不同的历史发展阶段，科学与技术的现状不同，设计方法也不相同，它是历史的产物，具有鲜明的历史时代特征。历次技术革命的大量创造发明与发现总是伴随着方法论的变革，并反馈促进了科学向更高阶段发展。 对于设计方法的发展历程，通常有以下两种划分方法：方法一： （1）第一阶段 原始设计方法

17、这一阶段的特点是：简单思维、时间长、水平低。前文所示石刀、石斧、骨针等，即是这一阶段设计的产物。 虽然这一阶段的设计方法是原始的，但也是有意识、有目的、有计划的活动，它不同于其他动物的本能活动。 （2）第二阶段 传统设计方法 这一阶段的特点是：复杂思维计算模型试验。 传统设计方法从人类社会的分工开始，到近代，甚至于现在的某些国家、部门仍在使用。 这种设计方法为我国19501960年代的机械化带来了许多积极的作用，使我国与发达国家在机械化水平上的差距得到快速缩小。 但随着社会的发展，这种设计方法的缺陷也逐渐暴露： 思维禁锢 不注重除设计以外的信息反馈 设计周期长 信息存储与检索不方便（特别是在计

18、算机应用前） 难以实现最优化 （3）第三阶段 计算机集成设计方法 该阶段也就是现代设计阶段，这一阶段由于信息的快速交换与集成，使得设计成为优化的、动态的、科学的、计算机化的的活动。主要特点有：程序性、创造性、系统性、优化性、综合性、CAD。方法二： （1）第一阶段 17世纪以前的“直觉设计阶段” （2）第二阶段 17世纪以后的“经验设计阶段”及其以后形成的“传统设计阶段” （3）第三阶段 目前的“现代设计阶段”传统设计与现代设计的对比 在目前的“现代设计阶段”，由于科学技术的迅速发展和计算机的广泛应用，使得设计方法在处理“需求”与“条件”的关系时往往不能很简单地做出决策。由此，促使我们对设计方

19、法本身进行更深入的探讨，以寻求其基本规律，这便是“设计方法学”的产生背景。 现代设计方法是以设计产品为目标的一个知识群体的总称采用系统工程的方法和动态分析法实行“人机环境”一体化设计的设计思想 设计进程和设计组织更加合理化、现代化问题分析动态化设计进程、战略、方案和数据选择的广义优化计算、绘图的计算机化1.2.1 设计方法学概述 设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计思维和工作方法的一门综合性学科。 它涉及的知识面很广，如物理、化学、材料力学、理论力学、金属材料学、机械原理、机械设计、系统工程、计算机、价值工程、人机工程学、设计美学等，可以说它所涉及的学科几乎涵盖所有的学科领域。 设计方

20、法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。在总结设计规律、启发设计创造性的基础上促进研究现代设计理论、方法、先进手段和工具在设计中的综合应用。 设计方法学通过寻求保证设计质量、加快设计速度、减少和避免设计失误的方法和举措，以适应科学技术发展的要求。它的发展将大大提高产品的设计水平和生产率，提高产品的市场竞争能力。 因此，我们可以将设计方法学理解为： 研究设计中的一般过程及解决具体设计问题的方法和手段。（“设计的设计”） 设计方法学不能单凭直觉和经验来设计，而应按设计规律制订的进程、方法和步骤来设计。但这并不意味着忽略设计人员直觉和经验的作用，换言之，我们不能忽略、限制他

21、们的聪明才智，相反，应使其得以充分发挥。 设计方法学是一门实践性很强的学科，也只有在设计实践的应用中，才能真正显示出它的生命力和发展前景。 设计方法学作为方法论，应满足如下的要求： （1）适用于任何工程设计和产品设计，而不局限于某种行业。 （2）能促进发明创造和认识能力的提高，使之较容易找到最佳的解。 （3）可与其他学科的概念、方法和认识相协调。 （4）所获得的解并不是特异的，应较容易转用到其他产品的设计。1.3.1 设计方法学的研究内容 关于设计方法学的研究内容，主要有以下两种观点。观点一：（1）分析设计过程及各设计阶段的任务，寻求符合科学规律的设计程序； 设计规划、方案设计、技术设计、施工

22、设计 （2）研究解决设计问题的逻辑步骤和应遵循的工作原则； 分析、综合、评价、决策（3）分析创新思维规律，研究并促进各种创新技法在设计中的运用，激发设计人员的创新能力；1.3 设计方法学的发展及基本特点（4）分析各种现代设计理论和方法在设计中的应用，实现产品的科学合理设计，提高产品的竞争能力； 系统工程、价值工程、优化设计、相似设计、人机工程、工业美学（5）深入分析各种类型设计的特点，以便按规律更有针对性地进行设计； 开发型、扩展型、变参数、反求（6）研究设计信息库的建立； 设计信息规律加以分类、排序、储存，以便查找、调用，便于CAD的应用（7）研究产品的CAD 实现设计自动化观点二：（1）设

23、计阶段； 研究设计的各个阶段，如原理方案、结构和总体设计；各个阶段及其工作步骤组成设计程序；规范化、模式化、合理化、科学化（2）设计原理、规律和准则； 以系统观点研究设计的准则、原理（3）设计方案； 如何实现从“实现需求”到“技术系统设计”的转换（4）各类设计及应用； 开发型、扩展型、变参数、反求 系统工程、价值工程、优化设计、相似设计、人机工程、工业美学（5）设计信息库； 知识库：各种知识、科技原理、技术成果、专利的表达与存储 方法库：各种操作、程序、技法、方法的表达与存储（6）设计自动化； 设计步骤、理论、方法和计算机的结合（7）综合评价。 评价指标体系 多方案的选择、评优 设计方法学的内

24、容是动态的，它必将随着科技的发展和设计实践的积累而不断丰富。1.3.2 设计方法学的理论基础（1）方法论基础系统工程 设计方法学的方法论基础，是最主要的理论基础。运用系统工程的观点，将产品设计理解为一项系统工程，进行分析、综合、评价和决策。（2）自然科学理论基础 数学、力学、机械原理、机械设计、材料学、优化计算、信息论、模糊论、相似论（3）社会科学理论基础 工业经济学、价值工程学、决策论、人机工程学、心理学、民族学（4）技术手段 计算机1.3.3 设计方法学的特点（1）从战略高度，用大视角审视设计对象 零部件水平产品水平系统水平社会水平（2）方法论，应用学科，交叉学科 多学科互相渗透、交叉，形成新概念、新规则、新方法；必将随着其他学科的发展而在动态中不断完善。（3）鲜明的系统性 第二章要讲有关技术系统的概念。（4）对设计师提出更高的标准 思想活跃、勇于创新（5）追求最优化的设计结果 不仅仅是某一方面性能的最优化，而是整体的最优化 (6) 设计方法学是设计领域的指导思想 1.3.4 设计方法学的发展历程（1）1870年代，德国人F. Reuleaux在理论运动学一书中提出了“进程规划的模型”，被称为设计方法学