北京航空航天大学设计概论-期末总

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.主要内容：

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

第一章绪论

1.1设计概念

人类的社会活动：围绕物质财富的创造和分配展开

1．狭义的设计概念：设计：将客观需求转化为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。

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。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。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：建立新理论、新方法，发明新机构、新运动原理。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。1.2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.现代产品设计的模式：反馈的闭环模式

2.1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2.1功能概念及分析方法

产品设计的首要环节，将市场需求转化为产品的抽象化性能1．功能概念：

体现在产品实体上的效用性能，包括：—效能、—用途、—作用、—目的2．功能定义的方法：

动词+名词：千斤顶—顶起+重物，电池—储存+电能

定义功能需提取最本质的性能，有助于引导新的构思与产品3．功能分析法

（1）总功能确定：通过比较输入与输出之间的差别定义总功能（2）功能树作功能分解：将功能分解为多个简单功能元，通过对功能元的求解，得到机构，最后得到总功能的求解方案功能分解获取→机构运动简图→机构控制简图（3）功能分解的方法—（目的—手段）

将产品性能的网络结构按树型结构展开进行功能分析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。（2）直线往复运动的机构（水平）图2-7往复运动的机构

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。2．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

对于机构设计，优点：灵活性、多样性、丰富多彩性，实现用户对产品的个性化与求异的心里需求。缺点：不同的功能组合构成不同的机构和不同的运动规律构成不同的机构这两层1：N的关系，构成设计的复杂性和分析评价的困难，各种因素难以把握，利弊难以平衡。

机构综合中的结构类型选择与机构组合是机构设计的关键点和难点。2.4制定运动规律的原则和步骤1．步骤

（1）功能分析

将用户使用要求转化为产品的一系列的有序操作动作（2）运动规律分析

将复杂运动按某一性能指标分解成若干个基本运行

（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能完成要求的操作动作，满足使用性能；

动作协调，无碰撞、干涉、过程平稳。2．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2.5创新技法

1．分析综合法（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2．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

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。2）机械效益最大原则

3）机构效率最大的原则

4）获得较大的传动角µ

原则

5）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,平衡惯性力矩重载机构也要有平衡惯性力,平衡惯性力矩

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2.7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，选出最佳方案图2-20关联数图二、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

C.锻压头作上、下往复运动方向变换的功能（2）建立功能－机构矩阵(343)（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图2-21运动简图筛选方案2.8.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：：二极杆的构件数：三极杆的构件数：四极杆的构件数

……

：n极杆的构件数

N：机构的总件数2）单自由度机构中不同运动副的构件的配置（2-5）四杆机构：只有一种配置方案；；六杆机构：有两种配置方案:

有效配置案一种，构成两种运动链即为：瓦特链

斯蒂芬链八杆机构：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图2-23八杆机构的运动链图2．运动链图及机构的生成法运动链图：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步行机构轨迹图图2-25瓦特链的倒置机构图2-26斯蒂芬链链的倒置机构4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。

（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）4.瓦特链的代换过程

图2-30瓦特链的低副变高副5.斯蒂芬链的代换过程

图2-31斯蒂芬链的低副变高副第三章机构的组合方式

3.1机构的组合方法分类

1.机构的组合类别

2.以连接特征的分类类别

3.2机构的组合模式

1．串联组合模式

2．并联组合模式

3．反馈组合模式

4．运载机构

5．时序组合机构3.1机构的组合方法机构的组合类别与分类的特征有关有两种分类方法：

A.以几何特征分类

B.以连接特征分类

1.以几何特征分类：

多杆机构、凸轮机构、齿轮机构…….图3-1组合机构图3-2串联组合机构2．以连接特征为主的分类主要以两个或多个基本机构组合时的连接方式为特征：

串联、并联、反馈、运载、时序组合（顺序控制）3.2机构的组合模式

1．串联组合模式

2．并联组合模式

3．反馈组合模式

4．运载机构

5．时序组合机构1．串联组合模式1）固结式串联：前一机构输出杆与后一机构的输入杆为公共杆。2）轨迹点串联：前一输出机构通过连杆上的一点将运动传给后一输入机构。图3-3轨迹点串联2．并联组合模式1）以差动轮系为基础机构的并联机构图3-4差动轮系的并联机构4.2简单评价法

1.点评价法方案ABC评价目标

满足功能要求+++

成本在规定范围内--++

加工装配可行+?+

使用维护方便+--+

满足人机学要求--++

总评+?++5+

2.名次计分法（1）得分（n，n-1，……，1），计算总分；（2）排序；对首为最佳方案；（3）一致性检验（c≥0.70，c=1最好）（4-6）（4-7）4.3评分法评分法：用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。多评价目标单目标评分总目标的总分

评分分制概念：1）分制：10分制（10，8，……

，2）

5分制（5,4，3，……，1）2）评分曲线3）总分计算法

总分计算

分值相加法分值连乘法均值法相对值法有效值法

2）评分曲线3）总分计算法2.若总分按有效值法计算，则有：（1）获取权值矩阵、评分矩阵；

（2）两矩阵相乘得到有效值矩阵；3.有效值法平分法的评价过程4.总分按排序，选出队首元素为评价结果。例如3：有A、B、C三种电池，主要性能与成本如下表所示，试评价出最好的电池。解：（1）提取评价目标及权值系数，用目标树表示（2）确定分制，做评分曲线（3）计分，并获取评分矩阵评价目标u=[成本，电压，寿命]权值矩阵G=[0.20.30.5]评分矩阵（4）计算有效矩阵（5）结论：电池A有效值最高，电池A最好4.4技术--经济评价法1.技术评价（4-12）2.经济评价（4-13）3.技术--经济综合评价用计算法或作图法综合技术值及经济值，实现技术—经济综合评价例2：轴承座托架的结构方案评价德国德律风根公司：对大型电机系列设计轴承座托架三种结构方案：方案I：托架直接焊接在电机机座上方案2和3：托架分别为独立的焊接构件及铸件，用螺钉联接于电机机座上。轴承座托架的结构方案评价1.技术目标评价1）提取评价目标，构建评价目标树；{性能，制造，使用}2）权值分配{0.60，0.25，0.15}3）获取目标项的值a.选取评分法，取10分的分制；b.按统计评语计算分值；计算加权分值；c.总分计算4）合成技术目标的评价结果Wt={0.500.390.77}2.经济目标评价理想成本80元实际成本：方案1方案2方案3106100174经济目标评价结果Wc={0.750.800.46}3.综合评价W={0.610.560.60}（1）抽取评价目标，并进行加权分配

（2）初评，从10种方案中筛选出4种方案

（3）模糊决策的过程

评价目标集Y={y1,y2,y3,y4,y5}

评价集X={优，中，差}

加权系数矩阵A={0.120.080.330.220.25}b.

用统计法求得4种方案的模糊评价隶属度矩阵

C.模糊运算，获取决策矩阵

d.归一化处理

e.最优方案：B4优劣排序：B4B3B2B1第五章柔性制造系统的建模设计

5.1柔性制造系统的结构及主要内容

5.2资源规划模型

5.3机床布局模型

5.4调度模型

5.5精良生产

5.6并行工程5.1柔性制造系统的结构及主要内容

1.柔性制造系统

柔性制造系统是通过计算机控制把制造设备、制造过程及其加工操作集成到一个完整的系统中，实现从毛坯到成品的全过程的自动化系统。

2.柔性制造系统的结构

柔性制造系统结构分为三层，第一层是以人为核心的组织与控制系统，第二层是计算机控制与管理系统，第三层是自动化加工、装配、输送系统。3.柔性制造系统的特征

1）具有更高的自动化程度。

2）柔性制造系统所占用的机床比传统的加工系统少，柔性制造系统通过信息流与系统规划模块能合理的组织加工单元。

3）柔性制造系统的一次上料后的加工时间比传统的加工系统长，装夹次数比传统的加工系统少。

4）柔性制造系统中的机床的布局取决于物料搬运系统的类型。4.柔性制造系统设计的主要内容

1）资源需求问题：主要确定生产资源的最佳占用量与配比2）资源布局问题：主要涉及如何在有限的空间使生产设备的布局最佳3）材料流的问题：材料流的优化问题，实现效率高、成本低、可靠性好的供应4）缓冲容量问题：确定缓冲器的安放地点和容量值5.柔性制造系统的建模方法

柔性制造系统的核心是获取实时组织的过程规划系统。通过柔性系统，使产品迅速由设计变为实体物品。主要建模方法有：1）规划论建模方法2）排队论建模3）人工智能建模5.2资源规划模型概念：资源规划就是依据生产规模确定生产系统中各类设备的台、套数。简单模型：

式中：µ—实际生产率m—运行周数th—

每周工作时间

η—线效率Tc—生产节拍ts—工作总时间

ηm—平均效率tw—实际工作时间tt—辅助工作时间5.3机床布局模型

机床布局——输送链，有四种方式：直线单行、圆形单行、直线双行和直线多行5.3机床布局模型机床布局的目标：以输送费用为最小确定机床的分布与布局；模型：1）单行机床排列；a.机床沿一条线排列；b.机床的朝向一致。c.参数：ncijfijd.单行机床布局模型：i=1,2…,nj=i+1,…,ni=1,2…,n-12)多行机床等面积布局

a.机床布局方式2）多行机床等面积布局

b.多行等面积机床布局模型：i=1,2…,n-1i=1,2…,ni=1,2…,n3）多行机床不等面积布局

a.机床布局3）b.多行不等面积机床布局模型：5.4调度模型

零件在机床中的传送方式单向双向1.单机床上的多道工序的调度模型1）不附加任何条件的调度：调度规则：工序时间短的向前排，工序号123456工序时间长的向后排；加工时间471623调度结果：（3，5，6，1，4，2）

2）附加交货期限的调度：

调度规则：交货时间短的向前排，交货时间长的向后排。工序号

123456加工时间

112513交货日期

6381493

调度结果：（6，2，1，3，5，4）2.双机床单向调动有若干道工序，都在两台机床（M1、M2）上加工，顺序相同，先M1后M2，调动的结果是得到最大的流通时间为最小的调度序列。调度结果：（465312）3.三机床单向调度1)方法：三机床单向调度转变为双机床的单向调度若满足条件：第二台机床上的加工时间不大于第一台机床或第三台机床上的加工时间；2)

步骤：1）用第一台机床与第三台机床上的加工时间分别加上第二台机床上的加工时间，构造虚拟机床；

2）按双机床单向调度。

3）校核进度是否出现明显的延误。3）三机床单向调度示例：有n道工序，在三机床上加工，单向，M1，

M2

，M3，调度排序。4）进度表：

1）M1按调度序列累加M1的时间；

2）M2按调度序列累加M1+M2的时间；

3）M3按调度序列以M1+M2+M3比较与累加时间。5.5精良生产1.精良生产的产生原因和原理

一战以后，大批量生产方式代替单件生产。一辆汽车耗用成本仅为单件的1/3。二战以后，日本经济萧条，用一种新的生产方式来与大批量生产抗衡，在汽车的车身制造的换模技术上，发明快速的移动式上模与撤模技术，产生精良生产

2.精良生产对浪费的定义（1）修复次品是浪费；（2）过量生产是浪费；（3）加工过程中的浪费；（4）库存是费；（5）搬运的浪费；（6）动作的浪费；（7）窝工是浪费。3.精良生产的运行模式精良生产运行：拉取模式、准时制原则与看板反馈控制1）拉取模式精良生产的基本思想：杜绝浪费。精良生产的组织管理——实施拉取模式，定单——生产后道工序——前道工序2）准时生产制强调准时性，力争准时供货，库存为零。五准原则：在准确的时间、准确的地点提供准确的数量与质量的物品—给准确需要的人3）看板看板：信息传递的模板——信息流——推动生产信息载体：卡片网络与显示屏看板的作用分为5类：生产看板供应看板采购看板转包看板及辅助看板。4.看板控制系统看板的控制类别（1）单看板系统（2）双看板控制系统（3）半双看板系统（4）看板的接受区a.看板系统接受是前置工序b.看板接受是仓库c.看板接受是销售商6.最优的看板数7.看板系统的柔性调动在流程中运行的看板数取等量运行：即相邻接两个工序间的看板数相等。倘若不等，就需要柔性调动：插入操作删除操作若前一过程的看板数小于当前的看板数：作插入操作，新增差额看板若前一过程的看板数大于当前的看板数，作删除操作，去掉多余的看板5.6并工程1.并行工程的产生并行工程的概念60年代曾被Abermathy教授（美国）提出。在80年代并行工程又被重新提出来。

1986年，美国总统防务咨询委员会向美国总统报告：“武器系统的开发周期太长，生产成本过高，常常满足不了需求”。2.并行工程的定义并行工程（concurrentengineering）又称之为同期工程（simuetaneousengineering），主要强调多过程，多任务同时进行。1988年10月，美国防御分析研究所在第一届并行工程研究会议中提出的定义是：并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程及支持过程）的系统方法，这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑整个生命周期中从概念到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。3.并行工程的运行模式

a.传统的串行工程b.并行运行模式第六章模糊集合的基本概念与模糊关系6.1模糊集的若干基本概念6.2模糊集运算的基本性质6.3模糊的集的代数运算6.4模糊关系模糊集设X为空间，空间中的点或元素以来表示，即:6.1模糊集的若干基本概念模糊集A是一个集合，是由隶属度来表示元素是否所属于模糊集A的特征。即：这样的函数，若：

总有：

M称为隶属度空间

:表示x属于模糊集A的程度或等级

M:{0，1}

A:通常意义下的集合

值靠近1，则表示x属于A的程度高，靠近0，则表示x属于A的程度低，

的示意图6.1模糊集相等有两个模糊集A、B，所有的x当

有：

与

分别是模糊集A、B的隶属度函数

记为A=B其中：对应为数学关系式表示为：空集所谓模糊集A是空集，就是指对有即有：记作模糊集的包含关系模糊集的包含关系是指在模糊集A、B中，若A是被包含于B的子集，表示对于有:记为：即有：图6.2模糊集的补集模糊集A的补集，定义为对于有:A的补集:记作:即有:模糊集的并集隶属度函数可表示为：模糊集A、B的并集，定义为包含模糊集A、B两者在内的最小的模糊集。记为设

即有：模糊集的交集模糊集A、B的交集记作，

定义被A，B两者包含之内最大的模糊集设:则其隶属度函数可表示为：

图6.4模糊集的并集、交集与代数集图6.3补集（1）（2）

则

（3）

则（4）（5）6.2模糊集运算的基本性质（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）(德·莫尔甘定律)

6.3模糊的集的代数运算代数积模糊集的代数积，记为AB，其隶属度函数可定义:代数和模糊集A，B的代数和，记为

其隶属度函数定义：代数和用代数和用补的来定义：图6.5模糊集A，B的绝对差绝对差模糊集A，B的绝对差，以表示:可定义如下：6.4模糊关系

在直积空间它以隶属度函数若中的模糊关系R，就是在中的模糊关系称为X上的模糊关系.则把模糊关系来表示特征的模糊集R

中的n元模糊集R

更一般地在直积空间就是用n元隶属度函数来表示的模糊集R其中：例1设x,y为汽车，则“x比y好”这种关系就是模糊关系例2设x,y指人，则“x和y相象”这种关系也是模糊关系设:若X是指实数轴,则“x比y大得多”

隶属度函数:

模糊关系的合成设

为中的模糊关系，则的合成，还是中的模糊关系，

记为:

简写:

例4设R为

的模糊关系

:隶属度函数:合成模糊关系:

合成隶属度函数:模糊关系的基本性质：性质1模糊关系的合成满足结合律

性质2性质3

若有

性质4性质5第七章模糊矩阵7.1模糊矩阵7.2模糊矩阵的运算7.3模糊矩阵的基本公式7.1模糊矩阵设X×Y中的模糊关系为R,能用m×n矩阵表示:图8.1模糊关系的矩阵表示

图7.2模糊关系的矩阵图7.3布尔矩阵例1模糊矩阵的例子{苹果，球，……，四棱锥}7个对象,用模糊矩阵表示的的“相似”关系模糊矩阵表示:

简记:

7.2模糊矩阵的运算：

（1）相等：记作:

模糊矩阵:

（2）包含：（3）模糊矩阵的和:模糊矩阵C称为A与B的和的表示:例2模糊矩阵A与B的直积C表示为：

（4）模糊矩阵的直积例3:而直积

(5)余模糊矩阵：模糊矩阵

例4

设（6）模糊矩阵积：模糊矩阵则:例5

设同样地由此可知，一般来说称A与B可换。在特