第三章-系统分析设计方法

现代设计与制造技术主讲：田富洋ModernDesignMethodsandManufactureTechnology机械与电子工程学院山东农业大学机电学院本科专业选修课程sdaumee@126.comsdaumee123第三章系统分析设计方法系统分析设计方法产生于自20世纪40年代以来逐步形成和完善起来的系统论、信息论和控制论等系统科学理论，它的主要观点是将研究对象放在系统中加以研究和认识。系统观作为一种新的思维方法，给整个设计科学提供了新思路、新观点。一、系统分析设计方法概述系统分析设计方法：把设计对象看作是一个系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以求获得最佳的设计方案。1、基本概念系统单元、系统结构、边界条件，输入和输出要素边界条件：系统与外部环境的作用界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。输入输出元素：系统与其外部环境相互联系和作用的要素，影响系统的行为。系统单元：完成某种功能而无需进一步划分的单元，即系统相互联系和作用的基本组成要素。系统结构：反映着系统内部各单元之间的关系，即相互联系和作用的联结形式。系统分析设计方法要求从系统的观点出发，始终着重于从整体与部分之间，整体对象与外部环境之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系中综合地、精确地考查对象，以求最优地处理和解决问题。系统化的设计观，其核心是把产品设计的设计对象以及产品设计过程中的相关问题，然后用系统论的分析方法加以处理和解决。2、工程技术系统及系统工程设计方法模式工程技术系统处理对象：能量、物料、信号等。能量：机械能、热能、电能、光能、核能、生物能、化学能等。物料：材料、毛坯、试件、气体、液体等。信号：数据、控制脉冲、显示等。系统工程设计方法模式：设计时把一般程式（纵向主线）和基体设计技术（横向方法）纵横交叉关系看成时一个三维结构模式，它是一个考虑多因素、多层次的科学方法体系。系统开发系统设计系统制造系统运行二、系统分析设计方法过程产品规划方案设计技术设计产品设计过程施工设计产品规划：首先明确所设计的系统或产品的目的、任务和要求，进行市场需求分析、可行性分析和设计要求的拟定工作销售方案设计：一般从功能分析入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过分析－综合－分析，求得最佳方案。技术设计：为完成设计目标而采用的技术手段，如通过分析了解技术方案中的创新点和难点以及解决他们的方法和技术路线。施工设计：按照技术路线而进行的实施，该过程为分析－施工－修正－施工过程，从而达到设计目的。销售设计：根据历史销售记录和已有的销售合同，综合考虑产品的销售和售后服务，将结果反馈设计人员。三、功能综合法求解最佳方案设计基本思路：设计中重点保证基本功能，兼顾辅助功能，同时考虑使用和外观功能，取出多余功能，调整过剩功能，分清主次的合理使用成本，求得价值优化。功能综合法一般分为功能定义、功能分类和功能整理三个步骤。1、功能综合法分析步骤（1）功能定义功能定义，就是给设计对象及其组成部分的各功能项下定义，以限定每一项功能的内容，明确其本质。一般使用一个动词和一个名词或只使用一个动词来给产品做简明的功能定义。一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能(Totalfunction)。功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能元(Functionelement)，然后求解功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。(２)功能分类

在实际设计项目中，许多设计对象都具备很多种功能，这时，为了更好地分析设计对象，有必要确定各功能的性质及其重要程度。

功能按性质的不同可以分为实用功能、审美功能、象征功能、社会功能、环境功能等；按重要程度可以分为基本功能和辅助功能;按对消费者而言的必要性可以分为必要功能和不必要功能。基本功能是指为达到设计对象的目的，发挥设计对象的效用所必不可少的功能。辅助功能是为了更好地实现基本功能而添加的功能，它的作用对于基本功能来说是次要的、辅助性的。基本功能元及符号表示根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。任何一个复杂的机构系统所要实现的运动，都可以认为由一些基本的功能元按一定规律组成的，根据功能元就易于找到相应的功能载体，实现功能元的求解。(３)功能整理所谓功能整理，是指用系统的思想，分析各功能之间的内在联系，按照功能的逻辑体系编制功能关系图。功能综合设计方法对产品设计的重要意义：

确定了产品的功能问题在设计分析中的核心地位，设计构思以产品的功能系统为主线。通过理性、直观的功能系统分析，帮助设计师克服思维定势和传统观念束缚，得到全新的设计思路。通过产品功能分析，及时准确地发现和排除产品的不必要功能，降低产品成本，经济地实现产品的价值。以功能为中心的设计方法有助于实现产品良好的实用性和可靠性。依靠功能分解认识功能与造型单元的关系，提供了一种思考产品造型单元组合方案的新思路。用系统化的思想为指导，提高了产品开发设计的效率，降低了开发成本。2、功能综合法－黑箱分析法黑箱法：根据系统的输入和输出关系来研究实现系统功能的一种方法，即根据系统的某种输入，要求获得什么样的输出的功能要求，从中寻找出某种规律来实现输入－输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使黑箱变成白箱的一种方法。黑箱法的基本思路：把待求的系统看作黑箱，分析比较系统的输入和输出能量、物料和信号，而其性质和状态上的变化、差别和关系就反映了系统的总功能。黑箱法的基本步骤：比较输入和输出的差别和关系，找出实现功能的各种可能的原理方案，把黑箱打开，确定系统的结构。338输入输出黑箱？功能综合法：把系统功能元和局部解分别作为纵横坐标，列出“功能求解综合表”，从每个功能元取出一种局部解进行有机组合，构成一个系统解的方法。3、机械执行系统的功能原理及方案的多样性（1）斜面的应用螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等（2）齿轮加工方法

无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿纽结式折叠式接缝式（3）糖果包装机设计（4）自动输送料板的装置机械推拉平板摩擦摩擦轮底部气吸顶部气吸车床镗床钻床拉床（5）内孔的加工（6）平面的加工牛头刨床－刀具往复运动龙门刨床－工件往复运动分路驱动集中驱动冲压床传动系统配置（7）冲压设备的传动设计4、功能综合法求解原理方案例1、挖掘机的设计（1）功能分析（2）列出功能元及其局部解的功能求解综合表履带式电动绳传动挖掘机（3）将各局部解排列组合共有的方案有：N=6×5×4×4×3=1440种其中一种组合A1+B4+C3+D2+E1→履带式电动绳传动挖掘机（4）系统考察各方案的优缺点及其他因素，确定最优方案4、相关表格及相关网法求解原理方案例2、电子皮带称的原理方案设计（1）功能分析（2）功能结构模型中各要素相对应的相关表格和相关网即要确定各要素间的相互关系。电子皮带称功能结构模型的相关表格和相关网“0”表示两者有直接关系，“+”不是两者有非直接关系，“空白”表示两者无直接关系或非直接关系三、方案设计举例例3、瓶盖整列装置的原理方案设计（1）明确设计要求把一堆不规则防止的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出，瓶盖质量为10g，整列速度为100个/min，能量为200V交流电和高压气体（压力为0.6MPa），其余功能要求见表。（2）总功能分析及分解－瓶盖整列输出瓶盖整列功能的黑箱模型总功能与分功能间功能结构（3）功能元求解－采用功能求解综合表格求解功能元共分为五个方面：输入（A）、测向（B）、分拣（C）、翻转（D）及输出（E）。（4）系统解－组合各功能元共有N=8×6×6×3×7=6048种（5）评价与决策－采用简单的评价法（专家评价法）方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ整列速度高++++-整列误差小-+-+成本低-++-+便于加工-++-结构简单-+++-操作方便-++-+合计4个“-”9个“+”1个“+”0经过简单评价法，可以得知，方案Ⅱ为最优方案例4、精锻机主机构加压执行系