1、設(shè) 計 概 論 本課程：產(chǎn)品設(shè)計中的理論及方法。 -概念設(shè)計、形體設(shè)計到制造過程 按教學(xué)大綱要求，主要講解六方面的內(nèi)容： 1功能分析及產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計 產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)設(shè)計方法學(xué)； 2機(jī)構(gòu)的組合方法； 3設(shè)計評價； 4柔性制造系統(tǒng)的建模設(shè)計 柔性系統(tǒng)中的求解算法。 包括資源規(guī)劃、機(jī)床規(guī)劃、精良生產(chǎn)及并行工程 5. 模糊理論與模糊規(guī)劃 6. 機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計中的模糊優(yōu)化建模,第一章 緒 論 1.1設(shè)計概念 人類的社會活動：物質(zhì)財富創(chuàng)造 財富的分配 設(shè)計-物質(zhì)財富創(chuàng)造-最基本的概念 1狹義的設(shè)計概念： 設(shè)計-客觀需求-滿足需求的技術(shù)系統(tǒng)活動。 技術(shù)系統(tǒng)活動 ：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計或產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的一切活動。 包括：機(jī)

2、構(gòu)設(shè)計-結(jié)構(gòu)（功能結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)）與精度設(shè) 計-裝配設(shè)計-維修與運(yùn)輸及安裝-報廢回收設(shè)計-制造規(guī)劃設(shè)計-等。 2廣義設(shè)計概念： 例1，設(shè)計是一種針對目標(biāo)問題的求解活動； 例2，設(shè)計是一種創(chuàng)造性的活動，創(chuàng)造前所未有的，新穎而有益的東西。,例3，設(shè)計是“一種構(gòu)思與計劃，以及把這種構(gòu)思與計劃通過 一定的手段轉(zhuǎn)為視覺化的活動過程”。 涵蓋面更廣的概念：對發(fā)展過程的安排 對發(fā)展過程進(jìn)行的活動 發(fā)展過程：發(fā)展方向、程序、細(xì)節(jié)、要達(dá)到的目標(biāo)。,涵蓋面更廣的,3創(chuàng)新是設(shè)計的靈魂 設(shè)計目標(biāo)產(chǎn)品贏得市場，產(chǎn)品的競爭力 ： 性能使用戶滿意； 開發(fā)周期最短； 成本最低； 無污染或污染被降低到最低的限度。 “創(chuàng)新” 的

3、含義：A.原創(chuàng)新： B.新產(chǎn)品創(chuàng)新 ：非圓齒輪：凸輪與齒輪的組合； 手機(jī)： 新型手機(jī)= 手機(jī)+電子記事本+網(wǎng)絡(luò)。,1.2設(shè)計過程及產(chǎn)品的開發(fā)過程 1.設(shè)計的四個過程階段： 需求分析 構(gòu)思設(shè)計 結(jié)構(gòu)與精度設(shè)計 制造過程設(shè)計。 2. 現(xiàn)代產(chǎn)品制造的特點(diǎn)： A. 創(chuàng)造設(shè)計過程長，制造過程縮短； B.由原來的滿足精度，經(jīng)久耐用的特點(diǎn)現(xiàn)代 的個性化、流行化的特征發(fā)展。 3.產(chǎn)品設(shè)計的模式：反饋閉環(huán)的模式,2.1 功能概念及分析方法 2.2 功能原理與運(yùn)動規(guī)律之間的關(guān)系 2.3 運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)組合的關(guān)系 2.4 制定運(yùn)動規(guī)律的原則和步驟 2.5 創(chuàng)新技法 2.6 機(jī)構(gòu)組合時的基本原則及影響因素 2.7 按

4、功能結(jié)構(gòu)矩陣設(shè)計運(yùn)動簡圖 2.8.按機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性作機(jī)構(gòu)組合,第二章 功能分析與機(jī)構(gòu)設(shè)計,2.1 功能概念及分析方法 1功能概念： 效能 用途 作用 目的 2功能定義的方法： 動詞+名詞 3功能分析法 （1）總功能確定 （2）功能樹作功能分解 功能分解獲取機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 機(jī)構(gòu)控制簡圖,（3）功能分解的方法（目的手段）,2.2 功能原理與運(yùn)動規(guī)律之間的關(guān)系 板材送料機(jī)構(gòu)都有三個操作：供料，取料與送料。但不同的機(jī)構(gòu)，原理不同，結(jié)構(gòu)也不同；原理相同，結(jié)構(gòu)也不同； 功能原理： 推力 摩擦 吸力,歸納：功能與運(yùn)動規(guī)律之間的對應(yīng)關(guān)系 A功能與運(yùn)動規(guī)律之間有對應(yīng)關(guān)系，這個映射關(guān)系實現(xiàn)機(jī)構(gòu)構(gòu)思中由功能設(shè)計向運(yùn)動

5、規(guī)律設(shè)計的轉(zhuǎn)化。 B功能與運(yùn)動規(guī)律之間為1 n的關(guān)系，即：單對多的關(guān)系。,（2）直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)（水平）,圖2-7往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu),歸納：運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系 A 運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)之間存在對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系能實現(xiàn)由運(yùn)動規(guī)律到機(jī)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化實現(xiàn)了由設(shè)計構(gòu)思到實體產(chǎn)品之間的聯(lián)接。 B運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)之間為1n 的關(guān)系，即：單對多關(guān)系。,2功能原理、運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)綜合之間的關(guān)系 （1）功能與運(yùn)動規(guī)律之間存在著對應(yīng)關(guān)系，運(yùn)動規(guī)律與機(jī)構(gòu)之間存在著對應(yīng)關(guān)系； 設(shè)計活動 從功能分析運(yùn)動規(guī)律分析機(jī)構(gòu)設(shè)計 過程轉(zhuǎn)化的有序性、邏輯性 （2）兩個 1 n（單對多）關(guān)系,2.4 制定運(yùn)動規(guī)律的原則和步驟

6、 1步驟 （1）功能分析 （2）運(yùn)動規(guī)律分析 （3）型選擇 a. 原理類型 b. 結(jié)構(gòu)類型 （4）運(yùn)動協(xié)調(diào)分析及協(xié)調(diào)設(shè)計 a. 能完成要求的操作動作，滿足使用性能； b. 動作協(xié)調(diào)，無碰撞、干涉、過程平穩(wěn)。,2制定運(yùn)動規(guī)律的原則 運(yùn)動最簡原則及規(guī)律集最小原則 減少冗余環(huán)節(jié) 規(guī)律集最小 運(yùn)動規(guī)律為簡單運(yùn)動 II結(jié)構(gòu)最簡原則 采用新機(jī)構(gòu)、新技術(shù) 采用簡單輪廓結(jié)構(gòu),2.5 創(chuàng)新技法 1分析綜合法 例1：設(shè)計方形罐頭瓶自動貼簽的機(jī)構(gòu),（1）分析成熟產(chǎn)品： 取簽 上膠 壓簽及貼簽 貼簽瓶的輸入與輸出 （2）提取特征機(jī)構(gòu)，組合成設(shè)計機(jī)構(gòu),圖2-10 紙張分離機(jī)構(gòu),圖2-11郵票上膠機(jī)構(gòu),圖2-12帶式上膠

7、機(jī)構(gòu),圖2-13 方瓶自動貼簽的機(jī)構(gòu),3) 組合與調(diào)整，最后形成方瓶自動貼簽的設(shè)計機(jī)構(gòu),2思維擴(kuò)展性 在已有成熟產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)上作擴(kuò)展設(shè)計，獲取新機(jī)構(gòu) 例2：要設(shè)計實現(xiàn)大行程的復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律的機(jī)構(gòu),圖2-14 大行程復(fù)雜運(yùn)動機(jī)構(gòu),大行程用線性函數(shù)Sk實現(xiàn)，即： Sk = K（t） 復(fù)雜運(yùn)動用非線性函數(shù)Sf實現(xiàn)，即：Sf =f（t） 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)械（絲杠）機(jī)構(gòu)+電磁控制 綜上所述：思維擴(kuò)展法有兩個特點(diǎn)： （1）將多種技術(shù)綜合應(yīng)用； （2）在原有的機(jī)構(gòu)上，根據(jù)產(chǎn)品的新要求，延續(xù)構(gòu)思，創(chuàng)造出新機(jī)構(gòu)。 2.6 機(jī)構(gòu)組合時的基本原則及影響因素 1) 結(jié)構(gòu)最簡原則 選取的基本機(jī)構(gòu)，減小加工誤差與加工累積誤差對產(chǎn)

8、品性能的影響。,圖2-15直線機(jī)構(gòu),2）機(jī)械效益最大原則,圖2-16曲柄滑塊機(jī)構(gòu),（2-1）,（2-2）,不計摩擦，瞬間輸入功應(yīng)等于輸出功,（2-3）,（2-4）,3）機(jī)構(gòu)效率最大的原則,圖2-17 高副低代的機(jī)構(gòu),4）獲得較大的傳動角 原則,圖2-18 機(jī)構(gòu)的傳動角,圖2-19 高副機(jī)構(gòu)的傳動角,在一個周期中，傳動角是變化的，總存在一個最小的傳動角,作機(jī)構(gòu)綜合時：,0 且, ,要有越過死點(diǎn)措施，通常應(yīng)用慣性力越過死點(diǎn),= 0,5）機(jī)構(gòu)動力源因素 動力源有多種形式：電能、電磁能、氣能、液壓、 波能 量能轉(zhuǎn)換形式電動機(jī)、氣、液壓機(jī)構(gòu) 6）動載荷最小原則 高速機(jī)構(gòu)，力爭平衡慣性力 重載機(jī)構(gòu)也要有平

9、衡慣性力 措施是： 機(jī)構(gòu)取對稱結(jié)構(gòu)，重力矩自行平衡 機(jī)構(gòu)最有利于重力平衡,2.7 按功能結(jié)構(gòu)矩陣設(shè)計運(yùn)動簡圖 一、設(shè)計原理與過程 1.原理 功能運(yùn)動規(guī)律機(jī)構(gòu)之間存在的映射關(guān)系 分解與組合完成 矩陣的手段 2功能結(jié)構(gòu)矩陣設(shè)計過程 1）功能分類，用圖形符號表示 2）作功能分解 按關(guān)聯(lián)樹組成功能結(jié)構(gòu)矩陣； 3）作原型選擇，即：基本機(jī)構(gòu)選擇； 4）組合成機(jī)構(gòu)，并構(gòu)造多個方案； 5）分析比較，選出最佳方案,圖2-20 關(guān)聯(lián)數(shù)圖,二、示例 設(shè)計一個鍛壓設(shè)備，它采用電動機(jī)作為動力源，要求鍛壓部件（鍛頭）作上下往復(fù)運(yùn)動，鍛造出高精度的毛坯。 （1）功能分解 分析：電機(jī)旋轉(zhuǎn)，鍛壓頭上、下往復(fù)運(yùn)動，機(jī)構(gòu)應(yīng)有： A

10、. 運(yùn)動形式變換功能，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動； B. 驅(qū)動力放大功能,C. 鍛壓頭作上、下往復(fù)運(yùn)動 方向變換的功能,（2）建立功能機(jī)構(gòu)矩陣,（3）構(gòu)造機(jī)構(gòu)方案 構(gòu)造機(jī)構(gòu)注意三項原則： a. 組合的可能性原則，相關(guān)點(diǎn)的運(yùn)動要一致； b. 組合的有效性原則 組合后運(yùn)動不干涉，保證運(yùn)動范圍，滿足運(yùn)動精度要求； c. 構(gòu)件的輪廓應(yīng)有可加工性。 （4）分析比較，確定最佳方案 結(jié)論：依據(jù)設(shè)計要求，選出方案A,圖2-21 運(yùn)動簡圖篩選方案,2.8.按機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性作機(jī)構(gòu)組合 1.單自由度機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)與運(yùn)動副的配置 1）不同運(yùn)動符的構(gòu)件類型及構(gòu)件數(shù)代號 二極桿：一個構(gòu)件上有兩個鉸接點(diǎn)； 三極桿：一個構(gòu)件上有三

11、個鉸接點(diǎn)； 四級桿：一個構(gòu)件上有四個鉸接點(diǎn)； 若：n2 ：二極桿的構(gòu)件數(shù) n3：三極桿的構(gòu)件數(shù) n4 ：四極桿的構(gòu)件數(shù) nn ：n極桿的構(gòu)件數(shù) N ：機(jī)構(gòu)的總件數(shù),2） 單自由度機(jī)構(gòu)中不同運(yùn)動副的構(gòu)件的配置,（2-5）,四桿機(jī)構(gòu) ：只有一種配置方案；n2 = 4 ；,六桿機(jī)構(gòu) ：有兩種配置方案 n2 = 4 ，n3 = 2 有效配置案一種，構(gòu)成兩種運(yùn)動鏈 即為：瓦特鏈 斯蒂芬鏈 ：,八桿機(jī)構(gòu) ：具有三種配置方案 構(gòu)成16種運(yùn)動鏈圖,圖2-22 六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動鏈圖,圖2-23 八桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動鏈圖,2運(yùn)動鏈圖及機(jī)構(gòu)的生成法 運(yùn)動鏈圖：去掉機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的工程（功能）含義，只保留構(gòu)件之間的聯(lián)接關(guān)系，所構(gòu)

12、成的連接結(jié)構(gòu)圖稱為運(yùn)動鏈圖。 例4. 按步行機(jī)構(gòu)的軌跡，用6桿機(jī)構(gòu)設(shè)計步行機(jī)構(gòu),圖2-24 步行機(jī)構(gòu)軌跡圖,圖2-25 瓦特鏈的倒置機(jī)構(gòu),圖2-26斯蒂芬鏈鏈的倒置機(jī)構(gòu),圖2-27 選出的步行機(jī)構(gòu),圖2-28 機(jī)構(gòu)變異,3基本結(jié)構(gòu)變異 （1）轉(zhuǎn)動副變異成移動副 演化原理：構(gòu)件桿長變?yōu)闀r， 構(gòu)件：轉(zhuǎn)動副移動副。,（2）低副變異為高副 變異原理：變異前、后各構(gòu)件之間的拓?fù)潢P(guān)系保持不變。 二極桿高副配合面,圖2-29機(jī)構(gòu)變異（4桿機(jī)構(gòu)的低副變高副）,4.瓦特鏈的代換過程,圖2-30瓦特鏈的低副變高副,5.斯蒂芬鏈的代換過程,圖2-31斯蒂芬鏈的低副變高副,第三章 機(jī)構(gòu)的組合方式 3.1 機(jī)構(gòu)的組合方

13、法的分類 1. 基本機(jī)構(gòu)的幾何形體的組合機(jī)構(gòu) 2. 基本機(jī)構(gòu)之間的連接特征的組合機(jī)構(gòu) 3.2 機(jī)構(gòu)的組合模式 1串聯(lián)組合模式 2并聯(lián)組合模式 3反饋組合模式 4運(yùn)載機(jī)構(gòu) 5時序組合機(jī)構(gòu),3.1 機(jī)構(gòu)的組合 分類方法 機(jī)構(gòu)的組合類別與分類的特征有關(guān) 1.以幾何特征分類 2按以連接特征為主的分類 主要以兩個或多個基本機(jī)構(gòu)組合時的連接方式為特征。,圖3-1 組合機(jī)構(gòu),3.2 機(jī)構(gòu)的組合模式 1串聯(lián)組合模式 2并聯(lián)組合模式 3反饋組合模式 4運(yùn)載機(jī)構(gòu) 5時序組合機(jī)構(gòu) 1串聯(lián)組合模式 1）固結(jié)式串聯(lián)： 前一機(jī)構(gòu)輸出桿與后一機(jī)構(gòu)的輸入桿為公共桿。,圖3-2 串聯(lián)組合機(jī)構(gòu),2）軌跡點(diǎn)串聯(lián)： 前一輸出機(jī)構(gòu)通過

14、連桿上的一點(diǎn)將運(yùn)動傳給后一輸入機(jī)構(gòu)。,圖3-3軌跡點(diǎn)串聯(lián),2并聯(lián)組合模式 1）以差動輪系為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu),圖3-4差動輪系的并聯(lián)機(jī)構(gòu),圖3-5差動齒輪并聯(lián)組合機(jī)構(gòu),2）以差動齒輪為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合機(jī)構(gòu),3）摩擦輪為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合機(jī)構(gòu),圖3-6摩擦輪的并聯(lián)組合機(jī)構(gòu),4）十字滑架為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合機(jī)構(gòu),圖3-7十字滑架的并聯(lián)組合,3反饋組合模式 反饋組合：輸出通過一個機(jī)構(gòu)又返回給輸入，聯(lián)接輸出與輸入的機(jī)構(gòu)是反饋構(gòu)件。 1）齒輪副與搖桿機(jī)構(gòu)為反饋構(gòu)件的機(jī)構(gòu),圖3-8 齒輪副與搖桿機(jī)構(gòu)為反饋構(gòu)件的機(jī)構(gòu),2）凸輪副為反饋構(gòu)件的機(jī)構(gòu),圖3-9凸輪副為反饋構(gòu)件機(jī)構(gòu),3）齒輪副與摩擦輪為反饋構(gòu)件的反

15、饋機(jī)構(gòu),圖3-10齒輪副與摩擦輪為反饋件的機(jī)構(gòu),4運(yùn)載機(jī)構(gòu) 運(yùn)載機(jī)構(gòu)：后一個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是在前一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動的基礎(chǔ)上疊加而成。組合結(jié)構(gòu)按層次疊加。,圖3-11電動飛馬運(yùn)載機(jī)構(gòu),圖3-12機(jī)器手運(yùn)載機(jī)構(gòu),4運(yùn)載機(jī)構(gòu),圖3-13電扇運(yùn)載機(jī)構(gòu),5時序組合機(jī)構(gòu) 按各個構(gòu)件的操作運(yùn)動的時間順序依次連接各個組成元件，因此，前一機(jī)構(gòu)的運(yùn)動總是被累加到后一構(gòu)件的運(yùn)動上去。同時，后一構(gòu)件的啟動由前一機(jī)構(gòu)的運(yùn)動決定。實質(zhì)上它是一種實現(xiàn)順序控制的機(jī)構(gòu)。 連接：操作時間順序 運(yùn)動：前者運(yùn)動累加到后者運(yùn)動之上 后者的啟動由前者的運(yùn)動來決定,圖3-14時序組合機(jī)構(gòu),設(shè)計評價：是一種反饋設(shè)計的方法 設(shè)計構(gòu)思階段 多中選優(yōu) 選出最佳方案 形體設(shè)計過程 與工藝規(guī)劃同步進(jìn)行 ， 剔除設(shè) 計缺陷 ，使設(shè)計對制造完善。 評價方法按其基本原理可分為三類 ： 簡單評價法、實驗評價法、數(shù)學(xué)評價法 簡單評價法：數(shù)據(jù)作統(tǒng)計 量化比較排列選出對首 數(shù)學(xué)評價法 ：某種算法不確定量量化邏輯推理結(jié)論 技術(shù)-矩陣法、模糊評價法、層次分析評價法,第四章 設(shè)計評價方法,內(nèi)容： 4.1 評價目標(biāo)及目標(biāo)權(quán)值 4.2 簡單評價法 4.3 評分法 4.4 技術(shù)-經(jīng)濟(jì)評價法 4.5 模糊評價法 4.1 評價目標(biāo)及目標(biāo)權(quán)值 1.評價目標(biāo)：目標(biāo) 評價依據(jù)（評價