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1、设设 计计 概概 论论本课程：产品设计中的理论及方法。本课程：产品设计中的理论及方法。-概念设计、概念设计、形体设计到制造过程形体设计到制造过程按教学大纲要求，主要讲解六方面的内容：按教学大纲要求，主要讲解六方面的内容：1功能分析及产品构思设计功能分析及产品构思设计 产品的机构设计方法学；产品的机构设计方法学；2机构的组合方法；机构的组合方法；3设计评价；设计评价；4柔性制造系统的建模设计柔性制造系统的建模设计 柔性系统中的求解算法。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模糊理论与模糊规划6.机器人构型设
2、计中的模糊优化建模机器人构型设计中的模糊优化建模1文库专用第一章第一章 绪绪 论论 1.1设计概念设计概念 人类的社会活动：物质财富创造物质财富创造 财富的分配财富的分配 设计-物质财富创造-最基本的概念1狭义的设计概念：狭义的设计概念：设计-客观需求-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。包括：机构设计-结构（功能结构与工艺结构）与精度设 计-装配设计-维修与运输及安装-报废回收设计-制造规划设计-等。2广义设计概念：广义设计概念：例1，设计是一种针对目标问题目标问题的求解求解活动；例2，设计是一种创造性的活动创造性的活动，创造前所未有的，新颖而有益有
3、益的东西东西。2文库专用例3，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的安排 对发展过程进行的活动进行的活动 发展过程：过程：发展方向方向、程序程序、细节、要达到的目标细节、要达到的目标。涵盖面更广的3创新是设计的灵魂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：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。3文库专用1.2设计过程及产品的开发过程设计过程及产品的开发
4、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.产品设计的模式：反馈闭环的模式 4文库专用2.1 功能概念及分析方法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制定运动规律的原则和步骤 2.5 创新技法创新技法2.6 机构组合时的基本原则及影响因素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
5、简图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按机构的结构特性作机构组合 第二章第二章 功能分析与机构设计功能分析与机构设计5文库专用2.1 功能概念及分析方法功能概念及分析方法 1功能概念：功能概念：效能 用途 作用 目的2功能定义的方法：功能定义的方法：动词+名词 3功能分析法功能分析法 （1）总功能确定 （2）功能树作功能分解 功能分解获取机构运动简图 机构控制简图6文库专用（3）功能分解的方法（目的手段）2.2 功能原理与运动规律之间的关系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
6、同；功能原理：功能原理：推力 摩擦 吸力 7文库专用8文库专用归纳：功能与运动规律之间的对应关系归纳：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。9文库专用10文库专用（2）直线往复运动的机构（水平）图2-7往复运动的机构 11文库专用归纳：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1n 的关系，即：单对多关系。12文库专用2功能原理、
7、运动规律与机构综合之间的关功能原理、运动规律与机构综合之间的关系系（1）功能功能与与运动规律运动规律之间存在着对应关系，之间存在着对应关系，运动规运动规律律与与机构机构之间存在着对应关系；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）两个 1 n（单对多）关系（单对多）关系13文库专用2.4 制定运动规律的原则和步骤制定运动规律的原则和步骤1步骤步骤 （1）功能分析 （2）运动规律分析 （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 a.能完成要求的操作动作，满足使用性能；b.动作协调，无碰撞、干涉、过程平稳。14文库
8、专用2制定运动规律的原则制定运动规律的原则 运动最简原则及规律集最小原则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结构最简原则结构最简原则 采用新机构、新技术 采用简单轮廓结构 15文库专用2.5 创新技法创新技法 1分析综合法例1：设计方形罐头瓶自动贴签的机构16文库专用（1）分析成熟产品：）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）提取特征机构，组合成设计机构 17文库专用图2-10 纸张分离机构图2-11邮票上胶机构18文库专用19文库专用图2-12带式上胶机构 20文库专用图2-13 方瓶自动贴签的机
9、构3)组合与调整，最后形成方瓶自动贴签的设计机构组合与调整，最后形成方瓶自动贴签的设计机构21文库专用2思维扩展性思维扩展性在已有成熟产品的机构上作在已有成熟产品的机构上作扩展设计扩展设计，获取新机构，获取新机构 例2：要设计实现大行程的复杂运动规律的机构 图2-14 大行程复杂运动机构22文库专用大行程用线性函数Sk实现，即：Sk=K（t）复杂运动用非线性函数Sf实现，即：Sf=f（t）机构系统：机械（丝杠）机构+电磁控制 综上所述：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机构组合时
10、的基本原则及影响因素 1)结构最简原则结构最简原则 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。23文库专用图2-15直线机构 24文库专用2）机械效益最大原则）机械效益最大原则 图2-16曲柄滑块机构（2-1）（2-2）不计摩擦，瞬间输入功应等于输出功（2-3）（2-4）25文库专用3）机构效率最大的原则）机构效率最大的原则 图2-17 高副低代的机构 26文库专用4）获得较大的传动角）获得较大的传动角 原则原则 图2-18 机构的传动角 图2-19 高副机构的传动角 27文库专用 在一个周期中，传动角是变化的，总存在一个最小的传动角作机构综合时：0 且 要有越过死点措施，通
11、常应用惯性力越过死点=028文库专用5）机构动力源因素）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）动载荷最小原则 高速机构，力争平衡惯性力 重载机构也要有平衡惯性力 措施是措施是：机构取对称结构，重力矩自行平衡 机构最有利于重力平衡29文库专用2.7 按功能结构矩阵设计运动简图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
12、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 30文库专用图2-20 关联数图31文库专用二、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）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 32文库专用（2）建立功能机构矩阵）建立功能机构矩阵33文库专用（3）构造机构方案）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
13、，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）分析比较，确定最佳方案 结论：依据设计要求，选出方案A 34文库专用图2-21 运动简图筛选方案 35文库专用2.8.按机构的结构特性作机构组合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：n2 ：二极杆的构件数 n3：三极杆的构件数 n4 ：四极杆的构件数 nn ：n极杆的构件数 N ：机构的总件数36文库专用2）单自由度机构中不同运动副的构件的配置
14、（2-5）四杆机构：只有一种配置方案；n2 =4 ；六杆机构：有两种配置方案 n2 =4，n3=2 有效配置案一种，构成两种运动链 即为：瓦特链 斯蒂芬链：37文库专用八杆机构八杆机构：具有三种配置方案：具有三种配置方案 构成构成16种运动链图种运动链图 图2-22 六杆机构的运动链图 38文库专用图2-23 八杆机构的运动链图 39文库专用2运动链图及机构的生成法运动链图及机构的生成法1)运动链图：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。2)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 40文库专用图
15、2-25 瓦特链的倒置机构图2-26斯蒂芬链链的倒置机构41文库专用图2-27 选出的步行机构 图2-28 机构变异 3基本结构变异基本结构变异（1）转动副变异成移动副）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。42文库专用（2）低副变异为高副）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）43文库专用4.瓦特链的代换过程瓦特链的代换过程 图2-30瓦特链的低副变高副44文库专用5.斯蒂芬链的代换过程斯蒂芬链的代换过程 图2-31斯蒂芬链的低副变高副45文库专用