詳基于系統(tǒng)工程產(chǎn)品綜合設計理論與方法

2022/12/141基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品

綜合設計理論與方法東北大學機械工程與自動化學院聞邦椿==基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品綜合設計理論與方法==2022/12/1420概論0.1引言裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位。

制造業(yè)與裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎和產(chǎn)業(yè)主體，是富民強國之本，是國民經(jīng)濟高速增長的發(fā)動機，是推進信息化的主導產(chǎn)業(yè),

是科學技術的基本載體，是實現(xiàn)技術創(chuàng)新的主要舞臺,

是國家競爭力的重要體現(xiàn)，是國防建設的“裝備部”，它決定著我國在國際分工中的地位。

我國是制造大國,是世界工廠,但還不是制造強國。2022/12/143圖1中德日美四國制造業(yè)增加值變化情況

20000040000060000080000010000001200000140000016000001800000中國德國日本美國0199019911992199319941995199619971998199920002001年度工業(yè)增加值（百萬美元，當年價)2022/12/144我國制造業(yè)的優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅分析優(yōu)勢●較低的勞動力成本●廣闊的潛在消費市場●比較完善的制造業(yè)體系●經(jīng)濟持續(xù)健康協(xié)調(diào)快速增長●以改革開放為核心的政府政策支持劣勢●技術創(chuàng)新能力薄弱●市場經(jīng)濟發(fā)育不完善●國有企業(yè)總體活力不足●缺少具有國際競爭力的大型企業(yè)包括具有總承包能力的工程公司機遇●發(fā)達國家的制造業(yè)向發(fā)展中國家轉移步伐加快●以信息技術為代表的高技術與制造業(yè)的融合提供了制造業(yè)水平提升的機遇●城市化建設加快，人民生活水平和消費能力持續(xù)提高威脅●資源短缺、水資源危機、生態(tài)環(huán)境惡化●國際貿(mào)易保護主義加劇，技術壁壘加重●龐大的人口帶來巨大的就業(yè)壓力●國內(nèi)市場與國際市場接軌競爭加劇2022/12/145我國裝備制造業(yè)存在的不足

新中國成立50多年來,我國制造業(yè)得到了長足的發(fā)展,已取得了重大成就,目前我國已成為制造業(yè)的大國、世界制造工廠。但我國與制造強國相比還有較大差距。原因是多方面的，以下幾點應引起重視：

(1)目前我國許多重大裝備還大量依賴進口;(2)許多難度較大產(chǎn)品的質(zhì)量與性能與國外的相比,還有較大差距;(3)自主開發(fā)的產(chǎn)品還較少,有的還不能制造。

本世紀初我國正在走新型工業(yè)化道路,依靠科學技術進步，開拓出一條發(fā)展制造業(yè)及通向制造強國之路。2022/12/146

我國裝備制造業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)

(1)技術難度較大的重大機械裝備質(zhì)量欠佳

制造技術難度較大的大型能源設備：例如，特大型汽輪發(fā)電機組、特大型水輪機、核電站中的大型設備、大型燃氣輪機、煤液化設備等。

制造技術難度較大的重化工設備（化肥和化纖廠的大型設備）：例如，大型離心壓縮機，大型容器等。

大型交通運輸設備：如大型客機、高速列車（如磁浮列車）等。大型工程機械與礦山冶金設備：如地下鐵道挖掘設備、大型挖掘機、重型汽車、大型連鑄連軋設備等。大型高精度加工中心和數(shù)控設備等。成套設備和一些規(guī)模較大的生產(chǎn)線等。2022/12/147(2)與這些設備配套的電子產(chǎn)品及其控制系統(tǒng)與國外產(chǎn)品相比有較大差距

1）機床數(shù)控系統(tǒng)

2）高精度電子設備

3）機器人控制系統(tǒng)等

4）機器狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷設備

5）醫(yī)療設備的智能控制系統(tǒng)

6）高技術性能的激光加工系統(tǒng)2022/12/148(3)高大精尖的軍工產(chǎn)品和設備性能較差

1）軍用戰(zhàn)機與軍用運輸機，包括隱形戰(zhàn)機等

2）高精度導彈系統(tǒng)

3）航空母艦

4）核潛艇

5）高技術性能坦克2022/12/149(4)精微產(chǎn)品的加工,如芯片加工技術與設備

1）精密儀器與設備

2）芯片加工設備

3）納米材料加工設備

4）精密醫(yī)療機械和設備

5）微型機械和微型機器人等2022/12/1410產(chǎn)品設計中的12個關鍵性的問題：（0）如何在科學發(fā)展觀指導下開展產(chǎn)品研究開發(fā)和設計工作？如何在產(chǎn)品設計中開展自主創(chuàng)新設計？（1）產(chǎn)品設計理論與方法有多少種及如何分類？（2）產(chǎn)品功能的內(nèi)涵是什么？（3）產(chǎn)品性能的內(nèi)涵是什么？

(4)產(chǎn)品設計的六項要求是什么?

（5）產(chǎn)品設計的四個階段是什么?

（6）什么是和諧設計?

（7）什么是深層次設計？（8）什么是頂層設計?(9)什么是系統(tǒng)化設計?為什么要提出綜合設計方法？

(10)什么是完整技術系統(tǒng)？什么是非完整技術系統(tǒng)？（11）設計目標、設計內(nèi)容和設計方法的關聯(lián)方程式?(12)產(chǎn)品質(zhì)量和設計質(zhì)量的概念和定義及如何數(shù)學表述？

(00)上述研究結果的意義何在?2022/12/1411基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品綜合設計理論與方法（系統(tǒng)化設計)1面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設計理論與方法.北京:科學出版社，20062產(chǎn)品的全功能與全性能綜合設計,北京:機械工業(yè)出版,20083產(chǎn)品的主輔功能與功能優(yōu)化設計,北京:機械工業(yè)出版,20084產(chǎn)品的結構性能與動態(tài)優(yōu)化設計,北京:機械工業(yè)出版,20085產(chǎn)品的使用性能與智能優(yōu)化設計,北京機械工業(yè)出版,20096產(chǎn)品的制造性能與可視優(yōu)化設計,北京:機械工業(yè)出版,20107機械產(chǎn)品設計質(zhì)量的檢驗與評估,北京:機械工業(yè)出版,20108產(chǎn)品設計方法學——兼論產(chǎn)品的頂層設計與系統(tǒng)化設計,北京:機械工業(yè)出版,20129機械設計手冊,六卷本,北京:機械工業(yè)出版,201010機械設計師手冊,兩卷本,北京:機械工業(yè)出版,2012圖2八部產(chǎn)品設計著作

圖3六卷機械設計手冊2022/12/14120.2現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術發(fā)展趨向

現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術的發(fā)展的趨向高速化高效化微型化柔性化綜合化模塊化自動化智能化網(wǎng)絡化數(shù)字化集成化或大型化綠色化

圖4現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術的發(fā)展趨向或精密化專用化或

“極端制造”方向綜合集成方向

信息化方向綠色化方向2022/12/14130.3現(xiàn)代機械產(chǎn)品研究與開發(fā)的基本過程

產(chǎn)品概念設計

產(chǎn)品詳細設計

產(chǎn)品開發(fā)支持環(huán)境

圖5產(chǎn)品開發(fā)過程的一般模型上市

產(chǎn)品功能優(yōu)化設計模塊產(chǎn)品綜合性能優(yōu)化設計模塊零部件工藝優(yōu)化設計模塊

零部件生產(chǎn)制造優(yōu)化與試驗模塊

生產(chǎn)制造與試驗

顧客需求合成模塊顧客需求智能獲取與合成子統(tǒng)工藝制定市場信息

產(chǎn)品修改

產(chǎn)品修改或產(chǎn)品升級模塊

市場反饋及產(chǎn)品修改子系統(tǒng)顧客需求分析

顧客需求獲取模塊2022/12/14140.4產(chǎn)品研究與開發(fā)的幾個關鍵問題

(1)掌握國內(nèi)外需求和重視新產(chǎn)品開發(fā)的切入點(2)把握產(chǎn)品國內(nèi)外的發(fā)展水平及國際前沿(3)建立強有力的產(chǎn)品研究和開發(fā)的隊伍(4)創(chuàng)建試驗研究的良好條件和環(huán)境(5)重視產(chǎn)品研究開發(fā)、生產(chǎn)過程中的幾大要素(6)做好產(chǎn)品設計的規(guī)劃及采用先進的產(chǎn)品設計理論與方法2022/12/14150.5產(chǎn)品設計工作的重要性及核心因素

產(chǎn)品的自主開發(fā)首先依賴于設計，產(chǎn)品的設計可賦予某種產(chǎn)品“先天性”的本質(zhì)特性。對產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻率可達70%。有的專家說，產(chǎn)品設計是產(chǎn)品質(zhì)量的“靈魂”。

據(jù)日本某部門的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)因設計造成設備故障的比例占50%，因元件、材料原因造成故障的比例為33%，因制造不良造成設備故障的比例為17%。

全產(chǎn)品成本水平的70%-80%取決于產(chǎn)品的設計。

產(chǎn)品設計不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設計與制造成本，可以滿足用戶提出的各方面的需求（即廣義綜合質(zhì)量，即綜合性能）。產(chǎn)品的5大要素:

質(zhì)量Q、價格C、生產(chǎn)周期T、環(huán)境E和售后服務S。2022/12/1416期望型需求興奮型需求顧客滿意度基本型需求時間產(chǎn)品質(zhì)量

圖6Kano模型Kano模型2022/12/14170.６產(chǎn)品的設計理論與方法的發(fā)展

(1)產(chǎn)品的設計理論與方法的研究有百余年的歷史,到現(xiàn)在已提出了數(shù)十種方法,

如創(chuàng)新設計、綠色設計、結構設計、摩擦學設計、優(yōu)化設計、智能設計、虛擬設計、數(shù)字化設計等。

(2)比較著名的理論與方法有：

１)前蘇聯(lián)的發(fā)明解決問題的理論（TRIZ理論）；２)德國學者提出的普適設計方法學：即以研究產(chǎn)品功能的基礎，以物質(zhì)流、能量流、信息流為核心內(nèi)容的設計理論；３)美國學者提出的公理化設計理論：以顧客域、功能域、物理域和過程域為核心內(nèi)容的設計理論；４)日本學者提出的三次設計法與QFD設計法。2022/12/1418(３)目前設計理論與方法正在向以下幾個方向發(fā)展

１）創(chuàng)新設計與基于系統(tǒng)工程的設計２）綠色設計、和諧設計３）虛擬設計與可視化設計４）全功能全性能及全生命周期優(yōu)化設計５）穩(wěn)健設計６）數(shù)字化設計７）多學科交叉融合設計８）一體化設計如結構與材料、動力學與控制９）綜合設計理論與方法2022/12/14190.7產(chǎn)品設計的現(xiàn)代設計模式

圖7傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計的對比傳統(tǒng)設計

手工操作

簡單計算

串行模式

以經(jīng)驗設計為主

計算機操作

復雜計算

串并結合

全局考慮精度差、效率低、成本高、研發(fā)周期長精度高、效率高、成本低、研發(fā)周期短現(xiàn)代設計

局部考慮

以智力為主

重視綠色化

很少考慮環(huán)保2022/12/14200.8產(chǎn)品設計理論與方法的研究趨向圖8現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計理論與方法的發(fā)展趨向虛擬設計智能設計網(wǎng)絡設計數(shù)字化設計采用信息技術不確定的系統(tǒng)非線性動力學設計大型復雜機械系統(tǒng)設計復雜微機電系統(tǒng)設計高維強非線性系統(tǒng)動力學設計時變系統(tǒng)非線性動力學設計針對非線性系統(tǒng)針對復雜系統(tǒng)面向產(chǎn)品總體質(zhì)量研究的深化按照科學發(fā)展觀現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計理論與方法的發(fā)展趨向各種單項設計法穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非線性動力學設計動力學全生命周期優(yōu)化設計三次設計綜合設計綠色設計創(chuàng)新設計廣義優(yōu)化設計2022/12/1421

1產(chǎn)品設計方法的分類

1.1概述

1.2產(chǎn)品的設計理論與方法簡介

1.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

1.4產(chǎn)品設計理論和方法分為七類

2022/12/14221.1概述

對產(chǎn)品設計工作者來說，設計產(chǎn)品所追求的首要目標是產(chǎn)品質(zhì)量。假如某種產(chǎn)品的質(zhì)量達不到要求，就會顯著降低它的使用價值，甚至完全喪失使用價值，它就會在市場中缺乏競爭力，最終將會被市場所淘汰。產(chǎn)品設計工作者所考慮的問題不只是產(chǎn)品的質(zhì)量（指的是使用質(zhì)量），他們所要考慮的問題要比與使用質(zhì)量相關的內(nèi)容要多得多，即應該考慮包括產(chǎn)品的質(zhì)量在內(nèi)的五大要素，質(zhì)量Q（狹義的）、成本C、設計制造周期T、環(huán)境E和售后服務S等所有要求，這些要求可以概括為用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品設計工作提出的各種質(zhì)量要求。2022/12/14231.2產(chǎn)品設計理論與方法簡介(多達數(shù)十種)

產(chǎn)品的設計方法的種類

(1)比較著名的設計理論與方法:

1)前蘇聯(lián)的TRIZ理論

2)德國普適理論(物質(zhì)流、能量流、信息流)

3)美國的四個映射域公理設計理論(需求域、功能域、

物理域、過程域)

4)日本的QFD設計法和三次設計法等

我國也進行了大量研究，取得了許多重要成果。

(2)最近發(fā)展的主要設計理論與方法:

1)創(chuàng)新設計,概念設計

2)數(shù)字化設計,虛擬設計

3)全生命周期和全性能優(yōu)化設計

4)材料與結構等一體化設計,多學科交叉綜合設計2022/12/1424

3.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

1.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

現(xiàn)代機械設計方法匯總表

設計過程

設計內(nèi)容

設計方法

設計思想圖9現(xiàn)代機械設計方法的分類和諧設計創(chuàng)新設計面向產(chǎn)品質(zhì)量的設計基于價值工程的設計基于系統(tǒng)工程的設計穩(wěn)健設計方案設計結構設計機構設計幾何參數(shù)設計工藝參數(shù)設計造型設計傳動設計摩擦學設計運動學設計動力學設計可靠性設計強度設計試驗設計工藝設計監(jiān)測系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計容差設計控制系統(tǒng)設計基礎設計ＱＦＤ設計公理化設計

組合型設計三化綜合設計1+3+X設計面向產(chǎn)品結構性能的動態(tài)優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工作性能的智能優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工藝性能的可視優(yōu)化設計三次設計改型設計優(yōu)化設計智能設計虛擬設計網(wǎng)絡設計反求設計并行設計可視化設計協(xié)同設計相似性設計數(shù)字化設計快速反應設計集成設計柔性化設計融合設計模塊化設計模糊設計優(yōu)勢設計CAＥ全生命周期優(yōu)化設計面向產(chǎn)品總體質(zhì)量的廣義優(yōu)化設計概念設計綠色設計ＴＲＩＺ發(fā)明解決問題功能設計全性能設計系統(tǒng)化設計過程常規(guī)設計過程

設計目標

設計環(huán)境2022/12/1425

1.4設計理論與方法的7項內(nèi)容

分為七大類

(1)設計思想類:TRIZ發(fā)明解決問題、創(chuàng)新設計、概念設計

(2)設計環(huán)境類:綠色設計、和諧設計

(3)設計過程類:常規(guī)設計、公理化設計、QFD設計

(4)設計目標類:QFD設計、功能設計、全性能設計、

基于價值工程的設計

(5)設計內(nèi)容類:動態(tài)設計、控制系統(tǒng)設計、工藝設計

(6)設計手段或方法類:優(yōu)化設計、智能設計、虛擬設計、可視化設計、網(wǎng)絡設計、協(xié)同設計

(7)綜合類:綜合設計

、結構與材料一體化設計、多學科交叉融合設計2022/12/1426

(1)設計思想類的產(chǎn)品設計法

概念設計ＴＲＩＺ發(fā)明解決問題

設計思想基于系統(tǒng)工程的設計創(chuàng)新設計圖10設計思想類設計法

產(chǎn)品設計在思想上應該具備：

(1)有正確的思想做指導；

(2)設計者要有正確的設計理念；

(3)對產(chǎn)品設計進行全面細致規(guī)劃。沒有正確的設計思想作指導，等于沒有“靈魂”。產(chǎn)品設計思想類的理論與方法有創(chuàng)新設計、概念設計、TRIZ發(fā)明解決問題的設計和基于系統(tǒng)工程的設計等。對于我國科技工作者來說，應在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新的思想指導下完成產(chǎn)品設計。2022/12/1427

(1)設計思想類:

1)TRIZ發(fā)明問題解決理論TRIZ是拉丁文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshulder等人自1946年開始，花費1500人年的時間，在分析研究各國250萬件專利的基礎上所提出的，它是解決技術難題的原理和知識體系。

20世紀80年代中期前，這種理論對其它國家保密，隨著前蘇聯(lián)解體，一批科學家移居美國等西方國家，逐漸把該理論介紹到世界產(chǎn)品開發(fā)領域，并對該領域產(chǎn)生了重要影響。

TRIZ方法不是針對某一具體的機構、機械或過程，而是建立思考問題、解決問題過程的科學化的依據(jù)。經(jīng)過50年的研究，TRIZ已形成了一系列方法與工具，特別是提出了設計沖突理論、標準解、ARIZ算法等。利用TRIZ方法解決設計問題時，設計人員首先要將待設計的產(chǎn)品表達成為TRIZ問題，然后利用TRIZ方法中的工具求出TRIZ問題的模擬解。盡管TRIZ方法還處于發(fā)展之中，但其成熟部分已成功地解決了設計中的很多難題，成為國際設計理論界公認的著名學派。2022/12/1428

(1)設計思想類:

2)創(chuàng)新設計與概念設計

創(chuàng)新設計:

創(chuàng)新包括了原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收后再創(chuàng)新。在創(chuàng)新設計中提倡的是設計的創(chuàng)造性，一旦設計工作者提出的新原理是合理的，它可根本改變產(chǎn)品的結構，進而可提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短生產(chǎn)周期、改善環(huán)境的保護等。

產(chǎn)品創(chuàng)新設計是一種設計思想和設計理念。但是產(chǎn)品設計的創(chuàng)新應該具有科學性，即應在科學發(fā)展觀指導下進行設計的創(chuàng)新，創(chuàng)新者除了要掌握有關基礎理論與知識外，還要掌握創(chuàng)新的科學方法，即掌握事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，還要通過實踐來完成。

概念設計:

產(chǎn)品設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)，它是根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個階段的要求，進行產(chǎn)品的功能創(chuàng)造、功能分解和功能集成；要對能滿足工作原理要求的結構進行求解，要對實現(xiàn)功能結構的工作原理方案進行構思和系統(tǒng)化設計。概念設計是一個發(fā)散思維和創(chuàng)新理念整合、疏理的過程，是一個研究和求解能實現(xiàn)功能要求的和滿足技術和經(jīng)濟指標的各種方案及最終確定最優(yōu)方案的過程。創(chuàng)新在產(chǎn)品概念設計中具有十分重要的地位和作用。2022/12/1429

(1)設計思想類:

3)基于系統(tǒng)工程的綜合設計

基于系統(tǒng)工程的綜合設計，即四段設計．

基本思想是按照科學發(fā)展觀,對產(chǎn)品進行設計。即

(1)首先要對產(chǎn)品設計工作進行3I調(diào)研;(2)要對產(chǎn)品設計工作做全面的規(guī)劃,包括產(chǎn)品設計的7D規(guī)劃;

(3)接著按照基于系統(tǒng)工程的1+3+X綜合設計法具體地對產(chǎn)品進行設計;(4)采用產(chǎn)品設計質(zhì)量的3A檢驗方法對產(chǎn)品設計質(zhì)量進行檢驗。

2022/12/1430(2)設計環(huán)境類的產(chǎn)品設計法和諧設計

設計環(huán)境綠色設計圖11設計環(huán)境類設計法產(chǎn)品設計環(huán)境包括自然環(huán)境、社會環(huán)境

、技術環(huán)境

、資金環(huán)境、市場環(huán)境等。

作為產(chǎn)品設計者應該充分考慮各種環(huán)境對產(chǎn)品設計的約束，使產(chǎn)品設計同各種環(huán)境處于協(xié)調(diào)與和諧；此外，還要充分利用環(huán)境資源。綠色設計是產(chǎn)品設計工作必須要考慮環(huán)境保護和資源的合理利用。由于產(chǎn)品設計與社會存在著不可分割的聯(lián)系，所以自然而然地綠色設計將拓展為和諧設計。2022/12/1431

(2)設計環(huán)境類:

1)綠色設計

綠色設計是科學發(fā)展觀中特別強調(diào)的方向。人類社會發(fā)展過程中必然會遇到人類與自然之間出現(xiàn)相互矛盾的情況，人口的不斷增加、資源總量的相對局限性和短缺、生產(chǎn)過程對人類與環(huán)境所造成的污染，自然而然地出現(xiàn)人與自然間的不協(xié)調(diào)性和矛盾。

“綠色”首先是從環(huán)境保護角度引伸出來的，其目的是使人類社會與自然界在發(fā)展過程中趨于協(xié)調(diào)與和諧。制造業(yè)的發(fā)展要在產(chǎn)品研究、設計、生產(chǎn)、使用、廢物回收的全過程中考慮環(huán)境保護的問題，既要考慮保護自然環(huán)境，又要考慮資源的合理利用，以便建設一個環(huán)境友好型和資源節(jié)約型的社會．產(chǎn)品的綠色設計就是從設計過程中考慮上述問題．同時還要在產(chǎn)品設計過程中充分利用環(huán)境的一切有利資源，為產(chǎn)品開發(fā)服務。2022/12/1432

(2)設計環(huán)境類:

2)和諧設計

由于產(chǎn)品的設計環(huán)境不只是自然環(huán)境，還有社會環(huán)境、技術環(huán)境、資金環(huán)境、市場環(huán)境等。和諧設計比綠色設計有更廣寬的范圍，它也是科學發(fā)展觀中特別強調(diào)的方向，人類社會發(fā)展過程和產(chǎn)品開發(fā)過程中必然會遇到人與自然、產(chǎn)品開發(fā)與社會之間出現(xiàn)相互矛盾的情況，自然而然地出現(xiàn)人與自然間的、產(chǎn)品開發(fā)與社會之間的不協(xié)調(diào)性和矛盾。

和諧設計是綠色設計的延伸，其目的是使人與自然界及產(chǎn)品開發(fā)與社會在發(fā)展過程中趨于協(xié)調(diào)與和諧。制造業(yè)的發(fā)展要在產(chǎn)品研究設計、生產(chǎn)、使用、廢物回收的全過程中考慮上述問題，以便建設一個和諧的社會．

產(chǎn)品和諧設計同時還要在產(chǎn)品設計過程中充分利用一切可利用環(huán)境資源，為產(chǎn)品開發(fā)服務。2022/12/1433

(3)設計過程類的產(chǎn)品設計法

基于系統(tǒng)工程的設計過程應該包括：

第一階段：

(1)要有明確的設計思想和設計理念

(2)要考慮設計環(huán)境

(3)要擬訂好具體的設計過程規(guī)劃

第二階段：

(4)要確定好設計目標

(5)要規(guī)劃好設計內(nèi)容

(6)要選擇好設計方法

第三階段：

(7)要檢驗產(chǎn)品設計質(zhì)量這是一個完整的設計系統(tǒng)，也是一個完整的技術系統(tǒng)。公理設計QFD功能質(zhì)量展開的設計

設計過程基于系統(tǒng)工程的設計常規(guī)設計圖12設計過程類設計法2022/12/1434

(3)設計過程類:

1)QFD設計法

QFD代表了傳統(tǒng)設計方式的轉變，它是系統(tǒng)工程理念在產(chǎn)品設計過程中的具體運用，并正在發(fā)展成為具有方法論意義的現(xiàn)代設計理論，成為現(xiàn)代設計方法論的運用典范。

日本學者Mizuno和Akao于1966年首次提出了QFD的概念，并于1972年在日本三菱重工神戶造船廠首次得到應用。十年之后，QFD傳入美國，經(jīng)過眾多質(zhì)量專家的改進，QFD逐漸被接受和應用。

QFD設計法是通過4個質(zhì)量屋(HouseofQuality,HOQ)將它們聯(lián)系的一起:

(1)將顧客需求展開成工程特性，并確定工程特性目標值和展開到工程特性。(2)利用HOQ1規(guī)劃結果，通過HOQ2將工程特性展開成零部件特性，從多個設計方案中選擇一個最佳方案，并確定展開到下一階段的零部件特性；(3)再利用HOQ2規(guī)劃結果，通過HOQ3將零部件特性展開到工藝特性，并確定保證零部件特性的關鍵工藝參數(shù)（工藝特性目標值）；(4)利用HOQ3規(guī)劃結果，通過HOQ4將工藝特性展開到生產(chǎn)特性，并確定質(zhì)量控制參數(shù)（生產(chǎn)特性目標值）。通過QFD的四個階段，實現(xiàn)了技術與市場的有效集成，降低了成本，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，增加了顧客滿意度，提高了新產(chǎn)品開發(fā)成功率。為了增加QFD應用的可靠性和度量的客觀性，許多定量分析的理論與方法可運用于QFD，其中主要有層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）、模糊集及優(yōu)化理論等。2022/12/1435

(3)設計過程類:

2)公理化設計理論

公理化設計是美國麻省理工學院Suh教授于70年代中期提出來的一種設計決策方法，其出發(fā)點是將傳統(tǒng)的以經(jīng)驗為主的設計，建立以科學公理、法則為基礎的體系，其目的是在缺乏知識和信息的情況下采用“公理”作為指導或決策規(guī)則，從而對制造系統(tǒng)各種復雜行為進行優(yōu)化。

設計問題域被看作是顧客需求域、功能域、物理域、過程域依次通過映射機制相聯(lián)系的問題域概念模型。早期的設計公理有7條，推論8條，之后Suh教授將其簡化為兩條基本設計公理：獨立性公理（TheIndependenceAxiom）和信息公理（TheInfor-mationAxiom）。公理化設計理論基本上是一種概念表達，離完善的理論體系和實用尚有較大距離，但它表明了一種關于設計的思考。2022/12/1436

(3)設計過程類:

3)三段設計過程

基于系統(tǒng)工程的設計過程應該包括：

第一階段：

(1)要有明確設計思想和設計理念

(2)要考慮設計環(huán)境

(3)要擬訂好具體的設計過程

(4)要確定好設計目標

(5)要規(guī)劃好設計內(nèi)容

(6)要選擇好設計方法

(7)要檢驗設計質(zhì)量

第二階段：設計目標、設計內(nèi)容與方法的有機結合第三階段：通過評估、試驗和用戶使用來檢驗產(chǎn)品設計質(zhì)量

這是一個完整的設計系統(tǒng)，也是一個完整的技術系統(tǒng)。2022/12/1437

(4)設計目標類的產(chǎn)品設計法產(chǎn)品的設計質(zhì)量應是功能與性能的綜合。功能與性能既有其獨立性，又有其內(nèi)在聯(lián)系，功能不等于性能。從以上觀點出發(fā)，產(chǎn)品設計的理想目標應是全部功能和全部性能，產(chǎn)品設計目標類的設計方法應是全功能全性能設計。功能包括主功能和輔助功能，而性能包括結構性能、使用性能和制造性能。綜合設計理論與方法的基本目標就是要產(chǎn)品具有良好的功能與性能。

為此，在這一目標下，再通過產(chǎn)品的設計內(nèi)容與設計方法來實現(xiàn)這個理想的目標．圖13設計目標類設計法全性能設計面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的設計

設計目標面向價值工程的設計功能設計面向制造周期的設計面向維護維修的設計貫徹指導思想的設計面向設計環(huán)境的設計2022/12/1438

(4)設計目標類:1)普適設計方法（概念設計）

德國的普適設計理論是優(yōu)秀設計過程所積累經(jīng)驗的總結。理論的典型代表是Pahl及Betiz的普適設計方法學（Comprehensivedesignmethodology）。該理論建立了設計人員在每一設計階段的工作步驟計劃，這些計劃包括策略、規(guī)則、原理，從而形成一個完整的設計過程模型。一個特定產(chǎn)品的設計可完全按該過程模型進行，也可選擇其中的一部分。該方法中，概念設計階段的核心是建立待設計產(chǎn)品或稱技術系統(tǒng)的功能結構。物料、能量、信息三種流作為輸入輸出，將各功能有機地結合在一起就形成了產(chǎn)品的功能結構。該理論對產(chǎn)品定義、技術設計和詳細設計都很有效。但該理論給出的建立功能結構的方法是一種基于經(jīng)驗的方法。2022/12/1439

(4)設計目標類:

2)QFD(功能質(zhì)量展開)設計

QFD代表了傳統(tǒng)設計方式的轉變，它是系統(tǒng)工程理念在產(chǎn)品設計過程中的具體運用，并正在發(fā)展成為具有方法論意義的現(xiàn)代設計理論，成為現(xiàn)代設計方法論的運用典范。

日本學者Mizuno和Akao于1966年首次提出了QFD的概念，并于1972年在日本三菱重工神戶造船廠首次得到應用。十年之后，QFD傳入美國，經(jīng)過眾多質(zhì)量專家的改進，QFD逐漸被接受和應用。

QFD設計法是通過4個質(zhì)量屋(HouseofQuality,HOQ)將它們聯(lián)系的一起:

(1)將顧客需求展開成工程特性，并確定工程特性目標值和展開到工程特性。(2)利用HOQ1規(guī)劃結果，通過HOQ2將工程特性展開成零部件特性，從多個設計方案中選擇一個最佳方案，并確定展開到下一階段的零部件特性；(3)再利用HOQ2規(guī)劃結果，通過HOQ3將零部件特性展開到工藝特性，并確定保證零部件特性的關鍵工藝參數(shù)（工藝特性目標值）；(4)利用HOQ3規(guī)劃結果，通過HOQ4將工藝特性展開到生產(chǎn)特性，并確定質(zhì)量控制參數(shù)（生產(chǎn)特性目標值）。通過QFD的四個階段，實現(xiàn)了技術與市場的有效集成，降低了成本，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，增加了顧客滿意度，提高了新產(chǎn)品開發(fā)成功率。為了增加QFD應用的可靠性和度量的客觀性，許多定量分析的理論與方法可運用于QFD，其中主要有層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）、模糊集及優(yōu)化理論等。2022/12/1440

(4)設計目標類:

3)面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的設計

在上一章我們介紹了產(chǎn)品的設計應是功能與性能的綜合。功能與性能既有其獨立性，又有其內(nèi)在聯(lián)系，功能不等于性能。

從以上觀點出發(fā)，產(chǎn)品設計的理想目標應是全部功能和全部性能，產(chǎn)品設計目標類的設計方法應是全功能全性能設計。

功能包括主功能和輔助功能，而性能包括結構性能、使用性能和制造性能。

綜合設計理論與方法的基本目標就是要產(chǎn)品具有良好的功能與性能。

為此，在這一目標下，再通過產(chǎn)品的設計內(nèi)容與設計方法來實現(xiàn)這個理想的目標．2022/12/1441

(5)設計內(nèi)容類的產(chǎn)品設計法

產(chǎn)品設計內(nèi)容是產(chǎn)品設計的核心：

第一部分：針對功能如總體結構方案、兩種功能的結構、三種機構設計、四類參數(shù)設計、五大系統(tǒng)設計等的初步設計計算；

第二部分：針對結構性能如三種機構的詳細設計、運動學與動力學設計、可靠性設計、強度設計等；

第三部分：針對使用性能如狀態(tài)操縱系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等的詳細設計；第四部分：針對制造性能如容差設計(公差和精度等)、工藝設計、工裝設計、試驗設計等。

摩擦學設計可靠性設計強度設計試驗設計工藝設計監(jiān)測系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計容差設計控制系統(tǒng)設計造型設計結構設計機構設計系統(tǒng)設計傳動機構設計驅(qū)功機構設計工作機構設計參數(shù)設計運動學設計動力學設計

設計內(nèi)容圖14設計內(nèi)容類設計法操縱系統(tǒng)設計方案設計工裝設計2022/12/1442

(5)設計內(nèi)容類:

1)如運動學與動力學設計等

產(chǎn)品的結構性能主要是通過動態(tài)設計來完成的。

動態(tài)設計，是指與機器及其零部件的運動學與動力學相關的所有總是的設計。目前在國內(nèi)外,動態(tài)設計是以線性動力學的為基礎的，所以還處在初級階段。正因為如此，目前大型高速旋轉機械屢屢發(fā)生毀機事故，由于這些事故多數(shù)是在強非線性因素引起的。因此，近來國內(nèi)外科技工作者對這些機械的動態(tài)設計十分重視，動態(tài)設計已經(jīng)從一般的動態(tài)設計向更深層次的方向發(fā)展，即向非穩(wěn)態(tài)（慢變、參變、時滯等）、非線性、不確定、強耦合、高維、多參數(shù)的研究方向發(fā)展,

許多深層次動態(tài)設計問題正在研究過程中。這就要求設計者用更高深的理論、方法與技術進行設計，這給深層次的動態(tài)設計帶來較大的難度。

2022/12/1443

2.5設計內(nèi)容類:

(2)控制系統(tǒng)設計

產(chǎn)品使用性能主要是通過控制系統(tǒng)及智能優(yōu)化設計來完成的。控制系統(tǒng)的設計包括機械設備狀態(tài)的監(jiān)測、設備主要參數(shù)的控制、運動學與動力學狀態(tài)的控制、工作過程的控制、設備故障的診斷等各項工作。通過控制系統(tǒng)與智能優(yōu)化設計可以使設備具有實際的工效、良好的工作穩(wěn)定性和良好的性能參數(shù)，同時，還使系統(tǒng)具有良好的測控性、診斷性和操作宜人性和舒適性等。

此外，還應保證設備使用的經(jīng)濟性和維修性的方便性等。

(5)設計內(nèi)容類:

2)如控制系統(tǒng)設計

產(chǎn)品的結構性能主要是通過動態(tài)設計來完成的。

動態(tài)設計，是指與機器及其零部件的運動學與動力學相關的所有總是的設計。目前在國內(nèi)外,動態(tài)設計是以線性動力學的為基礎的，所以還處在初級階段。正因為如此，目前大型高速旋轉機械屢屢發(fā)生毀機事故，由于這些事故多數(shù)是在強非線性因素引起的。因此，近來國內(nèi)外科技工作者對這些機械的動態(tài)設計十分重視，動態(tài)設計已經(jīng)從一般的動態(tài)設計向更深層次的方向發(fā)展，即向非穩(wěn)態(tài)（慢變、參變、時滯等）、非線性、不確定、強耦合、高維、多參數(shù)的研究方向發(fā)展,

許多深層次動態(tài)設計問題正在研究過程中。這就要求設計者用更高深的理論、方法與技術進行設計，這給深層次的動態(tài)設計帶來較大的難度。

2022/12/1444

產(chǎn)品的工藝設計與容差設計對其制造性能有重要的影響。工藝設計是在產(chǎn)品設計完成全部圖紙后在制造加工前進行工藝安排及相關的工裝設計。它對產(chǎn)品制造方便性和經(jīng)濟性有重要影響，在工藝設計常常會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品圖紙設計中欠考慮的問題，必要時還要對圖紙進行修改。所以在完成產(chǎn)品設計后，往往要通過可視優(yōu)化設計來檢驗產(chǎn)品設計的合理性，包括產(chǎn)品及其零部件的工藝性．

容差設計是產(chǎn)品設計時對產(chǎn)品及其零部件的公差及制造精度等進行全面地細致地審核與計算，以保證產(chǎn)品的制造過程的合理性、快速性與經(jīng)濟性，進而實現(xiàn)穩(wěn)健生產(chǎn)和敏捷制造。

(5)設計內(nèi)容類:

3)如容差設計與工藝設計2022/12/1445(6)設計手段和方法類的產(chǎn)品設計法

設計方法改型設計優(yōu)化設計智能設計虛擬設計網(wǎng)絡設計反求設計并行設計可視化設計協(xié)同設計相似性設計數(shù)字化設計快速反應設計集成設計柔性化設計融合設計模塊化設計模糊設計優(yōu)勢設計CAＥ穩(wěn)健設計圖15設計方法類設計法綜合設計設計手段類的設計方法包括：

優(yōu)化優(yōu)勢類：有穩(wěn)健設計、優(yōu)化設計、優(yōu)勢設計等

特殊設計方式類：有改型設計、反求設計、模糊設計、融合設計、柔性化設計、相似性設計、快速反應設計等

信息化高速化設計類：有智能設計、虛擬設計、網(wǎng)絡設計、并行設計、協(xié)同設計、數(shù)字化設計、CAE、可視化設計等

綜合集成設計類：有綜合設計、集成設計、模塊化設計等。2022/12/1446

(6)設計手段或方法類:

1)優(yōu)化設計

優(yōu)化設計，它有兩種不同的含義，一是用智能方法進行設計，二是對設計的對象實現(xiàn)智能化。這是國內(nèi)外產(chǎn)品設計的主導方向，也是現(xiàn)代機械設備所應該體現(xiàn)的基本內(nèi)容。對于智能設計，國內(nèi)外都十分重視，因為產(chǎn)品的智能化會在較大程度上提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。本文所指的智能設計是對產(chǎn)品的性能參數(shù)及其工作過程進行智能控制與優(yōu)化，使產(chǎn)品具有優(yōu)良的工作性能，進而給產(chǎn)品帶來經(jīng)濟效益和社會效益，這是任何一種產(chǎn)品設計不可缺少的，也是設計中首要考慮的問題。2022/12/1447

(6)設計手段或方法類:

2)智能設計

智能設計，它有兩種不同的含義，一是用智能方法進行設計，二是對設計的對象實現(xiàn)智能化。這是國內(nèi)外產(chǎn)品設計的主導方向，也是現(xiàn)代機械設備所應該體現(xiàn)的基本內(nèi)容。對于智能設計，國內(nèi)外都十分重視，因為產(chǎn)品的智能化會在較大程度上提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。本文所指的智能設計是對產(chǎn)品的性能參數(shù)及其工作過程進行智能控制與優(yōu)化，使產(chǎn)品具有優(yōu)良的工作性能，進而給產(chǎn)品帶來經(jīng)濟效益和社會效益，這是任何一種產(chǎn)品設計不可缺少的，也是設計中首要考慮的問題。2022/12/1448

(6)設計手段或方法類:

3)虛擬設計

虛擬設計，美國已將虛擬設計與制造技術應用于777飛機的設計與制造，這種方法對于一些產(chǎn)品來說是具有重要意義的。對于設備的工況予以現(xiàn)實模擬，使用戶可以直接從外觀上，或從它的功能上較全面了解所需設備的情況，在很多情況下可以通過虛擬技術來代替真實情況，從而大大降低產(chǎn)品研究與開發(fā)的成本。目前虛擬設計已經(jīng)在許多國家的研究、設計和開發(fā)部門得到廣泛采用。由于虛擬設計的內(nèi)容可由設計者自行確定，它的內(nèi)涵可以十分廣泛，甚至可以包括所有設計內(nèi)容，但也可以將它限定在有限范圍內(nèi)。2022/12/1449(6)設計手段或方法類:

4)可視化設計

可視化設計，或局部范圍內(nèi)的虛擬設計，它對檢查產(chǎn)品結構上合理性、可制造性或可裝配性有重要意義。通過可視化檢查,可以了解產(chǎn)品在設計中存在的缺陷，并及早地進行修改，避免設計工作過程中時常出現(xiàn)的重新設計與返工，從而可以加快設計進度，縮短生產(chǎn)周期。

對機器的工作參數(shù)和工作過程進行動態(tài)模擬，在某種程度上可以代替試驗，減少試驗次數(shù)和時間。新產(chǎn)品試制后的試驗工作也是不可缺少的，通過試驗，對機器合理的工況或不合理的工況進行反饋，從而肯定或否定原有的設計，或?qū)υ械脑O計進行改進，使產(chǎn)品的設計質(zhì)量向更高的層次上發(fā)展。

2022/12/1450(6)設計手段或方法類:5)網(wǎng)絡設計、并行設計

網(wǎng)絡設計是通過網(wǎng)絡技術來完成產(chǎn)品設計工作,利用這些方法可以加快產(chǎn)品的設計速度，加速各設計部門間的聯(lián)系，縮短設計周期。雖然網(wǎng)絡設計并不明確包含設計的那些具體內(nèi)容，但這些方法對保證與提高產(chǎn)品設計質(zhì)量和縮短設計周期具有重要的意義。并行設計是在產(chǎn)品設計過程中，在不同地點、由不同設計工作者同時來完成產(chǎn)品的設計工作，以便加快產(chǎn)品設計的進度，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。協(xié)同設計是兩個或兩個以上單位采用協(xié)同的方式來完成產(chǎn)品設計工作，協(xié)同設計可通過網(wǎng)絡進行聯(lián)系。2022/12/1451

(6)設計手段或方法類:

6)數(shù)字化設計

數(shù)字化設計實際上是CAD、CAE或CAX的擴展。它是基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺來實。首先要建立基于計算機的數(shù)字化產(chǎn)品模型，在產(chǎn)品開發(fā)全過程中予以使用，以達到減少使用實物模型的目的。

數(shù)字化設計是通過建立數(shù)字化產(chǎn)品模型，利用數(shù)字模擬、仿真、干涉檢查、CAE分析等分析技術，并通過采用優(yōu)化技術逐步改進和完善設計方案，提高產(chǎn)品開發(fā)效率和產(chǎn)品可靠性，并最終為基于網(wǎng)絡的全球制造提供數(shù)字化產(chǎn)品模型。

數(shù)字化設計應用了現(xiàn)代設計技術的最新成果。盡管如此，對于任何一種產(chǎn)品還必須事先對它的設計理念、設計環(huán)境、設計目標、設計步驟、設計內(nèi)容、設計方法和產(chǎn)品設計檢驗方法進行具體的規(guī)劃。2022/12/1452(7)綜合類的產(chǎn)品設計法

三化綜合設計1+3+X設計面向產(chǎn)品結構性能的動態(tài)優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工作性能的智能優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工藝性能的可視優(yōu)化設計三次設計全生命周期優(yōu)化設計面向產(chǎn)品總體質(zhì)量的廣義優(yōu)化設計圖16組合類設計法

組合類設計幾種方法的組合：第一類：同一類的方法組合，如結構與材料一體化設計

第二類：兩類不同方法的組合，如功能與內(nèi)容，內(nèi)容與方法，例如，動態(tài)優(yōu)化，控制系統(tǒng)優(yōu)化設計等

第三類：多類不同方法的組合，如目標、內(nèi)容與方法的組合，如面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設計理論與方法，１＋３＋Ｘ綜合設計法等。2022/12/1453(7)綜合設計類:一體化設計與綜合設計

產(chǎn)品設計工作的一體化:包括材料與結構設計的一體化，此外，還可以進一步擴展到多個方面，如材料、結構和環(huán)境設計工作的一體化，在生命周期內(nèi)產(chǎn)品動態(tài)設計與控制系統(tǒng)設計的一體化，產(chǎn)品結構、系統(tǒng)與參數(shù)設計工作的一體化等、實際上產(chǎn)品設計工作的一體化也是一種綜合設計方法。

綜合設計:

是將對產(chǎn)品質(zhì)量有決定性影響幾種設計方法有機地結合在一起，這種綜合方法應該明確的設計目標、具體的設計步驟和內(nèi)容和可以執(zhí)行的和有效的設計方法，來完成產(chǎn)品的全部設計工作。綜合設計常通過多學科的交叉融合來完成產(chǎn)品設計。

綜合設計包含了設計工作的全部內(nèi)容，即設計思想、設計環(huán)境、設計過程、設計目標、設計內(nèi)容、設計方法和產(chǎn)品設計檢驗方法等。從設計方法的角度看,它也可以通過采用虛擬設計方法或數(shù)字化設計方法來完成全部設計工作。2022/12/14542產(chǎn)品的功能

2.1概述

2.2產(chǎn)品的主輔功能

2.3實現(xiàn)功能的內(nèi)容2022/12/14552.1概述

對產(chǎn)品設計工作者來說，設計產(chǎn)品所追求的首要目標是產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品的質(zhì)量是功能與性能的總和.假如某種產(chǎn)品的質(zhì)量達不到要求，就會顯著降低它的使用價值，甚至完全喪失使用價值，它就會在市場中缺乏競爭力，最終將會被市場所淘汰。產(chǎn)品設計工作者所考慮的問題不只是產(chǎn)品的質(zhì)量（指的是使用質(zhì)量），他們所要考慮的問題要比與使用質(zhì)量相關的內(nèi)容要多得多，即應該考慮包括產(chǎn)品的質(zhì)量在內(nèi)的五大要素:質(zhì)量Q（狹義的）、成本C、設計制造周期T、環(huán)境E和售后服務S等所有要求，這些要求可以概括為用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品設計工作提出的各種質(zhì)量要求。2022/12/14562.2產(chǎn)品的主功能的輔助功能

主功能轉變加工對象（被加工物件、物體或物質(zhì)）的幾何形態(tài)、物理狀態(tài)、化學組成、生理機能和進行信息的傳輸與處理等工作。輔助功能為實現(xiàn)基本功能需完成的輔助工作，例如，加工對象（物件、物體或物質(zhì)）的轉運、裝卸和固定等；工作機構需獲得所需的運動形式；系統(tǒng)需獲得所需的動力；操縱指令信號的發(fā)出及執(zhí)行；工況信息的采集、測試與系統(tǒng)的控制等。運動傳輸信息傳輸能量傳輸物質(zhì)輸出指令傳遞能量輸入信息采集物質(zhì)輸入運動輸入指令輸入圖17產(chǎn)品的主功能與輔助功能2022/12/1457

主功能通常是用來改變物質(zhì)的狀態(tài)，具休地說，用來改變被處理物質(zhì)、物體或物件的幾何形態(tài)、物理狀態(tài)、化學組成、生理機能或信息表現(xiàn)形式等各方面的工作，所以在機械產(chǎn)品中要出現(xiàn)物質(zhì)形態(tài)的轉變過程，常常呈現(xiàn)物質(zhì)流的形式，也就是將輸入物質(zhì)的初始形態(tài)改變?yōu)樾碌男螒B(tài)。例如，車床的主功能是加工零件，用來改變工件的幾何形態(tài)，它要將毛坯加工到所要求尺寸精度的零件。

輔助功能是為了實現(xiàn)主功能而需要完成的一些輔助工作，常常包括物質(zhì)的轉移、所需運動形式的轉換、所需能量的輸入、操縱指令的輸入、信息的獲取及處理等，也就是常常出現(xiàn)物質(zhì)流、運動形式流、能量流、指令信號流和控制信息流等。2022/12/14582.3實現(xiàn)產(chǎn)品功能的具體內(nèi)容

圖2.2功能結構簡圖和對功能的要求及其主要特性圖18產(chǎn)品功能要求及主要特性1、一組結構2、兩個方面的結構實現(xiàn)主、輔功能所對應的結構3、三種機構驅(qū)動、傳動、工作機構4、四類參數(shù)

幾何參數(shù)、工藝參數(shù)運動參數(shù)、動力參數(shù)５五大系統(tǒng)物質(zhì)轉運系統(tǒng)、運動形式轉換系統(tǒng)、能量傳輸系統(tǒng)、指令輸入系統(tǒng)、狀態(tài)控制系統(tǒng)

功能設計五項內(nèi)容

用1、2、3、4、5加以概括2022/12/14593產(chǎn)品的三大性能

3.1概述

3.2產(chǎn)品的三大性能

3.3幾類機械產(chǎn)品的性能設計2022/12/1460

圖19現(xiàn)代機械產(chǎn)品的三大性能系統(tǒng)可靠性

工作可靠性人機安全性材質(zhì)造應性工作耐久性結構緊湊性環(huán)境無害性造型藝術性設計經(jīng)濟性結構性能I正確思想Q狹義質(zhì)量C價格T生產(chǎn)周期E環(huán)境S售后服務機械產(chǎn)品設計質(zhì)量工效實用性工作穩(wěn)定性指標優(yōu)越性設備動力性狀態(tài)測控性故障可診性操作宜人性使用經(jīng)濟性制造工藝性零件規(guī)范性容差合理性生產(chǎn)時間性設備維修性裝運可行性廢品回收性制造經(jīng)濟性

使用性能

制造性能3.2

產(chǎn)品三大性能:結構性能、使用性能、制造性能2022/12/1461（1）機械設備的結構性能

1）人機安全性：設計機器時要考慮到操作者和外來參觀人員的安全，機器工作時不應發(fā)生意外的損壞與不安全事故。

2）系統(tǒng)可靠性：所設計的產(chǎn)品應該進行可靠性分析，系統(tǒng)及其零部件的可靠度應該滿足設計的要求。

3）工作耐久性：對機器零部件進行靜強度和疲勞強度、抗磨損、抗腐蝕、抗蠕變等有關工作壽命的計算，應該符合有限工作壽命的要求，要對機器的一些關鍵零部件，例如對一些易損壞零件和易磨損零件進行失效分析。

4）材質(zhì)適應性：對于任何機電產(chǎn)品，其零部件的材質(zhì)的合理選擇至關重要，所選用的材質(zhì)不能滿足要求，就會使設備出現(xiàn)早期損壞；如果選用的材質(zhì)過高，又會造成浪費，所以對零部件來說要選用恰如其分的材質(zhì)，即選用適應產(chǎn)品實際所需要求的材質(zhì)。2022/12/1462

5）結構緊湊性：機器的結構應該緊湊。在沒有特殊要求的條件下，機器的質(zhì)量應輕，體積應小。

6）環(huán)境無害性：機器所選用材質(zhì)及機器工作時不應對環(huán)境造成污染，所設計的產(chǎn)品不應排放出有害的液體和氣體，不應產(chǎn)生污染環(huán)境的振動與噪聲，振動與噪聲水平應在限定的范圍內(nèi)；還應考慮所開發(fā)產(chǎn)品對周圍環(huán)境的適應性，如溫度、濕度、載荷等。

7）造型藝術性：機器的藝術造型設計是一項十分重要的工作，在不影響使用效果和不顯著增加機器制造成本的條件下，機器應該有優(yōu)美的外形，并應具有一定的藝術性，這也是爭取市場和用戶的重要因素之一。

8）設計經(jīng)濟性：產(chǎn)品在設計過程中所考慮的各種情況，例如，產(chǎn)品結構的復雜性、安全性、可靠性、工作耐久性、結構的緊湊性、對環(huán)境的無害性、造型藝術性等，都會影響到產(chǎn)品的制造成本，因此，在設計時必須時時刻刻考慮如何降低產(chǎn)品設計的經(jīng)濟性問題。2022/12/1463（2）機械設備的使用性能：

1）工效實用性：對產(chǎn)品的最基本的要求是其工效能滿足實際工作的需要，能基本完成用戶對產(chǎn)品使用的要求，應具有完成所執(zhí)行的工作的基本能力。當然也沒有必要增加一些多余的功能，增加多余的功能就會造成浪費。

2）運行穩(wěn)定性：對于有些機械工作穩(wěn)定性顯得特別重要。機器不穩(wěn)定工作常常有如下的表現(xiàn)，例如轉速常常改變、振動幅值常常變動或超出規(guī)定范圍、工作負荷常常變動等。總之，其工作過程中的一些參量不是處在要求的范圍內(nèi)，這會影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和工作效率，有時甚至會出現(xiàn)嚴重事故，并導致機器的損壞。

3)指標優(yōu)越性：這是在機器工效實用的基礎上，對產(chǎn)品提出的更高的要求，產(chǎn)品的技術指標常常是變化的，有時高，而有時低。產(chǎn)品的設計工作就是要使機器在工作時能獲得較理想或最佳的技術指標，從而可以獲得較高的工效。

4）操作宜人性：任何機器的設計工作應該使操作人員具有良好的操作條件和環(huán)境，提高操作的自動化程度，減少可能出現(xiàn)的誤操作，從而保證生產(chǎn)的正常和有效地進行。操作人員工作的舒適性也是設計所必須考慮的。2022/12/14645）狀態(tài)可測性：為了掌握機器的運行情況，對其工作狀態(tài)進行檢測是一項必要的工作。這一方面是為提高機器工效而對機器實施智能控制之前，必須首先了解機器的實際工況；另一方面是為掌握機器出現(xiàn)意外情況，并及時采取相應的策略和措施，以及進一步對機器可能出現(xiàn)的故障進行診斷。

6）系統(tǒng)可控性；為了使機械產(chǎn)品正常和有效地工作，對系統(tǒng)的工況進行控制是一項有效的措施，系統(tǒng)的可控性是保證產(chǎn)品正常和有效工作的基本要求。

7）故障可診性：在對機器狀態(tài)進行測控的基礎上，可對機器可能出現(xiàn)的故障進行及時診斷，避免造成過大的損失。因此所設計的機器應該具有良好的診斷性，也就是說當機器出現(xiàn)故障時，容易診斷出故障的類型及發(fā)生的位置，進而采取相應的措施預防故障的擴大和蔓延，或急速停機進行檢修。

8）使用經(jīng)濟性：前面所述的工效實用、運行穩(wěn)定、指標優(yōu)越、操作宜人、狀態(tài)測控、故障診斷等都和使用過程的經(jīng)濟性有著密切的聯(lián)系，每一項實施都要對所花費的費用和可能獲得的成效的多少對比，只有當取得的效益所創(chuàng)造的價值大于或接近于投入，或從長遠的利益出發(fā)考慮有實際意義時，才有采用的價值。2022/12/1465（3）機械設備的制造性能

1）結構工藝性：產(chǎn)品的制造工藝性是在設計時要充分考慮的十分重要的一項設計內(nèi)容。它會直接影響機器及其零部制造的難易程度、所花費的工時及制造成本。對制造工藝性的考慮的全面性和深入程度取決于設計師的經(jīng)濟積累和所具有實際技能和工藝知識。產(chǎn)品設計師必須聽取和吸收工藝師們的寶貴經(jīng)驗和知識。

2）機器規(guī)范性：零部件的規(guī)范性是指機械產(chǎn)品及其零部件的標準化、通用化和系列化程度，這會影響產(chǎn)品及其零部件的加工和制造工時、影響產(chǎn)品的制造成本和生產(chǎn)周期。有經(jīng)驗的設計師在設計產(chǎn)品時標準件、通用件和對產(chǎn)品系列化的考慮更全面和更深入，因而會帶一系列的好處。

3）生產(chǎn)時間性（生產(chǎn)周期）：產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和進入市場時間的快慢是市場競爭的重要條件之一。產(chǎn)品投入市場有其時間性，有時顯得特別重要。許多企業(yè)千方百計地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，以便在國內(nèi)外激烈的市場競爭中立于不敗之地。

4）容差合理性：機器零部件的公差配合和精度會直接影響加工難易程度及制造成本，也會影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。機器零部件的精度必須適當，既能滿足產(chǎn)品功能和性能的要求，又不浪費加工工時及增加制造成本。2022/12/14665）設備維修性：在設計產(chǎn)品時還要考慮產(chǎn)品的維護和檢修，要為產(chǎn)品的維修提供方便，維護和檢修的方便性可以降低維修成本，縮短產(chǎn)品維修的時間。模塊化的設計在產(chǎn)品的設計時經(jīng)常要考慮的一個重要問題，它可以大大地縮短檢修時間，增加維修的方便性。

設備的維修性還應考慮產(chǎn)品易損壞零部件的再制造的可行性和方便性，目前世界各國對產(chǎn)品易損壞零部件的修復和再制造工作十分重視，這項工作可以大大地延長產(chǎn)品的使用壽命，節(jié)省投資，是一項投資少、功效高的工作.6）裝運可行性：對一些大型或一些重要機械設備來說，機器及其零部件裝卸及運輸?shù)目尚行砸彩窃O計者必須考慮的問題，要保證機器及其零部件裝卸方便及從制造廠運至使用地點的可行性，如要保證特大型部件在運輸時能夠順利地通過橋梁及隧道。

7）報廢回收性：在科學技術發(fā)達的今天，產(chǎn)品的報廢和回收是一個應該考慮的問題。要建立一個節(jié)約型和經(jīng)濟型的社會，廢品回收是一項重要的工作。

8）制造經(jīng)濟性：前面提出的產(chǎn)品制造工藝性、零部件規(guī)范性、生產(chǎn)周期、機器維修、運輸與拆裝、報廢回收等都與制造過程中的經(jīng)濟性有直接關系。在某一方面考慮不周，就會增加制造加工的復雜性，延長制造周期，增加制造成本。這是一項十分復雜的工作，在產(chǎn)品設計時必須予以考慮。2022/12/1467

3.3幾類機械產(chǎn)品的性能設計

（1）機床

機床的基本功能是加工機器的零件，通常機床的工作是完成車、磨、銑、刨、鉆及完成復合加工（如多功能機床和加工中心等）的工作，它要將毛坯按照設計圖紙所要求尺寸、精度和光潔度等加工成滿足機器裝配所需的零件，而在完成基本功能和輔助功能的同時，要求所設計的機器滿足一些基本性能的要求，例如，功效實用、指標優(yōu)越、工作安全可靠、對環(huán)境無害、結構緊湊、狀態(tài)可控、運轉經(jīng)濟等。在數(shù)控機床中，數(shù)控系統(tǒng)是為完成基本功能而進行輔助工作的一個十分重要的系統(tǒng)，不僅要求它工作可靠耐用，而且要求工作準確無誤；對于數(shù)控機械，對它的加工精度的要求也是十分嚴格的。作為一種機械設備，它們還應該滿足三大性能的要求，但對于機床來說，在這些性能要求中，對它的工作穩(wěn)定性、整機及其零部件的剛度、加工精度、所產(chǎn)生的振動與噪聲的要求也相當嚴格。（2）工程礦山機械

工程礦山機械的種類繁多，多達數(shù)十種、甚至上百種，它們的工作對象是土壤、碎石、巖石、礦石、煤、重物及其他松散物料等，因此，它們的基本功能是完成這些物料或物質(zhì)的采掘、裝載、運輸、起重等各種工作；對于筑路機械，除完成上述工作任務外，還要完成路面的壓實和攤鋪（平整）等工作。因此，對于這類機械設備，其工作要安全可靠，耐磨耐用，機器及其零部件要有足夠的強度和剛度等。對于這類機械設備，對三大性能有同樣的要求，但其側重點是功效實用、人機安全、工作可靠、對環(huán)境無害、且便于維修等。2022/12/1468

（3）冶金機械冶金機械中的如用于軋制各種鋼材，改變被加工物件的幾何形態(tài)，將鋼錠或提供的原材料加工成板材、型材，管材，以及各種形狀的工件等。冶金機械的種類很多，它們有各自的功能和要求。對這類機械的性能要求與其他機械大同小異，但有一些特殊的要求，如表面光潔度、平整度和平直度，以及材料晶體的均勻性和強度等。（4）鍛壓機械鍛壓機械的工作對象通常是加熱的毛坯，通過各種鍛壓機械把它們一定形狀的工件、半成品或符合尺寸毛坯。有的冷壓加工的壓力機將薄板壓制成所要求形狀的構件，如汽車的外殼等。這些機械對加工件形狀和尺寸在某些情況下有十分嚴格要求。（5）動力機械火力、水力、地熱、風力和核能發(fā)電設備都是用來將化學能、熱能、風能轉變成電能，而蒸汽機、各種型式內(nèi)燃機是將化學能和熱能轉變?yōu)閯幽?，在這些機械中實現(xiàn)能量的轉換。對它們的要求是，除安全可靠工作外，還要有較高能轉換效率。幾十年來，國內(nèi)外的汽輪機組都曾發(fā)生重大毀機事故，因此，這些機械的工作穩(wěn)定性和安全可靠性都有十分重要。

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（6）化工機械

一些化工廠，如化肥廠、化纖廠的一些機械設備，它們常用來對一些化學物質(zhì)進行化合和分解，制成新的化學物質(zhì)，改變物質(zhì)的化學組成是這類機械的主要功能。對它們的主要要求是如何加快反應速度和提高新化學物質(zhì)的純度，因此，常常在化學反應過程中加入一些催化物，也稱催化劑，會使化學變化過程加快，提高工效。（7）農(nóng)業(yè)機械

農(nóng)業(yè)機械的種類很多，它們通常用來對農(nóng)田和作物進行耕作、播種、施肥、灌溉、收割。所以要根據(jù)其工作的特點對它們提出不同的要求。但產(chǎn)品的一般性能要求對它們都是適用的。（8）車輛

汽車、載重汽車、拖拉機、旅客列車、貨運列車等，它們的主要功能都是用來運送旅客或轉運貨物。對它們的要求是運量大，速度快，安全可靠，舒適宜人。旅程列車常常把安全正點作為主要目標。在國內(nèi)外，由于交通安全事故，每年傷亡人數(shù)十分可觀，因此，這些設備的設計工作常常把安全放在頭等重要的位置上。2022/12/1470

（9）機器人

機器人的設計首先要考慮的是完成的功能是什么？不同機器人有不同的功能。工業(yè)機器人有工業(yè)運輸機器人、焊接機器人、噴涂機器人、清洗機器人、裝配機器人等，它們常用來對工件和刀具進行運輸，制造成型、零部件的焊接，機器表面清洗和噴涂，零部的裝配等。此外，還有行走機器人、爬壁機器人、管道機器人、水下機器人、航天機器人、建筑機器人、家庭服務機器人、戰(zhàn)爭機器人等，機器人的設計的最大特點是要有一定的智能化程度，其控制系統(tǒng)的設計至關重要。（10）醫(yī)療機械設備

醫(yī)療機械設備有很多的種類和型式，最重要的和有代表性的數(shù)字化醫(yī)療設備，如醫(yī)用CT、X光機、B超、心電和腦電檢測設備，醫(yī)用CT（包括核磁共振動式和X射線式）對人體各部位進行斷層掃描，X光機對人體內(nèi)胸肺進行透視，B超對肝等內(nèi)臟進行檢查；心電和腦電檢測設備對心臟脈動及腦活動規(guī)律進行檢查等。它們運行的好壞與檢測的正確性關系十分密切。（11）微機械

微機械是目前機械領域一個新的研究方向。由于許多機械正在向小型化方向發(fā)展，特別是目前芯片的尺寸的做得愈來愈小，有的微機械的尺寸已達到納米級的精度。微型機械的研究已逐漸擴展到更小的尺寸。2022/12/1471

4.產(chǎn)品設計的六項要求產(chǎn)品設計六項要求IQCTES,取代五項要求QCTES圖20產(chǎn)品設計的六項要求正確思想指導的設計面向六項要求的設計面向服務的設計產(chǎn)品設計的六項要求IQCTES面向生產(chǎn)周期的設計面向產(chǎn)品成本的設計面向環(huán)保的設計全性能設計全功能設計全功能全性能的設計正確思想I產(chǎn)品質(zhì)量Q生產(chǎn)成本C生產(chǎn)周期T售后服務S綜合要求環(huán)保要求E2022/12/1472為什么做事要有正確的思想I呢?

為什么要用IQCTES來取代QCTES呢?

理由是做任何事不能沒有正確思想做指導。

我們可以回顧一下2008年開始的國際金融危機是怎樣發(fā)生的?它對世界經(jīng)濟所造成的危害是多么嚴重呀!

開始是因雷曼兄弟所經(jīng)營的公司的次貸危機所引起的,資本主義世界的泡沫經(jīng)濟是世界經(jīng)濟發(fā)展的禍根。馬克思寫的資本論只寫了資本主義世界生產(chǎn)的無計劃生產(chǎn)而引發(fā)的經(jīng)濟危機。如果馬克思現(xiàn)在來寫資本論的話,他一定會增加一章,資本主義世界的泡沫經(jīng)濟會引發(fā)國際金融危機。

最近歐洲國家的債務危機又使資本主義世界經(jīng)濟出現(xiàn)嚴重問題。2022/12/1473

最近美國興起“占領華爾街”的示威游行,并已波及英國、韓國等許多國家。因為美國人民已經(jīng)看到華爾街金融機構的老板們只顧及自己的利益,弄虛作假,大搞泡沫經(jīng)濟,使經(jīng)濟發(fā)展受到嚴重影響,失業(yè)率增加,而他們的工資是普通人的600倍。許多美國人民看到了世界經(jīng)濟發(fā)展的禍根,這些人來指揮政府,目前政府無法對他們進行監(jiān)督。

再來看一看出我國有些企業(yè)是怎樣倒閉的。三鹿奶粉為了推銷它企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品,加入了危害兒童健康的三聚氰胺,使上千上萬兒童患上腎結石,有不少兒童因得病致死。

由此可見,企業(yè)或機構不能依靠危害人民的利益而發(fā)財致富。企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品和金融機構經(jīng)營某一事業(yè)都不能損害人民利益,都必須有正確思想I

做指導。為什么產(chǎn)品設計要有正確的思想I呢?2022/12/1474

討論六大要素IQCTES的最終結果是什么?

在六大要素中,正確思想I、環(huán)保要求E和售后服務S三個要素必須滿足,而可以在質(zhì)量Q、成本C和生產(chǎn)周期T這三個要素上大做文章,目的是在滿足質(zhì)量要求的前提下,降低成本,縮短生產(chǎn)周期,以使所生產(chǎn)的產(chǎn)品獲高的性價比,

以及省出時間,多生產(chǎn)出產(chǎn)品,做到事半功倍,做到高效率地工作,這是一項十分重要的問題。

我認為我對這個問題的處理還不錯,

我現(xiàn)在培養(yǎng)了不少研究生,寫了33部著作,獲得24項獎勵,如果在IQCTES的關系上處理不好,不會有如此理想的結果的。2022/12/14755.產(chǎn)品設計的4個階段設計目標域DO

用戶信息獲取功能需求實現(xiàn)

設計內(nèi)容域DC設計方法域DM功能與性能的需求實現(xiàn)設計思想域DI設計環(huán)境域DE設計過程域DＰ

主觀能動效應客觀環(huán)境要求全局性態(tài)規(guī)劃2規(guī)劃階段3

實施階段質(zhì)量檢驗域DA功能性能評價4

檢驗階段產(chǎn)品調(diào)研域DA功能環(huán)境風險1

調(diào)研階段2022/12/1476(1)產(chǎn)品設計第一階段:3I調(diào)研階段

調(diào)研的三項內(nèi)容：

1）用戶需求：要了解用戶對所設計產(chǎn)品的需求，對產(chǎn)品的功能要求。

2）產(chǎn)品環(huán)境：如政治、經(jīng)濟、人文環(huán)境、法律環(huán)境、社會環(huán)境（指國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術環(huán)境、資金環(huán)境、市場環(huán)境與政策環(huán)境的要求等。

3）風險調(diào)查：產(chǎn)品投產(chǎn)的風險大小，產(chǎn)品投產(chǎn)處于產(chǎn)品的上升階段，還是處在下降時期。2022/12/1477(2)產(chǎn)品設計第二階段:7D規(guī)劃階段

規(guī)劃的七項內(nèi)容：

1）明確設計思想：在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導下完成產(chǎn)品設計工作；

2）考慮設計環(huán)境：如政治、經(jīng)濟、人文環(huán)境、法律環(huán)境、社會環(huán)境（指國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術環(huán)境的要求等；

3）擬訂設計步驟：設計過程和步驟是用戶需求獲取、制訂設計任務書、產(chǎn)品概念設計、詳細設計、工藝設計；

4）確定設計目標：也就是本書所指的面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量和實現(xiàn)產(chǎn)品功能和性能的優(yōu)化

5）規(guī)劃設計內(nèi)容：設計內(nèi)容就是面向產(chǎn)品功能和三大性能的功能優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計；

6）選擇設計方法：如選擇廣義優(yōu)化設計法、可視優(yōu)化設計法、數(shù)字化設計法等；

7）檢驗設計質(zhì)量：如通過評估、產(chǎn)品試驗、用戶試用等.2022/12/1478

1)產(chǎn)品的設計思想

產(chǎn)品的設計思想1指導思想:在科學發(fā)展觀及自主創(chuàng)新的思想指導下開展設計;2設計理念:設計產(chǎn)品的主觀意圖及力圖實現(xiàn)的全部理想;3設計規(guī)劃:按照系統(tǒng)工程的思想進行產(chǎn)品設計總體規(guī)劃.

圖21產(chǎn)品的設計理念模型如以科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新設計的思想做指導如設計產(chǎn)品的主觀意圖及企圖實現(xiàn)的全部理想如按照系統(tǒng)工程的思想進行產(chǎn)品設計總體規(guī)劃設計理念指導思想設計規(guī)劃2022/12/1479

2)產(chǎn)品的設計環(huán)境

政治環(huán)境經(jīng)濟環(huán)境研發(fā)隊伍環(huán)境保護人文環(huán)境法律環(huán)境產(chǎn)品設計圖22產(chǎn)品的設計環(huán)境模型人際環(huán)境國際環(huán)境資源利用試驗條件資金環(huán)境市場環(huán)境自然環(huán)境社會環(huán)境技術環(huán)境產(chǎn)品的設計環(huán)境1社會環(huán)境:包括政治、經(jīng)濟、人文、法律、國際、人際環(huán)境等;2自然環(huán)境:環(huán)境保護（環(huán)境友好）、資源合理利用（節(jié)約）等;3其它環(huán)境:技術環(huán)境、資金環(huán)境、市場環(huán)境