研究生课程CADCAM讲稿Ch产品设计方法学及计算机辅助设计S.ppt

研究生课程CADCAM讲稿Ch产品设计方法学及计算机辅助设计S Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2 222.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 两种基本定义两种基本定义两种基本定义两种基本定义Palh和和Beitz 于于1984年在年在Engineering Design书中定义为：书中定义为：在确定任务后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当在确定任务后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定基本求解途径，得出求解方的作用原理及其组合，确定基本求解途径，得出求解方案，该部分设计工作称为案，该部分设计工作称为概念设计概念设计 Frence在在Conceptual Design for Engineers中定义为：中定义为：指在弄清设计要求和条件的基础上，生成指在弄清设计要求和条件的基础上，生成框架式框架式的广泛意义的广泛意义上的解。上的解。框架式的解框架式的解指设计问题的一个轮廓，该框架只需指设计问题的一个轮廓，该框架只需对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求详对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求详细细3 332.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 两种基本定义（续）两种基本定义（续）两种基本定义（续）两种基本定义（续）在此基础上，总结概念设计的定义为：在此基础上，总结概念设计的定义为：指根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、指根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计，进行满足功能和功能分解以及功能和子功能的结构设计，进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计载体方案的构思和系统化设计4 4功能功能功能功能创新、亲和、舒适创新、亲和、舒适创新、亲和、舒适创新、亲和、舒适 产品概念设计内涵产品概念设计内涵产品概念设计内涵产品概念设计内涵 2.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 5 5概念设计的定位概念设计的定位概念设计的定位概念设计的定位概念设计的新内涵概念设计的新内涵概念设计的新内涵概念设计的新内涵2.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 6 662.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 概念设计的特点（续）概念设计的特点（续）概念设计的特点（续）概念设计的特点（续）层次性（体现在两个方面）层次性（体现在两个方面）u 概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射功能层向结构层的映射 各层中的自身的层次关系各层中的自身的层次关系信息的不完备性信息的不完备性7 772.1 2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵 概念设计的内容概念设计的内容概念设计的内容概念设计的内容功能创新功能创新功能分析和功能结构图设计功能分析和功能结构图设计工作原理解求解工作原理解求解功能载体方案构思和决策功能载体方案构思和决策诺基亚手机的概念设计诺基亚手机的概念设计诺基亚手机的概念设计诺基亚手机的概念设计8 882 2 计算机辅助概念设计计算机辅助概念设计 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术9 992.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法“构思构思构思构思”“设计设计设计设计”法法法法将产品的方案设计分成将产品的方案设计分成“构思构思”和和“设计设计”两个阶段：两个阶段：构思阶段：构思阶段：寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解设计阶段：设计阶段：具体实现构思阶段的原理解具体实现构思阶段的原理解 Roper Roper 将将方案的构思方案的构思描述为：根据合适的功能结构，寻求满足描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解设计任务要求的原理解功能结构中的分功能由功能结构中的分功能由结构元素结构元素实现，并将结构元素间的物理实现，并将结构元素间的物理联接定义为联接定义为功能载体功能载体，这样功能载体和结构元素间的相互作用，这样功能载体和结构元素间的相互作用构成构成功能示意图功能示意图 1010102.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法“构思构思构思构思”“设计设计设计设计”法（续）法（续）法（续）法（续）Roper Roper 将将方案的设计方案的设计描述为：根据功能示意图，限定性地描描述为：根据功能示意图，限定性地描述所有的功能载体和结构元素，再定量地描述所有结构元素述所有的功能载体和结构元素，再定量地描述所有结构元素和联接件（功能载体）的形状及位置，得到结构示意图和联接件（功能载体）的形状及位置，得到结构示意图Roper Roper 采用图论，根据定义的采用图论，根据定义的总设计单元、功能载体、结构总设计单元、功能载体、结构元素、功能结构元素、联接结构元素、结构零件、结构元素元素、功能结构元素、联接结构元素、结构零件、结构元素零件零件，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家的设计经验做出形式化的描述，的若干种简图，把设计专家的设计经验做出形式化的描述，形成一系列结构化方法，并应用于构思和设计阶段形成一系列结构化方法，并应用于构思和设计阶段 1111112.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 公理化设计公理化设计公理化设计公理化设计公理化设计的思想出现在公理化设计的思想出现在7070年代，年代，19901990年年SuhSuh提出了公理化提出了公理化设计理论设计理论公理化设计是通过对大量成功设计实例进行分析归纳，公理化设计是通过对大量成功设计实例进行分析归纳，抽象出设计过程的本质而形成的，是对产品设计的一种抽象出设计过程的本质而形成的，是对产品设计的一种概念性的、抽象的描述概念性的、抽象的描述公理化设计中的设计空间被划分为依次相邻的四个域：公理化设计中的设计空间被划分为依次相邻的四个域：顾客需求域、功能域、载体域和过程域顾客需求域、功能域、载体域和过程域 1212122.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 公理化设计（续）公理化设计（续）公理化设计（续）公理化设计（续）四个域中包含的元素分别为：四个域中包含的元素分别为：顾客需求项（顾客需求项（CNs)CNs)：表示顾客使用产品的目的表示顾客使用产品的目的1313132.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 公理化设计（续）公理化设计（续）公理化设计（续）公理化设计（续）功能需求项（功能需求项（FRsFRs）：）：表示在功能层次上对产品设计表示在功能层次上对产品设计 目标的说明目标的说明设计参数（设计参数（DPsDPs）：）：表示实现功能的载体表示实现功能的载体过程变量（过程变量（PVsPVs）：）：表示制造过程所涉及的主要因素表示制造过程所涉及的主要因素设计过程被描述为以顾客需求为驱动的域之间的映射过程设计过程被描述为以顾客需求为驱动的域之间的映射过程1414142.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（QFDQFD）质量功能部署质量功能部署（Quality Function DeploymentQuality Function DeploymentQFDQFD）是日）是日本三菱重工在神户造船厂本三菱重工在神户造船厂19721972年提出并使用年提出并使用 QFDQFD是一个跨专业的团队过程，用于设计开发新的产品（服是一个跨专业的团队过程，用于设计开发新的产品（服务）或改进原有的产品（服务），它主要焦聚在顾客需求上，务）或改进原有的产品（服务），它主要焦聚在顾客需求上，将顾客需求转化成可量测的目标，保证正确的产品（服务）将顾客需求转化成可量测的目标，保证正确的产品（服务）迅速进入市场迅速进入市场1515152.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（QFDQFD）（续）（续）（续）（续）将顾客需求转化成设计需求将顾客需求转化成设计需求将设计需求转化成产品将设计需求转化成产品/零部件特性零部件特性将产品将产品/零部件特性转化成制造操作步骤零部件特性转化成制造操作步骤将制造操作步骤转化成具体的操作将制造操作步骤转化成具体的操作/控制控制QFDQFD为为一个结构化的、矩阵驱动的过程，其运行包括一个结构化的、矩阵驱动的过程，其运行包括4 4个阶段：个阶段：1616162.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（质量功能部署（QFDQFD）（续）（续）（续）（续）QFDQFD开始于顾客需求，转化过程中使用开始于顾客需求，转化过程中使用4 4个相互关联的矩阵个相互关联的矩阵1717美国部分企业实施美国部分企业实施美国部分企业实施美国部分企业实施QFDQFD效益案例效益案例效益案例效益案例 QFD实施项目实施项目实施结果实施结果美国美国Martin Marietta宇航集团宇航集团 卫星服务器空间系统卫星服务器空间系统空间远程机器人服务车空间远程机器人服务车大规模空间系统并行工程大规模空间系统并行工程投标时间降低投标时间降低20%，成本节约，成本节约30%赢得投标并被作为该行业的样板赢得投标并被作为该行业的样板设计时间和资源均降低设计时间和资源均降低25%空间系统成本降低到空间系统成本降低到50%开发时间缩短开发时间缩短60%美国冲模技术公司美国冲模技术公司小型制造商引导计划小型制造商引导计划返修减少返修减少30-40%生产周期缩短生产周期缩短30%生产成本降低生产成本降低25%开发了新的技术市场开发了新的技术市场销售量增加销售量增加30%提高了雇员技能水平提高了雇员技能水平美国美国3M公司公司产品开发阶段新材料的技术开发产品开发阶段新材料的技术开发产品开发时间降低产品开发时间降低50%满足了所有的设计期限满足了所有的设计期限创造了有凝聚力的集成的群体工作环境创造了有凝聚力的集成的群体工作环境美国美国Cobe实验室实验室医疗设备开发医疗设备开发通过使用共同的技术以及对重要的用户需求的共识，使多功能小组通过使用共同的技术以及对重要的用户需求的共识，使多功能小组更清晰地理解了项目的要求更清晰地理解了项目的要求多功能小组共同参与到项目目标的制定，形成协同的工作环境多功能小组共同参与到项目目标的制定，形成协同的工作环境2.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 1818QFDQFD软件软件软件软件2.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 QFD Capture的界面图的界面图 QFD Capture QFD Capture 美国美国ITIITI QFD Design QFD Design 美国美国QualisoftQualisoft1919192.2 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法 功能方法树功能方法树功能方法树功能方法树系统的系统的总功能总功能是总任务的描述，可分解为是总任务的描述，可分解为分功能分功能，分功能是分任分功能是分任务的描述。功能的解或实现称为务的描述。功能的解或实现称为方法方法系统系统采用基于功能方法树采用基于功能方法树的功能模型描述。该树是一种分层结的功能模型描述。该树是一种分层结构，功能与方法构成不同的层，层与层之间用线段连接构，功能与方法构成不同的层，层与层之间用线段连接2020202 2 计算机辅助概念设计计算机辅助概念设计 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术2121212.3 2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理 概念设计的本质是创新概念设计的本质是创新传统的传统的CADCAD系统不能体现概念设计的创新过程，缺乏设计系统不能体现概念设计的创新过程，缺乏设计方法学的支持，只是一个概念化绘图工具方法学的支持，只是一个概念化绘图工具CACDCACD产生，目的在于支持产品的创新设计产生，目的在于支持产品的创新设计CACDCACD的实现原理：的实现原理：将设计过程看成在满足约束条件下由功能确定出结构的过将设计过程看成在满足约束条件下由功能确定出结构的过程，或称为由功能到结构的映射程，或称为由功能到结构的映射222222CACDCACD系统的工作过程系统的工作过程系统的工作过程系统的工作过程开始开始开始开始用户需求用户需求用户需求用户需求方案设计方案设计方案设计方案设计通过？通过？通过？通过？输出结果输出结果输出结果输出结果结束结束结束结束修改结果修改结果修改结果修改结果结果评价结果评价结果评价结果评价N NN NY Y Y Y2.3 2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理 2323232.3 2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理 CACDCACD的优点：的优点：的优点：的优点：能满足设计师的各类特殊要求能满足设计师的各类特殊要求能有效提高概念设计的效率能有效提高概念设计的效率能简捷地生成设计对象能简捷地生成设计对象能提供一个进行信息交流和对象评价的平台能提供一个进行信息交流和对象评价的平台2424242 2 计算机辅助概念设计计算机辅助概念设计 2.2 概念设计的基本方法概念设计的基本方法2.3 计算机辅助概念设计的基本原理计算机辅助概念设计的基本原理2.1 概念设计的内涵概念设计的内涵2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术2525252.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术 实现实现CACDCACD，关键在于产品信息建模、推理技术和设计全过，关键在于产品信息建模、推理技术和设计全过程集成程集成产品信息建模产品信息建模产品信息建模产品信息建模实现设计对象的计算机抽象描述和表达，按描述产品的信实现设计对象的计算机抽象描述和表达，按描述产品的信息种类，产品信息建模分为：息种类，产品信息建模分为：功能信息建模功能信息建模几何信息建模几何信息建模设计意图建模设计意图建模2626262.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术 功能信息建模功能信息建模功能信息建模功能信息建模其重点是功能的表达和功能的分解与组合其重点是功能的表达和功能的分解与组合功能的表达：功能的表达：指把市场需求和用户要求通过计算机分析，进指把市场需求和用户要求通过计算机分析，进行功能抽象和描述，突出任务核心行功能抽象和描述，突出任务核心功能的表示方式：功能的表示方式：动名词组。动名词组。如：传递转矩如：传递转矩输入输入/输出流转换。输出流转换。如：物质流、信息流或能量流如：物质流、信息流或能量流输入输入/输出状态转换输出状态转换2727272.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术 功能信息建模（续）功能信息建模（续）功能信息建模（续）功能信息建模（续）功能的分解与组合：功能的分解与组合：指在功能表达的基础上，依据一定的作用指在功能表达的基础上，依据一定的作用原理，将总功能逐级分解，并确定各子功能的相互关系，进行原理，将总功能逐级分解，并确定各子功能的相互关系，进行功能重组，实现功能结构的构思和设计功能重组，实现功能结构的构思和设计几何信息建模几何信息建模几何信息建模几何信息建模指如何描述、表达及操作指如何描述、表达及操作“残缺残缺”的几何信息的几何信息研究功能模型到几何模型之间的映射关系、映射方式和映射机理研究功能模型到几何模型之间的映射关系、映射方式和映射机理设计意图建模设计意图建模设计意图建模设计意图建模设计意图记录设计人员的思维过程，包含开发过程中的经验和设计意图记录设计人员的思维过程，包含开发过程中的经验和技术设计意图建模用于方便概念设计中的设计知识查询和挖掘技术设计意图建模用于方便概念设计中的设计知识查询和挖掘和重用和重用2828282.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术 推理技术推理技术推理技术推理技术基于产品信息模型，依据相关知识，根据相应的前提条件，基于产品信息模型，依据相关知识，根据相应的前提条件，采用相应推理策略最终求得结果（方案）的思维过程采用相应推理策略最终求得结果（方案）的思维过程常用的推理技术包括：常用的推理技术包括：定性推理定性推理基于实例的推理基于实例的推理基于知识的推理基于知识的推理基于约束的推理基于约束的推理2929292.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术 设计全过程的集成设计全过程的集成设计全过程的集成设计全过程的集成产品的开发是一个渐进和反复的过程，概念设计为产品开发产品的开发是一个渐进和反复的过程，概念设计为产品开发的前期过程，需与其他阶段支持系统无缝集成的前期过程，需与其他阶段支持系统无缝集成最终构建出一个支持产品开发全过程的高效系统最终构建出一个支持产品开发全过程的高效系统3030302.4 2.4 计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助概念设计的关键技术CACDCACD系统的原理性框架结构系统的原理性框架结构系统的原理性框架结构系统的原理性框架结构