机电一体化系统设计课件(本科1～3章).ppt

机电一体化系统设计(机械本科专业2008级用)主讲人：熊永超 教授第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 机电一体化的基本概念机电一体化的基本概念 一、知识经济与机电一体化的关系一、知识经济与机电一体化的关系 21世纪将是人类从农业经济、工业经济走向知识经济的时代。土地、矿产和能源等自然资源是有限的。以现代科学技术为核心、建立在知识和信息的基础上的知识经济，是通过知识和智力创新来解决资源问题。知识经济在知识化的工业社会中发展起来，促进工业经济和物质生产的高科技化，改变对产品开发、生产和消费的观念，加速产品设计、制造过程和销售系统的信息化、智能化、全球化。知识经济促使国民经济的支柱产业-制造业的生产要素重新排序为知识、资本、劳动，并使制造业推动一系列行业和产业，包括高技术产业和知识经济本身的发展。制造业的基本组成实体是制造系统。从功能看，制造系统是一个输入制造资源，通过制造过程输出产品的输人输出系统；从过程看，制造系统可看成是包括市场分析、产品开发和制造、经营销售、售后服务和产品报废的全过程。以最基本的制造系统-机械产品的历史发展阶段来看，传统机械阶段的机械动力部分由蒸汽机演变到电动机推动了生产力的发展，当然，那时候检测和控制还是靠人。而机电一体化阶段的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机，里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术，代替人完成机器的检测与控制等工作。机电一体化体现了制造业的高科技化，促进了高科技产业和知识经济的发展。可以说机电一体化是知识经济在制造业中的最早体现和组成实体。二、机电一体化的基本含义二、机电一体化的基本含义机电一体化作为机械发展的新阶段，世界各国都有自己的认识：1 1日本日本 处于对机械发展新阶段的敏感，日本在1971年就提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”我国通常译为机电一体化或机械电子学，实质上是机械工程与电子工程的综合集成，可称为机械电子工程学。机电一体化的定义在日本虽然是各种各样的，但对机电体化系统和单机柔性自动化来说，日本机械振兴协会经济研究所在1981年提出的定义具有普遍性，即：“机电一体化这个词乃是在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子 技术，并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成系统的总称”。这个定义体现了机电一体化系统的基本构成和特征，即将机械结构与运动、电子、信息获取与处理、控制及软件等技术学科交叉融合，组成功能完善的、柔性自动化乃至智能化的工程系统，为人类的生产和生活等各个领域的发展服务。日本对机电一体化的其他定义也对我们颇有启发。如：“凡是机械中可以用电子设备代替的装置统统用电子设备来代替”。这个定义更简单扼要地、突出地指明了机械发展的方向，是日本对机械发展新阶段的看法和概括。如果把其中的“电子设备”改为“更适用的物理量和先进技术”，其含义将更为深广。2 2德国德国 在1981年德国工程师协会、德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光机电一体化的综合技术，并用图11来说明其含义。它包括机械(含液压、气动及微机械)、电工与电子、光学等技术及其组合(电工与电子机械、光电子技术与光学机械)，其核心为精密工程技术。该建议书希望在培养精密工程技术工程师期间，强化训练跨学科的思维能力，虽然有可能使“单一化”各学科的训练有所削弱，但必须促进精密工程技术中各学科的相互渗透，培养复合型人才。这个建议包含了德国对机械发展新阶段的看法。在当前“信息爆炸”的形势下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更为迫切。3 3中国中国我国认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是机电一体化技术及其产品的统称，并把柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)等先进制造技术的生产线和制造过程也包括在内，发展了机电一体化的含义。机电体化包括六大共性关键技术：精密机械技术、伺服驱动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术。对机电一体化产品的一种认识是“在机械产品的基础上应用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代的机电产品”。这种认识的核心是“机电一体化产品必须是由计算机控制的伺服系统”。4美国美国1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金会的报告中，提出了“现代机械系统”的定义：“由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机电部件相互联系的系统”。美国提出的这个定义，首先，划分了传统机械与现代机械的不同发展阶段，明确了当前机械发展的方向。其次，重新强调了传统意义(或狭义)上的机械的概念，即主要功能是在一定负载下作功、克服物质阻力、完成人力所难以完成的机械运动，从而消耗较大的能量并具有一定功率的装置，才称为机械。但是，由于机械经过自英国工业革命起数百年的发展过程，对人类的生存和发展产生了如此巨大的作用和广泛而深刻的影响，以致于各种装置出现，都冠以“x x机”的名称。例如，传统照相机利用光化学原理完成主功能，计算机以信息为对象完成数字运算和转换功能。虽然机械装置是他们不可或缺的组成部分，但他们的主要功能并不合乎传统意义上机械功能，于是出现了“广义机械”的提法，即照相机属于“光学机械”，而计算机及其外围设备属于“信息处理机械”等。在这些机械中，使用的机械技术往往是精密机械技术，它是值得重视和借鉴的。三、对现代机械的认识三、对现代机械的认识 为了与以交流电动机驱动、齿轮传动的传统机械相区别，初期的创新突破是把电子技术引入传统机械，出现了机电体化这个名词，其主要功能是“以机为主，机电结合”。随着技术的发展，越来越多的物理量和先进技术被引入机械。为了对机电一体化的名称不再引起误解(例如，以为机电一体化只指包括机械和电子，而排斥其他如光、液压、气动等技术和更广泛的超声、压电、热、磁以及其他不断涌现的新技术等)，应强调机械的发展需要把各种先进技术包括目前尚未了解的前沿新技术创造性地引入到机械工程领域中来。我们对目前发展阶段的现代机械(机电体化)的认识是；“现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关创新技术的集成”。目前的现代机械系统可概括为：1)由数字化信息网络(包括通信和远程传感检测监控等)协调和控制。2)以创新构思和创新技术方案处理包括所有适用的物理量和先进技术的物质流、能量流和信息流。3)以功能分析方法来开发创新产品。4)以现代设计方法和先进制造技术开发生产。5)快速响应市场个性化需求的最优化集成系统。第二节第二节 机电一体化系统与现代设计机电一体化系统与现代设计 一、机电一体化系统的层次一、机电一体化系统的层次机电体化系统是个技术系统，按功能的复杂性分类，可分为几个层次：1)单机。如锤铣加工中心、数控绕线机。机器人、数控折弯机、三坐标测量机、自动小车等。2)由单机和运输等设备组成的加工、装配、储存等制造系统，如 FMS、FMC等。3)由制造系统和规划管理系统组成的集成系统，如CIMS等。本教材重点讨论的是各层次的机电一体化系统最基本的单机机电一体化系统的设计。二、现代设计方法二、现代设计方法(一一)现代设计的概念现代设计的概念设计这个词有两种概念。广义的概念是指发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节和达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动活动，各种产品包括机械产品的设计即属此类。人类要发展，就要进行设计。把创新构思或预定目标经过一系列的规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形文字、数据、图形等信息，这就是初步设计。然后或通过实践转化为某项工程，或通过制造成为初步产品，再根据实践中发现的问题修改设计，再实践，再修改。这一循环过程应贯彻于产品全寿命的始终。因此，产品设计过程设计过程从本质上讲是一个创新的过程创新的过程，是将创新构思不断转化成为转化成为有市场竞争力的创新产品的过程创新产品的过程。现代设计现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。从20世纪的中叶开始，设计领域中相继出现了一系列新兴新兴理论与方法。理论与方法。为了区别于过去常用的传统设计理论与方法，把这把这些新兴理论与方法称为现代设计。些新兴理论与方法称为现代设计。目前，现代设计所指的新兴理论与方法如表11所示。(二二)现代设计方法现代设计方法现代设计方法门类众多且不断出新。可按所研究解决的问题性质分为总体问题和个别性能问题两大类：1.1.研究总体设计的现代设计方法研究总体设计的现代设计方法(1)(1)设计方法学设计方法学 设计方法学分析设计过程阶段的特点和设计规律，寻求合理的设计程序，研究设计的逻辑步骤和工作原则及设计中思维方法和技术，研究各种类型的设计理论与方法在设计中的应用，研究设计信息库的建立和应用以及设计自动化。(2)(2)价值工程设计价值工程设计 价值工程从产品的功能研究开始，对产品进行设计或重新审查设计图样文件，剔除了那些与用户要求的功能无关的元素，如机械中的材料、结构、零部件，代以创新的构思，设计出至少功能相同而成本更低的产品。价值是产品最重要的指标。价值指的是事物的用途或积极作用。用户购买商品，最主要的是购买该商品的功能。设计中经常遇到的是使用功能和美学功能。产品成本是产品的各项生产费用的总和。降低成本要了解产品费用的组成，估算产品的制造费用，研究产品产量与成本、销售量与利润之间关系，进行盈亏分析。价值功能成本。对功能定量赋值的方法很多，如对某些产品的主要技术性能从理想值到超差值分为11级，对应于10分、即为相对功能值，价值工程设计的基本步骤是：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的创新产品。(3)(3)优势设计优势设计 优势设计的概念是从“为竞争的优势而设计”的概念转化而来的，其确切的含义是“为产品创建竞争优势的设计思想、原理和技术”。“有效的设计也是有效的制造的先决条件，改善各公司中工程设计的实践，是提高工业优势和国家竞争力的基础。”这句话直截了当地把国家竞争力和工业优势以及工程设计三者联系了起来。“国家竞争优势”或“国家竞争力”主要是指各国工业产品在国际市场上的竞争力。工程设计是工业产品实现过程中的关键环节。一个产品的寿命周期费用的70甚至更多是由设计决定的。有效的工程设计，如同些外国公司已经证明了的那样，能够提高产品质量、降低成本、加速进人市场的时间，从而使产品更好地适应顾客的需求，取得市场竞争的优势。国家竞争优势主要由工业产品竞争优势决定。各公司的工业产品的竞争优势形成了国家竞争优势，而“为竞争优势而设计”是工业产品取得竞争优势的重要保证。竞争的优势还来自于“无与伦比的创新产品设计“和“出类拔萃的制造水平“，一个产品能否具有竞争优势，7080取决于“设计”；而这里所说的“设计”不是般的“常规设计”，而应该是“创新设计”和“优势设计”。有些科学技术是可以直接转化为生产力的，而大多数科学技术是不能直接转化的，必须要经过设计这个环节，以产品的形式进入市场并被顾客接受才能实现其价值。设计和科学技术不是一回事，其区别见表12。两者不仅出发点、目标和结果不同，而且所需要的知识基础也不尽相同。科学技术需要在已有知识和技术能力的基础上运用假设、分析和试验的方法来探索自然规律，而设计则是需要广泛得多的知识、不仅需要自然科学知识，还要工程科学知识、工程技术知识以及人机学、美学、社会学、心理学、经济学和生态学的知识。尽管设计和科学研究常常是相互渗透的，但是我们不能不强调，设计区别于科学研究的地方是更需要人们的创造力和想象力，并通过各种工艺手段实现人们的构思，最后做出能实现人们希望实现的功能的产品来。表1-2 设计与科研的区别（4)4)绿色设计绿色设计 绿色设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合。在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标，达到优化设计要求。绿色产品至今尚无严格的可供遵循的行业标准，但在市场层面上的绿色产品标准已经得到公认，即产品在使用过程中耗用少量能源和资源且不污染环境，产品在使用过程中不污染环境且能耗低及产品在使用后易于拆卸、回收和翻新或能够安全废置并长期无虑。绿色设计是这样一种方法即在产品整个生命周期内，优先考虑产品环境属性(可拆卸型、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标。在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命、质量等。(5)(5)计算机辅助设计计算机辅助设计 所有的现代设计方法几乎都离不开计算机的帮助。计算机辅助设计(CAD)是使设计者能以计算机为工具，对产品进行规划、分析、综合、模拟、评价、绘图、编辑文件等设计活动的总称。设计者的想象力、创新能力、知识、经验与计算机高速运算、图形显示和处理能力有机结合，综合多学科的相关技术，进行产品描述与设汁，大大地提高了工作效率。近年来，不仅产品更新换代周期不断缩短，而且要求生产模式由单一品种大批量转向多品种小批量。市场竞争推动了计算机硬件本身及其外围设备和图形软件与现代设计理论和方法相结合的各种应用软件的迅猛发展，使CAD得到日益普遍的应用。目前，市场要求快速开发新机械产品，使CAD与计算机辅助制造(CAM)连接形成CADCAM集成系统。目前的计算机集成制造(CIM)是成组技术(CT)、CADCAM、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助检测(CAT)、计算机数控(CNC)、群控(DNC)、柔性制造系统(FMS)、物料资源规划(MRP)、企业资源规划(ERP)、管理信息系统(MIS)、自动化工厂(AF)等技术在更高水平上的集成。计算机集成制造系统(CIMS)则是以CADCAM为核心的、在CIM概念指导下建立的制造系统。随着因特网作为一种平台的兴起和以网络应用为基础的软件的飞速发展，CAD的发展将步入新阶段。(6)(6)并行工程设计并行工程设计 并行工程是集成地、并行地设计产品及相关的各种过程(包括制造、后勤等)的系统方法，要求产品开发人员在设计伊始，就考虑产品整个生命周期中，从概念形成到报废处理的所有因素，充分利用企业内的一切资源，最大限度地满足市场和用户的需求。并行工程的目的在于寻求新产品的易制造性，缩短上市周期和增强市场竞争能力。要求集中 涉及产品寿命的所有部门的工程技术人员，组成并行设计组，共同设计制造产品，对产品的各种性能和制造过程进行计算机动态仿真，生成软样品或快速出样，进行分析评议改进设计，取得最优结果，一次成功。利用计算机的数据处理、信息集成和网络通信的能力，发挥并行设计组的集体力量，将新产品开发研究和生产准备等各种工程活动，尽可能并行交叉地进行，这对换代快、批量不大的产品能显著缩短周期，提高质量。并行工程的内涵还包含了人的因素和企业文化。如果说，新产品按“设计试制样机修改设计工艺准备正式投产”的串行工程方法容易造成各自为政、效率低下的结果的话，并行工程能改变企业组织结构和工作方法，促进人们之间的相互理解，激励积极性，提高协同作战的能力，塑造良好的企业文化氛围，形成一个适合人类发展需要的社会技术系统。(7)(7)虚拟设计虚拟设计 如果把设计理解为在实物原型出现之前的产品开发过程，虚拟设计的基本构思是：用计算机来虚拟完成整个产品的开发过程。设计者经过调查研究，在计算机上建立产品模型，并进行各种分析，改进产品设计方案。通过建立产品的数字模型，用数字化形式来代替传统的实物原型试验，在数字状态下进行产品的静态和动态性能分析，再对原设计进行集成改进。由于在虚拟开发环境中的产品实际上只是数字模型，可对它随时进行观察、分析、修改、通信及更新，使新产品开发中的形象构思、分析、可制造性、可装配性、可维护性、运行适应性、易销售性等都能同时相互配合地进行。虚拟设计可以使一个企业的各部门甚至是全球化合作的几个企业中的工作者可同时在同一个产品模型上工作和获取信息，也可24h连续工作，以减少互相等待的时间，避免和减少传统产品设计过程中的反复制作、修改原型、反复对原型进行手工分析与试验等工作所投入的时间和费用，在设计过程中发现和解决问题，按照规划的时间、成本和质量要求将新产品推向市场，并继续对客户的需求变化作出快速灵活的响应。新产品的数字原型经反复修改确认后，即可开始虚拟制造。虚拟制造或称数字化制造的基本构思是在计算机上验证产品的制造过程。设计者在计算机上建立制造过程和设备模型，与产品的数字原型结合，对制造过程进行全面的仿真分析，优化产品的制造过程、工艺参数、设备性能、车间布局。虚拟制造可以预测制造过程中可能出现的问题，提高产品的可制造性和可装配性，优化制造工艺过程及其设备的运行工况及整个制造过程的计划调度，使产品及其制造过程更加合理和经济。虚拟工艺过程和设备是各种单项工艺过程和设备运行的模拟与仿真，如虚拟加工中心可完整地实现设备的运动，工件的处理等过程的可视化。虚拟制造系统是运用商品化软件在模型库中选择各种设备和工具、工作单元、传送装置、立体仓库、自动小车和操作人员等模型，通过三维图形仿真及时发现生产中可能出现的问题，对制造系统的布局方案、批量控制、运行统计分析等进行评价比较。产品的数字化模型通过虚拟制造之后，还应把产品全寿命周期中的运行环境、运行状态以及其销售、服务，直到产品报废再生都通过虚拟技术在计算机中发现问题并予以解决，再通过敏捷制造和快速成型技术制作实物，使新产品开发快速地一次成功。(8)(8)反求工程设计反求工程设计 反求工程是以先进产品设备的实物、软件(图样、程序、技术文件等)或影像(图片、照片等)作为研究对象，应用现代设计理论与方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，掌握其功能原理、参数、尺寸、材料和结构，特别是关键技术，进而开发出同类的先进产品。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺反求、管理反求等各方面。反求工程的目的是根据设计的思维规律，研究反求对象的设计思想系统的组成、特点和内在联系。一般可从以下几个方面进行分析：1)探索产品设计的指导思想。要分析一个产品，首先要探索其设计指导思想和技术持点。2)原理方案的分析。各种产品是针对一定的使用要求设计的。功能是产品设计的核心问题，由此可引出不同的原理方案。产品的功能概括而论应是能量、物料、信息的转化。如般原动机的功能往往是能量转换，工作机是物料转化，而仪器仪表主要是信息转换。3)结构分析。零部件的结构是功能原理的具体体现，与加工、使用及生产成本有密切关系，可从保证功能、提高性能(提高强度、刚度、精度、寿命、减少磨损、降低噪声等)、降低成本(如加工工艺、装配、合理使用材料等)、提高安全可靠度等方面分析反求对象的结构特点。4)形体尺寸。分解机器实物，由外至内，通过部件至零件在分析的基础上，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸，并用图样及技术文件方式表达。5)精度分配。精度分配(即公差设计)是反求工程技术中的重要问题。精度是衡量反求对象性能的重要指标，是评价反求工程设计产品质量的重要技术参数之因此，必须在反求过程中科学合理地进行精度分配。6)材料分析。根据零件功能及工艺特点分析鉴定并选择材料与热处理方式。7)工作性能分析。针对产品的工作持点及其主要性能进行试验测定、反计算和深入的分析，掌握其设计准则和设计规范；在分析产品的运动特征、力学特性过程中，建立合理的数学模型，进行静态、动态的全面分析。8)造型设计分析。对产品的外形构型、色彩设计等进行分析。9)工艺分析。许多引进设备的关键技术主要是先进的工艺诀窍。国外某些工厂视先进工艺为生命线，严格保密。因而对加工、装配工艺的分析，对加工精度及精度分配的反求，是重要而又细致的工作。10)使用维护分析。先进的产品必须具有良好的使用性能和维修性能。在许多引进产品中，润滑方式与润滑剂都有特点，好的润滑剂及添加剂能大大提高产品性能和寿命。11)包装技术。产品的包装及防潮、防霉、防锈、防震等技术分析。(9)(9)优化设计及其发展优化设计及其发展 优化设计的目的是寻找所求解问题的最优答案。从客观方面来说，优化既是一种客观规律，也是一种社会发展规律；从主观方面来说，优化是人类有史以来的追求活动准则。现代意义上的优化实质上是计算机技术同数学规划论的综合。需要求解的问题往往包含许多限制性因素，优化过程就是用最优化理论与方法，通过计算机的迭代计算，寻找在限制性因素之下的最优参数值。对机械工程来说，优化使机械设计的改进和优选速度大大提高。例如，为了提高力学性能的参数优化，为了减轻重量或降低成本的机械结构优化，各种传动系统的参数优化和发动机机械系统的隔振与减振优化等。优化技术不仅用于产品成形以后的再优化设计过程中，而且已经渗透到产品的开发设计过程中，同时与可靠性设计、模糊设计、有限元法等其他设计方法有机结合，取得新的效果。优化算法的发展经历了一个过程。早期的人类智能优化，主要指依靠人的直觉思维和逻辑思维方法，没有严格的数学背景，如“黄金分割法”等。自约300多年前形成微积分之后，出现了数学规划方法优化，用以解决数学中函数的极值问题。传统的优化算法如复合形法、可行方向法、可变容差法、泛函数法及约束变尺度法等主要解决连续设计变量的问题；而分层网格法、离散变量的复合形法、离散变量的随机搜索法及离散变量的可行方向法等，主要解决工程离散变量的问题。计算机的飞速发展推动数学规划的发展，在传统的线性规划和非线性规划的基础上产生了整数规划、几何规划、多目标规划等。近20年来，由于工程问题日益复杂化和大型化而数学规划方法对优化问题的数值型态的严格要求使它面对复杂的工程问题显得无能为力，许多工程设计专家开发了面向工程的优化算法，它们大都没有严格的数学背景，但较为适合工程问题的特征，能解决不少传统优化算法无法解决的问题，逐步出现一系列体现人工智能的寻优策略，如人工神经网络算法、工程遗传算法、模拟退火算法等。这些算法拥有智能性的搜索特征，并具有鲁棒性与并行性，求解效率较少受到问题规模的影响，对高度复杂的非线性优化问题，使用传统的优化算法无能为力时，这些算法往往能够取得意想不到的效果。目前正在发展中的面向工程的广义优化设计解决问题的复杂程度更高，解决问题的方法和手段也在继承传统的基础上有较大的拓宽和创新，是跨世纪的优化设计方法。(10)(10)创新设计技术创新设计技术 创新是设计的本质，也是设计活动的最终日标。创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径。创新产品能够满足甚至创造出新的需求，因而必然有较强的市场竞争能力。产品创新是为企业利益服务的。除掉技术上的创新，当然还可以有管理上的创新，销售上的创新，售后服务上的创新等等。现在，我们主要讨论的是技术上的创新。在制造业中，一般把产品的技术创新分为如下两类：一种是无重要新技术，但在形式上翻新，因而能获得相应竞争能力。例如，按用户订单生产不同颜色的自行车，虽然在生产管理上有所创新，也形成了新的竞争能力，但自行车的性能并无重要变化，其中也没有融入多少新的技术。第二种是含有(开发了)重要新技术，使产品竞争力有重要提高，或形成新的竞争力的制高点。例如电动汽车，如果谁能设计和制造出远远超出现在的长寿命电池，就是一种新的竞争力的制高点，那么这种创新将不仅具有世界意义，而且是具有历史意义的。创造性思维具有多种对偶形式：直觉思维与逻辑思维、形象思维和抽象思维等。大量的创作过程是这两种思维方式交叉和综合的结果，人们首先对自己提出一个创造目标，这个目标本身也可能就是一个创造灵感，但是为了实现这个目标，必须一步步地进行分析推理。在此过程中会出现一些技术难关，人们就不得不进行反复的试验,经历次又一次的失败，最后找到解决问题的办法。促发创造思维的一些法则有：激发创造激情；增强信息获取方式；促进知识融合。在技术性的创新设计中，常用的有如下几种思维形式：分析与综合思维；收敛与发散式思维；对应与联想式思维；离散与组合式思维；换元与移植式思维；正向，迂回与反向思维。通过组织学习等手段可以帮助创新思维的展开，为此人们创造出很多种创新技法。2 2研究产品性能的现代设计方法研究产品性能的现代设计方法(1)(1)工业产品艺术造型设计工业产品艺术造型设计工业产品艺术造型设计是指用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型工作，使产品在保证使用功能的前提下，具有美的，富于表现力的审美特性。在造型设计的三要素中，使用功能是产品造型的出发点和产品赖以生存的主要因素；艺术形象是产品造型的主要成果；物质技术条件是产品功能和外观质量的物质基础。工业产品艺术造型设计应遵循的原则有：体现高新科技水平的功能美，符合三化的规范美，显示新型材质的肌理美，体现先进加工手段的工艺美，表达各造型因素整体调和统一的和谐美，追求时代精神的新颖美，体现色光新成就的色彩美等。造型设计要有机地运用统一与变化、比例与尺度、均衡与稳定、节奏与韵律等美学法则。造型要寻求线型、平面、立体、色彩、肌理等造型因素的构成规律和变化，以效果图、动画、模型等形式，设计出物质功能与精神功能高度统一的创新产品。(2)(2)模块化设计模块化设计 模块是具有一定功能和持定结合要素的零件、组件和部件。模块化产品是由一组特定模块在一定范围内组成不同的功能或功能相同而性能不同的产品。设计模块和模块化产品，可以满足日益增长的多品种、多规格的要求。模块系统的特点是便于发展变型产品，更新换代，缩短设计和供货周期，提高性能价格比，便于维修，但对于结合部位和形体设计有特殊要求。设计模块系统产品，先要建立模块系列型谱，按型谱的横系列、纵系列、全系列、跨系列或组合系列进行设计，确立设计参数，按功能分析法建立功能模块，设计基本模块、辅助模块、特殊模块和调整模块及其结合部位要素，进行排列组合与编码，设计基型和扩展型产品。模块系统计算机辅助设计和管理更显示了模块化设计的优越性。(3)(3)相似性设计相似性设计 人们在长期探索自然规律的过程中，逐渐研究形成了自然界和工程中各种相似现象的“相似方法”“模化设计方法”和相应的相似理论、模拟理论。相似方法是可以把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法。相似理论是现象模拟和研究相似现象的基础。目前，在大型复杂设备和结构设计的过程中，段都要在相似理论指导下，通过模化方法和模型试验，使方案取得合理参数预测设备的性能。当前用计算机辅助进行相似性设计和代替模型试验，取得明显的效果。解决相似问题的关键是找出相似系统各尺寸参数的相似比，根据各种物理现象的关系式推导出由物理量组成的无量纲数群为相似准则。与相似准则各参数对应相似比组成的关系式称为相似指标。在基本相似条件和相似三定律基础上，用相似准则、方程分析、量纲分析列出相似比方程，可求得相似比。模块化设讨是在开发新产品时，在相似的模拟工作条件下对设计相似的模型进行试验，通过测定模型性能，预测产品原型性能，分析设计的可行性并进行必要的修改，进一步取得最优参数和结构。产品系列设计是在基型设计的基础上，通过相似原理求出系列中其他产品的参数和尺寸。设计步骤是：先设汁基型产品，确定产品系列是几何相似还是半相似，选择计算级差，求得扩展型产品的参数尺寸，确定系列产品的结构尺寸。几何相似的产品还可按相似关系以生产成本进行估算。(4)(4)摩擦学设计摩擦学设计 摩擦学是研究相对运动表面的科学及有关的应用技术。由于摩擦损耗约占世界能源总损耗量的1/21/3,在般机械中磨损失效的零件约占全部报废零件的4/5。为节约能源、提高设备可靠性、发展高速机械和生产过程自动化，摩学研究发展迅速。日前摩擦学研究的主要内容有:1)摩擦与磨损机理，研究相对运动表面之间的物理化学作用和表面性能的变化，控制和预测磨损过程；对摩擦的起因和机理以及不同的磨损过程进行研究。2)润滑理论。研究流体动、静压润滑、弹性流体动压润滑,边界润滑等理论，以指导机械零部件的润滑设计。3)新型耐磨减磨材料与表面处理工艺。例如，用陶瓷代替金属或作表面涂层，具有耐磨、高温耐熔、抗氧化、耐腐蚀、绝缘等持性。对表面进行强化如表面合金化、表面冶金、表面超硬覆盖、电火花表面强化、电镀、喷涂、堆焊、激光处理、电子束处理、离子注人等。对表面进行润化如渗硫氮化、氧化、磷化、表面软金属膜等或表面复合处理。4)新型润滑材料：如高水基液压介质和润滑剂，在高、低温、重载、防污染的条件下的新型固体润滑剂。摩擦化学揭示了各种添加剂对润滑材料物理、化学性能的改善机理是形成了各种物理化学吸附膜。5)测试技术 目前，对零件表面几何形状的改变、磨屑尺寸数量及形貌特征、机械振动与噪声等摩擦磨损因素，已可用放射性同位素分析仪、振动与噪声监测仪等进行监测、诊断和早期识别。摩擦学设计是机械构件的运动学设计、强度设计之后的重要设计组成部分。以摩擦、磨损及润滑理论为基础，以系统工程的观点，通过一系列分析计算和经验类比，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选用润滑方式和装置，预测并排除可能发生的故障减少机械设备的摩擦损耗，达到经济的稳定磨损率，从而提高设备的工作效率和运行可靠性。(5)(5)三次设计三次设计 三次没计是日本质量管理学家田口玄一在20世纪60年代提出的一种设计方法：把新产品、新工艺设计分为三个阶段，称为三次设计法。第一次设计称为系统设计。根据市场调查，规划产品功能，确定产品基本结构及组成该产品的各种零部件参数，提出初始设计方案。系统设计主要依靠专业技术人员的专业知识进行。第二次设计称为参数设计。在初始方案的基础上，对各零、部件参数进行优化组合，完成最优设计方案，使产品的技术特性合理，稳定性好，抗干扰能力强，成本低廉。第三次设计称为容差设计。在最优设计方案的基础上，进一步分析导致产品技术特性波动的原因，找出关键零部件，确定合适的容差，进而确定公差，并求得质量和成本的最佳平衡。(6)(6)人机工程设计人机工程设计 人机工程从系统论的观点研究“人-机(操作者的工作对象和环境)系统”中人、机之间的交互作用，研究人的生理和心理特征，合理分配人与机器的功能，正确设计人、机界面，相互协调，发挥最大的潜力。在封闭的“人一机系统”中，机器的显示器显示生产过程的信息变化；人的感受器(眼、耳等)感知和接收信息，传给分析器(大脑)，对信息进行分析、处理、存储、决策；由执行器(四肢)根据决策信息作出反应，操纵机器的控制器，使机器的工作状态发生变化，实现生产过程的转变；从而在机器的显示器上显示新的信息。人机工程研究封闭的“人一机系统”的每个环节的特性及信息的传递：主要感受器眼睛感受信息的范围(视野)能力(视力)差别(视差)；分析器人脑感知、解释和处理信息的速度、时间、变化规律；执行器四肢产生力的过程和范围，作出反应的速度和准确度；机器的控制器和显示器这两个人机界面如何设计，才能使显示和控制在空间、位置、运动、人的习惯模式上相互协调，适合人的生理与心理特征，提高传递信息的准确度和速度，符合思维逻辑，创造良好的工作条件。在机器的自动化程度日益提高的时代，要研究不断变化的人一机系统，设计出更好的合乎人机工程要求的机器。(7)(7)智能设计智能设计 设计的本质是创造和革新，作为一种创造性活动，设计实际上是对知识的处理和操作。为了提高制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力，设计正在向集成化、智能化、自动化方向发展。要实现这一目标，就必须大大加强设计专家与计算机工具这一人机结合的设计系统中机器的智能，使计算机能在更大范围内和更高水平上帮助或代替人类专家处理数据、信息与知识，做出各种设计决策、大幅度提高设计自动化的水平。智能设汁就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平，使计算机更好地承担设计中各种复杂任务，成为设计工程师得力的助手和同事。以人工设计和传统CAD为代表的传统设计技术阶段，设计智能活动是由人类专家完成的。在以智能CAD(I1CAD)为代表的现代设计技术阶段，智能活动由设计型专家系统完成，但由于采用单一领域符号推理技术的专家系统求解问题能力的局限，设计对象(产品)的规模和复杂性都受到限制，不过借助于计算机支持，设计的效率大大提高。而在以集成化智能CAD(I2CAD,Integarated Intelligent CAD)为代表的先进设计技术阶段，由于集成化和开放性的要求，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统。虽然人机智能化设计系统也需要采用专家系统技术，但它只是将其作为自己的技术基础之一,两者仍有较根本的区别：1)设计型专家系统只处理单一领域知识的符号推理问题，而人机智能优化设计系统则要处理多领域知识和多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。2)设计型专家系统一般只解决某一领域的特定问题，比较孤立和封闭，难以与其他知识系统集成。而人机智能化设计系统则面向整个设计过程，是一种开放的体系结构。3)设计型专家系统般局限于单知识领域范畴，相当于模拟设汁专家个体的推理活动，属于简单系统。而人机智能化是系统涉及多领域多学科知识范畴，是模拟和协助人类专家群体的推理决策活动，是人机复杂系统。4)从知识模型看，设计型专家系统只是围绕具体产品设计模型和针对设计过程某一特定环节(如有限元分析)的模型进行符号推理。而人机智能化设计系统则考虑整个设计过程的模型、设计专家思维、推理和决策的模型(认知模型)以及设计对象(产品)的模型。由此可见，人机智能化设汁系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。(8)(8)动态设计动态设计 机械动态特性是指机械本身的固有频率、阻尼特性和对应于各阶固有频率的振动形态，以及机械在动载荷下的响应。前者是机械设备在工作条件下振动情况分析的基本要素；后者为机械设备的动强度分析提供必要的条件。动态设计的目的是按照机械动态特性的要求对机械设备和构图(图形)进行审核、修改或重新没计。动态设计的方法是对满足传统工作性能要求的初步设计图样或实物进行动力学建模，按此模型得到机械的动态特性，然后对初步设计进行审核；或按给定的动态特性对原设计进行修改；或预测机械结构的改变引起的机械动态持性的变化；这一再设计过程有时要反复进行，直至最后设计出满意的机械设备。建模方法分为两类，理论建模与实验建模。前者按机械结构形状不同采用不同的技巧，因而有多种方法：后者是针对机械实物或模型进行模态试验、分析，建立模态模型。(9)(9)可靠性设计可靠性设计1)可靠性的概念和设汁特点。可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性设计是常规设计方法的深化和发展。它具有如下特点：可靠性设计在零部件上的载荷和材料性能等都是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述。由于载荷和材料性能等都是随机变量，所以必须用概率统汁的方法求解。可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能件，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计方法的不足。2)可靠性设计中常用的特征量。可靠性特征量是度量产品可靠性的各种量，如可靠度是产品在规定条件下和规定时问内，完成规定功能的概率。失效概率是产品在规定条件下和规定时间内未完成规定功能(即发生失效)的概率，也称为不可靠度。失效率是工作到某时刻上未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率，也可称为故障率或风险函数。(10)(10)有限元法有限元法 有限元法源于许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、振动特性分析、传热学中温度场分析、流体力学中的流场分析等都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程一般为偏微分方程)的问题。这些控制方程只有在极简单的情况下才能获得解析解，大部分情况下只能用数值方法求得其近似解。随着计算机技术的飞速发展，数值解法变得越来越重要。目前工程中实用的偏微分方程数值解法主要有三种，即有限有限差分法、有限元法和边界元法差分法、有限元法和边界元法。它们的共同特点是设法将实际上是无穷多自由度的连续介质问题近似地简化为由有限个“结点”构成的有限个自由度的问题、并以这些结