现代设计理论与方法第10章系统化设计创造性设计.ppt

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1、第第10章章 系统化设计和系统化设计和 创造性设计法创造性设计法 X Design Methodology第第10章章 系统化设计法和创造性设计法系统化设计法和创造性设计法内容简介内容简介内容简介内容简介在在产品开发产品开发和提高和提高工程设计水平工程设计水平的工作中，的工作中，科学的设计方法科学的设计方法科学的设计方法科学的设计方法日日益受到重视。在益受到重视。在设计方法设计方法设计方法设计方法的研究过程中发展的的研究过程中发展的 “设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学”，是研究是研究设计程序设计程序、设计规律设计规律、设计中思维设计中思维和和工作方法工作方法的的一门综合性一门综合性学科

2、学科。它的基础它的基础它的基础它的基础包括包括系统工程学系统工程学、创造工程学创造工程学、优化理论优化理论等多种现等多种现代科学理论。代科学理论。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学主要介绍主要介绍系统化设计法系统化设计法系统化设计法系统化设计法和和创造性设计法创造性设计法创造性设计法创造性设计法。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学的的研究研究与与应用应用对提高对提高产品设计的效率产品设计的效率产品设计的效率产品设计的效率与与质量质量质量质量、实现、实现产品设计方法科学化产品设计方法科学化有着重要作用。有着重要作用。本章本章本章本章介绍了介绍了如下内容如下内容如下内容如下内容：设计方

3、法学涵义及其研究内容设计方法学涵义及其研究内容；系统化设计法系统化设计法；创造性设计法创造性设计法。10.1 概述概述工业产品设计工业产品设计工业产品设计工业产品设计是一种是一种创造性活动创造性活动，产品设计的结果产品设计的结果将直接影响将直接影响产产品性能品性能、质量质量、成本成本和和企业经济效益企业经济效益。由于在。由于在产品开发产品开发和和提高产品设提高产品设计水平计水平的工作中，的工作中，科学的设计方法科学的设计方法起着重要的作用。因此，加强对产起着重要的作用。因此，加强对产品品设计方法的研究设计方法的研究有着十分重要的意义。有着十分重要的意义。从从20世纪世纪60年代以来，年代以来，

4、工业发达国家工业发达国家对对设计方法的研究设计方法的研究设计方法的研究设计方法的研究有了迅速有了迅速的发展。不同的国家已形成了各自的的发展。不同的国家已形成了各自的研究体系研究体系和和独特风格独特风格。比较有代。比较有代表性的如：表性的如：德国的学者德国的学者和和工程技术人员工程技术人员着重进行着重进行设计模式设计模式的研究，即着重研的研究，即着重研究究设计的过程设计的过程、步骤步骤和和规律规律，并对，并对设计过程设计过程进行进行系统化的逻辑分析系统化的逻辑分析，将成熟的将成熟的设计模式设计模式、解法解法等等编成规范编成规范编成规范编成规范供设计人员参考，使设计的方法供设计人员参考，使设计的方

5、法步骤规范化。步骤规范化。美、英等国美、英等国则偏重则偏重创造性设计创造性设计的研究，并在的研究，并在优化优化、价值工程价值工程、可可靠性设计靠性设计和和计算机辅助设计计算机辅助设计方面做出了杰出工作。方面做出了杰出工作。日本日本则在开发则在开发创造工程学创造工程学和和自动设计自动设计方面做了重要工作，并强调方面做了重要工作，并强调工业设计工业设计，形成了东方文化和高科技相结合的风格。，形成了东方文化和高科技相结合的风格。虽虽然然各各各各国国国国在在研研究究的的设设计计方方法法内内容容上上各各有有侧侧重重，但但共共同同的的特特点点都都是是总总结结设设计计规规律律，启启发发创创造造性性，采采用用

6、现现代代化化的的先先进进理理论论和和方方法法使使设设计计过过程程自自动动化化、合合理理化化，其其目目的的是是为为了了提提高高设设计计水水平平和和质质量量，设设计计出出更更多多功功能能全全、性性能能好好、成成本本低低、外外形形美美的的产产品品，以以满满足足社社会会的的需需求求和和适适应应日趋尖锐的市场竞争。日趋尖锐的市场竞争。各国在各国在设计方法学研究过程设计方法学研究过程设计方法学研究过程设计方法学研究过程中，发展了中，发展了“设计方法学设计方法学”(Design Methodology)这门学科，从而使它成为这门学科，从而使它成为现代设计方法现代设计方法的一个重要组的一个重要组成部分。成部分

7、。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学是以是以系统的观点系统的观点来研究产品的来研究产品的设计程序设计程序、设计规律设计规律和和设计中的思维与工作方法设计中的思维与工作方法的一门综合性学科。的一门综合性学科。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学所所研究的内容研究的内容研究的内容研究的内容包括：包括：（1）设计过程及程序设计过程及程序设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学从从系统观点系统观点出发来研究出发来研究产品的设计过程产品的设计过程，它将产品，它将产品（即设计对象）视为由（即设计对象）视为由输入输入、转换转换、输出输出三要素三要素组成的组成的系统系统，重点讨，重点讨论将论将功能要

8、求功能要求转化为转化为产品结构图纸产品结构图纸的这一设计过程，并分析设计过程的这一设计过程，并分析设计过程的特点，总结设计过程的的特点，总结设计过程的思维规律思维规律，寻求合理的，寻求合理的设计程序设计程序。（2）设计思维设计思维设计设计设计设计是一种创新，是一种创新，设计思维设计思维设计思维设计思维应是创造性思维。应是创造性思维。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学通过研究设计中的通过研究设计中的思维规律思维规律，总结设计人员科学的创，总结设计人员科学的创造性的思维方法和技术。造性的思维方法和技术。（3）设计评价设计评价设计方案设计方案设计方案设计方案的优劣如何评价？其核心取决于的优劣如

9、何评价？其核心取决于设计评价指标体系设计评价指标体系设计评价指标体系设计评价指标体系。设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学研究和总结研究和总结评价指标体系评价指标体系的建立，以及应用的建立，以及应用价值工程价值工程和和多目标优化设计技术多目标优化设计技术进行各种定性、定量的进行各种定性、定量的综合评价方法综合评价方法综合评价方法综合评价方法。（4 4）设计信息设计信息设计信息设计信息 设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学研究研究设计信息库设计信息库设计信息库设计信息库的建立和应用，即探讨如何把分散在的建立和应用，即探讨如何把分散在不同学科领域的大量不同学科领域的大量设计信息设计信息集中

10、起来，建立各种集中起来，建立各种设计信息库设计信息库设计信息库设计信息库，使之，使之可通过计算机等先进设备方便快速地调阅参考。可通过计算机等先进设备方便快速地调阅参考。（5 5）现代设计理论与方法的应用现代设计理论与方法的应用现代设计理论与方法的应用现代设计理论与方法的应用为了改善为了改善设计质量设计质量，加快，加快设计进度设计进度，设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学研究如何把不断研究如何把不断涌现出的涌现出的各种现代设计理论与方法各种现代设计理论与方法应用到设计过程中去，以进一步促应用到设计过程中去，以进一步促进进设计自动化设计自动化设计自动化设计自动化的实现。的实现。由上述可知，由上

11、述可知，设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学是在深入研究是在深入研究设计过程设计过程本质的基础上，本质的基础上，以以系统论系统论的观点研究的观点研究设计进程设计进程和和具体设计方法具体设计方法的科学。的科学。其目的其目的其目的其目的是总结是总结设计规律性设计规律性、启发、启发创造性创造性，在给定条件下，实现，在给定条件下，实现高高效效、优质的设计优质的设计，培养，培养开发性开发性、创造性产品设计人才创造性产品设计人才。下面先介绍：下面先介绍：技术过程技术过程与与技术系统技术系统技术系统技术系统的概念的概念。然后，再说明采用然后，再说明采用系统化设计法系统化设计法系统化设计法系统化设计法进行

12、进行“原理方案设计原理方案设计”时的时的“功功功功能分析法能分析法能分析法能分析法”。10.2 系统化设计法系统化设计法与传统的与传统的分析设计方法分析设计方法不同，不同，系统化设计法系统化设计法系统化设计法系统化设计法是将是将工程设计任务工程设计任务或或机电产品机电产品看作看作技术系统技术系统，用，用系统工程方法系统工程方法进行分析和综合，并且按产进行分析和综合，并且按产品或系统品或系统开发的进程开发的进程进行设计，以求获得进行设计，以求获得最佳的设计方案最佳的设计方案最佳的设计方案最佳的设计方案。10.2.1 技术过程与技术系统技术过程与技术系统设计的目的设计的目的是为满足一定的生产或生活

13、需求。是为满足一定的生产或生活需求。为了满足这种为了满足这种客观要求客观要求，常需经过，常需经过一定的过程一定的过程一定的过程一定的过程。例如，为得到合乎一定要求的例如，为得到合乎一定要求的轴类零件轴类零件轴类零件轴类零件，可通过，可通过车削过程车削过程车削过程车削过程来实来实现。现。轴的坯料轴的坯料通过通过车削过程车削过程车削过程车削过程，其，其形状形状、尺寸尺寸、表面性质表面性质等产生了一等产生了一定变化，得到了定变化，得到了合乎要求的轴合乎要求的轴，满足了客观需求。，满足了客观需求。这一过程这一过程这一过程这一过程可应用可应用金属切削理论金属切削理论中的中的车削原理车削原理，并由，并由操

14、作者操作者操作者操作者通过通过车床车床实现。当然，实现。当然，车削车削车削车削不是满足不是满足这一需求这一需求的唯一过程，还可以视条的唯一过程，还可以视条件件采取采取轧制轧制、锻造锻造、磨削磨削、激光成型激光成型等过程等过程等过程等过程。由由此例此例此例此例可以看出，满足可以看出，满足需求的过程需求的过程需求的过程需求的过程体现了体现了某种工作原理某种工作原理某种工作原理某种工作原理，而且，而且这个过程这个过程这个过程这个过程可在预定的环境条件下，由可在预定的环境条件下，由操作者操作者通过一定的通过一定的“实现体系实现体系实现体系实现体系”车床车床车床车床（或（或冷轧机冷轧机、精密锻机精密锻机

15、、磨床磨床、激光成型机激光成型机等）来完成，等）来完成，如如图图10-a 所示。所示。图图10-a 客观需求的满足客观需求的满足人们的人们的设计对象设计对象设计对象设计对象常是常是这一过程这一过程这一过程这一过程或它所用的或它所用的实体系统实体系统实体系统实体系统，而人类的，而人类的客观客观需求需求则是设计的则是设计的原始依据原始依据。这个这个实体系统实体系统实体系统实体系统称为称为技术系统技术系统技术系统技术系统，而，而它所服务的过程它所服务的过程则称为则称为技术过程技术过程技术过程技术过程。通过通过技术过程技术过程技术过程技术过程，某种客体某种客体产生转换，使人们的产生转换，使人们的客观需

16、求客观需求得到了满足。得到了满足。在在技术过程技术过程技术过程技术过程中接受中接受操作者操作者及及技术系统技术系统施加的作用，从而自己的状施加的作用，从而自己的状态产生改变或转换，使态产生改变或转换，使客观需求客观需求客观需求客观需求得到满足的得到满足的物质物质物质物质称为称为作业对象作业对象作业对象作业对象（或（或处理处理对象对象）。）。对所有对所有技术过程技术过程技术过程技术过程而言，而言，作业对象作业对象作业对象作业对象可归纳为可归纳为能量能量、物料物料和和信息信息三大三大类类。例如，加工过程中的坯料、发电过程中的电量、控制过程中的电。例如，加工过程中的坯料、发电过程中的电量、控制过程中

17、的电子信号等。子信号等。只有在只有在技术过程技术过程技术过程技术过程中中转换了状态转换了状态，满足了需求满足了需求，才是，才是作业对象作业对象作业对象作业对象。技术过程技术过程技术过程技术过程是一个是一个人工过程人工过程。通过这一过程，使。通过这一过程，使作业对象作业对象作业对象作业对象在一定环在一定环境条件下，经过境条件下，经过操作者操作者及及技术系统技术系统共同施加的作用，有计划、有目的共同施加的作用，有计划、有目的地产生预期的地产生预期的转变转变，获得能满足，获得能满足客观需求的结果客观需求的结果。因此，因此，技术过程技术过程技术过程技术过程是在是在人人-技术系统技术系统-环境环境这一大

18、系统中完成的。这一大系统中完成的。满足一定需求的满足一定需求的技术过程技术过程技术过程技术过程不是唯一的，因而相对应的不是唯一的，因而相对应的技术系统技术系统也也是不同的。是不同的。技术过程的实现技术过程的实现必须依据一定的必须依据一定的工作原理工作原理工作原理工作原理。例如前述。例如前述轴的车削技轴的车削技术过程术过程，它的工作原理就是，它的工作原理就是车削原理车削原理。设计的目的设计的目的设计的目的设计的目的是为满足一定的生产或生活需求。是为满足一定的生产或生活需求。例如，为得到例如，为得到某种复杂形状某种复杂形状的的金属零件金属零件，可通过，可通过编程编程在在加工中心加工中心上对上对“坯

19、料坯料”进行加工。即：进行加工。即：加工中心加工中心金属零件金属零件坯料坯料作业对象作业对象技术系统技术系统产品产品设计对象设计对象所完成的加工过程所完成的加工过程是是技术过程技术过程技术过程技术过程对所有对所有技术过程技术过程技术过程技术过程而言，而言，作业对象作业对象作业对象作业对象可归纳为可归纳为三大类三大类三大类三大类。只有在只有在技术过程技术过程技术过程技术过程中转换了状态，满足了需求中转换了状态，满足了需求 才是才是作业对象作业对象作业对象作业对象。技术系统技术系统技术系统技术系统是确定的是确定的人工系统人工系统的的通称通称，它是以一定，它是以一定技术手段技术手段技术手段技术手段来

20、实现来实现社会特定需求的社会特定需求的人造系统人造系统，它和操作者一起在技术过程中发挥预定的，它和操作者一起在技术过程中发挥预定的作用，使作用，使作业对象作业对象作业对象作业对象进行有目的的进行有目的的转换转换或或变化变化。它可以是它可以是机械系统机械系统，也可以是，也可以是电气电气或或其他系统其他系统；可以是；可以是机构机构，也，也可以是可以是仪器仪器、机器机器或或成套设备成套设备。技术系统技术系统技术系统技术系统及其及其作业对象作业对象作业对象作业对象等用示意等用示意图图10-1表示。表示。图图10-1 技术系统技术系统图图10-2 所示为所示为冲床技术系统冲床技术系统示意图。示意图。图图

21、10-2 冲床技术系统冲床技术系统研究研究技术过程的目的技术过程的目的技术过程的目的技术过程的目的在于寻求和合理确定满足客观需求的在于寻求和合理确定满足客观需求的最佳设最佳设计目标计目标。设计中选定技术过程的重要作用在于它从根本上决定了解答。设计中选定技术过程的重要作用在于它从根本上决定了解答方案的方向。方案的方向。通过通过技术过程分析技术过程分析选定的选定的最佳设计目标最佳设计目标，可能是满足客观需求的，可能是满足客观需求的技术过程技术过程技术过程技术过程，也可能是实现所定，也可能是实现所定技术过程技术过程的的技术系统技术系统技术系统技术系统。因此，一个因此，一个技术系统技术系统技术系统技术

22、系统实质就是一个实质就是一个转换装置转换装置。通常，主要通常，主要传递信息流传递信息流的的技术系统技术系统技术系统技术系统统称为统称为仪器仪器仪器仪器；主要主要传递能量流传递能量流与与物料流物料流的，称为的，称为机器机器机器机器。其中有的机器以其中有的机器以转换量能转换量能转换量能转换量能为主，如为主，如电机电机、汽轮机汽轮机、锅炉锅炉；有的以有的以转换物料转换物料转换物料转换物料为主，如为主，如机床机床、管道输送系统管道输送系统等。等。系统化设计法系统化设计法系统化设计法系统化设计法是把是把设计对象设计对象设计对象设计对象看作一个完整的看作一个完整的技术系统技术系统，然后用系，然后用系统工程

23、方法对统工程方法对系统各要素系统各要素进行进行分析分析与与综合综合，使系统内部协调一致，并，使系统内部协调一致，并使使系统系统与与环境环境相互协调，以获相互协调，以获整体最优设计整体最优设计。运用运用系统化设计方法系统化设计方法系统化设计方法系统化设计方法进行进行原理方案设计原理方案设计原理方案设计原理方案设计的的主要步骤主要步骤为：为：（1）明确设计任务明确设计任务把把设计任务设计任务设计任务设计任务作为更大系统的一部分，研究社会需求与技术发展趋作为更大系统的一部分，研究社会需求与技术发展趋势，确定设计目标，并分析设计的产品将产生的社会、经济、技术效势，确定设计目标，并分析设计的产品将产生的

24、社会、经济、技术效果。在尽可能全面掌握有关信息，深入掌握需求实质的基础上，以果。在尽可能全面掌握有关信息，深入掌握需求实质的基础上，以表表格形式格形式编写出编写出设计要求表设计要求表设计要求表设计要求表，它将作为，它将作为设计与评价的依据设计与评价的依据。（2）确定系统的整体目的性确定系统的整体目的性总功能总功能 把把设计对象设计对象看作看作黑箱黑箱，通过，通过系统系统与与环境环境的的输入输入和和输出输出，明确，明确系统系统的整体功能目标的整体功能目标和和约束条件约束条件，由功能出发去决定，由功能出发去决定系统内部结构系统内部结构。（3）进行功能分解进行功能分解 系统系统系统系统是由是由相互联

25、系的分层次的诸要素相互联系的分层次的诸要素组成，这是组成，这是系统系统系统系统的可分解性的可分解性和相关性。通过和相关性。通过功能分析功能分析功能分析功能分析把把总功能总功能总功能总功能分解为相互联系的分解为相互联系的分功能分功能分功能分功能（功能元功能元），使问题变得易于求解。，使问题变得易于求解。分功能的相互联系分功能的相互联系分功能的相互联系分功能的相互联系可用可用功能树功能树或或功能结构图功能结构图表达。表达。（4）分功能求解分功能求解 （5）将分功能解综合为整体解将分功能解综合为整体解原理方案原理方案 用用形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵表达表达分功能分功能分功能分功能求解的

26、结果，将相容的求解的结果，将相容的分功能解分功能解分功能解分功能解综合为综合为整体方案整体方案。综合时从最重要的分功能的较优解出发，追求整体最优。综合时从最重要的分功能的较优解出发，追求整体最优。整体原则整体原则是是系系统方法统方法的核心，这一原则认为，的核心，这一原则认为，任何系统任何系统都是由都是由部部分分组成的，但组成的，但整体整体不等于部分的机械相加，这是由于各部分之间的相不等于部分的机械相加，这是由于各部分之间的相互作用、关系和层次产生了系统的整体特征。互作用、关系和层次产生了系统的整体特征。最后组成最后组成几个整体方案几个整体方案几个整体方案几个整体方案，通过评价比较，筛选出或综合

27、为，通过评价比较，筛选出或综合为1-2个个原原理方案理方案，作为继续进行，作为继续进行技术设计的基础技术设计的基础技术设计的基础技术设计的基础。可见可见系统设计系统设计系统设计系统设计可以成为可以成为产品设计产品设计特别是特别是原理方案设计原理方案设计的有力工具，的有力工具，对开阔设计思想、提高设计水平起有益的作用。对开阔设计思想、提高设计水平起有益的作用。10.2.2 功能分析法功能分析法技术系统技术系统技术系统技术系统的的用途用途或或所具有的特定工作能力所具有的特定工作能力称为称为其功能其功能，也可以说，也可以说功能功能是是技术系统技术系统技术系统技术系统所具有的转化所具有的转化作业对象作

28、业对象的特性。的特性。技术系统技术系统技术系统技术系统所具有的功所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。设计产品不是着眼于产品的本能，是完成技术过程的根本特性。设计产品不是着眼于产品的本身，而是通过身，而是通过某种物理形态某种物理形态体现出用户所体现出用户所需求的功能需求的功能。功能分析法功能分析法功能分析法功能分析法是是系统化设计系统化设计系统化设计系统化设计中探寻中探寻功能原理方案功能原理方案的主要方法。这种的主要方法。这种方法将方法将复杂系统的总功能复杂系统的总功能通过通过功能分析功能分析化为简单的化为简单的功能元求解功能元求解，再，再进行进行组合组合，得系统的，得系统的多种解法多种解法

29、，优越性十分明显。，优越性十分明显。图图10-3列示了列示了功能分析法功能分析法功能分析法功能分析法的的设计步骤设计步骤设计步骤设计步骤及各阶段应用的及各阶段应用的主要方法主要方法主要方法主要方法。图图10-3功能分析法的步骤及方法功能分析法的步骤及方法1.1.总功能分析总功能分析总功能分析总功能分析原理方案设计阶段原理方案设计阶段，第一步是，第一步是原理方案拟定原理方案拟定原理方案拟定原理方案拟定。在在系统化设计系统化设计中，中，原理方案拟定原理方案拟定一般是从一般是从功能分析功能分析入手，利用创入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过造性构思拟出多种方案，通过分析分析-综合综合-评价评价-决

30、策决策，求得，求得最佳方案最佳方案。原理方案拟定原理方案拟定原理方案拟定原理方案拟定的的功能分析功能分析，首先是，首先是总功能分析总功能分析。分析分析系统的总功能系统的总功能系统的总功能系统的总功能常采用常采用“黑箱法黑箱法”。黑箱法黑箱法黑箱法黑箱法是根据是根据系统的输入系统的输入和和输出输出关系来研究关系来研究系统功能系统功能的一种方法。的一种方法。它将它将待求的系统待求的系统待求的系统待求的系统看作未知数内容的看作未知数内容的“黑箱黑箱黑箱黑箱”，分析比较，分析比较系统的系统的系统的系统的输输输输入入入入和和输出输出输出输出的的能量能量、物料物料和和信息信息，其性质其性质或或状态上状态上

31、的差别和关系就反映的差别和关系就反映了了系统的总功能系统的总功能。因此，可以从。因此，可以从输入输入和和输出输出的差别和关系的比较中找的差别和关系的比较中找出实现功能的出实现功能的原理方案原理方案来，从而把来，从而把黑箱黑箱打开，确定打开，确定系统的结构系统的结构。图图10-4所示为一般所示为一般黑箱示意图黑箱示意图。方框内部方框内部为待设计的为待设计的技术系统技术系统，方框方框即为即为系统边界系统边界，通过系统的，通过系统的输入输入和输出，使和输出，使系统系统和和环境环境连接起连接起来。来。图图10-4 黑箱示意图黑箱示意图图图10-5所示为所示为自走式谷物联合收获机自走式谷物联合收获机的的

32、黑箱的示意图黑箱的示意图。图左边图左边为为输入量输入量；右边右边为为输出量输出量，有，有能量能量、物料物料和和信息信息三种形式。三种形式。图下方图下方表示了表示了外部环境外部环境（土壤、湿度、温度、风力等）对（土壤、湿度、温度、风力等）对收割机收割机工作性能工作性能的各种影响因素。的各种影响因素。图上方图上方表示表示收获机工作时收获机工作时对对外部环境的影响外部环境的影响（噪声、废气、振动等）（噪声、废气、振动等）。当完成当完成总功能总功能的的技术系统技术系统确定后，确定后，黑箱黑箱就变为就变为白箱白箱了。了。图图10-5 自走式谷物联合收获机黑箱自走式谷物联合收获机黑箱2.2.功能分解功能分

33、解功能分解功能分解一般一般工程系统工程系统都比较复杂，难以直接求得满足都比较复杂，难以直接求得满足总功能总功能的的系统解系统解。因。因此，一般可按此，一般可按系统分解的原则系统分解的原则进行进行功能分解功能分解，通过较简单的，通过较简单的功能元功能元去求去求解。解。总功能总功能总功能总功能可分解为可分解为分功能分功能 二级分功能二级分功能 功能元功能元，并用，并用树状树状的的功能功能关系图关系图（功能树图功能树图）表达。）表达。功能元功能元功能元功能元是直接能求解的是直接能求解的功能单元功能单元功能单元功能单元，功能树功能树中中前级功能前级功能是是后级功能后级功能的的目的功能目的功能，而，而后

34、级功能后级功能是前级功能的是前级功能的手段功能手段功能。例如，对例如，对材料拉伸试验机材料拉伸试验机的的功能分解功能分解而形成的其而形成的其功能树功能树为：为：各分功能各分功能各分功能各分功能（功能元功能元）的关系也可以用）的关系也可以用类似电气系统线路方式类似电气系统线路方式来进行来进行表达。这种表达表达。这种表达分功能关系的图分功能关系的图为为功能结构图功能结构图功能结构图功能结构图。功能结构图功能结构图功能结构图功能结构图可由下面可由下面三种基本结构形式三种基本结构形式组成（见组成（见图图10-6）。）。串联结构串联结构串联结构串联结构各分功能各分功能按顺序相继按顺序相继 作用；作用；并

35、联结构并联结构并联结构并联结构 各分功能各分功能并列作用；并列作用；回路结构回路结构回路结构回路结构 分功能分功能成环状循环回成环状循环回 路，体现路，体现反馈作用反馈作用。图图10-6 功能基本结构形式功能基本结构形式 3.3.功能元求解功能元求解功能元求解功能元求解常用的常用的功能元功能元功能元功能元可分为可分为三类三类三类三类：物理功能元物理功能元、逻辑功能元逻辑功能元和和数学功能数学功能元元。物理功能元物理功能元物理功能元物理功能元是反映是反映系统系统或或设备设备中中能量能量、物料物料、信息变化信息变化的基本物的基本物理作用的。理作用的。常用的常用的基本物理功能元基本物理功能元基本物理

36、功能元基本物理功能元有有功能转换类功能转换类、功能缩放类功能缩放类、功能联接类功能联接类、功能传导功能传导及及离合类离合类、功能存放类功能存放类等。等。物理功能元物理功能元物理功能元物理功能元是通过是通过物理效应物理效应实现其功能而获得解答的。实现其功能而获得解答的。机械、仪器机械、仪器中常用的中常用的物理效应物理效应有：力学、液气、电力、磁力、光有：力学、液气、电力、磁力、光学、热力、核效应等。学、热力、核效应等。同一物理效应同一物理效应可以完成不同的功能，可以完成不同的功能，同一功能同一功能可以用不同的物理可以用不同的物理效应实现。效应实现。数学功能元数学功能元数学功能元数学功能元有有加减

37、加减、乘除乘除、乘方开方乘方开方、积分微分积分微分等四类。等四类。逻辑功能元逻辑功能元逻辑功能元逻辑功能元有有“与与”、“或或”、“非非”三种基本关系三种基本关系，主用于，主用于逻逻辑运算辑运算和和控制控制。功能元求解功能元求解功能元求解功能元求解，可参考，可参考有关资料有关资料或利用或利用各种创造性方法各种创造性方法开阔思路开阔思路去去探寻解法探寻解法，也可利用，也可利用解法目录解法目录来求解。来求解。所谓所谓解法目录解法目录解法目录解法目录是把能实现某种功能的是把能实现某种功能的各种原理各种原理和和结构结构综合在一综合在一起的起的一种表格一种表格或或分类资料分类资料。图图10-7所示为所示

38、为物理功能元物理功能元物理功能元物理功能元中的中的物料运送物料运送一解法目录一解法目录一解法目录一解法目录。建立建立各种类型功能元各种类型功能元的的解法目录解法目录解法目录解法目录不仅便于不仅便于设计人员作参考设计人员作参考，而，而且也有利于存入且也有利于存入计算机计算机进行进行计算机辅助设计计算机辅助设计。图图10-7物料运送解法物料运送解法4.4.求系统原理解求系统原理解求系统原理解求系统原理解将将各功能元解各功能元解各功能元解各功能元解进行进行合理组合合理组合，就可得到，就可得到多个系统原理解多个系统原理解。进行进行功能元解的组合功能元解的组合常用的方法是常用的方法是形态综合法形态综合法

39、。它是将它是将系统的功能元系统的功能元列为列为纵坐标纵坐标，各功能元各功能元的的相应解相应解列为列为横坐横坐标标，构成，构成形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵，如，如 表表10-1 所示。所示。表表10-1 系统解的形态学矩阵系统解的形态学矩阵 从从每项功能元每项功能元每项功能元每项功能元中取出中取出一种解一种解进行进行有机组合有机组合，即得到，即得到一个系统解一个系统解。最多可以组合出最多可以组合出N N 种方案种方案种方案种方案：式中，式中，m 功能元数；功能元数；i 种功能元解的个数。种功能元解的个数。例例10-1 运用运用形态综合法形态综合法形态综合法形态综合法来求解来求解挖掘机

40、设计挖掘机设计的的原理方案原理方案。解：解：（1）功能分析功能分析：挖掘机挖掘机的的总功能总功能是是取运物料取运物料，其，其功能分解功能分解功能分解功能分解如下：如下：（2）列出）列出各功能元各功能元各功能元各功能元及其及其局部解局部解的的形态矩阵形态矩阵形态矩阵形态矩阵，如，如 表表10-2所示。所示。表表10-2 挖掘机原理方案设计的形态矩阵挖掘机原理方案设计的形态矩阵（3）系统解系统解系统解系统解的可能的可能方案数方案数方案数方案数：如如A1B4C3D2E1 履带式挖掘机履带式挖掘机履带式挖掘机履带式挖掘机，A5B5C2D4E2 液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机液压轮胎式

41、挖掘机。N 65443 1440（种方案）（种方案）5.5.求最佳系统原理方案求最佳系统原理方案求最佳系统原理方案求最佳系统原理方案在在众多方案中众多方案中要寻求出要寻求出最佳系统原理方案最佳系统原理方案最佳系统原理方案最佳系统原理方案，一般需经，一般需经方案比较方案比较，由粗到细，由定性到定量由粗到细，由定性到定量进行优选进行优选。首先进行首先进行粗筛选粗筛选，把与，把与设计要求不符的设计要求不符的或或各功能元解不相容的各功能元解不相容的方方案案去除去除。例如上例例如上例挖掘机设计挖掘机设计挖掘机设计挖掘机设计的的功能元解的组合功能元解的组合：若若动力源动力源选选电动机电动机，则与，则与液力

42、耦合器液力耦合器、气垫气垫、液压缸传动液压缸传动等等功能功能元解元解不相容，不能组成可实现的不相容，不能组成可实现的原理方案原理方案。定性选取定性选取定性选取定性选取是在比较出是在比较出几个满意的方案几个满意的方案后，再采用科学的后，再采用科学的评价方法评价方法进行进行定量评价定量评价，从中选出，从中选出符合符合设计要求的设计要求的最佳原理方案最佳原理方案最佳原理方案最佳原理方案。10.2.3 系统化设计法的设计应用举例系统化设计法的设计应用举例下面通过下面通过例例10-2来说明应用来说明应用功能分析法功能分析法功能分析法功能分析法进行进行原理方案设计原理方案设计的过程的过程和思路。和思路。例

43、例10-2 瓶盖整列装置瓶盖整列装置的的原理方案设计原理方案设计。设计要求设计要求设计要求设计要求：把放置不规则的：把放置不规则的一堆瓶盖一堆瓶盖整列成整列成口朝上的状态口朝上的状态并并逐个逐个输出输出。瓶盖的形状和尺寸见。瓶盖的形状和尺寸见图图图图10-810-8，瓶盖重量为，瓶盖重量为10g，整列速度为，整列速度为100个个/min，能量为，能量为220V交流电的高压气（压力交流电的高压气（压力6105Pa），），其余其余其余其余功能要求功能要求功能要求功能要求见见表表表表10-310-3。图图10-8 瓶盖尺寸瓶盖尺寸 功能功能(1)不规则放置瓶盖整列为口朝上逐个输出不规则放置瓶盖整列为

44、口朝上逐个输出基本要求基本要求(2)整列速度为整列速度为100个个/min必达要求必达要求(3)整列误差小于整列误差小于1/1000必达要求必达要求加工加工(4)小批生产、中小型厂加工小批生产、中小型厂加工基本要求基本要求成本成本(5)成本不高于成本不高于2000元元/台台附加要求附加要求(6)结构简单结构简单附加要求附加要求使用使用(7)使用方便使用方便附加要求附加要求表表10-3 瓶盖整列装置的功能要求瓶盖整列装置的功能要求解：解：（1）明确任务要求明确任务要求 （2）功能分析功能分析 总功能总功能总功能总功能：瓶盖整列瓶盖整列，其，其黑箱模型黑箱模型如如图图8-9所示。所示。功能分解功能

45、分解功能分解功能分解：建立出：建立出总功能总功能总功能总功能与与分功能分功能分功能分功能之间的之间的功能结构关系功能结构关系如下如下:图图10-9 瓶盖整列功能的黑箱模型瓶盖整列功能的黑箱模型（3）功能元求解功能元求解 采用采用形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵求解。建立的相应的求解。建立的相应的形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵形态学矩阵如如表表10-4 所示。所示。表表10-4 瓶盖整列装置的形态学矩阵瓶盖整列装置的形态学矩阵（4）系统解系统解 由由表表10-4，将，将各功能元各功能元各功能元各功能元的的局部解局部解予以予以组合组合，可得，可得N 86637 6048（个系统解个系统解个

46、系统解个系统解）。）。现列出其中现列出其中 4 4种系统解种系统解种系统解种系统解 如如图图10-10所示。所示。图图10-10 瓶盖整列装置的典型系统解瓶盖整列装置的典型系统解 （5）评价与决策评价与决策 现采用现采用简单评价法简单评价法简单评价法简单评价法。用用“”表示表示很好很好，“”表示为表示为好好，“”表示表示不好不好，其，其评价结果评价结果列列于于表表10-5。方案方案评价准则评价准则 整列速度高整列速度高整列误差小整列误差小成本低成本低便于加工便于加工结构简单结构简单操作方便操作方便总总 计计4“”9“”1“”0表表10-5 瓶盖整列装置评价表瓶盖整列装置评价表 总计结果表明总计

47、结果表明总计结果表明总计结果表明，方案方案方案方案 为较理想的方案。为较理想的方案。至此用至此用功能分析法功能分析法的概念完成了本例的概念完成了本例瓶盖整列装置瓶盖整列装置的的原理方案设原理方案设计计阶段工作。阶段工作。技术设计阶段技术设计阶段技术设计阶段技术设计阶段主要是主要是确定确定功能零部件的功能零部件的结构结构、材料材料和和尺寸尺寸，使，使原原理方案理方案具体化。具体化。10.3 创造性设计法创造性设计法创造性方法创造性方法创造性方法创造性方法是是工程技术设计方法工程技术设计方法的重要组成部分，它贯穿于的重要组成部分，它贯穿于工程工程技术设计技术设计的的全过程全过程之中。之中。随着随着

48、现代科技发展速度加快现代科技发展速度加快以及以及市场竞争日益激烈市场竞争日益激烈，在，在工程技术工程技术工程技术工程技术设计设计设计设计和和产品生产产品生产产品生产产品生产中，大力倡导并推广中，大力倡导并推广创造性方法创造性方法创造性方法创造性方法，显得尤为重要。它，显得尤为重要。它是提高产品设计水平，增加产品竞争能力的根本措施和手段。是提高产品设计水平，增加产品竞争能力的根本措施和手段。10.3.1 创造力开发和创造过程创造力开发和创造过程1.1.创造力的开发创造力的开发创造力的开发创造力的开发设计设计是一种是一种创造性活动创造性活动，这种，这种创造性活动的效果创造性活动的效果很重要的部分很

49、重要的部分是取决于是取决于设计人员设计人员的的创造力创造力创造力创造力（即科技人员的（即科技人员的创造发明的能力创造发明的能力创造发明的能力创造发明的能力）。）。因此，开发因此，开发工程技术人员工程技术人员的的创造力创造力创造力创造力，对于提高产品设计的水平，对于提高产品设计的水平和质量，具有决定性意义和质量，具有决定性意义。工程技术人员工程技术人员的的创造力创造力创造力创造力是是多种能力多种能力、个性个性和和心理特征心理特征的的综合表现综合表现。它包括它包括它包括它包括观察能力观察能力、记忆能力记忆能力、想象能力想象能力、思维能力思维能力、表达能力表达能力、自我控制能力自我控制能力、文化素质

50、文化素质、理想信念理想信念、意志性格意志性格、兴趣爱好兴趣爱好等因素。等因素。其中其中想象能力想象能力想象能力想象能力和和思维能力思维能力思维能力思维能力是是创造力创造力创造力创造力的核心，是将观察、记忆所得的核心，是将观察、记忆所得信息有控制地进行信息有控制地进行加工变换加工变换，创造表达出创造表达出新成果新成果的的整个创造活动整个创造活动的中的中心。心。这些能力这些能力和和素质素质，经过学习和锻炼，都是可以改善和提高的。，经过学习和锻炼，都是可以改善和提高的。认识了认识了创造力创造力创造力创造力的构成，的构成，工程技术人员工程技术人员就应该自觉地开发就应该自觉地开发自己的创自己的创自己的创