机电一体化产品的概念设计.pptx

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1、机电一体化产品的概念设计机电一体化产品的概念设计2.1 概念设计的一般概念概念设计的一般概念 Pahl和和Beitz于于1984年提出了设计过程分为：年提出了设计过程分为：l明确任务（明确任务（Clarification of Task）、）、l概念设计（概念设计（Conceptual Design）、）、l具体设计（具体设计（Embodiment Design）l详细设计（详细设计（Detailed Design）的）的四阶段模型四阶段模型.并将概念设计定义为：并将概念设计定义为：“在确定任务之后，在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作

2、用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案求解方案”的这一部分设计工作。的这一部分设计工作。机电一体化的概念设计机电一体化的概念设计 几种定义几种定义l设计的过程是产品的功能描述向结构描述的转换过程，而设计的过程是产品的功能描述向结构描述的转换过程，而概念设计是这个过程的早期阶段。概念设计是这个过程的早期阶段。产品的功能描述产品的功能描述可以是一个真值表、一条性能曲线或者一可以是一个真值表、一条性能曲线或者一组动词短语；组动词短语；结构的描述结构的描述包括通过图形、模型或装置本身的物理实现等包括通过图形、模型或装置本身的物理实现等方式所体现的一组

3、结构属性。方式所体现的一组结构属性。功能描述与结构描述是多对多的映射关系。功能描述与结构描述是多对多的映射关系。l概念设计可分为问题本质的抽象识别、功能结构的建立、概念设计可分为问题本质的抽象识别、功能结构的建立、子功能子功能解原理的匹配、子结构的组合及基于设计规范的解原理的匹配、子结构的组合及基于设计规范的方案评价方案评价五个阶段五个阶段。l概念设计为由功能需求到抽象物理系统的转换过程：概念设计为由功能需求到抽象物理系统的转换过程：（1）现象设计（）现象设计（Phenomenological Design）阶段）阶段基于基于物理原理将功能需求抽象为行为的描述；物理原理将功能需求抽象为行为的描

4、述；（2）具体设计（）具体设计（Embodiment Design）阶段）阶段将行为的将行为的描述具体为能够实现行为的物理系统。描述具体为能够实现行为的物理系统。机电一体化的概念设计创新层次机电一体化的概念设计创新层次l（1）任务创新任务创新分析、发现市场的新需求。分析、发现市场的新需求。l（2）功能创新功能创新一个是通过对市场需求信息和设计任务一个是通过对市场需求信息和设计任务书的创造性分析而得到的新的功能需求，另一个则是指对书的创造性分析而得到的新的功能需求，另一个则是指对产品总功能的创造性描述和抽象，从而更易于引发不同的产品总功能的创造性描述和抽象，从而更易于引发不同的求解思路，有可能导

5、致更佳的产品方案。求解思路，有可能导致更佳的产品方案。l（3）原理创新原理创新实现原理可细分为工作原理和技术原理实现原理可细分为工作原理和技术原理2类：所谓工作原理，是指该产品赖以实现功能的根本性原类：所谓工作原理，是指该产品赖以实现功能的根本性原理，或者说物理性原理；技术原理则是为保证该工作原理理，或者说物理性原理；技术原理则是为保证该工作原理的实现而采用的技术手段。工作原理创新总会导致全新产的实现而采用的技术手段。工作原理创新总会导致全新产品；而技术原理创新往往使产品种类更为丰富。品；而技术原理创新往往使产品种类更为丰富。l（4）行为创新行为创新（工艺动作过程创新）。（工艺动作过程创新）。

6、l（5）结构创新结构创新 包括机构、布局、控制系统及使用的机、包括机构、布局、控制系统及使用的机、电、检测元器件的组成等，是技术原理创新和行为创新的电、检测元器件的组成等，是技术原理创新和行为创新的延伸和具体实现。延伸和具体实现。l（6）控制创新控制创新 信息处理的新方法，新的控制算法的使用信息处理的新方法，新的控制算法的使用和创新，往往能使机电一体化系统的性能大幅度提高，可和创新，往往能使机电一体化系统的性能大幅度提高，可以认为是结构创新向软件的进一步延伸。以认为是结构创新向软件的进一步延伸。机电一体化产品的创新技法机电一体化产品的创新技法机电一体化概念设计的三子系统论机电一体化概念设计的三

7、子系统论（1）机电一体化系统是由计算机进行信息处理和控制的）机电一体化系统是由计算机进行信息处理和控制的现代机械系统，它的最终目的是实现机械运动和动作；现代机械系统，它的最终目的是实现机械运动和动作；（2）从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，机电一）从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，机电一体化系统可划分为：广义执行机构子系统、传感检测子体化系统可划分为：广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统。它们分别完成机械运动系统、信息处理及控制子系统。它们分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制；和动作、信息检测、信息处理及控制；（3）机电一体化系统中的执行子系统，有它的特

8、殊性，）机电一体化系统中的执行子系统，有它的特殊性，它是由驱动元件和执行件（或执行机构）融为一体的广它是由驱动元件和执行件（或执行机构）融为一体的广义执行机构。这种机构的最大特点是义执行机构。这种机构的最大特点是可控性可控性。上述三点认识，有助于对机电一体化系统按功能进上述三点认识，有助于对机电一体化系统按功能进行分解，从而分别寻求各自的功能载体，通过集成优化行分解，从而分别寻求各自的功能载体，通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。机电一体化系统概念设计的过程描述机电一体化系统概念设计的过程描述l市场需求和设计要点市场需求和设计要点l总

9、功能分析描述总功能分析描述l工艺动作过程分解及运动流程确定（行为分析）工艺动作过程分解及运动流程确定（行为分析）l子功能确定子功能确定l软件、硬件的分配软件、硬件的分配l机电一体化的集成机电一体化的集成l建模与仿真建模与仿真l评价评价机电一体化系统机电一体化系统机电一体化系统机电一体化系统概念设计的概念设计的概念设计的概念设计的过程模型过程模型过程模型过程模型行为分析行为分析功能、原理分析功能、原理分析结构、控制分析结构、控制分析任务分析任务分析2.2 机电一体化系统的功能设计机电一体化系统的功能设计主功能主功能控制功能控制功能动力功能动力功能输出输出结构结构功能功能输入输入控制信号控制信号显

10、示输出显示输出废弃物废弃物干扰干扰环境界面环境界面人机界面人机界面技术技术系统系统技术系统的目的是促使过程对象技术系统的目的是促使过程对象（物质、能量、信息）的变换过程实现（物质、能量、信息）的变换过程实现机电一体化系统机电一体化系统 概念设计概念设计-方案生成方案生成 一个机电一体化系统抽象、完整的功能结构模型，可以由一个机电一体化系统抽象、完整的功能结构模型，可以由变换功能、目的功能和状态变迁来分析、阐述。变换功能、目的功能和状态变迁来分析、阐述。变换功能（变换过程）通过物质、能量、信息的输入输出流变换功能（变换过程）通过物质、能量、信息的输入输出流转换来描述系统（产品）的功能，主要通过人

11、转换来描述系统（产品）的功能，主要通过人/机（技术系统和系机（技术系统和系统的操作者）协作，将过程对象的输入状态有目的地变换为期望统的操作者）协作，将过程对象的输入状态有目的地变换为期望的输出状态。的输出状态。可以将变换功能系统看成输入可以将变换功能系统看成输入/输出已知而内部未知的黑箱。输出已知而内部未知的黑箱。系统部件以系统部件以“垂直因果链垂直因果链”的形式向技术系统传递物理效应。的形式向技术系统传递物理效应。垂直因果链原理垂直因果链原理从抽象到具体、从总体到细化从抽象到具体、从总体到细化将技术系统的结构将技术系统的结构要素和行为要素联系起来。要素和行为要素联系起来。按照设计者的思维习惯

12、，引入目的功能，更接近人们对系统按照设计者的思维习惯，引入目的功能，更接近人们对系统功能理解的实际经验，能够有效表示设计意图和生成系统方案。功能理解的实际经验，能够有效表示设计意图和生成系统方案。如果一个变换包涵多个操作（状态变换）实现，则需要应用如果一个变换包涵多个操作（状态变换）实现，则需要应用“水平因果链原理水平因果链原理”来分析。来分析。机电一体化系统机电一体化系统机电一体化系统机电一体化系统 概念设计概念设计概念设计概念设计-功能方法树原理图功能方法树原理图功能方法树原理图功能方法树原理图 机电一体化系统可以视为含有因果关系或逻辑关系的机电一体化系统可以视为含有因果关系或逻辑关系的变

13、换功能结构或目的功能结构。联系变换功能和目的功能变换功能结构或目的功能结构。联系变换功能和目的功能的纽带是的纽带是“技术技术”的选择。的选择。目的功能目的功能：-描述描述“要做什么要做什么”变换功能变换功能：-描述描述“怎么做怎么做”由于变换功能可以看成是目由于变换功能可以看成是目的功能的技术实现（采用何的功能的技术实现（采用何种技术实现目的功能），在种技术实现目的功能），在机电一体化系统方案生成推机电一体化系统方案生成推理过程中，目的功能就成为理过程中，目的功能就成为从系统的变换功能描述到功从系统的变换功能描述到功能物理实现间的必经之路。能物理实现间的必经之路。电话机系统的功能求解案例电话机

14、系统的功能求解案例自上而下的因果关系自上而下的因果关系水平方向的因果链水平方向的因果链2.3 机电一体化系统的四视图机电一体化系统的四视图 四视图描述的是同一个对象，它们的视角不同，但各个视四视图描述的是同一个对象，它们的视角不同，但各个视角之间是相互联系的。角之间是相互联系的。在产品的概念设计阶段，四视图是有力的工具。一方面，在产品的概念设计阶段，四视图是有力的工具。一方面，从功能视图开始的四视图设计，有利于创新方案的形成；另从功能视图开始的四视图设计，有利于创新方案的形成；另一方面，对于一个设计方案，完成上述四视图的设计要求之一方面，对于一个设计方案，完成上述四视图的设计要求之后，就提供了

15、评价决策的基础。通过对各种不同方案的四视后，就提供了评价决策的基础。通过对各种不同方案的四视图加以评价、比较，可以获得完整的、优化的、正确的设计图加以评价、比较，可以获得完整的、优化的、正确的设计方案。方案。一、功能视图（一、功能视图（Function View）三、控制视图（三、控制视图（Control View）四、信息视图（四、信息视图（Information View）二、结构视图（二、结构视图（Configuration View）功能视图功能视图一、总功能一、总功能分功能（辅助功能）的分解和描述；分功能（辅助功能）的分解和描述；二、功能原理二、功能原理-技术系统的推理，技术方案的技

16、术系统的推理，技术方案的形成；形成；功能视图功能视图简简略略目的功能描述目的功能描述变换功能描述变换功能描述（黑箱）（黑箱）主要的功能组成主要的功能组成主功能的技术原理主功能的技术原理功能功能/行为行为/结构结构分析与求解分析与求解包括子功能在内的包括子功能在内的功能功能/行为行为/结构结构的详细分析与求解的详细分析与求解原理系统的构成原理系统的构成（原理试验系统）（原理试验系统）分功能的技术原理分功能的技术原理及系统构成描述及系统构成描述机电一体化基本单元机电一体化基本单元（ME）的分析）的分析包括结构视图在内的包括结构视图在内的系统方案设计系统方案设计（实验样机）（实验样机）详细的四视图详

17、细的四视图概念设计分析报告概念设计分析报告（概念样机）（概念样机）抽象抽象详详细细具体具体 机电一体化系统设计域机电一体化系统设计域抽象抽象具体具体简单简单详细详细功能设计域功能设计域结构设计域结构设计域控制设计域控制设计域信息设计域信息设计域从功能设计域向其他设计域扩展从功能设计域向其他设计域扩展图2-9 机电一体化系统设计域 结构视图结构视图一、总体布局（模块）；一、总体布局（模块）；二、传动及支承系统；二、传动及支承系统；三、重要结构。三、重要结构。控制视图控制视图一、机电一体化的基本单元（组成及工作原理）；一、机电一体化的基本单元（组成及工作原理）；二、控制器（信息处理软硬件平台）的组

18、成；二、控制器（信息处理软硬件平台）的组成；三、接口。三、接口。信息视图信息视图一、人机界面信息输入形式（控制语言）；一、人机界面信息输入形式（控制语言）；二、人机界面信息到机器界面信息的变换过程；二、人机界面信息到机器界面信息的变换过程；三、处理信息流变换的软件结构。三、处理信息流变换的软件结构。典型案例讨论典型案例讨论2.4 典型案例典型案例1：全自动洗衣机的功能分析与设计：全自动洗衣机的功能分析与设计2.5 设计实例设计实例2:快速成形设备的功能分析和设计快速成形设备的功能分析和设计2.6 设计实例设计实例3:气调包装机的功能分析和设计气调包装机的功能分析和设计 机电一体化产品概念设计方

19、案讨论机电一体化产品概念设计方案讨论中药配药机中药配药机中药配药机中药配药机。要求：。要求：。要求：。要求：1 1 1 1，能减轻配药劳动强度；，能减轻配药劳动强度；，能减轻配药劳动强度；，能减轻配药劳动强度；2 2 2 2，能适应医院处方计算机管理系统；，能适应医院处方计算机管理系统；，能适应医院处方计算机管理系统；，能适应医院处方计算机管理系统；3 3 3 3，能容纳，能容纳，能容纳，能容纳150200150200150200150200种常用中药，每种中药预存量种常用中药，每种中药预存量种常用中药，每种中药预存量种常用中药，每种中药预存量1kg1kg1kg1kg；可以；可以；可以；可以 人工补充；人工补充；人工补充；人工补充；4 4 4 4，占地面积小、成本低。，占地面积小、成本低。，占地面积小、成本低。，占地面积小、成本低。欢迎提问欢迎提问