现代设计方法——系统设计方法

决策与评价
o 评分法
对各个方案针对所有 准则评分，比较各方 案的优劣。
o 技术经济评价法
将方案分解为技术评 价和经济评价并分别 计分，最后利用S-图 进行综合评价。
3 技术设计

技术设计的主要任务是将功能原理方案 具体化，完成产品的总体设计，部件的 结构设计，并绘制装配草图
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可行性分析：包括技术分析、经济分析及 社会分析 最终提出可行性报告： 产品开发的必要性、市场调查和预测情况； 有关产品的国内外水平及发展趋势； 技术上预期达到的水平、经济和社会效益分析； 设计和工艺等方面需要解决的关键问题； 投资费用以及时间进度计划； 现有条件下开发的可能性及准备采取的措施， 等等。

因此，寻求原理解的重点就是针对功能元寻求 其实现载体。对于一个功能系统来说，并非所 有功能元的载体都是创新的，应该说，其中大 量是存在现成解的，有些解被汇编成解法目录， 是设计中的重要参考。 （1）功能元的解法目录（设计目录） （2）创新技法求解（利用创造性思维）

3)逻辑功能元 包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动 作，主要用于控制功能。
各个分功能之间的关系可以用功能结构图表示，结构图 的建立使黑箱变灰箱直至透明箱，得出最佳的方案。有 三种基本形式
例子：以材料拉伸试验机为例， 进行功能分析。
试件
加载能量 变形能
利用力和变形检测 试件
变形后的 试件 力信号
1.3.2 功能分析

针对抽象化的功能定义，可以按功能系 统设计的要求作出系统的功能结构。
功能分解的结果可以用功能树的结果表示，功能 元是可以直接求解的系统的最小单元
功能单元－在系统各分支的终端， 即末端功能通常是具有独立功能的 功能元 功能元的类型 可以分为三大类 （1）物理功能元 （2）数学功能元 （3）逻辑功能元
1.2 技术系统和技术过程

人类进行设计工作的目的总是为了满足 一定的生产和生活需求。为了满足这种 客观需求，常需经过一定的过程。
例如：

为了获得一定要求轴类零件，可以通过 车削来完成。毛坯经过一系列的加工和 工艺过程，得到满足条件的轴，而人类 的客观需求是原始依据，这个实现车削 过程的实体系统称为技术系统，而它所 服务的过程称为技术过程
1.2.1 技术系统及相关术语

1 作业对象 在技术过程中接受操作者及技术系统施加 的作用，从而自己的性能和状态产生改 变或转换，使客观需求得到满足的物质 称为作业对象。对所有的技术而言，作 业对象可分为能量、物料和信息三大类。 如图所示
加工过程中的毛坯、发电过程中的电量、控制过 程中的电子信号等。只有在技术过程中转换了状 态，满足了需求，才是作业对象

2 技术过程 技术过程是一个人工过程。通过这个过程， 使作业对象在一定环境条件下经过操作 者及技术系统共同施加的作用，以有计 划，有目的的方式产生预期的转变，获 得能满足客观需求的结果。因此，该过 程是在人——技术系统——环境这一大 系统中完成的。

3 技术系统 技术系统是确定的人工系统的通称，它是以一 定的技术手段来实现社会特定需求的人造系统， 与操作者一起在技术过程中发挥预定的作用， 是作业对象进行有目的的转换或变化，它可以 是机械系统也可以是电气及其他系统；可以是 机构也可以是其他设备。如图，一个技术系统 实质就是一个转换装置

系统化设计方法的主要特点是：将设计 看成由若干个设计要素组成的一个系统， 每个设计要素具有独立性，各个要素间 存在着有机的联系，并具有层次性，所 有的设计要素结合后，即可实现设计系 统所需完成的任务。

从系统的工程的观点分析，设计系统是 一个由时间维，方法维和逻辑维组成的 三维系统，如图2所示

总功能分析（问题的抽象）
系统定性或定量地描述输入和输出参量之
间的因果或逻辑关系即为系统的功能； 功能可分为四类： 逻辑功能； 数学功能； 物理功能； 具体功能；
功能的分解（并分别求解）
复杂系统一般无法直接求解，功能分解
有利于问题的简化； 功能分得越细，重组方案就越多，创造 性就越大； 一般分解到功能元为止，三类： 物理功能元 逻辑功能元 数学功能元
显然对于我们机械设计人员而言 物理功能元最重要。
出钢机功能的分解
分成三个：上下、
进退和横移，都属 七种物理功能元里 的传导功能；
功能的结构
功能结构：将分功能按三个基本要素流用
其逻辑关系有序地联接成一个整体功能； 功能结构的组合有串联、并联和回路等三 种结构形式； 各分功能分别求解 最大可能解决方案数： N=N1×N2×N3×N4×N5×N6ׄ×Nn

4 功能 建立技术系统的目的是把一定的输入量 转化为满足需求的输出量，其输入量和 输出量之间的相互转换关系抽象描述称 为系统的功能。例如，电机的功能是把 电能转化为机械能；机床的功能是把毛 坯加工成零件等等
1.2.2 技术过程

在实际的技术系统过程比较复杂，在输 入方面，除了作业对象以外，还需要输 入必要的物料，能量和信息。例如，车 削过程中的冷却润滑液等。在输出方面， 除了作业对象外，还有转换过程中产生 的废料、噪声、震动、热量等。因为他 们都不是转换所需要的，所以成为次要 输出。技术过程在大多数情况下需要进 一步分解为若干分过程及工序。
物理功能元
五个特征：类型、大小、数量、时间和位置
； 七种功能元：转换 、缩放 、联结 、贮存 、 传导 、离合(切断/接通) 、隔绝 ； 通过物理效应来实现：力学效应、液气效应、 电力效应、磁效应、光学效应、热力学效应、 核效应等。
逻辑功能元 数学功能元
与、或、非（如控制电路）； 用于实现数学运算；
1 产品规划

产品规划是产品开发的战略决策。新产 品开发的成败70%~80%取决如此。所 以，需要对市场需求进行分析，制定可 行性研究报告和设计要求表。
主要完成三方面的工作： 市场需求分析、 可行性分析、 设计要求的拟订

市场需求分析：

消费者对产品功能、质量和数量等的具体要求； 现有类似产品的销售状况和趋势； 竞争对手在技术上、经济上的优缺点及发展趋势； 主要原材料、配件和半成品的现状、价格及变化 趋势。
4 施工设计

施工设计的主要内容是完成产品制造所 需要的全部图样及技术文件。

综上所述，所谓的系统设计方法，就是 经过总功能，功能分解，分功能求解， 组合功能结构，最后进行评价和决策的 过程。
1.1.2 解决问题的逻辑步骤（逻 辑维）

步骤：分析——综合——评价——决策。
1.1.3 设计方法（方法维）





1)物理功能元 它反映系统中物理量转化的基本动作。其 中常用的五种为： ▲“变换－复原”功能元。 ▲“放大－缩小”功能元。 ▲“联结－分离”功能元。 ▲“传导－绝缘”功能元。 ▲“贮存－提取”功能元。



2)数学功能元 ▲它反映数学的基本动作。如加和减、乘 和除、乘方和开方、积分和微分。 ▲数学功能元主要用于机械式的加减机构 和除法机构，如差动轮系；控制系统，如 用脉冲计数装置控制动作幅度等等。
系统设计方法
1.1 概述

系统化设计思想于70年代由德国学者 Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论 为基础，制订了设计的一般模式，倡导 设计工作应具备条理性。德国工程师协 会在这一设计思想的基础上，制订出标 准VDI2221“技术系统和产品的开发设计 方法，其设计流程见图1。
图1技术系统和产品的开发设计方法 (德国工程师协会标准VDI2221)
现代工程的复杂性：一般涉及到机械、电子、 液压、管理、测量、控制、计算机技术、人工 智能以及信息处理等多个科学技术领域。 传统设计方法：把事物分解为许多独立的互不 相干的的部份分别进行研究。 系统设计方法：把事物当作为一个整体的系统 来研究，从系统出发，分析各个组成部分之间 的有机联系及系统与外界环境的关系，是一种 比较全面的综合研究方法。

4 控制工程 通过反馈信息对工作进程进行的操作和 调整，一般包括决策、控制和调整。随 着技术系统自动化程度的提高，控制过 程在技术系统中所占的比例日益增加

5 连接和支撑作用 保证技术过程的各个分过程在时间和空 间上彼此配合和配置的有序性和正确性
1.3 功能分析设计法

功能是指产品技术系统的用途或所具有 的特定工作能力。 功能分析法是指探寻功能方案的主要方 法。这种方法将复杂系统的总功能分化 为简单的功能单元，再对每个功能无求 解，然后进行组合，得到系统多种总方 案，然后分析比较，最后得到最佳功能 方案。
·
图2 设计的三维系统
1.1.1 设计的一般进程模式（时 间维）

机械产品方案设计进程模式，基本上沿 用了德国标准VDI2221的设计方式。除 此之外，我国许多设计学者在进行产品 方案设计时还借鉴和引用了其他发达国 家的系统化设计思想，把机械系统分为 四个阶段：产品规划阶段，方案设计阶 段，技术设计阶段和施工设计阶段


设计要求的拟订
对设计的工作目标有一个明确和正确 的描述，以便于设计和评价决策。
根据产品的功能和性能提出设计参数的 相关指标 列出制造使用等方面的限制条件。

2 方案设计
是产品设计工作的核心； 一般从功能分析入手，通过系统功能的抽 象、功能分解、功能的组合、评价和决策 等几个步骤，求得最佳方案。

定义一种功能的最简明语句就是用一个动词加 上一个名词， 分别作为谓语和宾语 组成“ 主 －谓－宾”结构。 产品功能定义示例 产品 功能 名词（主语） 动词（谓语） 名词（宾语） 千斤顶 平口钳 干电池 钻床 载重汽车 手电筒 顶起 夹紧 贮存 加工 运输 提供 重物 工件 电能 孔 货物 照明



总功能：对机械系统而言，设计对象所能完成 的功能，称为系统的总功能。 （功能的抽象表述（定义）） 功能定义是功能分析的重要环节 技术系统一般总是由若干功能模块组成，功能 定义就是对这些单元的功能下定义，明确其功 能的本质，限定其功能的内容，使其在概念上 与其它功能相区别。 对功能下定义必须准确、简洁，而且应尽可能 抽象化，以利于启迪创造性思维。
试件加 载
变形能 变形后的 试件
主要分功能
加载 能量 标准 值
比较标准值和 实际值
测量值放大
测力
力信号Leabharlann 加载 能量 控制 信号调节能量大小
能量转 换为力 和位移
测变 形
变形 信号
能耗
试 件
装夹试 件
变形能 试件加 载 变形后 的试件
完善的功能结构
1.3.3 功能的求解和组合

1 功能单元求解
功能单元求解就是将功能单元所需执行的动作， 用合适的执行机构型式来实现 为求得系统的最终原理解，必须首先求得各功 能元的原理解。按照柯勒的定义，可以用下式 表示： 功能元的原理解＝f（功能元的功能，实现 载体）




目的：确定技术系统（设计）的原理方 案（见下图） 步骤： 1.功能分析 2.总功能分解 3.功能单元求解 4.方案综合
明确任务
分析
总功能 功能元 功能元解
黑箱 法 功能 树 创造性方 法解法目 录 形态学矩 形 评价 法
综合 功能原理解 评价决策
最佳功能原理方案
设计技术系统
1.3.1 总功能分析
信号
变形信号
总功能（黑箱）
试件夹持
试件拉伸 夹头移动 试件松开 运动形式转换 速度，扭矩转换
讯号取得
力测量 试件拉 伸测力 及变形 讯号放大 测量结果显示 讯号取得 变形测量 讯号放大
测量结果显示
开机
动作控制
停机 自动停机
加载 能量 控制 信号
能量转换 为力和位 移
测力
力信号
测变 形
变形信号
试件
功能定义可归纳为如下三点 ▲明确技术系统各组成部分的功能，为人们的 创造与设计思维提供依据。对一个现成的产品， 通过功能定义能把隐藏在产品及其零部件背后的 功能揭示出来，使人们得以识别它们的作用、地 位，抓住改进的重点。 ▲突出各功能单元的本质，使人们受到启迪， 开阔思路，进行创新。 ▲为进一步的功能评价作准备。

1 主要过程 通过这一过程实现作业对象的转换，来 实现分工序的转换，使客观需求得到满 足。

2 辅助过程 不直接参与技术过程中作业对象的转换， 其作用是确保技术过程的连续性和加工 质量，这一过程依具体的情况而定

3 驱动过程 驱动过程是指技术过程中的能量的转换、 传递和分配，如电能转换为机械能，热 能转换为机械能等