CADCAM技术-第2讲:现代设计理论与方法

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任课教师:飞行器制造工程系
课程性质:一级学科基础课
课程编号:071305
课程学时:32(1-10周)
课程学分:2
第二讲
现代设计理论与方法
Contemporary Design Theory and Methodology
主讲人 刘继红
工学博士/教授博导
北京航空航天大学
机械工程及自动化学院飞行器制造工程系
第一节
Introduction
绪 论
决定竞争力的因素和手段
品种
技艺
数量
制造
质量
设计
设计与产品开发时间
设计
0
20
40
制造
60
80
100
时间
百分比(%)
设计与产品开发成本
70
60
50
40
30
20
10
0
设计
生产准备 原材料与 管理和销售
与加工 外购件的采购
对成本的影响
所需的工时成本
设计与修改工作
60
发生错误
修改错误
50
成本 %
40
80%
30
75%
20
10
0
产品定义
产品设计
工艺规划
制造
检验
• 75%的修改工作由产品设计阶段引起
• 80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完
成
应用
启示
在设计越来越显示其重要性
的今天,掌握新的设计思想、应用
新的设计方法和技术、采用新的设
计工具,对于提高企业产品竞争力,
具有非常重要的意义。
设计理论与方法论DTM
设计理论与方法论是关于设
计本质和设计方法的系统理论,目
的在于揭示设计过程的本质规律,
探索各种有效的设计方法,为实际
的设计工作提供指南。
Design Theory and Methodology
Design science uses scientific methods to analyse
the structure of technical systems and their
relationships with the environment. The aim is to
derive rules for the development of these systems
from the system elements and their relationships.
Design methodology is a concrete course of action
for the design of technical systems that derives its
knowledge from design science and cognitive
psychology, and from practical experience in different
domain.
DTM相关领域
DTM研究方向
1、描述性设计过程模型
2、规范化设计过程模型
3、可计算设计过程模型
4、设计语言与表达
5、支持设计的分析方法
6、面向整个生命周期的设计DFX
设计理论与方法论
第二节
History
发展简史
2.1 萌芽期
十九世纪 
二十世纪四十年代
 1861年,德国的F.Reuleaux著书
“Konstrukteur”(机械设计者)
1875年又发表“理论机构学”一书
1877年,英国的W.C.Unwin著书 “The
Elements of Machine Design”
2.2 成型期
二十世纪五十年代 
二十世纪六十年代
欧 洲
 1962年,在伦敦举行了第一届设计方法会
议,主要围绕系统设计方法研究,探讨了
设计过程的全面管理的系统方法和用于设
计过程的系统技术,如运筹学、质量管理、
价值工程等研究成果。
 1968年,在英国,The Design Council成
立。
美 国
 1968年,在美国波士顿的MIT举行了“环境
设计与规划中的新方法”会议,着重探讨了
设计的复杂性问题,理解设计者如何用传统
的设计方法解决设计问题。
 大量关于创造论、设计论,以及工程设计的
著作面世。
 M.Asimov-“Introduction to
Design”(1962)
 T.T.Woodson-“Introduction to
Engineering Design”(1966)
 J.R.Dixon-“Design Engineering”(1966)
 D.Morrison-“Engineering Design”(1968)
日 本
 渡边茂所著“设计论”(I,II,
III)出版(1968)
2.3 成熟期
二十世纪七十年代
欧 洲
德国W.G.Rodenacker的著书“Methodisches
Konstruieren”(方法论的设计)(1970)、瑞士
V.Hubka(1973)、德国K.Roth (1981)、G.Pahl
and W.Beitz(1977)等学者的著作相继问世,确立
了以德国为代表的欧洲设计理论与方法论流派,
即系统设计方法论。
70年代后期,欧洲成立了设计研究组织WDK
(Workshop Design-Konstruktion)。
1979年,在英国出版发行了设计研究国际刊物
“Design Studies”。
美 国
1978年,美国麻省理工学院机械系的N.Suh、
A.Bell、D.Gossard等人在“Journal of
Engineering for Industry”上发表论文,
提出了面向制造系统的设计公理,确立了
美国流派的设计理论与方法论,即设计原
理。
日 本
1971年,由北乡薰等人编著的“设计工学系
列丛书”出版发行,比较全面地论述了设计
方法和技术。
1979年,日本东京大学吉川弘之教授在日本
精密机械杂志上发表“一般设计学序说”一
文,提出了一般设计学理论,从而成为日
本设计理论与方法论研究的代表人物。
2.4 普及期
二十世纪八十年代以后
欧 洲
 在欧洲设计研究组织WDK的组织下,1981年在意
大利罗马举行了第一届国际工程设计会议ICED
(International Conference on Engineering
Design) 。之后,成为隔年主要在欧洲举行的
设计研究交流盛会。
 1984年,德国G.Pahl和W.Beitz的英文版著作
“Engineering Design-A Systematic
Approach”由The Design Council出版,成为系
统设计方法论的代表作。
美 国
1985年,美国国家科学基金委员会NSF正式启动设计理论
与方法论研究计划。
1987年,美国机械工程师协会ASME设计分会设立设计理论
与方法论委员会。
1988年6月,举行了“The 1988 NSF Grantee Workshop
on Design Theory and Methodology(简称Design
theory‘88)”会议。
1989年,第一届国际设计理论与方法论会议举行。随后该
年会成为设计理论与方法论研究交流的又一个重要会议
1990年,N.P.Suh著作“The Principles of Design”由
Oxford University Press出版。
日 本
1983年,日本精密工学会设立“设计理论与
CAD(D&C)专门委员会”。
1991年,日本机械学会设立“设计工程·系统
部门”。
从1991年起,每年7月份的第2周被定为“设
计研究会议周”,其间连续举行三个关于设计
的国内国际会议。
第三节
General Design
一般设计学
Theory
关于一般设计学
一般设计学是
以阐明在所有设计行为中普遍反映
的人类智能活动的机理为基本课题,
以提出对所有技术领域的设计部门
共同有用的指导原理为应用课题
的领域。
研究对象
设计对象
静态构造
设计过程
动态过程
研究方法
演 绎
A  B
A
B
归 纳
A
B
A  B
一般设计学理论体系
静态构造 动态过程
演绎
公理论
设计学
功能/机械
归纳
解剖
公理论
设计过程
设计
实验学
3.1 公理论的设计学
以关于人类智能的普遍得到承认的性质为
假说或法则,用演绎的方法推导关于设计
中的概念构造的定理。
基本概念(一)
实体
可以科学手段认知其属性的存在
如:自然界的万物、人工物、信息实体等
概念
将实体以语言、符号、图形来表达的结
果
熏肉设计:例
假定
只有鲜肉、腐肉、风干肉三种自然物
s1
s2
s3
S={实体}={s1, s2, s3}
熏肉设计:例
人类从存在的实体认识其特性,形成概念,
进行记忆和认识。换言之,人类具有将实
体按照共同特性进行分门别类的能力。
T1=s1,s2 = “随时间肉质变化”
T2={s2,s3} = “不能吃”
熏肉设计:例
T1T2=s1,s2s1=s1
“随时间肉质变化而且能吃”的肉
T1T2=s1,s2s2,s3=s2
“随时间肉质变化而且不能吃”的肉
T1T2=s3s2,s3=s3
“肉质不随时间变化而且不能吃”的肉
熏肉设计:例
WHAT
熏
肉
?
!
T1T2=s3s1= 
“肉质不随时间变化而且能吃”的肉
基本概念(二)
实体集合 所有实体的集合
属性 实体具有的各种物理和化学性质
功能 在某种环境下,实体的作用
基本概念(三)
实体概念
人们通过体验实体的存在而确立的概念
抽象概念
人们按照意义或价值对实体概念进行
分类所得到的关于各类的概念
抽象概念
抽象概念
功能概念
属性概念
关于设计的公理系
公理一:认识公理
人们可以通过属性、功能等认识或描述实体
公理二:对应公理
实体集合与(理想)实体概念集合为1:1对应
公理三:操作公理
抽象概念集合是实体概念集合的拓扑
公理与设计概念三角形
实体
认识公理
对应公理
抽象概念
实体概念
操作公理
关于设计的定义
设计要求
用户用抽象概念所指定的设计解的性质
设计解
包含在设计要求中,并拥有所有制造所需信
息的实体概念
设计
功能空间到属性空间的映射
设计
以功能概念为拓扑的
实体概念集合
以属性概念为拓扑的
实体概念集合
关于设计的定理
设计要求可用抽象概念集合的适当的
要素的积表示
设计解是属性概念集合中适当的要素
的积
3.2 公理论的设计过程
以关于人类智能的普遍得到承认的性质
为假说或法则,用演绎的方法推导关于
设计过程的定理。
关于设计过程的定理
在理想知识环境下,对应设计要求的详细化过程,
存在实体概念的要素的序列,并且收敛于一点
s2
T1
s1
T2 T1T1T2T1T2T3
s1 s2
s3
T3
s3
设计过程模型(一)
对应型设计过程模型
全数对应模型
计算模型
产生式模型
收敛型设计过程模型
范例模型
全数对应模型




计算模型
X1=f1(Y)
X2=f2(Y)
产生式模型
功能空间
属性空间
中间模型
生成规则
生成规则
范例模型
设计要求T1
设计要求T2
设计要求T3
N
满足要求
Y
Birfrodog
3.3 功能/机械解剖
用归纳的方法分析设计对象的功能/
机械结构。
3.4 设计实验学
思考单位
功 未知机械 未知机械本身功能表现 Fs
未知机械处理对象功能表现 Fo
能
表
已知机械本身功能表现
fs
现 已知机械
已知机械处理对象功能表现
fo
属 未知机械 未知机械本身属性表现 Ms
性
未知机械处理对象属性表现 Mo
表
现 已知机械 已知机械本身属性表现 ms
已知机械处理对象功能表现
mo
思考单位的推移
FsFs 设计要求的详细化
Fs  ms 由设计要求想起已有机械的属性
Ms  Ms 未知机械属性的详细化
ms  fs 已知机械的功能分析
fs  Fs 已知机械与未知机械的功能比较
Ms  Fs 未知机械的功能分析
设计过程模型(二)
功能属性推移模型
马尔可夫模型
流程模型
逻辑模型
认知模型
功能属性推移模型
功能
属性



马尔可夫模型
0.28
0.45
Fs
0.65
Ms
0.18
0.39
0.46
fs
0.03
0.14
0.32
ms
流程模型
设计要求
设计要求详细化
已知机械分析
比较
变更
决定
逻辑模型
总功能
分功能
分功能 分功能
子功能
子功能
分功能
子功能 子功能
认知模型
问题提出
展开
评价
提案
决定
第四节
Systematic Design Methodology
系统设计论
4.1 绪
论
设计的任务
运用科学知识求得技术问题
的解决方案,并在给定的材料、技
术、经济、社会、环境等约束条件
下对该解决方案进行优化
设计活动
从心理学角度看,设计是个创造活动,需要有
数学、物理学、化学、力学、热力学、流体力
学、电子学、生产技术、材料技术、和设计理
论等坚实的基础
从系统论角度看,设计是给定的目标在部分相
互矛盾的约束下的优化
从组织角度看,设计是原材料和产品加工和处
理的重要组成部分
设计的类型
原始设计:Original Design 25%
开发某技术系统的独创的原理方案
适应设计:Adaptive Design 55%
变更某已有系统使之适应新的变化
了的要求
变型设计:Variant Design 20%
改变系统的某些尺寸和布置
4.2 发展简史
Hanse(1965)
Determine the crux of your task
Combine the possible elements
Determine the shortcomings of
every solution
Select the best solution
Provide documentation to permit
practical evaluation
Roth(1968)
Task-formulation phase
Functional phase
Form design phase
Documentation phase
Algorithmic selection procedure
for design based on design catalogues
Rodenacker(1970)
Function of a machine
Physical process
Form design feature
Designing is a transformation of
information from the abstract to the
concrete
Designing is a reversal of physical
experiments
4.3 基本概念
基本概念(一)
技术系统及其构成
设备、装置、机械、部件、零件
系统、子系统、子子系统、…
基本概念(二)
功能
能量、物质以及信息(信号)的变换
能量
能量
物质
物质
信息
信息
基本概念(三)
功能构
造
能量
物质
信号
总功能
能量
物质
信号
子功能
复
杂
度
基本概念(四)
物理效应(Physical
Effect)
功能的实现伴随着物理现象的发生
功能是通过物理过程得以实现的
物理过程的发生基于物理效应
物理效应是用物理法则来表述的
基本概念(五)
物理原理(Physical
Principle)
物理原理 = 功能 + 物理效应
基本概念(六)
设计方案原理(Solution
Principle)
设计方案原理 = 物理原理 + 形态
子功能
物理效果 物理原理
设计方
案原理
4.4 设计过程
设计过程的主要步骤
产品的作用
明确任务
要求清单
概念设计
概念
实体化设计
形状结构
详细设计
文档
设计结果
•明确产品用途
•制订要求明细
•确定问题本质
•构建功能构造
•获得方案原理
•组合方案原理生成侯选方案
•评价方案
•初始结构和形状设计
•初始结构的评价与优化
•初始形状的优化
•零件明细表和生产方案生成
•完善详细结构与形状
•完成详细零部件图纸
•完善生产方案
•各种文档的检查
设计过程的主要步骤
被选择的任务
结构方案
任务
总体功能
子功能
设计方
案原理
原理组合
零件
零件形状
最终结构
零件
详细设计
概念
生产文档
4.5 概念设计
概念设计的任务
通过确定问题的本质,发现适当的设计
方案原理,组合形成设计方案。
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
确定问题本质
方法:对要求进行抽象化处理
抽象化(Abstraction)
忽视特殊的附带的方面
突出强调一般的本质的方面
抽象化处理过程
步骤1:排除个人好恶
步骤2:省略与功能和重要的约束条件无关
的项目内容
步骤3:将定量的数据转换成定性的描述,
减少数据量
步骤4:将前一步骤的结果一般化
步骤5:用不拘于问题的词句描述问题
抽象化处理示例
 容积:20l-160l
 容积有一定范围
 容器形状:未定
 容器形状多样
 容器高度:150mm-600mm
 连接方式多种
 油标与容器的连接在上部或侧面
 容器高度不一
 汽油或柴油温度:-25-65C
 液体的液面高度
 最大输出信号精度:±3%
随时间变动
 油的液面高度随时间变动
 容积有一定范围
 最小测量值:最大值的3%
 容器形状多样
 测量液体连续变化量
连续测量尺寸和形状都未定的容器中的
液体变化量
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
功能构造的建立过程
步骤1:确定总体功能,并用黑箱表示
步骤2:将总体功能分解成若干子功能
步骤3:确定子功能之间的逻辑(顺序)
关系
步骤4:确定特定子功能的输入/输出之
间逻辑关系
步骤5:确定能量、物质、信号的流向
间的物理关系
功能构造的建立示例
Edef变形能
Eload受载能量
测量实验片
受力与变形
实验片
S信号
变形后的实验片
力信号
变形信号
力信号
测力
Eload
S
实验片
测变形
能量变换成
力与运动
变形信号
Edef
给实验片加载
变形后的实验片
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
设计方案原理的寻找
针对各种子功能,寻找对应的设
计方案原理,并予以组合。
设计方案原理必须明确实现功能
的物理效应和形态
获得设计方案原理的方法
传统方法
文献检索
自然物分析
技术系统分析
类推
实验
直观方法
智暴法
635法
Delphi法
推理方法
物理过程的分析
分类表的系统利用
设计目录的利用
设计目录
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
设计方案原理的组合
形态学矩阵法
方案原理
p1
子功能
p2
…
F1
F2
…
Fi
…
Fn
组合2
组合1
pj
…
pm
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
选择合适的设计方案原理组合
原则1:满足任务和约束条件
原则2:满足要求
原则3:性能、结构实现的可能性大
原则4:在控制费用以内
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
侯选设计方案的确定
基于简化假设的粗略计算
描述结构、形状、空间的草图绘制
初步实验
模拟仿真
文献检索
市场调查
概念设计的步骤
要求清单
问题抽象化,确定问题本质
构建功能结构
探索实现子功能的设计方案原理
组合方案原理以实现总体功能
选择合适的方案原理组合
确定侯选方案
概念
侯选方案评价
第五节
Design Principles
设计原理
5.1 绪
论
问题
设计优劣的基本标准?
指导产生好的设计的原则?
5.2 基本概念
基本概念(一)
设计 从功能领域到实体领域的映射
完整地描述特定需求的
必要功能
最少而且独立的功能FR
设计参数 完整地描述实现必要功能
的物理实体的参数DP
约束条件 可接受的设计解的边界条件
基本概念(二)
必要功能
层次构造
金属切削
调速 工件夹持 刀具定位 …
设计参数
层次构造
车床
主轴箱 卡盘
刀架
…
基本概念(三)
信息量
实现某个特定必要功能所需知识的测度
与实现某个特定必要功能的概率密切相关
I=log2(1/p)
设计
mapping
{CAs}
C u stom e r
dom ain
mapping
{FRs}
Fu n ction al
dom ain
mapping
{DP s}
{P Vs}
Ph ysical
dom ain
Proce ss
dom ain
5.3 设计公理
第一设计公理
独立公理
保持必要功能的独立性
The Independence Axiom
Maintain the independence of FRs
第一设计公理
独立公理涉及必要功能和设计参数间的关系
含义:
在设计过程(功能域向实体域的映射)中,当
确定满足必要功能的设计参数时,必须确保设
计参数的变化只会影响相应的必要功能。
第一设计公理
替代命题 1:
好的设计总是保持必要功能的独立性
替代命题 2:
在可接受的设计方案中,设计参数的选择总是
使得某个特定的设计参数只满足相应的必要功
能而不影响其它必要功能。
第二设计公理
信息公理
设计信息量最小化
The Information Axiom
Minimize the information contents
of the design
第二设计公理
替代命题:
最佳设计是必要功能保持独立而且信息量
最小的设计。
第二设计公理
信息公理涉及设计复杂程度
含义:
在所有满足设计公理的设计方案中,信息量
最小的设计是最佳设计。
5.4 设计的分类与表达
设计分类
独立设计
Uncoupled design
干涉设计
Coupled design
准独立设计
Decoupled design
设计方程式
{ FR } = [ A ] { DP }
{ FR } :必要功能矢量
{ DP }:设计参数矢量
[ A ] :设计矩阵
FRi = Aij DPj
设计矩阵
[ A ]
A11 A12 … A1n
A21 A22 … A2n
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Am1 Am2 … Amn
Aij=0: FRi与DPj不相关
Aij0: FRi与DPj相关
独立设计的表达
Aij0, 当i=j
Aij=0, 当ij
设计矩阵为对角矩阵的设计为独立设计
FR1=A11DP1
FR2=A22DP2
FR3=A33DP3
干涉设计的表达
大多数Aij0
FR1=A11DP1+A12DP2+A13DP3
FR2=A21DP1+A22DP2+A23DP3
FR3=A31DP1+A32DP2+A33DP3
准独立设计的表达
Aij0, 当ij;Aij=0, 当ij
Aij0, 当ij;Aij=0, 当ij
设计矩阵为三角矩阵的设计为准独立设计
FR1=A11DP1
FR2=A21DP1+A22DP2
FR3=A31DP1+A32DP2+A33DP3
5.5 设计公理的推论
推论1
干涉设计的独立化
Decoupling of Coupled Design
如果在设计方案中必要功能相互
干涉,对设计方案进行分解,从
而实现独立化。
推论2
减少必要功能数目
Minimization of FRs
尽量减少必要功能和约束条件
的数目。
推论3
零件的集成
Integration of Physical Parts
在必要功能能够独立地得到实现
的设计方案中,尽可能将设计特
征集中到单个物理零件上。
推论4
标准化原则
Use of Standardization
使用与必要功能和
约束条件匹配的标
准件或可互换零件。
推论5
对称性原则
Use of Symmetry
使用与必要功能和约束条件匹配
的对称形状或布置。
推论6
最大公差
Largest Tolerance
在表述必要功能时,指定最大
允许公差。
推论7
信息量更少的独立设计
Uncoupled Design with Less Information
在满足必要功能的前提下,寻找
比干涉设计所需信息量更少的独
立设计。
5.6 设计定理
定理1
设计参数不足造成的干涉
Coupling Due to Insufficient Number of DPs
当设计参数的数目小于必要功能的数目时,
或者得到了一个干涉设计,或者有的必要功
能无法实现。
FR1=A11DP1+A12DP2
FR2=A21DP1+A22DP2
FR3=A31DP1+A32DP2
定理2
干涉设计的独立化
Decoupling of Coupled Design
如果一个干涉设计源于必要功能数目大于
设计参数的数目,而且设计矩阵的子矩阵
构成三角矩阵时,通过增加新的设计参数
使两者数目相等并且使整个设计矩阵形成
三角矩阵,干涉设计可以变成非干涉设计。
定理3
冗余设计
Redundant Design
如果设计参数的数目大于必要功能数目,所
得到的设计或者是冗余设计或者是干涉设计。
FR1=A11DP1+A12DP2+A13DP3
FR2=A21DP1+A22DP2+A23DP3
定理4
理想的设计
Ideal Design
在一个理想的设计中,设计参数的数目等于
必要功能数目。
定理5
重新设计的条件
Need for new Design
当给定的必要功能集合中,新增一个必要功能,
或者替换一个功能,或者整个必要功能集合发
生变化时,由原来确定的设计参数描述的设计
方案不可能实现新的必要功能。此时,需要寻
找新的设计方案。
定理6
独立设计的
设计参数决定顺序的独立性
Path Independence of Uncoupled Design
独立设计的信息量大小与为实现必要功能确定
设计参数的顺序无关。
定理7
干涉与准独立设计的
设计参数决定顺序的非独立性
Path Dependence of Coupled and Decoupled Design
干涉设计或准独立设计的信息量大小取决于
设计参数的确定顺序。
5.7 设计公理应用事例
设计公理在实际设计中的应用
第一设计公理用于指导确定设计
参数,获得设计方案;
第二设计公理用于指导设计方案
的评价与选优。
设计公理在实际设计中的应用
首先根据第一设计
公理,寻找独立设计;
在获得若干个独立设计
之后,再根据第二设计
公理,确定最佳设计。
能否有效地运用第
一设计公理是衡量设计
人员是否富于创造性的
标志。
FR2
FR1
FR4
FR3
第一设计公理
DP11 DP21 DP31
DP12
DP22 DP32
第二设计公理
DP21 DP23
DP22 DP24
应用事例1
冰箱
冰柜
应用事例1
必要功能相同,设计参数不同,
冰箱与冰柜,哪个产品设计更佳?
FR1 = 保温(防止冷气外逸)
FR2 = 存取物品
应用事例1
冰箱
DP11=垂直门
DP12=箱体
冰柜
DP21=水平门
DP22=箱体
应用事例1
冰箱
FR1
FR2
A11 A12
A21 0


冰柜
FR1
FR2
0 A12
A21 0


 =
 =
DP11垂直门
DP12箱体
DP21水平门
DP22箱体
应用事例2
opener
 =
FR1
FR2
A11 0
0 A22
FR1=起瓶塞
FR2=起瓶盖
 
DP1
DP2
DP1=尖头形状
DP2=凸翘结构
应用事例3
注塑设备
应用事例3
FR1=塑料熔液流量
FR2=塑料熔液温度
 =
FR1
FR2
DP11=螺旋转速
DP12=烘筒温度
A11 A12
A21 A22
 
DP11
DP12
应用事例3
应用事例3
FR1=塑料熔液流量 DP21=齿轮泵
FR2=塑料熔液温度 DP22=单螺旋挤压设备
 =
FR1
FR2
A11 0
A21 A22
 
DP21
DP22
应用事例4
柜员机ATM
FR1=分离钞票
FR2=传送钞票
FR3=检验钞票
FR4=收集钞票
应用事例4
钞票分离机构设计
应用事例4
钞票分离机构设计
FR11=对顶张钞票施加前向力
FR12=对下一张钞票施加后向力
应用事例4
钞票分离机构设计
应用事例4
钞票分离机构设计
第六节
TRIZ
创新设计
TRIZ ?
Theory of Inventive Problem Solving






Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch
First patent certificate at age 14
Started working on TRIZ ideas in
1946
studying patents for Russian Navy
Wrote a paper on Theory in 1947
Sent to Gulag for 7 years.
Continued work 1954-85.
Over 2 million patents analyzed.
Moved towards psychological aspects
after 1985. Total effort 1946-1990
circa 1500 person-years
Some of Altshuller’s co-researchers
move to West following fall of Iron
Curtain
Background: TRIZ
4 Key Discoveries
1.
2.
3.
4.
The same problems and
solutions occur again and again
across different industry sectors
and professions
The strongest solutions identify
and eliminate conflicts
The strongest solutions turn
Genrich
threats into useful resources
Market and technology trends
Altshuller
are highly predictable
(1926-1998)
Background: TRIZ Philosophy
Generic
Problem
Access
Generic
Solution
World
Specific
Problem
Evaluation
Specific
Solution
Me / My Company
基本概念
技术系统
实现某种功能的,具有一个或多个子系统的系统。
理想度(Ideality)法则
任何技术系统始终趋向更可靠、更简单、更有效,等等,
总之,趋向更理想。
All technical systems evolve towards ideality.
Ideality =
Benefits
Costs + Harms
基本概念
技术矛盾
(Technical Contradiction)
改善某个特性或参数将导致另外
的特性或参数劣化。
物理矛盾
(Physical Contradiction)
外
壳
开
洞
温度高
温度低
增
减
零件结构强度
盛
金属容器
同一元素要求具备两种相反的属性。
?
零件散热效能
酸
蚀
基本概念
功能模型:物-场模型
功能分解为两种物质及一种场。技术系统功能的实现指
物质之间的相互作用促使功能向期望的方向转变。
物质相互作用使用的能量
F
S1
受控物质
S2
控制工具或物质
TRIZ方法论的发展
Algorithm for Problem Solving
1) Define the problem
List all requirements and constraints
We want this but we can’t because of
this. We get this because of this.
2) Create Ideal Final Result (IFR)
Eliminate the deficiencies
Preserve the advantages
Not more complicated
No new disadvantages
3) Determine the differences
6) Determine Input Parameters
Use 2 of 39 or other parameters
7) Physical Technical Contradiction
Convert between the two contradictions
If Technical then use Contradiction Matrix
8) Determine General Solution
Use 40 Inventive Principles
Compare original system with IFR
4) Create Ideality Equation
List differences as Benefit, Cost,
Harmful
5) Determine Contradictions
Technical or Physical contradictions
9) Examime Solutions
Convert generic solutions to specific
Does solution increase Ideality?
No – go to step 5
Does solution solve the problem?
Yes – IMPLEMENT
Identify Ideal
Final Result (IFR)
Use 39 Parameters
Physical Contradiction
Want A and
Compare/Contrast
Existing system with IFR
Establish
Ideality Equation
(Σuseful/Σharmful)
Solving a Problem with TRIZ
Convert
Define Technical System
(Function Model)
Technical Contradiction
B: C
Separation Principles
Contradiction Matrix
Solutions
No
Problem
Solved?
Identify system
level contradictions
Yes
Compare solution Ideality
with Existing system
Create System Model
Compare with IFR
Substance-Field
(Su-Field) Algorithm
Identify contradictions at subor super-system level
Implement
39 Parameters
1. Weight of moving object
2. Weight of stationary object
3. Length of moving object
4. Length of stationary object
5. Area of moving object
6. Area of stationary object
7. Volume of moving object
8. Volume of stationary object
9. Speed
10. Force
11. Stress, pressure, or tension
12. Shape
13. Stability of the object's composition
14. Strength
15. Duration of action by a moving object
16. Duration of action by a stationary object
17. Temperature
18. Illumination intensity, brightness, etc.
19. Energy used by moving object
20. Energy used by stationary object
21. Power
22. Loss or waste of Energy
23. Loss of substance
24. Loss of Information
25. Loss of Time
26. Amount of substance/matter
27. Reliability
28. Measurement accuracy
29. Manufacturing precision
30. External harm affects the object
31. Object-generated harmful
factors
32. Ease of manufacture
33. Ease of operation Simplicity
34. Ease of repair
35. Adaptability or versatility
36. Device complexity
37. Complexity of control
38. Extent of automation
39. Productivity
40 Inventive Principles
1. Segmentation
2. Taking out (Extraction)
3. Local quality or conditions
4. Asymmetry
5. Combining or merging
6. Universality
7. Nesting
8. Counterweight
9. Preliminary counter-action
10. Preliminary action
11. Cushion in advance
12. Equipotentiality
13. Inversion or ‘the other way round'
14. Spheroidality - Curvature
15. Dynamics
16. Partial or excessive actions
17. Moving to another dimension
18. Mechanical vibration
19. Periodic action
20. Continuity of useful action
21. Rushing through or skipping
22. "Blessing in disguise" or "Turn
Lemons into Lemonade"
23. Feedback
24. Mediator or intermediary
25. Self-service
26. Copying
27. Cheap short-lived object instead
of expensive durable one
28. Replace mechanical system
29. Pneumatics or hydraulics
30. Flexible shells or thin films
31. Porous materials
32. Change the color
33. Homogeneity
34. Rejecting and regenerating parts
35. Transformation of physical or
chemical states of an object
36. Phase transitions
37. Thermal expansion
38. Strong oxidants
39. Inert atmosphere
40. Composite materials
Contradiction Matrix
Worsening
Feature
Improving
Feature
TechOptimizer
TechOptimizer
发现
问题
产品创新
周期
功能分析
特征转移
TechOptimizer
产品创新
周期
科学原理检索
技术预测
方案
生成
TechOptimizer
方案
评估
产品创新
周期
网络助手
TRIZ knowledge base
Pro/Innovator(亿维迅公司)
产品介绍
TRIZ事例
目標: 提升機翼升力
1.問題
2.衝突表
方法: 增加機翼面積
新問 機翼重量增加
題:
3.解答
美國專利
US04648571
惡化
改善
參數1
參數5
原理2:提煉
移
動
件
面
積
移動件重量
原理17 :移至新維度
原理29 :氣壓或液壓
原理4 :非對稱
TRIZ事例
TRIZ事例
問題:
刀把剛性與
定位精度衝突
CNC刀把設計
解決:
引用彈性鋼球
更多的TRIZ应用
日本三菱公司等
关于TRIZ的认识
只支持方案概念的生成
只提示解决问题的线索
没有相关专业的知识,再多的线索也没用
方案概念的试验验证与评价需要时间
第七节
Concurrent Design
并行设计
传统的串行产品开发模式的弊端
并行工程的提出
 日本:60年代丰田汽车公司的并行
工程实施
 美 国 : 1987 年 DARPA(Defense
Advanced Research Plan Agency)
的DICE计划提出
并行工程提出的技术背景
计算机网络和数据库技术:CSCW
仿真技术:分析手段
CAX技术的成熟:产品开发支持手段
并行工程的定义
The simultaneous development of
product and process
Concurrent engineering is a systematic approach to the
integrated, concurrent design of products and their related
processes, including manufacturing and support.
This approach is intended to cause developers, from the
outset, to consider all elements of the product life cycle from
conception through disposal, including quality, cost,
schedule and user requirements. --IDA Report R-338
Sequential engineering VS
Concurrent engineering
Conceptual
Design
Product
Engineering
Process
Engineering
Conceptual
Design
Assembly/
Inspection
Maintenance/
Training
Sequential Engineering
Product
Engineering
Process
Engineering
Concurrent
Engineering
Assembly/
Inspection
Maintenance/
Training
Time savings
串行工程
并行工程
相关概念
Concurrent engineering
Simultaneous engineering
Concurrent design
Product lifecycle design
Integrated product and process design

并行工程的主要内容
并行工程的三要素
协作
技术
Collaboration Technology
过程
Process
集成用户界面及界面管理系统
DFX
CAX
界面管理
工具
QFD
应用工具封装集成
协调
冲突管理与仲裁控制
PDM集成框架
管理
IPT的组织
与管理
资源信息
管理
产品信息
管理
过程信息
管理
…
数据库
信息
网络、通讯、多媒体会议系统
环境
并系
行统
工框
架
程
并行工程团队的建立
职能部门制
矩阵管理组织
集成产品开发团队IPT
过程管理
过程建模
产品模型
组织模型
过程分析
信息流分析
可靠性评价
工作流模型
过程重组
任务管理
组织重组
工作流重组
实时监控
资源重组
资源模型
效益评价
动态模拟
任务定义
产品数据管理
图纸管理
文档管理
工作流管理
CAx
Design
AutoCAD
BOM管理
零件基本数据管理
全局接口
Solidworks
Pro/Engineer
CAPP
FEM
NCP
NT
数据库
网络
SQL Server 6.x
Windows
Sybase ...
Novell ...
MRPII
PMIS
...
冲突管理
冲突避免
冲突检测
冲突解决
QFD
质
量
功
能
配
置
Quality Function Deployment
DFX: Design for X
面向产品生命周期的设计
Design:-产品设计
-过程设计
X:-装配、加工、维护、报废、回收等环节
-质量、成本、时间、生产率等竞争因素
DFX分类
Ability
DFMp


DFManufacture
加工
DFAr
DFAp

DFAssembly
装配
DFIe
DFIr
DFIp

DFInspection
检验
DFRt
DFRe
DFRr
DFRp

DFRecycling
回收
DFSc
DFSt
DFSe
DFSr
DFSp

DFService
维修









DFX
全周期
质量
成本
时间
环境
可靠性
生产率
DFMq
DFMc
DFMt
DFMe
DFMr
DFAq
DFAc
DFAt
DFAe
DFIq
DFIc
DFIt
DFRq
DFRc
DFSq

DFQ
DFCost DFTime
DFE
DFRelibility DFProductivity
综合能力
x
并行工程实施实例
昌河汽车并行工程CACE
工作报告
新大洲摩托车并行工程
江汉石油钻头股份公司并行工程
The End
完

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