《精编》现代设计规划学

1、现代设计学 二00二年十月 机械设计及理论学科概述智能设计和优化设计现代设计理论和方法 系统设计论 并行设计虚拟现实和虚拟设计 制造面向生命周期的设计 绿色设计机械多体系统动力学分析 现状 软件 应用机电系统动态设计 现化设计学内容 现代设计学教学安排 2002博士生用 注 1 1 5 部分写一份综合报告 交钟毅芳 6 7 部分写一份综合报告 交廖道训 黄其柏 蔡敢为 2 上课时间 6 17周星期四1 4节 现代设计学 第1讲 机械设计及理论学科概述二00二年十月 机械设计及理论学科概述 现代制造业的特点 机械设计及其在产品开发过程中的地位 机械设计的学科体系与相关学科 机械设计及理论学科发展方向 一 现代制造业的特点 制造业环境的变化 制造业环境变化的主要表现 产品生命周期缩短交货期成为主要竞争因素大市场和大竞争用户需求多样化多品种小批量生产比例增大 现代制造业的特点 现代制造的业生产必须满足T Q C S E的要求 现代制造业的T Q C S E T Time 时间 产品开发的生命周期 交贷期 Q Quality 质量 C Cost 成本 S serve 服务 E Eevironm

2、ent 环境 时间 竞争的决定性因素 质量是产品的生命线 质量 功能 性能 不必要功能 必要功能 过乘功能 基本功能 辅助功能 Q Quality 质量 降低产品的成本 是一个永恒的课题 产品的寿命周期成本 包括制造成本和使用成本 在产品设计过程中就已大体确定 产品成本的80 左右在设计阶段就已基本确定 产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有70 被决定 到基本设计 详细设计结束时分别有85 和95 的成本业已被决定 而生产以后的阶段只决定5 左右的成本 C Cost 成本 产品全生命周期成本决定比例及降低成本概率示意图 S serve 服务 产品制造的宗旨 最大限度地满足用户的要求 服务包括 需求服务用户参与开发售后服务产品回收 环境 可持续发展问题 可持续发展定义 满足当代人的需要 又不对子孙后代满足其需求的能力构成危害的发展 实质 可持续发展的核心 保护环境和合理利用资源 E Eevironment 环境 21世纪产品的特征 现代制造业发展的重要特征 全球化数字化网络化集成化并行化虚拟化 产品设计产品设计过程产品设计在产品开发过程中的地位 二 机械设计及其在产品开发过程中的地位

3、产品设计是从需求出发寻求设计解 产品 的过程 包括 产品概念设计 详细设计 工艺设计 NC代码等 产品设计的核心问题是 创新设计 设计自动化和可持续发展的产品设计问题 产品创新是为达到企业经营目标 创造具有市场竞争优势商品的过程 设计自动化技术则是基于产品设计基本理论而发展的产品设计过程自动化系统技术 可持续发展的产品设计是指在产品及其全生命周期设计中 充分考虑资源和环境的影响的设计 产品设计 需求 含潜在的需求 的确认 技术可能 含联想到的可能解 扫描 矛盾统一设想 概念 的产生 经济 技术分析 贯穿全过程 设想的优选和确认 结构的优选和确认 材料的优选和确认 加工过程的优选和确认 研究产品设计过程系统行为的基本规律被称之为产品设计基本理论 它是研究设计人员在设计过程中的思维 行为规律 研究设计理论的目的是为发展新一代计算机辅助设计技术奠定理论基础 这种新的计算机辅助设计技术可帮助企业高效率与高质量地寻求产品设计解 而现今的CAD技术只能解决产品的二维 三维的描述 而不是真正意义上的辅助产品设计 产品设计过程 产品设计系统过程 产品设计在产品开发过程中的地位 产品设计是产品开发过程中

4、最重要的环节之一 占据着极为重要的地位 降低产品的成本 是一个永恒的课题 产品的寿命周期成本 包括制造成本和使用成本 在产品设计过程中就已大体确定 产品成本的80 左右在设计阶段就已基本确定 产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有70 被决定 到基本设计 详细设计结束时分别有85 和95 的成本业已被决定 而生产以后的阶段只决定5 左右的成本 数字化 D 网络化 N 敏捷化 A 现代设计的特点 三 机械设计的学科体系与相关学科 学科体系领域产品设计设计理论与方法对设计的支持设计环境与工具对设计的支持相关学科 设计理论与方法 研究产品设计过程的基本规律 目的 力求产品的优化与创新 支持产品设计的环境与工具支持产品设计全过程的CAD系统 分析 优化设计 造型 支持产品并行设计的CAD系统支持产品异地协同设计的CAD系统支持产品设计过程管理的PDM系统其它 机构及其零部件设计 领域产品 飞机 汽车 机床 设计 领域设计理论和知识专业机械设计理论和知识 如 汽车设计理论 机床设计理论 飞机设计理论等 现代设计方法论 优化设计 智能设计数字化设计并行设计 虚拟设计 仿生设计 可靠性设计 模块化设

5、计 反求设计等 设计过程的组织与管理 设计过程的组织与管理模式 设计过程的组织结构 设计过程建模 设计过程信息的传递与共享 异地设计过程的组织与管理等 整机设计 系列设计 基础设计理论和知识 弹塑性力学理论 摩擦 磨损和润滑理论 机械运动学和动力学理论 基础零部件设计理论与方法 学科体系 相关学科 四 机械设计及理论学科发展方向 领域机械设计理论和方法 机械基础设计理论和方法 现代设计理论和方法 信息集成与设计过程管理 设计过程的支撑技术 数字化设计理论与技术 1 领域机械设计理论和方法 成套设备设计 大型机械设备设计 复杂机电系统设计的理论和方法 微型机械设计理论和方法 环保机械设计理论和方法 支柱产业机械设计理论和方法 军工机械设计理论和方法 机器人机械学 成套设备设计 大型机械设备设计 复杂机电系统设计的理论和方法 成套设备设计的理论和方法 大型工业机械系统的力学行为 控制与仿真的理论和方法 复杂机电系统设计理论方法 复杂机电系统全局耦合机理与系统功能生成 复杂机电系统耦合设计理论和并行设计方法 复杂机电系统过程虚拟运行与工况控制 微型机械设计理论和方法 微结构设计及其基础理论

6、微机械设计及其基础理论 微机械材料 微细加工 微装配和封接 微系统控制 微机械 1 10mm 微小型机械 1 m 1mm 微机械 1nm 1 m 纳米机械 微机械基础技术 微小型机械与精密机械 微机械 微机械是指可以批量制作的 集微型机构 微型传感器 微型执行器以及信号处理和控制电路 直至接口 通讯和电源等于一体的微型机电系统 日本惯称之为微机械美国惯称之为MEMS 微机械 微机械分类 微机械分类 未来微机械应用将主要集中在IT和生物技术工程上 需要积极发展微机械与信息 生物技术的结合 微机械在IT 生物医疗和工业等领域里的潜在应用有 虚拟现实技术激光计算机DDS 数据电视数字服务 系统微工厂纳米级的微机器人的研制 微机械应用 微机械的研究内容 微机械的研究进展 国外 微机械的研究进展 国内 微机械的研究方向 微机械的研究方向 微机械的研究方向 随着微机械的发展 目前将微机械零部件 光学元件以及控制电路集成在同一芯片上的制作方法将受到挑战 功能部件由不同的材料组成 微机械内部形成空腔 微机械部件由不相容过程组成 这就限制了传统的集成在同一芯片上的方法制成复杂的微机械部件或微机械系统 为

7、了更灵活地制作复杂的微机械系统 微机械的组装是必不可少的 微机械的组装 微机械的部件组装属于微操作 具有很高的精度 难度很大 而且 部件材料轻 薄 脆 极易损坏 因而 提高实际组装成功率就十分重要 虚拟环境为操作者提供了一个操作预演的环境 操作者可以通过虚拟环境中拟实组装增加操作经验 从而 提高实际操作的成功率 虚拟环境下的拟实组装 微机械的组装包括互相独立的3个步骤 微机械部件的制作 部件的对准 Alignment 和部件的焊接 Bonding 对准过程是拟实组装的中心问题 拟实组装从微机械部件设计完成开始 到焊接成功结束 虚拟环境中拟实组装操作具体步骤 机器人机械学 特种机器人 工业机器人 医用机器人 并联机器人 自行式智能机器人 等的设计理论和方法 机器人运动学 动力学及控制 现代先进机器人技术 冗余度空间机器人多臂协调 可重构模块化机器人技术 微操作机器人技术 机器人智能化及其应用 工业机器人的智能化及其工程应用 微机器人及应用 微机器人系统由四大部分组成 即驱动装置 控制系统 行走机构和操作器 根据目前微机器人移动形式和所处的环境大致可以分为三大类 行走型机器人 管道机器人

8、人体管道医疗机械 微机器人的组成 行走机器人主要有轮式和足式二种 瑞士制造的轮式微机器人 尺寸为22 20 19mm 通过二个微马达驱动轮子来行走 美国麻省理工学院研制的足式微机器人 有6条相同的腿 每条腿有两个驱动器 一台马达控制升降 另一台马达控制前进和后退 日本Denso公司研制的管道机器人可以在 10mm以下的管道内爬行和垂直运动 在我国 上海大学研制的电磁式移动微机器人 尺寸为 15 30mm 可以在 20mm的管道内移动 微型管道机器人 微型机器人在农业 核工业 医学 军事和航空等领域里有着广泛的应用 在农业上 可以用来杀灭害虫 定点洒农药 在核工业上 可以用来处理核电站事故 进行设备维修以及对核燃料进行处理 在医学上 医用微型机器人的研究正在不断取得展 瑞典科学家初步研制出一种新的超微型机械人 尺寸只有0 5 0 25mm 将来有可能放入人体的血管运行 帮助抽出不正常的细胞或检视细菌 在军事上 可以用于军事要地的报警 防卫战略要地等 可以攻击敌人的重要设施 实现定点爆破 可以深入敌后获取重要的军事情报 在航天上 发射微型卫星可以大大降低卫星的成本和发射费用 微型机器人的应

9、用 超微型机械人 微型机器人的研究趋势 a 无缆化方向的发展 微型机器人的能源供给有两种形式 一种是有缆 一种是无缆 现在研究的微型机器人大多是通过有缆控制的 这种能源供给方式比较简单 方便 但限制了微机器人的移动距离和行走路径 而无缆能源供应就不会有这些方面的影响 可以让微机器人沿着任何路径移动 这方面的研究仅仅处于试验阶段 日本Denso公司利用微波进行无缆供能 开发了如图5所示的15mm无缆管道微机器人 可以用来检测管道狭窄处的微裂缝 b 智能化方向的发展 智能机器人是指具有感知 思维和行动功能的机器 可以自主地完成较为复杂的操作任务 比一般的工业机器人具有更大的灵活性和更广泛的应用领域 当处于特殊环境中时 可以在没有人干预和控制的情况下完成特殊任务 c 纳米级尺寸的发展 随着纳米技术的发展 科学家们预测将来地球上将会活跃着大量的微型机器人 甚至是纳米级机器人 在科学家设想中 可以向人体血液中注射一些纳米级机器人 可以用来治疗心脏病等 无缆管道微机器人 环保机械设计理论和方法 水处理设备 废渣处理设备 江 河 湖 泊 水库梳浚和清淤的成套机电设备 机电产品绿色设计的基础理论 设计

10、技术及工具 城市垃圾处理设备 支柱产业机械设计理论和方法 农业机械设计理论和方法 冶金机械设计理论和方法 运输机械设计理论和方法 工程机械设计理论和方法 建筑机械设计理论和方法 加工机械设计理论和方法 轻工机械设计理论和方法 军工机械设计理论和方法 军用工程机械现代设计理论和方法 军用工程机械特种作业装置设计 军用舰艇设计理论和方法 航天 航空装备现代设计理论和方法 2 机械基础设计理论和方法 摩擦学 机械动力学 现代机构学 典型零部件设计理论和方法 机械的损伤和强度理论 摩擦学 摩擦 磨损 润滑 现代摩擦 磨损和润滑理论 典型摩擦副摩擦学设计理论与方法 材料抗磨 减磨性能 微动摩擦学 生物与生态摩擦学 减摩 耐磨理论及技术 表面改性材料摩擦学理论和技术 摩擦学测试技术和方法 机械动力学 强非线性多自由度机械系统动力学 机电耦合系统非线性动力学 振动的利用与控制工程 振动利用工程学 机电系统的振动与运动控制 大型复杂转子系统动力学 微机械系统动力学 时变多体系统非线性动力学 机械系统动态性能及低噪声设计 机器人运动学 动力学 机械动力学 机械动力学研究的几个主要方面 动力学建模动力学分

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