基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、伴隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，使得企業(yè)生存面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，企業(yè)迫切需要一套切實(shí)可行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法來(lái)加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，研制出高質(zhì)量的產(chǎn)品。無(wú)論是新產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)，還是老產(chǎn)品的改造都離不開(kāi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，而高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)，最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品質(zhì)量的“靈魂”。因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)可賦予某種產(chǎn)品“先天特優(yōu)、先天良好、先天一般和先天不足”這些至關(guān)重要的本質(zhì)特性。

2、 產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種建立在知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性勞動(dòng)，設(shè)計(jì)的目的就是尋求一種滿足用戶(hù)、企業(yè)及社會(huì)所提出的質(zhì)量要求的最佳方案，這是一種復(fù)雜的思維過(guò)程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般表述為以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的演繹、歸納的設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，需要探求以科學(xué)原理為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論是研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程、規(guī)律及設(shè)計(jì)中思維和工作方法的一門(mén)綜合性學(xué)科。產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再是依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和靈感的創(chuàng)造藝術(shù)，而逐步演變?yōu)橐婚T(mén)科學(xué)，以知識(shí)為依托，以科學(xué)方法為手段的工程創(chuàng)新

3、活動(dòng)?？茖W(xué)合理的設(shè)計(jì)方法是產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的保障。 為了尋找科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外科技工作者進(jìn)行了大量的研究工作，提出了各種各樣的設(shè)計(jì)方法。其中，比較著名的有發(fā)明問(wèn)題解決理論仃heory of InventiveProblem Solving，TRIZ)、公理化設(shè)計(jì)理論(Axiomatic design，AD)、Tagnchi方法、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)(Design for x，DFX)、并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等等。這

4、些理論與方法多數(shù)是在不同的條件下相互獨(dú)立地提出的，各有所長(zhǎng)和各自的適用條件。但設(shè)計(jì)理論并未成熟，完善已有的設(shè)計(jì)理論，提出更有應(yīng)用前景的設(shè)計(jì)理論，在工業(yè)界推廣已有的設(shè)計(jì)理論等一直是設(shè)計(jì)理論界迫切需要研究的課題。此外，由于目前機(jī)械設(shè)備的多樣性與復(fù)雜性，以及各種設(shè)計(jì)方法目標(biāo)與研究?jī)?nèi)容的局限性，要想用一種設(shè)計(jì)方法全部概括所有設(shè)計(jì)內(nèi)容，全面地實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的總體質(zhì)量的要求，這是十分困難的。如果把對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量有決定性影響的少數(shù)幾種方法綜合起來(lái)，再

5、根據(jù)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特殊性，選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。那么就有可能開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、低成本、有價(jià)值的新產(chǎn)品。我們研究綜合設(shè)計(jì)法的目的就在于此。 應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)法進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，會(huì)面臨著如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①如何從眾多的設(shè)計(jì)法中確定合適的設(shè)計(jì)方法作為綜合設(shè)計(jì)法的基本內(nèi)容。②如何協(xié)調(diào)幾種設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)系。③如何在不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)方法。聞邦椿院士根據(jù)他多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的1+3+X綜合

6、設(shè)計(jì)法(其中1為功能優(yōu)化設(shè)計(jì)；3為將動(dòng)態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視優(yōu)化結(jié)合在一起的設(shè)計(jì)法，或稱(chēng)“三化”或“三優(yōu)”設(shè)計(jì)法；X為對(duì)有某種特殊要求產(chǎn)品需要采用特殊的設(shè)計(jì)方法)，對(duì)于其它的一些設(shè)計(jì)方法由設(shè)計(jì)者依據(jù)自己所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)選用設(shè)計(jì)手冊(cè)或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)直接或間接地予以考慮，而對(duì)某一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量基本上沒(méi)有影響的設(shè)計(jì)方法可以不予考慮。 本文在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)工程的基本觀點(diǎn)出發(fā)，探討了基于系統(tǒng)工程的面向產(chǎn)品廣義綜合質(zhì)量的產(chǎn)品全功

7、能全性能優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)法，主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃模型本文應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和分析方法建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃模型。應(yīng)用系統(tǒng)工程中的霍爾三維結(jié)構(gòu)從時(shí)間維、空間維和邏輯維來(lái)確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮的子塊；應(yīng)用系統(tǒng)工程理論中的計(jì)劃評(píng)審方法進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)劃。探討了產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃的應(yīng)考慮的問(wèn)題。闡述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃應(yīng)考慮的以下幾個(gè)問(wèn)題：1)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法；2)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想；

8、3)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)；4)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)境；5)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)內(nèi)容；6)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。并在振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)規(guī)劃中得到了應(yīng)用。 (2)建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模型文中將產(chǎn)品設(shè)計(jì)納入系統(tǒng)思維和系統(tǒng)操作的過(guò)程，建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模型，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程基本上劃分為五個(gè)主要階段。1)從用戶(hù)需求入手，提出功能需求的產(chǎn)品定義階段。2)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能優(yōu)化為目標(biāo)產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段。3)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能優(yōu)化為目標(biāo)的產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。4

9、)以完成產(chǎn)品制造為目的的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)階段。5)以產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)為目標(biāo)的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)階段。在產(chǎn)品定義階段，應(yīng)用模糊聚類(lèi)技術(shù)進(jìn)行客戶(hù)需求分析和客戶(hù)群的劃分。從而為制定產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想提供依據(jù)。針對(duì)不同的客戶(hù)需求，定義不同的產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品定義，應(yīng)用系統(tǒng)工程中的黑箱理論建立產(chǎn)品總功能并應(yīng)用FAST功能樹(shù)的方法建立產(chǎn)品功能矩陣，確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，從系統(tǒng)工程方法論的整體性、目標(biāo)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)性、分解綜合基本原則出發(fā)，進(jìn)行了產(chǎn)

10、品設(shè)計(jì)方法的選擇。 (3)建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法模型通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的研究分析，提出了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品全功能全性能優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)法。避免單一設(shè)計(jì)方法的局限，又能將有限的設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)的、有機(jī)的連為一體，進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全功能全性能優(yōu)化目標(biāo)。 基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品全功能全性能優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)法它主要包括以下幾方面的內(nèi)容： 產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)：即以動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以機(jī)器運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)

11、算為內(nèi)容，以廣義優(yōu)化為手段的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 產(chǎn)品的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)：即以智能控制理論為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)、工作過(guò)程最優(yōu)化為目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理參數(shù)、工藝參數(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)的綜合優(yōu)化?？梢暬O(shè)計(jì)：即通過(guò)虛擬的實(shí)用性較強(qiáng)的虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該種技術(shù)除了可在虛擬的環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品的可制造性、可裝配性等進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，還可對(duì)設(shè)備工作過(guò)程的功能進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。 (4)本文以振動(dòng)篩分機(jī)械為研究對(duì)象，應(yīng)用上述產(chǎn)

12、品設(shè)計(jì)的三個(gè)模型，對(duì)振動(dòng)篩分機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的規(guī)劃。分析了振動(dòng)篩分機(jī)械的功能和性能，應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)法的思想對(duì)振動(dòng)篩分機(jī)械進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 在振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)分析中，通過(guò)建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，分析了振動(dòng)篩的固有頻率和振型及系統(tǒng)的響應(yīng)。并對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)修改，以便使系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能更趨于合理。由于本文研究的振動(dòng)篩在結(jié)構(gòu)上是由三個(gè)子篩組成，它們分別是入料篩，中間篩和出料篩。每個(gè)子篩又由二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所以本文對(duì)它的整體同步穩(wěn)定性理論進(jìn)

13、行了探討導(dǎo)出節(jié)肢振動(dòng)篩的同步穩(wěn)定性條件。 在振動(dòng)篩的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)振動(dòng)篩的實(shí)際結(jié)構(gòu)，首先分析了振動(dòng)篩的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的相位同步控制理論，并建立了雙偏心轉(zhuǎn)子相位控制系統(tǒng)和振動(dòng)篩的停機(jī)過(guò)程的反接制動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩工作過(guò)程的智能控制模型。 最后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文在應(yīng)用三維建模軟件對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，又應(yīng)用有限元分析軟件和動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行了可視化分析和檢驗(yàn)。從而使得設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的