公理设计经典教程课件.ppt

1,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,第,4,章,公理性设计,?,4.2.1,设计公理,?,4.2.2,设计公理的推论,?,4.2.3,公理性设计方法,?,4.2.4,设计定理,?,4.1.2,面向,X,设计,2,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.1,设计公理,?,公理性设计（,Axiomatic,Design,）方法,是美国麻,省理工学院,N.,P.,Suh,教授于,20,世纪,70,年代中期提,出来的一种设计决策方法，如果与设计方法学,中的“功能分析法”相结合，可以有效地提高,设计效率，有助于找到最佳设计解。,?,自从公理性设计方法提出以来，受到人们的普,遍重视，它被用在新产品开发、制造过程设计、,软件系统研制等许多方面。,?,(Axiomatic,：,自明,的,),3,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.1,设计公理,?,由,Suh,教授提出的两条设计公理为：功能独立性公,理和信息量最少公理。,?,独立性公理,（,The,Independence,Axiom,）：,在一个可接受的设计中，从功能需求到设计参,数的映射过程中，每个功能需求的保证应不影,响其他的功能需求。,?,信息公理,（,The,information,Axiom,）：在所,有满足独立性公理的有效解中，最好的设计方,案应使所包含的信息为最少。,4,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.1,设计公理,?,独立性公理,要求在设计中必须保持产品及零部件功能的独,立性。各功能需求之间应是相互独立的。在一个零件上既,不希望出现重复的或相同的功能，也不希望一个零件只有,一种功能。,?,这就要求在设计过程中，产品的零部件必须具有多种功,能，而且这些功能必须相互独立、互不重复，通过这一,点达到构成产品零件的数量为最少。这是由于，产品中,每多出一个零件便必须多编制一份工艺规程、相应的工,艺装备和毛坯，同时还必须在该零件的质量控制、生产,控制以及库存管理上面耗费相当多的人力、财力、物力,与时间，从而影响最终产品的成本和交货期。因此，在,满足产品功能要求的前提下，构成产品的零部件数必须,越少越好。,5,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.1,设计公理,?,信息公理,要求在设计中必须使产品及零部件的,信息量最少。,?,为满足这一要求，不仅需要构成产品的零部件数量,为最少，而且每个零件的结构还必须做到最简单。,只有零件的结构最简单，零件所包含的信息量才能,达到最少，同时零件才能易于制造。,?,可以看出，,?,独立性公理可用来减少设计问题的有效解的数量，,?,信息公理用来从有效解中找出最好的设计方案来。,6,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.2,设计公理的推论,根据上面的两条设计公理，可以进一步得出下面的,8,条推论,/,规则：,偶合设计的解偶,。如果功能需求之间是偶合的（相,关的），那么，设法使它们解偶。,功能需求最小化,。使功能需求和约束的数量为最小。,设计特征集成化,。在得出的设计解中，如果功能需,求可以被独立地满足，那么尽可能地将设计特征集,成到一个零件上。,零件标准化,。如果功能需求和约束允许，尽量使用,标准化零件或可互换零件。,7,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.2,设计公理的推论,形状对称性,。如果功能需求和约束允许，尽量使,用对称形状零件，以减少信息内容。,公差最大化,。定义尽可能大的公差。,具有可能少信息的非偶合设计方案,。在满足一组,功能需求的条件下，寻找一个比偶合的设计方案,包含更少信息的非偶合的设计方案。,标量的等效正交性,。具有偶合矩阵或元素的标量,的等效正交性是,1,。,（若,转置矩阵,A=,逆矩阵,A,-1,，,则,A,称为正交矩阵，且当,i,=,j,时，,a,ik,a,jk,=,a,ki,a,kj,=1,）,8,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,产品的设计信息包括产品的设计方案、可行性,分析、结构设计和详细设计等。,?,公理性设计将设计域信息分为,4,种类型：,?,用户,/,需求域信息,?,功能域信息,?,结构,/,物理域信息,?,工艺,/,过程域信息,?,产品设计就是求出这,4,个域之间的映射关系。,图,4-1,表示了,4,个域和它们之间的映射过程。,9,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,需求域,功能域,物理域,过程域,图,4-1,设计信息映射,用,户,需,求,FR,DP,PV,10,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,任何两个相邻域之间都有下面的关系：,左边的域定义“我们想做什么”，,右边的域描述“我们希望如何来做它”。,?,4,个域之间可以建立,3,种映射关系：,?,建立用户域和功能域之间映射关系的过程相应于,产品定义阶段；,?,建立功能域和结构域之间映射的过程相应于产品,设计阶段；,?,建立结构域和工艺域之间映射关系的过程相应于,工艺设计阶段。,?,后两种映射关系目前研究得较多。,11,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,用独立性公理求出每个功能需求与工艺变量之间的,对应关系,?,设计者首先分析用户的需求，并把它们转化为产品,的一系列,功能需求,FR,（,function,requirements,）,?,然后根据产品的功能需求,FR,来确定零部件的结构,及其,设计参数,DP,（,design,parameters,）,?,最后对零部件进行工艺设计，确定一系列,PV,工艺变量,（,process,variables,）,在从,FR,到,DP,的过程中，可能会得到多种设计方案，,对候选方案的评定可以根据信息公理来进行,。,12,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,设,FR,为功能需求向量，,DP,为相应的设计参数向量，,则从功能域到结构域的映射可以用下式来表示，称为,设计方程组：,FR,A,DP,?,其中，,A,称为设计矩阵，表示,FR,与,DP,之间对应元素,的关系。设,FR,为功能需求向量，,DP,为相应的设计参,数向量，则从功能域到结构域的映射可以用下式来表,示，称为设计方程组：,FR,A,DP,?,其中，,A,称为设计矩阵，表示,FR,与,DP,之间对应元素,的关系。,13,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,设计方程中的任一个方程可以表示为：,i,=1,，,2,，,，,m,式中,?,?,?,?,n,j,j,ij,i,DP,A,FR,1,j,i,ij,DP,FR,A,?,?,?,14,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,在线性设计方案中，,A,ij,是个常数。,?,在非线性设计方案中，,A,ij,是,DP,j,的函数。,?,设计矩阵的一般形式为：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,mn,m,m,n,n,A,A,A,A,A,A,A,A,A,A,?,?,?,?,?,?,?,2,1,2,22,21,1,12,11,15,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,独立性原理可以用设计矩阵,A,来检验。,?,若,A,为对角矩阵,，则每个,FR,可以通过调整某一个,DP,来保证，而不影响其他的,FR,。因此，对角矩阵,满足独立性公理，这样的设计称为,非偶合设计,。,?,若,A,为三角矩阵,，独立性公理也可以被满足，这,时，设计参数的变化应遵循一定的顺序，则这样,的设计称为,准偶合设计,。,?,若,A,为其他形式的矩阵,，则称之为,偶合设计,。,偶合设计不满足独立性公理，应分解偶合。,16,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,类似地，工艺设计要求将结构域中的设计参,数,DP,作为功能需求映射到工艺域中。,?,设,PV,为工艺变量向量，同样应有表示,DP,和,PV,之间关系的方程形式，称为,工艺方程,：,DP,B,PV,且,?,?,?,?,q,k,k,jk,j,PV,B,DP,1,17,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,式中，,B,称为工艺矩阵，表示,PV,是如何满足,DP,的，其一般表达式为：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,nq,n,n,q,q,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,?,?,?,?,?,?,?,2,1,2,22,21,1,12,11,18,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,对于一个理想的设计，,A,和,B,是两个同样大小,的矩阵，设计方程和工艺方程可以组合成一,个方程：,?,FR,C,PV,A,B,PV,?,为了满足独立性公理，矩阵,C,必须是对角线的,或三角形的。对于每个功能需求，有：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,q,k,n,j,q,k,k,jk,ij,k,ik,i,PV,B,A,PV,C,FR,1,1,1,19,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.3,公理性设计方法,?,公理性设计分两步进行：,?,第一步是用独立性公理求出每个功能需求,和工艺变量之间的一一对应关系，可以得,出很多个可行解；,?,第二步是利用信息公理从众多可行解中求,出最好的解来。,20,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,?,由于设计参数数量不足造成的,偶合设计,：当设计,参数的数量小于功能需求的数量时，则设计是偶合,的，否则，功能需求不能被满足。,?,偶合设计的解偶,：当一个设计由于,FR,的数量大于,DP,的数量而造成偶合现象时，可以通过增加,DP,的数,量（与,FR,相等）使设计解偶，但此时设计矩阵,A,应,是三角形的。,?,冗余设计,：当,DP,数大于,FR,数时，设计或者是冗余,的，或者是偶合的。,21,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,?,理想设计,：在一个理想的设计中，,DP,FR,。,?,对新设计的要求,：当功能需求改变后（增加、替,换、全部改变），与原功能需求相应的设计参数肯,定不能满足要求,.,必须寻求新的设计解。,?,非偶合设计的过程独立性,：,一个非偶合设计的信,息容,.,与设计参数的改变顺序无关,。,22,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,?,偶合和解偶设计的过程独立性,：偶合和解偶设,计的信息容量取决于设计参数的改变顺序和设计,参数变化的方式。,?,独立性和公差,：,当设计者定义的公差比的结果,更大时，设计是个非偶合设计，在这种情况下，,设计矩阵的非对角线元素是可忽略不计的。,?,独立性度量的模块性质,：假设一个设计矩阵,A,能,够被细分成主对角线元素为非零的小矩阵，那么，,矩阵,A,的正交性和一致性等于各非零小矩阵正交性,和一致性的积。,23,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,?,不变性,：,只要,FR,和,DP,的相对关系不变，一个偶,合矩阵的正交性和一致性不随,FR,和,DP,变量的顺序,改变而变化。,?,信息和,：当事件之间在统计意义上并不是相互独,立的，假如适当的条件概率被应用，一组事件的信,息和还是信息。,?,整个系统的信息含量,：,如果每个,DP,在统计意义,上都与其他事件相互独立，那么，整个系统的信息,含量是所有单个事件的信息含量之和。,24,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,?,偶合设计与非偶合设计的信息含量,：在功能域,中，当,FR,的状态改变后，偶合设计发生改变所需,的信息比非偶合设计所需的信息量大。,?,设计,/,制造接口,：,当制造系统采取折衷措施维,护产品,FR,之间的相互独立性时，或者产品的设计,必须被改变，或者应设计一个新制造过程，以便,保持产品,FR,之间的相互独立性。,?,信息含量的相等,：不管设计任务的物理性质如,何，它们的信息量具有同等重要性，因此，加权,系数是不必要的。,25,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.4,设计定理,结论,：,公理性设计,（,Axiomatic,Design,，,AD,）,?,AD,方法,首先要求给出彼此独立的产品功能需求，然后经,设计矩阵与工艺矩阵,A,B,变换，完成从功能域到工艺域的映,射，这种变换必须符合,独立性公理,，否则会因为产品的功,能不足或重迭，不能很好地满足用户需求。,?,AD,方法,利用信息公理从多个可行解中求出最好的解来,。,?,AD,方法,有利于保证设计过程围绕用户需求进行，,且功能独立，结构简单。,?,AD,方法,可视为支持并行设计的理论基础之一。,26,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5,面向,X,设计,?,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,4.5.2,面向,X,设计的特点,?,4.5.3,面向,X,设计的工作方法,?,4.5.4,DFX,方法的主要步骤,27,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向,X,设计,DFX,（,Design,For,X,）指面向某一应用领,域的计算机辅助设计工具，它们能够使设计人员在,早期就考虑设计决策对后续的影响。,?,DFX,最初是以面向制造的设计,DFM,和面向装配的设,计,DFA,出现的。,?,DFX,中的“,X,”,是将,DFM,和,DFA,进一步扩展到产品,生命周期的所有其他领域，并逐渐形成一个“技术,族”，力图设计出好造、好修、好用,的产品。,无疑，,DFX,是一类面向产品生命周期的设计方法，,它们对提高产品的市场竞争力非常有用。,28,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,DFX,中的,X,为产品生命周期内的活动，,DFX,必,须考虑产品设计对后续过程的影响。在产品,设计阶段最大程度地考虑所有应该考虑的影,响因素，以此达到提高产品质量、缩短开发,周期和降低产品成本的目的。,DFX,的覆盖范,围很广，见图,4-2,。,29,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,DFX,中的,X,图,4-2 DFX,的覆盖范围,30,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向制造的设计,DFM,（,Design,For,Manufacturing,）：,可以在产品详细设计阶段即考虑零件的结构,工艺性、资源约束、可制造性及加工制造的,成本、时间等。,?,面向装配的设计,DFA,（,Design,For,Assembly,）：,用来制定装配工艺规划，考虑装拆的可行性，,优化装配路径，在结构设计过程中通过装配,仿真考虑装配干涉。,31,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向成本的设计,DFC,（,Design,For,Cost,）,：,综合运用产品特征建模技术、制造工艺过程规划、,装配工艺过程规划、价值工程分析方法等，使设,计者能在设计阶段就综合考虑产品生命周期中的,加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，,进行产品设计成本的综合评价，达到降低产品成,本的目的。事实上，,DFM,和,DFA,技术也同样是为,了降低成本。除,DFM,和,DFA,技术外，还有很多降,低成本的方法，如价值分析法。,32,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向质量的设计,DFQ,（,Design,For,Quality,）：,是在设计阶段进行质量控制,.,保证所设计的产品,满足用户的质量要求。面向质量的设计技术包,括田口博士的三次设计和质量功能展开,QFD,。,?,面向维修的设计,DFM,（,Design,For,Maintenance,）：是在设计阶段考虑,产品的维修问题，使设计出的产品便于维修,（维修的简化性、可达性、维修时的安全性、,提高维修效率、防错设计等）。例如，机床的,镶装导轨就可认为是一种便于维修的结构。,33,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向回收的设计（,Design,For,Recycling,）：,产品,用完后的回收和重新利用已越来越受到人们的重视，,因为回收和重新利用不仅可以节约资源,.,还可以保护,环境。面向回收的设计主要考虑产品的可回收性和,可重用性，设计出便于回收利用的产品。,?,面向包装运输的设计,（,Design,For,Packing,and,Transport,，,DFPT,）：,是在产品设计时考虑包装和,运输问题，要使所设计的产品便于包装，便于运输，,且不会在运输过程中受到损坏，例如，有些大型产,品在设计时就应考虑到运输问题，采用分段制造、,现场装配的方式。,34,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向均衡寿命的设计,（,Design,For,Equipoise,Life,，,DFEL,）：有很多产品，我们希望达到一定寿命后，,所有组成部分同时报废，这种使产品（如鞋子）各,部分寿命相同的设计称为均衡寿命设计。很显然，,均衡寿命设计对节省资源有很重要的意义。,?,面向操作（人机工程学）的设计,（,Design,For,Operating,，,DFO,）：面向操作的设计意味着在设,计时充分考虑操作者的要求，在操作空间布置、操,纵器的位置布置、操纵力等方面适合人机工程学的,原理。,35,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,?,面向环境的设计,DFE,（,Design,For,Environment,）：,环保型（清洁）生产过程和环保型产品正日益受到,人们的重视。环保型生产过程强调在产品生产过程,中尽量少消耗各种资源（包括能源、材料等），并,使生产过程对环境的污染（无法回收利用的废料、,噪声、灰尘、毒烟、污水等）减少到最低限度。环,保型产品强调产品使用过程中消耗的资源少，产品,使用过程中对环境的污染少，产品对操作者的危害,尽可能小，产品可以回收利用。,36,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.1,面向,X,设计的内容,还有,?,面向功能的设计,?,面向美学的设计,?,面向应力的设计,?,面向可靠性的设计,?,面向测试的设计,?,面向服务的设计,?,面向拆卸的设计,?,面向互换性的设计,37,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.2,面向,X,设计的特点,?,面向“,X”,的设计强调在设计过程中考虑“,X”,因素，但不强调“,X”,方面的专家与设计人员共,同工作。,?,并行设计,却强调各种过程和设计过程的并行,进行，特别是生产准备过程和设计过程的并,行进行。,?,可见，,DFX,的重点是在“因素”上,，,而,并行设计的重点是在“过程”上。,38,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.2,面向,X,设计的特点,?,面向“,X”,的设计,只强调单个的“,X”,因素很,难得到整体最佳化设计。,?,并行设计,强调各阶段的专家共同工作，可,以随时将意见反馈给设计者。不片面强调,某一因素，有利于得到整体最佳的效果，,这是,DFX,单项技术所无法达到的。,39,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.3,面向,X,设计的工作方法,?,DFX,工作方法对其效果有很大的影响。,?,早期的,DFM,和,DFA,强调设计的规则性，即将,便于加工和装配的经验归纳成一组规则，如,“系统的零件应尽可能地少”就是一条使于,装配的规则，设计人员对照这些规则来检查,设计结果，或者把这些规则溶入产品的设计,过程中。,40,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.3,面向,X,设计的工作方法,?,后来发展了计算机辅助,DFM,技术，是采用专,家系统原理，把规则编入计算机程序或存入,规则库，以帮助设计人员选择正确的机构和,结构。,?,再后来发展到请各方面专家“会审”和“咨,询”的办法，但往往是在设计快结束时进行,的，除非有重大的问题，一般不会重新大修,改原设计，会给后续工作埋下隐患。,41,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.3,面向,X,设计的工作方法,?,最近几年发展起来的,Team,Work,式的并行设计，,可以认为是对,DFX,技术的发展。它强调与“,X”,有关的所有专家组成工作小组，共同工作。所,以，并行设计应是,DFX,的最佳工作方式。,42,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.3,面向,X,设计的工作方法,?,在并行设计技术还不成熟的条件下，采用实,时咨询的方式也可取得满意的结果。,?,计算机辅助,DFX,技术将面对专家的实时咨询,变成向计算机咨询，对提高设计效率和质量，,降低产品成本，也可收到较好的效果，其缺,点是没有专家之间的相互讨论过程。,43,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.4 DFX,方法的主要步骤,?,产品分析（,product,analysis,）：收集和,明确目标产品的相关信息。,?,过程分析（,process,analysis,）：收集、整,理相关过程的相关数据和资源数据。,44,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.4 DFX,方法的主要步骤,?,性能测定,（,measuring,performance,）：在,获取产品和过程信息后，根据相关性能指标,测定信息间的相互关系。,?,标,准,制,定,与,问,题,发,现,（,highlighting,by,benchmarking,）：确定性能评判标准，然后,根据这些标准，判定设计的优劣，主要是发,现设计的不足之处或应改进之处。,?,问,题,产,生,的,原,因,分,析,（,diagnosing,for,improvement,）：探究设计问题产生的原因，,以便提出产品设计改进的依据。,45,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,4.5.4 DFX,方法的主要步骤,?,改进方案,（,advising,on,change,）：通过对产,品和过程进行删除、集成、组合、简化、标准,化、替代、修改等，从而提出产品设计的改进,方案。,?,改进方案的排序,：对多个产品设计的改进方,案进行排序，以便确定需重点考虑采用的方案，,从而保证产品设计改进的效果。,46,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,第,4,章复习题,1,.,如何理解公理性设计的两条设计公理？,2.,简述使用公理性设计方法的步骤？,3.,写出从功能域到工艺域的映射关系式，,以及设计矩阵和工艺矩阵。,4,.,解词：,DFX,，,DFM,，,DFA,，,DFC,，,DFQ,5.DFX,与并行设计的区别是什么？,6.,使用,DFX,方法的主要步骤是什么？,47,第,4,章,公理性设计,现代设计理论与方法,第,4,章复习题,1,.,解词：,DFX,，,DFM,，,DFA,，,DFC,，,DFQ,2.DFX,与并行设计的区别是什么？,3.,使用,DFX,方法的主要步骤是什么？,