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1、第三章 先进制造系统的设计与分析基础,第一节 设计的基本概念,1.1 现行设计技术与实践存在的问题,从第一次工业革命开始至今，由于科学技术的快速发展，工农业生产、市场与经济得到空前发展。同时，人们也被大量的问题、冲突与风险所包围。设计技术与实践缺乏创新是其中最重要的问题。这类设计问题包括：可以引发功能、质量与使用性能故障或存在潜在危险的产品与服务设计解决方案；由于无法满足顾客与社会的需求，使产品与服务变成没有顾客价值的设计；,现行设计技术与实践存在的问题,导入时间长的新产品与服务项目；制造周期长、质量问题多、安全性与可靠性差的设计；高维护与修理成本的设计；多故障、高成本又不便于应用的设计等。这
2、类设计产生了许多“不良”的产品、服务、过程、系统或软件。,1.2 问题存在的根源与面临挑战,造成这些不良设计的根本原因是：广泛利用的经验或对比设计技术与方法，极大地限制了设计水平的提高。设计技术与方法面临的主要挑战：如何跨越基于经验与对比和技艺的设计阶段，实现设计科学和技艺的完美结合？在已建立的现代设计科学理论与方法基础上，如何使设计技术与方法真正成为科学，可以通过教育与培训为大多数学生和现行设计工程师所掌握？,1.3 设计人员进行的活动,设计小组与人员在完成每项设计任务时必须进行的设计活动有：1.需求分析与定义。捕捉需求，在分析的基础上，定义符合顾客、企业与社会要求的需求。2.定义问题。定义
3、满足顾客需求所必须解决的设计问题。3.概念设计。在深入理解顾客需求与概念设计要求的基础上进行技术与产品(或服务)的改进与创新，生成多个概念，再通过分析与综合形成多个概念化的设计解决方案。,设计人员进行的活动,4.优化解决所提问题的设计解决方案。5.详细设计。完成设计问题解决方案的详细设计与必要的原型试验，检查最终设计方案能否达到“使顾客完全满意”和“使受益者完全满意”。6.理解设计的涵义。在设计前、进行中和完成后都应该充分理解“设计”是从“我们想要得到或期望得到什么？”到“我们如何达到我们的期望”的一种映射。,1.4 设计的概念,从工程学角度讲，设计是将顾客的需求或革新的要求转换成为满足顾客和
4、企业期望的产品、过程/流程或服务。从数学设计学的观点看，设计就是一个把顾客“需求域”的顾客需求CNS映射到“功能域”上的系统功能要求FRS，又从FRS映射到“物理域”上的设计参数DPS，再从“物理域”将DPS映射到“过程域”上的过程变量PVS的连续映射过程，以创造“使顾客完全满意”的最佳综合解。,1.5 设计过程,设计过程是由把功能集合变换成经营的产品、过程与服务(的时间经历)各阶段组成。设计过程是从建立满足需求与期望集合变换为功能域的功能要求集合FRs开始，到生成满足FRs的实体集合(设计参数与过程参数集合)结束的过程。,设计过程,设计过程从辨识社会需求(顾客、企业与社会的需求与期望)开始，
5、经过对社会需求系统地结构化导出功能要求FRS与设计约束的集合。功能要求由设计人员借助于“需求分析”与/或“质量功能展开”等工具完成其生成、选择、设定与定义。完成功能要求集合FRs的系统表达和生成产品、服务、过程或组织的构想(概念)后，在必要的产品分析与/或原型试验的支持下经反馈网络与原始设定的FRS进行比较。,设计过程,当产品分析与/或原型试验证明不能满足规定的功能要求集合FRs时，必须重新生成概念以更精确地满足功能要求的集合，或重新修订FRs，如此反复迭代，直到概念设计的构思完全满足顾客需求的集合CNs为止。随后按照概念设计得出的技术要求与技术条件进行详细设计与/或原型试验。在经历产品开发和
6、生产后，上市的产品与服务再经受市场实践反馈网络的检验，修正不满足市场需求的东西，直到实现顾客/企业/社会完全满意为止。,设计过程,产品的设计与开发过程包括以下几个阶段：概念设计、初步设计与详细设计、建造或制造生产、系统使用与后勤支持、系统退役等。,设计过程,完成概念设计过程后，经过设计管理决策与批准，设计过程进入详细设计阶段。在详细设计阶段，设计小组或设计师确定详细的设计几何要求，选取原材料，完成整机或产品、零部件与制造过程的设计，确定交互作用和时空的变换关系。设计的结果以设计工程图、电路图、软件和描述设计与转换过程要求、使用说明文件等形式或介质表达出来。,1.6 概念设计,所谓概念设计是指生
7、成与配置表征系统与产品基本构思的思维过程。概念设计旨在生成新产品或新系统的设计原则、概念与框架。概念设计阶段是产品设计过程中最富于改进与创新的阶段。实践证明，成功的概念设计应该解决两个关键问题：一是生成较多的设计解概念，而不是一个；二是经过可行性分析，选择、综合、改进或创新最优概念。,概念设计,概念设计主要包括两个阶段：可行性研究：顾客、企业与社会需求的捕捉、辨识与分析、系统运行的要求和系统维护的概要。产品规划：产品寿命期的分析、新产品规划、产品的研究与开发、确定产品的技术要求/技术条件。,概念设计的主要工作,1.概念设计目标的建立：几乎所有的都是面向目标与约束的。需要进行需求的辨识与分析、竞
8、争对手分析、SWOT竞争优势分析、PEST（政治、经济、社会与技术）分析、产品成熟度和风险分析。2.概念的生成：原始概念或构思的提出/生成。3.任务分析：通过分析研究和正式陈述，探索新系统与新产品同顾客需求之间关系的交互迭代，产生新概念。4.产品的功能分析：功能划分、分解与细化。,概念设计的主要工作,5.寿命期的分析：导入、生长、成熟、饱和与衰落。6.概念的选择：对原始概念进行分析、研究、评价和修正，以完善或再创造更合理的概念，直至选出最优的概念方案为止。7.产品规划：把顾客的需求与期望反映到产品的研究与开发和设计中，最后落实于制造，使快速上市的产品能够实现“使顾客完全满意”。,1.7 详细设
9、计,在概念设计结果的基础上，从已经确定的设计概念出发，直到完成样机试验和生产使用的技术资料与文件。详细设计阶段的工作可以分为四个阶段：探索制造产品的可行方案选取最佳的设计解决方案分析与评价产品失效或失败的可能性工程决策,详细设计,1.8 公理设计的概念,公理：经过人类长期反复的实践检验是真实的，不需要由其他判断加以证明的命题和原理。公理设计的最终设计目标是：,证明设计学是可以成为大多数人能掌握的设计科学；利用公理设计理论与方法可增强设计的创造性、设计方案的鲁棒、稳定性和可制造性及可维护性；建立能使企业受益的设计科学基础、平台和文化氛围；提升设计学的科学性，再生和创造现行自主设计能力；研究公理设
10、计理论与方法在其它领域运用的可能性与普适性；把系统、硬件、软件设计成可控、可靠、高生产率与高质量的制造和富于成效。,设计公理,公理一(独立公理)：保持功能要求(FRs)的独立。独立公理也可表达为以下形式：一个可接受的设计总是保持功能要求(FRs)独立的。在任何一个可以接受的设计中，设计参数(DPs)与功能要求(FRs)应以调整规定的DP满足相应的FR而不影响其他功能要求FRs的方式相互联系着。一个非耦合的可行设计是可以接受的。两个可行的设计中有更高功能独立性的设计是更好的。,设计公理,公理二(信息公理)：使设计的信息量最少。也可表述为以下形式：最佳的设计是功能非耦合的设计，并有最少信息量的设计
11、。两个可以接受的设计，有最少信息的设计是优秀的。给定的两个相同功能独立的可行设计，有最少信息量的设计是优秀的。,第二节 基于设计公理的制造系统设计方法,2.1 制造系统的设计方法,模块化设计法递阶(分层或分级)设计法全系统设计法生命周期法原型系统法面向对象(O-O)的方法,2.2 模块化设计法,就是将某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列。首先把大系统分解为彼此尽可能独立的子系统；然后，对每个子系统进行局部或子系统的优化；借助“协调”把所有子系统集成实现整体优化。,2.3 递
12、阶(分层或分级)设计法,把系统分成不同级子系统，按不同功能的子系统排列层次结构形成整个系统的方法。较低层级的子系统向高一级的子系统提供本级子系统的输出，作为上级子系统的输入。,2.4 全系统设计法,构造大型管理系统时，要求将模块要求的各种不同功能模块、制造控制模块和执行模块集成起来。所谓全系统设计方法可以定义为：一种先进的实时管理信息系统和管理信息最优集成的设计方法。集成所有子系统和有相关联的系统。,2.5 生命周期法,基本思路：系统的规划设计相当于生物的孕育阶段，一个旧系统的死亡往往伴随着另一个新系统的诞生，形成周期性循环。系统规划设计阶段划分：可行性论证、初步设计、详细设计、实施与测试、运
13、行与维护。,2.6 原型系统法,由于用户对所要求开发系统的需求在初始阶段往往不准确、不充分，而对呈现于眼前的一个具体系统，往往比构想中的系统更容易、更准确地进行分析与改进。,在大规模详细设计开始之前，设计者根据对用户原始需求的理解，构思与建造出一个简单、突出主要需求的应用系统，成为原型系统。,2.7 面向对象方法,面向对象方法认为客观世界由各种各样的对象组成，有其各自的运动规律和内部状态，不同对象间的交互作用与联系构成不同的系统。对象是事物的本质，不随用户和环境的变化而改变，对象间的联系主要通过传递信息实现。系统设计的思路：通过系统分析提炼出组成系统的不同对象，并建立各种面向对象的系统模型，通
14、过系统模型实现对系统的描述和构建。,第三节 制造系统建模与分析,3.1 IDEF0制造系统建模,ICAM DEFinition method，美国空军集成计算机辅助制造ICAM工程项目开发与利用的大型系统结构化分析建模的定义方法。IDEF0：用于描述系统的功能活动及其联系、建立制造系统体系结构模型。IDEF1x：用于描述系统信息流及其联系、进行作为系统数据库设计依据信息建模。IDEF3：用于系统动态仿真。IDEF5：本体论Ontology。IDEF6-IDEF14。,3.1.1 IDEF0方法的基本概念,利用图形、符号与语言标注的形式全面、准确而清晰地描述系统，使分析建模人员可以全面、完整地描
15、述系统，从而使读者可以正确地了解。,IDEF0方法的基本概念,利用图形、符号与语言标注的形式全面、准确而清晰地描述系统，使分析建模人员可以全面、完整地描述系统，从而使读者可以正确地了解。利用对系统从顶层到底层严格地进行逐级分解的方法建立系统功能模型的方法。按层次明确地规定“做什么”与“如何做”的概念。必须通过专家的评审来保证所建立的系统模型的完整性、正确性与可利用性。,3.1.2 IDEF0图形符号,活动输入/输出/控制/机制ICOM码终点号,3.1.3 IDEF0建模步骤,1.确定建模的研究范围、目标与概念2.建立系统的内外关系3.建立顶层的父图A04.建立低层的子图Aij5.文字标注,ID
16、EF0建模步骤,A-0：此阶层当中清楚地定义该模型的主题和范围，并且也是该模型的最高层级。A0：将A-0层更进一步的展开，并且将A-0的主题和范围明显地描述出建构者所要表达的观点。A3：对A0所展开的某一项作业程序，做出更详细的分解，使此模型的目标被更充分的描述。A31：对A3所展开的某项作业程序，做出更详细的分解，使此模型的目标被更充分的描述。,IDEF0建模实例,IDEF0父图与子图实例,3.2 制造系统的技术分析,制造系统设计考虑的因素有：加工零部件的尺寸、重量、材质和几何形状装配零部件的尺寸、重量和件数等公差与加工类型、加工顺序要求的生产率，传送系统类型工件定位安装方法装配零部件的送进
17、和导向方法各工作站设备和传输机构的可靠性，整个系统的可靠性,制造系统的技术分析,中间缓冲存储容量维护的方便性要求的控制特征生产可用的空间产品设计改变后的适应性及柔性初期投资加工成本自制还是外包安全性、人因等,3.3 制造系统的技术经济指标,制造系统的分析中要求识别两类问题：一是与制造系统所用的生产过程相关联的问题；二是与制造系统整体性能相关联的问题。系统运行性能的技术经济指标：平均生产率效率零件生产成本,系统运行性能的技术经济指标,理论循环时间Tc传输装卸时间、空载时间和最长的工作站工作时间三部分之和。平均实际生产时间：Td-停顿时间；F-停顿的频率。若有m个停机因素引起停顿：,系统运行性能的
18、技术经济指标,平均生产率Rp与理论生产率Rc效率E停机时间比D,系统运行性能的技术经济指标,单件成本CpcCm单件原材料成本；CL自动线运转每分钟的成本，包括使用期内自动线设备投资的分配额度、劳动力、维护和间接费用的分摊部分；Ct刀夹具成本对每个工件的分摊部分。,3.4 制造系统设计的评价,不仅在系统设计完成时，也应在系统设计的每个阶段都进行正式或非正式的评价与评估，保证设计及其过程沿着达到设计目标的方向前进，不断化解各种风险。系统设计的评价过程不是一成不变的、而是可以裁剪的。裁剪的原则是达到最佳的工程效果，既要满足客户，要求实现“使顾客完全满意TCS”，又简便适当。,制造系统设计的评价,第三章 思考题,什么是设计？如何理解设计过程？如何理解设计公理？制造系统的设计方法有哪些？,
