基于系统工程的产品综合设计理论与方法优化方案

产品的系统化设计有以下四个阶段（图12-6），包括：

1）设计的调研阶段：其工作内容包括用户需求调研、产品环境调研和产品风险调研，即3I调研。

2）设计的规划阶段：其工作内容包括设计思想规划、设计目标规划、设计环境规划、设计流程规划、设计内容规划、设计方法规划和设计质量检验与评估的规划等，即7D规划。

3）设计的具体实施阶段：1+3+X系统化设计，包括功能设计1、面向结构性能、使用性能和制造性能的设计3，以及面向特殊性能的设计X，轿车的外形设计和造型设计可作为X来考虑。

4）设计质量的检验和评估阶段：如用理论方法、专家系统、试验方法和用户信息反馈进行检验和评估，即4A检验。

以产品设计内容和设计手段命名的设计方法多达20余种（图12-6和图12-7），设计时要对主要设计内容做具体的安排，这是保证产品安全、可靠、经济、有效运行的重要措施，也是争取市场的重要条件。在产品设计总体规划及系统化设计都做了妥善的考虑。

所提出的系统化设计应该涵盖产品设计的主要内容，本书提出的以功能、动态、控制系统与智能、制造与装配过程可视化为核心的系统化设计，涵盖了绝大部分的设计内容。如功能设计包括了方案设计、机构设计、结构设计、系统设计、参数设计等；动态设计包括了运动学设计、动力学设计、强度与寿命设计、可靠性设计和摩擦学设计等；控制系统设计包括了状态监测系统设计、控制系统设计、诊断系统的设计等；制造过程的可视设计包括了容差设计和工艺设计等。因此，提出的系统化设计具有普遍性和较大的适用性。

系统化设计可以在较大范围内，考虑设计中应该考虑的产品综合质量的问题或其他方面的特殊问题，这样就能相对较多地或较全面地反映用户对产品设计综合质量的各方面要求。系统化设计可分为一般系统化设计和深层次的系统化设计两类。一是以线性理论为基础的一般系统化设计，二是以非线性理论为基础的深层次的系统化设计。

下面主要讨论系统化设计工作具体实施阶段，即1+3+X的具体工作内容（图12-8）。

（1）功能设计

图12-6 以设计内容命名的设计法

图12-7 以设计方法命名的设计法

采用合理的机构、系统和机器结构，以及合理的几何参数、工艺参数、运动参数和动力参数，使产品具有良好的功能，所执行的功能还必须由以下主要性能予以保证，即人机安全性、系统可靠性、工作耐久性、结构紧凑性、工效实用性、指标优越性、工作稳定性、操作宜人性、设备维修性和使用经济性等。

图12-8 面向产品功能与三大性能的1+3+X系统化设计

（2）面向产品结构性能的动态设计

通过以动态设计为核心的综合设计，可以使产品获得良好的结构性能（安全、可靠、耐用等），即在设计中全面考虑机械设备工作的可靠性、安全性及工作寿命等，这对产品综合质量的提高具有十分重要的意义。

1）动力学设计或产品的动态设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。而在目前机械装备设计中，不少产品的设计还是以静态设计为主，或是采用传统的动态设计方法。这对大型机械装备，特别是大型旋转机械设备的设计来说是远远不能满足实际需要的。(www.xing528.com)

2）可靠性设计和产品的寿命设计是机电设备产品设计的主要内容之一。即对现代机械设备除进行动态设计外，设备的可靠性设计也是广义动态设计的重要内容之一。

（3）面向产品使用性能的控制系统设计

以控制系统的设计为核心的面向使用性能的设计，对机械产品的参数和工作过程进行最优或次优控制，可以使机械设备获得良好的工作性能（有实际的工效、工作稳定、指标优越）。

1）状态检测系统设计。为了实现对机械设备工作过程的智能控制，必须首先对其工作状态进行智能监测。同时，为了实现现代机械高速化、高效化、自动化、大规模、连续性生产的要求和为了使机械装备在运转过程中具有高可靠性、高安全性和高经济性，应对设备的工况进行智能检测。

2）工作参数及工作状态的控制与优化。为了使机械设备具有实用的功效和良好的技术指标，对设备的工作参数及工作状态进行智能控制与优化是一项十分重要的工作。由于设备的工作参数及状态受内部和外部各种因素的影响，它们会随这些因素的改变而发生变化，使得机器在运行时不能获得最理想的工况。

3）工作过程的控制与优化。为了使机械设备在整个工作过程中获得最优的工作状态，例如：尽量减少空余时间，即非有效工作时间，以最高的效率利用机器的有效工作时间，这是提高机器单位时间工作效率的基本措施。

4）机器故障的检测与诊断。机器在运转时，常常会出现各种故障，在设计产品时往往不可能完全设法避免，这是因为在设计产品时有许多因素无法准确估计；但有些故障即使在设计时已经经过充分考虑，但使用过程中有时会出现失误而引发一些故障，对绝大多数机械来说，故障的出现是不可避免的。

（4）面向产品制造性能为主的可视化设计

通过以可视化设计和仿真为核心（即有限范围的虚拟设计）的综合设计，可以使产品获得良好的工艺性能。除此以外，可视化对产品的结构性能和工作性能也是会有重要影响。

1）制造过程的可视化。虚拟制造（VDM）是信息时代制造技术发展的重要标志，它利用了在计算机上形成的虚拟模型和仿真环境。

2）装配过程的可视化。我们这里提出的装配可视化指的仅是虚拟装配，是有限范围内的虚拟技术，是对设计产品装配的可行性和合理性等进行综合评价和检验。

3）运动过程的可视化。运动过程的可视化用来检验运动过程的可行性和合理性，如运动的形式：圆周运动、椭圆运动或其他运动；运动是否会出现干涉；运动各个阶段的位移、速度和加速度等。

4）动力学过程的可视化。产品的某些零部件的动力学特性可以通过动力学过程的可视化予以表示。产品的零部件通过动力学分析，可以求出它们的各阶模态和振型，求出它们的振动响应，可以显示它们起动和停机时通过共振时振幅增大、减小的变化过程。

5）工作过程的可视化。机器完成所执行功能的整个工作过程可以通过可视化技术予以表示。通过工作过程中的连续动作，可以发现其完成工作的情况，并对其工作的优劣予以评价。找出不合理的工作状态及其影响因素，以及采取相应有效措施，使机器在有效的工况工作，进而提高机器的工作效率。

在这一方向著者曾撰写过多部著作（图12-9）。

图12-9 基于系统工程的产品综合设计理论与方法专著（共八种）