2.4 系统化设计法

系统化设计法是将工程设计任务或机电产品看做技术系统，用系统工程方法进行分析和综合。

概括地说，技术系统的处理对象是能量、物料和信号三类。技术系统的功能就是将输入的能量、物料和信号进行有目的地转换或变化后输出。在输入、输出过程中，随时间变化的能量、物料和信号称为能量流、物料流和信号流。能量包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等，物料可为材料、毛坯、气体、液体等，而信号体现为数据、控制脉冲、显示等。技术系统及其处理对象可用图2-2来表示。电动机和冲床的技术系统示意图如图2-3所示。由系统的输入及输出内容分析可知，电动机系统的功能是能量转换，而冲床系统的功能是物料分离。用这种方法分析，便于抓住系统的本质，有利于进一步改造系统或开发新的系统。

2.4.1 功能分析法

技术系统的用途或所具有的特定工作能力称为功能。也可以说，功能是技术系统所具有转化能量、物料、信号的特性。设计产品不是着眼于产品的本身，而是通过某种物理形态体现出用户所需要的功能。

功能分析法是系统优化设计中探寻功能原理方案的主要方法。这种方法将复杂系统的总功能通过功能分析化为简单的功能元求解，再进行组合，得到系统的多种解法，优越性十分明显。

功能分析法的设计步骤及各阶段应用的主要方法如图2-4所示。

1.总功能分析

总功能的描述要准确、简洁，合理抽象，抓住本质，这样便于使设计目的明确，思路开阔。

分析系统的总功能常采用“黑箱法”。将待求的系统看做未知内容的“黑箱”，分析、比较系统输入和输出的能量、物料和信号，其差别和关系是反映系统的总功能。如图2-5(a)所示，通过分析“黑箱”输入-输出的内容，可知是一个洁衣系统，其总功能是将污物从不洁衣物中分离出来，称为“物料分离”。图2-5(b)所示的是“液体增压”的技术系统。一般情况下，都可用动词加名词抽象简练地描述系统的总功能。这样，在求解时思路不至于受限制。例如，洁衣系统不一定是“洗衣机”，也可能是用溶剂吸收污物的“干洗”系统。即使用水洗衣也可能不是机械搅拌，而是超声波振荡，等等。当完成总功能的技术系统确定后，“黑箱”就变为“玻璃箱”了。

2.功能分解

一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。按照系统分解的原则进行功能分解，可通过较简单的功能元去求解。

总功能可分解为分功能、二级分功能……功能元，并用树状的功能关系图（功能树）表达。功能元是直接能求解的功能单元，功能树中前级功能是后级功能的目的功能，而后级功能是前级功能的手段功能。图2-6是材料拉伸试验机的功能分解结构图。

3.功能元求解

功能元求解是方案设计中的关键步骤，可参考有关资料或利用各种创造性方法开阔思路，广泛搜索，探寻尽可能多的功能元解。

机器、仪器中的基本功能元可分为三类：物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。

常用的物理功能元有针对能量、物料、信号的变换（如能量类型、运动形式的转换，物态、材料性质的转变、信号种类的转换等）、放大缩小、连接分离、传导、结合分开、存储等功能，可用基本的物理效应如力学效应（重力、弹性力、惯性力、摩擦力、离心力等）、流体效应（流体动压、巴斯噶效应、毛细管效应、虹吸效应、负压效应等）、电力效应（电动力学、静电、电感、电容、压电等效应）、磁效应、光子效应（反射、折射、衍射、干涉、偏振、激光等效应）、热力学效应（膨胀、热存储、热传导等）、核效应（辐射、同位素）等求解。

数学功能元有加减、乘除、乘方开方、积分微分四类。

对各种功能元，有系统地搜索解法，并按一定分类排序原则，用矩阵表列出，即形成解法目录。解法目录既便于设计人员进行参考，也有利于存入计算机，进行计算机辅助设计。

4.求系统原理解

将各功能元解合理组合，可以得到多个系统原理解。

可采用形态综合法进行功能元解的组合。将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解法列为横坐标，构成形态学矩阵如表2-3所示。从每项功能元中取出一种解进行有机组合，即可得到一个系统解，最多可以组合出N种方案：N=n1 ×n2 ×…ni…×nm，其中，m为功能元数；ni为第i种功能元解的个数。

表2-4所示的是挖掘机的形态学矩阵。

可能的组合方案数为

N= 6×5×4×4×3=1440

例如，A1+B4+C3+D2+E1⇒履带式挖掘机，A5+B5+C2+D4+E2⇒液压轮式挖掘机。

5.求最佳系统原理方案

在众多方案中比较方案一般由粗到细，由定性到定量进行优选。首先进行粗筛选，把与设计要求不符的或各功能元解不相容的方案去除。例如，行走式挖掘机，若动力源为电动机，则与液力耦合器、气垫、液压缸传动等功能元解不相容，不能共同组成可实现的原理方案。定性选取比较满意的几个方案后再采用科学的评价方法进行定量评价，从中选出符合没计要求的最佳原理方案。

2.4.2 设计工具

1.设计目录

设计目录提供与设计进程有关的信息，如物理效应、作用原理、构形方法等，一般由分类、主体、检索三部分组成。根据内容不同，设计目录可分三种。

（1）对象目录 提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息，设计时按目录选用。

（2）作业目录 提供各种单项设计工作步骤、工作过程及其使用条件和判断准则等，如构型规则、解法选用、特性计算等。

（3）解法目录 解法目录列入特定功能、任务，或附带一定的边界条件，如各种产生某种功能的效应、载体、外形及制造方法等。

2.知识库

（1）数据库 各种物理效应、功能载体、技术参数等，都能以数据库的形式存入计算机，以供检索查询。

（2）设计词典 按某种设计要求编词典。如功能-载体词典把常用的功能编为词典条目，关键词是一个动词，再加限制性形容词。

（3）手册 各种设计手册如《机械工程手册》等，也属于知识库的范畴，使用广泛。

2.4.3 结构方案的变形

功能原理方案要落实到功能载体才能具体实现。功能载体是实体，是能起某种功能作用的零件、部件或机器。进行功能载体结构设计时，可按系统化方法变形，探求多种结构方案。

结构方案设计的思路是：① 从定性到定量：定性构形，选材料，再定量确定零件尺寸；② 从局部到整体：功能面构形后组合为零件，通过零件间的连接或相对运动构成部件。

以下分析功能面变形、连接变形、功能运动变形及材料变形的思路。

1.功能面变形

功能面是零件中完成主要功能作用的面，如传递力或扭矩的传力面、相对运动面等。

功能面可按其形状、大小、数目、位置变形。如曲柄、连杆之间的铰销连接，当销孔尺寸由小变大时，曲柄机构变为偏心轮机构。图2-7是由功能面变形得到的不同轴毂连接方案。

2.连接变形

相对静止零件之间的传力称为连接。可按照拆卸特点（可拆或不可拆）及锁合原理对连接进行分类和变形，如表2-5所示。

根据受力时维持零件间相对静止的锁合原理，可分为形锁合、力锁合和材料锁合三类。① 形锁合连接：利用零件间的形状关系产生锁合力；② 力锁合连接：利用零件间的相互作用力（摩擦力、磁力等）产生锁合力；③ 材料锁合连接：利用附加材料产生锁合力把两个零件连接在一起。

3.功能运动变形

在实现功能的过程中，功能面或功能体之间有功能运动。功能运动可按其类型（移动、转动、复杂运动）、性质（均匀、不均匀、连续、断续）、方向（单向，往复）、数目（一个运动或多个运动合成）、大小（速度高低）等变形。在如图2-8所示的无心磨上，从存储仓至工件放取器运取工件，可根据移动、转动或一般运动（如通过四杆机构的连杆）得到不同的运动方案。

4.材料变形

根据工作要求，可选用各种金属材料、非金属材料，固体、液体或气体材料。不同材料将影响结构方案的形成，如铸钢、铸铁、铸铝同为铸件，但其结构各有特点。

通过功能面变形、连接变形，功能运动变形和材料变形可综合出多种结构方案供选用。

【例2-1】 设计取纸器。

解：

（1）明确任务

取纸器为办公室存取便条纸使用。要求装存100 mm ×140 mm的纸20张以上，每次取一张，方便美观，成本在5元以下。

（2）功能原理方案

① 总功能分析

取纸器总功能是分离纸（物料分离），如图2-9所示。

② 功能分解

取纸器的功能分解，如图2-10所示。

③ 求原理解

由贮纸、分纸、连续供纸三个功能元及其相应的功能元解组成形态学矩阵，如图2-11所示。可组合为N个原理解：N=3×7×2=42。

④ 求最佳原理解

根据功能可靠，使用方便，结构简单，成本低等几个评价目标进行评价，认为盒式贮纸、摩擦力分纸、重力供纸为最佳原理解。

（3）结构方案

设计中，分纸是关键功能元，对功能面（摩擦分纸的摩擦面）、功能运动（分纸运动）和摩擦材料分别进行变形，列形态学矩阵如图2-12所示。经组合后得到多个结构解，分析筛选后取出以下三个方案进行评价（如图2-13所示）。

Ⅰ：A4+B1+C1+D2+E4+F1

Ⅱ：A2+B1+C1+D1+E2+F2

Ⅲ：A1+B1+C1+D2+E2+F1

方案Ⅱ和方案Ⅲ都在盒盖因重力自动盖上时推出纸，而方案Ⅲ摩擦面宽，每次分一张纸的功能较可靠，且为全塑结构，外形美观，批量生产成本较低，选为最佳方案。

综上所述，系统化设计法有以下特点：

① 设计步骤明确。即使不太有经验的设计者也能按步骤进行设计，对有经验的设计者更能发挥其所长。

② 抽象——具体。设计从功能分析着手，把总功能抽象化以抓住其本质核心问题，避免习惯性思维的束缚，然后通过功能原理方案、结构方案逐步具体化为功能载体。

③ 分解——组合。在设计各阶段对系统进行科学的分解和组合，使问题由繁变简，使解法由少变多。

例如，在原理方案设计阶段：

系统总功能→（分解）→功能元→功能元解→（组合）→系统解（多个）。

在结构设计阶段：如图2-14所示。

④ 搜索——筛选：每个设计阶段都按分析、综合、评价、决策的步骤解决问题，搜索尽可能多的方案，再通过评价选取最佳方案。

⑤ 有规律的设计步骤、系统的解法目录及科学的评价方法等都有利于计算机辅助设计的开展，有利于提高设计质量和效率。

【点评2-4】 系统化设计的思想与特点