机械创新设计-系统方案

第四章机械系统方案的创新设计第一节概述一、机械系统的概念由若干机械装置组成的一个特定系统称为机械系统。机械系统可能是一台机器，如机床、塑料挤出机、纺织机等，系统中主要包含有能量的转化，运动形式的转换等；也可能是一台设备，如化工容器、反应塔、变压器等，系统中主要包含有能量、物料形态与性质的转变等；还可能是一台仪器，如应变仪、流量计、振动试验台等，主要包含了信息与信号的变换。不管系统以什么形式体现，它都不是一个空泛的概念，而是一个实体，是以产品形式体现的。第四章机械系统方案的创新设计第一节概述一、机械系统的概念（续）1．机械系统的组成现代机械种类繁多，结构也越来越复杂，但从实现系统功能的角度出发，一般机械系统由动力部分、传动部分、执行部分和控制部分四部分组成。动力部分控制部分传动部分执行部分第四章机械系统方案的创新设计第一节概述一、机械系统的概念（续）2．机械系统的相关性每个系统一般都由若干个子系统组成，子系统又由各种元件与操作构成。系统中的各子系统之间互相影响，互相关联，同时各子系统也影响着系统，而系统又受超系统的制约。超系统可以理解是系统的环境，系统得以存在的条件。这种各子系统之间，系统与子系统之间，以及系统与超系统之间相互关联的性质称为系统的相关性。进行创新设计时要考虑这种相关性的问题，合理的利用关系，使得设计方向有利于系统的发展，而不是造成更大的制约。第四章机械系统方案的创新设计第一节概述一、机械系统的概念（续）3．机械系统的进化性在进行产品研发决策时，要分析当前产品的技术水平，预测进化方向，确定产品发展的阶段。第四章机械系统方案的创新设计第一节概述二、机械系统设计的内容（1）产品规划阶段（2）方案设计阶段（3）技术设计阶段（4）施工设计阶段机械系统的设计不论是在S形曲线的各拐点位置，还是处于开发下一代产品交替的位置，以及开发一种全新的产品，一般都须经历下列四个阶段：第四章机械系统方案的创新设计第一节概述三、方案设计的创新方案设计的主要工作有功能综合、原理综合和构型综合。功能、原理、构型综合都没有一个统一的规律可遵循，其方案解是发散的。例如洗衣机的主要功能可以抽象的描述为分离，即污物与衣物的分离。探索实现这一功能解的过程就是明确效应，确定其工作原理。一旦确定了工作原理，就要按照工作原理寻求相应的工艺动作。其中每一步骤都存在多个解，每个解都是创新的产物。第四章机械系统方案的创新设计任务功能综合功能分析功能分解功能分类原理综合创新技法冲突矩阵解法目录资源利用……确定方案方案评价构形综合机构构形结构构形第一节概述三、方案设计的创新（续）方案设计的过程是发散—收敛的过程，是创新的过程。其设计过程如框图所示。第四章机械系统方案的创新设计第二节功能综合功能综合是指将口头提出的任务形成技术系统的目的或要求。其主要工作是功能的分析与功能的分解，并判断与功能相对应的效应，为下一步寻求实现功能的工作原理打下基础。另外为了更方便地进行功能的分析与分解，还对机械系统中常需要实现的各种功能进行分类。一、功能分析功能分析就是对系统要达到结果(输出)的描述，并不说明如何达到这个结果。功能分析可以采用黑箱法。第四章机械系统方案的创新设计一、功能分析（续）技术系统机器设备仪器输入接口输出接口能量物料能量信号物料信号黑箱法描述未知系统净衣系统电能接通净衣物脏衣物污物切断照明系统电能接通信号光能第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计二、功能分类功能分类就是将系统中输入与输出的三要素操作具体化，这将有利于功能的分析，也有利于原理的综合与构型的综合。1．按机械系统的组成进行功能分类为系统提供能量或动力，它接受测控部分发出的指令，执行驱动部分工作。其功能载体为各种类型原动机。如电动机、内燃机等。（1）驱动功能（2）传动功能传递驱动和执行部分之间的运动和动力。包括运动形式、性质、方向、大小的变换。其功能载体可以是机械式、液压气动式或电磁式等。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计二、功能分类（续）1．按机械系统的组成进行功能分类（续）（3）执行功能实现和完成产品的最终功能。简单系统可用简单的构件实现特定的动作；复杂的系统有多个执行功能，各动作需要协调与配合。（4）控制功能包括检测、传感与控制。它把系统工作过程中各种参数和工作状况检测出来，变换成可测定和可控制的物理量，传送到信息处理部分，并发出对各部分的工作指令和控制信号。第二节功能综合二、功能分类（续）2．按三要素变换的物理作用进行分类为了有利于开拓与创新，常把机器、设备、仪器中的复杂过程，即功能归结为物理的基本作用类型。凡是引起能量、物料或信号特性发生变化的活动都应称为转变或复原。它具有类型的特征。（１）转变—复原（２）放大—缩小一切使物理量放大或缩小的活动都称为放大或缩小。它具有大小的特征。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计二、功能分类（续）2．按三要素变换的物理作用进行分类（续）（３）混合—分离凡是根据不同的物理特性参量(密度、原子量、波长、频率、几何形状等)使两个或几个混合在一起的流分离开，或者使已经分开的流混合在一起的活动都应称为分离—混合。或者使能量和物料、能量和信号、物料和信号混合和分离的过程也称为混合—分离。它具有数量的特征。（４）接合—分开用来把体现能量的物理量(如功率、力、位移等)合成(相加)，或者分解成几个分量的过程；以及用来产生或取消相同或不同物料间结合力的活动都可归纳为接合—分开。它具有位置的特征。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计二、功能分类（续）2．按三要素变换的物理作用进行分类（续）（５）存储—取出把能量、物料、信号存放起来，或从存贮器中取出来的活动称为存储—取出。它具有数量、位置、时间的特征。（６）传导—中断是指能量、物料、信号通过电流、光纤、管道、机构等进行传输或断开的活动。它具有位置与时间的特征。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计3．机构能实现的基本功能二、功能分类（续）①变换运动的形式运动形式主要有转动、单双向移动、单双向摆动以及间歇运动等。②变换运动的速度即减速、增速、变速或调速等。③变换运动的方向主要指转动件的两轴线可平行、相交、空间交错；对于空间连杆机构与空间凸轮机构可在运动空间实现任意方向运动的变换。④进行运动的合成与分解两个自由度的机构以及各种差速机构。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计3．机构能实现的基本功能（续）二、功能分类（续）⑤对运动进行操纵与控制主要指各种离合装置、操纵装置。⑥实现给定的运动轨迹机构中的浮动构件可实现各种轨迹要求。如连杆机构中的连杆；行星齿轮机构中的行星齿轮以及挠性件传动机构中的挠性构件等。⑦实现给定的运动位置指两个连架杆的对应位置，以及浮动构件的导引位置。⑧实现某些特殊功能有增力、增程、微动、急回、夹紧、定位和自锁等。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计三、功能分解一个系统的总功能是该系统中各子系统乃至各个元件共同完成的。各子系统分担各自的分功能、子功能，乃至功能元。各分功能的类型不完全相同，它们之间有联系，也有区别。为了更方便地求得功能解，即确定实现功能的工作原理，需要将系统的总功能进行分解。功能分解图的结构形状有树状结构，称为功能树；也有串联结构、并联结构以及环形结构。如图所示。第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计F1F12F11F121F122F1F2F11F1F2F11并联结构环状结构F1F2F3树状结构串联结构通过以上分解，就可将任务书给出的总功能划分为已知的分功能或基本功能，并把分功能或基本功能逻辑地联接起来，从而产生所要求的整个系统的因果关系。第四章机械系统方案的创新设计三、功能分解（续）包装纸包装机化妆品电能信号袋装化妆品数量信号包装纸走纸截断纸化妆品输送截流装袋输送并记数电能第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计三、功能分解（续）齿轮减速器输入传动支撑联接输出齿轮润滑箱体轴轴承端盖密封联轴器联轴器键销钉螺钉减速器功能结构图第二节功能综合第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计功能综合后，对基本功能求解过程就是工作原理的综合。发明问题的解决理论——TRIZ理论、建立原理解法目录、资源的分析与利用TRIZ为俄文字母对应的拉丁字母缩写，含义为发明问题的解决理论，也有人将其译为技术冲突的解决原理。TRIZ理论认为发明问题的核心是解决冲突，在设计过程中，不断发现冲突，利用发明原理解决冲突，才能获得理想的产品。第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计一、TRIZ理论概述阿奇舒勒(G．S．Altshuller)在研究和整理世界各国高水平的发明专利过程中，发现任何领域的产品改进、技术变革与创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、消亡的过程，是有规律可循的。结论：许多技术问题可以利用解决其它领域中相似问题的原理和方法轻而易举地得到解决。第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计一、TRIZ理论概述（续）（一）产品设计所面临的问题人们进行机械产品设计通常面临两类需要解决的问题：一类是知道一般的解决方法（常规问题），一类是不知道解决方法（发明问题）。G．S．Ahshuller认为，解决发明问题过程中所寻求的科学原理和法则是客观存在的。TRIZ更加易于操作、系统化、流程化，不过多地依赖设计者的灵感、个人知识以及经验进行创新。第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计一、TRIZ理论概述（续）（二）发明的级别与TRIZ理论的前提1．发明的级别发明级别与知识的关系级别发明程度解决方法(％)知识来源考虑的问题1方法明显32％个人知识102小的改进45％公司知识1003大的改进18％行业知识10004新概念4％行业以外知识100005新发现1％所有的知识100000第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计一、TRIZ理论概述（续）（二）发明的级别与应用前提概述（续）2．TRIZ的理论前提1)产品或技术系统的进化有规律可循。2)生产实践中遇到的工程冲突重复出现。3)彻底解决工程冲突的发明原理容易掌握。4)其他领域的科学原理可解决本领域技术问题。第四章机械系统方案的创新设计第三节TRIZ理论与创新设计一、TRIZ理论概述（续）（三）TRIZ解决发明问题的方法TRIZ的核心是技术系统进化原理及冲突解决原理，并建立了基于知识消除冲突的逻辑方法，用通用解的方法解决特殊问题或冲突。这些原理和方法包括技术系统进化法则、发明原理、发明问题解决算法等。第四章机械系统方案的创新设计二、技术系统及其进化法则第三节TRIZ理论与创新设计1．技术系统技术系统由多个子系统组成，并通过子系统间的相互作用实现一定的功能，简称为系统。子系统本身也是系统，是由元件和操作构成的。系统的更高级系统称为超系统。第四章机械系统方案的创新设计二、技术系统及其进化法则（续）第三节TRIZ理论与创新设计2．产品的进化分析婴儿期成长期成熟期衰退期性能时间时间功能潜力用于表示产品从诞生到退出市场这样一个生命周期的基本发展过程，称为产品进化曲线。第四章机械系统方案的创新设计二、技术系统及其进化法则（续）第三节TRIZ理论与创新设计3．技术系统进化法则（1）完备性法则要实现某项功能，一个完整的技术系统必须包含以下四个部件：动力装置、传输装置、执行装置和控制装置。完备性法则有助于确定实现所需技术功能的方法并节约资源，利用它可对效率低下的技术系统进行简化。第四章机械系统方案的创新设计二、技术系统及其进化法则（续）第三节TRIZ理论与创新设计3．技术系统进化法则（续）（2）能量传递法则技术系统要实现其功能，必须保证能量能够从能量源流向技术系统的所有元件。技术系统的进化应该沿着使能量流动路径缩短的方向发展，以减少能量损失。能量传递法则有助于减少技术系统的能量损失，保证其在特定阶段提供最大效率。第四章机械系统方案的创新设计二、技术系统及其进化法则（续）第三节TRIZ理论与创新设计3．技术系统进化法则（续）（3）动态进化法则动态进化法则包括三个子法则：①提高系统柔性