小型环卫打捞器的创新设计

第1页共4页考生答题不得过此线···················装·····························订····························线······················课程代号：0104009潍坊学院2011-2012学年第2学期《机械创新设计》试卷（论文类）考生姓名学号年级所在院系专业班级考生成绩阅卷人小型环卫打捞器的创新设计【摘要】设计一批小型实用的环卫机械，是解决水污染问题的有效手段。环卫机械产品的设计可以借助创新方法指导设计完成，通过策略化创新的思想，合理的使用不同创新方法指导产品设计。在确定总体方案的时候，通过FBS功能映射的创新方法，从产品的主要功能着手，利用科学效应库找出多个合适原理和方案，然后选择最优方案。确定总体方案后，就必须解决各种设计冲突，利用TRIZ发明问题解决理论，可以对各种技术矛盾和冲突进行重新定义，在矛盾冲突矩阵中找出相应的发明原理，指导所有问题的解决。关键词：环卫机械；创新方法；FBS；TRIZ1引言水面漂浮物造成的水污染现象非常严重，2007年评估的5万多公里河流中，严重污染河流占有12%[1]。国内外设计打捞装置都是专用的大型打捞船来清理水面漂浮物[2]，小型水域就是当地居民利用自制网兜打捞，效率低下，然而仅仅清理大规模的水面漂浮不是解决水污染的根本途径。有效解决手段是需要提高全民环保意识，并且设计出一批小型轻便的打捞装置[1]。机械产品设计将采用创新方法的现代设计手段来改善传统设计中仅凭经验和直觉的设计模式，进而提高产品的设计效率和创新程度。2研究方法介绍与分析创新方法是为传统凭经验和直觉的产品设计理念提供一种具有可操作性和可视化的方法，目前最常见的创新方法为TRIZ，功能—行为—结构（FBS）映射框架结构法，创造性模板法，头脑风暴法等。每一种创新方法都是针对一系列具体问题的解决方法，在国内外多数研究者都是针对具体的方法进行完善。如何结合各种创新方法的的优点，就需要对多种创新方法进行总结和制定一种操作策略。四川大学的李彦教授提出了一种基于策略化创新思想，策略化思想把创新设计分成四类：面向问题、面向目的、面向产品和面向载体。当设计人员面对具体的技术问题时，可以借助面向问题的解决办法，采用TRIZ来解决。如果有很强的设计目的性，那就可以采用面向目的的解决办法采用FBS概念扇法解决。如果是一个产品进行改进升级，则采用创造性模板法。总的来说，就是把创新设计进行分类，然后再分别使用相应的创新方法和手段解决创新设计中所遇到的问题。策略化创新思想，如图1所示。（命题要求，内容要求，格式要求，其它要求，等等）１、试卷完成时间：不得迟于2012年6月29号。２、考试方式、分制与分数解释采用提交设计/论文的方式，成绩按优秀、良好、中等、及格、不及格五级制评定。３、开卷考试要求：(1)试卷采用B4纸质横向排版，论文或设计、字数不少于3000。(2)设计/论文必须横排。(3)必须独立完成，若有雷同，均按零分处理。４、下列内容：(1)运用创造原理与创新技法进行机构创新设计、结构创新设计(2)反求设计与技术引进的应用(3)原理方案的创新设计(4)其他形式的创新设计或论文亦可第2页共4页···················装······························订····························线······················考生答题不得过此线小型环卫机械的设计，是一种需要有原型设计的产品设计。所以在原型设计的方案定型中，要针对指定要求提供出多种方案，故而可以采用策略化创新中面向目的的创新设计方法。确定好原型方案之后的设计过程中还会遇到各种技术矛盾冲突，而TRIZ为各种技术冲突提供了一套详细的解决方案。因此合理利用策略化创新思想指导设计人员最终完成整个产品设计。3基于FBS的总体方案设计产品的总体方案的设计采用FBS的设计方法，依据公理设计理论和FBS设计理论，，为概念设计建立了一个功能域、原理域和结构域三者依次迭代映射的层次模型，如图2所示。在FBS设计中，第一步是建立功能域，把产品的需要实现的各种功能表示出来，然后对个功能实现的原理进行描述，最后在设计出各种功能需要的结构。整个过程都需要科学效应库的支持，在效应库里面找到具体的机械结构和机械原理。然后在对个机构进行在组合，就可以产生多种方案。基于这样的一种设计思想，来完成整个环卫机械产品的整体方案设计，找出多种方案，最后再选用一种具体的方案。具体实现过程为：分析小型环卫打捞器的设计，小型环卫打捞器的主要功能是水面漂浮物的打捞。根据FBS的设计方法和效应库寻找新方案。通过拆分整个产品的功能，确定小型环卫打捞器的主要三个功能是收集，打捞和分离针对这三个主要功能，通过利用科学效应库查找，得到他们实现原理为机械挡网装置进行收集，传送带当中的提升带方式进行打捞，最后采用机械重力结构进行分离。确定最终的实现方案，如图3所示。4设计冲突解决在确定产品的概念方案后，会面对一系列技术矛盾冲突，如何找出解决这些矛盾冲突的最佳手段，不仅是一个产品设计成功的关键，同时也是产品的创新点。TRIZ理论把各种工程问题进行了分类，同时也对各种工程问题提供了一套解决流程。最小问题定义法是TRIZ第３页共4页考生答题不得过此线···················装·····························订····························线··························理论解决工程问题的流程，具体操作过程，如图4所示。小型环卫打捞器最终确定的方案草图为方案一，为了保证产品性价比最大和产品的实用性要求，这个方案产生了一些技术冲突。具体的解决办法将从以下步骤展开：首先，对这些矛盾进行分类。以上的四个问题可以分为两类，一类是物理冲突，与之对应的问题是1和2；另外一类是技术冲突，与之对应的是3和4。第二，物理冲突的解决办法。在TRIZ理论中，物理冲突的解决原理有四种：空间分离原理，时间分离原理，条件分离原理，整体与部分分离的原理。在这里定义问题1和2都是基于空间分离的原理。在TRIZ理论中空间分离原理和发明原理对应的关系，如表1所示。同过发明原理1—分割原理来解决问题1，得到最后的解决方案是把打捞装置与船体本身中分割出来，设计成一个单独的打捞装置。问题2可以采用发明原理2—分离的原理来解决，在整个装置中可以把装置的电源部分分离出来。因为电源可以用导线进行延长，不仅可以保证整个装置在船体上面的平衡，同时也保证了不会被打捞带上来的水损坏电源。第三，技术冲突的解决办法采用，如图5所示[7]的解决办法来完成。在问题3与问题4分析中，对于问题3，解决的办法是提高制造精度，但是又要使可制造性提高。在问题4中，是要使可维护性提高，但是也要保证它的可靠性。可以看出在以上两个问题的分析当中存在着明显的矛盾，针对这些矛盾简单表示为：制造精度提高可能会使可制造性下降。可维护性提高但是可靠性就会下降。通过对39个参数和40条发明原理进行细化分割，我们可以得到矛盾—发明原理对照，如表2所示。上面表2得到了冲突解决矩阵的发明原理，根据系统的要求对于问题3，主要考虑发明原理15—动态化。动态化就是其中的参数是可以变化的，在动态的变化中达到要求。在平行度和同轴度中，首先通过对平行度在水平面内是可以调整的动态化设计，而同轴度是在垂直方向是动态化调整。当安装好之后，在运动中就自然达到了所要求的精度，同时也保证了可制造度的提高。问题4的解决方案可以考虑发明原理2—分离的方法，把钢架分为上下两个部分，提高了它的课维护性，同时也保证了钢架的可靠性。此时四个基本问题也得到了解决，在其他的问题中，按照TRIZ的理论分析，都可以把矛盾冲突分为物理冲突和技术冲突，通过TRIZ理论的方法就可以解决这方面的问题，最终解决生成产品的实物的所有技术问题。5结论通过对小型环卫打捞器的研究，提出了设计者如何利用策略化创新思想和自身的经验与知识，指导整个产品的设计。这样不仅肯定了人的经验和知识，同时也提高了整个产品的设计效率，帮助企业更快速的占领市场。设计出的小型环卫打捞器有以下特点：（1）简单轻便。（2）价格低廉，维护简便。（3）结构紧凑，蓄电池供电。（4）安全平稳，效率高。但是创新方法目前也是一个研究的前沿课题，很多的理论和方法都在不断修正和完善当中，策略化创新也需要做大量的研究工作，更好的指导设计者工作。第4页共4页···················装······························订····························线······················考生答题不得过此线参考文献:1白振光，王成伟，李冠伦.我国水污染状况及控制对策［J］.舰船防化，2006，（S1）2邱成果.大峡水电厂库区水面垃圾清理船的设计［J］.航海工程，2003（4）3Webb，A.TRIZ:aninventiveapproachtoinvention［J］.EngineeringManagementJournal，2002，3（12）:117~1244叶志刚，邹慧君.概念设计中的F-B-S-E模型和作用流方法［J］.机械设计与研究，2002，18（4）:10～225李彥，赵武，晏强.一种基于过程的计算机辅助设计方法［J］.计算机集成制造系统—CIMS，2003，9（9）:741～7496周杰韩，熊光楞，范文慧，柴旭东，杨叔子.一种创新性解决问题的方法—TRIZ的研究与进展［J］.制造业自动化，2002（8）:1～57牛占文，徐燕申，林岳，郭建强，李立.发明创造的科学方法论—TRIZ［J］.中国机械工程，1999（1）：