机械创新设计03

第三章原理方案的创新设计•概述•机械创新设计常用的方法•机电一体化系统的创新设计•方案的评价方法概述•一个新产品开发的全过程通常需要经过：1）产品规划、2）方案设计、3）详细设计、4）改进设计等几个主要阶段。其中，方案设计中的原理方案设计是整个设计的首要环节，也是最重要的环节，因为原理方案的拟定从质的方面决定了整个设计的水平，它是实现产品创新和品质飞跃的关键。•方案设计:是机械设计中把确定产品工作原理的设计称为方案设计。概述•方案的解具有多解性，即实现同一功能目标可以采用不同的工作原理。例如，要实现将一叠纸张逐一分开这一功能目标，设计者可以应用力学原理；也可以应用摩擦原理；可以利用重力使物体下落的原理；可以利用离心惯性力产生的原理；可以利用气体在管道中形成负压或正压的原理；还可以利用静电吸引的原理等等。概述实现的目标使用的原理实现的过程将一叠纸张逐一分开力学原理往复直线运动的打推杆，将纸张叠层上逐一从纸张叠层上推开摩擦原理旋转的摩擦轮，将纸从纸张叠层上逐一“擦开”重力原理纸叠倾斜的限位装置，使纸张逐一自然脱开离心惯性力原理纸张旋转产生的离心力，将纸张逐抛开气体在管道中形成负压或正压的原理将纸张吸住挪开或逐一将纸吹开静电吸引的原理纸张叠最上层的纸张带电后，被带电了工作板吸住后移开概述概述结论：原理方案设计中采用的工作原理不同，所设计出来的机械产品具有的工艺动作不同，则机械产品的性能、结构及经济性也不同。目标：功能齐全、经济性好、安全可靠，在一定条件下和一段时间内相对较满意或“最佳”的创造性原理方案解。在传统的原理方案中，纯机械式的工作原理应用十分广泛。在日益激烈的市场竞争中，产品的原理方案设计的创造性往往决定了产品的生命力，其工作原理的先进性往往成为市场竞争最有力的武器。概述•创造性在设计中的作用：a、所设计出来的机械产品可具有多种原理、工艺动作不同，则机械产品的性能、结构及经济性也不相同。b、原理方案设计是一个极富创造性的构思过程。机械创新设计常用的方法1、部分常用的几种创新设计方法1、部分常用的几种创新设计方法机械创新设计常用的方法学会：1、如何运用创造原理来激发创新思维，2、如何寻找引发创新联想的机会和条件，3、如何将机械设计与创新方法结合起来，4、如何具体运用创新技法来探求机械创新设计中的原理方案解。机械创新设计常用的方法（举例）⑴智暴法举例美国北部冬季输电线事故。电力公司决定采用智暴法来解决这个问题。会上有人提出设计一种专用电线扫雪机；有人提出用电热来化解冰雪；也有人提出用振荡技术来清除积雪。其中有人提出一个几乎十分可笑的方案：乘直升飞机去扫除电线上的积雪。一位工程师听到这个想法后，思维受到激励，马上提出利用直升飞机螺旋桨产生的高速气流扇落积雪的方案。方案提出后，顿时又引起其他与会者的联想，进一步提出制造专用的“除雪飞机”“特殊扇雪螺旋桨”等创意。会后，公司组织专家对各种设想进行论证，最终选择了用改进直升飞机扇雪的方案。于是一种专门用于清除电线上积雪的小型直升飞机就这样诞生了。机械创新设计常用的方法（举例）⑵类比法举例自行车涨闸结构如图b所示，1、2为制动片，3为闸壳，4为制动凸轮。当闸壳按图示方向转动，驱动制动凸轮“刹车”时，摩擦片1在摩擦力的作用下将进一步贴紧闸壳，而摩擦片2在摩擦力的作用下将与凸轮的推力对抗，力图使摩擦片与闸壳分离，因此，这种涨闸结构制动效果不好。仿效带式制动器将摩擦片做成一片（如c图），则在相同制动情况下，整个摩擦片将紧贴闸壳，使自行车的制动性能大大提高。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）⑶形态分析法举例形态分析法又称为方格法、棋盘法或形态综合法。形态分析方法的具体过程：①因素分析，就是确定创造对象的构成因素、②形态分析，即按照因素的功能属性，尽可能多地列出满足功能要求的各种技术手段（即形态）、③方案综合，包括方案形成与方案优选。机械创新设计常用的方法（举例）例：挖掘机设计方案：功能因素有五个，包括动力、移动、挖掘和分别给移动、挖掘动力传递。列出能满足上述五个功能因素可采用的措施（形态），组成挖掘机设计方案的形态学矩阵见下表所示。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）根据上表进行组合可得6x5x4x4x3=1440种设计方案。其中，根据选优比较采用a1＋b5＋c3＋d4＋e2组合得到履带式挖掘机；采用a5＋b5＋c2＋d4＋e2组合得到液压轮胎式挖掘机。由于上述两种挖掘机方案具有合理的结构形式和对特殊情况的适应能力，已在挖掘机的生产制造中被广泛地采用。机械创新设计常用的方法（举例）例如，在研究新型单缸洗衣机的设计方案时可以作如下分析：洗衣机必须具有盛装衣物、分离污物、控制洗涤三个功能因素。功能二因素中“分离污物”是最关键的功能因素，在考虑如何将污物从衣物中“分离”时，应从各个技术领域去深入思考，采用可能应用的一切技术措施，包括现有的和先进的，甚至暂时没有但有可能通过努力而实现的。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）进行组合，可得4x4x3=48种方案，其中：a1+b1+c1是最原始的洗衣机；a2+b3+c1是种简单的热胀增压式洗衣机，其工作原理是用热水加洗涤剂，用于摇的方式使洗涤桶旋转增压，达到分离衣物上污物的目的；a1+b2+c2是一种新型的，用电磁振荡除去衣物上污物的洗衣机；a1+b4+c2是一种应用超声波除去衣物上的污物的洗衣机。机械创新设计常用的方法（举例）⑷输入输出法举例输入输出法又称“黑匣”或“黑箱”分析法，如图所示。在没有获得方案的具体内容前，把方案内容用一个黑匣来描述，黑匣的一侧是设计方案的已知条件，即输入内容；另一侧是方案要达到的，即输出内容。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）下面以天黑时路灯自动启动照明装置为例，说明运用黑匣分析法进行方案构思的步骤与过程。①根据产品的用途确定输入与输出的内容。对于本例而言，天黑了是已知条件，因此其输入内容是“天黑了”。而启动照明是产品的目的，故输出内容是“启动照明”。②黑匣建立好以后，便可以从输入与输出端两个方向去构思黑匣内的具体内容。从输入端－“天黑了”可以联想到天黑后带来的一系列因果关系，这时思维尽可能地发散，构想出来的越多越好。从输出端－“启动照明”直接联想出接通电源。③根据黑匣中构思出来的第一层内容进行第二层方案内容的构思。丰富第一层内容的细节和深层次的内容。机械创新设计常用的方法（举例）约束条件:1.可靠实现开启功能2.易于大批量生产和制造机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）⑸设问探求原理举例：搓丝工作原理，如图所示。一般加工螺钉都用车削或用丝搬加工，生产效率低。采用滚压方法对螺纹进行搓丝加工，效率得到大大提高，特别适用标准件工厂采用。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）⑹功能分析法例：纸币分离工作原理，如图示。要设计一台纸币点钞机实现自动点检钞票的总功能，可以构见将一叠纸币按图所示的方法逐一分离后计数的工作原理；也可以采用将一叠纸币不分离而使每叠纸币适当地错位来计数的工作原理；还可以用量度一叠纸币的总厚度或总质量的工作原理……而每种工作原理又可以采取不同的手段，综合运用机、声、光、电磁、热、化等各种“物理效应”去实现。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）(7)功能元求解将总功能分解为功能元的目的是为了便于找到实现功能元的功能载体。设计功能载体是完成原理方案的重要设计环节。功能载体是具有可以完成某一功能属性的物体。物体的属性是多方面的，人们可以在一定条件下利用物体的某种属性来完成某些特定的功能。物体的属性包括物理属性、化学属性、运动特性、几何特性、机械特性等。机械创新设计常用的方法（举例）例如，利用一对渐开线齿轮瞬时传动比恒定的特性，可以实现定传动比传动的功能；利用一对齿轮的齿廓与包容这对齿轮的机壳间容积的变化这一特性，可制成齿轮泵或齿轮马达，实现泵或马达的功能。因此，功能元求解的关键是在科学原理的基础上寻找尽可能多的功能载体。机械创新设计常用的方法（举例）建立功能载体知识库成为近年来世界各国的设计师研究的重要工作内容之一。以下简单介绍几种知识库的形式。机械创新设计常用的方法（举例）1）苏联学者建立的物理效应和现象库。机械创新设计常用的方法（举例）2）日本一些企业建立的功能—载体词典。该词典把本专业常用功能编为词典的条目，使用时按关键词检索。下图是以“伸缩”为关键词的词条。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）３）设计目录。设计目录是一种设计信息库。它把设计过程中的大量信息有规律地加以分类、排列和存储，以便于设计者查找和调用。在计算机辅助自动化设计的专家系统和智能系统中，科学、完备的设计信息资料是解决问题的重要基本条件。设计目录不同于一般手册和资料，它是密切结合设计过程和需要而编制的，范围十分广泛，如解法目录、原理目录、对象目录……每种目录的目的明确，提供信息面广、内容清晰、条理性强、提取方便。部分物理功能元的解法目录机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）机械一次增力功能元的解法目录。机械二次增力功能元的解法目录机械创新设计常用的方法（举例）机械运动形式变化解法目录。机械创新设计常用的方法（举例）（8）系统原理解当功能元的解法求出后，将各功能元的解合理地组合起来成为一个整体，便形成实现系统总功能的原理解。系统原理解可以用功能元——解法形态学矩阵求出。以系统的功能元为行，各功能元的相应解法为列，构成形态学矩阵。将各功能元的不同解法进行组合可以形成多个系统原理解，即得到多个原理设计方案。机械创新设计常用的方法（举例）在组合过程中应当注意：（1）组合在一起的各功能元的解应具有相容性，即各功能元的解在几何学、运动学、能量流、物理流和信息流上分析是相互协调的，不相互干扰，不相互矛盾，否则形成的方案应予以剔除；（2）组合的方案从技术和经济效益上衡量具有先进性、合理性和经济性。机械创新设计常用的方法（举例）例设计一手动装订书籍的打孔机。设计要求：１）操作手柄作旋转运动；２）打孔针作直线往复运动；３）构件数尽量少；４）省力。机械创新设计常用的方法（举例）解１）确定总功能：打孔。２）总功能分解：输入转动变为输出往复直线运动；力增大。３）四杆机构最简单，查解法目录表寻求解法，取表中２、４、７、９四个解法。４）增力查表，取肘杆机构。５）组合得四种原理方案解见下图。机械创新设计常用的方法（举例）机械创新设计常用的方法（举例）例设计某化工厂用双杆搅拌机。解1）功能分析得功能结构图。机械创新设计常用的方法（举例）２）在功能元解法目录表中查出降速解法、回转→摆动的功能元解法和双杆同摆的解法，将功能元及其解法（功能载体）组成分功能形态矩阵如下：机械创新设计常用的方法（举例）取三种功能的各一种解法组合可得ｎ＝４×３×２＝２４共２４种方案。根据工厂的使用条件比较恶劣，且摩擦传动体积太大，故从２４中方案中选用齿轮啮合传动或链传动得ａ１＋ｂ３＋ｃ２和ａ３＋ｂ１＋ｃ１两种方案如下图所示。其中第一种方案结构紧凑；第二种方案可实现远距离传动，成本较低。机械创新设计常用的方法（举例）双杆搅拌器原理方案机电一体化系统的创新设计机电一体化:是电子技术向传统机械工程渗透相互融合的产物，是一门融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的新兴学科。其实质是一种机械技术的创新。机电一体化系统的创新设计机械系统按其运动是否具有可控制性可以分为两大类：刚性机械系统和柔性机械系统。刚性机械系统是指由机械装置与电气装置独立组合，只有简单的开、关、正反转、停止等控制要求的机械系统。柔性机械系统通常指那些需借助传感器或控制电路，通过计算机按位置、位移、速度、压力、温度等实施智能化控制的机械系统。典型的如数控机床、机器人都属于这类机械系统。机电一体化系统的创新设计下图示出了机械系统的演变过程：图ａ为典型的刚性机械系统；机电一体化系统的创新设计图ｂ为改进的刚性机械系统，其特