原理方案创新

第二章原理方案的创新设计第二章原理方案的创新设计主要内容原理方案设计——确定产品工作原理功能原理方案的创新设计——围绕功能分析而进行工作原理和工艺动作过程的构思，将机械产品的功能目标转化为工艺动作的过程设计目录——设计信息库原理方案创新设计的评价——评价内容、评价指标和评价方法原理方案的创新设计实例——抓斗的原理方案创新设计机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计本章要求要求掌握原理方案创新设计的一般方法1)从功能分析入手2)通过总体方案分析，构思各功能的工作原理方案3)进行功能分解得到功能树，进而求出功能解，得出系统的多种原理解方案，4)运用系统工程的方法来分析机械各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，5)进行技术经济评价，再经优化筛选，求得最佳原理方案。机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计第一节原理方案设计原理方案设计——构思机械产品的工艺动作和工艺动作实现功能目标的机理即工作原理。重要特点：方案的解具有多解性，即实现同一功能目标可以采用各种不同的工作原理。如：要实现将一叠纸张逐一分开这一功能目标a)切向力推开b)摩擦力“擦开”c)离心力抛开d)重力落下脱开e)气体力吹开f)负压吸力吸住移开g)静电吸力吸住移开机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计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、结构及经济性也不相同。如：在圆柱形工件表面加工出螺纹1)采用车削加工的工作原理，所设计的机床应具有夹紧工件、旋转工件、刀具对准工件轴线沿轴线方向按一定速度运动的工艺动作，加工效率低，螺纹精度难以控制，但对机床要求低2)采用板牙套丝的工作原理，设计出来的机床应具有夹紧工件、板牙中心轴线对准工件轴线加压后，或使刀具不动工件转动，或使工件不动刀具转动的工艺动作，加工效率较高3)采用搓丝的工作原理，设计出来的机床应具有按一定位姿进送工件并让搓丝板压紧工件作平移运动的工艺动作，加工效率高，加工精度高，但对机床要求也高机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计在传统的原理方案设计中，纯机械式的工作原理应用十分广泛，能表现出性能稳定、工作可靠的特性。综合运用机、光、电、磁、热、化等各种物理效应来构思方案可以收到全新的、更理想的设计效果。如：在清洗回收玻璃瓶的方案设计中，采用化学液浸泡、高压水冲洗、超声波去污比用刷子作机械运动来清洗的效果更好。如：机械式的钟表用纵擒机构和物理摆的工作原理来控制钟表的走时精度，钟表的结构不仅复杂，而且实现高精度的报时十分困难。用石英晶体振荡来控制电磁摆摆动的频率，制成了机电结合的石英钟表，钟表的结构得到简化，报时精度也得到很大提高。引入液晶显示技术，进一步省掉电磁摆和钟表的指针，获得一种用液晶显示时间的纯电子工作原理的电子钟表，使钟表的体积进一步缩小，报时精度得到显著提高，产品的品质发生了质的飞跃。机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计原理方案设计步骤机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计第二节功能原理方案的创新设计一、功能的描述功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，。在功能原理方案设计时，对设计对象中功能的描述要准确、简洁，要合理抽象，抓住本质。“黑箱法”（BlackBox）——利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原理和结构。a)液体增压(物料与能量结合)b)物料分离c)信号转换机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计二、功能分类驱动部分相当于人的心肌，为系统提供能量，其功能载体为各种形式的原动机。传动部分反映驱动与执行部分间运动和动力的传递，包括运动形式、方向、大小、性质的变化，它的功能载体可以是电力、液压、气压或机械式的。执行部分相当于人的手和足，各种机器以不同的执行元件完成执行功能，达到它的工作目的。测控部分包含传感和控制功能。传感部分相当于人的眼、耳、鼻等感觉器官。它把机器工作过程中各种参数和状况检测出来，变成可测定和控制的物理量，传送到信息处理部分。此处相当于人的大脑，经过信息处理，发出对各部分工作的指令和控制信号。机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计三、原理方案的总体分析分析其工艺过程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。如：石墨电极加工设备总体原理方案的分析。根据石墨电极形状复杂和石墨材质的特点可提出以下几种加工原理：1)数控加工成型法：编程加工。数控铣床2)研磨成型法：研具研磨石墨电极。研磨机3)离散堆积成型法：分层堆积石墨材料和胶接剂而直接成型。快速成型机4)激光束聚焦法：在充满C2H2的密闭容器中采用激光束聚焦，聚焦点处C2H2分解，碳原子沉积下来堆积成电极。激光加工机机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计四、功能分解——用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、……、功能元进行分解，化繁为简，通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。功能树——功能分解图示为树状的功能结构。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能……分解，其末端为功能元。功能元——可以直接求解的系统最小组成单元。如：激光快速成型机的功能分析。激光快速成型机用激光对箔材（涂复纸）进行切割获得一个层面的形状，将层面叠加胶接起来获得三维实体。机械创新设计第2版ppt课件第二章原理方案的创新设计采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的纸型，并用压辊加热逐层粘合各层纸。1－收纸卷2－块体3－层框和正交小块4－透镜系统5－激光器6－热压辊7－计算机8－供纸卷第二章原理方案的创新设计激光快速成型机功能分析第二章原理方案的创新设计五、功能求解1.功能元解1)参考借鉴有关产品资料或专利；2)利用“设计目录”；3)运用各种创造技法探索新解法。如：输送液体原理解法分析。(1)负压效应1)利用压力p与容积V的关系(pV＝常数)，增大容积空间形成负压吸入液体，减小容积空间形成高压输出液体。如波纹管水泵，拉压塑料波纹管1改变其容积，液体从单向阀2吸入，从单向阀3压出，水头可达3m多。第二章原理方案的创新设计2)利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理，使流体（液体或气体）流经变截面喉管，在狭窄处流速增大，形成负压。被输送液体就可从小孔M抽进喉管，当流速达600～700m/s时，水头可达5～6m。第二章原理方案的创新设计(2)惯性力效应1)利用离心惯性力将水引出。一般离心泵、化工系统的考拉泵都是应用这种原理。2)利用往复运动的惯性力。将管1置于水中，在A、B方向往复运动，水即通过单向阀2、3由管4输出。3)虹吸原理。将软管1插入盛液桶7中，反举吸液器缸套使活塞到A位置，放下缸套使其位置比液面低，活塞由位置A落至B，上部形成真空，盛液桶中的液体在大气压作用下进入软管到达吸液器底部流出，形成虹吸流。第二章原理方案的创新设计(3)毛细管效应高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发，蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土层输油管保温等。第二章原理方案的创新设计2.系统解——将各功能元解合理组合可以得到多个系统原理解。若各功能元的解分别为n1、n2、…、nm个时，最多可以组合出N种方案：如：行走式挖掘机的原理方案分析。(1)功能分析mjnnnnN21第二章原理方案的创新设计(2)探索功能元解并列出形态学矩阵(3)方案组合可能组合的方案数为：如：A1－B4－C3－D2－E1→履带式挖掘机A5－B5－C2－D4－E2→液压轮胎式挖掘机144034456N第二章原理方案的创新设计3.最佳系统解在多个系统解中，首先根据不相容性和设计边界条件的限制删去不可行方案和明显的不理想方案。选择较好的几个方案通过定量的评价方法评比、优化，最后求得最佳原理方案。如上例中的A1－B4－C3－D2－E1→履带式挖掘机就是一种较好的行走式挖掘机原理方案。第二章原理方案的创新设计第三节设计目录一、原理解法的设计目录用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方案的基础。工程系统的基本功能元可归结为物理功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。(1)逻辑功能元——“与”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。基本逻辑关系如表2-3所示。由机械、强电、电子、射流、气体、液体等领域可寻找相应的“与”、“或”、“非”逻辑动作的各种解法，其部分解法目录列于表2-4。(2)数学功能元——可分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。第二章原理方案的创新设计(3)物理功能元——物理功能元反映系统中能量、物料及信号变化的物理基本作用。1)功能元“变换”包括各种类型能量或信号形式的转变、运动形式转变、物态的转变等。2)功能元“缩放”指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的缩小和放大。3)功能元“联接分离”包括能量、物料、信号、同质或不同质数量上的结合和分离。4)功能元“传导”和“离合”反映能量、物料、信号的位置变化。5)功能元“储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。第二章原理方案的创新设计工程系统中常用的物理效应有：力学效应：重力、弹性力、惯性力、离心力、摩擦力等；液气效应：流体静乐、流体功压、毛纫管效应、帕斯卡效应、虹吸效应等；电力效应：静电、压电效应，电动力学等；磁效应：电磁效应、永磁效应等；光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应等；热力学效应：膨胀、热传导、热存储、绝热效应带；核效应：辐射、同位素效应等。表2-5所示为部分物理功能元的解法目录。表2-6和表2-7为力的放大功能元解。第二章原理方案的创新设计二、设计目录的编制例：机械传动系统的设计目录编制如图2-17所示为机械传动系统的功能分析。如表2-8为运动方向变化基本机构目录，表2-9为运动形式变化的常用机构目录。设计目录是计算机辅助设计系统中知识库的重要内容，为了更好地描述知识还有必要将每个基本机构作为特定的功能模块列出其基本性能特点（如传动比、功率范围等）、特殊性能（如远距离传动、自锁等）、评价数据（如对性能、成本、工艺性等基本评价目标的评分或隶属度）等。每个功能模块也列为一个基本目录，这将是具体选择并确定方案的依据。第二章原理方案的创新设计例如：设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置。该传动装置中已知电动机转速n＝960r/min，要求两搅拌杆以240次/min同步往复摆动（摆动方向不限）。(1)功能分析(2)机械传动方案综合——双杆搅拌器传动方案的形态学矩阵可组合的最多方案数为：(3)方案评选考虑化工厂工作环境恶劣，且摩擦传动体积相对较大，故选用啮合传动，有两方案可供进一步选择。24234N第二章原理方案的创新设计方案A：Ⅰ1＋Ⅱ3＋Ⅲ2，电动机－齿轮传动－凸轮机构－对称凸轮（双摆动杆），其特点是结构紧凑。方案B：Ⅰ3＋Ⅱ1＋Ⅲ1，电动机－链传动－曲柄摇杆机构－平行四边形机构（双摆动杆），其特点是可远距离传动，成本较低。第二章原理方案的创新设计第四节原理方案创新设计的评价一、评价内容(1)功能性——是否能顺利完成机械产品的预期功能目标，与同类产品比较是否具有先进性和新颖性，其工作原理是否有创新或突破。(2)经济性——从产品的设计制造成本、运行成本两方面评价。(3)可操作性——产品操作是否方便、简单，人机关系的协调性能如何等。(4)安全性——包括产品本身的安全性和对人身、对环境的安全性问题。如产品是否具有安全保护装置，对操作者或使用者有无采取安全防护措施，有否考虑环境保护问题等。(5)可推广性——从方案实施的市场效应、社会影响、可持续发展情况等方面评价。第二章原理方案的创新设计二、评价指标评价指标是由