5_原理方案的创新设计.

1/12/2020第五章原理方案的创新设计1/12/2020引言方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思，探索解决问题的物理效应和工作原理，并用机构运动简图、液路图、电路图等示意表达构思的内容。设计一般分为产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等四个阶段。1/12/2020引言系统工程方法是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。在原理方案设计过程中往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问题。1/12/2020原理方案的设计是发散—收敛的过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，然后进行技术经济评价，经优化筛选，求得最佳原理方案。引言求总功能求功能元解系统原理解最佳原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法、设计目录评价法求功能元形态学矩阵总体方案分析创造技法、设计目录探索抽象分解搜索组合收敛1/12/202019世纪40年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能(Function)的概念。5.1功能设计法功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述。它与产品的用途、能力、性能等概念不尽相同。1/12/2020功能的描述要准确、简洁，合理地抽象，抓住其本质，避免带有倾向性的提法。例:取核桃仁问题的不同功能描述的原理解法。“壳仁分离”是其总功能较合理的描述。5.1.1功能的描述砸壳外部加压：砸、夹、压、冲、射等压壳外部加压内部加压：内部加压力(如通入高压气体)整体加压，外压骤减，内压破壳壳仁分离外部加压内部加压：内部加压力(如通入高压气体)整体加压，外压骤减，内压破壳去壳：培育薄壳核桃；用化学方法溶壳功能描述原理解法1/12/2020系统工程学用“黑箱法”(B1ackBox)分析问题。对于复杂的未知系统，尤如不透明不知其内部结构的“黑箱”，可以利用外部观测，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。5.1.1功能的描述设计出光电转换装置。液体增压装置，如不同原理的水泵；各种原理的净衣装置(包括洗衣机)1/12/2020机电系统一般由驱动、传动、执行、测控四部分组成。5.1.2功能分类执行功能驱动功能传动功能测控功能1/12/2020在功能分析的基础上首先应对系统的原理方案进行总体分析。5.1.3原理方案的总体分析在确定的工作对象中，执行功能与工艺过程和执行元件密切相关，需要分析其工艺过程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。1/12/20201)数控加工成型法5.1.3原理方案的总体分析例5－1石墨电极加工设备总体原理方案的分析1)现成的数控铣床2)研磨成型法3)离散堆积成型法4)激光束聚焦法2)设计研磨机3)设计快速成型机4)设计激光加工机1/12/20205.1.3原理方案的总体分析例5－2螺纹加工机总体原理方案的分析切削加工，但车削、铣削刀具和工件运动都不同；无切屑加工，利用滚压加工进行搓丝，而由于执行元件的不同，也会有不同的搓丝机方案。1/12/20205.1.4功能分解利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，以便通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。功能分解可图示为树状的功能结构，即功能树。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。功能元是可以直接求解的系统最小组成单元。1/12/20205.1.4功能分解例5－3激光分层实体制造设备的功能分析型层叠合形成纸型纸型叠合送纸收纸x向扫描y向扫描驱动传动送纸驱动传动收纸驱动传动x向位移驱动传动y向位移压纸粘合z向升降驱动传动辊y向位移排烟测控测高工作状态显示操纵1/12/20205.1.5功能求解1．功能元解对功能元求解，是原理方案设计中重要的搜索阶段。一般通过以下几种方法求解：1)参考借鉴有关产品资料或专利；2)利用“设计目录”(详见5.2节)；3)运用各种创造技法探索新解法。1/12/2020对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠纸中“分纸”的功能元，其功能元解如图。5.1.5功能求解1/12/2020例5-4输送液体原理解法分析波纹管水泵1)负压效应(1)利用压力P与容积V的关系，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。5.1.5功能求解1/12/2020(2)利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理。喉管原理5.1.5功能求解1/12/20202)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。惯性泵5.1.5功能求解1/12/2020例5-4输送液体原理解法分析2)惯性力效应虹吸原理(3)虹吸原理。5.1.5功能求解1/12/2020例5-4输送液体原理解法分析3)毛细管效应热管5.1.5功能求解1/12/20202．系统解每个功能元的一种功能元解进行有机组合即构成一个系统解。各功能元的解分别为n1、n2、…、nm个，则系统解最多组合出N=n1n2…nm个方案。一般采用形态综合法进行组合，将技术系统的功能元和相应的功能元解分别作为纵横坐标列为形态学矩阵。功能元解功能元F1F2...Fi...Fm123…j…nL11L12…L1n1L21L22…L2n2Li1…Lij..Lm1Lm2LILII5.1.5功能求解1/12/2020例5-5行走式挖掘机的原理方案分析1)功能分析5.1.5功能求解物料取移取放物驱动传动取放移物驱动传动取放1/12/2020-E1-D2-C3-B4A1例5-5行走式挖掘机的原理方案分析2)探索功能元解并列出形态学矩阵5.1.5功能求解功能元电动机齿轮传动轨道及车轮拉杆挖斗1A动力源B移位传动C移位D取物传动E取物蜗杆传动汽油机轮胎绳传动抓斗气压传动柴油机带传动履带钳式斗23液压传动气垫蒸汽透平链传动45液力耦合器液动机气动马达6功能元解3)方案组合可能组合的方案数：N=6x5x4x4x3=1440A5-B5-C2-D4-E2-液压轮胎式挖掘机-履带式挖掘机1/12/2020例5—5行走式挖掘机的原理方案分析3.最佳系统解5.1.5功能求解在多个系统解中，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。1/12/2020设计目录是一种设计信息库。它把设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排列、储存，以便于设计者查找和调用。5.2设计目录设计目录不同于一般手册和资料，它密切结合设计的过程和需要编制，每个目录的目的明确，提供信息面广，内容清晰有条理，提取方便。为达到这样的要求，必须采用系统工程方法建立目录，针对有关对象进行系统分析和系统搜索。1/12/2020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。5.2.1原理解法的设计目录工程系统的基本功能元可归结为逻辑功能元、数学功能元和物理功能元三类。1/12/2020基本逻辑关系逻辑功能元为“与”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020逻辑功能解法目录5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020数学功能元分为加减、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。5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020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，常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离合、储存等6类。“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。5.2.1原理解法的设计目录“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。“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。“传导”和“离合”反映能量、物料、信号的位置变化。“储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。1/12/2020物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：力学效应；5.2.1原理解法的设计目录液气效应；电力效应；磁效应；光学效应；热力学效应；核效应。1/12/2020部分物理功能元的解法目录5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020部分物理功能元的解法目录5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解，如力的放大功能元解可用基本增力机构和二次增力机构来表达。基本增力机构5.2.1原理解法的设计目录1/12/2020设计目录的编制也是采用系统工程分析的方法和系统搜索的思路。5.2.2设计目录的编制1/12/20205.2.2设计目录的编制用机械传动系统的设计目录编制为例加以说明。1/12/20205.2.2设计目录针对“运动方向变化”的功能元去搜索尽可能多的解，下表列出基本机构目录。传动系统运动方向变化相交轴平行轴一般交错轴垂直交错轴1/12/20205.2.2设计目录通过基本机构的组合还可得到更多的解。1/12/20205.2.2设计目录传动系统运动形式变化回转-回转回转-摆动回转-单向直线回转-直线往复回转-特殊轨迹摆动-摆动摆动-单向直线摆动-直线往复直线-单向直线直线-直线往复直线往复-直线往复针对“运动形式变化”的功能元去搜索尽可能多的解，列出基本机构目录。1/12/20205.2.2设计目录下表列出针对“运动形式变化”的功能元基本机构目录。1/12/2020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：5.2.2设计目录基本性能特点(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，这些将是具体选择并确定方案的依据。1/12/2020例5-7设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置5.2.2设计目录已知：该传动装置中电动机转速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)。解：1）功能分析双杆搅拌降速（传动比i=4）回转-摆动两杆同摆1/12/20202)机械传动方案综合各分功能解形态学矩阵如下：5.2.2设计目录取三种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案，可组合的最多方案数：N=4x3x2=24功能元降速(i=4)回转-摆动双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构齿轮传动平行四边形机构摆动导杆机构带传动对称凸轮(摆动从动件)234凸轮机构链传动摩擦轮传动1功能元解1/12/20203)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。5.2.2设计目录方案A：I1+II3+III2电动机－齿轮传动－凸轮机构－对称凸轮(双摆动杆)特点：结构紧凑；功能元降速(i=4)回转-摆动双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构齿轮传动平行四边形机构摆动导杆机构带传动对称凸轮(摆动从动件)234凸轮机构链传动摩擦轮传动1功能元解1/12/20203)方案评选5.2.2设计目录方案B：I3十II1十III1电动机－链传动－曲柄摇杆机构－平行四边形机构(双摆动杆)特点：可远距离传动，成本较低。功能元降速(i=4)回转-摆动双杆同摆IIIIII曲柄摇杆机构齿轮传动平行四边形机构摆动导杆机构带传动对称凸轮(摆动从动件)234凸轮机构链传动摩擦轮传动1功能元解1/12/2020如何产生的？前苏联学者阿利特舒列尔（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，从1946年开始，花费1500人•年，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提出了“发明问题解决理论”。该理论一直对其他国家保密，直到前苏联解体后，随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新设计领域产生重要影响。5.3发明问题解决理论(TRIZ）CIA中央情报局PK克格勃1/12/2020发明问题解决理论基本原理是什么？“发明问题解决理论”认为技术系统是不断进化的，进