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第五章机械运动方案设计与创新开发一个新的机械产品一般经历四个阶段：产品规划——市场需求调查；科技信息调研；论证必要性，可行性，确定产品功能目标。方案设计——进行系统的功能分析与设计；工作原理构思与设计；工艺动作构思与设计；方案性能评价。技术设计——进行系统中的零部件尺寸、参数、形状、结构、强度、刚度、精度设计；绘制相应的工作图，编写说明书。施工设计——加工、制造等工艺设计；安装、调试及维护、使用说明。在这四个设计阶段过程中，方案设计对产品的性能、成本、使用与维护等影响很大，也是最具有可创新的阶段。因此很有必要探索该阶段的创新设计方法与技巧。一、功能分析与设计功能分析与设计的目的是从完成功能的角度而不是从技术的角度分析系统，子系统。其设计过程包括裁剪、重组。即研究每一个功能是否必须，如果必须，系统中其它部分是否可代替1.功能的概念：所谓功能（Function）就是用简明的语言对产品对象的各种工作能力抽象化的描述。功能的描述一定要准确、合理、简洁、抽象，不带有任何倾向性。使得在方案构思时不致产生框框，使思路开阔。它与产品的用途、性能等不尽相同。例如，钢笔的用途是写字，而功能的描述是“存送墨水”。例如：解决取出核桃仁的问题，功能描述不同，解决该问题的思路与方法就会受到影响。功能描述工作原理工艺动作砸壳外部加压砸、压、冲、射等压壳外部加压内部加压砸、压、冲、射等通高压气，外压骤减，内压破壳壳仁分离外部加压内部加压去壳砸、压、冲、射等通高压气，外压骤减，内压破壳培育薄壳品种，化学法脆皮、溶壳2.功能分类1）按机电产品各组成部分具体功能进行分类：o驱动功能——为系统提供能量，它接受测控部分发出的指令，驱动执行部分工作。其功能载体为各种类型原动机。o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、电磁式等。o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。o测控功能——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。2）按系统中各部分的基本物理功能进行分类基本物理功能反映系统中三个基本要素（能量、物料、信息）变换的物理作用变换功能——能量的类型，运动的形式，材料的性质，物态，讯号类型等变换。具有类型变换特征。缩放功能——三要素量的缩放，能量的缩放，物理量的缩放，讯号的缩放等。具有大小特征。联结功能——三要素同质或不同质的数量上的结合，物料的混合与分离等。具有数量特征。储存功能——具有时间的特征。如物料的存储，能量的存储等。传导功能——三要素在不同位置通过电、光、机构、等变化传导，具有位置特征。离合功能——使系统时而接通、切断。具有时间位置的特征。3）机构的基本功能变换运动的形式——转动，移动，摆动，间歇运动变换运动的速度——减速，增速，变速变换运动的方向进行运动的合成与分解对运动进行操纵与控制实现给定的运动位置与轨迹实现某些特殊功能——增力，增程，微动，急回，夹紧，定位等3.功能的分解将产品的总功能进行分解成分功能，子功能，乃至功能元，使功能分析与设计更加方便。功能分解可图解为树状结构，如下图所示：减速器功能树4.功能设计（模块化设计）1）模块化设计概念与特点：其核心思想是将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。其特点是产品更新换代快，缩短了设计制造周期，降低成本，维修方便，性能稳定可靠；但系统比较复杂。2）模块化设计方式：横系列模块化设计：在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床，卧式铣床或转塔铣床等。纵系列模块化设计：产品功能及原理方案相同，结构相似，而参数尺寸有变化，随参数变化对系列产品划分合理区段，同一区段内模块通用。全系列模块化设计：包括纵系列与横系列。跨系列模块化设计：指具有相近动力参数的不同类型产品。它有两种模块化形式：一种是在相同的基础件结构上，选用不同模块组成跨系列产品。如德国生产的双柱坐标镗床，通过改变测量系统模块，还可得到一种专门用于测量的产品。另一种是在基础不同的跨系列产品中，选用相同功能的模块。如自卸车与载重汽车，选用同样的变速箱与制动器等通用模块。3）模块的划分与组合：划分模块时要注意模块在整个系统中的作用及其更换的可能性与必要性；要注意保持模块在功能及结构方面的独立性与完整性；模块间的结构要素应便于分离与联接；模块的划分不能影响系统的主要功能。模块的组合有开式与闭式组合，组合的原则是以求用较少模块组合成更多不同功能的变形产品。模块化设计实例——齿轮减速器系列设计如减速器功能图所示，分别进行了齿轮模块，轴的模块，箱体的模块等设计，采用了112对斜齿圆柱齿轮和70对锥齿轮模块，代替了非模块化设计的1252对齿轮；可组成332种平行轴和220种相交轴的传动。只需要3种箱体。模块化设计降低了成本，并且便于管理。下表列出了减速器模块化系列中零部件的通用化程度。模块名称箱体齿轮轴轴承端盖通用化程度（%）9785.677.498.498.6二、工作原理的构思与设计工作原理是指实现产品功能最基本形式。创新设计的核心是原理创新。按新的原理工作的机器、设备、仪器才具有竞争力。构思新的工作原理一般可通过以下的途径来解决：1.建立设计目录2.参考、借鉴相关产品的资料或专利3.利用技术冲突解决原理4.充分应用可利用资源1.建立设计目录设计目录是一种设计信息库，他把设计过程中所需要的大量信息有规律的加以分类、排列、储存，以便设计者查找、调用。下表是部分物理功能的设计目录2.参考、借鉴相关产品的资料或专利例1分纸原理：印刷、点钞、包装例2液体输送原理：利用负压效应设计波纹管水泵；利用毛细管效应设计封闭热管，用于人造卫星和冻土层输油管保温等。3.利用技术冲突解决原理冲突广泛存在于产品的设计之中，解决冲突是创新设计的核心。冲突类型很多，这里只讨论关于技术冲突的有关问题。1）技术冲突的概念：技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害作用的消除导致一个或几个子系统变坏。技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。2）技术冲突出现的几种情况：在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个子系统产生有害功能，或加强了一种已存在的有害功能。消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得复杂。技术冲突实例自行车的车闸，目前的设计很容易受到天气的影响，下雨天，瓦圈表面与闸皮之间的摩擦系数降低，减少了摩擦力，降低了骑车人的安全性。一种改进设计为可更换闸皮型，即有两类闸皮，好天气用一类，雨天换另一类。设计中的冲突为，将闸皮设计成可更换型，增加了骑车人的安全性，但必须备有闸皮可用，还要更换，使操作复杂。3）技术冲突的解决原理：在对全世界专利进行分析研究的基础上，有关专家提出了40条技术冲突的解决原理，实践证明，这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要的作用。40条技术冲突的解决原理如下表所示：序号名称序号名称序号名称序号名称1分割11预补偿21紧急行动31多孔材料2分离12等势性22变有害为有益32改变颜色3局部质量13反向23反馈33同质性4不对称14曲面化24中介物34抛弃与修复5合并15动态化25自服务35参数变化6多用性16未达到或超过的作用26复制36状态变化7套装17维数变化27代替37热膨胀8质量补偿18振动28机械系统的替代38加速强氧化9预加反作用19周期性作用29气动与液压结构39惰性环境10预操作20有效作用的连续性30柔性壳体或薄膜40复合材料下面介绍几个常见的原理与工程实例（1）分割原理将一个物体分成相互独立的部分：例如一辆卡车加拖车代替一辆载重量大的卡车。使物体分成容易组装或拆卸的部分：例如花园浇花用的软管，可按需要用快速接头连接成所需要的长度。增加物体相互独立部分的程度：例如挖掘机铲斗的唇缘是容易损坏的部件，将其设计成可分割的几部分，既可方便的将损坏部分更换，见图。（3）局部质量原理将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构。如用变化中的压力、温度或密度代替常定的压力、温度或密度。使组成物体的不同部分完成不同的功能。如餐盒被分成放放热食、冷食、饮料等各自不同的空间。使组成物体的每一部分都最大限度的发挥作用。如带有起钉器的榔头。若组成机器的某个零部件没有最大限度的发挥作用，则应对其改进设计。例如锯片的改进设计：利用局部质量原理，可使用双列齿，将锯齿制成高度不同，交叉排列的形状，短齿比长齿宽，长齿用来切削，短齿用来清洁切削表面。这样既保证了表面粗糙度，又提高了切削速度。（4）不对称原理将物体的形状由对称变为不对称。如不对称搅拌容器，或对称容器不对称叶片。如果物体是不对称的，则增加其不对称程度。如不对称共鸣器的设计，见下页图。对称是机械零件传统的设计形式，但实际上，设计中很多冲突与对称有关，将其变为不对称就解决了很多问题。不对称共鸣器：将金属筒中心线与绝缘筒的轴心线偏移一定距离，可以得到很好的调谐效果。(5)动态化原理使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。如可调整驱动轮，可调整座椅，可调整反光镜等。划分一个物体成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置。如计算机蝶形键盘。如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的。如螺旋角可变的螺杆输送机，弹簧沿着旋转轴的伸长/压缩可控制螺杆的螺旋角，从而控制松散材料的输送速度，见下页图。4.充分应用可利用资源设计中的可用资源对创新设计起着重要作用，合理的利用资源可使问题的解更容易接近理想解。对资源进行分类，详细分析，深刻理解，并充分利用资源，对设计人员十分必要。（1）资源分类序号类型意义1自然或环境资源自然界中任何存在的材料或场，例如太阳能电池2时间资源两个循环之间的时间3空间资源位置、次序、系统本身及超系统4系统资源系统之间的资源互用5物质资源任何有用于功能的物质6能量/场资源系统中存在的或能产生的场或能量7信息资源系统中任何存在的或能产生的信号8功能资源系统或环境能够实现辅助功能的能力（2）资源分析直接应用资源：指在当前存在的状态下可被应用的资源。导出资源：通过某种变换，使不能利用的资源成为可利用资源。差动资源：物质与场的不同特性是一种可形成某种技术的资源，这种资源成为差动资源。直接可利用资源物质资源：利用螺纹毛坯是圆柱体的特点设计搓丝机，见下页图。能量资源：汽车发动机既驱动车轮又驱动液压泵，使液压系统工作。场资源：地球上的重力场或电磁场。例如利用钢的磁性原理，设计搬运钢板的机械装置，见下页图。空间资源：仓库中的多层货架。时间资源：双向打印机。信息资源：汽车运行时所排放的废气中的颗粒，表明发动机的性能信息。功能资源：人站在椅子上更换屋顶的灯泡，椅子的高度是一种辅助功能的利用。导出资源导出物质资源：由直接应用资源，变换或施加作用所得到的物质。如铸造所的材料毛坯。导出能量资源：变换直接能量所得，如变压器将高压变为低压，这种低电压为导出能源。导出场资源：变换直接场资源所得。导出信息资源：变换不相关的信息为相关信息，如地球表面磁场的变化可用于发现矿藏。导出空间资源：由于几何形状变化所得到的额外空间。导出时间资源：由于加速或间歇运动获得的时间间隔。导出功能资源：合理化后系统完成的辅助功能。结构各项异性：光学特性；电特性；声学特性；机械特性；化学特性；几何特性。不同材料的特性：场梯度的利用：在烟囱的帮助下，地球表面与3200米高空中的压力差，使炉子中的空气流动；空间不均匀场的利用：利用场的值与标准值的偏差：差动物质资源差动场资源差动资源（3）资源利用将所有的资源首先集中于最重要的动作