原理方案的创新设计

1、2018/9/23,第五章 原理方案的创新设计,2018/9/23,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。,2018/9/23,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。,2018/9/23,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,2018/9/23,19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。,2018/9/23,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

2、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,2018/9/23,系统工程学用“黑箱法”(B1ack Box) 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),2018/9/23,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,2018/9/23,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。,2018/

3、9/23,1)数控加工成型法,5.1.3 原理方案的总体分析,例51 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,2018/9/23,5.1.3 原理方案的总体分析,例52 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。,2018/9/23,5.1.4 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。,2018/9/23,5.1.4 功能分解,例53 激光分层实体制造设备的功能分析,2018/9/23,5.1.5 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

4、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。,2018/9/23,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,2018/9/23,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,2018/9/23,(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,2018/9/23,2) 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。,惯性泵,5.1.5 功能求解,2018/9/23,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,2018/9/23,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,2018/9/23,2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、n

5、2、nm个，则系统解最多组合出N= n1n2nm 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。,5.1.5 功能求解,2018/9/23,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,2018/9/23,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,3)方案组合,可能组合的方案数：N=6x5x4x4x3=1440,A5-B5-C2-D4-E2 - 液压轮胎式挖掘机,- 履带式挖掘机,2018/9/23,例55 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。,2018/9/23,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

6、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。,2018/9/23,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。,2018/9/23,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,2018/9/23,逻辑功能解法目录,5.2.1 原理解法的设计目录,2018/9/23,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,2018/9/23,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

7、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。,2018/9/23,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。,2018/9/23,部分物理功能元的解法目录,5.2.1 原理解法的设计目录,2018/9/23,部分物理功能元的解法目录,5.2.1 原理解法的设计目录,2018/9/23,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,2018/9/23,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,2018/9/23,5.2.2 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。,2018/9/23,5.2.2 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。,2018/

8、9/23,5.2.2 设计目录,通过基本机构的组合还可得到更多的解。,2018/9/23,5.2.2 设计目录,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。,2018/9/23,5.2.2 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。,2018/9/23,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。,2018/9/23,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n960 rmin，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,2018/9/23,2)机械传动方案综合 各分功能解形态学矩阵如下：,5.2.2

9、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=24,2018/9/23,3)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。,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；,2018/9/23,3)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。,2018/9/23,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,2018/9/23,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，进化的动力是解决冲突。“发明问题解决理论”提出消除冲突的发明原理，建立消除冲突的基于知识的逻辑方法。劝架折中,2018/9/23,发明问题解决理论,基本方法如何？ 应用“发明问题解决理论”解决设计问题时，需要首先将待设计的问题表达（翻译）为“发明问题解决理论”的标准问题，利用该理论所提供的工具，可求得标准解，将标准解表达（翻译）为问题领域的解答，得到领域解，可以得到关于消除技术冲突的有益提示。,2018/9/23,发明问题解决理论,怎样分类？ “发明问题解决理论”将工程中的冲突分为两类，一类称为技术冲突，另一类称为物理冲突。 技术冲突指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。 物理冲突指对同一个子系统提出相反的要求。,2018/9/23,发明问题解决理论,为表示技术冲突,该理论总结了常用的39个工程参数： 通用工程参数名称 七类,2018/9/23,发明问题解决理论,并总结了常用来解决技术冲突的40条发明原理： 发明原理,2018/9/23,

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