现代设计方法创新设计讲解

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1、 机械创新设计 机械工程与自动化学院机械设计系 第五章 原理方案的创新设计 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。 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。 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

2、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 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。 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

3、。 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 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 设计设计 出光电电 转换转换 装置。 液体增压压

4、装置，如 不同原理的水泵泵； 各种原理的净净衣 装置(包括洗衣机) 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 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)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

5、激光加工机 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。 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。 5.1.4 功能分解 例53 激光分层实体制造设备的功能分析 5.1.5 功能求

6、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。 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 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 (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 2) 惯性力效应 (1)利用离心惯性

7、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 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 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 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、n2、 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。 功能元解 功能元 F1 F2 . . . F

8、i . . . Fm 1 2 3 j n L11 L12 L1n1 L21 L22 L2n2 Li1 Lij . . Lm1 Lm2 LI LII 5.1.5 功能求解 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 -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 1 A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

9、 钳式斗 2 3 液压传动 气垫 蒸汽透平 链传动 4 5 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=1440 A5-B5-C2-D4-E2 - 液压轮胎式挖掘机 - 履带式挖掘机 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。 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

10、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。 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。 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 逻 辑 功 能 解 法 目 录 5.2.1 原理解法的设计目录 数学功能元分为加减、乘除、乘方

11、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 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。 物

12、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。 部分物理功能元的解法目录 5.2.1 原理解法的设计目录 部分物理功能元的解法目录 5.2.1 原理解法的设计目录 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 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 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

13、明。 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。 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 5.2.2 设计目录 通过基本机构的组合还可得到更多的解。 5.2.2 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。 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。 设计目录是计算机辅助设计系统中

14、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。 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 2)机械传动

15、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 I II III 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) 2 3 4 凸轮机构 链传动摩擦轮传动 1 功能元解 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； 功能元 降速(i=4) 回转-摆动

16、双杆同摆 I II III 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) 2 3 4 凸轮机构 链传动摩擦轮传动 1 功能元解 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 。 功能元 降速(i=4) 回转-摆动 双杆同摆 I II III 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) 2 3 4 凸轮机构 链传动摩擦轮传动 1 功能元解 工程设计获得尽可能多的方案，然后通过评 价从中选择最佳方案，在发散-收敛的过程中创 新。 5.