第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)2第一章

創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第四章機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第五章機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第六章反求工程及創(chuàng)新設(shè)計(jì)第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)第九章機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

原理方案的設(shè)計(jì)從質(zhì)的方面決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的水平，它是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和品質(zhì)飛躍的關(guān)鍵。第一節(jié)原理方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容及創(chuàng)造性在設(shè)計(jì)中的重要作用

構(gòu)思機(jī)械產(chǎn)品的工作原理是機(jī)械設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

根據(jù)機(jī)械預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能要求，構(gòu)思出所有可能的功能原理，加以分析比較，并根據(jù)使用要求或工藝要求，選擇出既能很好地滿足功能要求，工藝動(dòng)作又簡(jiǎn)單的工作原理。

重要特點(diǎn)多解性，即實(shí)現(xiàn)同一功能目標(biāo)可以采取各種不同的功能原理。3功能原理設(shè)計(jì)的多方案性電磁傳動(dòng)原理機(jī)械推拉原理流體傳動(dòng)原理摩擦傳動(dòng)原理材料變形原理光電原理其它原理常用功能原理4功能原理設(shè)計(jì)的多方案性將一疊紙張逐一分開重力離心力摩擦推刮粘力靜電氣吹氣吸5

實(shí)現(xiàn)同一種功能要求，可以采用不同的工作原理，不同的工作原理，需要不同的工藝動(dòng)作。切削運(yùn)動(dòng)分度運(yùn)動(dòng)展成運(yùn)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)展成原理齒輪加工設(shè)備仿形原理功能原理設(shè)計(jì)的多方案性6

工作原理不同，運(yùn)動(dòng)方案也不同。齒輪加工展成原理仿形原理7

工作原理相同，運(yùn)動(dòng)方案不同。齒輪加工插齒滾齒8

針對(duì)同一功能目標(biāo)，可以構(gòu)思出完全不同的工作原理方案。由于工作原理不同，產(chǎn)品的工藝動(dòng)作不同，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也不相同。在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性往往決定了產(chǎn)品的生命力，其工作原理的先進(jìn)性常常成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最有力的武器。留聲機(jī)利用“唱針”與“唱片”摩擦產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)聲的工作原理。體積大，音質(zhì)差，聲音的信息存儲(chǔ)量小。磁帶式錄音機(jī)利用電磁效應(yīng)方便錄放音，聲音信息存儲(chǔ)量大，放音質(zhì)量得到改善。磁帶易磨損。激光影碟機(jī)利用光電效應(yīng)體積小，重量輕，音質(zhì)好，可以錄、放音，記錄和播放彩色圖像。

產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)是一個(gè)極富創(chuàng)造性的過程。9第二節(jié)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)常用方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)常用部分創(chuàng)新方法方法名稱方法的主要特點(diǎn)方法的主要目的特性列舉法將事物按名詞、形容詞、動(dòng)詞分解為三方面特性，將每類特性加以改變或延拓化整為零，逐個(gè)研究改進(jìn)希望點(diǎn)列舉法根據(jù)社會(huì)需求或個(gè)人愿望，通過列舉希望來形成創(chuàng)新目標(biāo)將思維收斂于某“目標(biāo)”，側(cè)重自由聯(lián)想，思路更寬缺點(diǎn)列舉法挑事物的毛病，提出改進(jìn)設(shè)想追求完滿，追求卓越智暴法集合3

5人，根據(jù)議題自由暢談，不準(zhǔn)批評(píng)，尋求創(chuàng)意以量求質(zhì)設(shè)問探求法根據(jù)多項(xiàng)創(chuàng)造性的提問，進(jìn)行分項(xiàng)檢核，尋求創(chuàng)意幫助人們廣思，思考方向和目標(biāo)明確

創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法是創(chuàng)造者智慧的結(jié)晶。10方法名稱方法的主要特點(diǎn)方法的主要目的聯(lián)想類比法通過比較，借助原有知識(shí)，在異中求同，在同中求異分析兩事物的相同或相似點(diǎn)，由此及彼組合法按一定技術(shù)原理，將兩個(gè)或多個(gè)功能元素合并，形成新產(chǎn)品、新工藝、新材料產(chǎn)生新功能功能分析法緊緊圍繞功能分析、求解、組合尋找方案滿足產(chǎn)品的功能要求是設(shè)計(jì)的核心綜攝法把初次接觸的事物或發(fā)現(xiàn)，聯(lián)系到熟悉的事物中，用新眼光變熟悉為陌生，以新觀點(diǎn)、新方式思考問題將毫無關(guān)聯(lián)、完全不同的知識(shí)要素結(jié)合起來形成新方案轉(zhuǎn)向法在求解問題中變換求解因素，采用其他原理、改變思索方向完善計(jì)劃、修改方案、修正觀點(diǎn)仿生法模仿人或生物的生理原理、結(jié)構(gòu)、外形、感覺機(jī)理向人或生物索取啟迪11方法名稱方法的主要特點(diǎn)方法的主要目的函詢集智法借助反復(fù)函求多名專家的書面意見形成創(chuàng)意具有匿名性，便于充分發(fā)表看法635法6人參加，每次每人寫3個(gè)設(shè)想，5分鐘后交換，看過別人的設(shè)想后，再修正和補(bǔ)充3個(gè)設(shè)想…以筆代口，相互激勵(lì)，短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生較多的設(shè)想方案設(shè)計(jì)目錄法通過完備的設(shè)計(jì)信息庫進(jìn)行系統(tǒng)搜索有利于計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)法通過評(píng)價(jià)尋找弱點(diǎn)加以改進(jìn)完善尋求最優(yōu)解決方案價(jià)值分析法從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)分析和改進(jìn)方案追求高價(jià)值的產(chǎn)品物場(chǎng)分析法任何主體總是通過“場(chǎng)”作用于客體，根據(jù)客體尋找合理的“場(chǎng)”和主體使物場(chǎng)三要素相互作用更有效，功能更完善、可靠分解法把事物分解或離散，使問題暴露出來，改進(jìn)后重組便于抓住主要矛盾，尋求特色創(chuàng)意12方法名稱方法的主要特點(diǎn)方法的主要目的形態(tài)綜合法對(duì)創(chuàng)造對(duì)象進(jìn)行因素分解，列出每個(gè)因素的全部形態(tài)(手段)，按組合原理形成眾多方案尋找盡可能多的解，從中選優(yōu)專利利用法利用專利文獻(xiàn)尋求改進(jìn)、完善設(shè)想防止盲目，避免重復(fù)勞動(dòng)移植法把一個(gè)對(duì)象的原理、方法運(yùn)用于另一個(gè)對(duì)象中使已有技術(shù)在新領(lǐng)域中延續(xù)和拓展黑箱法根據(jù)輸入、輸出內(nèi)容，探求黑箱內(nèi)部的原理和結(jié)構(gòu)用因果邏輯關(guān)系尋求輸入與輸出的最佳聯(lián)系方式假擬設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)模擬或虛擬現(xiàn)實(shí)完善設(shè)計(jì)高效、快速、低成本、高質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)建立研究對(duì)象的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)，用計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、判斷、尋優(yōu)高效、降低成本、提高質(zhì)量、適于各種復(fù)雜設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有科技成果引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，消化吸收后創(chuàng)新吃透原設(shè)計(jì)，創(chuàng)造更優(yōu)的設(shè)計(jì)13

一、智暴法

特點(diǎn)

運(yùn)用群體創(chuàng)造原理，充分發(fā)揮集體創(chuàng)造力來解決問題。

針對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)問題，把五六個(gè)人召集到一起進(jìn)行討論，與會(huì)者可以敞開思想，暢所欲言，充分表明自己對(duì)該問題的意見，供設(shè)計(jì)者參考和研究。

中心思想

激發(fā)每個(gè)人的直覺、靈感和想像力，讓大家在和睦、融洽的氣氛中自由思考。

14

二、類比法

特點(diǎn)

運(yùn)用移植創(chuàng)造原理進(jìn)行聯(lián)想、模擬仿效。

中心思想推陳出新，將某種產(chǎn)品的原理、方法、結(jié)構(gòu)、材料、用途等內(nèi)容運(yùn)用到另一種產(chǎn)品中去。

類型

(1)直接類比尋找與所研究的問題有類似之處的其他事物進(jìn)行比較，從中獲得啟發(fā)。15自行車脹閘方案的創(chuàng)新16(2)象征類比用能抽象反映問題的詞或簡(jiǎn)練的詞組來類比分析。開任務(wù)設(shè)計(jì)一種開罐頭的新工具打開剝開撕開擰開揭開破開撬開各種設(shè)計(jì)方案17(3)擬人類比把自己設(shè)想為所討論問題中的某個(gè)因素，然后從這種處境出發(fā)，設(shè)身處地來想像，假如我是這個(gè)因素會(huì)有什么感覺，會(huì)采取什么行動(dòng)。18

三、形態(tài)分析法

特點(diǎn)

利用組合創(chuàng)造原理，將舊東西進(jìn)行新組合來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。因素

構(gòu)成事物的特性，如產(chǎn)品用途、產(chǎn)品功能等。形態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能或用途的技術(shù)手段。主要工具形態(tài)學(xué)矩陣步驟

(1)因素分析確定創(chuàng)造對(duì)象的構(gòu)成因素。

(2)形態(tài)分析按照分功能，盡可能多地列出滿足功能要求的各種技術(shù)手段(即形態(tài))。19(3)方案綜合包括方案形成與方案選優(yōu)。方案設(shè)計(jì)的形態(tài)學(xué)矩陣

方案數(shù)為：ak

bl

nm。功能因素技術(shù)措施(形態(tài))ab...na1b2b1bkaka2bl

n1nln2nm...

20

舉例

應(yīng)用形態(tài)學(xué)矩陣分析法求解挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的原理方案

(1)

功能因素分析挖掘機(jī)的總功能取運(yùn)物料其總功能和功能因素的關(guān)系為取運(yùn)物料移位傳動(dòng)取物料運(yùn)物料驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)取物料21(2)技術(shù)分析挖掘機(jī)方案設(shè)計(jì)的形態(tài)學(xué)矩陣功能因素技術(shù)措施(形態(tài))123456A.動(dòng)力源電動(dòng)機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)汽輪機(jī)液力馬達(dá)氣動(dòng)馬達(dá)B.移位傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)液力耦合器C.移位軌道輪胎履帶拖拉D.取物傳動(dòng)拉桿繩傳動(dòng)汽缸液壓缸E.取物挖斗抓斗鉗式斗(3)方案綜合總方案數(shù)N

6

5

4

4

3

1440

如A3

B5

C3

D4

E1→履帶式挖掘機(jī)

A3

B5

C2

D4

E2→液壓輪胎式挖掘機(jī)22洗衣機(jī)方案設(shè)計(jì)的形態(tài)學(xué)矩陣功能因素功能解(形態(tài))1234A.盛裝衣物鋁桶塑料桶玻璃鋼桶陶瓷桶B.分離污物機(jī)械摩擦電磁振蕩熱脹超聲波C.控制洗滌人工控制機(jī)械定時(shí)電腦控制總方案數(shù)

N

4

4

3

48

如A1

B1

C1→老式洗衣機(jī)

A1

B1

C2→普通型單缸洗衣機(jī)

A1

B1

C3→普通型自動(dòng)洗衣機(jī)

A2

B3

C1→熱脹增壓式洗衣機(jī)

A1

B2

C2→電磁振蕩洗衣機(jī)

A1

B4

C2→超聲波洗衣機(jī)23

四、輸入輸出法

特點(diǎn)

用一個(gè)抽象的黑箱來描述方案內(nèi)容。

系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾能量物料信息能量物料信息技術(shù)系統(tǒng)(黑箱)輸入輸出工程技術(shù)系統(tǒng)—黑箱模型邊界24

舉例

構(gòu)思一種天黑時(shí)路燈自動(dòng)啟動(dòng)照明裝置。

特征

以輸入、輸出的具體內(nèi)容為思考的出發(fā)點(diǎn)。

構(gòu)思與評(píng)價(jià)同時(shí)進(jìn)行。

思考路徑和方向具有雙向性。

路燈自動(dòng)啟動(dòng)照明裝置(黑箱)路燈自動(dòng)啟動(dòng)照明裝置—黑箱模型天黑了啟動(dòng)照明約束條件：1.可靠實(shí)現(xiàn)開啟功能2.易于大批量生產(chǎn)和制造

25自動(dòng)啟動(dòng)照明裝置方案構(gòu)思

第一層構(gòu)思第一層構(gòu)思評(píng)價(jià)第一層構(gòu)思評(píng)價(jià)第二層構(gòu)思評(píng)價(jià)第二層構(gòu)思評(píng)價(jià)不可靠接通電源啟動(dòng)照明行人車輛減少氣溫下降光線變暗景象變模糊噪聲減弱天黑了26自動(dòng)啟動(dòng)照明裝置方案構(gòu)思

第二層構(gòu)思第一層構(gòu)思評(píng)價(jià)第一層構(gòu)思評(píng)價(jià)第二層構(gòu)思評(píng)價(jià)第二層構(gòu)思評(píng)價(jià)攝像裝置不可靠光敏元件感光材料曝光裝置噪聲監(jiān)測(cè)儀物態(tài)變化不可靠復(fù)雜復(fù)雜壽命短感溫裝置溫變繼電器溫控電路不可靠不可靠放大電路接通電源啟動(dòng)照明行人車輛減少氣溫下降光線變暗景象變模糊噪聲減弱天黑了復(fù)雜27

五、設(shè)問探求法

特點(diǎn)

針對(duì)創(chuàng)造目標(biāo)從各個(gè)方面提出一系列有關(guān)問題，設(shè)計(jì)者針對(duì)提問進(jìn)行分析和思考，通過思維的發(fā)散和收斂逐一找到問題的理想答案。

檢核表法

(1)現(xiàn)有的發(fā)明成果有無更多的用途？或稍加改進(jìn)后有無新的用途？電阻絲電爐電吹風(fēng)電烤箱衣服烘干機(jī)電熨斗電熱水瓶...鞋子烘干器遠(yuǎn)紅外線發(fā)生器電熱毯白熾燈紅外線燈28降落傘雨衣雨傘船用纜繩軸承齒輪...風(fēng)扇鼓風(fēng)機(jī)農(nóng)藥噴霧器森林滅火機(jī)油氣混合器電吹風(fēng)抽風(fēng)機(jī)...氣墊船用推進(jìn)器吸塵器抽油煙機(jī)直升機(jī)旋翼船用螺旋漿尼龍襪子零件29(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？電弧機(jī)水泥制品電弧切割機(jī)振蕩振蕩壓路機(jī)香蕉皮二硫化鉬烏賊噴水船30(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？尼龍扣的發(fā)明31(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？鋸子的發(fā)明32(3)能否改變一下？如形狀、形式、方法、顏色、聲音或味道等。工件定搓絲板動(dòng)搓絲板33彩色氧化鋁氧化發(fā)黑鍍鉻34(4)能否增加什么？如擴(kuò)大使用范圍、增加功能、延長壽命、添加部件、提高強(qiáng)度、加倍、加長、加高、加大等。

舉例防彈玻璃、鋁合金型材、潤滑添加劑、電視幕墻、大屏幕電視機(jī)、大型太空望遠(yuǎn)鏡、大功率激光器、大型飛機(jī)等。

(5)能否減少一點(diǎn)？能否省略一部分？能否微型化？能否濃縮？能否分割？能否再小點(diǎn)、再輕點(diǎn)、再短點(diǎn)、再低點(diǎn)、再薄點(diǎn)？

舉例袖珍收錄機(jī)、折疊傘、筆記本電腦、可視手機(jī)、甲殼蟲式小轎車、超薄電腦顯示屏、計(jì)算機(jī)功能鍵、重?fù)苕I等。

35(6)能否取而代之？采用其他工藝、其他元件、其他動(dòng)力、其他配方、其他材料。

舉例人造大理石、人造絲、表面活性劑、液壓傳動(dòng)、水壓軸承、空氣軸承、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡等。

(7)能否改變？改變?cè)蛐吞?hào)、改變順序或結(jié)構(gòu)、改變配方或方案。

舉例

飛機(jī)螺旋漿、汽車?yán)劝粹o、計(jì)算機(jī)鍵盤、自行車制動(dòng)器、二氧化碳溶劑、噴氣織機(jī)、浮法生產(chǎn)玻璃等。(8)能否顛倒？如上下顛倒、正負(fù)顛倒、里外顛倒、工藝方法顛倒等。

舉例發(fā)電機(jī)、注水開采原油、單向透光玻璃、化學(xué)電池等。36(9)能否組合？如方案組合、目標(biāo)組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應(yīng)用37(9)能否組合？如方案組合、目標(biāo)組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應(yīng)用38(9)能否組合？如方案組合、目標(biāo)組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應(yīng)用39(9)能否組合？如方案組合、目標(biāo)組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應(yīng)用40(9)能否組合？如方案組合、目標(biāo)組合、部件組合、材料組合等。41

六、功能分析法

功能是產(chǎn)品的本質(zhì)任何一種產(chǎn)品在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。

特點(diǎn)

把對(duì)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)化為對(duì)產(chǎn)品功能的思考，尋求一切能滿足產(chǎn)品功能要求的工作原理，探索滿足這些工作原理的技術(shù)裝置—功能載體。

方法將機(jī)械產(chǎn)品的總功能分解成若干功能元，求解功能元，將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案供評(píng)價(jià)選擇。42功能分析法的步驟和各階段應(yīng)用的主要方法總功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明確任務(wù)黑箱法功能樹創(chuàng)造技法功能－技術(shù)矩陣各種評(píng)價(jià)方法功能元分析綜合評(píng)價(jià)決策抽象分解搜索組合收斂43(一)功能的定義及其分類

1.定義

功能

對(duì)某一產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的用途和特定工作能力的抽象化描述。每一件產(chǎn)品均具有不同的功能，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，使用者購買的主要是其使用功能。黑箱(污)衣物能量(凈)衣物污物洗衣機(jī)的功能分析黑箱液體能量壓力液體增壓泵的功能分析44

定義一種功能的最簡(jiǎn)明語句就是用一個(gè)動(dòng)詞加上一個(gè)名詞，分別作為謂語和賓語，具有該功能的單元(系統(tǒng)或?qū)嶓w)用一名詞主語表征，組成“主＋謂＋賓”結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品功能名詞（主語）動(dòng)詞（謂語）名詞（賓語）鐘表千斤頂平口鉗干電池鉆床載重汽車手電筒指示頂起夾緊貯存加工運(yùn)輸提供時(shí)間重物工件電能孔貨物照明產(chǎn)品功能定義示例45

2.功能的分類產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的功能按性質(zhì)、用途、重要程度等作如下分類：

(1)基本功能與輔助功能基本功能是產(chǎn)品所具有的用以滿足用戶某種需求的效能。輔助功能是與基本功能并存的、次要的、附帶的功能。

基本功能舉例車床—車削工件、手表—指示時(shí)間、空調(diào)—制冷與制熱(調(diào)節(jié)室溫)、加工中心—車、銑、鉆、鏜、攻絲等(切削加工)

46

輔助功能舉例日歷表的日歷顯示、自行車后面的書包架、轎車內(nèi)的音響與空調(diào)、電視機(jī)的遙控裝置。

(2)目的功能與手段功能任一功能的存在都有一定的目的，任何功能的實(shí)現(xiàn)都通過一定的手段。任何功能都具有目的功能與手段功能兩種性質(zhì)。目的功能可稱為上位功能、手段功能可稱為下位功能。47洗衣機(jī)的目的功能與手段功能清洗功能沖洗污垢產(chǎn)生扭矩形成渦流輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滾筒上位

系統(tǒng)的目的功能滾筒電動(dòng)機(jī)減速器下位

系統(tǒng)的手段功能48(3)使用功能與表觀功能使用功能是指產(chǎn)品的實(shí)際使用價(jià)值。表觀功能是在使用功能基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品起美化、裝飾的功能。(4)

必要功能和不必要功能必要功能是用戶所需要的功能，包括基本功能與輔助功能。

49

不必要功能是用戶實(shí)際并不需要的功能，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不必要的或過剩的功能表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

不適當(dāng)?shù)丶哟蟀踩禂?shù)；

采用的公差、粗糙度超過產(chǎn)品的實(shí)際要求；

使用了超過功能要求的材料或元件；

追求產(chǎn)品過長的使用壽命；

具有不相稱的表觀功能，如價(jià)廉物美的產(chǎn)品采用豪華的包裝；在看不見的部位施以裝飾鍍層等；

不易損壞的產(chǎn)品而備有很多備用件等。設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)保證基本功能，兼顧輔助功能，同時(shí)考慮使用和表觀功能，去除不必要功能。50(二)功能分解系統(tǒng)總功能功能元

一級(jí)分功能二級(jí)分功能

功能元

能完成一項(xiàng)或一方面功能的作用單元，它可以是各種層次的功能子系統(tǒng)，并且通常和機(jī)械結(jié)構(gòu)中的總成、部件、元器件等概念相對(duì)應(yīng)。功能元也可以是一些最基本的、沒有必要再作細(xì)分的基本功能單元。

舉例螺釘—具有聯(lián)接功能的技術(shù)系統(tǒng)，由螺釘頭、螺桿和螺紋3個(gè)基本功能元組成。功能分析的過程，就是將系統(tǒng)的總功能分解為子系統(tǒng)功能和基本單元功能的過程。功能分解可用樹狀結(jié)構(gòu)圖表示，稱為功能樹。功能樹起于總功能，分為一級(jí)功能、二級(jí)功能，直至能直接求解的功能元。51支承自支承支承物支承人轉(zhuǎn)移人和物在陸地上的位置安全報(bào)警制動(dòng)防盜光報(bào)警聲報(bào)警傳動(dòng)變速轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)夾緊物定位物移位控制陸地運(yùn)輸工具功能樹示例52

(三)功能元求解

將總功能分解成一系列分功能(功能元)之后，可以確定實(shí)現(xiàn)功能元的功能載體(原理方案)。關(guān)鍵在科學(xué)原理的基礎(chǔ)上尋找盡可能多的功能載體。

構(gòu)思重點(diǎn)同一種功能，可用(選用或創(chuàng)造)不同的技術(shù)過程來實(shí)現(xiàn)；選用不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)應(yīng)不同的功能；同一種功能，可選用不同的工作原理、不同的機(jī)構(gòu)滿足功能要求；同一種工作原理，可選用、創(chuàng)造不同的機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組合來實(shí)現(xiàn)；將求得的分功能(或功能元)的原理解按照功能結(jié)構(gòu)組合成總功能原理解；在多個(gè)可行總功能原理解中確定出最佳原理方案。53

功能元類型數(shù)學(xué)功能元、物理功能元和邏輯功能元。

數(shù)學(xué)功能元反映數(shù)學(xué)的基本動(dòng)作，如：加和減、乘和除、乘方和開方，微分和積分等。數(shù)學(xué)功能元主要用于機(jī)械式的加減機(jī)構(gòu)和除法機(jī)構(gòu)，如差動(dòng)輪系；控制系統(tǒng)，如用脈沖計(jì)數(shù)裝置控制動(dòng)作幅度等等。

物理功能元主要是反映系統(tǒng)中物理量轉(zhuǎn)化的基本動(dòng)作，其中常用的5種為：

(1)變換—復(fù)原包括各種類型能量之間的轉(zhuǎn)變、運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)變、材料性質(zhì)的轉(zhuǎn)變、物態(tài)的轉(zhuǎn)變及信號(hào)種類的轉(zhuǎn)變等。(2)放大—縮小指各種能量、信號(hào)向量(“力、速度”等)或物理量的放大及縮小，以及物料性質(zhì)的縮放，如壓敏材料電阻隨外壓力的變化。

54

(3)聯(lián)接—分離包括能量、物料、信號(hào)同質(zhì)或不同質(zhì)數(shù)量上的結(jié)合。除物料之間的合并、分離外，流體與能量結(jié)合成壓力流體(泵)的功能也屬此范圍。

(4)傳導(dǎo)—絕緣反映能量、物料、信號(hào)的位置變化。傳導(dǎo)包括單向傳導(dǎo)、變向傳導(dǎo)，絕緣包括離合器、開關(guān)閥門等。(5)貯存—提取體現(xiàn)一定時(shí)間范圍內(nèi)保存的功能。如飛輪、彈簧、電池、電容器等，反映能量的貯存；錄音帶、磁鼓反映聲音、信號(hào)的貯存。物理功能元通過物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其解答。機(jī)械、儀器中常用的物理效應(yīng)有：力學(xué)、液氣、電力、磁力、光學(xué)、熱力、核效應(yīng)等。55

邏輯功能元包括“與”、“或”、“非”三元的邏輯動(dòng)作，主要用于控制功能，可以采用機(jī)械、電子、電器、液壓、氣動(dòng)等元件組成邏輯動(dòng)作。56

功能元求解步驟

(1)選擇工作原理

應(yīng)注意發(fā)散思維，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不應(yīng)局限于機(jī)械學(xué)的范圍，電子學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、仿生學(xué)等科學(xué)原理都應(yīng)在考慮之列。舉例應(yīng)用磁學(xué)、電子學(xué)工作原理的磁力軸承，代替應(yīng)用摩擦學(xué)、流體力學(xué)工作原理的液壓軸承；應(yīng)用電子學(xué)、信息學(xué)工作原理的帶編碼器的伺服電機(jī)，代替應(yīng)用電工學(xué)、機(jī)械學(xué)工作原理的帶交流電動(dòng)機(jī)的齒輪軸系；應(yīng)用光學(xué)工作原理的激光器代替應(yīng)用機(jī)械學(xué)工作原理的切削機(jī)床對(duì)高硬度材料的加工；應(yīng)用電子學(xué)工作原理的電子計(jì)時(shí)表代替應(yīng)用機(jī)械學(xué)工作原理的機(jī)械計(jì)時(shí)表等等。57(2)構(gòu)思功能載體

1)檢索在各種設(shè)計(jì)目錄、信息庫、手冊(cè)等設(shè)計(jì)工具中進(jìn)行檢索，尋求最優(yōu)功能載體。

2)集成把不同特性、功能、技法等綜合集成，產(chǎn)生創(chuàng)新功能載體。例如：耐拉纖維和耐高溫陶瓷有機(jī)綜合成為高強(qiáng)度陶瓷；具有收音、計(jì)時(shí)、記憶、報(bào)警等多種功能的收音機(jī)。

3)縮放由于材料、集成電路及其工藝的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)可以縮小到從血管進(jìn)入心臟完成手術(shù)。相反的例子有放大到數(shù)百平方米的電視屏幕。

4)變換電動(dòng)機(jī)的部分矽鋼片變換為永磁材料，產(chǎn)生了響應(yīng)特性大大提高的控制電動(dòng)機(jī)。彈簧質(zhì)量系統(tǒng)變換為壓電晶體、電阻絲變換為半導(dǎo)體等。58

功能元求解工具

1.物理效應(yīng)現(xiàn)象庫要求的作用、性質(zhì)物理現(xiàn)象、效應(yīng)、因素、方式機(jī)械能和熱能的蓄積彈性變形、陀螺效應(yīng)、相變、化學(xué)反應(yīng)能能量傳輸形變、振動(dòng)、波動(dòng)、輻射、熱導(dǎo)、半導(dǎo)體溫差電效應(yīng)、對(duì)流、光反射、感應(yīng)輻射、電磁感應(yīng)、超導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)能攪拌混合物形成溶液超聲波、空隙現(xiàn)象、擴(kuò)散、電場(chǎng)、與強(qiáng)磁物質(zhì)的配合、磁場(chǎng)、電泳分離混合物電—磁分離、電磁作用下液體分選劑的視在密度的變化、離心力、吸收、擴(kuò)散、滲透592.功能—載體詞典伸縮雙折脹縮屈伸張收曲折折尺百頁門手風(fēng)琴扇子雙連梯卷尺軌道三角架拉桿天線氣球上下滑動(dòng)分規(guī)圓形折疊傘水平滑動(dòng)603.設(shè)計(jì)目錄運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn)變向平行軸同向

圓柱齒輪機(jī)構(gòu)(內(nèi)嚙合)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)反向

圓柱齒輪機(jī)構(gòu)(外嚙合)圓柱摩擦輪機(jī)構(gòu)交叉帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反平行四邊形機(jī)構(gòu)相交軸錐齒輪機(jī)構(gòu)圓錐摩擦輪機(jī)構(gòu)交錯(cuò)軸

蝸桿機(jī)構(gòu)交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)雙曲柱面摩擦輪機(jī)構(gòu)半交叉帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式變化解法目錄61運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn)變速減速增速齒輪機(jī)構(gòu)蝸桿機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦輪機(jī)構(gòu)繩、線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變速齒輪機(jī)構(gòu)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)塔輪帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)塔輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間歇回轉(zhuǎn)槽輪機(jī)構(gòu)不完全齒輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)無急回性質(zhì)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(K=1)有急回性質(zhì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)62運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)連續(xù)回轉(zhuǎn)移動(dòng)連續(xù)移動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶、繩、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的撓性件往復(fù)移動(dòng)無急回對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)正弦機(jī)構(gòu)不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)有急回偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)間歇移動(dòng)不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特定運(yùn)動(dòng)軌跡連桿機(jī)構(gòu)(連桿運(yùn)動(dòng))連桿上特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡63運(yùn)動(dòng)形式變換基本機(jī)構(gòu)其他機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)輸出運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)擺動(dòng)

雙搖桿機(jī)構(gòu)摩擦輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)移動(dòng)

搖桿滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)間歇回轉(zhuǎn)棘輪機(jī)構(gòu)64機(jī)構(gòu)舉例機(jī)構(gòu)舉例外嚙合直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

錐齒輪機(jī)構(gòu)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不完全齒輪機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿上特定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡雙搖桿機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu)65(四)系統(tǒng)原理解

目的將求得的功能元解按照功能結(jié)構(gòu)合理組合，形成多個(gè)系統(tǒng)總功能原理解，即得到多個(gè)原理設(shè)計(jì)方案

工具形態(tài)學(xué)矩陣

注意一般來說，由形態(tài)學(xué)矩陣組成的原理設(shè)計(jì)方案數(shù)很大，難于直接進(jìn)行優(yōu)選。通常根據(jù)以下原則形成少數(shù)整體方案，供評(píng)價(jià)決策使用。

各功能元的解應(yīng)具有相容性。

優(yōu)先選用具有先進(jìn)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性的解。

剔除不滿足設(shè)計(jì)要求和約束條件的解或不滿意的解。系統(tǒng)原理解66

舉例

設(shè)計(jì)某化工廠用雙桿攪拌機(jī)。解

1.功能分析雙桿同擺降速雙桿攪拌回轉(zhuǎn)擺動(dòng)67功能因素功能載體1234A降速齒輪傳動(dòng)

帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)摩擦傳動(dòng)B回轉(zhuǎn)→擺動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)C雙桿同擺平行四邊形機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件對(duì)稱凸輪機(jī)構(gòu)2.

組成功能元形態(tài)學(xué)矩陣

系統(tǒng)總功能原理解(原理設(shè)計(jì)方案)數(shù)N

4

3

2

24

選用方案

A1B3C2A3B1

C168第一種方案第二種方案雙桿攪拌器原理方案69

舉例

廢水泵設(shè)計(jì)

1.明確設(shè)計(jì)任務(wù)

(1)需求分析與調(diào)研河道污染已成為嚴(yán)重公害，因此有必要將工廠、家庭的污水引到集水池，再由廢水泵送給凈化裝置。根據(jù)市場(chǎng)分析，需要下列范圍工作的泵：流量10

70Ls

壓力升高0.52.5MPa

市場(chǎng)需求約600臺(tái)年在用戶訪問中，人們指出舊有產(chǎn)品有堵塞的可能，要求新產(chǎn)品工作可靠性高，噪聲小和避免氣味擴(kuò)散。70(2)確定任務(wù)開發(fā)書根據(jù)市場(chǎng)分析得知銷售前景最好的產(chǎn)品規(guī)格，由此確定開發(fā)任務(wù)書。按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)系列開發(fā)能覆蓋全部使用范圍的廢水泵系列產(chǎn)品，銷售前景最好泵規(guī)格為：流量40Ls

壓力升高1.6MPa

期望銷售200臺(tái)年首先按上列參數(shù)開發(fā)和試制一臺(tái)初型泵。制造初型泵不用專門的工藝裝備。材料、加工和試驗(yàn)費(fèi)應(yīng)分別統(tǒng)計(jì)。初型泵完成日期為年月。71(3)明確任務(wù)要求設(shè)計(jì)任務(wù)書不僅包括需要解決問題的梗概，還需要與廢水處理專家、衛(wèi)生專業(yè)人員、地下水道專業(yè)人員研究，明確有關(guān)邊界條件。廢水流量不規(guī)則，變化很大，應(yīng)先將廢水引入集水池，當(dāng)池中水位達(dá)到允許的最高水位時(shí)，才需泵出水。因此要有泵自動(dòng)停啟的措施。此外，還應(yīng)考慮斷電時(shí)的應(yīng)急措施，提高運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，并且要可靠地防止堵塞，保證噪聲低，且適用于酸性廢水。廢水集水池泵測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)廢水泵基本原理圖72(4)擬定設(shè)計(jì)要求表(略)2.功能分析泵送廢水為不規(guī)則的斷續(xù)過程，為保證泵送過程自動(dòng)進(jìn)行，應(yīng)具有下列分功能。

1)水位測(cè)量在達(dá)到規(guī)定水位時(shí)發(fā)出信號(hào)。2)過程控制根據(jù)信號(hào)控制能量轉(zhuǎn)換裝置的運(yùn)行與停止。3)能量轉(zhuǎn)換將向系統(tǒng)輸入能量轉(zhuǎn)換為可以直接作用于壓差產(chǎn)生裝置的能量。4)產(chǎn)生壓差使廢水增加能量引出集水池。73

將能量流、物料流、信息流分別考慮，按邏輯關(guān)系繪制功能結(jié)構(gòu)圖。廢水泵功能結(jié)構(gòu)圖

1

水位測(cè)量4產(chǎn)生壓差2過程控制3能量轉(zhuǎn)換信號(hào)狀態(tài)(進(jìn))廢水能量廢水狀態(tài)(出)743.確定主要分功能的解法原理主要分功能“產(chǎn)生壓差”的解決是確定整體方案的關(guān)鍵。排擠原理其他式旋轉(zhuǎn)式容積式振蕩式例如柱塞浸入式例如偏心蝸桿式例如旋轉(zhuǎn)活塞式

“產(chǎn)生壓差”的解法原理75流體力學(xué)原理其他式軸向式徑向式半徑向式封閉式或半開式離心式泵輪

“產(chǎn)生壓差”的解法原理76其他原理旋流混合式注射流例如蝸輪流例如水射流例如水環(huán)式

“產(chǎn)生壓差”的解法原理77分析

(1)排擠原理容積式泵，對(duì)異物尤其是纖維性異物很敏感，不適用。(2)流體力學(xué)原理離心泵，在半開式或封閉式的泵輪中，葉片進(jìn)口處有沉積異物的危險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致不平衡，甚至堵塞整個(gè)通道。單通道泵是離心泵的一種變形，泵輪無葉片，只有一條呈螺旋形卷曲的通道，不易堵塞，但較昂貴。(3)其他原理主要有渦流泵與射流泵。渦流泵通常采用帶徑向葉片的半開式轉(zhuǎn)輪，在一個(gè)大截面環(huán)形空間中旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流而起泵送作用，僅有一部分流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子，異物很少能沉積于其上，流通截面大，堵塞危險(xiǎn)極小。雖效率低，但裝置功率小，作業(yè)率低，與其他泵相比，優(yōu)點(diǎn)較多，宜于采用。78

4.其他分功能求解其他三項(xiàng)分功能可以直接由資料、手冊(cè)進(jìn)行檢索或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇功能載體。利用成批生產(chǎn)的零、部件，可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，降低制造成本，保證產(chǎn)品性能。79分功能解決方案的原理和組成元件1水位測(cè)量

浮子聯(lián)通器流量計(jì)測(cè)壓器2過程控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制閥滑閥開關(guān)3能量變換

風(fēng)車電動(dòng)機(jī)液壓馬達(dá)氣動(dòng)馬達(dá)內(nèi)燃機(jī)4產(chǎn)生壓差

離心泵離心泵渦流泵單通道泵射流泵(半開式)(封閉式)廢水泵形態(tài)學(xué)矩陣5.組合分功能解以實(shí)現(xiàn)總功能

原理方案數(shù)：N

4

4

5

5

400

刪去不合適的解法后，N

2

2

2

3

24

進(jìn)一步選擇相容的分功能，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定三個(gè)原理方案。80

分析

1)原理方案I(實(shí)線)借助浮子測(cè)量集水池中的水位，輸出電信號(hào)，用開關(guān)控制電機(jī)停啟，驅(qū)動(dòng)渦流泵產(chǎn)生壓差送污水。

2)原理方案II(虛線)用測(cè)壓器測(cè)水位，輸出信號(hào)，用開關(guān)控制內(nèi)燃機(jī)開停，驅(qū)動(dòng)單通道泵產(chǎn)生壓差泵送廢水。

3)原理方案III(點(diǎn)畫線)用浮子按水位推動(dòng)閥門控制有一定液壓能的水流(如自來水)，利用噴嘴效應(yīng)(負(fù)壓)抽吸廢水與自來水一同射出。

經(jīng)過初步評(píng)價(jià)選擇，確定方案I為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本例的主要分功能載體是通過選用現(xiàn)有泵來完成的。也可以根據(jù)需要，從工作原理出發(fā)，開發(fā)專用新產(chǎn)品。81

機(jī)電一體化是融合機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體的新興學(xué)科，其實(shí)質(zhì)是機(jī)械技術(shù)的創(chuàng)新。第三節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)普通電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載變速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載減速機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載負(fù)載電子調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)82

一、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新

1.增加了機(jī)械產(chǎn)品的功能

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能和多功能—數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心、汽車電子自動(dòng)變速器、電子點(diǎn)火裝置、全自動(dòng)洗衣機(jī)等。

開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品新的應(yīng)用領(lǐng)域—傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、激光打印機(jī)、繪圖機(jī)、激光照排系統(tǒng)、自動(dòng)探傷儀、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)售貨機(jī)等。

2.結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單例如電腦縫紉機(jī)比傳統(tǒng)的機(jī)械縫紉機(jī)的零件減少約350個(gè)。

3.加工精度更高安裝感應(yīng)同步器數(shù)控顯示設(shè)備后，大型銑、鏜床的加工精度從0.06m1000mm提高到0.02m1000mm。834.使工藝過程柔性化只需要改變計(jì)算機(jī)程序就能迅速地改變?cè)O(shè)備的加工步驟和工藝流程，從而能迅速適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的多方面要求。

5.操作、維修更方便可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)和調(diào)整機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、工藝過程、工藝參數(shù)，改變機(jī)械系統(tǒng)的工作方式和運(yùn)動(dòng)過程。二、機(jī)電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本特征具有計(jì)算機(jī)信息處理與控制系統(tǒng)。84控制器(MC、PC、CNC)接口(智能、信息)接口(機(jī)械)執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器(位置檢測(cè))接口(信息)接口(信息)接口(物理)傳感器(環(huán)境檢測(cè))接口(機(jī)械)接口(機(jī)械)接口(物理)動(dòng)力源機(jī)電一體化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖85典型機(jī)電一體化系統(tǒng)—工業(yè)機(jī)器人焊接作業(yè)86典型機(jī)電一體化系統(tǒng)—工業(yè)機(jī)器人清洗作業(yè)87典型機(jī)電一體化系統(tǒng)—工業(yè)機(jī)器人裝配作業(yè)88典型機(jī)電一體化系統(tǒng)—工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)作業(yè)89BigDog90BigDog91PetMan92PetMan93PetMan94

機(jī)電一體化產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的三種方法

(1)機(jī)電互補(bǔ)法利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品中復(fù)雜的機(jī)械部件或某些功能子系統(tǒng)。

舉例用PLC或MC取代機(jī)械式變速器、凸輪機(jī)構(gòu)、離合器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，或取代插銷板、撥碼盤、步進(jìn)開關(guān)、時(shí)間繼電器等控制機(jī)構(gòu)。

(2)結(jié)合法將組成產(chǎn)品的機(jī)、電部分創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，使之融合為一體，成為一個(gè)專用或通用的功能部件。

舉例

激光打印機(jī)中的激光掃描鏡，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸與掃描鏡的轉(zhuǎn)軸完全融合為一體形成一個(gè)專用產(chǎn)品。

95

(3)組合法采用組合創(chuàng)造原理將結(jié)合法制成的功能部件子系統(tǒng)、功能模塊組合在一起，形成一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品。

舉例將伺服電機(jī)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、編碼器、檢測(cè)控制元件和控制電路板組成機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能部件。

機(jī)電一體化產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的三種方法96第四節(jié)方案評(píng)價(jià)方法

為了獲得技術(shù)上可行、性能上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理，能可靠實(shí)現(xiàn)用戶要求的新方案、新產(chǎn)品，必須對(duì)創(chuàng)造出的各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。一、評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)價(jià)目標(biāo)(評(píng)價(jià)準(zhǔn)則)是評(píng)價(jià)的依據(jù)。

技術(shù)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)價(jià)方案在技術(shù)上的可行性和先進(jìn)性，包括工作性能指標(biāo)、可靠性、使用維護(hù)性等。

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)價(jià)方案的經(jīng)濟(jì)效益，包括成本、利潤、實(shí)施方案的措施費(fèi)用以及投資回收期等。

社會(huì)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)價(jià)方案實(shí)施后對(duì)社會(huì)帶來的效益和影響，包括是否符合國家科技發(fā)展的政策和規(guī)定，是否有益于改善環(huán)境，是否有利于資源開發(fā)和新能源的利用等。97

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定性指標(biāo)(如美觀程度、舒適性等)

定量指標(biāo)(如成本、重量、產(chǎn)量等)

評(píng)價(jià)指標(biāo)可以是單個(gè)的，也可以是多個(gè)的。

評(píng)價(jià)目標(biāo)系統(tǒng)的建立評(píng)價(jià)目標(biāo)系統(tǒng)常用評(píng)價(jià)目標(biāo)樹來表達(dá)，根據(jù)系統(tǒng)可以分解的原則，把總評(píng)價(jià)目標(biāo)分解為一級(jí)、二級(jí)等子目標(biāo)。98Z22Z21Z12Z11ZZ1Z2總目標(biāo)二級(jí)子目標(biāo)一級(jí)子目標(biāo)三級(jí)子目標(biāo)Z111Z112Z122Z121Z212Z211Z213評(píng)價(jià)目標(biāo)樹

最后一級(jí)的子目標(biāo)即為總目標(biāo)的各具體評(píng)價(jià)目標(biāo)(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))。建立評(píng)價(jià)目標(biāo)樹是將產(chǎn)品的總目標(biāo)具體化，使之便于定性或定量評(píng)價(jià)。定量評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)根據(jù)各目標(biāo)的重要程度設(shè)置加權(quán)系數(shù)(重要性系數(shù))。99Z111Z110.50.5Z130.250.25Z120.250.25Z1110.670.34Z1120.330.16Z1210.340.09Z1220.330.08Z1230.330.08Z12210.500.04Z12220.500.04Z11110.250.09Z11120.750.25總目標(biāo)一級(jí)子目標(biāo)二級(jí)子目標(biāo)三級(jí)子目標(biāo)g10.09g20.25g30.16g40.09g50.04g60.04g70.08g80.25目標(biāo)樹與加權(quán)系數(shù)100

Z111左邊的0.67表示Z11的兩個(gè)子目標(biāo)Z111和Z112中Z111的重要性系數(shù)。如Z111和Z112的重要性系數(shù)0.670.331Z111Z110.50.5Z130.250.25Z120.250.25Z1110.670.34Z1120.330.16Z1210.340.09Z1220.330.08Z1230.330.08Z12210.500.04Z12220.500.04Z11110.250.09Z11120.750.25總目標(biāo)一級(jí)子目標(biāo)二級(jí)子目標(biāo)三級(jí)子目標(biāo)101

右邊的數(shù)字表示該子目標(biāo)在整個(gè)目標(biāo)樹中所具有的重要程度，等于該目標(biāo)以上各級(jí)子目標(biāo)重要性系數(shù)的乘積，如Z1112的重要性系數(shù)0.2510.50.670.75。Z111Z110.50.5Z130.250.25Z120.250.25Z1110.670.34Z1120.330.16Z1210.340.09Z1220.330.08Z1230.330.08Z12210.500.04Z12220.500.04Z11110.250.09Z11120.750.25總目標(biāo)一級(jí)子目標(biāo)二級(jí)子目標(biāo)三級(jí)子目標(biāo)102

對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，使用最末一級(jí)子目標(biāo)的重要性系數(shù)，用gi表示，并有

二、評(píng)價(jià)方法最常用的評(píng)價(jià)方法包括評(píng)分法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)法、模糊評(píng)價(jià)法和最優(yōu)化方法。(1)評(píng)分法用分值作為衡量方案優(yōu)劣的尺度，如有多個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)，則先分別對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，再經(jīng)過處理求得方案的總分。方案評(píng)分可采用5分制或10分制，“理想狀態(tài)”取為最高分，“不能用”取為0分。當(dāng)設(shè)計(jì)方案的具體化程度較低，有些特征尚不清楚時(shí)，建議采用5分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)設(shè)計(jì)方案較具體，特征較明顯時(shí)，建議采用10分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。103

舉例用加權(quán)記分法(有效值法)對(duì)某種手表的三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。解(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立評(píng)價(jià)目標(biāo)樹手表11防磁0.080.05成本

0.20.2外觀

0.20.2性能

0.60.6手表設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)目標(biāo)樹夜光0.080.05防震

0.170.1防水

0.170.1記時(shí)0.50.3104(2)評(píng)分及計(jì)算總分

1)確定評(píng)價(jià)目標(biāo)，建立評(píng)價(jià)目標(biāo)矩陣為

Z

z1

z2

z3z4

z5

z6

z7

記時(shí)準(zhǔn)確防水防磁防震夜光外觀美成本低

2)確定各評(píng)價(jià)目標(biāo)加權(quán)系數(shù)G=g1

g2

g3

g4

g5

g6

g70.30.10.050.10.050.20.23)

確定記分方法及標(biāo)準(zhǔn)(10分制)012345……10

不能用缺陷較差勉強(qiáng)可用基本滿意……理想105

4)

根據(jù)各評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分結(jié)果，寫出評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分值矩陣1090787737778878299098891成本低外觀美夜光防震防磁防水記時(shí)準(zhǔn)確

評(píng)價(jià)目標(biāo)方案某手表評(píng)分結(jié)果106

5)

求加權(quán)分值矩陣，計(jì)算各方案分值6)

評(píng)選最佳方案NT

N1

N2

N38.47.457.7R1

R3

R2

方案1為最佳方案。107(2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法將總目標(biāo)分為技術(shù)子目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)，求出相應(yīng)的技術(shù)價(jià)Wt和經(jīng)濟(jì)價(jià)We，然后按照一定方法進(jìn)行綜合，求出總價(jià)值W0。諸方案中W0最高者為最優(yōu)方案。技術(shù)評(píng)價(jià)的目的是根據(jù)目標(biāo)樹計(jì)算確定各目標(biāo)的重要性系數(shù)gi，然后計(jì)算技術(shù)價(jià)wi—子目標(biāo)i的評(píng)分值；wmax—最高分值(10分制為10分，5分制為5分)。在一般情況下，Wt

0.8，則方案的技術(shù)性能很好；Wt

為0.7左右，則方案良好；Wt

0.6則方案不能令人滿意，需要改進(jìn)。108

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)是根據(jù)理想的制造成本和實(shí)際制造成本求得方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)H—實(shí)際制造成本；H1—理想制造成本；H2—設(shè)計(jì)任務(wù)書允許的制造成本。經(jīng)濟(jì)價(jià)We越高，表明方案的經(jīng)濟(jì)性越好，一般取可接受的經(jīng)濟(jì)價(jià)We0.7，最理想的經(jīng)濟(jì)價(jià)為1。技術(shù)經(jīng)濟(jì)總價(jià)值計(jì)算直線法拋物線法W0值越大，方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合性能越好，一般取可接受的W00.65。1090S

連線的關(guān)系線Wt

We稱為“開發(fā)線”。越接近S

的方案，其綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能越好。1.00.8Wei0.70.20.400.20.40.6Wti

0.81.0經(jīng)濟(jì)價(jià)We技術(shù)價(jià)Wt開發(fā)線許用區(qū)理想優(yōu)度S

(最優(yōu)設(shè)計(jì)方案)Si優(yōu)度圖110

(3)模糊評(píng)價(jià)法利用集合論和模糊數(shù)學(xué)將模糊信息數(shù)值化，再進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法。模糊評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是方案對(duì)某些評(píng)價(jià)概念(優(yōu)、良、差)的隸屬度的高低。隸屬度可以采用統(tǒng)計(jì)法和已知隸屬函數(shù)求得。如評(píng)價(jià)某種自行車的外觀，通過用戶調(diào)查，其中30%認(rèn)為很好，55%認(rèn)為好，13%認(rèn)為不太好，2%認(rèn)為不好，