2機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)-第二章

2機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)-第二章第一頁(yè)，共38頁(yè)。本章要求要求掌握原理方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一般方法1)從功能分析入手2)通過總體方案分析，構(gòu)思各功能的工作原理方案3)進(jìn)行功能分解得到功能樹，進(jìn)而求出功能解，得出系統(tǒng)的多種原理解方案，4)運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法來(lái)分析機(jī)械各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)與外界環(huán)境的關(guān)系，5)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，再經(jīng)優(yōu)化篩選，求得最佳原理方案。第二頁(yè)，共38頁(yè)。第一節(jié)原理方案設(shè)計(jì)

原理方案設(shè)計(jì)——構(gòu)思機(jī)械產(chǎn)品的工藝動(dòng)作和工藝動(dòng)作實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)的機(jī)理即工作原理。重要特點(diǎn)：方案的解具有多解性，即實(shí)現(xiàn)同一功能目標(biāo)可以采用各種不同的工作原理。如：要實(shí)現(xiàn)將一疊紙張逐一分開這一功能目標(biāo)a)切向力推開b)摩擦力“擦開”c)離心力拋開

d)重力落下脫開e)氣體力吹開f)負(fù)壓吸力吸住移開g)靜電吸力吸住移開第三頁(yè)，共38頁(yè)。原理方案設(shè)計(jì)中采用的工作原理不同，所設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械產(chǎn)品具有的工藝動(dòng)作不同，則機(jī)械產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性也不相同。如：在圓柱形工件表面加工出螺紋1)采用車削加工的工作原理，所設(shè)計(jì)的機(jī)床應(yīng)具有夾緊工件、旋轉(zhuǎn)工件、刀具對(duì)準(zhǔn)工件軸線沿軸線方向按一定速度運(yùn)動(dòng)的工藝動(dòng)作，加工效率低，螺紋精度難以控制，但對(duì)機(jī)床要求低2)采用板牙套絲的工作原理，設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)床應(yīng)具有夾緊工件、板牙中心軸線對(duì)準(zhǔn)工件軸線加壓后，或使刀具不動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，或使工件不動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的工藝動(dòng)作，加工效率較高3)采用搓絲的工作原理，設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)床應(yīng)具有按一定位姿進(jìn)送工件并讓搓絲板壓緊工件作平移運(yùn)動(dòng)的工藝動(dòng)作，加工效率高，加工精度高，但對(duì)機(jī)床要求也高第四頁(yè)，共38頁(yè)。在傳統(tǒng)的原理方案設(shè)計(jì)中，純機(jī)械式的工作原理應(yīng)用十分廣泛，能表現(xiàn)出性能穩(wěn)定、工作可靠的特性。綜合運(yùn)用機(jī)、光、電、磁、熱、化等各種物理效應(yīng)來(lái)構(gòu)思方案可以收到全新的、更理想的設(shè)計(jì)效果。如：在清洗回收玻璃瓶的方案設(shè)計(jì)中，采用化學(xué)液浸泡、高壓水沖洗、超聲波去污比用刷子作機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)清洗的效果更好。如：機(jī)械式的鐘表用縱擒機(jī)構(gòu)和物理擺的工作原理來(lái)控制鐘表的走時(shí)精度，鐘表的結(jié)構(gòu)不僅復(fù)雜，而且實(shí)現(xiàn)高精度的報(bào)時(shí)十分困難。用石英晶體振蕩來(lái)控制電磁擺擺動(dòng)的頻率，制成了機(jī)電結(jié)合的石英鐘表，鐘表的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，報(bào)時(shí)精度也得到很大提高。引入液晶顯示技術(shù)，進(jìn)一步省掉電磁擺和鐘表的指針，獲得一種用液晶顯示時(shí)間的純電子工作原理的電子鐘表，使鐘表的體積進(jìn)一步縮小，報(bào)時(shí)精度得到顯著提高，產(chǎn)品的品質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。第五頁(yè)，共38頁(yè)。原理方案設(shè)計(jì)步驟

第六頁(yè)，共38頁(yè)。第二節(jié)功能原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一、功能的描述功能是產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)特定工作能力抽象化的描述，。在功能原理方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象中功能的描述要準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔，要合理抽象，抓住本質(zhì)?！昂谙浞ā保˙lackBox）——利用外部觀測(cè)，通過分析黑箱與周圍環(huán)境的聯(lián)系、輸入和輸出，了解其功能、特性，從而進(jìn)一步探求其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)。a)液體增壓(物料與能量結(jié)合)b)物料分離c)信號(hào)轉(zhuǎn)換

第七頁(yè)，共38頁(yè)。二、功能分類

驅(qū)動(dòng)部分相當(dāng)于人的心肌，為系統(tǒng)提供能量，其功能載體為各種形式的原動(dòng)機(jī)。傳動(dòng)部分反映驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行部分間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，包括運(yùn)動(dòng)形式、方向、大小、性質(zhì)的變化，它的功能載體可以是電力、液壓、氣壓或機(jī)械式的。執(zhí)行部分相當(dāng)于人的手和足，各種機(jī)器以不同的執(zhí)行元件完成執(zhí)行功能，達(dá)到它的工作目的。測(cè)控部分包含傳感和控制功能。傳感部分相當(dāng)于人的眼、耳、鼻等感覺器官。它把機(jī)器工作過程中各種參數(shù)和狀況檢測(cè)出來(lái)，變成可測(cè)定和控制的物理量，傳送到信息處理部分。此處相當(dāng)于人的大腦，經(jīng)過信息處理，發(fā)出對(duì)各部分工作的指令和控制信號(hào)。第八頁(yè)，共38頁(yè)。三、原理方案的總體分析

分析其工藝過程，在較大的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行工作原理的搜索。如：石墨電極加工設(shè)備總體原理方案的分析。根據(jù)石墨電極形狀復(fù)雜和石墨材質(zhì)的特點(diǎn)可提出以下幾種加工原理：1)數(shù)控加工成型法：編程加工。數(shù)控銑床2)研磨成型法：研具研磨石墨電極。研磨機(jī)

3)離散堆積成型法：分層堆積石墨材料和膠接劑而直接成型。快速成型機(jī)4)激光束聚焦法：在充滿C2H2的密閉容器中采用激光束聚焦，聚焦點(diǎn)處C2H2分解，碳原子沉積下來(lái)堆積成電極。激光加工機(jī)第九頁(yè)，共38頁(yè)。四、功能分解——用系統(tǒng)工程分解性原理將功能系統(tǒng)按總功能、分功能、……、功能元進(jìn)行分解，化繁為簡(jiǎn)，通過各功能元解的有機(jī)組合求得技術(shù)系統(tǒng)解。功能樹——功能分解圖示為樹狀的功能結(jié)構(gòu)。功能樹起于總功能，按分功能、二級(jí)分功能……分解，其末端為功能元。功能元——可以直接求解的系統(tǒng)最小組成單元。如：激光快速成型機(jī)的功能分析。激光快速成型機(jī)用激光對(duì)箔材（涂復(fù)紙）進(jìn)行切割獲得一個(gè)層面的形狀，將層面疊加膠接起來(lái)獲得三維實(shí)體。第十頁(yè)，共38頁(yè)。采用激光束聚焦的能量氣化切痕以得到一定精度輪廓的紙型，并用壓輥加熱逐層粘合各層紙。1－收紙卷2－塊體3－層框和正交小塊4－透鏡系統(tǒng)5－激光器6－熱壓輥7－計(jì)算機(jī)8－供紙卷第十一頁(yè)，共38頁(yè)。激光快速成型機(jī)功能分析第十二頁(yè)，共38頁(yè)。五、功能求解1.功能元解1)參考借鑒有關(guān)產(chǎn)品資料或?qū)＠?)利用“設(shè)計(jì)目錄”；3)運(yùn)用各種創(chuàng)造技法探索新解法。如：輸送液體原理解法分析。

(1)負(fù)壓效應(yīng)1)利用壓力p與容積V的關(guān)系(pV＝常數(shù))，增大容積空間形成負(fù)壓吸入液體，減小容積空間形成高壓輸出液體。如波紋管水泵，拉壓塑料波紋管1改變其容積，液體從單向閥2吸入，從單向閥3壓出，水頭可達(dá)3m多。第十三頁(yè)，共38頁(yè)。2)利用流速與壓力的關(guān)系即文丘里喉管原理，使流體（液體或氣體）流經(jīng)變截面喉管，在狹窄處流速增大，形成負(fù)壓。被輸送液體就可從小孔M抽進(jìn)喉管，當(dāng)流速達(dá)600～700m/s時(shí)，水頭可達(dá)5～6m。第十四頁(yè)，共38頁(yè)。(2)慣性力效應(yīng)1)利用離心慣性力將水引出。一般離心泵、化工系統(tǒng)的考拉泵都是應(yīng)用這種原理。2)利用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力。將管1置于水中，在A、B方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水即通過單向閥2、3由管4輸出。3)虹吸原理。將軟管1插入盛液桶7中，反舉吸液器缸套使活塞到A位置，放下缸套使其位置比液面低，活塞由位置A落至B，上部形成真空，盛液桶中的液體在大氣壓作用下進(jìn)入軟管到達(dá)吸液器底部流出，形成虹吸流。第十五頁(yè)，共38頁(yè)。(3)毛細(xì)管效應(yīng)高性能的輕質(zhì)熱管為兩端封閉的管子，襯里為數(shù)層金屬絲網(wǎng)，管內(nèi)封裝液體，在高溫端液體吸熱蒸發(fā)，蒸氣流至低溫端放熱，冷凝后的液體由毛細(xì)管效應(yīng)通過金屬絲網(wǎng)流回?zé)岫?。此種熱管用于人造衛(wèi)星和凍土層輸油管保溫等。第十六頁(yè)，共38頁(yè)。2.系統(tǒng)解——將各功能元解合理組合可以得到多個(gè)系統(tǒng)原理解。若各功能元的解分別為n1、n2、…、nm個(gè)時(shí)，最多可以組合出N種方案：如：行走式挖掘機(jī)的原理方案分析。(1)功能分析

第十七頁(yè)，共38頁(yè)。(2)探索功能元解并列出形態(tài)學(xué)矩陣(3)方案組合可能組合的方案數(shù)為：如：A1－B4－C3－D2－E1→履帶式挖掘機(jī)A5－B5－C2－D4－E2→液壓輪胎式挖掘機(jī)

第十八頁(yè)，共38頁(yè)。3.最佳系統(tǒng)解在多個(gè)系統(tǒng)解中，首先根據(jù)不相容性和設(shè)計(jì)邊界條件的限制刪去不可行方案和明顯的不理想方案。選擇較好的幾個(gè)方案通過定量的評(píng)價(jià)方法評(píng)比、優(yōu)化，最后求得最佳原理方案。如上例中的A1－B4－C3－D2－E1→履帶式挖掘機(jī)就是一種較好的行走式挖掘機(jī)原理方案。第十九頁(yè)，共38頁(yè)。第三節(jié)設(shè)計(jì)目錄

一、原理解法的設(shè)計(jì)目錄用功能設(shè)計(jì)法進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)，功能元解是組合原理方案的基礎(chǔ)。工程系統(tǒng)的基本功能元可歸結(jié)為物理功能元、邏輯功能元和數(shù)學(xué)功能元三類。(1)邏輯功能元——“與”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。基本邏輯關(guān)系如表2-3所示。由機(jī)械、強(qiáng)電、電子、射流、氣體、液體等領(lǐng)域可尋找相應(yīng)的“與”、“或”、“非”邏輯動(dòng)作的各種解法，其部分解法目錄列于表2-4。(2)數(shù)學(xué)功能元——可分為加減、乘除、乘方和開方、積分和微分四組，也可按機(jī)、強(qiáng)電、電子各領(lǐng)域列出有關(guān)解法目錄。第二十頁(yè)，共38頁(yè)。(3)物理功能元——物理功能元反映系統(tǒng)中能量、物料及信號(hào)變化的物理基本作用。1)功能元“變換”包括各種類型能量或信號(hào)形式的轉(zhuǎn)變、運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變、物態(tài)的轉(zhuǎn)變等。2)功能元“縮放”指各種能量、信號(hào)向量（力、速度等）或物理量的縮小和放大。3)功能元“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)合和分離。4)功能元“傳導(dǎo)”和“離合”反映能量、物料、信號(hào)的位置變化。5)功能元“儲(chǔ)存”體現(xiàn)一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)能量、物料、信號(hào)保存的功能。第二十一頁(yè)，共38頁(yè)。工程系統(tǒng)中常用的物理效應(yīng)有：力學(xué)效應(yīng)：重力、彈性力、慣性力、離心力、摩擦力等；液氣效應(yīng)：流體靜樂、流體功壓、毛紉管效應(yīng)、帕斯卡效應(yīng)、虹吸效應(yīng)等；電力效應(yīng)：靜電、壓電效應(yīng)，電動(dòng)力學(xué)等；磁效應(yīng)：電磁效應(yīng)、永磁效應(yīng)等；光學(xué)效應(yīng)：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效應(yīng)等；熱力學(xué)效應(yīng)：膨脹、熱傳導(dǎo)、熱存儲(chǔ)、絕熱效應(yīng)帶；核效應(yīng)：輻射、同位素效應(yīng)等。表2-5所示為部分物理功能元的解法目錄。表2-6和表2-7為力的放大功能元解。第二十二頁(yè)，共38頁(yè)。二、設(shè)計(jì)目錄的編制

例：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄編制如圖2-17所示為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的功能分析。如表2-8為運(yùn)動(dòng)方向變化基本機(jī)構(gòu)目錄，表2-9為運(yùn)動(dòng)形式變化的常用機(jī)構(gòu)目錄。設(shè)計(jì)目錄是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的重要內(nèi)容，為了更好地描述知識(shí)還有必要將每個(gè)基本機(jī)構(gòu)作為特定的功能模塊列出其基本性能特點(diǎn)（如傳動(dòng)比、功率范圍等）、特殊性能（如遠(yuǎn)距離傳動(dòng)、自鎖等）、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)（如對(duì)性能、成本、工藝性等基本評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)分或隸屬度）等。每個(gè)功能模塊也列為一個(gè)基本目錄，這將是具體選擇并確定方案的依據(jù)。第二十三頁(yè)，共38頁(yè)。例如：設(shè)計(jì)化工廠雙桿攪拌器的機(jī)械傳動(dòng)裝置。該傳動(dòng)裝置中已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n＝960r/min，要求兩攪拌桿以240次/min同步往復(fù)擺動(dòng)（擺動(dòng)方向不限）。(1)功能分析(2)機(jī)械傳動(dòng)方案綜合——雙桿攪拌器傳動(dòng)方案的形態(tài)學(xué)矩陣可組合的最多方案數(shù)為：(3)方案評(píng)選考慮化工廠工作環(huán)境惡劣，且摩擦傳動(dòng)體積相對(duì)較大，故選用嚙合傳動(dòng)，有兩方案可供進(jìn)一步選擇。

第二十四頁(yè)，共38頁(yè)。方案A：Ⅰ1＋Ⅱ3＋Ⅲ2，電動(dòng)機(jī)－齒輪傳動(dòng)－凸輪機(jī)構(gòu)－對(duì)稱凸輪（雙擺動(dòng)桿），其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊

。方案B：Ⅰ3＋Ⅱ1＋Ⅲ1，電動(dòng)機(jī)－鏈傳動(dòng)－曲柄搖桿機(jī)構(gòu)－平行四邊形機(jī)構(gòu)（雙擺動(dòng)桿），其特點(diǎn)是可遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，成本較低。

第二十五頁(yè)，共38頁(yè)。第四節(jié)原理方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

一、評(píng)價(jià)內(nèi)容(1)功能性——是否能順利完成機(jī)械產(chǎn)品的預(yù)期功能目標(biāo)，與同類產(chǎn)品比較是否具有先進(jìn)性和新穎性，其工作原理是否有創(chuàng)新或突破。(2)經(jīng)濟(jì)性——從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造成本、運(yùn)行成本兩方面評(píng)價(jià)。(3)可操作性——產(chǎn)品操作是否方便、簡(jiǎn)單，人機(jī)關(guān)系的協(xié)調(diào)性能如何等。(4)安全性——包括產(chǎn)品本身的安全性和對(duì)人身、對(duì)環(huán)境的安全性問題。如產(chǎn)品是否具有安全保護(hù)裝置，對(duì)操作者或使用者有無(wú)采取安全防護(hù)措施，有否考慮環(huán)境保護(hù)問題等。(5)可推廣性——從方案實(shí)施的市場(chǎng)效應(yīng)、社會(huì)影響、可持續(xù)發(fā)展情況等方面評(píng)價(jià)。第二十六頁(yè)，共38頁(yè)。二、評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)是由機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)所應(yīng)滿足的要求而確定的，評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)不易過多，否則容易掩蓋主要影響因素，不利于運(yùn)動(dòng)方案的選出。表2-12為原理方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)。三、評(píng)價(jià)方法

對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性或定量的評(píng)價(jià)。具體評(píng)價(jià)方法有多種，如評(píng)分法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)工程評(píng)價(jià)法等。評(píng)分法是用分值作為衡量方案優(yōu)劣的定量評(píng)價(jià)。首先對(duì)參評(píng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，然后再求各項(xiàng)指標(biāo)分值的總分，作為方案評(píng)價(jià)的得分，并以此來(lái)衡量原理方案的優(yōu)劣，分值高者為優(yōu)。

第二十七頁(yè)，共38頁(yè)。1.評(píng)分根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)確定出相應(yīng)的分值。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可采用5分制或10分制，如采用5分制，則“理想狀態(tài)”取為5分，“太差”或“不能用”取為0分。具體可見表2-12。在評(píng)分時(shí)，一般采用集體評(píng)分法，以減少由于個(gè)人主觀因素對(duì)分值的影響。對(duì)幾個(gè)評(píng)分者所評(píng)的分?jǐn)?shù)取平均值或去除最大、最小值后的平均值作為有效分值。2.加權(quán)計(jì)分法對(duì)于多評(píng)價(jià)目標(biāo)的方案，在求其方案總分時(shí)常采用加權(quán)計(jì)分法。N=∑Pigi式中，N為方案總分；Pi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值；gi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。表2-13為三種方案汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的三項(xiàng)基本性能評(píng)分表

第二十八頁(yè)，共38頁(yè)。第五節(jié)原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

抓斗的原理方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：抓斗是重型機(jī)械的一種取物裝置，主要用來(lái)就地裝卸大量散粒物料，用于港口、車站、礦山、林場(chǎng)等處。目前使用的一些抓斗，還不能完全滿足裝卸要求，長(zhǎng)撐桿雙顎板抓斗雖應(yīng)用廣泛，但由于其具有閉合結(jié)束時(shí)閉合力呈減小趨勢(shì)的致命弱點(diǎn)，影響抓取效果。其他類型的抓斗雖有使用，但不很普通，也存在各自的缺點(diǎn)，故市場(chǎng)上希望有一種裝卸效率高、作業(yè)快、功能全、適用廣的散貨抓斗。第二十九頁(yè)，共38頁(yè)。一、設(shè)計(jì)任務(wù)在分析調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用缺點(diǎn)列舉法、實(shí)現(xiàn)希望法等創(chuàng)新技法，制定抓斗開發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)書如表所示。

第三十頁(yè)，共38頁(yè)。二、功能分析

起重機(jī)功能樹

第三十一頁(yè)，共38頁(yè)。抓斗功能樹

第三十二頁(yè)，共38頁(yè)。抓斗功能結(jié)構(gòu)圖

第三十三頁(yè)，共38頁(yè)。三、功能求解

運(yùn)用反求工程設(shè)計(jì)方法，確定抓斗可變?cè)貫椋篈——能實(shí)現(xiàn)支承、容料和啟閉運(yùn)動(dòng)的原理機(jī)構(gòu)B——能完成啟閉動(dòng)作、加壓、自鎖的動(dòng)力裝置（即動(dòng)力源形式）運(yùn)用各種創(chuàng)新技法，對(duì)可變?cè)剡M(jìn)行變換（即尋找作用效應(yīng)），建立形態(tài)矩陣表（見表2-15）