第五章 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一般要經(jīng)過(guò)產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。方案設(shè)計(jì)階段針對(duì)產(chǎn)品的主要功能提出原理性的構(gòu)思，探索解決問(wèn)題的物理效應(yīng)和工作原理，并用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、液路圖、電路圖等示意表達(dá)構(gòu)思的內(nèi)容。方案設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝、成本、性能和使用維護(hù)等都有很大影響，是關(guān)系產(chǎn)品水平和競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有其舉足輕重的意義。用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)是緊緊圍繞功能的分析、求解和組合實(shí)施的。5.1.1功能的描述19世紀(jì)40年代，美國(guó)通用電氣公司的工程帥邁爾斯首先提出功能的概念，并把它作為價(jià)值工程研究的核心問(wèn)題。他認(rèn)為，顧客購(gòu)買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品的功能。在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過(guò)程中，人們也逐漸認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往首先由工作原理確定，而工作原理構(gòu)思的關(guān)鍵是滿足產(chǎn)品的功能要求。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。它與產(chǎn)品的用途、能力、性能等概念不盡相同。例如，鋼筆的用途是寫(xiě)字，而其功能是“存送墨水”；電動(dòng)機(jī)的功能是能量轉(zhuǎn)化—電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。5.1功能設(shè)計(jì)法功能的描述要準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔，合理地抽象。抓住其本質(zhì)，避免帶有傾向性的提法，這樣能避免方案構(gòu)思時(shí)形成種種框框，使思路更為開(kāi)闊。解決取核桃仁的問(wèn)題在不同的功能描述下可能得到不同原理解法，而“殼仁分離”是其總功能較合理的描述。5.1功能設(shè)計(jì)法功能描述原理解法砸殼外部加壓：砸、夾、壓、沖、射等。壓殼外部加壓內(nèi)部加壓：內(nèi)部加壓力（如通入高壓氣體），整體加壓，外壓驟減，內(nèi)壓破殼殼仁分離外部加壓去殼：培育薄殼核桃，脆皮，簡(jiǎn)單取仁用化學(xué)方法溶殼系統(tǒng)工程學(xué)用“黑箱法”研究分析問(wèn)題。5.1功能設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)出各種液體增壓裝置，如不同原理的水泵可設(shè)計(jì)出各種原理的凈衣裝置(包括洗衣機(jī))可設(shè)計(jì)出光電轉(zhuǎn)換裝置5.1.2功能分類機(jī)電系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、執(zhí)行、測(cè)控四部分組成。執(zhí)行部分相當(dāng)于人的手和足，以不同的執(zhí)行元件完成執(zhí)行功能。驅(qū)動(dòng)部分相當(dāng)于人的心臟，為系統(tǒng)提供能量。傳動(dòng)功能反映驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行件間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。測(cè)控功能包含傳感和控制功能5.1.3原理方案的總體分析在功能分析的基礎(chǔ)上首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的原理方案進(jìn)行總體分析。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：在數(shù)控銑床上，根據(jù)石墨電極的形狀編程加工。2)研磨成型法：石墨材質(zhì)較軟，采用石墨電極的原型，翻制具有強(qiáng)磨削能力的研具，快速研磨石墨坯而獲石墨電極。3)離散堆積成型法：利用石墨離散材料的特點(diǎn)，通過(guò)電極的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)汁三維幾何模型，獲得堆積的路徑和控制方法，分層堆積石墨材料和膠接劑而直接成型三維立體的石墨電極。這種方法對(duì)任意復(fù)雜形狀的電極都可進(jìn)行加工，具有最高的柔性。4)激光束聚焦法：在充滿C2H2的密閉容器中采用檄光束在空間進(jìn)行三維聚焦(即聚焦點(diǎn)進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng))。在聚焦點(diǎn)處C2H2分解，碳原子沉積下來(lái)堆積成電極，氫原子結(jié)合成分子逸去。5.1.4功能分解一般技術(shù)系統(tǒng)部比較復(fù)雜，難以直接求得滿足總功能的原理解?？衫孟到y(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)，以便通過(guò)各功能元解的有機(jī)組合求得技術(shù)系統(tǒng)解。功能分解可圖示為樹(shù)狀的功能結(jié)構(gòu)，稱為功能樹(shù)。功能樹(shù)起于總功能，按分功能、二級(jí)分功能…分解，其末端為功能元。功能元是可以直接求解的系統(tǒng)最小組成單元。激光分層實(shí)體制造設(shè)備的功能分析激光分層實(shí)體制造設(shè)備用激光對(duì)箔材(涂復(fù)紙)進(jìn)行切割獲得—個(gè)層面的形狀，將層面疊加膠接起來(lái)獲得三維實(shí)體。此前已經(jīng)過(guò)廣義范圍的方案搜索，確定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功能分解如下：5.1.5功能求解1.功能元解功能元求解是原理方案設(shè)計(jì)中重要的搜索階段。一般通過(guò)以下幾種方法求解：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。例如，對(duì)于印刷機(jī)點(diǎn)鈔機(jī)、包裝機(jī)等都有從成疊紙中“分紙”的功能元，其功能元解如圖5-7所示。例5-4輸送液體原理解法分析對(duì)于生產(chǎn)中常見(jiàn)的“輸送液體”功能元，可以通過(guò)各種物理效應(yīng)和工作原理的探索，求得多種解法。1）負(fù)壓效應(yīng)(1)利用壓力P與容積V的關(guān)系，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。(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)變載面喉管，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。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，如圖所示，將管1置于水中，在A、B方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水即通過(guò)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。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，如圖5-12所示。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(guò)金屬絲網(wǎng)流回?zé)岫恕?.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?！悴捎眯螒B(tài)綜合法進(jìn)行組合，將技術(shù)系統(tǒng)的功能元和相應(yīng)的功能元解分別作為縱橫坐標(biāo)列為形態(tài)學(xué)矩陣，最多可以組合出N種方案：N=n1n2…nj…nm例5-5行走式挖掘機(jī)的原理方案分析1)功能分折2)探索功能元解并列出形態(tài)學(xué)矩陣如下3)方案組合可能組合的方案數(shù)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(guò)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。例5-6手動(dòng)剃須刀原理方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)便攜式手動(dòng)微型剃須刀，要求體積小，使用方便，價(jià)格低廉。解：1)功能分析

2)工作原理分析須膚分離與草地去草(葉莖分離)或切削工件(切屑與坯件分離)有些類似但皮膚更需要更好的保護(hù)。機(jī)械式去須可用拔須、剪須、剃須等原理。剃須又可采取移動(dòng)刀剃削或回轉(zhuǎn)刀剃削。要求刀具起動(dòng)均勻，以提高去須效果并保護(hù)皮膚?，F(xiàn)以往復(fù)手動(dòng)的回轉(zhuǎn)刀剃削為例進(jìn)行下一步分析。3)功能分解4)功能求解探求各功能元解并列出形態(tài)學(xué)矩陣如下：由此可組成手動(dòng)往復(fù)移動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)各48種方案供選擇。5)原理方案圖示為一種較好的手動(dòng)剃須刀原理方案，即采用住復(fù)移動(dòng)(I1)—齒條齒輪(Ⅱ1)—定軸輪系(Ⅲ1)—飛輪(Ⅳ2)—盒式貯須(Ⅴ1)組合。該設(shè)計(jì)已形成專利產(chǎn)品；5.1功能設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)目錄是一種設(shè)計(jì)信息庫(kù)。它把設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的大量信息有規(guī)律地加以分類、排列、儲(chǔ)存，以便于設(shè)計(jì)者查找和調(diào)用。設(shè)計(jì)目錄不同于一般手冊(cè)和資料，它密切結(jié)合設(shè)計(jì)的過(guò)程和需要編制，每個(gè)目錄的目的明確，提供信息面廣，內(nèi)容清晰有條理，提取方便。為達(dá)到達(dá)樣的要求，必須采用系統(tǒng)工程方法建立目錄，針對(duì)有關(guān)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)搜索。5.2設(shè)計(jì)目錄5.2.1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)物理功能元、邏輯功能元和數(shù)學(xué)功能元三類。邏輯功能元的解法目錄5.2設(shè)計(jì)目錄物理功能元的解法目錄5.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制設(shè)計(jì)目錄的編制也是采用系統(tǒng)工程分析的方法和系統(tǒng)搜索的思路。運(yùn)動(dòng)方向變化的設(shè)計(jì)目錄編制5.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制例5-7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)。解：1)功能分析2)機(jī)械傳動(dòng)方案綜合5.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制雙桿攪拌降速（傳動(dòng)比i=4）回轉(zhuǎn)→擺動(dòng)兩桿同擺取三種分功能的各一解法組合得到傳動(dòng)裝置的一種方案，可組合的最多方案數(shù)：N＝4×3×2=245.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制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)。選擇如下兩方案。方案A：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)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊：5.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制方案B：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)特點(diǎn)：可遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，成本較低。5.2.2設(shè)計(jì)目錄的編制工程設(shè)計(jì)要解決的是復(fù)雜、多解的問(wèn)題。獲得盡可能多的方案，然后通過(guò)評(píng)價(jià)從中選擇最佳方案，在發(fā)散—收斂的過(guò)程中創(chuàng)新，這是合理設(shè)計(jì)的重要思路。評(píng)價(jià)不僅要對(duì)方案進(jìn)行科學(xué)分析和評(píng)定，還應(yīng)針對(duì)方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的弱點(diǎn)加以改進(jìn)和完善。廣義的評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)上是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的優(yōu)化過(guò)程。

5.3.1評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)一個(gè)產(chǎn)品或技術(shù)方案進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，首先應(yīng)確定其評(píng)價(jià)目標(biāo)以作為評(píng)價(jià)的依據(jù)，然后再針對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)給予定性或定量的評(píng)價(jià)。在總評(píng)價(jià)目標(biāo)的分解和各分目標(biāo)評(píng)價(jià)值的組合過(guò)程中，仍然采用系統(tǒng)工程的分析方法。5.3評(píng)價(jià)系統(tǒng)1.評(píng)價(jià)目標(biāo)的內(nèi)容作為產(chǎn)品或技術(shù)方案評(píng)