第五章 创新设计

产品开发一般要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。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。方案设计对产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大影响，是关系产品水平和竞争能力的关键环节。所以，原理方案的创新设计有其举足轻重的意义。用系统工程方法进行产品的原理方案设计是紧紧围绕功能的分析、求解和组合实施的。5.1.1功能的描述19世纪40年代，美国通用电气公司的工程帅迈尔斯首先提出功能的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的功能。在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。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。例如，钢笔的用途是写字，而其功能是“存送墨水”；电动机的功能是能量转化—电能转化为机械能。5.1功能设计法功能的描述要准确、简洁，合理地抽象。抓住其本质，避免带有倾向性的提法，这样能避免方案构思时形成种种框框，使思路更为开阔。解决取核桃仁的问题在不同的功能描述下可能得到不同原理解法，而“壳仁分离”是其总功能较合理的描述。5.1功能设计法功能描述原理解法砸壳外部加压：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去壳：培育薄壳核桃，脆皮，简单取仁用化学方法溶壳系统工程学用“黑箱法”研究分析问题。5.1功能设计法设计出各种液体增压装置，如不同原理的水泵可设计出各种原理的净衣装置(包括洗衣机)可设计出光电转换装置5.1.2功能分类机电系统一般由驱动、传动、执行、测控四部分组成。执行部分相当于人的手和足，以不同的执行元件完成执行功能。驱动部分相当于人的心脏，为系统提供能量。传动功能反映驱动与执行件间运动和动力的传递。测控功能包含传感和控制功能5.1.3原理方案的总体分析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。石墨电极加工设备总体原理方案的分析根据石墨电极形状复杂和石墨材质的特点可提出以下几种加工原理1)数控加工成型法：在数控铣床上，根据石墨电极的形状编程加工。2)研磨成型法：石墨材质较软，采用石墨电极的原型，翻制具有强磨削能力的研具，快速研磨石墨坯而获石墨电极。3)离散堆积成型法：利用石墨离散材料的特点，通过电极的计算机辅助设汁三维几何模型，获得堆积的路径和控制方法，分层堆积石墨材料和胶接剂而直接成型三维立体的石墨电极。这种方法对任意复杂形状的电极都可进行加工，具有最高的柔性。4)激光束聚焦法：在充满C2H2的密闭容器中采用檄光束在空间进行三维聚焦(即聚焦点进行三维运动)。在聚焦点处C2H2分解，碳原子沉积下来堆积成电极，氢原子结合成分子逸去。5.1.4功能分解一般技术系统部比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。可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，称为功能树。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。激光分层实体制造设备的功能分析激光分层实体制造设备用激光对箔材(涂复纸)进行切割获得—个层面的形状，将层面叠加胶接起来获得三维实体。此前已经过广义范围的方案搜索，确定采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的纸型，并用压辊加热逐层粘合各层纸功能分解如下：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”；3)运用各种创造技法探索新解法。例如，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5-7所示。例5-4输送液体原理解法分析对于生产中常见的“输送液体”功能元，可以通过各种物理效应和工作原理的探索，求得多种解法。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。(2)利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理，使流体(液体或气体)流经变载面喉管，在狭窄处流速增大，形成负压，被输送液体就可从小孔M抽进喉管，当流速达600-700m/s时，水头可达5-6m。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，如图所示，将管1置于水中，在A、B方向往复运动，水即通过单向阀2、3由管4输出。(3)虹吸原理将软管1插入盛液桶7中，反举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，盛液桶中的液体在大气压作用下进入软管到达吸液器底部流出，形成虹吸流。3)毛细管效应高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装液体，如图5-12所示。在高温端液体吸热蒸发蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通过金属丝网流回热端。2.系统解将各功能元解合理组合可以得到多个系统原理解。—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，最多可以组合出N种方案：N=n1n2…nj…nm例5-5行走式挖掘机的原理方案分析1)功能分折2)探索功能元解并列出形态学矩阵如下3)方案组合可能组合的方案数3.最佳系统解在多个系统解中，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。例5-6手动剃须刀原理方案设计设计便携式手动微型剃须刀，要求体积小，使用方便，价格低廉。解：1)功能分析

2)工作原理分析须肤分离与草地去草(叶茎分离)或切削工件(切屑与坯件分离)有些类似但皮肤更需要更好的保护。机械式去须可用拔须、剪须、剃须等原理。剃须又可采取移动刀剃削或回转刀剃削。要求刀具起动均匀，以提高去须效果并保护皮肤。现以往复手动的回转刀剃削为例进行下一步分析。3)功能分解4)功能求解探求各功能元解并列出形态学矩阵如下：由此可组成手动往复移动或往复摆动各48种方案供选择。5)原理方案图示为一种较好的手动剃须刀原理方案，即采用住复移动(I1)—齿条齿轮(Ⅱ1)—定轴轮系(Ⅲ1)—飞轮(Ⅳ2)—盒式贮须(Ⅴ1)组合。该设计已形成专利产品；5.1功能设计法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。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。为达到达样的要求，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。5.2设计目录5.2.1原理解法的设计目录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。工程系统的基本功能元可归结物理功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。逻辑功能元的解法目录5.2设计目录物理功能元的解法目录5.2.2设计目录的编制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。运动方向变化的设计目录编制5.2.2设计目录的编制例5-7设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置该传动装置中已知电动机转速n＝960r/min，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2)机械传动方案综合5.2.2设计目录的编制双杆搅拌降速（传动比i=4）回转→摆动两杆同摆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＝4×3×2=245.2.2设计目录的编制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。选择如下两方案。方案A：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：5.2.2设计目录的编制方案B：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。5.2.2设计目录的编制工程设计要解决的是复杂、多解的问题。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，这是合理设计的重要思路。评价不仅要对方案进行科学分析和评定，还应针对方案的技术、经济方面的弱点加以改进和完善。广义的评价实质上是产品开发的优化过程。

5.3.1评价目标对一个产品或技术方案进行科学的评价，首先应确定其评价目标以作为评价的依据，然后再针对评价目标给予定性或定量的评价。在总评价目标的分解和各分目标评价值的组合过程中，仍然采用系统工程的分析方法。5.3评价系统1.评价目标的内容作为产品或技术方案评