第三章原理方案的创新设计

1第三章原理方案的创新设计2第一章

创新概论第二章创新思维与创造原理第三章原理方案的创新设计第四章机构的创新设计第五章机械结构的创新设计第六章反求工程及创新设计第七章TRIZ理论与创新设计第八章仿生原理与创新设计第九章机械创新设计实例第三章原理方案的创新设计

原理方案的设计从质的方面决定了整个设计的水平，它是实现产品创新和品质飞跃的关键。第一节原理方案设计的内容及创造性在设计中的重要作用

构思机械产品的工作原理是机械设计的首要任务。

根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，选择出既能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。

重要特点多解性，即实现同一功能目标可以采取各种不同的功能原理。3功能原理设计的多方案性电磁传动原理机械推拉原理流体传动原理摩擦传动原理材料变形原理光电原理其它原理常用功能原理4功能原理设计的多方案性将一叠纸张逐一分开重力离心力摩擦推刮粘力静电气吹气吸5

实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理，不同的工作原理，需要不同的工艺动作。切削运动分度运动展成运动切削运动进给运动进给运动展成原理齿轮加工设备仿形原理功能原理设计的多方案性6

工作原理不同，运动方案也不同。齿轮加工展成原理仿形原理7

工作原理相同，运动方案不同。齿轮加工插齿滚齿8

针对同一功能目标，可以构思出完全不同的工作原理方案。由于工作原理不同，产品的工艺动作不同，产品的结构也不相同。在日益激烈的市场竞争中，产品的原理方案设计的创造性往往决定了产品的生命力，其工作原理的先进性常常成为市场竞争最有力的武器。留声机利用“唱针”与“唱片”摩擦产生振动发声的工作原理。体积大，音质差，声音的信息存储量小。磁带式录音机利用电磁效应方便录放音，声音信息存储量大，放音质量得到改善。磁带易磨损。激光影碟机利用光电效应体积小，重量轻，音质好，可以录、放音，记录和播放彩色图像。

产品的原理方案设计是一个极富创造性的过程。9第二节机械创新设计常用方法创新设计常用部分创新方法方法名称方法的主要特点方法的主要目的特性列举法将事物按名词、形容词、动词分解为三方面特性，将每类特性加以改变或延拓化整为零，逐个研究改进希望点列举法根据社会需求或个人愿望，通过列举希望来形成创新目标将思维收敛于某“目标”，侧重自由联想，思路更宽缺点列举法挑事物的毛病，提出改进设想追求完满，追求卓越智暴法集合3

5人，根据议题自由畅谈，不准批评，寻求创意以量求质设问探求法根据多项创造性的提问，进行分项检核，寻求创意帮助人们广思，思考方向和目标明确

创造性设计方法是创造者智慧的结晶。10方法名称方法的主要特点方法的主要目的联想类比法通过比较，借助原有知识，在异中求同，在同中求异分析两事物的相同或相似点，由此及彼组合法按一定技术原理，将两个或多个功能元素合并，形成新产品、新工艺、新材料产生新功能功能分析法紧紧围绕功能分析、求解、组合寻找方案满足产品的功能要求是设计的核心综摄法把初次接触的事物或发现，联系到熟悉的事物中，用新眼光变熟悉为陌生，以新观点、新方式思考问题将毫无关联、完全不同的知识要素结合起来形成新方案转向法在求解问题中变换求解因素，采用其他原理、改变思索方向完善计划、修改方案、修正观点仿生法模仿人或生物的生理原理、结构、外形、感觉机理向人或生物索取启迪11方法名称方法的主要特点方法的主要目的函询集智法借助反复函求多名专家的书面意见形成创意具有匿名性，便于充分发表看法635法6人参加，每次每人写3个设想，5分钟后交换，看过别人的设想后，再修正和补充3个设想…以笔代口，相互激励，短时间内可产生较多的设想方案设计目录法通过完备的设计信息库进行系统搜索有利于计算机辅助自动化设计评价法通过评价寻找弱点加以改进完善寻求最优解决方案价值分析法从经济效益出发分析和改进方案追求高价值的产品物场分析法任何主体总是通过“场”作用于客体，根据客体寻找合理的“场”和主体使物场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离散，使问题暴露出来，改进后重组便于抓住主要矛盾，寻求特色创意12方法名称方法的主要特点方法的主要目的形态综合法对创造对象进行因素分解，列出每个因素的全部形态(手段)，按组合原理形成众多方案寻找尽可能多的解，从中选优专利利用法利用专利文献寻求改进、完善设想防止盲目，避免重复劳动移植法把一个对象的原理、方法运用于另一个对象中使已有技术在新领域中延续和拓展黑箱法根据输入、输出内容，探求黑箱内部的原理和结构用因果逻辑关系寻求输入与输出的最佳联系方式假拟设计通过计算机模拟或虚拟现实完善设计高效、快速、低成本、高质量优化设计建立研究对象的优化数学模型及目标函数，用计算机对计算结果进行分析、判断、寻优高效、降低成本、提高质量、适于各种复杂设计反求设计利用现有科技成果引进先进技术，消化吸收后创新吃透原设计，创造更优的设计13

一、智暴法

特点

运用群体创造原理，充分发挥集体创造力来解决问题。

针对一个设计问题，把五六个人召集到一起进行讨论，与会者可以敞开思想，畅所欲言，充分表明自己对该问题的意见，供设计者参考和研究。

中心思想

激发每个人的直觉、灵感和想像力，让大家在和睦、融洽的气氛中自由思考。

14

二、类比法

特点

运用移植创造原理进行联想、模拟仿效。

中心思想推陈出新，将某种产品的原理、方法、结构、材料、用途等内容运用到另一种产品中去。

类型

(1)直接类比寻找与所研究的问题有类似之处的其他事物进行比较，从中获得启发。15自行车胀闸方案的创新16(2)象征类比用能抽象反映问题的词或简练的词组来类比分析。开任务设计一种开罐头的新工具打开剥开撕开拧开揭开破开撬开各种设计方案17(3)拟人类比把自己设想为所讨论问题中的某个因素，然后从这种处境出发，设身处地来想像，假如我是这个因素会有什么感觉，会采取什么行动。18

三、形态分析法

特点

利用组合创造原理，将旧东西进行新组合来实现创新。因素

构成事物的特性，如产品用途、产品功能等。形态实现相应功能或用途的技术手段。主要工具形态学矩阵步骤

(1)因素分析确定创造对象的构成因素。

(2)形态分析按照分功能，尽可能多地列出满足功能要求的各种技术手段(即形态)。19(3)方案综合包括方案形成与方案选优。方案设计的形态学矩阵

方案数为：ak

bl

nm。功能因素技术措施(形态)ab...na1b2b1bkaka2bl

n1nln2nm...

20

举例

应用形态学矩阵分析法求解挖掘机设计的原理方案

(1)

功能因素分析挖掘机的总功能取运物料其总功能和功能因素的关系为取运物料移位传动取物料运物料驱动传动驱动取物料21(2)技术分析挖掘机方案设计的形态学矩阵功能因素技术措施(形态)123456A.动力源电动机汽油机柴油机汽轮机液力马达气动马达B.移位传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动液力耦合器C.移位轨道轮胎履带拖拉D.取物传动拉杆绳传动汽缸液压缸E.取物挖斗抓斗钳式斗(3)方案综合总方案数N

6

5

4

4

3

1440

如A3

B5

C3

D4

E1→履带式挖掘机

A3

B5

C2

D4

E2→液压轮胎式挖掘机22洗衣机方案设计的形态学矩阵功能因素功能解(形态)1234A.盛装衣物铝桶塑料桶玻璃钢桶陶瓷桶B.分离污物机械摩擦电磁振荡热胀超声波C.控制洗涤人工控制机械定时电脑控制总方案数

N

4

4

3

48

如A1

B1

C1→老式洗衣机

A1

B1

C2→普通型单缸洗衣机

A1

B1

C3→普通型自动洗衣机

A2

B3

C1→热胀增压式洗衣机

A1

B2

C2→电磁振荡洗衣机

A1

B4

C2→超声波洗衣机23

四、输入输出法

特点

用一个抽象的黑箱来描述方案内容。

系统对环境的影响环境对系统的干扰能量物料信息能量物料信息技术系统(黑箱)输入输出工程技术系统—黑箱模型边界24

举例

构思一种天黑时路灯自动启动照明装置。

特征

以输入、输出的具体内容为思考的出发点。

构思与评价同时进行。

思考路径和方向具有双向性。

路灯自动启动照明装置(黑箱)路灯自动启动照明装置—黑箱模型天黑了启动照明约束条件：1.可靠实现开启功能2.易于大批量生产和制造

25自动启动照明装置方案构思

第一层构思第一层构思评价第一层构思评价第二层构思评价第二层构思评价不可靠接通电源启动照明行人车辆减少气温下降光线变暗景象变模糊噪声减弱天黑了26自动启动照明装置方案构思

第二层构思第一层构思评价第一层构思评价第二层构思评价第二层构思评价摄像装置不可靠光敏元件感光材料曝光装置噪声监测仪物态变化不可靠复杂复杂寿命短感温装置温变继电器温控电路不可靠不可靠放大电路接通电源启动照明行人车辆减少气温下降光线变暗景象变模糊噪声减弱天黑了复杂27

五、设问探求法

特点

针对创造目标从各个方面提出一系列有关问题，设计者针对提问进行分析和思考，通过思维的发散和收敛逐一找到问题的理想答案。

检核表法

(1)现有的发明成果有无更多的用途？或稍加改进后有无新的用途？电阻丝电炉电吹风电烤箱衣服烘干机电熨斗电热水瓶...鞋子烘干器远红外线发生器电热毯白炽灯红外线灯28降落伞雨衣雨伞船用缆绳轴承齿轮...风扇鼓风机农药喷雾器森林灭火机油气混合器电吹风抽风机...气垫船用推进器吸尘器抽油烟机直升机旋翼船用螺旋浆尼龙袜子零件29(2)有无类似的东西可以借用？可以模仿？电弧机水泥制品电弧切割机振荡振荡压路机香蕉皮二硫化钼乌贼喷水船30(2)有无类似的东西可以借用？可以模仿？尼龙扣的发明31(2)有无类似的东西可以借用？可以模仿？锯子的发明32(3)能否改变一下？如形状、形式、方法、颜色、声音或味道等。工件定搓丝板动搓丝板33彩色氧化铝氧化发黑镀铬34(4)能否增加什么？如扩大使用范围、增加功能、延长寿命、添加部件、提高强度、加倍、加长、加高、加大等。

举例防弹玻璃、铝合金型材、润滑添加剂、电视幕墙、大屏幕电视机、大型太空望远镜、大功率激光器、大型飞机等。

(5)能否减少一点？能否省略一部分？能否微型化？能否浓缩？能否分割？能否再小点、再轻点、再短点、再低点、再薄点？

举例袖珍收录机、折叠伞、笔记本电脑、可视手机、甲壳虫式小轿车、超薄电脑显示屏、计算机功能键、重拨键等。

35(6)能否取而代之？采用其他工艺、其他元件、其他动力、其他配方、其他材料。

举例人造大理石、人造丝、表面活性剂、液压传动、水压轴承、空气轴承、数据存储卡等。

(7)能否改变？改变元件或型号、改变顺序或结构、改变配方或方案。

举例

飞机螺旋浆、汽车喇叭按钮、计算机键盘、自行车制动器、二氧化碳溶剂、喷气织机、浮法生产玻璃等。(8)能否颠倒？如上下颠倒、正负颠倒、里外颠倒、工艺方法颠倒等。

举例发电机、注水开采原油、单向透光玻璃、化学电池等。36(9)能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料组合等。超声波的应用37(9)能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料组合等。超声波的应用38(9)能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料组合等。超声波的应用39(9)能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料组合等。超声波的应用40(9)能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料组合等。41

六、功能分析法

功能是产品的本质任何一种产品在保证实现功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。

特点

把对产品具体结构的思考转化为对产品功能的思考，寻求一切能满足产品功能要求的工作原理，探索满足这些工作原理的技术装置—功能载体。

方法将机械产品的总功能分解成若干功能元，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。42功能分析法的步骤和各阶段应用的主要方法总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法功能－技术矩阵各种评价方法功能元分析综合评价决策抽象分解搜索组合收敛43(一)功能的定义及其分类

1.定义

功能

对某一产品或技术系统的用途和特定工作能力的抽象化描述。每一件产品均具有不同的功能，对于机械产品，使用者购买的主要是其使用功能。黑箱(污)衣物能量(净)衣物污物洗衣机的功能分析黑箱液体能量压力液体增压泵的功能分析44

定义一种功能的最简明语句就是用一个动词加上一个名词，分别作为谓语和宾语，具有该功能的单元(系统或实体)用一名词主语表征，组成“主＋谓＋宾”结构。产品功能名词（主语）动词（谓语）名词（宾语）钟表千斤顶平口钳干电池钻床载重汽车手电筒指示顶起夹紧贮存加工运输提供时间重物工件电能孔货物照明产品功能定义示例45

2.功能的分类产品或技术系统的功能按性质、用途、重要程度等作如下分类：

(1)基本功能与辅助功能基本功能是产品所具有的用以满足用户某种需求的效能。辅助功能是与基本功能并存的、次要的、附带的功能。

基本功能举例车床—车削工件、手表—指示时间、空调—制冷与制热(调节室温)、加工中心—车、铣、钻、镗、攻丝等(切削加工)

46

辅助功能举例日历表的日历显示、自行车后面的书包架、轿车内的音响与空调、电视机的遥控装置。

(2)目的功能与手段功能任一功能的存在都有一定的目的，任何功能的实现都通过一定的手段。任何功能都具有目的功能与手段功能两种性质。目的功能可称为上位功能、手段功能可称为下位功能。47洗衣机的目的功能与手段功能清洗功能冲洗污垢产生扭矩形成涡流输出动力驱动滚筒上位

系统的目的功能滚筒电动机减速器下位

系统的手段功能48(3)使用功能与表观功能使用功能是指产品的实际使用价值。表观功能是在使用功能基础上，对产品起美化、装饰的功能。(4)

必要功能和不必要功能必要功能是用户所需要的功能，包括基本功能与辅助功能。

49

不必要功能是用户实际并不需要的功能，产品设计中不必要的或过剩的功能表现在以下几个方面：

不适当地加大安全系数；

采用的公差、粗糙度超过产品的实际要求；

使用了超过功能要求的材料或元件；

追求产品过长的使用寿命；

具有不相称的表观功能，如价廉物美的产品采用豪华的包装；在看不见的部位施以装饰镀层等；

不易损坏的产品而备有很多备用件等。设计中应该重点保证基本功能，兼顾辅助功能，同时考虑使用和表观功能，去除不必要功能。50(二)功能分解系统总功能功能元

一级分功能二级分功能

功能元

能完成一项或一方面功能的作用单元，它可以是各种层次的功能子系统，并且通常和机械结构中的总成、部件、元器件等概念相对应。功能元也可以是一些最基本的、没有必要再作细分的基本功能单元。

举例螺钉—具有联接功能的技术系统，由螺钉头、螺杆和螺纹3个基本功能元组成。功能分析的过程，就是将系统的总功能分解为子系统功能和基本单元功能的过程。功能分解可用树状结构图表示，称为功能树。功能树起于总功能，分为一级功能、二级功能，直至能直接求解的功能元。51支承自支承支承物支承人转移人和物在陆地上的位置安全报警制动防盗光报警声报警传动变速转向驱动夹紧物定位物移位控制陆地运输工具功能树示例52

(三)功能元求解

将总功能分解成一系列分功能(功能元)之后，可以确定实现功能元的功能载体(原理方案)。关键在科学原理的基础上寻找尽可能多的功能载体。

构思重点同一种功能，可用(选用或创造)不同的技术过程来实现；选用不同的运动规律，对应不同的功能；同一种功能，可选用不同的工作原理、不同的机构满足功能要求；同一种工作原理，可选用、创造不同的机构及机构组合来实现；将求得的分功能(或功能元)的原理解按照功能结构组合成总功能原理解；在多个可行总功能原理解中确定出最佳原理方案。53

功能元类型数学功能元、物理功能元和逻辑功能元。

数学功能元反映数学的基本动作，如：加和减、乘和除、乘方和开方，微分和积分等。数学功能元主要用于机械式的加减机构和除法机构，如差动轮系；控制系统，如用脉冲计数装置控制动作幅度等等。

物理功能元主要是反映系统中物理量转化的基本动作，其中常用的5种为：

(1)变换—复原包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转变等。(2)放大—缩小指各种能量、信号向量(“力、速度”等)或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放，如压敏材料电阻随外压力的变化。

54

(3)联接—分离包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合。除物料之间的合并、分离外，流体与能量结合成压力流体(泵)的功能也属此范围。

(4)传导—绝缘反映能量、物料、信号的位置变化。传导包括单向传导、变向传导，绝缘包括离合器、开关阀门等。(5)贮存—提取体现一定时间范围内保存的功能。如飞轮、弹簧、电池、电容器等，反映能量的贮存；录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。物理功能元通过物理效应实现其解答。机械、仪器中常用的物理效应有：力学、液气、电力、磁力、光学、热力、核效应等。55

逻辑功能元包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动作，主要用于控制功能，可以采用机械、电子、电器、液压、气动等元件组成逻辑动作。56

功能元求解步骤

(1)选择工作原理

应注意发散思维，机械产品的设计不应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热学、仿生学等科学原理都应在考虑之列。举例应用磁学、电子学工作原理的磁力轴承，代替应用摩擦学、流体力学工作原理的液压轴承；应用电子学、信息学工作原理的带编码器的伺服电机，代替应用电工学、机械学工作原理的带交流电动机的齿轮轴系；应用光学工作原理的激光器代替应用机械学工作原理的切削机床对高硬度材料的加工；应用电子学工作原理的电子计时表代替应用机械学工作原理的机械计时表等等。57(2)构思功能载体

1)检索在各种设计目录、信息库、手册等设计工具中进行检索，寻求最优功能载体。

2)集成把不同特性、功能、技法等综合集成，产生创新功能载体。例如：耐拉纤维和耐高温陶瓷有机综合成为高强度陶瓷；具有收音、计时、记忆、报警等多种功能的收音机。

3)缩放由于材料、集成电路及其工艺的发展，机器人已经可以缩小到从血管进入心脏完成手术。相反的例子有放大到数百平方米的电视屏幕。

4)变换电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，产生了响应特性大大提高的控制电动机。弹簧质量系统变换为压电晶体、电阻丝变换为半导体等。58

功能元求解工具

1.物理效应现象库要求的作用、性质物理现象、效应、因素、方式机械能和热能的蓄积弹性变形、陀螺效应、相变、化学反应能能量传输形变、振动、波动、辐射、热导、半导体温差电效应、对流、光反射、感应辐射、电磁感应、超导、化学反应能搅拌混合物形成溶液超声波、空隙现象、扩散、电场、与强磁物质的配合、磁场、电泳分离混合物电—磁分离、电磁作用下液体分选剂的视在密度的变化、离心力、吸收、扩散、渗透592.功能—载体词典伸缩双折胀缩屈伸张收曲折折尺百页门手风琴扇子双连梯卷尺轨道三角架拉杆天线气球上下滑动分规圆形折叠伞水平滑动603.设计目录运动形式变换基本机构其他机构输入运动输出运动连续回转连续回转变向平行轴同向

圆柱齿轮机构(内啮合)带传动机构链传动机构双曲柄机构转动导杆机构反向

圆柱齿轮机构(外啮合)圆柱摩擦轮机构交叉带传动机构反平行四边形机构相交轴锥齿轮机构圆锥摩擦轮机构交错轴

蜗杆机构交错轴斜齿轮机构双曲柱面摩擦轮机构半交叉带传动机构机械运动形式变化解法目录61运动形式变换基本机构其他机构输入运动输出运动连续回转连续回转变速减速增速齿轮机构蜗杆机构带传动机构链传动机构摩擦轮机构绳、线传动机构变速齿轮机构无级变速机构塔轮带传动机构塔轮链传动机构间歇回转槽轮机构不完全齿轮机构摆动无急回性质摆动从动件凸轮机构曲柄摇杆机构(K=1)有急回性质曲柄摇杆机构摆动导杆机构摆动从动件凸轮机构62运动形式变换基本机构其他机构输入运动输出运动连续回转移动连续移动螺旋机构齿轮齿条机构带、绳、链传动机构中的挠性件往复移动无急回对心曲柄滑块机构移动从动件凸轮机构正弦机构不完全齿轮齿条机构有急回偏置曲柄滑块机构移动从动件凸轮机构间歇移动不完全齿轮齿条机构移动从动件凸轮机构平面复杂运动特定运动轨迹连杆机构(连杆运动)连杆上特定点的运动轨迹63运动形式变换基本机构其他机构输入运动输出运动摆动摆动

双摇杆机构摩擦轮机构齿轮机构移动

摇杆滑块机构摇块机构齿轮齿条机构间歇回转棘轮机构64机构举例机构举例外啮合直齿圆柱齿轮机构摆动导杆机构

锥齿轮机构蜗杆蜗轮机构凸轮机构双曲柄机构槽轮机构带传动机构曲柄摇杆机构不完全齿轮机构曲柄滑块机构连杆上特定点的运动轨迹双摇杆机构棘轮机构65(四)系统原理解

目的将求得的功能元解按照功能结构合理组合，形成多个系统总功能原理解，即得到多个原理设计方案

工具形态学矩阵

注意一般来说，由形态学矩阵组成的原理设计方案数很大，难于直接进行优选。通常根据以下原则形成少数整体方案，供评价决策使用。

各功能元的解应具有相容性。

优先选用具有先进性、合理性和经济性的解。

剔除不满足设计要求和约束条件的解或不满意的解。系统原理解66

举例

设计某化工厂用双杆搅拌机。解

1.功能分析双杆同摆降速双杆搅拌回转摆动67功能因素功能载体1234A降速齿轮传动

带传动链传动摩擦传动B回转→摆动曲柄摇杆机构

摆动导杆机构摆动从动件凸轮机构C双杆同摆平行四边形机构摆动从动件对称凸轮机构2.

组成功能元形态学矩阵

系统总功能原理解(原理设计方案)数N

4

3

2

24

选用方案

A1B3C2A3B1

C168第一种方案第二种方案双杆搅拌器原理方案69

举例

废水泵设计

1.明确设计任务

(1)需求分析与调研河道污染已成为严重公害，因此有必要将工厂、家庭的污水引到集水池，再由废水泵送给净化装置。根据市场分析，需要下列范围工作的泵：流量10

70Ls

压力升高0.52.5MPa

市场需求约600台年在用户访问中，人们指出旧有产品有堵塞的可能，要求新产品工作可靠性高，噪声小和避免气味扩散。70(2)确定任务开发书根据市场分析得知销售前景最好的产品规格，由此确定开发任务书。按标准数系列开发能覆盖全部使用范围的废水泵系列产品，销售前景最好泵规格为：流量40Ls

压力升高1.6MPa

期望销售200台年首先按上列参数开发和试制一台初型泵。制造初型泵不用专门的工艺装备。材料、加工和试验费应分别统计。初型泵完成日期为年月。71(3)明确任务要求设计任务书不仅包括需要解决问题的梗概，还需要与废水处理专家、卫生专业人员、地下水道专业人员研究，明确有关边界条件。废水流量不规则，变化很大，应先将废水引入集水池，当池中水位达到允许的最高水位时，才需泵出水。因此要有泵自动停启的措施。此外，还应考虑断电时的应急措施，提高运转可靠性，并且要可靠地防止堵塞，保证噪声低，且适用于酸性废水。废水集水池泵测量装置驱动废水泵基本原理图72(4)拟定设计要求表(略)2.功能分析泵送废水为不规则的断续过程，为保证泵送过程自动进行，应具有下列分功能。

1)水位测量在达到规定水位时发出信号。2)过程控制根据信号控制能量转换装置的运行与停止。3)能量转换将向系统输入能量转换为可以直接作用于压差产生装置的能量。4)产生压差使废水增加能量引出集水池。73

将能量流、物料流、信息流分别考虑，按逻辑关系绘制功能结构图。废水泵功能结构图

1

水位测量4产生压差2过程控制3能量转换信号状态(进)废水能量废水状态(出)743.确定主要分功能的解法原理主要分功能“产生压差”的解决是确定整体方案的关键。排挤原理其他式旋转式容积式振荡式例如柱塞浸入式例如偏心蜗杆式例如旋转活塞式

“产生压差”的解法原理75流体力学原理其他式轴向式径向式半径向式封闭式或半开式离心式泵轮

“产生压差”的解法原理76其他原理旋流混合式注射流例如蜗轮流例如水射流例如水环式

“产生压差”的解法原理77分析

(1)排挤原理容积式泵，对异物尤其是纤维性异物很敏感，不适用。(2)流体力学原理离心泵，在半开式或封闭式的泵轮中，叶片进口处有沉积异物的危险，会导致不平衡，甚至堵塞整个通道。单通道泵是离心泵的一种变形，泵轮无叶片，只有一条呈螺旋形卷曲的通道，不易堵塞，但较昂贵。(3)其他原理主要有涡流泵与射流泵。涡流泵通常采用带径向叶片的半开式转轮，在一个大截面环形空间中旋转，产生强大的涡流而起泵送作用，仅有一部分流体流经转子，异物很少能沉积于其上，流通截面大，堵塞危险极小。虽效率低，但装置功率小，作业率低，与其他泵相比，优点较多，宜于采用。78

4.其他分功能求解其他三项分功能可以直接由资料、手册进行检索或根据经验选择功能载体。利用成批生产的零、部件，可以节省设计时间，降低制造成本，保证产品性能。79分功能解决方案的原理和组成元件1水位测量

浮子联通器流量计测压器2过程控制转速调节器控制阀滑阀开关3能量变换

风车电动机液压马达气动马达内燃机4产生压差

离心泵离心泵涡流泵单通道泵射流泵(半开式)(封闭式)废水泵形态学矩阵5.组合分功能解以实现总功能

原理方案数：N

4

4

5

5

400

删去不合适的解法后，N

2

2

2

3

24

进一步选择相容的分功能，并根据实际经验，确定三个原理方案。80

分析

1)原理方案I(实线)借助浮子测量集水池中的水位，输出电信号，用开关控制电机停启，驱动涡流泵产生压差送污水。

2)原理方案II(虚线)用测压器测水位，输出信号，用开关控制内燃机开停，驱动单通道泵产生压差泵送废水。

3)原理方案III(点画线)用浮子按水位推动阀门控制有一定液压能的水流(如自来水)，利用喷嘴效应(负压)抽吸废水与自来水一同射出。

经过初步评价选择，确定方案I为进一步设计的基础。本例的主要分功能载体是通过选用现有泵来完成的。也可以根据需要，从工作原理出发，开发专用新产品。81

机电一体化是融合机械技术、电子技术、信息技术等多种技术为一体的新兴学科，其实质是机械技术的创新。第三节机电一体化系统的创新设计普通电动机减速机构执行机构负载变速机构减速机构执行机构负载减速机构执行机构负载负载电子调速系统调速电动机伺服控制系统伺服电动机伺服控制系统直接驱动电动机82

一、机电一体化技术的发展对机械设计的创新

1.增加了机械产品的功能

实现产品的高性能和多功能—数控机床、数控加工中心、汽车电子自动变速器、电子点火装置、全自动洗衣机等。

开创机械产品新的应用领域—传真机、复印机、激光打印机、绘图机、激光照排系统、自动探伤仪、工业机器人、自动售货机等。

2.结构更简单例如电脑缝纫机比传统的机械缝纫机的零件减少约350个。

3.加工精度更高安装感应同步器数控显示设备后，大型铣、镗床的加工精度从0.06m1000mm提高到0.02m1000mm。834.使工艺过程柔性化只需要改变计算机程序就能迅速地改变设备的加工步骤和工艺流程，从而能迅速适应市场对产品的多方面要求。

5.操作、维修更方便可以通过程序控制实现和调整机械系统的运动规律、工艺过程、工艺参数，改变机械系统的工作方式和运动过程。二、机电一体化产品的创新设计方法

机电一体化系统的最基本特征具有计算机信息处理与控制系统。84控制器(MC、PC、CNC)接口(智能、信息)接口(机械)执行元件执行机构机械结构传感器(位置检测)接口(信息)接口(信息)接口(物理)传感器(环境检测)接口(机械)接口(机械)接口(物理)动力源机电一体化系统组成结构示意图85典型机电一体化系统—工业机器人焊接作业86典型机电一体化系统—工业机器人清洗作业87典型机电一体化系统—工业机器人装配作业88典型机电一体化系统—工业机器人搬运作业89BigDog90BigDog91PetMan92PetMan93PetMan94

机电一体化产品方案创新设计的三种方法

(1)机电互补法利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中复杂的机械部件或某些功能子系统。

举例用PLC或MC取代机械式变速器、凸轮机构、离合器等传动机构，或取代插销板、拨码盘、步进开关、时间继电器等控制机构。

(2)结合法将组成产品的机、电部分创造性地结合在一起，使之融合为一体，成为一个专用或通用的功能部件。

举例

激光打印机中的激光扫描镜，将电动机的转轴与扫描镜的转轴完全融合为一体形成一个专用产品。

95

(3)组合法采用组合创造原理将结合法制成的功能部件子系统、功能模块组合在一起，形成一个机电一体化产品。

举例将伺服电机轴与传动机构、编码器、检测控制元件和控制电路板组成机器人关节运动功能部件。

机电一体化产品方案创新设计的三种方法96第四节方案评价方法

为了获得技术上可行、性能上先进、经济上合理，能可靠实现用户要求的新方案、新产品，必须对创造出的各种方案进行评价。一、评价目标评价目标(评价准则)是评价的依据。

技术评价目标评价方案在技术上的可行性和先进性，包括工作性能指标、可靠性、使用维护性等。

经济评价目标评价方案的经济效益，包括成本、利润、实施方案的措施费用以及投资回收期等。

社会评价目标评价方案实施后对社会带来的效益和影响，包括是否符合国家科技发展的政策和规定，是否有益于改善环境，是否有利于资源开发和新能源的利用等。97

评价标准定性指标(如美观程度、舒适性等)

定量指标(如成本、重量、产量等)

评价指标可以是单个的，也可以是多个的。

评价目标系统的建立评价目标系统常用评价目标树来表达，根据系统可以分解的原则，把总评价目标分解为一级、二级等子目标。98Z22Z21Z12Z11ZZ1Z2总目标二级子目标一级子目标三级子目标Z111Z112Z122Z121Z212Z211Z213评价目标树

最后一级的子目标即为总目标的各具体评价目标(评价标准)。建立评价目标树是将产品的总目标具体化，使之便于定性或定量评价。定量评价时应根据各目标的重要程度设置加权系数(重要性系数)。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总目标一级子目标二级子目标三级子目标g10.09g20.25g30.16g40.09g50.04g60.04g70.08g80.25目标树与加权系数100

Z111左边的0.67表示Z11的两个子目标Z111和Z112中Z111的重要性系数。如Z111和Z112的重要性系数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总目标一级子目标二级子目标三级子目标101

右边的数字表示该子目标在整个目标树中所具有的重要程度，等于该目标以上各级子目标重要性系数的乘积，如Z1112的重要性系数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总目标一级子目标二级子目标三级子目标102

对目标系统进行评价时，使用最末一级子目标的重要性系数，用gi表示，并有

二、评价方法最常用的评价方法包括评分法、技术经济法、模糊评价法和最优化方法。(1)评分法用分值作为衡量方案优劣的尺度，如有多个评价目标，则先分别对各目标进行评分，再经过处理求得方案的总分。方案评分可采用5分制或10分制，“理想状态”取为最高分，“不能用”取为0分。当设计方案的具体化程度较低，有些特征尚不清楚时，建议采用5分制评分标准；当设计方案较具体，特征较明显时，建议采用10分制评分标准。103

举例用加权记分法(有效值法)对某种手表的三种设计方案进行评价。解(1)根据设计要求建立评价目标树手表11防磁0.080.05成本

0.20.2外观

0.20.2性能

0.60.6手表设计方案评价目标树夜光0.080.05防震

0.170.1防水

0.170.1记时0.50.3104(2)评分及计算总分

1)确定评价目标，建立评价目标矩阵为

Z

z1

z2

z3z4

z5

z6

z7

记时准确防水防磁防震夜光外观美成本低

2)确定各评价目标加权系数G=g1

g2

g3

g4

g5

g6

g70.30.10.050.10.050.20.23)

确定记分方法及标准(10分制)012345……10

不能用缺陷较差勉强可用基本满意……理想105

4)

根据各评价目标评分结果，写出评价目标评分值矩阵1090787737778878299098891成本低外观美夜光防震防磁防水记时准确

评价目标方案某手表评分结果106

5)

求加权分值矩阵，计算各方案分值6)

评选最佳方案NT

N1

N2

N38.47.457.7R1

R3

R2

方案1为最佳方案。107(2)技术经济评价法将总目标分为技术子目标和经济子目标，求出相应的技术价Wt和经济价We，然后按照一定方法进行综合，求出总价值W0。诸方案中W0最高者为最优方案。技术评价的目的是根据目标树计算确定各目标的重要性系数gi，然后计算技术价wi—子目标i的评分值；wmax—最高分值(10分制为10分，5分制为5分)。在一般情况下，Wt

0.8，则方案的技术性能很好；Wt

为0.7左右，则方案良好；Wt

0.6则方案不能令人满意，需要改进。108

经济评价是根据理想的制造成本和实际制造成本求得方案的经济价H—实际制造成本；H1—理想制造成本；H2—设计任务书允许的制造成本。经济价We越高，表明方案的经济性越好，一般取可接受的经济价We0.7，最理想的经济价为1。技术经济总价值计算直线法抛物线法W0值越大，方案的技术经济综合性能越好，一般取可接受的W00.65。1090S

连线的关系线Wt

We称为“开发线”。越接近S

的方案，其综合技术经济性能越好。1.00.8Wei0.70.20.400.20.40.6Wti

0.81.0经济价We技术价Wt开发线许用区理想优度S

(最优设计方案)Si优度图110

(3)模糊评价法利用集合论和模糊数学将模糊信息数值化，再进行定量评价的方法。模糊评价的标准是方案对某些评价概念(优、良、差)的隶属度的高低。隶属度可以采用统计法和已知隶属函数求得。如评价某种自行车的外观，通过用户调查，其中30%认为很好，55%认为好，13%认为不太好，2%认为不好，