机械设计学第三章ppt课件

机械设计学 长春工业大学机电学院 第三章机械产品的功能原理设计 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能 功能单元和功能结构 功能原理的发展历史及其基本类型 两种动作功能及其对应的求解思路 4 1 2 3 工艺功能及其对应的求解思路 5 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 6 功能原理设计的工作要点 7 引言 一 产品设计开发过程产品设计过程通常可以分为 产品规划方案设计深入设计施工设计市场开发 引言 一 产品规划阶段 计划 这一阶段要进行需求分析 市场预测 可行性分析 确定关键性设计参数及制约条件 最后给出设计任务书 作为设计 评价和决策的依据 二 方案设计阶段 原理方案的拟定从质的方面决定了设计水平 关系到产品的性能 成本和竞争力 为此 在这一阶段要运用创新思维方法并借鉴前人经验 采用一些普遍适用的原理方案构思方法 三 深入设计阶段 该阶段是将功能原理方案具体化为零部件及产品合理结构的过程 大致包括 1 总体设计2 结构设计3 商品化设计4 模型或样机试验 引言 四 施工设计阶段该阶段要进行零件工作图 部件装配图设计 完成全部生产图纸并编制设计说明书 工艺文件 使用说明书等有关技术文件 引言 二 功能原理设计的相关概念 1 功能原理设计的概念 机械产品设计的最初环节 是先要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思 这种针对主要功能的原理性设计 可以简称为 功能原理设计 2 功能原理设计的重点 在于提出创新构思 使思维尽量 发散 力求提出较多的解法供比较选优 引言 点钞机分离功能原理构思a 推括b 摩擦c 离心力d 重力e 粘力f 气吹g 气吸h 静电 进行原理构思时 首先要考虑应用某种 物理效应 然后考虑利用某种 作用原理 来达到实现功能目标的设计结果 引言 例1 洗衣机的功能原理方案洗衣机的核心功能是 洁衣 从污物和衣物分离的需要出发 它的功能原理有 化学方法的干洗式力学方法的机械搅拌式声学方法的超声波振荡式如果采用机械搅拌式的工作原理还可以分成三种形式 波轮式 漩涡式 搅拌式 摆动式 滚筒式 拍洗式 模拟人手搓动的搓动方式 引言 例2 点火机的功能原理方案点火机的核心功能是 点火 可以利用摩擦式取火法 火柴式点火 利用可燃气 液体燃烧法 打火式点火利用电热法得到 电热式点火 此外还可以用聚光取火法等 引言 三 功能原理设计的作用功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作 一个好的功能原理设计应该既有创新构思 又应同时考虑其市场竞争潜力 四 产品更新换代的途径 1 改革工作原理 2 通过改进工艺 结构和材料提高技术性能 3 加强辅助功能使其更适应使用者的心理 引言 通过改进工艺 结构和材料提高技术性能 一 功能原理设计的工作特点 1 功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应 使机器的工作原理发生根本变化的设计2 引入某种新技术 新材料 新工艺 但首先要求设计人员有一种新想法 NewIdea 新构思 没有新想法 即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去 3 功能原理设计使机器品质发生质的变化 功能原理设计的工作特点和工作内容 二 功能原理设计的任务和主要工作内容功能原理设计的任务 针对某一确定的 功能目标 寻求一些 物理效应 并借助某些 作用原理 来求得一些实现该功能目标的 解法原理 功能原理设计的工作特点和工作内容 主要工作内容 构思能实现功能目标的新的解法原理 工作步骤 先从明确功能目标做起 然后才能进行创新构思 得出某些解法原理后还应通过模型试验 进行技术分析 验证其原理上的可行性 对于不完善的构思还应按实验结果作修改 完善和提高的工作 最后对几个解法作技术经济的评价对比 选择其中一种较合理的解法作为最优方案予以采用 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能原理设计的工作步骤和工作内容 功能原理设计的工作特点和工作内容 举例说明功能原理设计过程中的工作内容 例1 有关部门需要设计肌电假手 要求不很具体 只提出要有能模仿真手抓握物体的假手 经分析 如能像真手一样能拿起一个质量约为300g的物体 应实现的具体功能目标如下 手指应能实现0 5rad s的抓握运动速度 以模仿人手的真实运动 手指触物后 应能产生50N左右的捏紧力 以满足实际工作的需要 所用微型电动机需在假手掌心中放置 故其外径应不大于 20mm 传动机械的效率应足够高 以保证充电电池至少能工作1天 例2 为了改进设计计算机集成制造系统中的运输小车而作的功能目标分析 通过调查分析明确了以下几个功能目标 1 装设导向系统的费用应该较小 2 允许扩充和调整设备 变动运输路线 3 在拥挤的工作环境中小车能灵活运行 4 在工件转接站上小车能准确定位 功能原理设计的工作特点和工作内容 针对这几个功能目标 提出了下面一些原理性的设想作为新的解法原理 看书上图 1 应用惯性导航技术 利用所设参考点用预置程序给出理论轨迹 并作轨迹误差的修正 2 应用传感器引导绕过障碍物 3 在工件转接站上用超声波定向 使小车实现准确定位 功能原理设计的工作特点和工作内容 那么为了实现上述原理性设想 必须设计新的小车来实现灵活运动和准确定位 无人驾驶小车的各种原理性方案的比较a 曲线运动小车b 平面移动小车 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能 功能单元和功能结构 一 功能的含义及三个功能要素二 功能元素和功能单元三 功能结构和功能系统分析四 功能结构的基本结构形式 1 功能是对某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述 一 功能的含义 可以把产品的功能理解为产品的功效 功能 功能单元和功能结构 功能与我们常用的功用 用途 性能 能力等概念既有区别又有联系 以电机为例 功用 作机械的原动机用途 驱动机械运转电动机性能 电机本身的 效率 振动 耐用性 过载等能力 功率 转速大小等电机的功能 将电能转变为旋转运动的动能 功能 功能单元和功能结构 2 功能是指某一机器 或装置 所具有的转化能量 运动或其它物理量的特性 由这个例子 得出功能的另一个含义 以上是功能的两个含义 功能 功能单元和功能结构 三个功能要素 能量 物料 信息 能量包括 机械能 热能 电能 光能 核能 化学能 生物能等 物料可以是 材料 毛坯 物件 气体 液体 颗粒 物体等 信息体现为 测量值 显示值 控制信号 通讯 数据 情报等 功能 功能单元和功能结构 机械产品由外界输入一定形式的能量 物料 信息 又将某种形式的能量 物料 信息输出给外界 例如 水泵 将水和机械能变成压力水 具有势能的水 冲床 将板料和机械能变换成冲压后的工件和耗散的能量 三个功能流 能量流 物料流 信息流 分别由随时间变化的能量 物料 信息形成 功能 功能单元和功能结构 三个功能流能量流能量流在机械系统中存在于能量变换和能量传递的整个过程中 举例 例1 电动机的能量流 电动机是将电能变换成机械能 功能 功能单元和功能结构 能量流举例 例2 内燃机的能量流 内燃机是将燃油的化学能通过燃烧变成热能 再由热能变成机械能 例3 发电机的能量流 发电机将机械能变换成电能 例4 压气机的能量流 压气机是把机械能变换成气体的位能 功能 功能单元和功能结构 能量流总结 从以上这几个能量流来看 机械系统必须有机械能与其他形态能量的互换 机械能的利用等 如果只有化学能变换成热能而不再变成机械能 那么这个系统就成为燃烧器 也就是说这个系统不成为机械系统 功能 功能单元和功能结构 物料流是机械系统完成特定工作过程中工作的对象和载体 没有物料流也就体现不出机械系统的工作过程和工作特点 机械系统的物料只有形态 构型 包容 混合的变化 即物料只产生物理的 机械的变化 物料流 功能 功能单元和功能结构 例1 缝纫机的物料流 输入面料 缝线 输出缝制后的缝纫制品 物料流举例 例2 包装机械的物料流 输入被包装的物件 包装容器 输出包装后的成品 例3 金属切削机床的物料流 输入工件的毛坯 切削冷却液 输出制成的工件及切削冷却废液 面料 缝线 缝制后成品 被包物体 包装容器 包装后成品 切削冷却液 制成的零件 切削冷却废液 毛坯 功能 功能单元和功能结构 信息流是反映信号 数据的检测 传输 变换和显示的过程 信息流的功用是实现机械系统工作过程中的操纵 控制及对某些信息实现传输 变换和显示 信息流 功能 功能单元和功能结构 例如 傻瓜 相机的主要信息流的示意图 信息流举例 光强信号 图像信号 光圈电机控制信号 调焦电机控制信号 功能 功能单元和功能结构 任何一台机器的主要特征是从能量流 物料流和信息流中体现出来的 要设计一台新机器首先应从剖析能量流 物料流和信息流着手 功能 功能单元和功能结构 黑箱法描述功能 零件已耗损的冷却液已耗损的润滑剂切削功率自动开动 切屑无功热振动噪声 电能 热能 机械能 毛坯冷却液润滑剂驱动能信号能启动信号 功能 功能单元和功能结构 任何一个技术系统都有输入和输出 把技术系统看成一个黑箱 其输入用物料流M 信息流S和能量流E来描述 其输出用相应的M S 和E 来描述 用 黑箱 描述技术系统的功能 黑箱法描述功能概括 功能 功能单元和功能结构 黑箱法描述功能举例 一台硬币计数包卷机的外形 按照黑箱描述 可以这样定义 功能 是一个技术系统在以实现某种任务为目标时 其输入量和输出量之间的关系 功能 功能单元和功能结构 用黑箱法描述的硬币机的总功能 黑箱法描述功能举例 功能 功能单元和功能结构 通过这种方式来抽象设计对象便于抓住其本质 摆脱具体东西的干扰 利于启发设计者寻求新的更好的解决方案 在系统分析中 还有 白箱 和 灰箱 的概念 白箱 指内部结构完全已知的技术系统 灰箱 内部结构部分已知的技术系统 黑箱描述的优点 功能 功能单元和功能结构 1 系统论的观点 一个系统可以分解为一些子系统即 系统 子系统一个系统的总功能也可以分解为一些分功能即 系统总功能 分功能 二 功能元素和功能单元 功能 功能单元和功能结构 是否可以把机器中的复杂动作分解为一些基本动作 并把这些基本动作理解为 功能元素 由这些功能元素可以构成任何技术系统的复杂的总功能 复杂动作 基本动作 功能元素总功能 2 一种设想 功能 功能单元和功能结构 共有12对 放出 吸收传导 绝缘集合 扩散引导 阻碍转变 恢复放大 缩小变向 定向调整 激动联结 开断结合 分离接合 拆开贮存 取出 3 典型的基本动作 这种功能元素的设想似乎很有道理 但在机械设计的实践中并不是很有效 功能 功能单元和功能结构 如果我们不把功能分解得过细 而只是分解到 功能单元 的水平上 那么这样的 功能单元 是既有一定的独立性 又有一定复杂程度的技术单元 4 另外的分解方式 功能 功能单元和功能结构 举例 硬币计数包卷机的7个功能单元 功能 功能单元和功能结构 三 功能结构和功能系统分析 硬币计数包卷机的功能分解 功能 功能单元和功能结构 硬币计数包卷机的功能结构图 功能 功能单元和功能结构 系统分析 由总功能分解为分功能 最后作出功能结构图的过程 功能分析的概念 功能分析的过程是设计人员初步酝酿功能原理设计总体方案的过程 这个过程往往不是一次完成的 需要不断修改 完善 功能 功能单元和功能结构 串联结构 各分功能按顺序相继作用 并联结构 各分功能并列作用 回路结构 各分功能组成环状循环回路 体现反馈作用 四 功能结构的三种基本结构形式 串联 并联和回路 功能 功能单元和功能结构 串联 并联和回路 功能 功能单元和功能结构 此图给出了实现同一种功能 硬币包卷功能 而设计的两种不同功能结构形式 这两种功能结构都是串联 并联的组合 举例 功能 功能单元和功能结构 两大类功能类型 功能 动作功能 是以实现动作为目的的功能 工艺功能 是以完成对对象物的加工为目的的功能 其中 简单动作功能 动作功能 复杂动作功能 功能原理的发展历史及其基本类型 综合运用机械 电 光 磁 热 化学等各种 广义物理效应 更好地实现各种动作功能和工艺功能 我们把它称为 综合技术功能 综合技术功能 实际上综合技术功能仍然是动作功能或工艺功能 功能原理的发展历史及其基本类型 关键技术功能 是作为某个企业或部门独有的技术 暂时还没有被别人掌握 这种技术可能是工艺功能 也可能是动作功能 也可以是综合技术功能 只是因为它在竞争中的特殊地位 才称为 关键技术功能 功能原理的发展历史及其基本类型 功能类型的概括 就是说两种基本功能可能同时又是 综合技术功能 和 关键技术功能 功能类型 动作类 工艺类 工艺功能 简单动作功能 复杂动作功能 关键技术功能 综合技术功能 纯机械 广义物理效应 功能原理的发展历史及其基本类型 动作功能 是指那些只完成动作而不同时对物体进行加工的功能 动作功能分为 按其是否为一次性还是连续运动来分 一 简单动作功能二 复杂动作功能 两种动作功能及其对应的求解思路 图3 14拉链a 链米式b 塑槽式 一 简单动作功能 两种动作功能及其对应的求解思路 举例 电视机调节盒盖 双动操作器 圆珠笔按钮录音机的联动按键魔方百叶窗拉链安全带带扣 两种动作功能及其对应的求解思路 简单动作功能的特点 简单动作功能是由两个或两个以上具有特定几何形状的构件组成 利用它们形体上的特征 可以实现相互运动或锁合的动作 简单动作功能的求解思路 几何形体组合法 这是一种适合于求解简单动作功能的方法 两种动作功能及其对应的求解思路 举例 要实现特定的动作功能 巧妙的构思 笔套上有凸块 圆珠笔按钮 圆珠笔按钮功能原理分析 对齐笔套槽时 笔芯齿轮与按钮齿轮错开 笔芯齿轮在笔套内时的情况 笔芯齿轮在笔套内时的情况 错开时 缩回 外 对齐时 探出 内 笔芯齿轮在笔套内外的情况比较 拉链功能原理分析 简单几何体 简单几何体的组合 剖开看 简单几何体的组合 合上看 举例 钥匙与锁 举例 钥匙与锁 弹子锁 钥匙与锁芯 弹簧 弹簧 弹子1 钥匙 锁芯 弹子2 简单动作功能总结 3 不是每个人都可以获得合理的解决思路 所以多看现有的优秀设计实例 联系设计巧妙的简单动作功能 对训练设计创造力是很有帮助的 1 在构思简单动作功能时 首先要明确 功能目标 然后针对功能目标 对几个构件上的几何形体进行构思 2 由于在构件上设置几何形体的可能性非常多 这就为实现这类功能创造了宽广的途径 总有几种几何形体可以实现所要求的功能目标 两种动作功能及其对应的求解思路 二 复杂动作功能 两种动作功能及其对应的求解思路 机械要求的动作是复杂多变的 如 有位置要求 位移 速度 加速度要求 运动空间和运动轨迹要求等 有些机械还要求运动或力按一定规律变化 硬币机卷边功能的执行机构 复杂动作功能的例子 硬币包卷压边机 两种动作功能及其对应的求解思路 这类功能以采用常用基本机构为主 其设计已有很成熟的理论和经验 尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标 设计起来并非毫无困难 但是比起 简单动作功能 的设计来 还是要容易得多 因为它毕竟被人们研究得相当透彻了 复杂动作功能的特点 复杂动作功能的求解思路 基本机构组合法 两种动作功能及其对应的求解思路 凸轮机构 齿轮齿条 连杆 螺旋机构 槽轮 棘轮 链轮机构等 无论是简单动作功能还是复杂动作功能都是动作功能 动作功能是最基本的最重要的功能 常用的基本机构 两种动作功能及其对应的求解思路 工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能 工艺功能求解思路 工艺功能及其对应的求解思路 1 要把钢制的零件加工成一个平面 在考虑工艺功能时 可以有刨切和铣切的方法 由此我们设计出具有刨刀的刨床和具有铣刀的铣床 这两种方案来实现工艺功能 举例说明工艺功能 工艺功能要考虑两个重要因素 采用哪种加工工艺工作头的形状和动作 工艺功能及其对应的求解思路 绞肉机 3 家用切肉机 2 耕地的犁也是工艺功能的一个典型 犁的工作曲面1 犁尖2 犁镜3 曲面 功能 功能单元和功能结构 家用切碎机 由于工艺方法的多样性 因此工艺功能的原理设计也是多种多样的 相应地设计的机械产品也具有多样性 工艺功能及其对应的求解思路 工艺功能的特点 工作头的形状 运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素 这里 工作头和工作对象是对立的统一 通过 场 产生相互作用 总结 工艺功能及其对应的求解思路 工艺功能的求解思路 标准物 场模式S 指研究对象或物体 在任何一个最小技术系统中 至少有一个主体 S1 一个客体 S2 和一个场 F 这三者缺少一个即不能发生作用 物 场模型 它是由前苏联科学家提出来的 物 场分析法 工艺功能及其对应的求解思路 S2 客体 即被加工的物体 也就是工艺动作的对象物体 如被加工的工件F 场 广义地指S1向S2作用时发出的力 运动 电 磁 光 热等作用 图中 S1通过F作用于S2 S1 主体 是对客体发生作用的物体 如工作头 工艺功能及其对应的求解思路 物 场分析法求解的基本形式 1 F S1搜寻 2 完善 3 增加 4 变换 工艺功能及其对应的求解思路 拉力 可以拉断草 但无法控制被拉断的草的高度 所以无法保证草地平整 1 F S1搜寻用物 场分析法求解的基本形式是 已知客体S2 寻求合理的场F和主体S1 以构思除草机的工作原理为例 S2是草地上的草 是已知的 接下来的问题就是寻求合理的F和S1 寻找各种可能利用的场F加以分析比较 工艺功能及其对应的求解思路 剪断力 利用剪刀合拢 可以剪断草 选择剪断力作为理想的场F 那么 S2 草F 剪断力S1 剪刀 把剪刀做成象理发推子那样就是传统的剪草机的解法原理 割断力 象割麦子一样 这就需要握住草的上部才能割断 工艺功能及其对应的求解思路 2 完善 平板玻璃制造工艺的完善a 垂直引上法b 浮法 S2 液态玻璃S1 低熔点合金液面F 合金液体的表面张力 有的时候在设计中会出现缺少F或S1的现象 这样就可能导致不良后果 这就需要补全F或S1 使物 场模式得到完善 例如 工艺功能及其对应的求解思路 前面我们讲过一个最小技术系统至少应具有一个S1 一个S2和一个场F 但有时还需要增补S1 F 才能更好地完成希望实现的功能 例子 在金属切削过程中 S2 钢质工件S1 刀具F 切削力 3 增加 工艺功能及其对应的求解思路 如果我们再加上S1 冷却润滑液 那么工件的加工质量就会得到很大的提高 由于S1 切削液的存在 实际上还附加了另外一种物理场F 分子吸附膜 使得刀具与工件之间的摩擦减小 同时还起到了冷却作用 物 场模式变为右图 S F模式的变型 工艺功能及其对应的求解思路 对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后 常常可以发现它们并非是不可替换的 有时通过变换可能会产生意想不到的好效果 前面我们讲的剪草机的原理 是利用剪刀S1和剪切力F 那么能不能有别的东西来替代剪刀S1和剪切力F呢 4 变换 工艺功能及其对应的求解思路 人类生活在这个世界上 就注定要改造这个世界 工艺功能是改造这个世界的主要手段 对工艺功能的研究 对我们有着重要的意义 现在人类已经开始学会利用各种广义的物理效应 这就为工艺工能提供了更多的可利用的 场 就有可能创造出更多更好的工艺功能来 总结 工艺功能及其对应的求解思路 1 这两种功能成了时代发展和技术进步的象征 2 这两种功能所实现的还是动作和工艺两种基本功能 不过技术上更难 更高 更持殊而已 一 关键技术功能二 综合技术功能 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 一 关键技术功能 在一些机器中 常常采用一些非同一般的技术手段 以达到同类机器难以达到的技术水平 非同一般的技术手段有些属于特殊材料 有些属于特殊工艺 有些属于特殊结构 由于这种技术关系到重要的技术性能 因而称之为 关键技术 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 1 产品中的关键技术主要与以下几个方面有关 1 材料 例如高强度 高耐磨性 特殊的润滑性 特殊轻质材料 例如复合材料 特殊物理性能要求等 2 制造工艺 高精度 小的表面粗糙度 高的热处理要求 例如在汽车制造中的2mm工程 要保证汽车外壳所有缝隙都小于2mm 美国就把它作为一个重大的关键技术难题组织攻关 高的制造水平将直接影响产品性能的技术指标 例如免维护性和使用寿命等技术性能的提高 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 3 设计 通过设计实现特殊的功能原理 尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平 例如 当前在喷墨打印机中的喷墨技术 就是一种关键技术功能 日本Canon采用汽化喷墨的功能原理 而另一家日本公司Epson则采用压电喷墨技术 下面两个例子可以很好地体现由设计解决的关键技术功能 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 例1在数控机床发展的初期 为了实现工作台的精密定位和精密进给 每步0 01mm 必须使传动丝杠和工作台导轨的摩擦阻力尽量最小 于是滚珠丝杠和静压导轨成了关键技术 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 例2肌肉电控制的假手的研制 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 关键技术功能的特点 由于特殊的工作条件 约束 或特殊的使用要求 用常规技术或已有技术难以达到的技术难点 或是别人目前尚难以实现的技术高度 总的来说它的技术要求高 而解决的方法也往往出奇制胜 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 关键技术功能的求解思路 技术矛盾分析法以残疾人用的轻型机械手为例i 900 0 5rad sF 5NF 50Ni 9000 0 05rad s这就存在运动与力之间的矛盾 如何解决 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 针对上述矛盾 在电机和手指之间的传动机构上增一个变速装置 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 二 综合技术功能非机械方式获得动作的情况在实际中是大量存在的 例如 飞机在空气中飞起来 是靠空气动力学原理实现的 螺旋桨旋转能推动轮船前进 是流体力学的原理 电动机能转动也是依靠电磁学的原理实现的 可见 动作功能可以不用纯机械的方式来实现 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 实际上 用光 电 磁 液 热 气 生 化等原理都可以实现某些动作功能 甚至在某些场合 比纯机械的方式还要好 如果某一种功能 用纯机械方式难以实现的话 那么就考虑借助于电 光 气 液等技术功能与机械功能相结合 来综合地完成机械的功能要求 这类功能就属于综合技术功能 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 举例 精密定位工作台 采用激光测距 用计算机控制运动规律 组成闭环控制系统 这是典型的机电一体化技术系统 属于综合技术功能 综合技术功能的特点 在某些特定的条件下 采用广义物理效应 有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能 显然这里我们并不强调全部可以代替纯机械功能 因为有许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的 没有必要用更复杂的广义物理效应去代替 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 综合技术功能的求解思路是 物理效应引入法这里所说的物理效应是广义的概念 除了机械学常见的运动学 力学效应以外 运动学 力学方面的各种物理效应 热胀冷缩 电磁效应 光电效应 流体效应均可在求解时引入 例如 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 1 利用热胀冷缩的效应使双金属片产生弯曲变形 用来作电流的过载保护器 调温电器的温控开关 2 在人工脏器的设计中 需要一种微型液体泵来帮助体液循环 以前这种泵都是用微型电动机带动微型机械泵来工作的 由于存在磨损等机械问题 效果不理想 有一位生物医学专家想出了用金属的热膨胀效应来做体液泵 效果很理想 3 用石英晶体振荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表 也是运用物理效应引入法的很典型的例子 4 在润滑油中添加某些成分 就有可能使这种油在高压或电场中产生特殊的性能 如粘性变大等 在机械传动中已经在利用这些新效应 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 将曲柄1弯成U形 当环境温度上升时 U形的上下两个金属杆都伸长 那么综合的结果使铰接点B相对于A点的热变形位移很小 反之当环境温度下降时 U形的两个金属杆都缩短 B点相对于A点的变形位置也很小 这样就保证了仪表较高的检测精度 物理效应引入法的例子 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 由于引入的物理效应是广义的 包括表中的五大类 所以说物理效应引入法的求解途径在功能原理求解中是一个非常重要 大有前途的途径 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路 比如 前面介绍的残疾人用的轻型机械手 它的任务的提出是笼统的 肌肉电控制的 能模仿真手抓握物体的假手 经过分析 逐步明确了实现的具体功能目标 1 明确所要设计的任务的功能目标 手指应能实现0 5rad s的抓握运动速度 以模仿人手的真实运动 0 5rad s 主要可以归结为以下一些工作要点 功能原理设计的工作要点 手指触物后 应能产生50N左右的捏紧力 以满足实际工作的需要 F 50N 所用微型电动机需在假手掌心中放置 故其外径应不大于 20mm d 20mm 传动机械的效率应足够高 以保证充电电池至少能工作1天 功能原理设计的工作要点 调查分析已有的解法原理 使设计者能在已有技术基础上 提出更新的 更巧妙的构思 了解已有的解法 可以避免重复 避免重复已有的成果 避免重复已走过的路 甚至是不成功的路 2 调查 分析已有的解法原理 功能原理设计的工作要点 我们现有的产品决不是顶峰 肯定还会有更好的设计出现 只要充分发挥创造性思维 就能获得更新换代的新产品 3 进行创新构思 寻求更合理的解法原理 功能原理设计的工作要点 一个好的原理构思 最后却不能成为产品 这种例子很多 也有很多专利没能成为有用的技术 其中部分原因是由于材料 结构和工艺性问题无法合理解决 这就说明创新构思时 结构和工艺性问题很重要 一个好的构思 总有实现的可能 必须不断地努力去争取达到实用化要求 4 初步预想实用化的可能性 功能原理设计的工作要点 原理是否正确 以及效果如何 最好的评价是进行试验 在构思时尽管经过反复考虑 但在实际中还会出现意想不到的问题 5 认真进行原理性试验 功能原理设计的工作要点 设计工作过程中 有两项重大决策问题 一是在创意阶段 这是决定产品方向的决策 要能判断5年或10年以后市场所需要的产品二是在构思阶段 这是决定产品的技术方向的决策 一个产品可能有两个以上的技术方向 在未来的发展中有可能出现完全不同的命运 6 评价 对比 决策 功能原理设计的工作要点 总之 决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要 又是非常困难的问题 千万不要轻信那些草率的决策 它将带来灾难性的后果 功能原理设计的工作要点 以洗衣机为例 人工洗衣通常用手搓 擦板擦 刷子刷 脚踩 棒槌打 流水冲等方式除去衣物纤维中的污垢 只要使污垢与纤维分离就可以使衣物干净 因而产生了多种洗衣机 除了单缸 双缸 全自动洗衣机外 还设计了各种新的洗衣机 我们说设计本身就是创造 创意阶段需要创新 而构思阶段即功能原理设计阶段更需要创新 功能原理设计的创造性问题 1 真空洗衣机它只用水 不用洗涤液 工作时 真空泵将洗衣机内部抽成真空状态 然后开动机器 使衣服和水在缸内不断转动 由于是处于真空环境 水中会产生大量的小气泡 与衣物表面发生碰撞 气泡会破裂 气泡破裂产生的爆破力可将衣物上的污垢微粒弹出 并抛向水中 不用十分钟就可将衣物洗得干干净净 功能原理设计的创造性问题 2 烘干洗衣机这种洗衣机不仅有洗涤作用 通过传感器和电热装置 还可以在衣物甩掉水分后 接着烘干 不必再晾出去 一件脏衣服丢进去 经过洗涤 脱水 烘干 取出后可穿在身上了 功能原理设计的创造性问题 3 电磁洗衣机它的最大特点是不用电动机驱动 这样工作时就没有噪声 在洗衣筒内装有4个洗涤头 每个洗涤头上装有一组电磁线圈 通电后能产生每秒2500次的振动 能把附在衣物上的污物振掉 这种洗衣机去污力极强 比一般洗衣机省水又省电 功能原理设计的创造性问题 4 臭氧洗衣机 臭氧洗衣机 通过放电使空气中的氧分子电离变成臭氧 臭氧与衣物上的污垢有机物质会发生剧烈的化学反应 使有机物很快氧化 达到了去除污垢的目的 功能原理设计的创造性问题 思维 是人脑对客观事物间接的和概括的反映 是人类智力活动的主要表现方式 思维可分为本能思维和创造性思维两类 本能思维 是人类经常性的 以经验为主的程序化的思考 创造性思维 是指没有常规可循 缺少可借鉴经验的 非程序化的思考 是指有创见的思维过程 关于 思维 功能原理设计的创造性问题 思维三要素 思维主体 人脑 思维对象和思维方式 几种思维模式 1 由思维对象起作用的思维如形象思维2 由思维方式起作用的思维如定向思维 逆向思维 侧向思维 发散思维 收敛思维3 由思维主体起作用的思维如直觉思维 灵感思维等 都是人脑起主要作用的思维 功能原理设计的创造性问题 一 创新思维 一 逻辑思维和非逻辑思维 二 定向思维 逆向思维和侧向思维 三 形象思维和抽象思维 四 发散思维和收敛思维 五 直觉思维和灵感思维 功能原理设计的创造性问题 1 逻辑思维 也称为抽象思维 是按已知概念 定义和某种规定 通过对思考对象进行比较 判断 归纳和总结等方法来认识事物 推断事物的思维模式 一 逻辑思维和非逻辑思维 逻辑思维特点 有序性 递推性 逻辑思维是一种严密的思维方式 是人们掌握较好的一种常规思维方式 功能原理设计的创造性问题 逻辑思维的一般过程 功能原理设计的创造性问题 2 非逻辑思维 是逻辑思维以外的各类思维模式 非逻辑思维特点 随意性和跳跃性 不受任何约束 非逻辑思维包括 形象思维 发散思维 逆向思维 侧向思维 联想思维 灵感思维等思维模式 在创造性活动中 非逻辑思维发挥着巨大的作用 人类的很多成果都来自非逻辑思维 功能原理设计的创造性问题 1 定向思维 基本上属于逻辑性思维一类 其思维过程总是通过寻找合乎逻辑的 成熟的或常规的方法或途径 循序渐进地推断和认识事物 定向思维特点 慎重 稳妥 定向思维缺点 思路狭窄 保守 缺乏新意 举例 二 定向思维 逆向思维和侧向思维 2 逆向思维逆向思维是一种反逻辑和反常规的思维方式 它摆脱正常的思考途径 以背逆正常思索途径来寻找解决问题的方法 逆向思维特点 视野开阔 没有约束 具有难以形容的创造性和技巧性 举例 功能原理设计的创造性问题 3 侧向思维侧向思维是一种类似逆向思维的思维方式 但侧向思维没有逆向思维那样极端 它将问题转换为另一个等价的问题 通过对等价问题的求解而使原问题得解 功能原理设计的创造性问题 1 形象思维形象思维表现为对事物表面特征的记印 对感知过的形象进行加工 改造 通过联想 想象 从而创造出新形象的过程 举例 2 抽象思维抽象思维又称为逻辑思维 是凭借概念 判断 推理来概括事物的本质 揭示各个事物之间的联系和差距 从而推断出事物具有的新概念的思维模式 三 形象思维和抽象思维 功能原理设计的创造性问题 1 发散思维常常以要解决的问题为中心 运用横向 纵向 逆向 分合 颠倒 质疑 对称等思维方法 找出尽可能多的答案 对同一现象的不同定义 对同一原理的不同应用 对同一问题的不同解释 都是发散思维的结果 举例 四 发散思维和收敛思维 功能原理设计的创造性问题 发散思维有流畅性 变更性 独特性三个特征 举个例子说明一下发散思维的特征 例如要求被试者在5分钟内列出砖的可能用途 答出一种用途得1分 答出一种类别得1分 有独特性的答案再得1分 功能原理设计的创造性问题 甲的答卷如下 造房 铺路 砌灶 造桥 保暖 堵洞 做三合土 填物 那么发散性 个数 指标 即流畅性得8分 变更性 即 类别 指标得1分 因为全是一种类别 材料 无独特性 总分为9分 乙的答卷如下 造房 铺路 防身 敲击 镇纸 量具 积木玩具 耍杂技 磨成颜料粉末 这样流畅性得9分 变更性为6分 因为类别为 材料 武器 工具 量具 玩具 颜料 而做颜料 当玩具有独到之处 得2分 共17分 说明乙比甲的发散思维水平高 功能原理设计的创造性问题 2 收敛思维是寻求某种确定答案的思维形式 它以研究对象为中心 将众多思路中获取的信息 利用已有的经验和知识 将其逐步引导到条理化的逻辑序列中 以便最终得出一个合乎逻辑的结论 收敛思维是选择设计方案最常用的思维方式 举例 功能原理设计的创造性问题 1 直觉思维直觉思维是在无意识状态下 从整体上迅速发现事物本质属性的一种思维方式 举例 五 直觉思维和灵感思维 功能原理设计的创造性问题 2 灵感思维灵感是人们借助于直觉启示而对问题得到突如其来的领悟或理解的一种思维形式 是创造性思维的最重要的形式之一 灵感的出现不论在时间上还是在空间上都具有不确定性 但灵感的产生条件却是相对确定的 要依赖于知识长期的积累 智力水平的提高 良好的精神状态和外界环境 还有长时间紧张的思考和探索 灵感是创造活动中不可缺少的一部分 举例 功能原理设计的创造性问题 二 创造原理 一 组合原理 二 还原原理 三 逆反原理 四 变性原理 五 移植原理 六 迂回原理 七 群体原理 八 完满原理 功能原理设计的创造性问题 一 组合原理组合方式又分为几种类型 1 同类组合指两个或两个以上相同或相似事物的组合 举例 2 异类组合指两种或两种以上不同类事物的组合 举例 3 附加组合指在原事物中补充加入新内容的组合 举例 功能原理设计的创造性问题 4 重组组合指将一个事物在不同层次上分解后 将分解的结果按新方式重新聚合的组合 举例 5 综合组合是在将研究对象进行分析的基础上 有选择地进行重组 举例 功能原理设计的创造性问题 二 还原原理任何发明创造都有其创造的起点和创造的原点 创造原点 即事物的基本功能要求 是惟一的 创造起点 即满足功能要求的手段与方法 是无穷的 还原原理 是研究已有事物的创造起点 并追根溯源深入到它的创造原点 或从原点上解决问题 或从创造原点出发另辟新路 用新思想 新技术重新创造该事物 举例 功能原理设计的创造性问题 还原原理举例 设计洗衣机创造起点有 a 模仿人的动作 用揉 搓的方法洗衣 但设计这种机械装置非常困难 b 改用刷的方法 要处处刷到也很困难 c 用捶打的方法 动作简单但容易损坏衣物 钮扣 如果采用还原原理 我们从思考洗衣的方法还原到洗衣的创造原点 将污物从衣物上去掉 功能原理设计的创造性问题 三 逆反原理逆反原理是从事物构成要素中对立的另一面去分析 将通常思考问题的思路反转过来 有意识地按相反的视角去观察事物 用完全颠倒的顺序和方法来处理问题的一种创造原理 举例 功能原理设计的创造性问题 四 变性原理指对事物的形状 尺寸 结构 材料等进行变化 从而导致发明创造 举例 五 移植原理是把已知对象中的概念 原理 结构 方法等内容运用或移植到另一个待研究的对象中 举例 功能原理设计的创造性问题 六 迂回原理在创造活动中遇到棘手的难题 不妨暂时停下来转入对下一步的思考 也许当其他问题解决了 该问题也就迎刃而解了 举例 七 群体原理群体可以形成智慧 可以形成创造力举例 八 完满原理又称为完全充分利用原理 即凡是在理论上未被充分利用的都可以成为创造的目标 举例 功能原理设计的创造性问题 如何产生的 基本原理是什么 基本方法如何 怎样分类 技术冲突的40条发明原理 发明问题解决理论 TRIZ 如何产生的 前苏联学者阿利特舒列尔 G S Altshuler 及其领导的一批研究人员 从1946年开始 花费1500人 年 在分析研究世界各国250万件专利的基础上 提出了 发明问题解决理论 该理论一直对其他国家保密 直到前苏联解体后 随着一批原苏联科学家移居国外 将该理论介绍给其他国家 对全世界的创新设计领域产生重要影响 发明问题解决理论 TRIZ CIA中央情报局 PK 克格勃 发明问题解决理论 基本原理是什么 发明问题解决理论 认为技术系统是不断进化的 进化的动力是解决冲突 发明问题解决理论 提出消除冲突的发明原理 建立消除冲突的基于知识的逻辑方法 劝架 折中 发明问题解决理论 基本方法如何 应用 发明问题解决理论 解决设计问题时 需要首先将待设计的问题表达 翻译 为 发明问题解决理论 的标准问题 利用该理论所提供的工具 可求得标准解 将标准解表达 翻译 为问题领域的解答 得到领域解 可以得到关于消除技术冲突的有益提示 发明问题解决理论 怎样分类 发明问题解决理论 将工程中的冲突分为两类 一类称为技术冲突 另一类称为物理冲突 技术冲突指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能 物理冲突指对同一个子系统提出相反的要求 发明问题解决理论 为表示技术冲突 该理论总结了常用的39个工程参数 通用工程参数名称 七类 发明问题解决理论 并总结了常用来解决技术冲突的40条发明原理 发明原理 原理1 分割 断开 独立把一个整体或有联系的事物强行分开 将一个物体分割成几个独立的部分电冰箱 冷冻箱 冷藏箱货运汽车 动力 机车 装载 拖车 将一个物体分割成几个容易组装和拆卸的部分结构设计 构件 多个独立的零件 分别制造提高物体的可分性刀具可拆卸结构 刀头 刀杆 发明问题解决理论 原理2 分离 隔开 从混合物中隔离出来 与其他部分或整体 主体分开 将一个物体中的有害部分与整体分离家用空调 主机 散热器 噪音大 移往室外 将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离激光复印机 成像功能分离 独立功能成像功能 扫描仪 复印机成像功能 计算机 打印机成像功能 通信功能 传真机打印 复印 扫描 传真 一体机 发明问题解决理论 原理3 局部质量 区别对待 零件由均匀结构改为非均匀结构 局部发挥最佳效能零件不同部位 热处理方式不同 齿轮齿面的表面处理 面硬心软 发明问题解决理论 原理4 不对称 增加范围 机械零件多为对称 设计更简单但是可以采用不对称结构 选择范围扩大轮毂设计的非对称结构 定位 发明问题解决理论 原理5 合并 组合 将空间上相同或者相近的物体合并在一起收音机 录音机 收录机多功能手机 电话功能 短信 收音机 将时间上相关的物体合并铅笔 橡皮 便于携带制冷 加热 夏天制冷 冬天加热 原理6 多用性 提高性价比 多种功能集于一身多用工具 多功能手机 电话功能 短信 收音机 mp4 照相 GPS导航 蓝牙 上网 一机多用 原理7 套装 减小占用空间 将某个物体放入另一个物体的空降内地铁车门 嵌入式建筑 装修布线 墙内地暖 地板下将第一个物体嵌入第二个物体内 将第二个物体嵌入第三个物体内 多层伸缩式天线 伸缩式钓鱼竿 多层油缸 原理8 质量补偿 减小质量负载 使一个向上的力与向下的重力相平衡氢气球悬挂广告牌 嵌入式电梯 立体车库 滑轮 起重负载配重 原理8 质量补偿 减小质量负载 通过物体与环境的作用为物体提供向上的作用力 以平衡重力作用 船 水的浮力 飞机机翼 空气 升力 原理9 预加反作用 抵消有害作用 梁 预加反载荷 机床导轨 做成中部凸起 延缓寿命火车铁轨 中凸 加长寿命 原理10 预操作 预防措施 杜绝意外事件 螺栓 预紧 放松措施轴承 预紧零件装配前的防腐处理 原理11 预补偿 事先防范 提高可靠性 过载保护系统 熔断器安全离合器 原理12 等势性 减少能量消耗 车辆在平路上行走 零件在流水线中移位时尽量在一个平面上鹤式起重机 吊装物体时做水平直线移动 原理13 反向 逆向思维 采用与通常动作方向相反的动作 达到相同的目的 配对齿轮的材料不同 一软一硬模具硬材料 凸模 软材料 凹模结果 软材料塑性对磨损补偿 延长模具寿命使原来静止的物体运动 原来运动的静止 保持两个物体间原有的相对运动关系车床 刀具固定 工件运动改变 工件固定 刀具运动 镗床或铣床 原理14 曲面化 圆弧与旋转 用曲线代替直线 用曲面代替平面 用球代替立方体 倒角 圆角 减少应力集中 拱形梁 提高强度 等强度梁 特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等用回转运动取代直线运动机械设计 旋转运动更简单旋转运动产生的离心力 特殊作用 洗衣机甩干离心铸造 减少铸件外表面缺陷 原理15 动态化 灵活性 使物体各个部分之间 动作之间自动调节 实现最佳工作状态 形状记忆弹簧 随温度变化 伸缩开闭温室天窗 柴油机调速器 像超越离合器将物体分解为既互相连接 又可以相对运动的多个部分凸缘联轴器 刚性连接 要求精度高万向节联轴器 适应两轴角度误差十字滑块联轴器 适应两轴径向误差 用垫片调节轴向间隙 原理16 未达到或超过 放宽 问题简化 齿轮设计齿宽 一宽一窄 解决齿宽装配 加工及累计误差造成的错位公差 不是理想的 100 原理17 维数变化 多维 增加 将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动 计算机储存方式 纸带 一维 磁盘 光盘 二维 将来三维存储技术 飞跃将单层排列的物体变为多层排列光盘库 多层叠放光盘 方便抓取立体车库 增加存储量利用给定表面的反面磁盘由单面 双面 原理18 振动 使物体处于振动状态 增加振动频率 共振电磁振动或压电振动替代机械振动 刀具振动 切削工艺 电动剃须刀 电动雕刻刀 振动式电动剪刀振动上料机 均匀定向上料 移动物体 筛子筛物料 电子表 石英振荡器 更准确 原理19 周期性作用 周而复始 用周期性动作代替连续动作 已有的改变动作频率过盈装配 压入法 周期性敲击法内燃机 活塞等周期性工作自动装配线上 传送带 链 周期性装配操作 原理20 有效作用连续性 提高效率 系统连续性工作 所有部件满负荷 消除动作过程中的间隙 连续旋转代替往复直线运动计算机打印机 打印头连续往复打印内燃机 爆发行程 做功 飞轮储能 输出 保证内燃机持续运动卡尔逊复印机 平板上 布静电 曝光 显影 定影现代复印机 多个工作头围绕硒鼓 复印可以循环进行搓丝 滚丝 原理21 紧急行动 减少有害作用时间 以最快速度完成有害操作 激光焊接法 加温时间短 影响范围小 减少焊接变形热处理 高频或中频电流 加热零件表面 原理22 变有害为有益 机器报废 零件方便拆卸 垃圾分离设备 回收有用物质高压容器灌口密封结构 外侧消弱 内侧加强 原理23 反馈 纠正补偿 反馈系统 有效纠正偏差 保证系统工作正常自行车前轮转向 把延长线在轮子与地面接触点前面 向心力形成回位力矩 原理24 中介物 传递减缓 带 链条 机械传动的中介物 长距离传动复印机布墨粉 玻璃球静电吸墨粉 硒鼓强静电再吸布墨粉到硒鼓上 形成墨粉图像机器安装底座上的减震垫 减少振动对环境的影响大型风机 减震问题 原理25 自服务 自我保护意识 自润滑轴承 自身材料孔隙含润滑剂 随温度应力变化渗出润滑 省略了特别的润滑措施 SF 1通用型钢基无给油自润滑轴承1无油润滑或少油润滑 可在使用时不保养或少保养 2耐磨性能好 摩擦系数小 使用寿命长 3有适量的弹塑性 能将应力分布在较宽的接触面上 提高轴承的承载能力 4静动摩擦系数相近 从而保证机械的工作精度 5能使机械减少振动 降低噪音 防止污染 改善劳动条件 6在运转过程中能形成转移膜 起到保护对磨轴的作用 7对于磨轴的硬度要求低 从而降低了相关零件的加工难度 8薄壁结构 质量轻 可减小机械体积 9钢背面可电镀多种金属 可在腐蚀介质中使用 目前已广泛应用于各种机械的滑动部位 铸铁 润滑性 原理26 复制 替代物 用简单 廉价的复制品代替复杂昂贵的物体虚拟设计 动态虚拟仿真 虚拟装配 干涉检查 虚拟应力分析模拟训练 虚拟现实仿生法 仿生学 人工心脏 机器人 机器动物 原理27 低成本