1第三章原理方案的創新設計2第一章

創新概論第二章創新思維與創造原理第三章原理方案的創新設計第四章機構的創新設計第五章機械結構的創新設計第六章反求工程及創新設計第七章TRIZ理論與創新設計第八章仿生原理與創新設計第九章機械創新設計實例第三章原理方案的創新設計

原理方案的設計從質的方面決定了整個設計的水平，它是實現產品創新和品質飛躍的關鍵。第一節原理方案設計的內容及創造性在設計中的重要作用

構思機械產品的工作原理是機械設計的首要任務。

根據機械預期實現的功能要求，構思出所有可能的功能原理，加以分析比較，并根據使用要求或工藝要求，選擇出既能很好地滿足功能要求，工藝動作又簡單的工作原理。

重要特點多解性，即實現同一功能目標可以采取各種不同的功能原理。3功能原理設計的多方案性電磁傳動原理機械推拉原理流體傳動原理摩擦傳動原理材料變形原理光電原理其它原理常用功能原理4功能原理設計的多方案性將一疊紙張逐一分開重力離心力摩擦推刮粘力靜電氣吹氣吸5

實現同一種功能要求，可以采用不同的工作原理，不同的工作原理，需要不同的工藝動作。切削運動分度運動展成運動切削運動進給運動進給運動展成原理齒輪加工設備仿形原理功能原理設計的多方案性6

工作原理不同，運動方案也不同。齒輪加工展成原理仿形原理7

工作原理相同，運動方案不同。齒輪加工插齒滾齒8

針對同一功能目標，可以構思出完全不同的工作原理方案。由于工作原理不同，產品的工藝動作不同，產品的結構也不相同。在日益激烈的市場競爭中，產品的原理方案設計的創造性往往決定了產品的生命力，其工作原理的先進性常常成為市場競爭最有力的武器。留聲機利用“唱針”與“唱片”摩擦產生振動發聲的工作原理。體積大，音質差，聲音的信息存儲量小。磁帶式錄音機利用電磁效應方便錄放音，聲音信息存儲量大，放音質量得到改善。磁帶易磨損。激光影碟機利用光電效應體積小，重量輕，音質好，可以錄、放音，記錄和播放彩色圖像。

產品的原理方案設計是一個極富創造性的過程。9第二節機械創新設計常用方法創新設計常用部分創新方法方法名稱方法的主要特點方法的主要目的特性列舉法將事物按名詞、形容詞、動詞分解為三方面特性，將每類特性加以改變或延拓化整為零，逐個研究改進希望點列舉法根據社會需求或個人愿望，通過列舉希望來形成創新目標將思維收斂于某“目標”，側重自由聯想，思路更寬缺點列舉法挑事物的毛病，提出改進設想追求完滿，追求卓越智暴法集合3

5人，根據議題自由暢談，不準批評，尋求創意以量求質設問探求法根據多項創造性的提問，進行分項檢核，尋求創意幫助人們廣思，思考方向和目標明確

創造性設計方法是創造者智慧的結晶。10方法名稱方法的主要特點方法的主要目的聯想類比法通過比較，借助原有知識，在異中求同，在同中求異分析兩事物的相同或相似點，由此及彼組合法按一定技術原理，將兩個或多個功能元素合并，形成新產品、新工藝、新材料產生新功能功能分析法緊緊圍繞功能分析、求解、組合尋找方案滿足產品的功能要求是設計的核心綜攝法把初次接觸的事物或發現，聯系到熟悉的事物中，用新眼光變熟悉為陌生，以新觀點、新方式思考問題將毫無關聯、完全不同的知識要素結合起來形成新方案轉向法在求解問題中變換求解因素，采用其他原理、改變思索方向完善計劃、修改方案、修正觀點仿生法模仿人或生物的生理原理、結構、外形、感覺機理向人或生物索取啟迪11方法名稱方法的主要特點方法的主要目的函詢集智法借助反復函求多名專家的書面意見形成創意具有匿名性，便于充分發表看法635法6人參加，每次每人寫3個設想，5分鐘后交換，看過別人的設想后，再修正和補充3個設想…以筆代口，相互激勵，短時間內可產生較多的設想方案設計目錄法通過完備的設計信息庫進行系統搜索有利于計算機輔助自動化設計評價法通過評價尋找弱點加以改進完善尋求最優解決方案價值分析法從經濟效益出發分析和改進方案追求高價值的產品物場分析法任何主體總是通過“場”作用于客體，根據客體尋找合理的“場”和主體使物場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離散，使問題暴露出來，改進后重組便于抓住主要矛盾，尋求特色創意12方法名稱方法的主要特點方法的主要目的形態綜合法對創造對象進行因素分解，列出每個因素的全部形態(手段)，按組合原理形成眾多方案尋找盡可能多的解，從中選優專利利用法利用專利文獻尋求改進、完善設想防止盲目，避免重復勞動移植法把一個對象的原理、方法運用于另一個對象中使已有技術在新領域中延續和拓展黑箱法根據輸入、輸出內容，探求黑箱內部的原理和結構用因果邏輯關系尋求輸入與輸出的最佳聯系方式假擬設計通過計算機模擬或虛擬現實完善設計高效、快速、低成本、高質量優化設計建立研究對象的優化數學模型及目標函數，用計算機對計算結果進行分析、判斷、尋優高效、降低成本、提高質量、適于各種復雜設計反求設計利用現有科技成果引進先進技術，消化吸收后創新吃透原設計，創造更優的設計13

一、智暴法

特點

運用群體創造原理，充分發揮集體創造力來解決問題。

針對一個設計問題，把五六個人召集到一起進行討論，與會者可以敞開思想，暢所欲言，充分表明自己對該問題的意見，供設計者參考和研究。

中心思想

激發每個人的直覺、靈感和想像力，讓大家在和睦、融洽的氣氛中自由思考。

14

二、類比法

特點

運用移植創造原理進行聯想、模擬仿效。

中心思想推陳出新，將某種產品的原理、方法、結構、材料、用途等內容運用到另一種產品中去。

類型

(1)直接類比尋找與所研究的問題有類似之處的其他事物進行比較，從中獲得啟發。15自行車脹閘方案的創新16(2)象征類比用能抽象反映問題的詞或簡練的詞組來類比分析。開任務設計一種開罐頭的新工具打開剝開撕開擰開揭開破開撬開各種設計方案17(3)擬人類比把自己設想為所討論問題中的某個因素，然后從這種處境出發，設身處地來想像，假如我是這個因素會有什么感覺，會采取什么行動。18

三、形態分析法

特點

利用組合創造原理，將舊東西進行新組合來實現創新。因素

構成事物的特性，如產品用途、產品功能等。形態實現相應功能或用途的技術手段。主要工具形態學矩陣步驟

(1)因素分析確定創造對象的構成因素。

(2)形態分析按照分功能，盡可能多地列出滿足功能要求的各種技術手段(即形態)。19(3)方案綜合包括方案形成與方案選優。方案設計的形態學矩陣

方案數為：ak

bl

nm。功能因素技術措施(形態)ab...na1b2b1bkaka2bl

n1nln2nm...

20

舉例

應用形態學矩陣分析法求解挖掘機設計的原理方案

(1)

功能因素分析挖掘機的總功能取運物料其總功能和功能因素的關系為取運物料移位傳動取物料運物料驅動傳動驅動取物料21(2)技術分析挖掘機方案設計的形態學矩陣功能因素技術措施(形態)123456A.動力源電動機汽油機柴油機汽輪機液力馬達氣動馬達B.移位傳動齒輪傳動蝸桿傳動帶傳動鏈傳動液力耦合器C.移位軌道輪胎履帶拖拉D.取物傳動拉桿繩傳動汽缸液壓缸E.取物挖斗抓斗鉗式斗(3)方案綜合總方案數N

6

5

4

4

3

1440

如A3

B5

C3

D4

E1→履帶式挖掘機

A3

B5

C2

D4

E2→液壓輪胎式挖掘機22洗衣機方案設計的形態學矩陣功能因素功能解(形態)1234A.盛裝衣物鋁桶塑料桶玻璃鋼桶陶瓷桶B.分離污物機械摩擦電磁振蕩熱脹超聲波C.控制洗滌人工控制機械定時電腦控制總方案數

N

4

4

3

48

如A1

B1

C1→老式洗衣機

A1

B1

C2→普通型單缸洗衣機

A1

B1

C3→普通型自動洗衣機

A2

B3

C1→熱脹增壓式洗衣機

A1

B2

C2→電磁振蕩洗衣機

A1

B4

C2→超聲波洗衣機23

四、輸入輸出法

特點

用一個抽象的黑箱來描述方案內容。

系統對環境的影響環境對系統的干擾能量物料信息能量物料信息技術系統(黑箱)輸入輸出工程技術系統—黑箱模型邊界24

舉例

構思一種天黑時路燈自動啟動照明裝置。

特征

以輸入、輸出的具體內容為思考的出發點。

構思與評價同時進行。

思考路徑和方向具有雙向性。

路燈自動啟動照明裝置(黑箱)路燈自動啟動照明裝置—黑箱模型天黑了啟動照明約束條件：1.可靠實現開啟功能2.易于大批量生產和制造

25自動啟動照明裝置方案構思

第一層構思第一層構思評價第一層構思評價第二層構思評價第二層構思評價不可靠接通電源啟動照明行人車輛減少氣溫下降光線變暗景象變模糊噪聲減弱天黑了26自動啟動照明裝置方案構思

第二層構思第一層構思評價第一層構思評價第二層構思評價第二層構思評價攝像裝置不可靠光敏元件感光材料曝光裝置噪聲監測儀物態變化不可靠復雜復雜壽命短感溫裝置溫變繼電器溫控電路不可靠不可靠放大電路接通電源啟動照明行人車輛減少氣溫下降光線變暗景象變模糊噪聲減弱天黑了復雜27

五、設問探求法

特點

針對創造目標從各個方面提出一系列有關問題，設計者針對提問進行分析和思考，通過思維的發散和收斂逐一找到問題的理想答案。

檢核表法

(1)現有的發明成果有無更多的用途？或稍加改進后有無新的用途？電阻絲電爐電吹風電烤箱衣服烘干機電熨斗電熱水瓶...鞋子烘干器遠紅外線發生器電熱毯白熾燈紅外線燈28降落傘雨衣雨傘船用纜繩軸承齒輪...風扇鼓風機農藥噴霧器森林滅火機油氣混合器電吹風抽風機...氣墊船用推進器吸塵器抽油煙機直升機旋翼船用螺旋漿尼龍襪子零件29(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？電弧機水泥制品電弧切割機振蕩振蕩壓路機香蕉皮二硫化鉬烏賊噴水船30(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？尼龍扣的發明31(2)有無類似的東西可以借用？可以模仿？鋸子的發明32(3)能否改變一下？如形狀、形式、方法、顏色、聲音或味道等。工件定搓絲板動搓絲板33彩色氧化鋁氧化發黑鍍鉻34(4)能否增加什么？如擴大使用范圍、增加功能、延長壽命、添加部件、提高強度、加倍、加長、加高、加大等。

舉例防彈玻璃、鋁合金型材、潤滑添加劑、電視幕墻、大屏幕電視機、大型太空望遠鏡、大功率激光器、大型飛機等。

(5)能否減少一點？能否省略一部分？能否微型化？能否濃縮？能否分割？能否再小點、再輕點、再短點、再低點、再薄點？

舉例袖珍收錄機、折疊傘、筆記本電腦、可視手機、甲殼蟲式小轎車、超薄電腦顯示屏、計算機功能鍵、重撥鍵等。

35(6)能否取而代之？采用其他工藝、其他元件、其他動力、其他配方、其他材料。

舉例人造大理石、人造絲、表面活性劑、液壓傳動、水壓軸承、空氣軸承、數據存儲卡等。

(7)能否改變？改變元件或型號、改變順序或結構、改變配方或方案。

舉例

飛機螺旋漿、汽車喇叭按鈕、計算機鍵盤、自行車制動器、二氧化碳溶劑、噴氣織機、浮法生產玻璃等。(8)能否顛倒？如上下顛倒、正負顛倒、里外顛倒、工藝方法顛倒等。

舉例發電機、注水開采原油、單向透光玻璃、化學電池等。36(9)能否組合？如方案組合、目標組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應用37(9)能否組合？如方案組合、目標組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應用38(9)能否組合？如方案組合、目標組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應用39(9)能否組合？如方案組合、目標組合、部件組合、材料組合等。超聲波的應用40(9)能否組合？如方案組合、目標組合、部件組合、材料組合等。41

六、功能分析法

功能是產品的本質任何一種產品在保證實現功能的前提下，可以采用任何原理、任何形式。

特點

把對產品具體結構的思考轉化為對產品功能的思考，尋求一切能滿足產品功能要求的工作原理，探索滿足這些工作原理的技術裝置—功能載體。

方法將機械產品的總功能分解成若干功能元，求解功能元，將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案供評價選擇。42功能分析法的步驟和各階段應用的主要方法總功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明確任務黑箱法功能樹創造技法功能－技術矩陣各種評價方法功能元分析綜合評價決策抽象分解搜索組合收斂43(一)功能的定義及其分類

1.定義

功能

對某一產品或技術系統的用途和特定工作能力的抽象化描述。每一件產品均具有不同的功能，對于機械產品，使用者購買的主要是其使用功能。黑箱(污)衣物能量(凈)衣物污物洗衣機的功能分析黑箱液體能量壓力液體增壓泵的功能分析44

定義一種功能的最簡明語句就是用一個動詞加上一個名詞，分別作為謂語和賓語，具有該功能的單元(系統或實體)用一名詞主語表征，組成“主＋謂＋賓”結構。產品功能名詞（主語）動詞（謂語）名詞（賓語）鐘表千斤頂平口鉗干電池鉆床載重汽車手電筒指示頂起夾緊貯存加工運輸提供時間重物工件電能孔貨物照明產品功能定義示例45

2.功能的分類產品或技術系統的功能按性質、用途、重要程度等作如下分類：

(1)基本功能與輔助功能基本功能是產品所具有的用以滿足用戶某種需求的效能。輔助功能是與基本功能并存的、次要的、附帶的功能。

基本功能舉例車床—車削工件、手表—指示時間、空調—制冷與制熱(調節室溫)、加工中心—車、銑、鉆、鏜、攻絲等(切削加工)

46

輔助功能舉例日歷表的日歷顯示、自行車后面的書包架、轎車內的音響與空調、電視機的遙控裝置。

(2)目的功能與手段功能任一功能的存在都有一定的目的，任何功能的實現都通過一定的手段。任何功能都具有目的功能與手段功能兩種性質。目的功能可稱為上位功能、手段功能可稱為下位功能。47洗衣機的目的功能與手段功能清洗功能沖洗污垢產生扭矩形成渦流輸出動力驅動滾筒上位

系統的目的功能滾筒電動機減速器下位

系統的手段功能48(3)使用功能與表觀功能使用功能是指產品的實際使用價值。表觀功能是在使用功能基礎上，對產品起美化、裝飾的功能。(4)

必要功能和不必要功能必要功能是用戶所需要的功能，包括基本功能與輔助功能。

49

不必要功能是用戶實際并不需要的功能，產品設計中不必要的或過剩的功能表現在以下幾個方面：

不適當地加大安全系數；

采用的公差、粗糙度超過產品的實際要求；

使用了超過功能要求的材料或元件；

追求產品過長的使用壽命；

具有不相稱的表觀功能，如價廉物美的產品采用豪華的包裝；在看不見的部位施以裝飾鍍層等；

不易損壞的產品而備有很多備用件等。設計中應該重點保證基本功能，兼顧輔助功能，同時考慮使用和表觀功能，去除不必要功能。50(二)功能分解系統總功能功能元

一級分功能二級分功能

功能元

能完成一項或一方面功能的作用單元，它可以是各種層次的功能子系統，并且通常和機械結構中的總成、部件、元器件等概念相對應。功能元也可以是一些最基本的、沒有必要再作細分的基本功能單元。

舉例螺釘—具有聯接功能的技術系統，由螺釘頭、螺桿和螺紋3個基本功能元組成。功能分析的過程，就是將系統的總功能分解為子系統功能和基本單元功能的過程。功能分解可用樹狀結構圖表示，稱為功能樹。功能樹起于總功能，分為一級功能、二級功能，直至能直接求解的功能元。51支承自支承支承物支承人轉移人和物在陸地上的位置安全報警制動防盜光報警聲報警傳動變速轉向驅動夾緊物定位物移位控制陸地運輸工具功能樹示例52

(三)功能元求解

將總功能分解成一系列分功能(功能元)之后，可以確定實現功能元的功能載體(原理方案)。關鍵在科學原理的基礎上尋找盡可能多的功能載體。

構思重點同一種功能，可用(選用或創造)不同的技術過程來實現；選用不同的運動規律，對應不同的功能；同一種功能，可選用不同的工作原理、不同的機構滿足功能要求；同一種工作原理，可選用、創造不同的機構及機構組合來實現；將求得的分功能(或功能元)的原理解按照功能結構組合成總功能原理解；在多個可行總功能原理解中確定出最佳原理方案。53

功能元類型數學功能元、物理功能元和邏輯功能元。

數學功能元反映數學的基本動作，如：加和減、乘和除、乘方和開方，微分和積分等。數學功能元主要用于機械式的加減機構和除法機構，如差動輪系；控制系統，如用脈沖計數裝置控制動作幅度等等。

物理功能元主要是反映系統中物理量轉化的基本動作，其中常用的5種為：

(1)變換—復原包括各種類型能量之間的轉變、運動形式的轉變、材料性質的轉變、物態的轉變及信號種類的轉變等。(2)放大—縮小指各種能量、信號向量(“力、速度”等)或物理量的放大及縮小，以及物料性質的縮放，如壓敏材料電阻隨外壓力的變化。

54

(3)聯接—分離包括能量、物料、信號同質或不同質數量上的結合。除物料之間的合并、分離外，流體與能量結合成壓力流體(泵)的功能也屬此范圍。

(4)傳導—絕緣反映能量、物料、信號的位置變化。傳導包括單向傳導、變向傳導，絕緣包括離合器、開關閥門等。(5)貯存—提取體現一定時間范圍內保存的功能。如飛輪、彈簧、電池、電容器等，反映能量的貯存；錄音帶、磁鼓反映聲音、信號的貯存。物理功能元通過物理效應實現其解答。機械、儀器中常用的物理效應有：力學、液氣、電力、磁力、光學、熱力、核效應等。55

邏輯功能元包括“與”、“或”、“非”三元的邏輯動作，主要用于控制功能，可以采用機械、電子、電器、液壓、氣動等元件組成邏輯動作。56

功能元求解步驟

(1)選擇工作原理

應注意發散思維，機械產品的設計不應局限于機械學的范圍，電子學、磁學、光學、熱學、仿生學等科學原理都應在考慮之列。舉例應用磁學、電子學工作原理的磁力軸承，代替應用摩擦學、流體力學工作原理的液壓軸承；應用電子學、信息學工作原理的帶編碼器的伺服電機，代替應用電工學、機械學工作原理的帶交流電動機的齒輪軸系；應用光學工作原理的激光器代替應用機械學工作原理的切削機床對高硬度材料的加工；應用電子學工作原理的電子計時表代替應用機械學工作原理的機械計時表等等。57(2)構思功能載體

1)檢索在各種設計目錄、信息庫、手冊等設計工具中進行檢索，尋求最優功能載體。

2)集成把不同特性、功能、技法等綜合集成，產生創新功能載體。例如：耐拉纖維和耐高溫陶瓷有機綜合成為高強度陶瓷；具有收音、計時、記憶、報警等多種功能的收音機。

3)縮放由于材料、集成電路及其工藝的發展，機器人已經可以縮小到從血管進入心臟完成手術。相反的例子有放大到數百平方米的電視屏幕。

4)變換電動機的部分矽鋼片變換為永磁材料，產生了響應特性大大提高的控制電動機。彈簧質量系統變換為壓電晶體、電阻絲變換為半導體等。58

功能元求解工具

1.物理效應現象庫要求的作用、性質物理現象、效應、因素、方式機械能和熱能的蓄積彈性變形、陀螺效應、相變、化學反應能能量傳輸形變、振動、波動、輻射、熱導、半導體溫差電效應、對流、光反射、感應輻射、電磁感應、超導、化學反應能攪拌混合物形成溶液超聲波、空隙現象、擴散、電場、與強磁物質的配合、磁場、電泳分離混合物電—磁分離、電磁作用下液體分選劑的視在密度的變化、離心力、吸收、擴散、滲透592.功能—載體詞典伸縮雙折脹縮屈伸張收曲折折尺百頁門手風琴扇子雙連梯卷尺軌道三角架拉桿天線氣球上下滑動分規圓形折疊傘水平滑動603.設計目錄運動形式變換基本機構其他機構輸入運動輸出運動連續回轉連續回轉變向平行軸同向

圓柱齒輪機構(內嚙合)帶傳動機構鏈傳動機構雙曲柄機構轉動導桿機構反向

圓柱齒輪機構(外嚙合)圓柱摩擦輪機構交叉帶傳動機構反平行四邊形機構相交軸錐齒輪機構圓錐摩擦輪機構交錯軸

蝸桿機構交錯軸斜齒輪機構雙曲柱面摩擦輪機構半交叉帶傳動機構機械運動形式變化解法目錄61運動形式變換基本機構其他機構輸入運動輸出運動連續回轉連續回轉變速減速增速齒輪機構蝸桿機構帶傳動機構鏈傳動機構摩擦輪機構繩、線傳動機構變速齒輪機構無級變速機構塔輪帶傳動機構塔輪鏈傳動機構間歇回轉槽輪機構不完全齒輪機構擺動無急回性質擺動從動件凸輪機構曲柄搖桿機構(K=1)有急回性質曲柄搖桿機構擺動導桿機構擺動從動件凸輪機構62運動形式變換基本機構其他機構輸入運動輸出運動連續回轉移動連續移動螺旋機構齒輪齒條機構帶、繩、鏈傳動機構中的撓性件往復移動無急回對心曲柄滑塊機構移動從動件凸輪機構正弦機構不完全齒輪齒條機構有急回偏置曲柄滑塊機構移動從動件凸輪機構間歇移動不完全齒輪齒條機構移動從動件凸輪機構平面復雜運動特定運動軌跡連桿機構(連桿運動)連桿上特定點的運動軌跡63運動形式變換基本機構其他機構輸入運動輸出運動擺動擺動

雙搖桿機構摩擦輪機構齒輪機構移動

搖桿滑塊機構搖塊機構齒輪齒條機構間歇回轉棘輪機構64機構舉例機構舉例外嚙合直齒圓柱齒輪機構擺動導桿機構

錐齒輪機構蝸桿蝸輪機構凸輪機構雙曲柄機構槽輪機構帶傳動機構曲柄搖桿機構不完全齒輪機構曲柄滑塊機構連桿上特定點的運動軌跡雙搖桿機構棘輪機構65(四)系統原理解

目的將求得的功能元解按照功能結構合理組合，形成多個系統總功能原理解，即得到多個原理設計方案

工具形態學矩陣

注意一般來說，由形態學矩陣組成的原理設計方案數很大，難于直接進行優選。通常根據以下原則形成少數整體方案，供評價決策使用。

各功能元的解應具有相容性。

優先選用具有先進性、合理性和經濟性的解。

剔除不滿足設計要求和約束條件的解或不滿意的解。系統原理解66

舉例

設計某化工廠用雙桿攪拌機。解

1.功能分析雙桿同擺降速雙桿攪拌回轉擺動67功能因素功能載體1234A降速齒輪傳動

帶傳動鏈傳動摩擦傳動B回轉→擺動曲柄搖桿機構

擺動導桿機構擺動從動件凸輪機構C雙桿同擺平行四邊形機構擺動從動件對稱凸輪機構2.

組成功能元形態學矩陣

系統總功能原理解(原理設計方案)數N

4

3

2

24

選用方案

A1B3C2A3B1

C168第一種方案第二種方案雙桿攪拌器原理方案69

舉例

廢水泵設計

1.明確設計任務

(1)需求分析與調研河道污染已成為嚴重公害，因此有必要將工廠、家庭的污水引到集水池，再由廢水泵送給凈化裝置。根據市場分析，需要下列范圍工作的泵：流量10

70Ls

壓力升高0.52.5MPa

市場需求約600臺年在用戶訪問中，人們指出舊有產品有堵塞的可能，要求新產品工作可靠性高，噪聲小和避免氣味擴散。70(2)確定任務開發書根據市場分析得知銷售前景最好的產品規格，由此確定開發任務書。按標準數系列開發能覆蓋全部使用范圍的廢水泵系列產品，銷售前景最好泵規格為：流量40Ls

壓力升高1.6MPa

期望銷售200臺年首先按上列參數開發和試制一臺初型泵。制造初型泵不用專門的工藝裝備。材料、加工和試驗費應分別統計。初型泵完成日期為年月。71(3)明確任務要求設計任務書不僅包括需要解決問題的梗概，還需要與廢水處理專家、衛生專業人員、地下水道專業人員研究，明確有關邊界條件。廢水流量不規則，變化很大，應先將廢水引入集水池，當池中水位達到允許的最高水位時，才需泵出水。因此要有泵自動停啟的措施。此外，還應考慮斷電時的應急措施，提高運轉可靠性，并且要可靠地防止堵塞，保證噪聲低，且適用于酸性廢水。廢水集水池泵測量裝置驅動廢水泵基本原理圖72(4)擬定設計要求表(略)2.功能分析泵送廢水為不規則的斷續過程，為保證泵送過程自動進行，應具有下列分功能。

1)水位測量在達到規定水位時發出信號。2)過程控制根據信號控制能量轉換裝置的運行與停止。3)能量轉換將向系統輸入能量轉換為可以直接作用于壓差產生裝置的能量。4)產生壓差使廢水增加能量引出集水池。73

將能量流、物料流、信息流分別考慮，按邏輯關系繪制功能結構圖。廢水泵功能結構圖

1

水位測量4產生壓差2過程控制3能量轉換信號狀態(進)廢水能量廢水狀態(出)743.確定主要分功能的解法原理主要分功能“產生壓差”的解決是確定整體方案的關鍵。排擠原理其他式旋轉式容積式振蕩式例如柱塞浸入式例如偏心蝸桿式例如旋轉活塞式

“產生壓差”的解法原理75流體力學原理其他式軸向式徑向式半徑向式封閉式或半開式離心式泵輪

“產生壓差”的解法原理76其他原理旋流混合式注射流例如蝸輪流例如水射流例如水環式

“產生壓差”的解法原理77分析

(1)排擠原理容積式泵，對異物尤其是纖維性異物很敏感，不適用。(2)流體力學原理離心泵，在半開式或封閉式的泵輪中，葉片進口處有沉積異物的危險，會導致不平衡，甚至堵塞整個通道。單通道泵是離心泵的一種變形，泵輪無葉片，只有一條呈螺旋形卷曲的通道，不易堵塞，但較昂貴。(3)其他原理主要有渦流泵與射流泵。渦流泵通常采用帶徑向葉片的半開式轉輪，在一個大截面環形空間中旋轉，產生強大的渦流而起泵送作用，僅有一部分流體流經轉子，異物很少能沉積于其上，流通截面大，堵塞危險極小。雖效率低，但裝置功率小，作業率低，與其他泵相比，優點較多，宜于采用。78

4.其他分功能求解其他三項分功能可以直接由資料、手冊進行檢索或根據經驗選擇功能載體。利用成批生產的零、部件，可以節省設計時間，降低制造成本，保證產品性能。79分功能解決方案的原理和組成元件1水位測量

浮子聯通器流量計測壓器2過程控制轉速調節器控制閥滑閥開關3能量變換

風車電動機液壓馬達氣動馬達內燃機4產生壓差

離心泵離心泵渦流泵單通道泵射流泵(半開式)(封閉式)廢水泵形態學矩陣5.組合分功能解以實現總功能

原理方案數：N

4

4

5

5

400

刪去不合適的解法后，N

2

2

2

3

24

進一步選擇相容的分功能，并根據實際經驗，確定三個原理方案。80

分析

1)原理方案I(實線)借助浮子測量集水池中的水位，輸出電信號，用開關控制電機停啟，驅動渦流泵產生壓差送污水。

2)原理方案II(虛線)用測壓器測水位，輸出信號，用開關控制內燃機開停，驅動單通道泵產生壓差泵送廢水。

3)原理方案III(點畫線)用浮子按水位推動閥門控制有一定液壓能的水流(如自來水)，利用噴嘴效應(負壓)抽吸廢水與自來水一同射出。

經過初步評價選擇，確定方案I為進一步設計的基礎。本例的主要分功能載體是通過選用現有泵來完成的。也可以根據需要，從工作原理出發，開發專用新產品。81

機電一體化是融合機械技術、電子技術、信息技術等多種技術為一體的新興學科，其實質是機械技術的創新。第三節機電一體化系統的創新設計普通電動機減速機構執行機構負載變速機構減速機構執行機構負載減速機構執行機構負載負載電子調速系統調速電動機伺服控制系統伺服電動機伺服控制系統直接驅動電動機82

一、機電一體化技術的發展對機械設計的創新

1.增加了機械產品的功能

實現產品的高性能和多功能—數控機床、數控加工中心、汽車電子自動變速器、電子點火裝置、全自動洗衣機等。

開創機械產品新的應用領域—傳真機、復印機、激光打印機、繪圖機、激光照排系統、自動探傷儀、工業機器人、自動售貨機等。

2.結構更簡單例如電腦縫紉機比傳統的機械縫紉機的零件減少約350個。

3.加工精度更高安裝感應同步器數控顯示設備后，大型銑、鏜床的加工精度從0.06m1000mm提高到0.02m1000mm。834.使工藝過程柔性化只需要改變計算機程序就能迅速地改變設備的加工步驟和工藝流程，從而能迅速適應市場對產品的多方面要求。

5.操作、維修更方便可以通過程序控制實現和調整機械系統的運動規律、工藝過程、工藝參數，改變機械系統的工作方式和運動過程。二、機電一體化產品的創新設計方法

機電一體化系統的最基本特征具有計算機信息處理與控制系統。84控制器(MC、PC、CNC)接口(智能、信息)接口(機械)執行元件執行機構機械結構傳感器(位置檢測)接口(信息)接口(信息)接口(物理)傳感器(環境檢測)接口(機械)接口(機械)接口(物理)動力源機電一體化系統組成結構示意圖85典型機電一體化系統—工業機器人焊接作業86典型機電一體化系統—工業機器人清洗作業87典型機電一體化系統—工業機器人裝配作業88典型機電一體化系統—工業機器人搬運作業89BigDog90BigDog91PetMan92PetMan93PetMan94

機電一體化產品方案創新設計的三種方法

(1)機電互補法利用通用或專用電子部件取代傳統機械產品中復雜的機械部件或某些功能子系統。

舉例用PLC或MC取代機械式變速器、凸輪機構、離合器等傳動機構，或取代插銷板、撥碼盤、步進開關、時間繼電器等控制機構。

(2)結合法將組成產品的機、電部分創造性地結合在一起，使之融合為一體，成為一個專用或通用的功能部件。

舉例

激光打印機中的激光掃描鏡，將電動機的轉軸與掃描鏡的轉軸完全融合為一體形成一個專用產品。

95

(3)組合法采用組合創造原理將結合法制成的功能部件子系統、功能模塊組合在一起，形成一個機電一體化產品。

舉例將伺服電機軸與傳動機構、編碼器、檢測控制元件和控制電路板組成機器人關節運動功能部件。

機電一體化產品方案創新設計的三種方法96第四節方案評價方法

為了獲得技術上可行、性能上先進、經濟上合理，能可靠實現用戶要求的新方案、新產品，必須對創造出的各種方案進行評價。一、評價目標評價目標(評價準則)是評價的依據。

技術評價目標評價方案在技術上的可行性和先進性，包括工作性能指標、可靠性、使用維護性等。

經濟評價目標評價方案的經濟效益，包括成本、利潤、實施方案的措施費用以及投資回收期等。

社會評價目標評價方案實施后對社會帶來的效益和影響，包括是否符合國家科技發展的政策和規定，是否有益于改善環境，是否有利于資源開發和新能源的利用等。97

評價標準定性指標(如美觀程度、舒適性等)

定量指標(如成本、重量、產量等)

評價指標可以是單個的，也可以是多個的。

評價目標系統的建立評價目標系統常用評價目標樹來表達，根據系統可以分解的原則，把總評價目標分解為一級、二級等子目標。98Z22Z21Z12Z11ZZ1Z2總目標二級子目標一級子目標三級子目標Z111Z112Z122Z121Z212Z211Z213評價目標樹

最后一級的子目標即為總目標的各具體評價目標(評價標準)。建立評價目標樹是將產品的總目標具體化，使之便于定性或定量評價。定量評價時應根據各目標的重要程度設置加權系數(重要性系數)。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總目標一級子目標二級子目標三級子目標g10.09g20.25g30.16g40.09g50.04g60.04g70.08g80.25目標樹與加權系數100

Z111左邊的0.67表示Z11的兩個子目標Z111和Z112中Z111的重要性系數。如Z111和Z112的重要性系數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總目標一級子目標二級子目標三級子目標101

右邊的數字表示該子目標在整個目標樹中所具有的重要程度，等于該目標以上各級子目標重要性系數的乘積，如Z1112的重要性系數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總目標一級子目標二級子目標三級子目標102

對目標系統進行評價時，使用最末一級子目標的重要性系數，用gi表示，并有

二、評價方法最常用的評價方法包括評分法、技術經濟法、模糊評價法和最優化方法。(1)評分法用分值作為衡量方案優劣的尺度，如有多個評價目標，則先分別對各目標進行評分，再經過處理求得方案的總分。方案評分可采用5分制或10分制，“理想狀態”取為最高分，“不能用”取為0分。當設計方案的具體化程度較低，有些特征尚不清楚時，建議采用5分制評分標準；當設計方案較具體，特征較明顯時，建議采用10分制評分標準。103

舉例用加權記分法(有效值法)對某種手表的三種設計方案進行評價。解(1)根據設計要求建立評價目標樹手表11防磁0.080.05成本

0.20.2外觀

0.20.2性能

0.60.6手表設計方案評價目標樹夜光0.080.05防震

0.170.1防水

0.170.1記時0.50.3104(2)評分及計算總分

1)確定評價目標，建立評價目標矩陣為

Z

z1

z2

z3z4

z5

z6

z7

記時準確防水防磁防震夜光外觀美成本低

2)確定各評價目標加權系數G=g1

g2

g3

g4

g5

g6

g70.30.10.050.10.050.20.23)

確定記分方法及標準(10分制)012345……10

不能用缺陷較差勉強可用基本滿意……理想105

4)

根據各評價目標評分結果，寫出評價目標評分值矩陣1090787737778878299098891成本低外觀美夜光防震防磁防水記時準確

評價目標方案某手表評分結果106

5)

求加權分值矩陣，計算各方案分值6)

評選最佳方案NT

N1

N2

N38.47.457.7R1

R3

R2

方案1為最佳方案。107(2)技術經濟評價法將總目標分為技術子目標和經濟子目標，求出相應的技術價Wt和經濟價We，然后按照一定方法進行綜合，求出總價值W0。諸方案中W0最高者為最優方案。技術評價的目的是根據目標樹計算確定各目標的重要性系數gi，然后計算技術價wi—子目標i的評分值；wmax—最高分值(10分制為10分，5分制為5分)。在一般情況下，Wt

0.8，則方案的技術性能很好；Wt

為0.7左右，則方案良好；Wt

0.6則方案不能令人滿意，需要改進。108

經濟評價是根據理想的制造成本和實際制造成本求得方案的經濟價H—實際制造成本；H1—理想制造成本；H2—設計任務書允許的制造成本。經濟價We越高，表明方案的經濟性越好，一般取可接受的經濟價We0.7，最理想的經濟價為1。技術經濟總價值計算直線法拋物線法W0值越大，方案的技術經濟綜合性能越好，一般取可接受的W00.65。1090S

連線的關系線Wt

We稱為“開發線”。越接近S

的方案，其綜合技術經濟性能越好。1.00.8Wei0.70.20.400.20.40.6Wti

0.81.0經濟價We技術價Wt開發線許用區理想優度S

(最優設計方案)Si優度圖110

(3)模糊評價法利用集合論和模糊數學將模糊信息數值化，再進行定量評價的方法。模糊評價的標準是方案對某些評價概念(優、良、差)的隸屬度的高低。隸屬度可以采用統計法和已知隸屬函數求得。如評價某種自行車的外觀，通過用戶調查，其中30%認為很好，55%認為好，13%認為不太好，2%認為不好，