第五章 创新设计研究报告.ppt

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。;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。 ;系统工程学用“黑箱法”研究分析问题。;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??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。 ;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