机械系统方案的创新设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,一、机械系统的概念,由若干机械装置组成的一个特定系统称为机械系统。,机械系统可能是一台,机器,，如机床、塑料挤出机、纺织机等，系统中主要包含有能量的转化，运动形式的转换等；也可能是一台,设备,，如化工容器、反应塔、变压器等，系统中主要包含有能量、物料形态与性质的转变等；还可能是一台,仪器,，如应变仪、流量计、振动试验台等，主要包含了信息与信号的变换。,不管系统以什么形式体现，它都不是一个空泛的概念，而是一个实体，是,以产品形式体现,的。,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,一、机械系统的概念（续）,1,机械系统的组成,现代机械种类繁多，结构也越来越复杂，但从实现系统功能的角度出发，一般机械系统由动力部分、传动部分、执行部分和控制部分四部分组成。,动力部分,控制部分,传动部分,执行部分,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,一、机械系统的概念（续）,2,机械系统的相关性,每个系统一般都由若干个子系统组成，子系统又由各种元件与操作构成。,系统中的各子系统之间互相影响，互相关联，同时各子系统也影响着系统，而系统又受超系统的制约。,超系统,可以理解是系统的环境，系统得以存在的条件。这种各子系统之间，系统与子系统之间，以及系统与超系统之间相互关联的性质称为,系统的相关性,。,进行创新设计时要考虑这种相关性的问题，合理的利用关系，使得设计方向有利于系统的发展，而不是造成更大的制约。,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,一、机械系统的概念（续）,3,机械系统的进化性,在进行产品研发决策时，要分析当前产品的技术水平，预测进化方向，确定产品发展的阶段。,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,二、机械系统设计的内容,（,1,）产品规划阶段,（,2,）方案设计阶段,（,3,）技术设计阶段,（,4,）施工设计阶段,机械系统的设计不论是在,S,形曲线的各拐点位置，还是处于开发下一代产品交替的位置，以及开发一种全新的产品，一般都须经历下列四个阶段：,第四章 机械系统方案的创新设计,第一节 概述,三、方案设计的创新,方案设计的主要工作有功能综合、原理综合和构型综合。功能、原理、构型综合都没有一个统一的规律可遵循，其方案解是发散的。,例如洗衣机的主要功能可以抽象的描述为,分离,，即污物与衣物的分离。探索实现这一功能解的过程就是明确效应，确定其,工作原理,。一旦确定了工作原理，就要按照工作原理寻求相应的工艺动作。其中,每一步骤,都存在多个解，每个解都是创新的产物。,第四章 机械系统方案的创新设计,任务,功能综合,功能分析,功能分解,功能分类,原理综合,创新技法,冲突矩阵,解法目录,资源利用,确定方案,方案评价,构形综合,机构构形,结构构形,第一节 概述,三、方案设计的创新（续）,方案设计的过程是发散,收敛的过程，是创新的过程。,其设计过程如框图所示。,第四章 机械系统方案的创新设计,第二节功能综合,功能综合是指将口头提出的任务形成技术系统的目的或要求。,其主要工作是功能的分析与功能的分解，并判断与功能相对应的效应，为下一步寻求实现功能的工作原理打下基础。,另外为了更方便地进行功能的分析与分解，还对机械系统中常需要实现的各种功能进行分类。,一、功能分析,功能分析就是对系统要达到结果,(,输出,),的描述，并不说明如何达到这个结果。,功能分析可以采用,黑箱法,。,第四章 机械系统方案的创新设计,一、功能分析（续）,技术系 统,机器设备仪 器,输入接口,输出接口,能量,物料,能量,信号,物料,信号,黑箱法描述未知系统,净衣系 统,电能,接通,净衣物,脏衣物,污物,切断,照明系 统,电能,接通,信号,光能,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,二、功能分类,功能分类就是将系统中输入与输出的三要素操作具体化，这将有利于功能的分析，也有利于原理的综合与构型的综合。,1,按机械系统的组成进行功能分类,为系统提供能量或动力，它接受测控部分发出的指令，执行驱动部分工作。其功能载体为各种类型原动机。如电动机、内燃机等。,（,1,）驱动功能,（,2,）传动功能,传递驱动和执行部分之间的运动和动力。包括运动形式、性质、方向、大小的变换。其功能载体可以是机械式、液压气动式或电磁式等。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,二、功能分类（续）,1,按机械系统的组成进行功能分类（续）,（,3,）执行功能,实现和完成产品的最终功能。简单系统可用简单的构件实现特定的动作；复杂的系统有多个执行功能，各动作需要协调与配合。,（,4,）控制功能,包括检测、传感与控制。它把系统工作过程中各种参数和工作状况检测出来，变换成可测定和可控制的物理量，传送到信息处理部分，并发出对各部分的工作指令和控制信号。,第二节功能综合,二、功能分类（续）,2,按三要素变换的物理作用进行分类,为了有利于开拓与创新，常把机器、设备、仪器中的复杂过程，即功能归结为物理的基本作用类型。,凡是引起能量、物料或信号特性发生变化的活动都应称为转变或复原。它具有,类型,的特征。,（）转变,复原,（）放大,缩小,一切使物理量放大或缩小的活动都称为放大或缩小。它具有,大小,的特征。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,二、功能分类（续）,2,按三要素变换的物理作用进行分类（续）,（）混合,分离,凡是根据不同的物理特性参量,(,密度、原子量、波长、频率、几何形状等,),使两个或几个混合在一起的流分离开，或者使已经分开的流混合在一起的活动都应称为分离,混合。或者使能量和物料、能量和信号、物料和信号混合和分离的过程也称为混合,分离。它具有,数量,的特征。,（）接合,分开,用来把体现能量的物理量,(,如功率、力、位移等,),合成,(,相加,),，或者分解成几个分量的过程；以及用来产生或取消相同或不同物料间结合力的活动都可归纳为接合,分开。它具有,位置,的特征。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,二、功能分类（续）,2,按三要素变换的物理作用进行分类（续）,（）存储,取出,把能量、物料、信号存放起来，或从存贮器中取出来的活动称为存储,取出。它具有,数量、位置、时间,的特征。,（）传导,中断,是指能量、物料、信号通过电流、光纤、管道、机构等进行传输或断开的活动。它具有,位置与时间,的特征。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,3,机构能实现的基本功能,二、功能分类（续）,变换运动的形式,运动形式主要有转动、单双向移动、单双向摆动以及间歇运动等。,变换运动的速度,即减速、增速、变速或调速等。,变换运动的方向,主要指转动件的两轴线可平行、相交、空间交错；对于空间连杆机构与空间凸轮机构可在运动空间实现任意方向运动的变换。,进行运动的合成与分解,两个自由度的机构以及各种差速机构。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,3,机构能实现的基本功能（续）,二、功能分类（续）,对运动进行操纵与控制,主要指各种离合装置、操纵装置。,实现给定的运动轨迹,机构中的浮动构件可实现各种轨迹要求。如连杆机构中的连杆；行星齿轮机构中的行星齿轮以及挠性件传动机构中的挠性构件等。,实现给定的运动位置,指两个连架杆的对应位置，以及浮动构件的导引位置。,实现某些特殊功能,有增力、增程、微动、急回、夹紧、定位和自锁等。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,三、功能分解,一个系统的总功能是该系统中各子系统乃至各个元件共同完成的。各子系统分担各自的分功能、子功能，乃至功能元。各分功能的类型不完全相同，它们之间有联系，也有区别。为了更方便地求得功能解，即确定实现功能的工作原理，需要将系统的总功能进行分解。,功能分解图的结构形状有树状结构，称为功能树；也有串联结构、并联结构以及环形结构。,如图所示,。,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,F1,F12,F11,F121,F122,F1,F2,F11,F1,F2,F11,并联结构,环状结构,F1,F2,F3,树状结构,串联结构,通过以上分解，就可将任务书给出的总功能划分为已知的分功能或基本功能，并把分功能或基本功能逻辑地联接起来，从而产生所要求的整个系统的因果关系。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、功能分解（续）,包装纸,包装机,化妆品,电能,信号,袋装化妆品,数量信号,包装纸,走纸,截断纸,化妆品,输送,截流,装袋,输送并记数,电能,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,三、功能分解（续）,齿轮减速器,输入,传动,支撑,联接,输出,齿轮,润滑,箱体,轴,轴承,端盖,密封,联轴器,联轴器,键,销钉,螺钉,减速器功能结构图,第二节功能综合,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,功能综合后，对基本功能求解过程就是工作原理的综合。,发明问题的解决理论,TRIZ,理论、建立原理解法目录、资源的分析与利用,TRIZ为俄文字母对应的拉丁字母缩写，含义为发明问题的解决理论，也有人将其译为技术冲突的解决原理。,TRIZ理论认为发明问题的核心是解决冲突，在设计过程中，不断发现冲突，利用发明原理解决冲突，才能获得理想的产品。,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,一、,TRIZ,理论概述,阿奇舒勒(GSAltshuller) 在研究和整理世界各国高水平的发明专利过程中，发现任何领域的产品改进、技术变革与创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、消亡的过程，是有规律可循的。,结论：许多技术问题可以利用解决其它领域中相似问题的原理和方法轻而易举地得到解决。,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,一、,TRIZ,理论概述（续）,（一）产品设计所面临的问题,人们进行机械产品设计通常面临两类需要解决的问题：一类是知道一般的解决方法（常规问题），一类是不知道解决方法（发明问题）。,GSAhshuller认为，解决发明问题过程中所寻求的科学原理和法则是客观存在的。,TRIZ更加易于操作、系统化、流程化，不过多地依赖设计者的灵感、个人知识以及经验进行创新。,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,一、,TRIZ,理论概述（续）,（二）发明的级别与TRIZ理论的前提,1发明的级别,发明级别与知识的关系,级别,发明程度,解决方法,(,),知识来源,考虑的问题,1,方法明显,32,个人知识,10,2,小的改进,45,公司知识,100,3,大的改进,18,行业知识,1000,4,新概念,4,行业以外知识,10000,5,新发现,1,所有的知识,100000,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,一、,TRIZ,理论概述（续）,（二）发明的级别与应用前提概述（续）,2TRIZ的理论前提,1),产品或技术系统的进化有规律可循。,2),生产实践中遇到的工程冲突重复出现。,3),彻底解决工程冲突的发明原理容易掌握。,4),其他领域的科学原理可解决本领域技术问题。,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,一、,TRIZ,理论概述（续）,（三）,TRIZ解决发明问题的方法,TRIZ,的核心是技术系统进化原理及冲突解决原理，并建立了基于知识消除冲突的逻辑方法，用通用解的方法解决特殊问题或冲突。这些原理和方法包括,技术系统进化法则、发明原理、发明问题解决算法,等。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则,第三节,TRIZ,理论与创新设计,1技术系统,技术系统由多个子系统组成，并通过子系统间的相互作用实现一定的功能，简称为系统。子系统本身也是系统，是由元件和操作构成的。系统的更高级系统称为超系统。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,2,产品的进化分析,婴儿期,成长期,成熟期,衰退期,性能,时间,S,S,S,1,n,2,时间,功能潜力,用于表示产品从诞生到退出市场这样一个生命周期的基本发展过程，称为产品进化曲线。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则,（1）完备性法则,要实现某项功能，一个完整的技术系统必须包含以下四个部件：动力装置、传输装置、执行装置和控制装置。,完备性法则有助于确定实现所需技术功能的方法并节约资源，利用它可对效率低下的技术系统进行简化。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（2）能量传递法则,技术系统要实现其功能，必须保证能量能够从能量源流向技术系统的所有元件。,技术系统的进化应该沿着使能量流动路径缩短的方向发展，以减少能量损失。,能量传递法则有助于减少技术系统的能量损失，保证其在特定阶段提供最大效率。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（3）动态进化法则,动态进化法则包括三个子法则：,提高系统柔性法则,提高可移动性法则,提高可控性法则,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（4）提高理想度法则,最理想的技术系统应该是作为物理实体时并不存在也不消耗任何的资源，却能够实现所有必要的功能。,技术系统是沿着提高其理想度，向最理想系统的方向进化。提高理想度法则代表着所有技术系统进化法则的最终方向。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（5）子系统不均衡进化法则,任何技术系统所包含的各个子系统都不会同步、均衡地进化，每个子系统都是沿着自己的技术进化路径向前发展的。这种不均衡的进化经常会导致子系统之间的冲突出现。,整个技术系统的进化速度取决于系统中发展最慢的子系统的进化速度。找到关键的子系统，可以帮助人们及时发现并改进最不理想的子系统。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（6）向超系统进化法则,技术系统的进化是沿着从单系统双系统多系统的方向发展。,技术系统进化到极限时，它实现某项功能的子系统会从系统中剥离，转移至超系统，作为超系统的一部分。在该子系统的功能得到增强改进的同时，也简化了原有的技术系统。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（7）向微观级进化法则,技术系统的进化沿着减小其元件尺寸的方向发展，即元件从最初的尺寸向原子、基本粒子的尺寸进化，同时能够更好地实现相同的功能。,第四章 机械系统方案的创新设计,二、技术系统及其进化法则（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,3技术系统进化法则（续）,（8）协调性法则,技术系统的进化是沿着各个子系统相互之间更协调的方向发展，即系统的各个部件在保持协调的前提下，充分发挥各自的功能。,这也是整个技术系统能发挥其功能的必要条件，子系统间协调性可以表现在结构上的协调、各性能参数的协调和工作节奏的协调。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用,第三节,TRIZ,理论与创新设计,当产品一个技术特征参数的改进对另一技术特征参数产生负面影响时，就产生了冲突。,TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决冲突，未克服冲突的设计不是创新设计。,解决冲突所应遵循的规则是：改进系统中的一个零部件或性能的同时，不能对系统或相邻系统中的其他零部件或性能造成负面影响。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,冲突解决流程,冲突可分为物理冲突和技术冲突。,物理冲突,是指当对同一子系统具有相反的要求时就出现了物理冲突，系统中的某一部分同时表现出两种相反的状态。,技术冲突,是指系统中一个部分性能的增强导致了有用及有害两种结果，也可指有益作用的引入或有害效应的消除导致其他的一个或几个子系统性能的劣化。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（一）发明原理,GSAltshuller在对全世界专利进行分析研究的基础上，发现在以往不同领域的发明中所用到的规则并不多，不同时代的发明，不同领域的发明，这些规则被反复采用。,GSAltshuller提出了40条冲突解决原理即,发明原理,，是在产生新的工作原理的过程中所应遵循的规律。实践证明这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要的作用。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（二）分离原理,在总结解决物理冲突的各种方法的基础上，TRIZ提出了分离原理解决方法：,1空间分离(从空间上分离相反的特性),2时间分离(从时间上分离相反的特性),4基于条件的分离(在同一种物质中相反的特性共存),3整体与部分的分离(从整体与部分上分离相反的特性),解决物理冲突的分离原理与解决技术冲突的发明原理之间,存在关系,，对于一条分离原理，可以有多条发明原理与之对应。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（三）解决物理冲突,物理冲突是TRIZ要研究解决的关键问题之一。,常见的物理冲突,出现物理冲突的子系统成为关键子系统。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（三）解决物理冲突（续）,G,S,Altshuller,提出了解决物理冲突主要采用的,分离原理,。,发明问题解决算法,ARIZ,是,TRIZ,理论中的一个主要分析问题、解决问题的方法，其目标是为了解决问题的物理冲突。,用ARIZ算法解决创新问题的流程,物理冲突的一般描述方法,例：,解决大工件的摩擦焊接问题,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（四）解决技术冲突,技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。,不同领域中，人们所面临的创新问题不同，其中包含的冲突也千差万别。若想解决这些冲突，首先要对它们进行统一的描述。,技术冲突出现的几种情况,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（四）解决技术冲突（续）,在TRIZ理论中，不同领域中相互冲突的特性经过高度概括，被抽象为39个,技术特性参数,，它们可对不同问题中所包含的各种冲突进行统一、明确的描述。,表中的参数可以分为三类：通用物理与几何参数,(112,、,17,、,18,、,21),；通用,负向,技术参数,(15,、,16,、,19,、,20,、,22,26,、,30,、,31),；通用,正向,技术参数,(13,、,14,、,2729,、,32,39),。,负向的含义是指这些参数若变大，系统性能变差；正向的含义是指这些参数若变大，系统的性能变好。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（四）解决技术冲突（续）,39项通用技术特性参数描述了问题的技术特性，40条发明原理表明了问题的解决方法。,TRIZ理论提出了,冲突解决矩阵,的概念。,冲突解决矩阵的行表示冲突中恶化的参数，列则表示改善的参数，单元格中列出了推荐的解决该问题的发明原理（用发明原理的序号表示）。,第四章 机械系统方案的创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,第三节,TRIZ,理论与创新设计,（四）解决技术冲突（续）,使用该冲突矩阵解决设计中的,特定问题,时，首先应该确定实际设计中存在的冲突，并分析冲突中哪些问题是有利因素，哪些是有害的。再将这些冲突抽象化为,39,个工程技术参数中的相关特定术语,通用问题,，然后利用冲突矩阵找到冲突的原理解,通用解决方法,。最后分析原理解，将其表达为解决特定问题的,特定解决方法,（,领域解）,。,可将上述设计过程简化为,程序框图,。,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,通常所选定的发明原理多于一个，这说明前人已用这几个原理解决了一些特定的技术冲突。这些原理仅仅表明解的可能方向，即应用这些原理可以过滤掉很多不太可能的解的方向。尽可能将选定的每条原理都用到设计过程中去，对于推荐的任何原理都应该仔细思考。,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,（四）解决技术冲突（续）,假如所有可能的解都不满足要求，则可以对冲突重新定义并求解。,第四章 机械系统方案的创新设计,例,1,振动筛,例,2,汽车安全气囊,第三节,TRIZ,理论与创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,TRIZ,理论应用举例,例,3,新型扳手,第四章 机械系统方案的创新设计,第三节,TRIZ,理论与创新设计,三、,TRIZ,理论及其应用（续）,TRIZ理论对解决发明问题的创新思路有明确的方向指导性。但是，仅有解决问题的思路和方向还是不够的，从问题解决思路到解决问题的具体方案之间，还有一个复杂的创新过程，即如何得到一个可行的、可操作的解决方案。,如何根据所得到的通用解决方案，经过创新设计来得到特定问题的实际解决方案，需要设计者具有大量的知识和经验。具体来说，这些知识和经验包括科学原理、技术知识、社会知识、实践经验、成功案例，甚至失败案例等。,知识是创新的源泉,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,一、建立原理解法目录,原理解法目录实际上是一种信息库。凡是导致功能三要素实现转变的操作或原理都被有规律的分类、排列、储存起来，以便设计时调用。一个基本功能或许有，也或许没有直接的原理解，但肯定会有许多间接的原理可利用。,原理解的目录编写必须密切结合设计过程与功能要求编写，应该是功能明确、内容清晰、信息面广、查取方便。原理解目录的编写需要具有一定的理论知识与实践经验，需要进行广泛的调查、研究与搜集。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,一、建立原理解法目录（续）,下面根据部分输入输出因果关系进行原理解目录的编写：,1,物料分离,混合功能的原理解,使两种或几种具有不同物理特征的物料实现分离是设计系统经常遇到的一项任务，它可能是固体与固体的分离，也可能是固体与液体的分离或气体与液体的分离。,按分离的特征又可能是不同几何尺寸大小的分离、不同密度、轻重的分离或不同导电性、导磁性等性能的分离。,为了解决“物料分离”，应尽量将适合于分离的全部原理汇集起来，并按一定的规律进行编排。,附表,是部分固体与固体分离的原理解目录。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,一、建立原理解法目录（续）,1,物料分离,混合功能的原理解（续）,物料的混合就是指将不同的物料结合在一起。各类搅拌器、混合机是完成混合的技术系统。,混合就是通过分子微粒的运动加快，来缩短混合过程所需要的时间，并使各类物料混合的均匀。,附表,列出了物料混合的部分原理解目录。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,一、建立原理解法目录（续）,2,物理量放大,缩小功能的原理解,物理量的放大与缩小主要有尺寸参数（例如长度、面积、体积等）的放大与缩小；运动参数（如距离、速度、加速度等）的放大与缩小；能量参数（如力、力矩、功率、电压等）的放大与缩小。其中既包含有能量流，也有信号流，还有物料流。,附表,列出了部分物理量的放大,缩小原理解目录。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,一、建立原理解法目录（续）,利用类似的方法还可以对变换,复原、储存,取出、接合,分开、传导,中断等功能进行原理解目录的编排。也可以按照机械系统的组成成分，即动力、传动、执行、控制四个部分的具体功能进行原理解目录的编排。,可以看出原理解目录的编写需要大量的技术信息与设计经验，这也可以采纳,TRIZ,理论的研究方法，通过对世界已有的大量技术专利的分析、研究与归纳总结得出；或者将各学科领域的已有技术成果或产品进行归类与编排。,总之原理解目录不同于一般的手册与资料，它应该比手册与资料更方便于搜索与提取。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,二、资源的分析与利用,为求得原理解，不能忽视资源的利用。因为所要设计的系统是属于超系统范畴，而超系统又是自然的一部分，因此合理地利用某些资源会对原理解产生意想不到的效果。,1,资源的主要类型,（,1,）自然资源：,（,2,）时间资源：,（,3,）空间资源：,（,4,）信息资源：,（,5,）系统资源：,指自然界中存在的场、物质、能量等任何资源。,指系统启动之前，工作之后，两个循环之间的时间。,指系统本身，超系统的空间位置、次序等。,指系统及超系统中任何存在的或能产生的信号、反映等。,指系统内部的可利用资源。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,二、资源的分析与利用（续）,2,资源的分析与利用,（,1,）自然资源的利用,（,2,）时间资源的利用,自然资源的利用应做到合理、有效。,在工作效率最高、最有价值的阶段最大限度地利用时间，使过程连续，消除停顿。,（,3,）空间资源的利用,（,4,）信息资源的利用,系统本身所产生的信号是多种多样的。,第四章 机械系统方案的创新设计,第四节 原理综合,二、资源的分析与利用（续）,2,资源的分析与利用（续）,（,5,）系统资源的利用,系统中的能量、材料、产品、副产品、制品等都是系统可充分利用的丰富资源。,系统中的资源可以交互利用，各子系统分享资源。动态调节资源的使用，可避免资源的损失与浪费。,可以充分利用系统中材料的特性以及产品或制品的形状，有效发挥各种资源，简化工艺过程，使系统变得简单，各方面的浪费与损失也会相应减少。,加工螺纹的搓丝机,、,搬运钢板的机械装置,第四章 机械系统方案的创新设计,TRIZ解决发明问题的方法,第四章 机械系统方案的创新设计,解决冲突流程图,第四章 机械系统方案的创新设计,序号,名称,序号,名称,序号,名称,序号,名称,1,分割,11,预先防范,21,缩短有害作用,31,多孔材料,2,提炼,12,等势,22,变害为利,32,改变颜色,3,改变局部,13,逆向作用,23,反馈,33,同质性,4,不对称,14,曲面化,24,中介物,34,抛弃与修复,5,组合,15,动态化,25,自服务,35,改变参数,6,多用性,16,近似化,26,复制,36,相变,7,嵌套,17,多维化,27,廉价替代品,37,热膨胀,8,重量补偿,18,机械振动,28,替代机械系统,38,加速氧化,9,预先反作用,19,周期性作用,29,用气体与液体,39,惰性环境,10,预先作用,20,利用有效作用,30,柔性壳体或薄膜,40,复合材料,发明原理,序号,15“,动态化”,序号,17“,多维化”,序号,28“,替代机械系统”,第四章 机械系统方案的创新设计,自适应建筑物的设想,第四章 机械系统方案的创新设计,上部开门的轿车,第四章 机械系统方案的创新设计,利用磁效应搬运钢板,第四章 机械系统方案的创新设计,分离原理与发明原理的对应关系,分离原理,发明原理,空间分离,1,，,2,，,3,，,4,，,7,，,13,，,17,，,24,，,26,，,30,时间分离,9,，,10,，,11,，,15,，,16,，,18,，,19,，,20,，,21,，,29,，,34,，,37,整体与部分的分离,12,，,28,，,31,，,32,，,35,，,36,，,38,，,39,，,40,基于条件的分离,1,，,5,，,6,，,7,，,8,，,13,，,14,，,22,，,23,，,25,，,27,，,33,，,35,第四章 机械系统方案的创新设计,几何类,材料及能量类,功能类,长与短,多与少,喷射与卡住,对称与不对称,密度大与小,推与拉,平行与交叉,热导率高与低,冷与热,厚与薄,温度高与低,快与慢,圆与非圆,时间长与短,运动与静止,锋利与钝,粘度高与低,强与弱,窄与宽,功率大与小,软与硬,水平与垂直,摩擦系数大与小,成本高与低,常见的物理冲突,第四章 机械系统方案的创新设计,用ARIZ算法解决创新问题的流程,第四章 机械系统方案的创新设计,大工件的摩擦焊接问题,将一块金属固定并将另一块相对旋转。当两块金属接触时，接触部分就会产生很高的热量，金属开始熔化，再加以一定的压力两块金属就能够焊在一起。,某工厂需要用每节10m长的铸铁管建成一条通道，想把这些铸铁管通过摩擦焊接的方法连接。但要使这么大的铁管旋转起来需要建造非常大的机器，并需要很大的工作场地。,第四章 机械系统方案的创新设计,解决该问题的过程：,(1)最小问题,(2)系统冲突,(3)问题模型,(4)对立领域和资源分析,(5)理想解,(6)物理冲突,(7)物理冲突的去除及问题的解决对策,第四章 机械系统方案的创新设计,技术特性参数,序号,名称,序号,名称,序号,名称,1,运动物体的质量,14,强度,27,可靠性,2,静止物体的质量,15,运动物体作用时间,28,测试精度,3,运动物体的长度,16,静止物体作用时间,29,制造精度,4,静止物体的长度,17,温度,30,物体外部有害因素作用的敏感性,5,运动物体的面积,18,光照度,31,物体产生的有害因素,6,静止物体的面积,19,运动物体的能量,32,可制造性,7,运动物体的体积,20,静止物体的能量,33,可操作性,8,静止物体的体积,21,功率,34,可维护性,9,速度,22,能量损失,35,适应性及多用性,10,力,23,物质损失,36,装置的复杂性,11,应力或压力,24,信息损失,37,监控与测试的困难程度,12,形状,25,时间损失,38,自动化程度,13,结构的稳定性,26,物质或事物的数量,39,生产率,第四章 机械系统方案的创新设计,冲突解决矩阵,局部放大,第四章 机械系统方案的创新设计,改 善 的 技 术 特 性 参 数,恶 化 的 技 术 特 性 参 数,1,2,30,9,15,39,1,2,5,19,31,39,22 35 31 39,35 3 24 37,35 22 1 39,1 28 15 35,8 15 35 38,2 24 35 21,9 5 34 31,3 17 19,28 6 35 18,35 17 14 19,22 21 27 39,2 22 13 24,22 1 33 28,1 24 6 27,22 35 13 24,35 26 24 37,29 1 7 38 34,35 12 34 31,29 30 34,2 28 13 38,21 39 16 22,10 26 34 31,35 22 18 39,35 10 38 19,第四章 机械系统方案设计的创新,分析待改进的产品,发现冲突,冲突抽象,发明原理,抽象解,领域解,TRIZ,设计模型,第四章 机械系统方案的创新设计,振动筛在选矿、化工原料分选、粮食分选以及垃圾的分选中都是主要的设备。其中筛网的损坏是设备报废的原因之一。尤其对筛分垃圾的振动筛更是如此。分析其原因，分别确定对设备有利和有害的环节，并寻求解决问题的方法。,经分析，认为筛网面积大、筛分效率高，是有利的一个方面；但由此筛网接触物料的面积也就增大，则物料对筛网的伤害也就增大。,将分析的结果用抽象的技术参数术语描述，,改善的参数,是第,5,条参数，即“运动物体的面积”；,恶化的参数,则是第,30,条“物体外部有害因素作用的敏感性”。根据,冲突解决矩阵,可确定,原理解,为,22,，,1,，,33,，,28,。,例,1,第四章 机械系统方案的创新设计,其中第,1,条发明原理是“,分割,”，根据这条原理，设计时可考虑将筛网制成小块状，再联接成一体，局部损坏，局部更换。第,33,条是“,同质性,”，即采用相似或相同的物质制造与某物体相互作用的物体。分析这条原理，认为用于筛分垃圾的振动筛筛网易损的主要原因是物料的粘湿性与腐蚀性所致。参考发明原理，采用同质性材料制作筛网，例如耐腐蚀的聚氨酯。经过这样的改进，取得了很好的应用效果。,第四章 机械系统方案的创新设计,汽车安全气囊是在汽车发生正面碰撞时保护驾驶员和乘客的有效装置。,调查表明，约有,5%,的情况安全气囊不能有效起作用，受害者一般身材矮小。,气囊装在气囊筒内，驾驶员位置的气囊筒装在方向盘前端。传感器收到的汽车减速信号传给激发器，使气囊迅速膨胀，完全膨胀后压力降低，依靠气体的缓冲作用保护司机和乘客。,身材矮小的司机通常身体更接近方向盘，碰撞发生时容易与正在膨胀中的安全气囊相撞，因而受伤害。,为保障安全而设计的安全气囊保护了大多数乘客，但伤害了另一部分乘客，系统存在技术冲突。,希望改进设计，同时对身材高和身材矮的乘客都能实施保护。,例,2,第四章 机械系统方案的创新设计,美国政府有关部门曾建议采用降低安全气囊膨胀速度的方法解决问题，这虽然能够减小乘客与气囊碰撞所造成的伤害，但是增大了乘客与方向盘、仪表盘、挡风玻璃等发生碰撞所造成的伤害。,技术冲突的一方是气囊的膨胀速度，另一方是可能对乘客造成的伤害。,将技术冲突表达为,TRIZ,理论的标准问题，,冲突参数,为：,改善的技术特性参数,31,：物体产生的有害因素,恶化的技术特性参数,15,：运动物体作用的时间,从,冲突解决矩阵,中查出发明原理：,16,：近似化,21,：缩短有害作用,22,：变害为益,39,：惰性环境,第四章 机械系统方案的创新设计,对发明原理的解释,序号,发明原理,消除技术冲突的方法,16,近似化,减小气囊体积，增大膨胀速度,21,缩短有害作用,加快膨胀速度，使得当膨胀完成后才发生碰撞，,22,变害为利,增大膨胀速度，当膨胀完成后司机和乘客才可能与气囊碰撞,39,惰性环境,软化气囊表面，减小刚性，减少伤害。,第四章 机械系统方案的创新设计,例,3,在实际应用中，标准的六角形螺母常常会因为拧紧时用力过大或者使用时间过长、螺母外缘的六角形在扳手作用下被破坏。螺母被破坏后，使用普通的传统型扳手往往无法作用于螺母。在这种情况下，我们需要一种新型的扳手来解决这一问题。,传统型扳手之所以会损坏螺母，其主要原因是扳手作用在螺母上的力主要集中于六角形螺母的某两个角上。,第四章 机械系统方案的创新设计,2),在扳手上增加一个“小附件”，使得扳手的表面可以自由移动以和不同的螺母是面接触。,根据传统型扳手，我们可以尝试：,1),改变扳手形状，使扳手的各个表面与螺母的外表面完全吻和，从而使得用扳手拧螺母时扳手的表面与螺母表面是完全面接触，以避免螺母的角与扳手平面的线接触。,3),使用比螺母材料硬度小的材料制造扳手，这样可以在操作过程中损坏扳手而不是螺母。,显然，改变扳手的形状是最实际的一个解决方案。,第四章 机械系统方案的创新设计,首先，将所希望的“降低螺母的损坏程度”转换为,TRIZ,冲突解决矩阵中的某一个或几个参数。很明显，“,物体产生的有害因素,”就是在这一问题中,需要改善的技术特性参数,（第,31,号）。,在本冲突中，改变扳手的形状不可避免会增加扳手制造的复杂程度，降低制造的精度。因此，“,制造精度,”即为,恶化的技术特性参数,（第,29,号）。,根据冲突解决矩阵可以查找到解决该冲突的四个发明原理，即4、17、34和26。,技术冲突的表达,第四章 机械系统方案的创新设计,对发明原理的解释,序号,发明原理,消除技术冲突的方法,4,不对称,扳手本身是一个不对称的形状，改变其形状，加强其形状的不对称程度。,17,多维化,改变传统扳手上、下钳夹的两个平行平面的形状，使其成为曲面。,34,抛弃与修复,去除在扳手工作过程中对螺母有损害的部位，使螺母的六角形外表面的尖角无法被破坏。,26,复制,第四章 机械系统方案的创新设计,最终解决方案,当使用扳手时，六角形螺母表面中的两个面刚好与扳手上、下钳夹上的突起相接触，使得扳手可以将力作用在螺母上。而六角形的尖角则刚好位于扳手的凹槽中，因而不会受力的作用，螺母不致于因此损坏。,第四章 机械系统方案的创新设计,物料分离功能原理解目录（固体,-,固体）,分离,特征,原理,原理图,备注,应用,大小,重力,通过筛子的运动（惯性、离心力）提高筛的功率，利用空气或水附带运输筛分物料,筛硬币检测器,流体阻力,在质量相同时，由于体积不同，大物体与小物体将有不同的速度,分选机,离心力,离心机,质量,浮力,质量满足要求，在闭锁装置下滚过；质量不满足要求，被闭锁装置挡住,第四章 机械系统方案的创新设计,杠杆,质量满足要求，在闭锁装置下滚过；质量不满足要求，被闭锁装置挡住,离心力,质量满足要求，物体被甩出；质量不满足要求，物体停留在原位,离心机旋分器螺旋分选机,共振,分级机,浮力,沉降分级,液流分级机跳汰机选矿,质量,第四章 机械系统方案的创新设计,摩擦,系数,摩擦,摩擦系数小则滑掉，摩擦系数大则随传送带运动,导电性,库仑,给各物体加上同号电荷，导电性差的物体仍附着在滚筒上；导电性好的物体变成与滚筒同号电荷而被排斥,电子滚筒分选机,磁化率,库仑,磁分选机选矿,第四章 机械系统方案的创新设计,原理,原理图,备注,表面张力,固体材料侵透在液体中,吸附,气体混合在固体材料中,（应用：活性炭过滤器）,摩擦力,-,重力,（应用：滚筒式混合机,自由降落混合机）,物料混合功能原理解目录,第四章 机械系统方案的创新设计,内聚性,-,重力,自由降落混合机,离心力,-,离心力,通过两个物体转动叠加离心力,行星式磨机,摩擦,-,剪应力,在隙缝中存在剪切应力、塑压应力、拉应力、压应力,在楔形间隙中混合，辊压设备，压光机,内聚性,-,惯性,犁铲混合机、浆式搅拌机、带式混合机,库仑,-,重力,a,栅极,b,烃,c,溶剂,d,炉底电极,电搅拌机,第四章 机械系统方案的创新设计,原理,原理图,备注,应用,杠杆原理,尺寸放缩,速度放缩,力放缩,连杆机构,齿轮机构,楔原理,尺寸放缩,速度放缩,螺旋传动,凸轮机构,物理量放大,-,缩小原理解目录,第四章 机械系统方案的创新设计,毛细原理,变形原理,拉压变形,剪切变形,流体原理,尺寸放缩,速度放缩,力放缩,流体力学,第四章 机械系统方案的创新设计,摩擦,制动器,变压器,变压器,放大器,电路放大,第四章 机械系统方案的创新设计,搓丝机工作原理简图,第四章 机械系统方案的创新设计,利用磁性搬运钢板,第五节 构型综合,构型综合是在原理综合的基础上，为实现原理解而进行的运动机构类型的选择与构造、零部件结构形状的设计与构造。,注意的问题：,1.,应尽量满足或接近功能目标,2.,要力求结构简单,3.,要方便加工制造，提高精度,4.,要保证良好的动力特性,5.,应注意机械效益与机械效率问题,6.,要考虑动力源及其形式,