机电一体化系统设计课件(第4章).ppt
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1、1第 4章 概念设计(concepts)概念设计是根据对产品功能的要求,进行满足功能要求的工作原理求解和进行实现功能要求的原理解的载体方案的构思和设计 概念设计的过程是一个分散思维和创新设计的过程,是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标、可能存在和各种方案并最终确定综合最优方案的过程 41 机电一体化系统的概念产生方法概念产生(generating concepts)的要点是在掌握基本概念的基础上创造性的形成满足功能和布局要求的具体概念。3概念产生方法 分类 传统原理求解的手段包括查阅文献、分析己知技术系统、类比考察等,以及偏重逻辑思维的方法,如设计目录法等 偏重于直觉的方法,如智力激励
2、法、635法、联想法等 TRIZ 方法4411 头脑风暴法 美国学者阿历克斯奥斯本。他于1938年首次提出头脑风暴法。这是一种集体开发创造性思维的方法。头脑风暴法力图通过一定的讨论程序与规则来保证创造性讨论的有效性,5头脑风暴法讨论程序 准备:1.确定议题2.会前准备3.确定人选4.明确分工5.规定纪律6.掌握时间。进行:1.自由畅谈2.延迟评判3.禁止批评4.追求数量。6412 TRIZ方法 TRIZ(The Theory of Innovation Problem Solving)是俄语“发明问题解决理论”的首字母英语置换词。-发明式解决问题方法创造性解决问题方法 它是由前苏联发明家、科学
3、家G.S.Altshuller领导的研究人员经历了五十年的时间,分析了世界上近250万件专利,并综合了多学科领域的原理和法则后,建立起的理论体系。-经验式理论-好用 72.技术系统的发展规律(1)技术系统的发展遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期 (2)有不断完善的倾向。(3)系统中各子系统的发展不均衡,从而导致(子系统间)冲突。(4)不断提高动态性和可控制性。8技术系统的发展规律(5)提高复杂性,再通过集成加以简化。(6)零部件总是处于匹配和失配状态(7)从宏观系统向微观系统演变,运用能量场实现更好的性能或控制(8)提高自动化水平,降低人类的参与。9理想度分析 理想度(Ideality)是T
4、RIZ理论的一个核心概念 定义如下:其中Uj是指系统的有用结果,包括系统发挥作用的所有有价值的结果;Hj是指系统的有害结果,包括不希望的费用、能量消耗、污染和危险等等。jjHUI10系统内部冲突分析 如果要改进系统的某一部分属性,必然引起其它的某些属性恶化,就好像天平一样,一端翘起,另一端必然下沉。对于冲突问题,通常的解决方案是采用折衷的方法,而TRIZ则强调运用创造性的思维把冲突彻底消除。隐含的系统冲突数量是有限的 11表4-1 TRIZ方法的39个参数 1.增加物体的重量2.不移动物体的重量3.移动物体的长度4.不移动物体的长度5.移动物体的面积6.不移动物体的面积7.移动物体的体积8.不
5、移动物体的体积9.速度10.力量11.压力12形状13.物体稳定性14.强度15.移动物体的持久性16.不移动物体的持久性17.温度18.亮度19.移动物体所耗能量20.不移动物体所耗能量21.功率22.能量损耗23.物质损耗24.信息丢失25.时间消耗26.物质量27.可靠性28.测量的精确性29.制造精确性30.影响物体的有害因素31.有害的副作用32.可制造性33.使用方便性34.可维修性35.适应性36.装置复杂性37.控制复合性38.自动化水平39.生产率123.解决问题的方法解决问题方法有已知方案:类推没有已知的解决方案:发明性问题 至少包含一对冲突或矛盾,即如果问题的一个参数被改
6、进,那么另一个参数可能会恶化 13 图4-1 解决问题的一般方法 14表4-2-1 TRIZ方法的40个发明原理1.分割2.拆出3.局部性质4.不对称5.联合6.多功能7.嵌套8.反重量9.优先考虑反作用10.预先作用11.预先铺垫12.均势13.倒置14.球型化15.动态性16.采取部分的过分的作用17.改变移动方向18.机械振动19.采取周期的作用20.有效作用的持续性15表4-2-2 TRIZ方法的40个发明原理21.跃过22.变害为益23.反馈24.中介25.自我服务26.复制27.用低廉的、短寿命的代替昂贵的、耐用的28.机械系统的替代29.采用空气的或液压¥的结构30.采用柔性的薄
7、膜31.采用多孔材料32.改变颜色33.同类性34.部分剔除和再生35.改变物体聚合态36.相态变换37.热膨胀38.使用强氧化剂39.采用惰性介质40.复合材料16(1)分割原则 将物体分成独立的部分,使物体成为可拆卸的,增加物体的分割程度。例:货船分成同型的几个部分,必要时,可将船加长些或变短些 17(2)拆出原则 从物体中拆出“干扰部分(”干扰“特性)或者相反,分出唯一需要的部分或需要的特性。与上述把物体分成几个相同部分的技法相反,这里是要把物体分成几个不同的部分 例,一般小游艇的照明和其他用电是艇上发动机带动发电机供给的为了停泊时能继续供电,要安装一个由内燃机传动的辅助发电机发动机必然
8、造成噪音和振动。建议将发动机和发电机分置于距游艇不远的两个容器里,用电缆连接 18(3)局部性质原则 从物体或外部介质(外部作用)的一致结构过渡到不一致结构,物体的不同部分应当具有不同的功能,物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件 例:为了防治矿山坑道里的粉尘,向工具(钻机和料车的工作机构)呈锥体状喷洒小水珠。水珠愈小,除尘效果愈好但小水珠容易形成雾,这使工作困难解决办法:环绕小水珠锥体外层再造成一层大水珠。19(4)不对称原则 物体的对称形式转为不对称形式,如果物体不是对称的,则加强它的不对称程度。例:防撞汽车轮胎具有一个高强度的侧缘,以抵抗人行道路缘石的碰撞。20(5)联合原则 把相同的
9、物体或完成类似操作的物体联合起来,把时间上相同或类似的操作联合起来。例:双联显微镜组;由一个人操作,另一个人观察和记录。21(6)多功能原则 一个物体执行多种不同功能,因而不需要其他物体。例:提包的提手可同时作为拉力器 22(7)嵌套原则 一个物体位于另一物体之内,而后者又位于第三个物体之内,等等。一个物体通过另一个物体的空腔。例:弹性振动超声精选机是由两个互相夹紧的半波片构成。其特征是,为了减小精选机的长度和增大它的稳定性,两个半波片制成相互套在一起的空锥体 23(8)反重量原则 将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消其重量,将物体与介质(最好是气动力和液动力)相互作用以抵消其重量。例:氢气
10、球吊起广告牌 例:调节转子风力机转数的制动式离心调节器安在转子垂直轴上。其特征是:为了在风力增大时把转子转速控制在小的转数范围内,调节器离心片做成叶片状,以保证气动制动 24(9)预先反作用原则 如果按课题条件必须完成某种作用,则应提前完成反作用。例:杯形车刀车削方法是:在车削过程中车刀绕自己的几何轴转动。其特征是为了防止产生振动,应预先向杯形车刀施加负荷力,此力应与切削过程中产生的力大小相近,方向相反 25(10)预先作用原则 预先完成要求的作用(整个的或部分的),预先将物体安放妥当,使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用 例:用等离子束加工无机材料如光纤。其特征是:为提高机械强度,
11、预先往无机材料上涂敷碱金属或碱土金属的溶液或熔融体 26(11)预先铺垫原则:以事先准备好的应急手段补偿物体的低可靠性 例:用等离子束加工无机材料如光纤。其特征是:为提高机械强度,预先往无机材料上涂敷碱金属或碱土金属的溶液或熔融体 27(12)均势原则 改变工作条件,使物体上升或下降 有一种装置不必使沉重的压模升降;这种装置是在压床上安装了带有输送轨道的附件 28(13)倒置原则 不实现课题条件规定的作用而实现相反的作用。使物体或外部介质的活动部分成为不动的,而使不动的成为可动的。将物体颠倒。它的过滤器是相反的:对液体或气体进行机械清洗的电磁过滤器,它包括有磁场源和颗粒状磁性材料制的过滤元件,
12、其特征是,为降低单位耗 电量和提高生产率,过滤元件放在磁场源的周围,以形成外部闭式磁路。29(14)球形原则 从直线部分过渡到曲线部分,从平面过渡到球面,从正六面体或平行六面体过渡到球形结构,利用棍子、球体、螺旋。从直线运动过渡到旋转运动,利用离心力。例:把管子焊入管栅的装置具有滚动球形电极。30(15)动态原则 物体(或外部介质)的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的。将物体分成彼此相对移动的几个部分。使不动的物体成为动的 例:用带状电焊条进行自动电弧焊的方法,其特征是,为了能大范围地调节焊池的形状和尺寸,把电焊条沿着母线弯曲,使其在焊接过程中成曲线形状 31(16)局部作用或过量作用原则
13、 如果难于取得百分之百所要求的功效,则应当取得略小或略大的功效。此时可能把课题大大简化。32(17)向另一维度过渡的原则 如果物体作线性运动(或分布)有困难,则使物体在二维度(即平面)上移动。相应地,在一个平面上的运动(或分布)可以过渡到三维空间。利用多层结构替代单层结构。将物体倾斜或侧置。利用指定面的反面。利用投向相邻面或反面的光流。例:越冬圆木在圆形停泊场水中存放,其特征是,为了增大停泊场的单位容积,和减小受冻木材的体积,将圆木扎成捆,其横截面的宽和高超过圆木的长度,然后立着放 33(18)机械振动原则 使物体振动。如果巳在振动,则提高它的振动频率(达到超声波频率)。利用共振频率。用压电振
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