机电产品规划与创新课程大作业
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反求设计（Reverse Design）：对已有的产品进行模仿、研制生产。 开发成本低、技术风险低、市场风险低。 二、方案设计题 1、设计一套用来测试重力加速度 g 的实验设备，据所设计的结构， 分析影响测量精度的相关因素？估计所测量的 g 值的精度。
我设计的测试重力加速度 g 的实验设备如图 1 所示。
H＝12g（0.5T1）2 − 12g（0.5T2）2 g=8H/（T12-T22）
由上式和测得的实验数据就可以计算出重力加速度 g 的值。因为这个 H 值是提前给定的，所以这个算式可以直接用处理器来计算，仪器最 后显示出的值就是计算结果。 （2）仪器加工和装配的要求
加工基座和立柱的时候，对它们的垂直度要求很高。这样，真 空管和立柱两个互相垂直的面贴紧时，才能保证真空管和基座 相互垂直，而且不至于使真空管晃动。
开发性设计（Original Design）：在工作原理、功能结构完全未 知的情况下，运用成熟的科学理论和实验证明可行的技术， 设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。产品的工作原 理，主体结构，所实现的功能，这三者中至少有一项是首创的才可以 认定为开发性设计。开发性设计的过程最复杂，创新性强。
图 2 总体图
9
（1）相撞 当“神舟八号”和“天宫一号”互相靠近后，“神舟八号”以 0.2m/s
的相对速度向“天宫一号”靠近，“神舟八号”上伸出来的对接环首 先和 “天宫一号”先接触，对接过程正式开始（如图 3 所示）。
（2）捕获
图 3 相撞 对接环与天宫一号相撞
“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”接触后，“神舟八号”上
7
能使用金属材料，应该选择实心的塑料球，球的直径必须比真
空管的半径略大一点。
发射装置给小球的能量必须能让小球达到最大的高度比计时
器 2 的高度大，但不能撞到真空管的顶部。
两个计时器采用 E01-111C-L02 多功能计时器和光电门结合的
装置，精度可达到 0.1ms。
（3）操作步骤
首先，调节基座调节器，使水平仪中心的气泡处在圆盘的中心。
2
工程任务书中顾客需求的关系；第七步，设置工程目标；第八步，确 定工程需求之间的关系。 （4）概念设计（Conceptual Design）
概念设计的主要任务是确保规划中的产品可以按预期的要求工作， 在产品可以预见的发展中，它将符合设计的目标体系。概念也需要细 化到足以评价其实现方法、基本体结构（构造）、局限性及加工工艺 性。概念可以通过草图、流程图、概念验证原型、计算和文字描述（它 将成为一个什么样的产品）来表达。
之间的值为 500±0.027mm，计时器的误差为 0.1ms，仪器安装的精度
误 差 估 计 值 为 0.1。 这 样 整 个 设 备 测 出 的 数 据 的 误 差 大 概 在 ±
Baidu Nhomakorabea
0.0001m/s2。
（5）加工制作该设备的成本估计
项目
真空管 发射装置 光电门
多功能计 基座加工 其他 时器
费用（元） 500
有了产品设计环节之后，就要进行产品加工环节。产品加工就是 将前面所确定的设计概念转化为满足功能要求的产品。将设计概念转 化为可加工的产品需要的是围绕着功能的产品的结构、零件的材料， 以及将材料转变为零件结构的制造工艺。而其中的功能是概念设计的 中心，结构设计是产品设计的中心。所以产品加工环节就是对零件的 材料和制造工艺的选择。
适应性设计（Adaptability Design）：在工作原理、功能结构基
5
本保持不变的前提下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代 替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应 性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。
变形设计（Redesign）：在工作原理、功能结构不变，改变尺寸、 布置方式、性能、结构、功能的改进，从而发展出不同于标准型的变 型产品。
3
候，有个决定性的因素就是前面几个步骤的功课做得充分与否。比如： 概念设计的不仔细、不充分，将会导致产品开放这块消耗大量时间、 资金、人力。
在产品设计阶段设图样很重要，计人员需要不断的改进自己的想 法，和别人交流思路，设计好的产品还要保证加工人员对它了解，这 些环节都需要图样来做支撑，图样包括布置图、零件图、装配图。除 了图样，明细表和产品数据管理也是至关重要的，尤其是对于一个庞 大而又复杂的产品，有了明细表和产品数据管理，人们对产品的各个 环节的管理就不会混乱无序。
在概念设计时可能会有很多种完全不同的概念，这就要求我们对 这些概念进行评价，从中选择最好的概念解，以便根据它进行产品设 计。 （5）产品开发（Product Development）
产品开发主要是将已经获得的概念进一步发展使之成为优质产品。 这一块分为三个部分：产品设计，产品加工，产品性能评价及变化因 素的影响，产品成本、制造、装配和其他评价。在进行这一部分的时
对项目做一个计划来安排和调拨时间、资金及人力资源。项目计 划也就是得出一张表示产品设计过程活动流程的一览表。而做项目计 划往往需要以下五个步骤：确认目标；说明每一项任务目标；预估要 达到目标所需要的人员、时间和其他资源；为任务制定程序；预估产 品开发成本。 （3）确定工程任务书（Product Definition）
图 7 通道
13
《机械产品规划与创新》 课程大作业
班 级： 学 号： 姓 名： 任课教师：
一、论述题 1.详细论述机电产品开发的一般过程
机电产品开发的一般过程主要分为六部分：发现需求、项目计划、 确定工程任务书、概念设计、产品开发、产品支持。 （1）发现需求（Product Discovery）
产品在开始设计前，必须首先对产品的需求确定。主要有两个来 源：市场，或者对还没有市场需要的新产品想法的开发。 （2）项目计划（Product Planning）
其次是产品性能评价及变化因素的影响。这块主要是把产品的性 能与设计项目初期指定的工程任务书来进行比较。而对产品性能的评 价是以数字值的形式表示的，所以评价必须得出产品的数字化指标值， 用于同问题开发时目标做比较。评价出结果后，就要相应的对其指标 进行修改，搞清楚为了使性能达到目标应该修改多少。还要评价整个 过程中有些因素的变化对产品性能变化的影响以及影响的程度大小。 这些影响因素主要有精度、变化和噪声。还要对性能评价进行建模、
然后，启动电源使发射装置向上发射小球，小球经过上下一个往返之
后，操作面板上的显示器显示出重力加速度 g 的值。
（4）测量精度分析
因为本装置使用的非金属小球，这样就克服了电磁场以及设备剩
磁对小球运动的影响误差，本实验装置测量的结果引入的误差主要来
自于计时器引入的误差、实验装置铅直程度引入的误差。而两光电门
产品支持包括保持与供货商的关系、与顾客的关系、支持制造和 装配及保持变更。除了这些，专利申请也是后续工作的一部分，这是 为了对前面的新的想法、设计、制造工艺做一个法律保护。 2.论述机械创新设计的常用方法，说明每种方法的特点.
机械创新设计常用方法主要有：开发性设计、适应性设计、变形 设计、反求设计。
4
公差分析、敏感度分析。 最后是对产品成本评价、可装配性评价、可靠性评价、可检查性
评价与维护性评价以及环境的友好性评价。 （6）产品支持（Product Support）
产品支持放在最后并不意味着是最后执行的，其实它是完全贯穿 在整个设计研发过程中的。
首先是文件和资料，前面做的一些工作，比如说：技术成果的文 件，设计团队成员的个人笔记本，最后做的零件图和装配图以及生产、 装配、安装、操作、维护、回收这些环节的详细规程。这些设计过程 的完整记录都要作为 资料保存起来，为以后的设计做指导。
图 1 测量重力加速度的设备
6
（1）测量原理为：由发射装置垂直向上发射一个小球，小球由于 受重力加速度，会做加速度大小为 g 方向向上的匀减速运动，当小球 的速度减小为零时开始又做加速度大小为 g 方向向下的匀加速运动， 小球会先后两次通过计时器 1 和计时器 2，它们会记录下小球从第一 次通过到第二次通过所用的的时间，分别为 T1 和 T2。两个计时器的距 离为 H，这样，运用物理公式有：
对于确定工程任务书的理解，我觉得就是从细节上对产品的定义， 确定产品的面向对象，期望达到的功能指标以及功能之间的主次顺序， 自己的产品投放市场后具有的优势以及缺点，再设置自己和顾客的关 系，最后完成工程目标的设定。总的来说，一切都建立在需求的基础 上。
确定工程任务书的主要步骤如下：第一步，确定产品面对的顾客； 第二步，确定顾客的需求；第三步，确定各种需求的相对重要性；第 四步，辨别并评价竞争力；第五步，生成工程任务书；第六步，确定
飞行器之间的距离，在拉近过程中，两个飞行器的端面上有若干个定
11
位杆和定位孔，它们互相之间的配合来保证飞船对接的精度，这一过 程约需 240 秒（如图 5 所示）。
图 5 拉近 滚珠丝杆收缩
图 6 拉紧 对接锁一一相扣
12
（6）拉紧 当两个飞行器通过滚珠丝杆的收缩以及定位杆、定位孔之间的紧
密配合之后，对接端面上还安装有对接锁。当两个飞行器被拉近后， 对接锁之间一一相扣。（如图 6 所示）。 （7）密封
只有真空管和基座垂直时还不够，最终的目的是保证真空管和 水平面垂直。所以，使用时就要对基座进行调节，使基座和水 平面保持平行。
发射装置和真空管安装时的同轴度也要较高要求。 两个计时器设备对准真空管的轴线，而且与基座上表面保持平
行。它们之间的安装精度在±0.027mm 之间。 小球的选择：为了减小电场和磁场对测试结果的影响，小球不
两个飞行器拉紧后，对接机构上的驱动电机将带动钢丝绳系统， 将两个连接器面上的密封圈压缩，保持密封。 （8）刚性连接
对接锁之间锁紧之后，飞行器之间实现“刚性连接”，互相合成 一体。拉紧、密封和刚性连接共需 220 秒。
当两个飞行器对接顺利后，中间会形成直径 0.8m 的通道，可以让 航天员往返于“神舟八号”和“天宫一号”之间（如图 7 所示）。
对接机构的滚珠丝杆就会向外推出 200 毫米，板状导向器上安装的捕
获锁和“天宫一号”上的卡板器互相之间就会接触并牢牢卡住（如图
4 所示）。
10
（3）缓冲
图 4 捕获 捕获器被卡板器卡住
从“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”互相撞击后，将会通
过一套传动机构，连向对接机构上的摩擦自动器和电磁阻尼器，分别
吸收纵向和横向的撞击能量，进行缓冲。碰撞、捕获、缓冲三个步骤
共需要大约 60 秒时间。
（4）校正
当前三个步骤完成后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆继续往
外推至 300 毫米，同时对两个航天器的姿态、位置和偏差等进行强行
校准，校准时间约需 80 秒。
（5）拉近
校正后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆缓缓收缩，拉近两个
500
100
1000
5000
900
合计（元） 8000
（6）Gantt 图
8
2、通过查阅资料，认真分析“天宫 1 号”和“神州 8 号”对接机构 的原理，画出对接机构的原理图，并详细说明对接过程。
我国“天宫 1 号”和“神舟 8 号”对接装置采用的是“异体同构 周边”的导向器内翻式机构。异体同构是指追踪飞行器和目标飞行器 上对接机构的构造是一致的。没有主动与被动之分。周边式是指机构 不设置在中间，而是设置在周边。总体效果如图 2 所示。
定义“功能”是概念设计中的基本原则。而对概念设计的同时， 对某一种功能的设计也会做进一步的说明。在对功能设计时会分成若 干个子功能，对子功能进行说明和排序。
概念设计的过程有：生成概念、评价概念、概念决策、编制文档 和交流、改进设计、审批概念。产生概念的方法主要有：头脑风暴法 （产生概念的源泉）；形态学方法；逻辑方法（机械发明理论-TRIZ 和公理化设计）。
我设计的测试重力加速度 g 的实验设备如图 1 所示。
H＝12g（0.5T1）2 − 12g（0.5T2）2 g=8H/（T12-T22）
由上式和测得的实验数据就可以计算出重力加速度 g 的值。因为这个 H 值是提前给定的，所以这个算式可以直接用处理器来计算，仪器最 后显示出的值就是计算结果。 （2）仪器加工和装配的要求
加工基座和立柱的时候，对它们的垂直度要求很高。这样，真 空管和立柱两个互相垂直的面贴紧时，才能保证真空管和基座 相互垂直，而且不至于使真空管晃动。
开发性设计（Original Design）：在工作原理、功能结构完全未 知的情况下，运用成熟的科学理论和实验证明可行的技术， 设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。产品的工作原 理，主体结构，所实现的功能，这三者中至少有一项是首创的才可以 认定为开发性设计。开发性设计的过程最复杂，创新性强。
图 2 总体图
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（1）相撞 当“神舟八号”和“天宫一号”互相靠近后，“神舟八号”以 0.2m/s
的相对速度向“天宫一号”靠近，“神舟八号”上伸出来的对接环首 先和 “天宫一号”先接触，对接过程正式开始（如图 3 所示）。
（2）捕获
图 3 相撞 对接环与天宫一号相撞
“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”接触后，“神舟八号”上
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能使用金属材料，应该选择实心的塑料球，球的直径必须比真
空管的半径略大一点。
发射装置给小球的能量必须能让小球达到最大的高度比计时
器 2 的高度大，但不能撞到真空管的顶部。
两个计时器采用 E01-111C-L02 多功能计时器和光电门结合的
装置，精度可达到 0.1ms。
（3）操作步骤
首先，调节基座调节器，使水平仪中心的气泡处在圆盘的中心。
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工程任务书中顾客需求的关系；第七步，设置工程目标；第八步，确 定工程需求之间的关系。 （4）概念设计（Conceptual Design）
概念设计的主要任务是确保规划中的产品可以按预期的要求工作， 在产品可以预见的发展中，它将符合设计的目标体系。概念也需要细 化到足以评价其实现方法、基本体结构（构造）、局限性及加工工艺 性。概念可以通过草图、流程图、概念验证原型、计算和文字描述（它 将成为一个什么样的产品）来表达。
之间的值为 500±0.027mm，计时器的误差为 0.1ms，仪器安装的精度
误 差 估 计 值 为 0.1。 这 样 整 个 设 备 测 出 的 数 据 的 误 差 大 概 在 ±
Baidu Nhomakorabea
0.0001m/s2。
（5）加工制作该设备的成本估计
项目
真空管 发射装置 光电门
多功能计 基座加工 其他 时器
费用（元） 500
有了产品设计环节之后，就要进行产品加工环节。产品加工就是 将前面所确定的设计概念转化为满足功能要求的产品。将设计概念转 化为可加工的产品需要的是围绕着功能的产品的结构、零件的材料， 以及将材料转变为零件结构的制造工艺。而其中的功能是概念设计的 中心，结构设计是产品设计的中心。所以产品加工环节就是对零件的 材料和制造工艺的选择。
适应性设计（Adaptability Design）：在工作原理、功能结构基
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本保持不变的前提下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代 替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应 性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。
变形设计（Redesign）：在工作原理、功能结构不变，改变尺寸、 布置方式、性能、结构、功能的改进，从而发展出不同于标准型的变 型产品。
3
候，有个决定性的因素就是前面几个步骤的功课做得充分与否。比如： 概念设计的不仔细、不充分，将会导致产品开放这块消耗大量时间、 资金、人力。
在产品设计阶段设图样很重要，计人员需要不断的改进自己的想 法，和别人交流思路，设计好的产品还要保证加工人员对它了解，这 些环节都需要图样来做支撑，图样包括布置图、零件图、装配图。除 了图样，明细表和产品数据管理也是至关重要的，尤其是对于一个庞 大而又复杂的产品，有了明细表和产品数据管理，人们对产品的各个 环节的管理就不会混乱无序。
在概念设计时可能会有很多种完全不同的概念，这就要求我们对 这些概念进行评价，从中选择最好的概念解，以便根据它进行产品设 计。 （5）产品开发（Product Development）
产品开发主要是将已经获得的概念进一步发展使之成为优质产品。 这一块分为三个部分：产品设计，产品加工，产品性能评价及变化因 素的影响，产品成本、制造、装配和其他评价。在进行这一部分的时
对项目做一个计划来安排和调拨时间、资金及人力资源。项目计 划也就是得出一张表示产品设计过程活动流程的一览表。而做项目计 划往往需要以下五个步骤：确认目标；说明每一项任务目标；预估要 达到目标所需要的人员、时间和其他资源；为任务制定程序；预估产 品开发成本。 （3）确定工程任务书（Product Definition）
图 7 通道
13
《机械产品规划与创新》 课程大作业
班 级： 学 号： 姓 名： 任课教师：
一、论述题 1.详细论述机电产品开发的一般过程
机电产品开发的一般过程主要分为六部分：发现需求、项目计划、 确定工程任务书、概念设计、产品开发、产品支持。 （1）发现需求（Product Discovery）
产品在开始设计前，必须首先对产品的需求确定。主要有两个来 源：市场，或者对还没有市场需要的新产品想法的开发。 （2）项目计划（Product Planning）
其次是产品性能评价及变化因素的影响。这块主要是把产品的性 能与设计项目初期指定的工程任务书来进行比较。而对产品性能的评 价是以数字值的形式表示的，所以评价必须得出产品的数字化指标值， 用于同问题开发时目标做比较。评价出结果后，就要相应的对其指标 进行修改，搞清楚为了使性能达到目标应该修改多少。还要评价整个 过程中有些因素的变化对产品性能变化的影响以及影响的程度大小。 这些影响因素主要有精度、变化和噪声。还要对性能评价进行建模、
然后，启动电源使发射装置向上发射小球，小球经过上下一个往返之
后，操作面板上的显示器显示出重力加速度 g 的值。
（4）测量精度分析
因为本装置使用的非金属小球，这样就克服了电磁场以及设备剩
磁对小球运动的影响误差，本实验装置测量的结果引入的误差主要来
自于计时器引入的误差、实验装置铅直程度引入的误差。而两光电门
产品支持包括保持与供货商的关系、与顾客的关系、支持制造和 装配及保持变更。除了这些，专利申请也是后续工作的一部分，这是 为了对前面的新的想法、设计、制造工艺做一个法律保护。 2.论述机械创新设计的常用方法，说明每种方法的特点.
机械创新设计常用方法主要有：开发性设计、适应性设计、变形 设计、反求设计。
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公差分析、敏感度分析。 最后是对产品成本评价、可装配性评价、可靠性评价、可检查性
评价与维护性评价以及环境的友好性评价。 （6）产品支持（Product Support）
产品支持放在最后并不意味着是最后执行的，其实它是完全贯穿 在整个设计研发过程中的。
首先是文件和资料，前面做的一些工作，比如说：技术成果的文 件，设计团队成员的个人笔记本，最后做的零件图和装配图以及生产、 装配、安装、操作、维护、回收这些环节的详细规程。这些设计过程 的完整记录都要作为 资料保存起来，为以后的设计做指导。
图 1 测量重力加速度的设备
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（1）测量原理为：由发射装置垂直向上发射一个小球，小球由于 受重力加速度，会做加速度大小为 g 方向向上的匀减速运动，当小球 的速度减小为零时开始又做加速度大小为 g 方向向下的匀加速运动， 小球会先后两次通过计时器 1 和计时器 2，它们会记录下小球从第一 次通过到第二次通过所用的的时间，分别为 T1 和 T2。两个计时器的距 离为 H，这样，运用物理公式有：
对于确定工程任务书的理解，我觉得就是从细节上对产品的定义， 确定产品的面向对象，期望达到的功能指标以及功能之间的主次顺序， 自己的产品投放市场后具有的优势以及缺点，再设置自己和顾客的关 系，最后完成工程目标的设定。总的来说，一切都建立在需求的基础 上。
确定工程任务书的主要步骤如下：第一步，确定产品面对的顾客； 第二步，确定顾客的需求；第三步，确定各种需求的相对重要性；第 四步，辨别并评价竞争力；第五步，生成工程任务书；第六步，确定
飞行器之间的距离，在拉近过程中，两个飞行器的端面上有若干个定
11
位杆和定位孔，它们互相之间的配合来保证飞船对接的精度，这一过 程约需 240 秒（如图 5 所示）。
图 5 拉近 滚珠丝杆收缩
图 6 拉紧 对接锁一一相扣
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（6）拉紧 当两个飞行器通过滚珠丝杆的收缩以及定位杆、定位孔之间的紧
密配合之后，对接端面上还安装有对接锁。当两个飞行器被拉近后， 对接锁之间一一相扣。（如图 6 所示）。 （7）密封
只有真空管和基座垂直时还不够，最终的目的是保证真空管和 水平面垂直。所以，使用时就要对基座进行调节，使基座和水 平面保持平行。
发射装置和真空管安装时的同轴度也要较高要求。 两个计时器设备对准真空管的轴线，而且与基座上表面保持平
行。它们之间的安装精度在±0.027mm 之间。 小球的选择：为了减小电场和磁场对测试结果的影响，小球不
两个飞行器拉紧后，对接机构上的驱动电机将带动钢丝绳系统， 将两个连接器面上的密封圈压缩，保持密封。 （8）刚性连接
对接锁之间锁紧之后，飞行器之间实现“刚性连接”，互相合成 一体。拉紧、密封和刚性连接共需 220 秒。
当两个飞行器对接顺利后，中间会形成直径 0.8m 的通道，可以让 航天员往返于“神舟八号”和“天宫一号”之间（如图 7 所示）。
对接机构的滚珠丝杆就会向外推出 200 毫米，板状导向器上安装的捕
获锁和“天宫一号”上的卡板器互相之间就会接触并牢牢卡住（如图
4 所示）。
10
（3）缓冲
图 4 捕获 捕获器被卡板器卡住
从“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”互相撞击后，将会通
过一套传动机构，连向对接机构上的摩擦自动器和电磁阻尼器，分别
吸收纵向和横向的撞击能量，进行缓冲。碰撞、捕获、缓冲三个步骤
共需要大约 60 秒时间。
（4）校正
当前三个步骤完成后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆继续往
外推至 300 毫米，同时对两个航天器的姿态、位置和偏差等进行强行
校准，校准时间约需 80 秒。
（5）拉近
校正后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆缓缓收缩，拉近两个
500
100
1000
5000
900
合计（元） 8000
（6）Gantt 图
8
2、通过查阅资料，认真分析“天宫 1 号”和“神州 8 号”对接机构 的原理，画出对接机构的原理图，并详细说明对接过程。
我国“天宫 1 号”和“神舟 8 号”对接装置采用的是“异体同构 周边”的导向器内翻式机构。异体同构是指追踪飞行器和目标飞行器 上对接机构的构造是一致的。没有主动与被动之分。周边式是指机构 不设置在中间，而是设置在周边。总体效果如图 2 所示。
定义“功能”是概念设计中的基本原则。而对概念设计的同时， 对某一种功能的设计也会做进一步的说明。在对功能设计时会分成若 干个子功能，对子功能进行说明和排序。
概念设计的过程有：生成概念、评价概念、概念决策、编制文档 和交流、改进设计、审批概念。产生概念的方法主要有：头脑风暴法 （产生概念的源泉）；形态学方法；逻辑方法（机械发明理论-TRIZ 和公理化设计）。