原理方案创新设计
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4)设计激光加工机
11/26/2019
5.1.3 原理方案的总体分析
例5－2 螺纹加工机总体原理方案的分析
切削加工，但车削、铣削刀 具和工件运动都不同；
无切屑加工，利用滚压加 工进行搓丝，而由于执行元 件的不同，也会有不同的搓 丝机方案。
11/26/2019
5.1.4 功能分解
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。
型 层 叠 纸型叠合 合
y向扫描 压纸 粘合 z向升降
驱动 传动 辊y向位移
x向位移
排烟 测控
测高 工作状态显示
操纵
驱动 传动 y向位移
11/26/2019
5.1.5 功能求解
1．功能元解 对功能元求解，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”(详见5.2节)； 3)运用各种创造技法探索新解法。
11/26/2019
5.1.5 功能求解
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。
11/26/2019
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 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。
11/26/2019
5.1.1 功能的描述
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。 例: 取核桃仁问题的不同功能描述的原理解法。
功能描述 砸壳 压壳
壳仁分离
原理解法
外部加压：砸、夹、压、冲、射等
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
整体加压，外压骤减，内压破壳
11/26/2019
波纹管水泵
5.1.5 功能求解
(2) 利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理。
11/26/2019
喉管原理
5.1.5 功能求解
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。
11/26/2019
惯性泵
5.1.5 功能求解
5.1.5 功能求解
例5-5 行走式挖掘机的原理方案分析
1)功能分析
物料取移
11/26/2019
取放物
驱动 传动
取放
移物
驱动 传动
取放
5.1.5 功能求解
例5-5 行走式挖掘机的原理方案分析
2)探索功能元解并列出形态学矩阵
功能元
求功能元 分解 功能树 求功能元解 搜索 创造技法、设计目录
选，求得最佳原理方
案。
系统原理解
组合 形态学矩阵
11/26/2019
最佳原理方案
收敛 评价法
5.1 功能设计法
19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师 迈尔斯首先提出功能(Function)的概念。
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。
液体增压装置，如 各种原理的净衣 不11同/26/2原019 理的水泵； 装置(包括洗衣机)
设计出光电 转换装置。
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。
驱动功能
传动功能 执行功能
测控功能
11/26/2019
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。
例5-4 输送液体原理解法分析 2) 惯性力效应
(3)虹吸原理。
11/26/2019
虹吸原理
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 3)毛细管效应
11/26/2019
热管
5.1.5 功能求解
2．系统解
一般采用形态综合法进行组合，将技术系统的
功能元和相应的功能元解分别作为纵横坐标列为
形态学矩阵。
功能分解可图示为树状的功能结构，即 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。
11/26/2019
5.1.4 功能分解
例5－3 激光分层实体制造设备的功能分析
驱动
形成纸型
送纸 收纸 x向扫描
传动 送纸
驱动 传动 收纸
驱动 传动
在确定的工作对象中，执行功能与工艺过 程和执行元件密切相关，需要分析其工艺过 程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。
11/26/2019
5.1.3 原理方案的总体分析
例5－1 石墨电极加工设备总体原理方案的分析
1)数控加工成型法 2)研磨成型法 3)离散堆积成型法 4)激光束聚焦法
1)现成的数控铣床 2)设计研磨机 3)设计快速成型机
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
整体加压，外压骤减，内压破壳 去壳：培育薄壳核桃；用化学方法溶壳
11/26“/2019 壳仁分离”是其总功能较合理的描述。
5.1.1 功能的描述
系统工程学用“黑箱法”(B1ack Box) 分析问 题。对于复杂的未知系统，尤如不透明不知其 内部结构的“黑箱”，可以利用外部观测，通 过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出， 了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原 理和结构。
第五章 原理方案的创新设计
11/26/2019
引言
设计一般分为产品规划、方案设计、技 术设计、施工设计等四个阶段。
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。
11/26/2019
引言
在原理方案设计过程中往往利用系统工 程的观点、方法解决复杂的问题。
系统工程方法是将事物当作一个整体系 统来研究，分析系统各组成部分之间的有 机联系和系统与外界环境的关系，是较全 面的综合研究方法。
11/26/2019
引言
明确任务
原理方案的设计
求总功能 抽象
是发散—收敛的过程。
从功能分析入手，通 总体方案分析 探索
黑箱法
创造技法、设计目录
过创新构思探求多种 方案，然后进行技术 经济评价，经优化筛
功能元解
功能元
1Hale Waihona Puke Baidu
2
3… j … n
F1
L11
L12 …
L1n1
F... 2
L..21
L22
…
L2n2
F... i
Li1
…
Lij
Fm
Lm1
Lm2
LI
LII
每个功能元的一种功能元解进行有机组合即构
成一个系统解。各功能元的解分别为n1、n2、…、 nm11个/26/2，019 则系统解最多组合出N= n1n2…nm 个方案。
11/26/2019
5.1.3 原理方案的总体分析
例5－2 螺纹加工机总体原理方案的分析
切削加工，但车削、铣削刀 具和工件运动都不同；
无切屑加工，利用滚压加 工进行搓丝，而由于执行元 件的不同，也会有不同的搓 丝机方案。
11/26/2019
5.1.4 功能分解
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。
型 层 叠 纸型叠合 合
y向扫描 压纸 粘合 z向升降
驱动 传动 辊y向位移
x向位移
排烟 测控
测高 工作状态显示
操纵
驱动 传动 y向位移
11/26/2019
5.1.5 功能求解
1．功能元解 对功能元求解，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”(详见5.2节)； 3)运用各种创造技法探索新解法。
11/26/2019
5.1.5 功能求解
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。
11/26/2019
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 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。
11/26/2019
5.1.1 功能的描述
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。 例: 取核桃仁问题的不同功能描述的原理解法。
功能描述 砸壳 压壳
壳仁分离
原理解法
外部加压：砸、夹、压、冲、射等
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
整体加压，外压骤减，内压破壳
11/26/2019
波纹管水泵
5.1.5 功能求解
(2) 利用流速与压力的关系即文丘里喉管原理。
11/26/2019
喉管原理
5.1.5 功能求解
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。
11/26/2019
惯性泵
5.1.5 功能求解
5.1.5 功能求解
例5-5 行走式挖掘机的原理方案分析
1)功能分析
物料取移
11/26/2019
取放物
驱动 传动
取放
移物
驱动 传动
取放
5.1.5 功能求解
例5-5 行走式挖掘机的原理方案分析
2)探索功能元解并列出形态学矩阵
功能元
求功能元 分解 功能树 求功能元解 搜索 创造技法、设计目录
选，求得最佳原理方
案。
系统原理解
组合 形态学矩阵
11/26/2019
最佳原理方案
收敛 评价法
5.1 功能设计法
19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师 迈尔斯首先提出功能(Function)的概念。
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。
液体增压装置，如 各种原理的净衣 不11同/26/2原019 理的水泵； 装置(包括洗衣机)
设计出光电 转换装置。
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。
驱动功能
传动功能 执行功能
测控功能
11/26/2019
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。
例5-4 输送液体原理解法分析 2) 惯性力效应
(3)虹吸原理。
11/26/2019
虹吸原理
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 3)毛细管效应
11/26/2019
热管
5.1.5 功能求解
2．系统解
一般采用形态综合法进行组合，将技术系统的
功能元和相应的功能元解分别作为纵横坐标列为
形态学矩阵。
功能分解可图示为树状的功能结构，即 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。
11/26/2019
5.1.4 功能分解
例5－3 激光分层实体制造设备的功能分析
驱动
形成纸型
送纸 收纸 x向扫描
传动 送纸
驱动 传动 收纸
驱动 传动
在确定的工作对象中，执行功能与工艺过 程和执行元件密切相关，需要分析其工艺过 程，在较大的领域内进行工作原理的搜索。
11/26/2019
5.1.3 原理方案的总体分析
例5－1 石墨电极加工设备总体原理方案的分析
1)数控加工成型法 2)研磨成型法 3)离散堆积成型法 4)激光束聚焦法
1)现成的数控铣床 2)设计研磨机 3)设计快速成型机
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
整体加压，外压骤减，内压破壳 去壳：培育薄壳核桃；用化学方法溶壳
11/26“/2019 壳仁分离”是其总功能较合理的描述。
5.1.1 功能的描述
系统工程学用“黑箱法”(B1ack Box) 分析问 题。对于复杂的未知系统，尤如不透明不知其 内部结构的“黑箱”，可以利用外部观测，通 过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出， 了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原 理和结构。
第五章 原理方案的创新设计
11/26/2019
引言
设计一般分为产品规划、方案设计、技 术设计、施工设计等四个阶段。
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。
11/26/2019
引言
在原理方案设计过程中往往利用系统工 程的观点、方法解决复杂的问题。
系统工程方法是将事物当作一个整体系 统来研究，分析系统各组成部分之间的有 机联系和系统与外界环境的关系，是较全 面的综合研究方法。
11/26/2019
引言
明确任务
原理方案的设计
求总功能 抽象
是发散—收敛的过程。
从功能分析入手，通 总体方案分析 探索
黑箱法
创造技法、设计目录
过创新构思探求多种 方案，然后进行技术 经济评价，经优化筛
功能元解
功能元
1Hale Waihona Puke Baidu
2
3… j … n
F1
L11
L12 …
L1n1
F... 2
L..21
L22
…
L2n2
F... i
Li1
…
Lij
Fm
Lm1
Lm2
LI
LII
每个功能元的一种功能元解进行有机组合即构
成一个系统解。各功能元的解分别为n1、n2、…、 nm11个/26/2，019 则系统解最多组合出N= n1n2…nm 个方案。