原理方案创新设计
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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。
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
液体增压装置，如 各种原理的净衣 设计出光电 不同原理的水泵； 装置(包括洗衣机) 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
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。
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。
例5—5 行走式挖掘机的原理方案分析
功能元是可以直接求解的系统最小组成 单元。
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
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
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。
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。
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。
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。
惯性泵
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 2) 惯性力效应 (3)虹吸原理。
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
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
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
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。
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。
功能元解
功能元
1
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、…、 nm个，则系统解最多组合出N= n1n2…nm 个方案。
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
“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。
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。
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。
5.1.5 功能求解
例5-4wk.baidu.com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。
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。
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
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
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
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
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
A动力源 B移位传动 C移位 D取物传动 E取物
功能元解
1 电动机
2
3
4
5
6
汽油机 柴油机 蒸汽透平 液动机 气动马达
第五章 原理方案的创新设计
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。
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。
齿轮传动 蜗杆传动 带传动 链传动 液力耦合器
轨道及车轮 轮胎 履带 气垫
拉杆
绳传动 气压传动 液压传动
挖斗
抓斗 钳式斗
3)方案组合 可能组合的方案数：N=6x5x4x4x3=1440
A1 -B4 -C3 -D2 -E1 -> 履带式挖掘机
A5-B5-C2-D4-E2 -> 液压轮胎式挖掘机
5.1.5 功能求解
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
4)设计激光加工机
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；
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
液体增压装置，如 各种原理的净衣 设计出光电 不同原理的水泵； 装置(包括洗衣机) 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
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。
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。
例5—5 行走式挖掘机的原理方案分析
功能元是可以直接求解的系统最小组成 单元。
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
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
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。
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。
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。
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。
惯性泵
5.1.5 功能求解
例5-4 输送液体原理解法分析 2) 惯性力效应 (3)虹吸原理。
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
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
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
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。
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。
功能元解
功能元
1
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、…、 nm个，则系统解最多组合出N= n1n2…nm 个方案。
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
“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。
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。
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。
5.1.5 功能求解
例5-4wk.baidu.com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。
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。
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
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
外部加压 内部加压：内部加压力(如通入高压气体)
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
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
A动力源 B移位传动 C移位 D取物传动 E取物
功能元解
1 电动机
2
3
4
5
6
汽油机 柴油机 蒸汽透平 液动机 气动马达
第五章 原理方案的创新设计
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。
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。
齿轮传动 蜗杆传动 带传动 链传动 液力耦合器
轨道及车轮 轮胎 履带 气垫
拉杆
绳传动 气压传动 液压传动
挖斗
抓斗 钳式斗
3)方案组合 可能组合的方案数：N=6x5x4x4x3=1440
A1 -B4 -C3 -D2 -E1 -> 履带式挖掘机
A5-B5-C2-D4-E2 -> 液压轮胎式挖掘机
5.1.5 功能求解
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
4)设计激光加工机
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；