機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法

李春明，李 煦，洪曉丹

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院機(jī)械工程系，東營(yíng) 257061；2.東營(yíng)市勝利第二中學(xué)，東營(yíng) 257051）

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法

李春明1，李 煦2，洪曉丹2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院機(jī)械工程系，東營(yíng) 257061；2.東營(yíng)市勝利第二中學(xué)，東營(yíng) 257051）

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的任何一點(diǎn)創(chuàng)新都意味著一項(xiàng)新產(chǎn)品的發(fā)明。總結(jié)了機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的理論體系。完善了計(jì)時(shí)裝置的技術(shù)綜合矩陣，補(bǔ)充了五個(gè)發(fā)明原理：機(jī)電設(shè)備代替機(jī)械傳動(dòng)、手柄操作改為按鍵式操作、伺服電機(jī)代替機(jī)械機(jī)構(gòu)、遙控技術(shù)代替按鍵操作、靜摩擦代替滑動(dòng)摩擦。分析了從資源角度進(jìn)行創(chuàng)新的思路。此研究?jī)?nèi)容對(duì)于機(jī)械的創(chuàng)新具有指導(dǎo)意義。

創(chuàng)新方法；機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；發(fā)明原理

0 引言

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械類課程當(dāng)中占有重要地位[1,2]。機(jī)械產(chǎn)品是否具有創(chuàng)新性主要取決于方案設(shè)計(jì)階段的創(chuàng)新性[3～5]。因此，機(jī)械系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)更具有實(shí)際意義。

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的理論體系包括：

1）基于功能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新過程；

2）由技術(shù)沖突獲得創(chuàng)新方向的方法；

3）由資源分析獲得創(chuàng)新方向的方法；

4）由工藝系統(tǒng)獲得創(chuàng)新方向的方法；

5）實(shí)現(xiàn)一般功能的知識(shí)庫(kù)；

6）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)構(gòu)分析；

7）功能分解和功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。

1 基于功能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新過程

系統(tǒng)的總功能是由各分功能、子功能實(shí)現(xiàn)的，對(duì)其進(jìn)行功能分解有利于逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。功能分析是描述能量、物質(zhì)、信息（三要素）的輸入與輸出關(guān)系，詳細(xì)描述三要素在特性、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)上的變化，并進(jìn)行必要的排序。

功能分解圖的結(jié)構(gòu)形狀有樹狀、串聯(lián)、并聯(lián)和環(huán)形結(jié)構(gòu)等（如圖1所示）。

針對(duì)完備的功能分解結(jié)果，逐個(gè)確定各分功能的實(shí)現(xiàn)方式。如果有的分功能已經(jīng)有了定型化的產(chǎn)品，可以直接移植，不必重復(fù)研制。

機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)通常是根據(jù)功能分解的結(jié)果，建立各分功能的原理解目錄，列舉所有導(dǎo)致功能三要素實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變的操作或原理，將其分類、排列、儲(chǔ)存，以備設(shè)計(jì)時(shí)選用。

可以將功能元和局部解作為列和行，建立技術(shù)綜合矩陣，在每一行中取1個(gè)，即可組合出一個(gè)設(shè)計(jì)方案。列舉大量的設(shè)計(jì)方案容易獲得較好的設(shè)計(jì)方案。

由表1可知，計(jì)時(shí)裝置的可能方案數(shù)為：N＝4×4×4×4×4＝1024（個(gè)）。

圖1 功能分解的結(jié)構(gòu)形式

2 由技術(shù)沖突獲得創(chuàng)新方向的方法

該內(nèi)容是TRIZ（Theory of inventive problem solving，發(fā)明問題的解決理論）的內(nèi)容，屬于創(chuàng)新技法。

在39個(gè)工程參數(shù)和40個(gè)發(fā)明原理當(dāng)中，每?jī)蓚€(gè)參數(shù)發(fā)生沖突都是制約產(chǎn)品性能的因素，可采用相應(yīng)的發(fā)明原理進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新與改造。以行標(biāo)為惡化的參數(shù)，以列標(biāo)為改善的參數(shù)，以發(fā)明原理為元素的矩陣稱為技術(shù)沖突解決矩陣。設(shè)計(jì)過程為：分析待改進(jìn)產(chǎn)品→發(fā)現(xiàn)技術(shù)沖突→將該沖突抽象化→查沖突解決原理矩陣獲得發(fā)明原理→設(shè)計(jì)出抽象解→將該抽象解具體化為領(lǐng)域解→確定設(shè)計(jì)方案。

振動(dòng)是第18個(gè)發(fā)明原理，指利用共振的創(chuàng)新方法。機(jī)械的振動(dòng)穩(wěn)定性指不發(fā)生共振的能力。共振并不局限在機(jī)械系統(tǒng)，音叉、電磁、晶體和超聲波等均具有共振現(xiàn)象。

另有五個(gè)發(fā)明原理可補(bǔ)充：

1）機(jī)電設(shè)備代替機(jī)械傳動(dòng)。機(jī)電一體化是機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)。

2）手柄操作改為按鍵式操作。操作空間大大減小，還可以附上更多提示內(nèi)容，同時(shí)通過顏色、形狀等避免誤操作。

3）伺服電機(jī)代替機(jī)械機(jī)構(gòu)。伺服直動(dòng)電機(jī)代替滑塊機(jī)構(gòu)，伺服轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)代替搖桿機(jī)構(gòu)。

4）遙控技術(shù)代替按鍵操作。隨著無(wú)線傳輸技術(shù)和弱電技術(shù)的發(fā)展，遙控的距離和信號(hào)量不斷加大，很多在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作可以采用遙控技術(shù)。

5）靜摩擦代替滑動(dòng)摩擦。滾動(dòng)摩擦屬于靜摩擦[6]，沒有相對(duì)滑動(dòng)則可大幅度減輕磨損。

表1 計(jì)時(shí)裝置的技術(shù)綜合矩陣

3 由資源分析獲得創(chuàng)新方向的方法

任何產(chǎn)品都需要耗費(fèi)一定的資源。所用的資源不同，機(jī)械的方案也不同。根據(jù)相關(guān)資源的分析，可以設(shè)計(jì)出有利于合理利用資源的方案。

資源主要有以下六類：

1）自然資源。須深入研究資源的二次利用、多次利用、按需利用等。須做到不涸澤而漁、不焚林而獵；

2）時(shí)間資源；

3）空間資源；

4）信息資源。須完整地檢測(cè)、搜集、整理、分析和利用；

5）系統(tǒng)資源。各子系統(tǒng)的資源可交互利用；

6）人力資源。加工、裝配、運(yùn)輸和維修等方面的人員。

4 結(jié)束語(yǔ)

創(chuàng)新方法來(lái)自于成熟的創(chuàng)新實(shí)例，是開放的，是可以不斷發(fā)展完善的，可應(yīng)用于創(chuàng)新工作，也可以在創(chuàng)新工作當(dāng)中得以補(bǔ)充發(fā)展。機(jī)械系統(tǒng)方案是機(jī)械的靈魂和骨架，一點(diǎn)一滴的創(chuàng)新也意味著一項(xiàng)新產(chǎn)品的誕生。

[1] 高成慧,王中任,張俊.基于三維技術(shù)的機(jī)械基礎(chǔ)系列課程的優(yōu)化整合研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(06)：74-75.

[2] 楊秀琴.談機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革創(chuàng)新[J].甘肅科技,2007, 23(11)：262-263.

[3] 王瑞芳,孟彩芳.基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,19(01)：14-17,6.

[4] 龍鳳英,魯娟,馬俊燕,廖小平.基于凸殼+橡皮筋模擬的2D布局設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014,(02)：253-255.

[5] 張莉莎,李小龍,楊松林.集控型音樂花瓣自動(dòng)啟閉裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2014,30(03)：55-58,63.

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Innovative methods of mechanical system design

LI Chun-ming1, LI Xu2, HONG Xiao-dan2

TH126

：A

：1009-0134(2017)05-0120-02

2017-02-14

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：細(xì)長(zhǎng)柔性體動(dòng)力學(xué)及其計(jì)算機(jī)仿真研究（Q2006A08）

李春明（1971 -），男，夏津人，副教授，博士后，研究方向?yàn)閯?chuàng)新方法、優(yōu)化方法和機(jī)械工程等。