机械系统方案设计的创新方法

李春明，李 煦，洪晓丹

（1.中国石油大学（华东） 中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院机械工程系，东营 257061；2.东营市胜利第二中学，东营 257051）

机械系统方案设计的创新方法

李春明1，李 煦2，洪晓丹2

（1.中国石油大学（华东） 中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院机械工程系，东营 257061；2.东营市胜利第二中学，东营 257051）

机械系统方案设计的任何一点创新都意味着一项新产品的发明。总结了机械系统方案设计的理论体系。完善了计时装置的技术综合矩阵，补充了五个发明原理：机电设备代替机械传动、手柄操作改为按键式操作、伺服电机代替机械机构、遥控技术代替按键操作、静摩擦代替滑动摩擦。分析了从资源角度进行创新的思路。此研究内容对于机械的创新具有指导意义。

创新方法；机械系统方案设计；发明原理

0 引言

机械创新设计在机械类课程当中占有重要地位[1,2]。机械产品是否具有创新性主要取决于方案设计阶段的创新性[3～5]。因此，机械系统方案的创新设计更具有实际意义。

机械系统方案设计的理论体系包括：

1）基于功能实现的创新过程；

2）由技术冲突获得创新方向的方法；

3）由资源分析获得创新方向的方法；

4）由工艺系统获得创新方向的方法；

5）实现一般功能的知识库；

6）实现运动功能的机构分析；

7）功能分解和功能实现的实例。

1 基于功能实现的创新过程

系统的总功能是由各分功能、子功能实现的，对其进行功能分解有利于逐个实现。功能分析是描述能量、物质、信息（三要素）的输入与输出关系，详细描述三要素在特性、状态和结构上的变化，并进行必要的排序。

功能分解图的结构形状有树状、串联、并联和环形结构等（如图1所示）。

针对完备的功能分解结果，逐个确定各分功能的实现方式。如果有的分功能已经有了定型化的产品，可以直接移植，不必重复研制。

机械系统的方案设计通常是根据功能分解的结果，建立各分功能的原理解目录，列举所有导致功能三要素实现转变的操作或原理，将其分类、排列、储存，以备设计时选用。

可以将功能元和局部解作为列和行，建立技术综合矩阵，在每一行中取1个，即可组合出一个设计方案。列举大量的设计方案容易获得较好的设计方案。

由表1可知，计时装置的可能方案数为：N＝4×4×4×4×4＝1024（个）。

图1 功能分解的结构形式

2 由技术冲突获得创新方向的方法

该内容是TRIZ（Theory of inventive problem solving，发明问题的解决理论）的内容，属于创新技法。

在39个工程参数和40个发明原理当中，每两个参数发生冲突都是制约产品性能的因素，可采用相应的发明原理进行产品的创新与改造。以行标为恶化的参数，以列标为改善的参数，以发明原理为元素的矩阵称为技术冲突解决矩阵。设计过程为：分析待改进产品→发现技术冲突→将该冲突抽象化→查冲突解决原理矩阵获得发明原理→设计出抽象解→将该抽象解具体化为领域解→确定设计方案。

振动是第18个发明原理，指利用共振的创新方法。机械的振动稳定性指不发生共振的能力。共振并不局限在机械系统，音叉、电磁、晶体和超声波等均具有共振现象。

另有五个发明原理可补充：

1）机电设备代替机械传动。机电一体化是机械产品发展的趋势。

2）手柄操作改为按键式操作。操作空间大大减小，还可以附上更多提示内容，同时通过颜色、形状等避免误操作。

3）伺服电机代替机械机构。伺服直动电机代替滑块机构，伺服转动电机代替摇杆机构。

4）遥控技术代替按键操作。随着无线传输技术和弱电技术的发展，遥控的距离和信号量不断加大，很多在危险环境中的操作可以采用遥控技术。

5）静摩擦代替滑动摩擦。滚动摩擦属于静摩擦[6]，没有相对滑动则可大幅度减轻磨损。

表1 计时装置的技术综合矩阵

3 由资源分析获得创新方向的方法

任何产品都需要耗费一定的资源。所用的资源不同，机械的方案也不同。根据相关资源的分析，可以设计出有利于合理利用资源的方案。

资源主要有以下六类：

1）自然资源。须深入研究资源的二次利用、多次利用、按需利用等。须做到不涸泽而渔、不焚林而猎；

2）时间资源；

3）空间资源；

4）信息资源。须完整地检测、搜集、整理、分析和利用；

5）系统资源。各子系统的资源可交互利用；

6）人力资源。加工、装配、运输和维修等方面的人员。

4 结束语

创新方法来自于成熟的创新实例，是开放的，是可以不断发展完善的，可应用于创新工作，也可以在创新工作当中得以补充发展。机械系统方案是机械的灵魂和骨架，一点一滴的创新也意味着一项新产品的诞生。

[1] 高成慧,王中任,张俊.基于三维技术的机械基础系列课程的优化整合研究[J].制造业自动化,2012,34(06)：74-75.

[2] 杨秀琴.谈机械设计课程改革创新[J].甘肃科技,2007, 23(11)：262-263.

[3] 王瑞芳,孟彩芳.基于网络的机械系统方案创新设计模型的研究[J].机械设计与研究,2003,19(01)：14-17,6.

[4] 龙凤英,鲁娟,马俊燕,廖小平.基于凸壳+橡皮筋模拟的2D布局设计方法[J].机械设计与制造,2014,(02)：253-255.

[5] 张莉莎,李小龙,杨松林.集控型音乐花瓣自动启闭装置的设计与研究[J].机械设计与研究,2014,30(03)：55-58,63.

[6] 李春明.摩擦力分类及压杆失效的新概念[J].制造业自动化, 2015,37(23)：85-86,91.

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

山东省自然科学基金资助项目：细长柔性体动力学及其计算机仿真研究（Q2006A08）

李春明（1971 -），男，夏津人，副教授，博士后，研究方向为创新方法、优化方法和机械工程等。