李春明，李 煦，洪曉丹

（1.中國石油大學（華東） 中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院機械工程系，東營 257061；2.東營市勝利第二中學，東營 257051）

機械系統方案設計的創(chuàng)新方法

李春明1，李 煦2，洪曉丹2

（1.中國石油大學（華東） 中國石油大學勝利學院機械與控制工程學院機械工程系，東營 257061；2.東營市勝利第二中學，東營 257051）

機械系統方案設計的任何一點創(chuàng)新都意味著一項新產品的發(fā)明?？偨Y了機械系統方案設計的理論體系。完善了計時裝置的技術綜合矩陣，補充了五個發(fā)明原理：機電設備代替機械傳動、手柄操作改為按鍵式操作、伺服電機代替機械機構、遙控技術代替按鍵操作、靜摩擦代替滑動摩擦。分析了從資源角度進行創(chuàng)新的思路。此研究內容對于機械的創(chuàng)新具有指導意義。

創(chuàng)新方法；機械系統方案設計；發(fā)明原理

0 引言

機械創(chuàng)新設計在機械類課程當中占有重要地位[1,2]。機械產品是否具有創(chuàng)新性主要取決于方案設計階段的創(chuàng)新性[3～5]。因此，機械系統方案的創(chuàng)新設計更具有實際意義。

機械系統方案設計的理論體系包括：

1）基于功能實現的創(chuàng)新過程；

2）由技術沖突獲得創(chuàng)新方向的方法；

3）由資源分析獲得創(chuàng)新方向的方法；

4）由工藝系統獲得創(chuàng)新方向的方法；

5）實現一般功能的知識庫；

6）實現運動功能的機構分析；

7）功能分解和功能實現的實例。

1 基于功能實現的創(chuàng)新過程

系統的總功能是由各分功能、子功能實現的，對其進行功能分解有利于逐個實現。功能分析是描述能量、物質、信息（三要素）的輸入與輸出關系，詳細描述三要素在特性、狀態(tài)和結構上的變化，并進行必要的排序。

功能分解圖的結構形狀有樹狀、串聯、并聯和環(huán)形結構等（如圖1所示）。

針對完備的功能分解結果，逐個確定各分功能的實現方式。如果有的分功能已經有了定型化的產品，可以直接移植，不必重復研制。

機械系統的方案設計通常是根據功能分解的結果，建立各分功能的原理解目錄，列舉所有導致功能三要素實現轉變的操作或原理，將其分類、排列、儲存，以備設計時選用。

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

由表1可知，計時裝置的可能方案數為：N＝4×4×4×4×4＝1024（個）。

圖1 功能分解的結構形式

2 由技術沖突獲得創(chuàng)新方向的方法

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

在39個工程參數和40個發(fā)明原理當中，每兩個參數發(fā)生沖突都是制約產品性能的因素，可采用相應的發(fā)明原理進行產品的創(chuàng)新與改造。以行標為惡化的參數，以列標為改善的參數，以發(fā)明原理為元素的矩陣稱為技術沖突解決矩陣。設計過程為：分析待改進產品→發(fā)現技術沖突→將該沖突抽象化→查沖突解決原理矩陣獲得發(fā)明原理→設計出抽象解→將該抽象解具體化為領域解→確定設計方案。

振動是第18個發(fā)明原理，指利用共振的創(chuàng)新方法。機械的振動穩(wěn)定性指不發(fā)生共振的能力。共振并不局限在機械系統，音叉、電磁、晶體和超聲波等均具有共振現象。

另有五個發(fā)明原理可補充：

1）機電設備代替機械傳動。機電一體化是機械產品發(fā)展的趨勢。

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容，同時通過顏色、形狀等避免誤操作。

3）伺服電機代替機械機構。伺服直動電機代替滑塊機構，伺服轉動電機代替搖桿機構。

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

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

表1 計時裝置的技術綜合矩陣

3 由資源分析獲得創(chuàng)新方向的方法

任何產品都需要耗費一定的資源。所用的資源不同，機械的方案也不同。根據相關資源的分析，可以設計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）時間資源；

3）空間資源；

4）信息資源。須完整地檢測、搜集、整理、分析和利用；

5）系統資源。各子系統的資源可交互利用；

6）人力資源。加工、裝配、運輸和維修等方面的人員。

4 結束語

創(chuàng)新方法來自于成熟的創(chuàng)新實例，是開放的，是可以不斷發(fā)展完善的，可應用于創(chuàng)新工作，也可以在創(chuàng)新工作當中得以補充發(fā)展。機械系統方案是機械的靈魂和骨架，一點一滴的創(chuàng)新也意味著一項新產品的誕生。

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

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

[3] 王瑞芳,孟彩芳.基于網絡的機械系統方案創(chuàng)新設計模型的研究[J].機械設計與研究,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布局設計方法[J].機械設計與制造,2014,(02)：253-255.

[5] 張莉莎,李小龍,楊松林.集控型音樂花瓣自動啟閉裝置的設計與研究[J].機械設計與研究,2014,30(03)：55-58,63.

[6] 李春明.摩擦力分類及壓桿失效的新概念[J].制造業(yè)自動化, 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

山東省自然科學基金資助項目：細長柔性體動力學及其計算機仿真研究（Q2006A08）

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