机电一体化系统设计课件(第4章).ppt

1、1第 4章 概念设计(concepts)概念设计是根据对产品功能的要求，进行满足功能要求的工作原理求解和进行实现功能要求的原理解的载体方案的构思和设计 概念设计的过程是一个分散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标、可能存在和各种方案并最终确定综合最优方案的过程 41 机电一体化系统的概念产生方法概念产生(generating concepts)的要点是在掌握基本概念的基础上创造性的形成满足功能和布局要求的具体概念。3概念产生方法 分类 传统原理求解的手段包括查阅文献、分析己知技术系统、类比考察等，以及偏重逻辑思维的方法，如设计目录法等 偏重于直觉的方法，如智力激励

2、法、635法、联想法等 TRIZ 方法4411 头脑风暴法 美国学者阿历克斯奥斯本。他于1938年首次提出头脑风暴法。这是一种集体开发创造性思维的方法。头脑风暴法力图通过一定的讨论程序与规则来保证创造性讨论的有效性,5头脑风暴法讨论程序 准备：1.确定议题2.会前准备3.确定人选4.明确分工5.规定纪律6.掌握时间。进行：1.自由畅谈2.延迟评判3.禁止批评4.追求数量。6412 TRIZ方法 TRIZ(The Theory of Innovation Problem Solving)是俄语“发明问题解决理论”的首字母英语置换词。-发明式解决问题方法创造性解决问题方法 它是由前苏联发明家、科学

3、家G.S.Altshuller领导的研究人员经历了五十年的时间，分析了世界上近250万件专利，并综合了多学科领域的原理和法则后，建立起的理论体系。-经验式理论-好用 72.技术系统的发展规律（1）技术系统的发展遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期 （2）有不断完善的倾向。（3）系统中各子系统的发展不均衡，从而导致(子系统间)冲突。（4）不断提高动态性和可控制性。8技术系统的发展规律（5）提高复杂性，再通过集成加以简化。（6）零部件总是处于匹配和失配状态（7）从宏观系统向微观系统演变，运用能量场实现更好的性能或控制（8）提高自动化水平，降低人类的参与。9理想度分析 理想度(Ideality)是T

4、RIZ理论的一个核心概念 定义如下:其中Uj是指系统的有用结果，包括系统发挥作用的所有有价值的结果;Hj是指系统的有害结果，包括不希望的费用、能量消耗、污染和危险等等。jjHUI10系统内部冲突分析 如果要改进系统的某一部分属性，必然引起其它的某些属性恶化，就好像天平一样，一端翘起，另一端必然下沉。对于冲突问题，通常的解决方案是采用折衷的方法，而TRIZ则强调运用创造性的思维把冲突彻底消除。隐含的系统冲突数量是有限的 11表4-1 TRIZ方法的39个参数 1.增加物体的重量2.不移动物体的重量3.移动物体的长度4.不移动物体的长度5.移动物体的面积6.不移动物体的面积7.移动物体的体积8.不

5、移动物体的体积9.速度10.力量11.压力12形状13.物体稳定性14.强度15.移动物体的持久性16.不移动物体的持久性17.温度18.亮度19.移动物体所耗能量20.不移动物体所耗能量21.功率22.能量损耗23.物质损耗24.信息丢失25.时间消耗26.物质量27.可靠性28.测量的精确性29.制造精确性30.影响物体的有害因素31.有害的副作用32.可制造性33.使用方便性34.可维修性35.适应性36.装置复杂性37.控制复合性38.自动化水平39.生产率123.解决问题的方法解决问题方法有已知方案：类推没有已知的解决方案：发明性问题 至少包含一对冲突或矛盾，即如果问题的一个参数被改

6、进，那么另一个参数可能会恶化 13 图4-1 解决问题的一般方法 14表4-2-1 TRIZ方法的40个发明原理1.分割2.拆出3.局部性质4.不对称5.联合6.多功能7.嵌套8.反重量9.优先考虑反作用10.预先作用11.预先铺垫12.均势13.倒置14.球型化15.动态性16.采取部分的过分的作用17.改变移动方向18.机械振动19.采取周期的作用20.有效作用的持续性15表4-2-2 TRIZ方法的40个发明原理21.跃过22.变害为益23.反馈24.中介25.自我服务26.复制27.用低廉的、短寿命的代替昂贵的、耐用的28.机械系统的替代29.采用空气的或液压￥的结构30.采用柔性的薄

7、膜31.采用多孔材料32.改变颜色33.同类性34.部分剔除和再生35.改变物体聚合态36.相态变换37.热膨胀38.使用强氧化剂39.采用惰性介质40.复合材料16(1)分割原则 将物体分成独立的部分,使物体成为可拆卸的,增加物体的分割程度。例：货船分成同型的几个部分，必要时，可将船加长些或变短些 17(2)拆出原则 从物体中拆出“干扰部分(”干扰“特性)或者相反，分出唯一需要的部分或需要的特性。与上述把物体分成几个相同部分的技法相反，这里是要把物体分成几个不同的部分 例，一般小游艇的照明和其他用电是艇上发动机带动发电机供给的为了停泊时能继续供电，要安装一个由内燃机传动的辅助发电机发动机必然

8、造成噪音和振动。建议将发动机和发电机分置于距游艇不远的两个容器里，用电缆连接 18(3)局部性质原则 从物体或外部介质(外部作用)的一致结构过渡到不一致结构,物体的不同部分应当具有不同的功能,物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件 例：为了防治矿山坑道里的粉尘，向工具(钻机和料车的工作机构)呈锥体状喷洒小水珠。水珠愈小，除尘效果愈好但小水珠容易形成雾，这使工作困难解决办法：环绕小水珠锥体外层再造成一层大水珠。19(4)不对称原则 物体的对称形式转为不对称形式,如果物体不是对称的，则加强它的不对称程度。例：防撞汽车轮胎具有一个高强度的侧缘，以抵抗人行道路缘石的碰撞。20（5）联合原则 把相同的

9、物体或完成类似操作的物体联合起来，把时间上相同或类似的操作联合起来。例：双联显微镜组；由一个人操作，另一个人观察和记录。21（6）多功能原则 一个物体执行多种不同功能，因而不需要其他物体。例：提包的提手可同时作为拉力器 22（7）嵌套原则 一个物体位于另一物体之内，而后者又位于第三个物体之内，等等。一个物体通过另一个物体的空腔。例：弹性振动超声精选机是由两个互相夹紧的半波片构成。其特征是，为了减小精选机的长度和增大它的稳定性，两个半波片制成相互套在一起的空锥体 23（8）反重量原则 将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消其重量，将物体与介质(最好是气动力和液动力)相互作用以抵消其重量。例：氢气

10、球吊起广告牌 例：调节转子风力机转数的制动式离心调节器安在转子垂直轴上。其特征是：为了在风力增大时把转子转速控制在小的转数范围内，调节器离心片做成叶片状，以保证气动制动 24（9）预先反作用原则 如果按课题条件必须完成某种作用，则应提前完成反作用。例：杯形车刀车削方法是：在车削过程中车刀绕自己的几何轴转动。其特征是为了防止产生振动，应预先向杯形车刀施加负荷力，此力应与切削过程中产生的力大小相近，方向相反 25（10）预先作用原则 预先完成要求的作用(整个的或部分的)，预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用 例：用等离子束加工无机材料如光纤。其特征是：为提高机械强度，

11、预先往无机材料上涂敷碱金属或碱土金属的溶液或熔融体 26（11）预先铺垫原则：以事先准备好的应急手段补偿物体的低可靠性 例：用等离子束加工无机材料如光纤。其特征是：为提高机械强度，预先往无机材料上涂敷碱金属或碱土金属的溶液或熔融体 27（12）均势原则 改变工作条件，使物体上升或下降 有一种装置不必使沉重的压模升降；这种装置是在压床上安装了带有输送轨道的附件 28（13）倒置原则 不实现课题条件规定的作用而实现相反的作用。使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使不动的成为可动的。将物体颠倒。它的过滤器是相反的：对液体或气体进行机械清洗的电磁过滤器，它包括有磁场源和颗粒状磁性材料制的过滤元件，

12、其特征是，为降低单位耗 电量和提高生产率，过滤元件放在磁场源的周围，以形成外部闭式磁路。29（14）球形原则 从直线部分过渡到曲线部分，从平面过渡到球面，从正六面体或平行六面体过渡到球形结构，利用棍子、球体、螺旋。从直线运动过渡到旋转运动，利用离心力。例：把管子焊入管栅的装置具有滚动球形电极。30（15）动态原则 物体(或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的。将物体分成彼此相对移动的几个部分。使不动的物体成为动的 例：用带状电焊条进行自动电弧焊的方法，其特征是，为了能大范围地调节焊池的形状和尺寸，把电焊条沿着母线弯曲，使其在焊接过程中成曲线形状 31（16）局部作用或过量作用原则

13、 如果难于取得百分之百所要求的功效，则应当取得略小或略大的功效。此时可能把课题大大简化。32（17）向另一维度过渡的原则 如果物体作线性运动（或分布）有困难，则使物体在二维度(即平面)上移动。相应地，在一个平面上的运动(或分布)可以过渡到三维空间。利用多层结构替代单层结构。将物体倾斜或侧置。利用指定面的反面。利用投向相邻面或反面的光流。例：越冬圆木在圆形停泊场水中存放，其特征是，为了增大停泊场的单位容积，和减小受冻木材的体积，将圆木扎成捆，其横截面的宽和高超过圆木的长度，然后立着放 33（18）机械振动原则 使物体振动。如果巳在振动，则提高它的振动频率(达到超声波频率)。利用共振频率。用压电振

14、动器替代机械振动器。利用超声波振动同电磁场配合。例：无锯末断开木材的方法，其特征是，为减少工具进入木材的力，使用脉冲频率与被断开木材的固有振动频率相近的工具 34（19）周期作用原则 从连续作用过渡到周期作用(脉冲)，如果作用已经是周期的，则改变周期性。利用脉冲的间歇完成其他作用。例：用热循环自动控制薄零件的触点焊接方法是基于测量温差电动势的原理。其特征是，为提高控制的准确度，用高频率脉冲焊接时，在焊接电流脉冲的间隔测量温差电动势 35（20）连续有益作用原则 连续工作(物体的所有部分均应一直满负荷工作)。消除空转和间歇运转。例：加工两个相交的圆柱形的孔如加工轴承分离环的槽的方法，其特征是，为

15、提高加工效率，使用在工具的正反行程均可切削的钻头(扩孔器)36（21）跃过原则 高速跃过某过程或其个别阶段(如有害的或危险的)。例：产胶合板时用烘烤法加工木材，其特征是，为保持木材的本性，在生产胶合板的过程中直接用300600C 的燃气火焰短时作用于烘烤木材 37（22）变害为益原则 利用有害因素(特别是介质的有害作用)获得有益的效果。通过有害因素与另外几个有害因素的组合来消除有害因素。将有害因素加强到不再是有害的程度。例：恢复冻结材料的颗粒状的方法，其特征是，为加速恢复材料的颗粒和降低劳动强度，使冻结的材料经受超低温作用 38（23）反馈原则 进行反向联系反馈。如果已有反向联系反馈，则改变它

16、。自动调节硫化物沸腾层焙烧温度规范的方法是随温度变化改变所加材料的流量，其特征是，为提高控制指定温度值的动态精度，随废气中碥含量的变化而改变材料的供给量 39（24）中介原则 利用可以迁移或有传送作用的中间物体，把另一个(易分开的)物体暂时附加给某一物体。校准在稠密介质由测量动态张力仪器的方法是在静态条件下装入介质样品及置入样品中的仪器。其特征是，为提高校准精度，应利用一个柔软的中介元件把样品及其中的仪器装入 40（25）自我服务原则 物体应当为自我服务，完成辅助和修理工作。利用废料(能量的和物质的)。例，一般都是利用专门装置供给电焊枪中的电焊条建议利用电焊电流工作的螺旋管供给电焊条。41（2

17、6）复制原则 用简单而便宜的复制品代替难以得到的、复杂的、昂贵的、不方便的或易损坏的物体。用光学拷贝(图像）代替物体或物体系统。此时要改变比例(放大或缩小复制品)。如果利用可见光的复制品，则转为红外线的或紫外线的复制。例：大地测量学直观教具是一个平面艺术全景。其特征是：为进行地形图像全景测量摄影，教具按视距摄影数据制成，并声地形的有代表性的各点上配备缩微视距尺 42（27）用廉价的不持久性代替昂贵的持久性原则 用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质(如持久性)。例：一次性的捕鼠器是一个带诱饵的塑料管；老鼠通过圆锥形孔进入捕鼠器，孔壁是可伸直的，老鼠只能进，不能出 4328代替力学原理原则

18、代替力学原理原则 用光学，声学等设计原理代替力学设计原理。用电场、磁场和电磁场同物体相互作用。由恒定场转向不定场，由时间固定的场转向时间变化的场，由无结构的场转向有一定结构的场。利用铁磁颗粒组成的场例：在热塑材料上涂金属层的方法是将热塑材料同加热到超过它的熔点的金属粉末接触，其特征是，为提高涂层与基底的结合强度及密实性，在电磁场中进行此过程(44（29）利用气动和液压结构的原则 用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分，如充气和充液的结构，气枕，静液的和液体反冲的结构 例：为使船的推进器轴同螺杆套连接，在轴内作一槽，槽内放一弹性空容器(窄气袋)如果此容器充进压缩空气，则胀大并将螺杆套挤到推进器

19、轴上 45（29）利用气动和液压结构的原则 用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分，如充气和充液的结构，气枕，静液的和液体反冲的结构 例：为使船的推进器轴同螺杆套连接，在轴内作一槽，槽内放一弹性空容器(窄气袋)如果此容器充进压缩空气，则胀大并将螺杆套挤到推进器轴上 46（30）利用软壳和薄膜原则 利用软壳和薄膜代替一般的结构。用软壳和薄膜使物体同外部介质隔离。例：充气混凝土制品的成型方法是在模型里浇注原料，然后在模中静置成型。其特征是，为提高膨胀程度，在浇注模型里的原料上罩以不透气薄膜 47 （31）利用多孔材料原则 把物体作成多孔的或利用附加多孔元件(镶嵌，覆盖，等等)。如果物体是多孔的，

20、事先用某种物质填充空孔。例，电机蒸发冷却系统的特征是，为了消除给电机输送冷却剂的麻烦，活动部分和个别绪构元件由多孔材料制成，例如渗入了液体冷却剂的多孔粉末钢，在机器工作时冷却剂蒸发，因而保证了短时、有力和均匀的冷却 48（32）改变颜色原则 改变物体或外部介质的颜色。改变物体或外部介质的透明度。为了观察难以看到的物体或过程，利用染色添加剂。如果已采用了这种添加剂，则采用荧光粉。透明绷带不必取掉便可观察伤情。49（33）同类性原则 同指定物体相互作用的物体应当用同一(或性质相近的)材料制成。例：获得固定铸模的方法是用铸造法按芯模标准件形成踌模的工作腔。其特征是，为了补偿在此铸模中成型的制品的收缩

21、，芯模和铸模用与制品相向的材料制造(5034部分剔除和再生原则部分剔除和再生原则 已完成自己的使命或已无用的物体部分应当剔除(溶解蒸发等)或在工作过程中直接变化。消除的部分应当在工作过程中直接再生。例：检查焊接过程的高压区的方法是向高温区加入光导探头。其特征是，为改善在电弧焊和电火花焊接过程中检查高温区的可能性，利用可熔化的探头它以不低于自己熔化速度的速度被不断地送人检查的高温区 51（35）改变物体聚合态原则 这里包括的不仅是简单的过渡，例如从固态过渡到液态，还有向“假态”(假液态)和中间状态的过渡，例如采用弹性固体。降落跑道的减速地段建成浴盆形式，里面充满粘性液体，上面再铺上厚厚一层弹性物

22、质。52（36）相变原则 利用相变时发生的现象，例如体积改变，放热或吸热。例：密封横截面形状各异的管道和管口的塞头，其特征是，为了规格统一和简化结构，塞头制成杯状，里面装有底熔点合金。合金凝固时膨胀，从而保证了结合处的密封性 53（37）利用热膨胀原则 利用材料的热膨胀(或热收缩)。利用一些热膨胀系数不同的材料。例：苏联发明证书463423：温室盖用铰链连接的空心管制造，管中装有易膨胀液体。温度变化时，管子重心改变，目此管子自动升起和降落。54（38）利用强氧化剂原则 用富氧空气代替普通空气。用氧气替换富氧空气。用电离辐射作用于空气或氧气。用臭氧化了的氧气。用臭氧替换臭氧化的(或电离的)氧气。

23、例：利用在氧化剂媒介中化学输气反应法制取铁箔。其特征是，为了增强氧化和增大镜箔的均一性，该过程在臭氧媒质中进行 55（39）采用惰性介质原则 用惰性介质代替普通介质。在真空中进行某过程。该技法与上述技法正好相反。例：预防棉花在仓库中燃烧的方法，其特征是，为提高棉花贮存的可靠性，在向贮存地点运输的过程中用惰性气体处理棉花(56（40）利用混合材料原则：由同种材料转为混合材料。由同种材料转为混合材料。例：在热处理时，为保证规定的冷却速度，采用介质做金属冷却剂，其特征是，冷却剂由气体在液体中的悬浮体构成 5742 概念方案的形态分析 方案的对象包括功能结构和框架结构。方案的产生要求有尽量多的可能解决

24、方案。要求有一个很好的排列各种方案的方法。常用方法是形态分析（morphological Analysis）。它是一个矩阵表格，列是来自于功能结构和框架结构的部件排列，行是各种可能的解决方案。58形态分析（morphological Analysis）1.考察机电一体化系统的功能结构中的每个功能和框架结构中的每个组件。2.列出功能和组件作为矩阵的列。3.在矩阵的第一列，输入功能和组件的解决方案。4.针对每个功能和组件使用方案产生方法并记在矩阵的列中。5.把每个功能和组件的解决方案范围映射到一个分类方案中。判断解决方案是不是分布很好。如果分布很集中，就要进一步产生新的解决方案。6.当良好分布的构

25、思和技术体现在矩阵中后，把这些构思组合到一起就形成了不同的方案分布。这个方法的示意图参见表8-1。59 表4-1 通用形态矩阵格式 解决方案子功能123 n1234m60表4-2 电动小车的形态分析图 解决方案子功能123微处理器AT89C51C8051F020TMS320LF2407人机接口键盘+1602LCD键盘+128*64LCD320*240LCD+触摸屏电力电子器件晶体管+PWMMOSFET+PWML298+PWM传感器红外光电传感器光敏电阻 驱动部件步进电机直流减速电机执行部件履带行走系统轮式行走系统电源充电电池锂电池6143 概念方案的选择 不同的技术，有不同的方案，也会有不同的

26、结果。要对这些不同方案的组合加以评估。通过系统的方案选择方法（Pugh chart）进行决策 62系统的方案选择方法（Pugh chart）进行决策，具体步骤 1 形成一致同意的判据和有关备选的方案 2 选择基准方案 3评分与评估 63表4-3 概念方案选择方法)(iP)(iN 概念基准方案B方案C方案D方案判据判据10判据20判据30判据40判据500+0-064 表4-4 微处理器的选择)(iP)(iN 概念方案C8051F020AT89C51TMS320LF2407判据主频0-+位数00+内置外设0-0调试便利性0-芯片熟悉度00-价格0+-00+20-3-30-2-165习题与思考题 说明概念设计在产品开发中处于怎样的阶段。头脑风暴法和TRIZ方法不同之处是什么？如何使用头脑风暴法和TRIZ方法来产生概念设计？对附录一的运水机器人进行概念产生设计。对附录一的运水机器人进行概念选择设计