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机械系统概念设计综述

机械系统概念设计综述

2004/11/2 17:41:00
1 机械系统概念设计的概念 机械系统是一个广义的概念,它是由各个机械基本要素组成的,完成所需的动作(或动作过程)、实现机械能的变化、代替人类劳动的系统。为了在现代机械系统的设计过程中,更好的体现机械系统的整体性、相关性、层次性、目的性和环境适应性,使得各个机械基本要素之间组合更完美,最后能很好的实行某种特定的功能,就必须进行机械系统的概念设计。 概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个发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的、可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。无论简单亦或复杂的机械系统,都是通过一个或一组工艺动作实现其功能。因此在机械设备的设计中,其中首要的一步是生成机械运动系统的方案。机械系统概念设计是利用概念设计的方法,将机械运动系统的功能逐步分解,产生其运动系统的一个或一组工艺动作的行为,然后将行为映射为相匹配的结构,产生机械系统的运动方案。 2 机械系统概念设计的主要内容 2.1 功能分析与功能结构设计 (1) 功能抽象化:把市场需求和用户要求通过分析,进行功能抽象,突出任务核心和摆脱因循守旧,将会有利于找出新颖的方案; (2) 功能分解:将功能进行分解,使其得到合适的若干子功能,分解过程一定程度上也是创新过程; (3) 功能结构图设计:将个子功能的抽象关系确定后,进行功能结构图的构思和设计。 2.2 工艺动作的分解和构思 实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的,即一系列工艺动作的目的是完成所需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如,缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能,它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如啤酒灌装机的灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能,可用对应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现,因而工艺动作的构思是也是相当重要的。例如,在制袋充填封口机中,如直接模拟手工制袋动作,则机构动作非常复杂。但是如果利用相对运动原理逆反思索方法,将制袋成形器采用不动的象鼻形,而塑料薄膜作相对运动,就会是制袋机构大为简化。 2.3 执行机构系统方案构思与设计 实现功能的工艺动作,在机械系统中是靠若干个执行机构来完成的。机械产品概念设计最终归纳为机械运动方案设计,也是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它分为三部分:动力子系统、传动及执行机构子系统和控制子系统。传动及执行机构子系统是方案设计的核心。其中传动机构和执行机构越来越紧密地连接在一起,而且许多机构同时担负传动和执行的作用,无法分割。 3 机械系统概念设计的基本方法 3.1 系统设计方法 系统设计是将机械产品看作一个技术系统,用系统工程方法对机械系统运动方案进行分析和综合。机械系统运动方案是以一定的工艺动作过程来实现机械系统的功能。机械系统运动方案中实现工艺动作过程各个执行动作的相应的执行机构均是系统中的各个子系统。各子系统与系统整体之间是密切相联的,通过各个子系统的配合和协调使系统达到机械系统运动方案的最优目标。由此获得最佳的方案设计。 3.2 层次分析方法 层次分析方法是首先通过构造机械运动方案的层次结构模型,然后建立判断矩阵,计算相对权重,再判断矩阵一致性检验,最后计算组合权重,并通过组合权重的对比,得到决策方案的优顺序,从而确定最优的方案设计。 3.3 形态综合法 形态综合法,是一种系统搜索的方法。它的 思维方式属于“穷尽列举法”。形态综合法是系统地对多种因素可能的排列组合进行搜索,找到一切可能 存在的方案,以免丢失有潜力的方案。 4 概念设计与创造性思维和技术创新 4.1 创造性思维及其特点 要设计就要有创新,而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维,变换角度,开阔视野,才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维,即通过思维,不仅能揭示事物的本质,而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有发散思维和收敛思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维、侧向思维和逆向思维等多种形式。在机械系统概念设计中,要努力发掘创造性思维的能力,充分注意发散思维和收敛思维的辨证统一,准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合,善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”,正确采纳侧向思维和逆向思维的思想模式,这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。 创造性思维具有如下一些特点:    (1)独创性:创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念,以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑,敢于向传统的陈规旧习挑战,敢于否定自己思想上的“框框”, 从新的角度分析问题、认识问题。 (2)连动性:创造性思维又是一种连动思维,它引导人们由已知探索未知,开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考,探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物,从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法,分析其相反的方面,从顺推到逆推,从另一角度探索新的途径。 (3)多向性:创造性思维要求向多个方向发展,寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散;也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。 (4)善于想象:创造性思维要求思维者善于想象,善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象,善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言:“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。”只有善于想象,才有可能跳出现有事实的圈子,才有可能创新。 (5)突发性:直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断,出现思想的飞跃,突然闪现出一种新设想、新观念,使对问题的思考突破原有的框架,从而使问题得以解决。 (6)理想性:创造性思维要求思维者思考问题时要力争简化,制订产品计划任务书要突出,研究工作要十分精辟,设计结果要非常准确。 4.2 概念设计呼唤技术创新 技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在机械系统中发现某种新事物、提出某种新思想,在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会(用户)的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发,是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格,不局限也不依赖于某种特定的模式,以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤: (1)多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果; (2)对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破; (3)突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术; (4)新知识与现有知识的合理嫁接; (5)产品功能上的兼收并蓄和去粗取精; (6)学科间的交叉、交融和借鉴; (7)新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用; (8 科学研究中的新发现和新成果应用于机械系统中……。 由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法: 智力激励法:又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智,引起创造性思维的连锁反应; 提问追溯法:根据研究对象系统地列出有关问题,逐个核对讨论,从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想,或是针对新开发产品的希望点(或缺点),逐点深入分析,寻找解决问题的新途径; 联想类推法:通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同,从而产生创造性思维和创新的方案; 反向探求法:采用背离惯常的思考方法,通过逆向思维、转换构思,从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径; 系统搜索法:从一个初始状态开始,分析影响系统的各个参量,逐步向前搜索,或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解; 组(综)合创新法:将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化,或者通过已知的东西做媒介,将毫无关联的不同知识要素结合起来,摄取各种产品的长处使之综合在一起,形成具有创新性的设计技术思想或新产品; 知识链接法:创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流,它包括知识的产生、开发、转移和应用,这四个阶段构成一条“知识供应链” 并按照下述原则进行管理:把技术创新过程作为一个集成化的系统,只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起,才能发挥最大作用,这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求,知识转移的特征和形式是什么,最终用户是谁,他们何时需要使用这些知识?涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的,在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈,使信息交换更为有效,知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益,认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。 5 机械系统概念设计中的技术创新设计示例 在机械系统概念设计的机械系
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