机械系统方案设计的创新方法

　机械创新设计在机械类课程当中占有重要地位。
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。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。

图1 功能分解的结构形式
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）。

表1 计时装置的技术综合矩阵
2、由技术冲突获得创新方向的方法
该内容是TRIZ（Theoryofinventiveproblemsolving，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，没有相对滑动则可大幅度减轻磨损。
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。