机电产品规划与创新课程大作业

《机械产品规划与创新》

课程大作业

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一、论述题

1.详细论述机电产品开发的一般过程

机电产品开发的一般过程主要分为六部分：发现需求、项目计划、确定工程任务书、概念设计、产品开发、产品支持。

（1）发现需求（Product Discovery）

产品在开始设计前，必须首先对产品的需求确定。主要有两个来源：市场，或者对还没有市场需要的新产品想法的开发。

（2）项目计划（Product Planning）

对项目做一个计划来安排和调拨时间、资金及人力资源。项目计划也就是得出一张表示产品设计过程活动流程的一览表。而做项目计划往往需要以下五个步骤：确认目标；说明每一项任务目标；预估要达到目标所需要的人员、时间和其他资源；为任务制定程序；预估产品开发成本。

（3）确定工程任务书（Product Definition）

对于确定工程任务书的理解，我觉得就是从细节上对产品的定义，确定产品的面向对象，期望达到的功能指标以及功能之间的主次顺序，自己的产品投放市场后具有的优势以及缺点，再设置自己和顾客的关系，最后完成工程目标的设定。总的来说，一切都建立在需求的基础上。

确定工程任务书的主要步骤如下：第一步，确定产品面对的顾客；第二步，确定顾客的需求；第三步，确定各种需求的相对重要性；第四步，辨别并评价竞争力；第五步，生成工程任务书；第六步，确定

工程任务书中顾客需求的关系；第七步，设置工程目标；第八步，确定工程需求之间的关系。

（4）概念设计（Conceptual Design）

概念设计的主要任务是确保规划中的产品可以按预期的要求工作，在产品可以预见的发展中，它将符合设计的目标体系。概念也需要细化到足以评价其实现方法、基本体结构（构造）、局限性及加工工艺性。概念可以通过草图、流程图、概念验证原型、计算和文字描述（它将成为一个什么样的产品）来表达。

定义“功能”是概念设计中的基本原则。而对概念设计的同时，对某一种功能的设计也会做进一步的说明。在对功能设计时会分成若干个子功能，对子功能进行说明和排序。

概念设计的过程有：生成概念、评价概念、概念决策、编制文档和交流、改进设计、审批概念。产生概念的方法主要有：头脑风暴法（产生概念的源泉）；形态学方法；逻辑方法（机械发明理论-TRIZ 和公理化设计）。

在概念设计时可能会有很多种完全不同的概念，这就要求我们对这些概念进行评价，从中选择最好的概念解，以便根据它进行产品设计。

（5）产品开发（Product Development）

产品开发主要是将已经获得的概念进一步发展使之成为优质产品。这一块分为三个部分：产品设计，产品加工，产品性能评价及变化因素的影响，产品成本、制造、装配和其他评价。在进行这一部分的时

候，有个决定性的因素就是前面几个步骤的功课做得充分与否。比如：概念设计的不仔细、不充分，将会导致产品开放这块消耗大量时间、资金、人力。

在产品设计阶段设图样很重要，计人员需要不断的改进自己的想法，和别人交流思路，设计好的产品还要保证加工人员对它了解，这些环节都需要图样来做支撑，图样包括布置图、零件图、装配图。除了图样，明细表和产品数据管理也是至关重要的，尤其是对于一个庞大而又复杂的产品，有了明细表和产品数据管理，人们对产品的各个环节的管理就不会混乱无序。

有了产品设计环节之后，就要进行产品加工环节。产品加工就是将前面所确定的设计概念转化为满足功能要求的产品。将设计概念转化为可加工的产品需要的是围绕着功能的产品的结构、零件的材料，以及将材料转变为零件结构的制造工艺。而其中的功能是概念设计的中心，结构设计是产品设计的中心。所以产品加工环节就是对零件的材料和制造工艺的选择。

其次是产品性能评价及变化因素的影响。这块主要是把产品的性能与设计项目初期指定的工程任务书来进行比较。而对产品性能的评价是以数字值的形式表示的，所以评价必须得出产品的数字化指标值，用于同问题开发时目标做比较。评价出结果后，就要相应的对其指标进行修改，搞清楚为了使性能达到目标应该修改多少。还要评价整个过程中有些因素的变化对产品性能变化的影响以及影响的程度大小。这些影响因素主要有精度、变化和噪声。还要对性能评价进行建模、

公差分析、敏感度分析。

最后是对产品成本评价、可装配性评价、可靠性评价、可检查性评价与维护性评价以及环境的友好性评价。

（6）产品支持（Product Support）

产品支持放在最后并不意味着是最后执行的，其实它是完全贯穿在整个设计研发过程中的。

首先是文件和资料，前面做的一些工作，比如说：技术成果的文件，设计团队成员的个人笔记本，最后做的零件图和装配图以及生产、装配、安装、操作、维护、回收这些环节的详细规程。这些设计过程的完整记录都要作为资料保存起来，为以后的设计做指导。

产品支持包括保持与供货商的关系、与顾客的关系、支持制造和装配及保持变更。除了这些，专利申请也是后续工作的一部分，这是为了对前面的新的想法、设计、制造工艺做一个法律保护。

2.论述机械创新设计的常用方法，说明每种方法的特点.

机械创新设计常用方法主要有：开发性设计、适应性设计、变形设计、反求设计。

开发性设计（Original Design）：在工作原理、功能结构完全未知的情况下，运用成熟的科学理论和实验证明可行的技术，

设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。产品的工作原理，主体结构，所实现的功能，这三者中至少有一项是首创的才可以认定为开发性设计。开发性设计的过程最复杂，创新性强。

适应性设计（Adaptability Design）：在工作原理、功能结构基

本保持不变的前提下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。

变形设计（Redesign）：在工作原理、功能结构不变，改变尺寸、布置方式、性能、结构、功能的改进，从而发展出不同于标准型的变型产品。

反求设计（Reverse Design）：对已有的产品进行模仿、研制生产。开发成本低、技术风险低、市场风险低。

二、方案设计题

1、设计一套用来测试重力加速度g的实验设备，据所设计的结构，分析影响测量精度的相关因素？估计所测量的g值的精度。

我设计的测试重力加速度g的实验设备如图1所示。

图1 测量重力加速度的设备

（1）测量原理为：由发射装置垂直向上发射一个小球，小球由于受重力加速度，会做加速度大小为g方向向上的匀减速运动，当小球的速度减小为零时开始又做加速度大小为g方向向下的匀加速运动，小球会先后两次通过计时器1和计时器2，它们会记录下小球从第一次通过到第二次通过所用的的时间，分别为T1和T2。两个计时器的距离为H，这样，运用物理公式有：

H＝1

2g（0.5T1）2?1

2

g（0.5T2）2 g=8H/（T12-T22）

由上式和测得的实验数据就可以计算出重力加速度g的值。因为这个H值是提前给定的，所以这个算式可以直接用处理器来计算，仪器最后显示出的值就是计算结果。

（2）仪器加工和装配的要求

?加工基座和立柱的时候，对它们的垂直度要求很高。这样，真

空管和立柱两个互相垂直的面贴紧时，才能保证真空管和基座

相互垂直，而且不至于使真空管晃动。

?只有真空管和基座垂直时还不够，最终的目的是保证真空管和

水平面垂直。所以，使用时就要对基座进行调节，使基座和水

平面保持平行。

?发射装置和真空管安装时的同轴度也要较高要求。

?两个计时器设备对准真空管的轴线，而且与基座上表面保持平

行。它们之间的安装精度在±0.027mm之间。

?小球的选择：为了减小电场和磁场对测试结果的影响，小球不

能使用金属材料，应该选择实心的塑料球，球的直径必须比真

空管的半径略大一点。

?发射装置给小球的能量必须能让小球达到最大的高度比计时

器2的高度大，但不能撞到真空管的顶部。

?两个计时器采用E01-111C-L02多功能计时器和光电门结合的

装置，精度可达到0.1ms。

（3）操作步骤

首先，调节基座调节器，使水平仪中心的气泡处在圆盘的中心。然后，启动电源使发射装置向上发射小球，小球经过上下一个往返之后，操作面板上的显示器显示出重力加速度g的值。

（4）测量精度分析

因为本装置使用的非金属小球，这样就克服了电磁场以及设备剩磁对小球运动的影响误差，本实验装置测量的结果引入的误差主要来自于计时器引入的误差、实验装置铅直程度引入的误差。而两光电门之间的值为500±0.027mm，计时器的误差为0.1ms，仪器安装的精度误差估计值为0.1。这样整个设备测出的数据的误差大概在±0.0001m/s2。

（5）加工制作该设备的成本估计

（6）Gantt图

2、通过查阅资料，认真分析“天宫1号”和“神州8号”对接机构的原理，画出对接机构的原理图，并详细说明对接过程。

我国“天宫1号”和“神舟8号”对接装置采用的是“异体同构周边”的导向器内翻式机构。异体同构是指追踪飞行器和目标飞行器上对接机构的构造是一致的。没有主动与被动之分。周边式是指机构不设置在中间，而是设置在周边。总体效果如图2所示。

图2 总体图

（1）相撞

当“神舟八号”和“天宫一号”互相靠近后，“神舟八号”以0.2m/s 的相对速度向“天宫一号”靠近，“神舟八号”上伸出来的对接环首先和“天宫一号”先接触，对接过程正式开始（如图3所示）。

图3 相撞对接环与天宫一号相撞

（2）捕获

“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”接触后，“神舟八号”上对接机构的滚珠丝杆就会向外推出200毫米，板状导向器上安装的捕获锁和“天宫一号”上的卡板器互相之间就会接触并牢牢卡住（如图4所示）。

图4 捕获捕获器被卡板器卡住

（3）缓冲

从“神舟八号”上的对接环和“天宫一号”互相撞击后，将会通过一套传动机构，连向对接机构上的摩擦自动器和电磁阻尼器，分别吸收纵向和横向的撞击能量，进行缓冲。碰撞、捕获、缓冲三个步骤共需要大约60秒时间。

（4）校正

当前三个步骤完成后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆继续往外推至300毫米，同时对两个航天器的姿态、位置和偏差等进行强行校准，校准时间约需80秒。

（5）拉近

校正后，“神舟八号”对接环上的滚珠丝杆缓缓收缩，拉近两个飞行器之间的距离，在拉近过程中，两个飞行器的端面上有若干个定

位杆和定位孔，它们互相之间的配合来保证飞船对接的精度，这一过程约需240秒（如图5所示）。

图5 拉近滚珠丝杆收缩

图6 拉紧对接锁一一相扣

（6）拉紧

当两个飞行器通过滚珠丝杆的收缩以及定位杆、定位孔之间的紧密配合之后，对接端面上还安装有对接锁。当两个飞行器被拉近后，对接锁之间一一相扣。（如图6所示）。

（7）密封

两个飞行器拉紧后，对接机构上的驱动电机将带动钢丝绳系统，将两个连接器面上的密封圈压缩，保持密封。

（8）刚性连接

对接锁之间锁紧之后，飞行器之间实现“刚性连接”，互相合成一体。拉紧、密封和刚性连接共需220秒。

当两个飞行器对接顺利后，中间会形成直径0.8m的通道，可以让航天员往返于“神舟八号”和“天宫一号”之间（如图7所示）。

图7 通道