机械设计学教案(全套)

教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第一章 绪论 计划学时 3教学目的和要求：1. 明确课程定位，使学生理解机械设计与机械设计学的内容侧重点和课程特点；2. 了解机械设计学的发展史；3. 本课程的内容按章节的分布情况；4. 要求同学掌握机械设计学的研究重点；5. 要求同学掌握机械设计的一般步骤。重点：1. 设计的基本内涵，机械设计学的学科组成；2. 机械设计的一般步骤。难点：机械设计学的定义、机械设计的一般步骤。思考题：1. 如何认识人类文明的一切成果都是设计的产物？2. 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的是什么产品？本课程以培养学生“能提出创新构思并能尽快将其转化为有竞争能力的产品”的初步能力为目标，围绕影响产品竞争力的功能原理设计、实用化设计和商品化设计三个关键设计环节展开讨论。科学和技术是两个完全不同的概念，千万不可混为一谈，科学是指那些基础性的研究，例如数学、物理、化学、天文、地理、生物；技术则主要指制造工艺（包括材料的制备、加工、处理）以及各种制作的技巧、经验等。设计的产品有的来源于生活，有的来源于想象，总的来说来源于思考，设计的始终都在贯穿着思考。俗语说：没有做不到的，只有想不到的。随着科技的发展会使很多不可能变为可能，把很多幻想变成现实。机械设计学是一门方法性的课程，讲的是机械设计的理念、思路与方法。产品设计的过程中，尤其是产品的方案设计中机械设计学的知识占的比重很大，能熟练运用辩证法、创新设计方法、概念设计等方法在机械设计中尤为重要。第一讲 绪论教学主要内容： 1. 机械设计的概念2. “设计学”的核心内容3. “机械设计学”的学科组成4. 机械设计的类型及设计过程5. 传统设计和现代设计一、 概念1.机械（Machinery）机械是依据力学原理组成的各种装置和设备，是机器和机构的总称。它包括机器、工具、器械、仪器.2.机器 (Machine)机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产力的主要工具。使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志之一。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。用来进行物料传递和变换的机器，通常称为器械、装置或设备，如汽车、拖拉机、谷物联合收割机、农产品加工机械、空调、洗衣机等。机器是人们改造世界的工具。用来进行信息传递和变换的机器，通常称为仪器，如测量仪、照相机、录像机、电视机、手机、打印机、控制和监视仪器等，仪器(Instruments)是人们认识世界的工具。3.设计设计是为了满足某一特定需求而进行的创造过程（尽管设计的难易程度不同）。设计是为了满足需求。需求是推动社会前进的原动力。人类没有了需求，就会失去向前奋进的动力，整个社会就会停滞。4.机械设计机械设计是设计机器和机构的一种创造性的劳动过程。在进行机械设计时，要根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式，各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式等进行构思，分析和计算，并将之转化为具体的描述，以作为制造依据的工作过程。机械设计可以是应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，也可以是在现有机器的基础上，重新设计或作局部的改革。因此提高机器工作能力，合并或简化机器结构、增多或减少机器功能、提高机器效率、降低机器能源消耗、变更机器零件、改用新的材料等等，都属于机械设计的范畴。掌握机械设计的基本理论和方法是所有接受过工程教育的学生都应具备的能力。1、 机械设计学机械设计学是将机械设计的共性技术与理性化的设计方法有机地结合在一起而形成的一门独立的、综合性的学科。它是一门研究机械设计方法，探求机械设计规律性的东西的学科。它在总结前人的机械设计经验，努力提炼机械设计学科思想的基础上，紧紧围绕着影响产品竞争力的三个关键环节“功能原理设计，实用化设计，商品化设计”来组织教学内容，安排教学过程。（启发提问：同学们去商店买东西都想做什么？Why？）我们可以想一想，我们购买商品首先考虑的是什么？是不是它的使用价值，它所具有的功能，也就是它具有的可以满足你需求的功能。至于它用什么原理、用什么材料、采用什么机构、什么结构并不十分重要。功能原理设计 它正是使用了功能概念来认识、分析和设计机器的功能原理。“功能”概念是一个十分重要的概念，是我们以后讲课中会多次使用的词。因为它在机械设计领域产生了重大影响，在产品设计中引发了“功能原理”不断翻新的新气象。实用化设计 是设计工作中需要实实在在要求做好的环节。它的核心是要使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品好用。 商品化设计 是产品进入市场前对产品进行精心打扮的环节。这一步工作是要建立在前两个环节的基础上，产品本身具有商品化的基础，也就是要有先进的功能原理和优越的实用化性能。如果没有这个基础，只是把落后的产品加以“商品化”的处理，“金玉其外、败絮其中”，那只能是欺骗行为。“可以骗人一时，不能骗人永远”。此种行为有时带来的后果可能是毁灭性的。 我们的目标： 能提出创新构思，并能将构思尽快转化为具有竞争力的产品。二、 机械设计的地位与作用一） 从大的方面讲1、 人类一切物质文明的成果均是设计的产物。也就是说，设计是人类一切物质文明成果的基础。没有设计，就没有人类物质文明的成果。当然这种设计有的复杂，有的简单，有的用图纸、文字等形式描述记载了下来，有的则是由当事人成熟于心、用自己灵巧的双手将成熟于心的构思用实物的形式表现出来，流传于世。当然这种成果往往易于流失（失传）。2、 设计是一个国家文明程度的重要影响因素，是一个国家参与国际竞争的重要手段。有了先进的科学技术，而没有先进的设计方法和手段，同样不能将其转化为强国富民的物质基础。随着科学技术发展步伐的加快，产品更新换代的步伐也在加快，市场竞争日益激烈。那种一个产品生产数十年都是一个老面孔的时代已经一去不复返了（通用汽车的例子）。在此背景下产品设计工作就会显得越来越重要。二） 从企业讲1、 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步。它是决定产品性能的最重要因素。机械设计的目标是，在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识、计算手段等）下设计出较好的机械产品（请同学们注意：这里用的是较好，而不用其它字眼，是因为任何产品都是只有更好，没有最好。好是相对的，是基于现有水平的），即进行优化设计。设计者的任务就是根据企业的现有条件和当时的具体情况，权衡利弊，统筹兼顾，使设计的机械产品具有最优的综合技术经济效果。2、 机械设计是联接需求到满足需求各个环节中的最基本环节。设计的目的是满足需求。需求是人们进行创造性活动的动力和力量源泉。没有需求就没有发展和提高。人们在实践中，发现了问题，感到不方便，力不从心，就自然而然地产生了改变现状的心理需求和实际需要。当这种需求上升到迫切的地步，有一种要解决的冲动时，就想去设计出一种工具或机器来满足这种需求。但这种满足需求的过程，还是要经过多个环节的，如设计、试制、试验、改进设计、定型、批量生产、市场销售、售后服务、信息反馈（用户反映）、进一步改进设计等等多个环节，在这多个环节中，设计是第一位的，是最基本的环节。没有了设计就没有了以后的多个环节。制造、销售均以设计为基础展开，且组织生产的依据就是设计，因为在设计的过程中已确定了制造产品所需要的材料、加工工艺、加工精度，所需的生产设备，乃至车间空间位置的安排，甚至连材料和产成品的存放位置都在设计阶段基本确定下来了。3、 设计决定产品的质量和性能。产品的质量和性能好坏，能否达到预期效果，能否较好地满足需求，主要是在设计阶段决定的。如一台谷物联合收割机，它选用多大功率的发动机、每小时的生产率、机器的损失率、清洁率、可靠性、适应性、平稳性等性能指标，基本上是在设计阶段确定下来了的。（这是设计的技术意义）4、 设计决定产品成本的75-80%从费用的角度看，设计通常是研制一个产品各阶段花费最少的阶段。但从后果看，可能是最昂贵的阶段。因为设计中一个细小的错误，若能在设计阶段就被发现，加以改正，则是花费最小的。而同样的错误，要是在试制或批量生产阶段被发现，加以改正，那付出的代价则是巨大的。有研究资料表明，如果在设计阶段修改一个错误，需要花费1000元的话，在设计检验阶段这个数字将上升到1万元，在试制生产阶段则会上升到10万元。（这是设计的经济意义）实际上，设计不仅决定着产品的制造成本，还在一定程度上影响着产品的使用成本。如内燃机的燃烧室或燃油系统设计不当的话，就会使燃油增加，运行费用上升。三） 从个人的角度讲1、 机械设计是工程技术人员的成功之基，立业之本能够把自己成熟的构思变成可以加工生产的图纸，或能够把集体讨论定下来的设计意图用图纸表现出来，此种表现可能是线条图(示意图)、也可能是实体图。那将是人生用之不尽的财富请看P10第六步 表达2、 机械设计是工程技术人员个人能力，知识业务水平的最直接的体现，也是提高自身价值的重要手段3、 机械设计是工程技术人员张扬自我、展示个性的重要载体三、 机械设计的基本类型1、开发性设计 它是在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计出过去没有的新型机械。如洗衣机工作原理不断更新的设计，就属于开发性设计。从1911年美国发明搅拌式洗衣机 1928年欧洲发明滚筒式洗衣机1953年日本发明波轮式洗衣机2002年中国的海尔发明双滚筒洗衣机，（采用波轮和内桶双力驱动，双向旋转产生强劲的水流。将波轮的高洗净比，滚筒的低磨损，搅拌的低缠绕等优点集于一身）均是开发性的具有自主创新的设计。这些设计均突破了原有的人工洗衣“先向衣物涂抹肥皂，然后双手来回搓动衣物”的工作原理，将人手复杂的空间运动改变成机械易于实现的旋转运动。2、 适应性设计（改进设计）它是在原理方案基本不变的前提下，对产品作局部的变更或另设计一个新部件，使产品在质和量上更能满足使用要求。如自行车加电瓶变成电动自行车，使骑行快捷、轻便；内燃机增加增压器，使其输出功率增大，增加节油器，可节约燃料；又如现在洗衣机为节能，推出节能型的洗衣机，采用环保节能球阀，更省水省电；为适应环保，推出“零洗涤剂”的洗衣机，采用先进的电解水系统，自来水进入洗衣机后经过电解释放出大量的活性氧离子，并同自来水中的氯离子结合生成次氯酸离子，含次氯酸离子的活水不断注入到正在洗涤的洗衣桶内，就能消除污垢与衣物的结合力，从而使污垢脱离，衣物得以清洗干净。3、 系列化设计（变型设计）它是在工作原理和功能结构都不变的前提下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应更多量的要求。如改变传递转矩和速比而设计的减速器，不同马力的拖拉机等均属于系列化的设计。它和通常说的类比设计、相似设计一样，是一般机器设计常用的方法。如现在的洗衣机家族中，产品系列化程度越来越高，从适合公用的大型、中型洗衣机到普通家庭使用的一般家用洗衣机，又到适合年轻人的小型化洗衣机（如“小神童”洗衣机，洗衣重仅为1公斤，额定功率138W。）。可以说洗衣机的品种越来越多，越来越能满足各种消费群体的需求。“百货对百客”说的就是产品的花色品种要多，才能有更多的消费者。在上述三种类型的设计中，开发性设计难度最大，设计周期较长，其余二种类型的设计相对要简单些，设计过程也较短。在工程实践中，为充分发挥现有机械的潜力，或扩大机械的功能，后两种类型的设计显得很重要。前一种设计难度较大，但充满了创造活力，极具挑战性。随着生产发展及市场竞争的日益加剧，产品应该不断地更新换代。所以作为一个具有远见卓识的工程技术人员，应该对开发性的设计予以重视，有所作为。像第一台蒸汽机的发明引起了世界性的工业革命，计算机的发明更是在更大的范围，更多的领域内改变着人类的生存、生活方式，大大促进了整个科学技术的进步。上述不论哪种设计，都不能没有创新。作为一个设计人员，必须时刻关心市场的变化，把开发新产品放在重要的位置，争取在市场上的主动。四、 设计具有的特征1、 创新性 创新是设计的灵魂。没有创新，就没有设计。创新是立于不败之地的公理。创新的目的是使自己拥有自主知识产权，拥有自己的核心竞争力。2、 继承性 要设计一种产品，就要了解现有同类产品的现状、特点、存在的优、缺点，我们要做何种改进。我们不要担心别人已经把该设计的产品都设计完了，我们没有什么可以设计的了。“怕没事可做。”我们就是要在前人发明创造的基础上，去设计出外观造型更美、功能更强、性能更优良的产品，使人们的生活更舒适、更方便、更快捷。这就是我们的责任、价值所在。3、 时代性 设计水平与所处时代的科学技术水平密切相关，包括工艺水平、材料等，都会留下时代烙印，都会受到当时时间、空间的局限。都是随着时代的发展、科学技术的进步，在不断改进和完善着。所以任何产品都“没有最好，只有更好”。4、 政策性 设计人员应了解政府的政策、法令，行业规定、国家标准等，使设计出来的机器符合相关的规定和标准。如现在提倡节能、环保、健康、循环经济、可持续发展，我们在设计机器时就要考虑这些因素，设计汽车，排放必须达标，否则就不能上市。也就是说：设计人员不仅要想到为企业服务，创造效益，还要想到应承担的社会责任，为社会服务。5、 现实性 设计人员在设计时必须考虑所在企业的现实条件，考虑实现的可能性。脱离现实的想法和设计都可能是空中楼阁。6、 综合性 可以将一切可以利用的科技成果拿来为我所用，不要仅仅局限于自己所在的学科领域，如电、液、化、光、控制等均可与机结合起来，设计出体现时代特征，性能更好的机器。7、 时效性 产品是要参与市场竞争的，参与市场竞争的产品，投放市场要快，尽可能早地占领市场。“应时是宝，过时是草”。五、 机械设计人员应具备的素质1、 创新意识 超前 敢为人先2、 强烈的使命感和责任感 3、 敏锐的观察力4、 积极的工作态度5、 扎实的基础知识6、 与人合作共事7、 卓越的组织实施才能，能把构思变成效果图、变成可实施的工程图六、弄清几个关系：1、工艺与设计工艺围绕产品转，解决的是如何把产品作出来，如何把产品做得更好、更经济设计解决的是为市场提供有竞争力的产品，解决的是企业要干什么，决定企业的发展方向2、设计与制造设计在先、制造在后。设计指导制造，而有时制造又反过来影响设计，完善设计。（见书上第4页）3、设计与科研二者的区别书上给出了个表格，大家可以看一下（三分钟）。从表上可以看出，二者的区别在于出发点不同、目标不同、结果不同。这里我们注意一下：在目标一栏，科研是发现自然规律，而设计是发明新产品，也就是书上强调的：设计区别科研的地方更需要人们的创造力，并通过各种工艺手段去创造世界上还没有的东西，实现人们的构思，最后做出能实现人们希望实现的功能的产品来。这正是我们的责任。4、 成果与市场设计出产品，通过成果鉴定，领导、专家的认可，获得科研成果，固然重要，但市场才是检验设计好坏的唯一标准。有一句顺口溜就十分形象地说明了这个道理：金奖银奖不如用户夸奖；金杯银杯不如用户口碑。所以我们设计的最终目标是市场上过得硬、叫得响。只有这样，才能为企业创造丰厚的利润，也能使个人的价值得到充分体现。最后强调如下几点：1、 设计不论对一个民族、一个国家，还是对企业，还是对我们个人而言都至关重要，应引起我们的高度重视。2、 需求是设计的原动力。我们要做有心人，去发现需求，去满足需求。所以，设计具有明确的目的性，它是要创造一个真实的结果，即创造出有物理真实性的东西。3、 设计是创造型的劳动。没有创新就没有设计。4、 设计是一个永远不会完结的过程，因为“没有最好，只有更好”。所以，你只要具有了设计产品的能力，就不要担心无事可做。作业：1、 设计在人类物质文明发展的过程中起着什么作用？2、 人类的需求对机械设计学科的发展有什么影响？3、 根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的产品是什么？通知：星期四课是现场课。在图书馆后的实验室上。请大家预习第二章1-3节的内容。每班分8组。一次一组，每组按1.5小时。具体和庞靖老师联系。确定课代表。教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第 二章 机器的组成及典型机器的功能分析 计划学时 1教学目的和要求：6. 使学生理解机器的定义、组成和分类；7. 使学生会从专业、功能的角度看机器的组成；8. 使学生会用功能的观点对机器进行分类。重点： 机器的定义、分类。难点： 用功能的观点对机器进行分类 。思考题：3. 现代化的机器与传统机器的最大区别在哪里？为什么在机械设计学中要用功能的观点来看机器的组成？第二章 机器的组成及典型机器的功能分析这一章采用“机器”词而不用“机械”，是因为“机械”包括机器、工具、器械、仪器较广的范围，而这里仅讨论其中的与“机器”有关的问题。第一节 机器的定义 随着生产和科学技术的发展、机器的定义也在不断地发展和完善。现代机器应定义为：机器是由两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其它智能体的操作和控制下实现为其设计的某种或某几种功能。 上述基本定义中有两个新的概念：其一是强调机器是实现某种“功能”的装置；其二是强调了“控制”的概念，而且可以由某种智能体来实现控制。就拿我们的农机领域里看看现代化的农业机械的发展吧：1.拖拉机：在黑龙江友谊农场，“使用GPS系统，七颗卫星为其定位的大马力拖拉机，驾驶员在驾驶室里躺着睡觉就可以完成田间作业。”黑龙江农垦总局(下称黑龙江农垦)九三分局大西江农场场长侯方武兴奋地对中国经济周刊说。 美国某综合技术学院土地管理系研制成功一种激光拖拉机，利用激光计算机导航装置不仅能够准确无误地测定其所在位置及运行方向，使误差不超过25厘米，而且能够根据送入农场计算机中心的电子图表，查出该处土地的湿度、化学成分、排水沟位置和其他一些特点，准确计算出最佳种植方案以及所需的种子、肥料和农药数量等。一个人在室内荧屏前可操纵多台激光拖拉机进行耕作，节约生产成本50%，提高作物产量20%。2.联合收割机：美国农场装备制造商卫西弗格森在联合收割机上安装了一种产量计量器，它能在收割作物的同时，准确收集有关产量的资料，并绘制出各个田块的产量分布图。利用这种产量分布图，可确定下一季的种植计划以及种子、化肥和农药在不同田块的使用量。 此外，所谓构件，则是广义的；构件之间的联系不仅指机械联接，而且包括电、磁、气、液等各种联系方式。第二节 机器的组成 一、原有的观点 以前的教科书介绍的机器的概念为：“任何机器是由原动机、传动机和工作机三部分组成的”。随着科学技术的发展，人们又作了补充即增添了控制器作为第四部分。所谓控制器既包括机械装置，也包括电子控制系统在内。 二、从不同的角度看机器的组成 为了更深入地观察和了解机器，应该从各种不同的角度来观察和分析机器。 1)从机构学的角度看，机器是由各种基本机构组合而成的，其能动度应等于原动机数。 2)从结构学的角度看，机器是由系列基本构件组装而成的，包括机架、箱体、齿轮、轴、轴承、联轴器。3)从专业的角度看，则常以主要部件来看机器的组成。例如汽车被看成是由底盘、发动机、车身三大部分所组成(见图21)；在底盘上还有行走部分、传动部分、操纵部分和制动部分。又如机床中的车床则被看成是由床身、三箱(主轴箱、进给箱、溜板箱)、两架(刀架、尾座)和床腿组成(见图2-2)。显然，这种观点更偏重于从主要结构件和部件的角度来看机器的组成。 上述任何一种观察角度对于深入了解机器都有其独到之处，它们事实上都形成了各自相应的学科。一个机器设计师应该学会从所有各种角度来观察机器。机械设计学则更强调从功能的观点来看机器的组成，因为这更有利于和设汁过程中的工作特点相协调。三、从功能观点看机器的组成早在二十世纪40年代末就有人提出：“用户购买的不是机器本身而是它的功能”。这个观点直到30多年后才被人们认识并接受，并被用作设计学的基本概念。人们逐渐意识到，只有从功能的观点来观察和认识机器，人们的思维才能从旧的结构和形式中解放出来，才能有不断探索新原理、新结构的广阔视野。一台机器所能完成的功能，常称为机器的总功能。例如前述的车床其总功能就是利用移动刀具对旋转工件进行切削的功能。为了实现其总功能，至少要有两个主要分功能系统(工件旋转系统刀具进给系统)的相互配合动作，才能完成。因此应该这样来描述机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成，它们的协调工作实现了机器的总功能；每个主要分功能系统可由原动机、传动机、工作机和控制器组成；其中的工作机则多由执行机构和工作头构成。如在车床中，工件旋转功能系统就由电动机、主轴传动系统、夹具组成。当然，有些分功能系统也往往共用一个原动机(如车床)或传动机。控制器则既有集中形式，也有分散形式。分功能系统1分功能系统i工作机工作头执行机构传动机原动机控制器分功能系统n机器（总功能） 任何一台机器，除具有为实现总功能的主要功能外，同时还存在很多低层次的，起支持和保证的功能，称为辅助功能。例如为保证车削质量，适应不同工件要求，车床还应具有变速功能(主轴变速，进给变速)，润滑和车削时的冷却功能。对于机器来讲，还应有控制功能例如车床中的定位挡块控制，以及人对车床进行人机控制等。车床的功能原理图见图2-3。上述机器组成的功能分析，只涉及具有动作的功能，至于更低层次的功能如零件的支承等功能都不在分析之列。从以上分析看出，它和从产品结构的角度来分析机器组成是完全不同的。第三节 机器的分类我们先说一下机械的分类：按机械的使用功能则可分为 动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械、运输机械和化工机械等；按工作原理又可分为热力机械、流体机械、往复机械和仿生机械等。机器的种类繁多，按不同的目的，可以有不同的分类方法。例如，可以按行业分，也可以按轻、重分。对于机械设计学的研究来说，用功能的观点来进行分类是较为合理的。从功能的观点看，所有的机器首先可以分为工艺类和非工艺类两大类。所谓工艺类，是指那些对物料进行工艺性加工的机器，这类机器的主要特征是具有专用的工作头(例如机床的刀具)并进行独特的工艺加工动作。非工艺类机器则不对任何物料进行工艺性加工而只是实现某些特殊的动作性功能。对于工艺类机器来说，机器的结构和形式往往取决于所采取的工艺方法，如果工艺方法有所改变或革新，那么机器的形式将随着发生变化，这种变化有时是很大的。例如随着电火花加工工艺的产生而出现的电火花加工机床，和传统的金属切削加工机床有着完全不同的型式。机器工艺类机器加工机床食品机械纺织机械印刷机械非工艺类机器动力机械起重运输机械医疗机械通用机械 对于非工艺类机器来说，其中每一种机器都有各自独有的工作方式和规律，例如动力机械中的内燃机，其热力学原理是工作过程的基础，而精密机械中的测量机则以精密的运动和定位作技术基础。 机器的种类过于庞杂，因为它应用于人类生活、生产的几乎所有的领域。在上列第二层次的类别中，就很难把所有的机器都包罗在内，在这一层次的每一类中，所属的各种机器仍然是千差万别的，例如医疗机械中的人工脏器和康复器械，其性能和结构就有很大差别。如果要对所有的机器作详细的分类，则至少要设置第三层次、第四层次甚至第五层次的细目才行。对于机械设计学的研究来说，更重要的是要在千差万别的机器中，寻求其功能方面的共同特征、结构方面的共同规律以及它们工作时的行为特征方面的共性问题。教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第 三 章 机械产品的功能原理设计 计划学时 3教学目的和要求：1. 使学生了解机械产品的功能原理设计工作特点和工作内容；2. 弄清楚功能原理的基本类型； 3. 基本掌握各种类型功能原理的求解思路；4. 了解创造性思维活动的四大特性，初步具备一定的创造能力。 重点：功能原理的基本类型和各种类型功能原理的求解思路，尤其是工艺功能的求解思路。难点： 工艺功能的求解思路。思考题：1. 产品更新换代的三个途径是什么？举例说明。2. 各种类型功能原理的求解思路是什么？3. 根据不同类型的功能原理的求解思路，分别举出2-3个例子。4. 创造性思维活动的特性有哪些？请试提出一些有创意的产品。第三章 机械产品的功能原理设计【教材自然节在课时中的分配】：第一、二节和第三、第四节的一部分作为1课时；第三、四节的一部分和第五节作为1课时；第六、七、八节作为1课时。首先复习几个概念：1、设计的目的满足人类不断增长的物质、文化需求。2、 我们的责任能提出创新构思，并能尽快地将其转化为有竞争力的产品。3、影响产品竞争力的三个关键设计环节：功能原理设计、实用化设计、商品化设计功能原理设计就是针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。功能原理新颖性实用化设计的核心是使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品“好用”。技术性能先进性商品化设计是产品进入市场前的精心打扮。就是要使产品入眼、“迷人”。从本章开始，我们的教学活动就围绕着“怎样才能设计出具有市场竞争力的产品”这一中心议题展开。今天，我们讲第一个关键设计环节：机械产品的功能原理设计第一节 基本概念1、 功能 指某一机器所具有的转化能量、运动或其它物理量的特征。(见教材第30页)它与人们常用的“功用”、“用途” 、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。以电动机为例：（P30）功能是产品的核心和本质。“顾客购买的不是产品本身，而是产品的所具有的功能”，人们使用的也正是产品的功能。至于所购买的产品采用何种原理、结构来实现所要求的功能并不重要，它只不过是形式而已。2、 功能原理设计机械产品设计的最初阶段，就是要针对产品所应具有的功能进行原理性的设计构思，提出设计方案。这种针对功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。例如：要设计一台点钞机，先要构思将钞票逐张分离的工作原理。书上第26页给出了“将钞票逐张分离”的功能原理设计的构思示意图。图1、推刮图2、摩擦图3、离心力图4、重力图5、粘力图6、气吹图7、气吸图8、静电显然，进行原理性的设计构思时首先要考虑应用某种“物理效应”（如图中的摩擦、离心力、气吹、气吸、静电等），然后利用某种“作用原理”（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现“功能目标”的结果。“功能原理设计”的重点是提出创新构思。（在此阶段思维的特点：发散）在黑板上写：功能原理设计： 提出创新构思 思维特点： 发散在这个阶段“思维应尽量发散”，力求提出较多的解决问题的方案，供比较优选。对构件的具体结构、材料、和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，因此常只需要用简图或示意图来表示所构思的内容。功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。一个好的功能原理设计应该既有创新构思，又应同时考虑其市场竞争潜力，因为脱离市场需求的盲目创新是没有意义的。例如：一次成像照相机-自动照相机-数码照相机又如：发网-发胶3、 机器更新换代的三个途径一是改进工作原理 如原来的机械表，利用的是内部的游丝摆动；而后则利用石英振荡器控制电磁摆，制成机电结合的石英电子表；而现在人们更多使用的是液晶显示的纯电子表。这每一次改进都是工作原理的改进。而每一次改进都使得钟表的性能向前迈进了一大步。可以这样说：机械表无论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能与石英电子表和使用液晶显示的纯电子表相媲美。这是工作原理改革最典型的成功例子。二是通过改进工艺、结构、材料，提高技术性能 如1984年23届洛杉矶奥运会上自行车比赛的冠军得主使用的自行车，比一般的自行车窄1/3；后轮采用全封闭，使得自行车的运动阻力大大减小；材料选用航天飞机上使用的材料（碳纤维和钛合金），比一般赛车轻，使其在比赛中出尽了风头。三是增加辅助功能使其更适应消费者的心理 如洗衣机的基本功能是去污，加上辅助功能甩干、再加上控制系统成为自动洗衣机；手表的基本功能是计时，加上辅助功能，防水、防震、防磁、夜光、定时、报时等赢得更多的消费者。这三个途径，对于产品的市场竞争力的影响几乎有同等重要的意义。但第一种途径（即改进工作原理）在实现时的困难要比后两种大得多。但如同开发性设计一样，他极具挑战性，总是充满着创造活力和无限的商机，如晶体管取代电子管，中小规模集成电路取代晶体管，大、超大规模的集成电路取代中小规模集成电路，这每一步前进都使得计算机的体积大大缩小，成本大大降低，直至现在计算机已成为不少家庭和个人的必备工具，他带来的效益是不可估量的。所以我们应注重工作原理的改革，要有搞出具有自主知识产权，具有核心竞争力的产品的雄心壮志。一般地讲，我们刚参加工作，到了企业，可能做的更多的设计工作是后两种，我们不妨多在提高产品的性能，增加功能、降低成本、使用方便上下功夫，逐步提高我们的设计能力。第二节 功能原理设计的工作特点和工作内容一、 工作特点1、 用一种新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化。2、 引入某种新技术（新材料、新工艺.）,首先要有新想法、新构思。3、 使机器品质发生质的变化。二、 任务和主要工作内容任务：针对某一确定的 “功能目标”寻求一些 “物理效应”并借助某些 “作用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法原理”。例如：开发玉米联合收获机工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。方法步骤：1、明确功能目标2、进行创新构思3、提出解法原理4、进行模拟实验、技术分析、验证原理的可行性5、修改、完善、提高6、选择较优方案以微型小麦联合收割机为例第三节 功能原理的发展历史及其基本类型【本节课讲述完功能原理的分类后，直接讲述第四节的内容，这样衔接连贯，条理性突出，将工艺功能原理部分（下划线部分）放到第五节一起将，以增强内容的完整性】功能原理设计的两个特点：1、 无任何定法可循 2、 是多解问题 功能原理的基本类型机械产品的功能原理五花八门，但归根结底分两大类：动作功能以实现动作为目的的功能工艺功能以完成对对象物的加工为目的的功能 动作功能又分简单动作功能完成一次性的简单动作复杂动作功能能实现连续传动的复杂动作若动作功能和工艺功能是靠纯机械或主要靠机械完成的功能，称之为纯机械的功能原理。若动作功能和工艺功能是综合运用了机、电、光、磁、热、化等各种“广义物理效应”来实现的，则称之为“综合技术功能”。关键技术功能某个企业或部门独有的技术，还暂时不被其他人掌握，对企业来讲是具有自主创新、拥有核心竞争力的技术，在竞争中有其特殊地位，所以称之为关键技术功能。如现在的秸秆、牧草打捆机械中的“打结器”，就属于关键技术功能，计算机中的CPU芯片就是关键技术功能。我国现在生产的打捆机中的“打结器”多数还是采用国外进口的。 简单动作功能动作类 关键技术功能 复杂动作功能 功能类型 综合技术功能 （广义物理效应） 工艺类 工艺功能 （纯机械） 第四节 两种动作功能及其相对应的求解思路 1）简单动作功能的求解思路几何形体组合法 简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现相互运动或锁合的动作。 钢笔的笔帽和笔杆的锁合 现场演示 圆珠笔的双动按钮 带实物演示 锁的打开、锁合 开关的通断 用教室的开关演示这些均是典型的简单动作功能 简单动作功能要求方便快捷、安全可靠，像按钮、开关、拉链、笔帽， 各种阀门的通断，水龙头、门的插销、门舌式开关、各种膨胀式螺栓等都是我们日常生活中随处可见的简单动作功能的例子。 2）复杂动作功能的求解思路基本机构组合法复杂动作功能是连续传动，可以利用已有的基本机构来实现。已有很成熟的理论和经验，比起“简单动作功能”的设计来要容易一些。基本机构在机械原理课程中已介绍得很多了。在现有的各种机器中，绝大多数的传动结构和执行机构都属于这一类。已有的基本机构包括：齿轮、凸轮、连杆、螺旋、槽轮、棘轮、链轮等。这些基本机构能实现各种运动要求，如连续运动和间歇、运动位置和轨迹、平面运动和空间运动、位移、速度和加速度等，而将这些基本机构组合起来成为组合机构，就会更加扩大其传动和运动的性能。以上两种动作功能都属于纯机械的功能，均是“以形体来实现功能”。第五节 工艺功能及其对应的求解思路物场分析法【此处注意与上节课的衔接，不要有疏漏；从第三节的功能原理分类部分引入，详细讲解工艺功能的概念及原理】所谓工艺功能就是以完成对对象的加工为目的的功能。工艺类机器是对被加工对象（某种物料）实施某种加工工艺的装置，其中必定有一个工作头，用这个工作头去完成对工作对象的加工处理。犁地要用犁对土壤进行加工，属于典型的工艺功能。犁头的工作面是一种复杂的空间曲面（形状），它能把土壤切开、抬起、翻过来扣在犁沟边上（动作），并且有碎土的作用。工艺方法不同，机器的结构和形式及其工作头的形状就会发生很大变化。举例：钢板的切割1. 手工钢锯切割 工作头：锯条 场：力场 切削力2. 裁板机切割 工作头：裁板刃口 场：力场 剪切力3. 电弧焊切割 工作头：焊条 场：电场 电弧放电4. 数控火焰切割机，气割切割 工作头：割炬 场：温度场、速度场5. 数控等离子切割机 工作头：高温空气等离子束 场：电场、等离子场6. 数控激光切割机 工作头：高能激光头 场：温度场 高能激光7. 数控电火花线切割机 工作头：工具电极 场：电场 等离子场(电火花+电介液)8. 数控水刀切割机 工作头：宝石喷嘴 场： 力场、速度场所谓“超高压数控万能水切割机”，又称“水刀”，是世界上最新的冷切割工艺装置，又称“冷态切割”新技术。它是九十年代初期才发展起来的高新技术.“超高压数控万能水切割机”是以水为介质，利用高压水射流技术使水在这瞬间成为无坚不摧的利刃，切割温度在60度以下。“水刀切割”切缝小、切割精度高、光洁度高、自动切割、节能、环保、不产生热变形和热影响，不改变被切割物质的物理和化学性能，特别对于新型的复合材料、易燃易爆物质及环境，更为稳定、安全、可靠。所以“水刀”所能切割的材料种类广泛，如：布、纸、皮革、各种纤维、塑料、有色金属、黑色金属、复合材料、石材、陶瓷、玻璃、木材、各种建材、炸药、核原料等应用领域十分广泛。综上所述，我们可以看出：工作头和作用场是它完成工艺功能的两个主要因素。知道了工艺功能的两个要素，人们开始研究工艺功能的求解思路，最主要的就是物-场分析法。最早提出物场分析法的是前苏联发明家Altshuller 阿奇舒勒，（19261998），他酷爱发明，14岁时获得首个专利证书：水下呼吸器，15岁时发明了用碳化物作为喷气动力的船，再如水下排雷装置，船载火箭引擎，潜水艇逃生方法等，多项发明被列为军事机密，在研究了近20万项专利之后，指出其中有1500对技术矛盾可以用更简单的基本原理来解决，并在1979年发表了一本创造是一门精密的科学这本书，在这本书中论述了物场分析法的原理，他在书中写道，你可以等待100年来获得顿悟，也可以利用这个原理在15分钟内解决问题，这个基本原理就是物场分析法“物场分析法”（S-field）。其模型图是： F S1 S2在任何一个小的技术系统中，至少要有一个主体（S1），一个客体（S2）。图中的F为S1与S2之间的作用场。S1和S2在系统中缺少一个就不能发生技术作用。S1主体，对客体发生作用的物体，如工作头或工具S2客体，被加工的物体F作用场，广义地指S1向S2作用时发生的力、运动、电、磁、光、热等作用场。什么是物，什么是场？物体是一群物质的聚集。某个物理量在空间的一个区域内的分布称为场，场是一种特殊物质，看不见摸不着，但它确实存在，场具有能量、动量和质量，能传递实物间的相互作用。场可分为三类：1. 标量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个标量来代表的话，那么这个场就是一个标量场。比如温度场，势场。【0，1维】2. 矢量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个向量来代表的话，那么这个场就是一个矢量场。风场、电场、磁场、电磁场、力场、流速场。【2，3维】3. 张量场 假如一个空间中的每一点的属性都可以以一个张量来代表的话，那么这个场就是一个张量场。最常见的张量场有广义相对论的应力能张量场。【多维】场与物体的两种时空结构，从场的角度看，时空是连续的，从物体、粒子的角度看，时空是间断的。但是一切场中都包含物体，一切物体中都包含场，二者对立统一、相互转化。用“物场分析法”求解工艺功能的基本形式是：已知客体S2，寻求合理的F和S1。如，为了完成修剪草坪的任务，该如何构思剪草机的工作原理呢？在这个问题里，S2是草地上的草，剩下的问题就是寻找合适的F和S1了。首先寻找可能被利用的F并加以分析比较：拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。割断力像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断力一利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1就只能是剪刀了。将剪刀做成像理发推子那样，就是传统的剪草机的解法原理。此外，人们还可以通过“完善、增加、变换”的方法来改进原来不够满意的工艺功能原理的解法。下边分别介绍： 1完善原设计中有时出现缺少F或S1的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使SField模式完善化。例如制造平板玻璃的方法，以前一直采用“垂直引上法”(见图324)。这种方法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后边向上引边凝固。这种方法制造出的玻璃表面总是有波纹并且厚度不匀。如果用SField分析法来分析，可以看出，在整个工艺过程中，玻璃S2在凝固前大部分时间中缺少F和S1 (重力无积极效果，不看作为F)。近年来出现了一种新工艺；让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹这就是“浮法”制造平面玻璃的功能原理解法。显然，浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为S1，又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场F、既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、均匀。2增加 一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应辅以S1和F才能更好地完成希望实现的功能。 F S1 S2 F S1 例如在金属切削过程中，钢工件是S2，刀具是S1，切削力是F，如果加入另一种物质S1 (切削液)，切削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度会降低切削速度也能提高，S1的存在实际上还附加了