第三章机械产品的功能原理设计

1、第三章第三章 机械产品的功能原理设计机械产品的功能原理设计 功能原理设计的概念功能原理设计的概念 机械产品设计的最初环节，是先要针对该产品的主机械产品设计的最初环节，是先要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的原理性设计，可以简称为原理性设计，可以简称为“功能原理设计功能原理设计”。 包括两个方面：包括两个方面： 功能分析功能分析由总功能分解为分功能，最后做出功由总功能分解为分功能，最后做出功能结构图的过程。能结构图的过程。 工作原理设计工作原理设计确定实现功能的工作原理确定实现功能的工作原理 工作原理的概念：物理效应（如图工

2、作原理的概念：物理效应（如图3-1中的摩擦、离中的摩擦、离心力、气吹等）心力、气吹等）+作用原理（即作用件，如图作用原理（即作用件，如图3-1中的中的摩擦轮、转动架、气嘴等）摩擦轮、转动架、气嘴等） 设计一台点钞设计一台点钞机，首先构思将机，首先构思将钞票逐张分离的钞票逐张分离的工作原理。工作原理。功能原理设计的重点功能原理设计的重点 提出创新构思，使思维尽量提出创新构思，使思维尽量“发散发散”，力求提出较多的解法，力求提出较多的解法供比较选优。供比较选优。 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，因此只需用简图或示意图来表

3、示所构思的内容。考虑，因此只需用简图或示意图来表示所构思的内容。功能原理设计的重要性功能原理设计的重要性 是对产品的成败起决定性作用的工作是对产品的成败起决定性作用的工作 原理方案的拟定和构思从原理方案的拟定和构思从质的方面决定质的方面决定了设计的水平了设计的水平 是产品设计和实现创新的关键阶段是产品设计和实现创新的关键阶段 火车演变的例子火车演变的例子 一个好的功能原理设计应该既有创新构思，又应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力。因为脱离市场需求的盲目创同时考虑其市场竞争力。因为脱离市场需求的盲目创新是没有意义的。新是没有意义的。一次成像照相机的例子一次成像照相机

4、的例子 任何一种机器的更新换代都存在三个途径任何一种机器的更新换代都存在三个途径: : 改革工作原理改革工作原理 例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、仪例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、仪表的精度得到很大的提高。表的精度得到很大的提高。 通过改进工艺、结构和材料提高技术性能通过改进工艺、结构和材料提高技术性能 例如螺纹的加工工艺例如螺纹的加工工艺 加强辅助功能使其更适应使用者的心理加强辅助功能使其更适应使用者的心理 新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产生。生。 例如液晶材料的实用化，例如液晶材料的实用化， 促使钟表的工作促使钟表

5、的工作原理发生了本质的变化。原理发生了本质的变化。第一节第一节 功能原理设计的工作特点和工作内容功能原理设计的工作特点和工作内容 一、功能原理设计的工作特点一、功能原理设计的工作特点 1) 1) 是用一种新的物理效应来代替旧的物理效是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。 2) 2) 引入某种新技术引入某种新技术( (新材料、新工艺、新材料、新工艺、) )，但首先要求设计人员有一种新想法但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)(New Idea)、新构思。新构思。3)3)功能原理设计使机器品质发生质的变化

6、。功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如，机械表不论在技术上如何改进，其走时例如，机械表不论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。 当然，在实践中，每一个功能原理设计不一当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个定都能体现上述三个特特点，而能体现这三个特点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。点的，则应该是高品位的功能原理设计。二、功能原理设计的任务和主要工作内容二、功能原理设计的任务和主要工作内容 任务：任务： 针对某一确定的针对某一确定的“功能目标功能目标”，寻求一些，寻求一些“物理效应物理效应”

7、并借助某些并借助某些“作用原理作用原理”来求得来求得一些实现该功能目标的一些实现该功能目标的“解法原理解法原理”。举例：举例：喷墨打印技术喷墨打印技术 最初的解法原理最初的解法原理功能目标：喷墨打印功能目标：喷墨打印工作原理：受显示成像原理（用电场控制电子束扫描工作原理：受显示成像原理（用电场控制电子束扫描屏幕）启发，用电场控制喷嘴喷出的墨水滴扫描白纸。屏幕）启发，用电场控制喷嘴喷出的墨水滴扫描白纸。存在的问题：喷墨效果差存在的问题：喷墨效果差当前市场上正在激烈竞争着的两种喷墨技术当前市场上正在激烈竞争着的两种喷墨技术日本佳能公司采用日本EpsonEpson公司采用主要工作内容：主要工作内容：

8、 明确功能目标，构思能实现功能目标的新的明确功能目标，构思能实现功能目标的新的解法原理。解法原理。举例举例 柔性制造系统中运输小车的改进设计柔性制造系统中运输小车的改进设计分析：以前的运输系统是采用地面下埋设电缆用电磁分析：以前的运输系统是采用地面下埋设电缆用电磁感应的方式来进行导向的，该种方式的缺点是：铺设感应的方式来进行导向的，该种方式的缺点是：铺设电缆的费用昂贵且不易调整运输路线。电缆的费用昂贵且不易调整运输路线。举例：柔性制造系统中运输小车的改进设计举例：柔性制造系统中运输小车的改进设计通过调查分析，明确了以下几点功能目标：通过调查分析，明确了以下几点功能目标：1)1)装设导向系统的费

9、用应较小。装设导向系统的费用应较小。2)2)允许扩充和调整设备，变动运输路线。允许扩充和调整设备，变动运输路线。3)3)在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。4) 在工件转接站上小车能准确定位。在工件转接站上小车能准确定位。 针对上述功能目标，提出下面一些原理性的设想作为新的解针对上述功能目标，提出下面一些原理性的设想作为新的解法原理：法原理：1) 应用惯性导航技术，利用所设参考点用预置程序给出理论轨应用惯性导航技术，利用所设参考点用预置程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正。迹并作轨迹误差的修正。2) 应用传感器引导绕过障碍物。应用传感器引导绕过障碍物。3) 在工件

10、转接站上用超声波定向，使小车实现准确定位。在工件转接站上用超声波定向，使小车实现准确定位。 为实现上述原理性设想，必须设计新的小车以实现灵活运动为实现上述原理性设想，必须设计新的小车以实现灵活运动和准确定位的可能性。和准确定位的可能性。FZ23型：型： 中枢用两个驱中枢用两个驱动轮驱动，可实动轮驱动，可实现进退和转弯。现进退和转弯。 车架可绕中枢车架可绕中枢回转，以保证与回转，以保证与转接站对接时的转接站对接时的方位调整。方位调整。课堂讨论课堂讨论 主题：主题：产品及其功能原理的分析产品及其功能原理的分析 内容内容: : 介绍某产品及其功能原理的演进过程（或者介绍某产品及其功能原理的演进过程（

11、或者某产品的不同功能原理），对产品所采用的工作原理某产品的不同功能原理），对产品所采用的工作原理或者引入的某种新技术（如新材料、新工艺等）进行或者引入的某种新技术（如新材料、新工艺等）进行分析。参考案例：火车、打印机、钟表、显示设备分析。参考案例：火车、打印机、钟表、显示设备 方式：方式：每班准备每班准备1 1-2-2个案例，推选个案例，推选1-21-2位同学作为代位同学作为代表，在课堂上讲解。每人时间控制在表，在课堂上讲解。每人时间控制在1010分钟左右。分钟左右。 要求：要求：1 1、广泛收集资料，精心制作、广泛收集资料，精心制作pptppt，两周准备，两周准备，3 3月月1818日讨论。

12、日讨论。3 3月月1212日报名，日报名，3 3月月1414日提交日提交PPTPPT初稿。初稿。2 2、每班推选、每班推选1 1名评委。共推选名评委。共推选2 2名组织者。名组织者。 奖励措施奖励措施 鼓励措施：鼓励措施：平时成绩加分。平时成绩加分。一、功能的含义一、功能的含义 功能是对于某一产品特定工作能力的抽象化描述。功能是对于某一产品特定工作能力的抽象化描述。第二节第二节 功能、功能单元和功能结构功能、功能单元和功能结构（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来 ）功能的定义：功能的定义：是指某一机器是指某一机器( (或装置或装置) )所具有

13、的转化能所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。量、运动或其它物理量的特性。 系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计初期时该技术系统还不清楚，故用初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱黑箱”（Black Box）来描述功能。）来描述功能。系统工程学对功能的定义：系统工程学对功能的定义： 一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。量和输出量之间的相互转换的关系。 用来整理、清点、用来整理、清点、计数，最后按计数，最后按50枚一枚一卷将硬币用纸包卷起卷将硬币用纸包卷起来；

14、也可以在计数后来；也可以在计数后装袋而不包卷。装袋而不包卷。硬币计数包卷机硬币计数包卷机 “黑箱黑箱”只是描述了从技术系统外部观察到的只是描述了从技术系统外部观察到的“功能特点功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是，而黑箱的内部结构是未知的，是需设计者进行具体构思和设计的。需设计者进行具体构思和设计的。 系统工程学中的系统工程学中的“白箱白箱”和和“灰箱灰箱”，则指内，则指内部结构完全已知或部分已知的技术系统。部结构完全已知或部分已知的技术系统。 设计者的任务就是使设计者的任务就是使“黑箱黑箱”变成变成“白箱白箱”，这个技术系统就设计出来了。这个技术系统就设计出来了。 技术系统的功能（任务）

15、就是将输入量转换为技术系统的功能（任务）就是将输入量转换为输出量。所以技术系统也可看作是一个转换装置。输出量。所以技术系统也可看作是一个转换装置。 （1）物料）物料用双线箭头表示用双线箭头表示可以是可以是固体固体、液体液体、气体气体、混合物混合物 金属机床金属机床水泵水泵天然气管道天然气管道汽车汽车 包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等能、生物能等 机械能的描述：力和运动机械能的描述：力和运动平移：力、线速度平移：力、线速度旋转：转矩、角速度旋转：转矩、角速度振动：振幅、频率振动：振幅、频率（2）能量）能量 用实线箭头表示用实线箭头表示

16、输入信号输入信号 一般为控制信号一般为控制信号 开关控制、大小开关控制、大小/ /速度速度/ /流量流量/ /强度控制强度控制 输出信号输出信号 一般为状态信号，可以是测量值、指示值一般为状态信号，可以是测量值、指示值 温度、压力、粗糙度、位置、报警信号温度、压力、粗糙度、位置、报警信号（3）信号）信号 用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号 （4）伴生输入和伴生输出）伴生输入和伴生输出 伴生输入：外界环境对技术系统的影响和作用，伴生输入：外界环境对技术系统的影响和作用，用实线箭头画在下方。用实线箭头画在下方。 伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用

17、，伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用，用实线箭头画在上方。用实线箭头画在上方。举例举例 水泵水泵 说说 明：明： 输出的能量为输出的能量为“压力水压力水”中蕴含的机械能中蕴含的机械能 没有明显的输出信号，可以不画出。没有明显的输出信号，可以不画出。 没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。举例举例 冲床冲床 产品设计中，输入量和输出量被称为产品设计中，输入量和输出量被称为“流流” 主要传递信号流的技术系统主要传递信号流的技术系统仪器仪器 主要传递能量流与物料流的技术系统主要传递能量流与物料流的技术系统机器机器 (1) 以转换能量为主：电动机、发

18、电机、汽轮以转换能量为主：电动机、发电机、汽轮机、锅炉机、锅炉(2) 以转换物料为主：以转换物料为主： 机床、管道输送系统机床、管道输送系统 在功能原理设计中，用黑箱描述产品在功能原理设计中，用黑箱描述产品的功能。的功能。 黑箱是系统工程用于分析和描述系统黑箱是系统工程用于分析和描述系统的一种方法。的一种方法。黑箱黑箱 二、功能元素和功能单元二、功能元素和功能单元 从系统论的观点看，一个系统可以分解从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，那么一个系统的总功能也应为一些子系统，那么一个系统的总功能也应该可以分解为一些该可以分解为一些“子功能子功能”或者或者“分功分功能能”。 功能的层次性

19、：功能树，用于表示总功能的分解情况功能的层次性：功能树，用于表示总功能的分解情况 前级（上级）功能是后级（下级）功能的目的功能前级（上级）功能是后级（下级）功能的目的功能 后级（下级）功能是前级（上级）功能的手段功能后级（下级）功能是前级（上级）功能的手段功能 通过总功能分解可以分析得到和确定所要设计通过总功能分解可以分析得到和确定所要设计的产品的具体功能，也就是将抽象的总功能具体化的产品的具体功能，也就是将抽象的总功能具体化为各个分功能，从而便于总功能的实现。为各个分功能，从而便于总功能的实现。 因此总功能分解是设计过程由抽因此总功能分解是设计过程由抽象到具体的一种体现。象到具体的一种体现。

20、假设总功能要求假设总功能要求FR 方便的交通工具方便的交通工具 对于折叠自行车对于折叠自行车 ，可以确定如下的下层，可以确定如下的下层功能要求功能要求FRs： FR1 = 骑乘、骑乘、FR2 = 折叠、折叠、FR3 = 座位调座位调整、整、FR4 = 携带额外物品、携带额外物品、FR5 = 安全性安全性 功能分解方案不是唯一的功能分解方案不是唯一的 不同的功能分解方式导致不同的设计结果不同的功能分解方式导致不同的设计结果 如果选择其它的方式实现如果选择其它的方式实现“方便的交通工方便的交通工具具”，如对于微型汽车，则所分解得到的，如对于微型汽车，则所分解得到的FRs 可能完全不一样。可能完全不

21、一样。例例 功能分解到什么情况下结束？功能分解到什么情况下结束？1. 分解到分解到“功能元素功能元素”层次层次2. 分解到分解到“功能单元功能单元”层次层次 功能元素（功能元）功能元素（功能元） 功能基本单位功能基本单位 可以将功能元理解为电子元件，电子元件可以将功能元理解为电子元件，电子元件联接成各种复杂的电路，功能元组合而成各种复联接成各种复杂的电路，功能元组合而成各种复杂的技术系统（即产品）。杂的技术系统（即产品）。功能分解到功能分解到“功能元素功能元素”层次层次 常用的基本功能元：常用的基本功能元： 物理功能元、逻辑功能元、数学功能元物理功能元、逻辑功能元、数学功能元物理功能元：反映系

22、统中能量、物料、信号物理功能元：反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作。由功能元可以实现复变化的物理基本动作。由功能元可以实现复杂的功能。杂的功能。5对常用的物理功能元：对常用的物理功能元：转变复原转变复原 放大缩小放大缩小 连接分离连接分离传导绝缘传导绝缘 存贮提取存贮提取 “变换一复原变换一复原”功能元包括：功能元包括： 各种类型能量之间的转变各种类型能量之间的转变 运动型式的转变运动型式的转变 运动方向的转变运动方向的转变 材料性质的转变材料性质的转变 物态的转变物态的转变 信号种类的转变信号种类的转变 “放大一缩小放大一缩小”功能元：功能元： 是指各种能量、信号向量（力、速度等）

23、是指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的放大及缩小，以及物料性质的或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。 “连接一分离连接一分离”功能元：功能元： 包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合与分离。结合与分离。 除物料之间的合并、分离外，流体与能量结合除物料之间的合并、分离外，流体与能量结合成压力流体（泵）的功能也属此范围。成压力流体（泵）的功能也属此范围。 连接：联接、混合、装配连接：联接、混合、装配 分离：拆开、隔开、过滤、精炼、去除（切割、分离：拆开、隔开、过滤、精炼、去

24、除（切割、磨，车、钻）、清除、溶解磨，车、钻）、清除、溶解 “传导一绝缘传导一绝缘”功能元：功能元： 反映能量、物料、信号的位置变化反映能量、物料、信号的位置变化 传导包括：单向传导、变向传导传导包括：单向传导、变向传导 绝缘包括：离合器、开关、阀门等绝缘包括：离合器、开关、阀门等 “存贮一提取存贮一提取”功能元：功能元： 体现一定时间范围内保存的功能。体现一定时间范围内保存的功能。例如：例如： 飞轮、弹簧、电池、电容等，反映能量飞轮、弹簧、电池、电容等，反映能量的贮存；的贮存； 录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。 数学功能元：数学功能元：反映数学的基本动作，

25、如加和反映数学的基本动作，如加和减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。数减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。数学功能元主要用于机械式的加减机构和除法学功能元主要用于机械式的加减机构和除法机构，如差动轮系、求积仪等。机构，如差动轮系、求积仪等。逻辑功能元：逻辑功能元：包括包括“与与”、“或或”、“非非”的逻辑动作，主要用于控制功能。的逻辑动作，主要用于控制功能。 总功能分解的另一种方式是不把功能总功能分解的另一种方式是不把功能分解得过细，而只是分解到分解得过细，而只是分解到“功能单元功能单元” 的层次。功能单元既有一定的独立性，又的层次。功能单元既有一定的独立性，又是有一定复杂程度的技术单元。是有

26、一定复杂程度的技术单元。 功能分解到功能分解到“功能单元功能单元”层次层次分解到分解到“功能单元功能单元”而不是而不是“功能元功能元”硬币计数包卷机的功能分解硬币计数包卷机的功能分解 例例黑黑 箱箱黑箱的黑箱的内部结构内部结构 功能分解的粗细不同（可以分解到功能分解的粗细不同（可以分解到“功能元功能元”层层次，也可以分解到功能单元层次）次，也可以分解到功能单元层次） 得到的功能树的层次数目不同、分功能个数不同得到的功能树的层次数目不同、分功能个数不同 功能划分方式不同功能划分方式不同 总功能分解方案不是唯一的总功能分解方案不是唯一的三、功能结构三、功能结构 类似电气系统线路图，分功能的关系类似

27、电气系统线路图，分功能的关系也可以用图来描述，表达分功能关系的图也可以用图来描述，表达分功能关系的图为为“功能结构图功能结构图”。 任何功能结构图，都由任何功能结构图，都由3种基本结构形种基本结构形式组成：式组成： 串联结构、并联结构、环形结构串联结构、并联结构、环形结构 串联结构串联结构 又称顺序结构，它反映了又称顺序结构，它反映了分功能之间的因果关系（条分功能之间的因果关系（条件关系）或时间、空间顺序件关系）或时间、空间顺序关系。关系。 例：虎钳的施力与夹紧两个例：虎钳的施力与夹紧两个分功能就是串联关系。分功能就是串联关系。 并联结构并联结构 几个分功能处于并联几个分功能处于并联关系。关系

28、。a. 同时完成某些分功能同时完成某些分功能后才能继续执行下一个后才能继续执行下一个分功能。分功能。b. 几个分功能作为手段几个分功能作为手段共同完成一个目的。共同完成一个目的。 例：车床需要工件与刀具共同运动来完成例：车床需要工件与刀具共同运动来完成加工物料的任务加工物料的任务 并联结构的另一种形式：又称选择结构并联结构的另一种形式：又称选择结构 这种选择结构在机械设计中常常见到，这种选择结构在机械设计中常常见到，如安全离合器的如安全离合器的“离离”与与“合合”取决于传递取决于传递载荷的数值。载荷的数值。 环形结构，又称循环结构环形结构，又称循环结构 环形结构的另一种形式：环形结构的另一种形

29、式：功能结构图的作用：功能结构图的作用： 通过功能结构图的绘制，可以明确实现通过功能结构图的绘制，可以明确实现系统的总功能所需要的分功能、功能元及系统的总功能所需要的分功能、功能元及其顺序关系。其顺序关系。 功能结构图的建立使得技术系统的功能结构图的建立使得技术系统的“黑黑箱箱”具体化，是使技术系统从抽象走向具具体化，是使技术系统从抽象走向具体的重要环节之一。体的重要环节之一。硬币计数包卷机的功能结构图硬币计数包卷机的功能结构图 例例并联结构并联结构串联结构串联结构“黑箱黑箱”的内部结构的内部结构功能结构图的变化功能结构图的变化 功能结构也不是只能有一种形式，它功能结构也不是只能有一种形式，它

30、可能有多种不同的组成形式。可能有多种不同的组成形式。 实现同一总功能的功能结构可有多种，改变实现同一总功能的功能结构可有多种，改变功能结构常可发展出新的产品。功能结构常可发展出新的产品。改变的途径有：改变的途径有： 功能的进一步分解或重新组合。功能的进一步分解或重新组合。 顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传递顺序不同，实体解答方案亦将不同。递顺序不同，实体解答方案亦将不同。 分功能连接形式改变。（串联、并联的改变）分功能连接形式改变。（串联、并联的改变） 系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能，系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的

31、功能，以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化程度是其重要方面。程度是其重要方面。几点说明：几点说明： 1、总功能分解、总功能分解 通常进行功能分解时可参考下面的办法：通常进行功能分解时可参考下面的办法：(1) 按照解决问题的因果关系或手段、目的关系来分解按照解决问题的因果关系或手段、目的关系来分解例：平口钳，为了例：平口钳，为了“夹紧工件夹紧工件”，必须，必须“施加压力施加压力”，前者为目的，后者为手段，沿着这个思路逐步进行分前者为目的，后者为手段，沿着这个思路逐步进行分解。解。(2) 按照生产的空间顺序或时间顺序来分解。按照生产的空间顺序

32、或时间顺序来分解。例如，汽水瓶灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽例如，汽水瓶灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽水的贮存与输送水的贮存与输送灌装灌装加盖加盖封口封口贴商标贴商标 成品成品输送。输送。(3) 先考虑基本功能的分解，再考虑辅助功能的分解。先考虑基本功能的分解，再考虑辅助功能的分解。(4) 对于机器，可以按照原动机、工作机、传动机、控对于机器，可以按照原动机、工作机、传动机、控制器、支撑等功能进行分解。制器、支撑等功能进行分解。2、建立功能结构图时、建立功能结构图时 一般首先排定与主要工作过程有关的分功能或功一般首先排定与主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。

33、能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。3、评比、评比 进行评比的方面是：复杂程度；是否易于获得解进行评比的方面是：复杂程度；是否易于获得解答方案；是否满足特定要求答方案；是否满足特定要求 通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实体解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。体解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。例例 建立材料拉伸试验机的功能结构图建立材料拉伸试验机的功能结构图解：解：（1）用黑箱法求总功能）用黑箱法求总功能（2）总功能分解）总功能分解（3）建立功能结构图）建立功能结构图一级分功能结构图一级分功能结构图二级分功能结构图二级分功能结

34、构图总功能分解的有关说明：总功能分解的有关说明： 总功能分解将产品功能具体化，从而使得产品总功能分解将产品功能具体化，从而使得产品的功能易于实现。的功能易于实现。 另一方面，通过总功能分解得到的各个分功能的另一方面，通过总功能分解得到的各个分功能的复杂程度相比总功能小的多，更容易实现。复杂程度相比总功能小的多，更容易实现。 因此，总功能分解实际上体现了因此，总功能分解实际上体现了“任务任务分解分解”的思想。的思想。什么是任务分解？什么是任务分解？ 对于一个复杂问题，直接对它进行求解往对于一个复杂问题，直接对它进行求解往往很困难，一个通常的办法是先将原来的任务往很困难，一个通常的办法是先将原来的

35、任务进行逐层分解，得到多个相对简单的具体的子进行逐层分解，得到多个相对简单的具体的子任务，然后对这些简单的具体的子任务进行求任务，然后对这些简单的具体的子任务进行求解，从而完成对原来的复杂问题的求解。解，从而完成对原来的复杂问题的求解。第三节第三节 功能原理的基本类型功能原理的基本类型 功能原理基本上可分为两大类：动作功能和工艺功能功能原理基本上可分为两大类：动作功能和工艺功能动作功能是以实现动作为目的的功能动作功能是以实现动作为目的的功能工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能可以分为动作功能可以分为简单动作功能和复杂动作功能简单动作功能和

36、复杂动作功能，它，它们的区别主要在于后者能实现连续的传动，而前者仅们的区别主要在于后者能实现连续的传动，而前者仅是完成简单的一次性动作。是完成简单的一次性动作。 如果从参与完成功能的物理作用的特点来分类，则可以把功如果从参与完成功能的物理作用的特点来分类，则可以把功能分为能分为纯机械功能和综合技术功能纯机械功能和综合技术功能两大类。两大类。 随着科学技术的发展，已经不再局限于用纯机械的方式去实随着科学技术的发展，已经不再局限于用纯机械的方式去实现动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化现动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化.各种各种“广义物理效应广义物理效应”更好地去实现各

37、种动作功能和工艺功能更好地去实现各种动作功能和工艺功能，称为，称为综合技术功能综合技术功能。 如果从所完成得功能的困难或复杂程度来分类，则可把功能如果从所完成得功能的困难或复杂程度来分类，则可把功能分为分为常规技术功能和关键技术功能常规技术功能和关键技术功能。关键技术是一种有力的竞。关键技术是一种有力的竞争武器，它是技术难点，具有较高技术水平。争武器，它是技术难点，具有较高技术水平。 从不同的角度对事物进行分类研从不同的角度对事物进行分类研究是有利于完整和深刻认识事物本质究是有利于完整和深刻认识事物本质的好方法。的好方法。第四节第四节 两种动作功能及其对应的求解思路两种动作功能及其对应的求解思

38、路 动作功能是指那些只完成动作而不同时对物动作功能是指那些只完成动作而不同时对物体进行加工的功能。按其是否为一次性动作还是体进行加工的功能。按其是否为一次性动作还是进行连续运动，可分为进行连续运动，可分为“简单动作功能简单动作功能”和和“复复杂动作功能杂动作功能”两类。两类。一、简单动作功能一、简单动作功能 简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几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何形状的构件组成，利用它们形体上的特征可以实现互相运动或锁合的动作。实现互相运动或锁合的动作。例如：带轴的轮子，例如：带轴的轮子，人类十大发明之一的人类十大发明之一

39、的拉链。拉链。 拉链由链米和开链拉链由链米和开链器两种构件组成，能器两种构件组成，能实现闭合和开启的动实现闭合和开启的动作功能。作功能。弹子锁弹子锁 如果要创造一种新的简单动作功能，可以以如果要创造一种新的简单动作功能，可以以几几何形体组合法何形体组合法（几何形体的构思和组合）作为参（几何形体的构思和组合）作为参考求解思路来进行构思。考求解思路来进行构思。 多看现有的优秀设计实例，练习设计巧妙的简多看现有的优秀设计实例，练习设计巧妙的简单动作功能，对于训练设计创造力是很有帮助的。单动作功能，对于训练设计创造力是很有帮助的。 简单动作并没有过时，而仍以其简单可靠的特简单动作并没有过时，而仍以其简

40、单可靠的特点，在各个领域里可靠地为人类服务。点，在各个领域里可靠地为人类服务。二、复杂动作功能二、复杂动作功能 这类功能以采用常用基本机构为主其设计已有这类功能以采用常用基本机构为主其设计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计起来并非毫无困难，但是比起复杂的功能目标，设计起来并非毫无困难，但是比起“简单动作功能简单动作功能”的设计来还是要容易得多，因为的设计来还是要容易得多，因为它毕竟被人们研究得相当透彻了。它毕竟被人们研究得相当透彻了。 显然、显然、“复杂动作功能复杂动作功能”的设计求解思路应该是的设计求解思路应该

41、是基本机构组合法基本机构组合法。在机械原理课程中介绍了这些基本。在机械原理课程中介绍了这些基本机构。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、挠性机机构。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、挠性机构、螺旋机构、间歇机构等。构、螺旋机构、间歇机构等。 人类利用这些基本机构，不仅用来实现连续的传人类利用这些基本机构，不仅用来实现连续的传动，而且利用它们实现复杂的运动规律和运动轨迹。动，而且利用它们实现复杂的运动规律和运动轨迹。 例如，硬币机的卷边例如，硬币机的卷边功能系统所采用的一组六功能系统所采用的一组六杆机构，它既要使上钩的杆机构，它既要使上钩的位置能随包卷纸的宽度而位置能随包卷纸的宽度而变，而且能使上

42、、下钩同变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，时进行对称的包卷动作，它是由凸轮、一套平行四它是由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构杆机构和一套反四杆机构组合而成的。组合而成的。 特别应该指出的是在现代很多所谓特别应该指出的是在现代很多所谓“机电一体化机电一体化的机器中，仍大量采用基本机构来实现各种运动和动的机器中，仍大量采用基本机构来实现各种运动和动力传递。并不因为有了力传递。并不因为有了CPU和各种电子控制装置而不和各种电子控制装置而不再采用基本机构了。因为实现运动最可靠的手段还是再采用基本机构了。因为实现运动最可靠的手段还是机构而不是什么电子装置。即使最典型的办公自动化机构而不是

43、什么电子装置。即使最典型的办公自动化机器机器 复印机中，仍大量采用各种基本机构，因为复印机中，仍大量采用各种基本机构，因为它需要实现大量的运动。它需要实现大量的运动。 总结上述两类动作功能，无论是简单动作功总结上述两类动作功能，无论是简单动作功能还是复杂动作功能，都是纯机械的功能。它们能还是复杂动作功能，都是纯机械的功能。它们的基本特点是的基本特点是“以形体来实现功能以形体来实现功能”。这个特征。这个特征使机械实现动作功能的方式变化无穷。使机械实现动作功能的方式变化无穷。第五节第五节 工艺功能及其对应的求解思路工艺功能及其对应的求解思路一、工艺功能的含义一、工艺功能的含义 工艺类机器是对被加工

44、对象工艺类机器是对被加工对象( (某种物料某种物料) )实施某种实施某种加工工艺的装置，其中必定有加工工艺的装置，其中必定有个工作头如机床的个工作头如机床的刀具、挖掘机的铲斗等，用这个动作头去完成对工刀具、挖掘机的铲斗等，用这个动作头去完成对工作对象的加工处理。在这里，工件头和工作对象相互作对象的加工处理。在这里，工件头和工作对象相互配合，实现一种功能，叫做配合，实现一种功能，叫做“工艺功能工艺功能”，这里，这里“工工艺艺”是指是指“加工工艺加工工艺” 。 工艺功能考虑的两个重要因素工艺功能考虑的两个重要因素: :一是采用哪种工艺一是采用哪种工艺方法，二是工作头采用什么形状和动作，而归根结底方

45、法，二是工作头采用什么形状和动作，而归根结底是确定工作头的形状和动作。是确定工作头的形状和动作。 人类所发明的最古老的工艺功能可能是石器时代的人类所发明的最古老的工艺功能可能是石器时代的刮削器，能实现刮削工艺。刮削器，能实现刮削工艺。 耕地的犁也是工艺功能耕地的犁也是工艺功能的一种典型，犁头的工作的一种典型，犁头的工作面是面是种复杂的空间曲面，种复杂的空间曲面，它能把泥土犁起，翻过来它能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。扣在犁沟边上。例如，为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法显然不是理例如，为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法显然不是理想的途径，因为很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不想的途径，因为很难把

46、肉均匀剁碎，而且砧板也承受不了机械的剁切。了机械的剁切。 机器的工艺方法往往不能完全模仿手工机器的工艺方法往往不能完全模仿手工的工艺方法。的工艺方法。 因此人们想出了搅碎因此人们想出了搅碎的工艺方法，并设计了相的工艺方法，并设计了相应的工作头，通过螺旋输应的工作头，通过螺旋输送器强迫肉块通过绞刀孔，送器强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。碎。 例如，目前市场上出现例如，目前市场上出现的家用切碎机，其工作头的家用切碎机，其工作头的形状、工作方式先全不的形状、工作方式先全不同于老式的绞肉机特别同于老式的绞肉机特别是它的两把刀子的形状和是它的两把刀子的形状和姿势的设计

47、很有特色，它姿势的设计很有特色，它保证了被切的肉或菜能被保证了被切的肉或菜能被均匀切碎。均匀切碎。 工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进和革新，因为工作头的变革可能性是很大的。和革新，因为工作头的变革可能性是很大的。例如，过去长期采用的纯机械切例如，过去长期采用的纯机械切削的金属切削工艺，现在可以采削的金属切削工艺，现在可以采用激光切割和水刀切割。用激光切割和水刀切割。水刀的工作原理水刀的工作原理：能够喷出大约能够喷出大约三倍于音速的水流，形成高速射三倍于音速的水流，形成高速射流，利用高速射流来切割物体流，利用高速射流来切割物体。可以切割各种非金属的物质

48、，或可以切割各种非金属的物质，或者做各种表面的特殊者做各种表面的特殊处理。处理。 工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处主工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处主要在于工作头对物体的作用。这种作用有一部分是纯要在于工作头对物体的作用。这种作用有一部分是纯机械的作用。例如绞肉机就是刀口对肉的绞切作用。机械的作用。例如绞肉机就是刀口对肉的绞切作用。而工艺功能的最大特点在于这种作用又是可能不是纯而工艺功能的最大特点在于这种作用又是可能不是纯机械的，而加入了其他广义的作用。机械的，而加入了其他广义的作用。 工艺功能的特点是：工作头的形状、运动工艺功能的特点是：工作头的形状、运动方式和作用场是完

49、成工艺功能的三个主要因素。方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。 这里，工作头和工作对象是对立的统一，这里，工作头和工作对象是对立的统一，通过通过“场场”产生相互作用。产生相互作用。二、物一场分析法二、物一场分析法物物- -场分析法场分析法(S-Field(S-Field法法) )：适合求解工艺功能，是很：适合求解工艺功能，是很有效的思路。有效的思路。S S对象或物体对象或物体(Substance)(Substance)。主体。主体(S1)(S1)，客体，客体(S2)(S2)这个方法的基础是对这个方法的基础是对“最小技术系统最小技术系统”的理解和分析：的理解和分析：在任何一个最小技术系统中

50、，至少有一个主体在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)(S1)，一个客体一个客体(S2)(S2)和一个场和一个场(F)(F)。三者缺一不可，否则不能。三者缺一不可，否则不能发生技术作用。发生技术作用。一个标准的一个标准的S-FieldS-Field模型的形式如图模型的形式如图3 32323所示，即所示，即S1S1通过通过F F作用于作用于S2S2。S1S1主体，是对客体发出作用的物体，也就是工作主体，是对客体发出作用的物体，也就是工作头（或工具）。头（或工具）。S2S2客体，就是被加工的物体，也就是工艺动作的客体，就是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体。对象物体。 F F场，这不

51、单指某种物理场，而场，这不单指某种物理场，而是广义地指是广义地指S1S1向向S2S2作用时发出的力、作用时发出的力、运动、电磁、热、光运动、电磁、热、光一切作用场。一切作用场。用用S-Field模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法: 基本的方法是寻求合理的基本的方法是寻求合理的F和和S、，此外还、，此外还可以通过可以通过“完善完善”、“增加增加和和“变换变换”的方法来寻求新的解法。的方法来寻求新的解法。用用S-Field模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法1、 F和和S1搜寻搜寻例如：为了完成修剪草地的任务如何构思剪草机的例如：为了完成修剪草地的任务如何构思剪草

52、机的工作原理呢工作原理呢?分析：在这个问题里，分析：在这个问题里，S 2是草地上的草。剩下的问题是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的是寻找合适的F和和S1了。了。首先要寻找各种可能被利用的首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：并加以分析和比较： 拉力拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。高度，无法使草地整齐。 割断力割断力像农夫割麦一样，需要握住草的上部像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。才能割断。 剪断力剪断力利用剪刀刃合拢，可以剪断。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显然，人们常常选择剪断力作

53、为理想的F，当然，当然S1就只能是剪刀。将剪刀作为像理发推子那样，就是就只能是剪刀。将剪刀作为像理发推子那样，就是传统的剪草机的解法原理。传统的剪草机的解法原理。用用S-Field模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法 2完善完善 原设计中有时出现缺少原设计中有时出现缺少F或或S1的情况并因此而造成功的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全能不良的后果。应该通过补全F或或S1的措施来使的措施来使S-Field模式完善化。模式完善化。例如：制造平板玻璃的方法例如：制造平板玻璃的方法用用S-Field模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法3增加增加 一个最小技术系

54、统至少应具有一个最小技术系统至少应具有S1、S2和和F，但有时，但有时还应辅以还应辅以S1和和F，才能更好地完成希望实现的功，才能更好地完成希望实现的功能。能。 例如，在金属切削过程中，工件是例如，在金属切削过程中，工件是S2，刀，刀具是具是S1，切削力是，切削力是F，如果加入另一种物质，如果加入另一种物质Sl(切削液切削液)，切削工艺过程就会变得更好，切削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度会降低，切削速度也能提工件的表面粗糙度会降低，切削速度也能提高，高，Sl的存在实际上还附加了另一种物理的存在实际上还附加了另一种物理场场F，这就是分子吸附膜，这层分子膜使，这就是分子吸附膜，这层分子膜使

55、得刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同得刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还起冷却作用。时还起冷却作用。 4变换变换 对已有工艺功能解法中的对已有工艺功能解法中的S1和和F进行分析后，常常进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。会产生意想不到的好效果。用用S-Field模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法 例如前面提到的剪草机原理，是否有别的东西可以例如前面提到的剪草机原理，是否有别的东西可以代替剪切力代替剪切力F和剪刀和剪刀S1呢呢?杂技演员在舞台上用鞭子可以杂技演员在舞台上用鞭子

56、可以把报纸抽断：即使不用刀，用把报纸抽断：即使不用刀，用软的物体也可以切断某些物体，软的物体也可以切断某些物体，只要有足够高速度就行。只要有足够高速度就行。新型割草机的原理：用一根高新型割草机的原理：用一根高速旋转的尼龙线速旋转的尼龙线(直径约直径约2mm)，就可以又快又好地来修剪草地就可以又快又好地来修剪草地了。这时，了。这时，S1是一条尼龙线，是一条尼龙线，F则是高速抽打的则是高速抽打的“抽击力抽击力”。 人们也许立刻就会联想到用高压水喷射可以切割木人们也许立刻就会联想到用高压水喷射可以切割木材、钢板、布料材、钢板、布料。 新型割草机与聪明草种新型割草机与聪明草种第六节第六节 关键技术功能

57、和综合技术功能关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路及其对应的求解思路 这两种功能所实现的还是动作和工艺两种基本这两种功能所实现的还是动作和工艺两种基本功能，不过技术上更难、更高、更特殊而已。功能，不过技术上更难、更高、更特殊而已。 一、关键技术功能一、关键技术功能 产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：产品中的关键技术主要与以下几个方面有关： 1)材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料特殊轻质材料(例如复合材料例如复合材料)、特殊物理性能要求等。、特殊物理性能要求等。 2)制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处制造工艺：高

58、精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求理要求。 例如在汽车制造中的例如在汽车制造中的2mm工程，要保证汽车外壳所有缝隙工程，要保证汽车外壳所有缝隙都小于都小于2mm，美国就把它作为一个重大的关键技术难题组织，美国就把它作为一个重大的关键技术难题组织攻关，高的制造水平将直接影响产品性能的技术指标例如攻关，高的制造水平将直接影响产品性能的技术指标例如免维护性和使用寿命等技术性能的提高免维护性和使用寿命等技术性能的提高。 3)设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的

59、功能更好的功能水平。能更好的功能水平。 例如，当前在喷墨打印机中的喷墨技术，就是一种关键技例如，当前在喷墨打印机中的喷墨技术，就是一种关键技术功能。日本术功能。日本Canon采用汽化喷墨的功能原理，而另一家日本采用汽化喷墨的功能原理，而另一家日本公司公司Epson则采用压电喷墨技术。则采用压电喷墨技术。 由设计解决的关键技术功能，有可能仅用不太高的由设计解决的关键技术功能，有可能仅用不太高的材料和制造工艺而实现高性能的目标，最优秀的设计材料和制造工艺而实现高性能的目标，最优秀的设计应该是有最佳性能价格比的产品。当然，必要的好材应该是有最佳性能价格比的产品。当然，必要的好材料和好的制造工艺常常是

60、必须采用的。料和好的制造工艺常常是必须采用的。下面两个例子可以很好地体现由设计解决关键技术功能。下面两个例子可以很好地体现由设计解决关键技术功能。 例如，在数控机床发展的初期，为了实现工作台的例如，在数控机床发展的初期，为了实现工作台的精密定位和精密进给精密定位和精密进给(每步每步0.01mm)，必须使传动丝杠和，必须使传动丝杠和工作台导轨的摩擦阻力尽最小，于是滚珠丝杠和静压导工作台导轨的摩擦阻力尽最小，于是滚珠丝杠和静压导轨成了关键技术。轨成了关键技术。 例如，在肌电控制假手的研制中，例如，在肌电控制假手的研制中，用常规技术所设计的手指开合机构，用常规技术所设计的手指开合机构，其指端捏紧力只