第二章机械产品的功能原理设计案例.ppt

1、1,第二章机械产品的功能原理设计,1、功能原理设计概念：2、功能原理设计重点：在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法供比较选优。,2,设计一台点抄机：首先构思将钞票逐张分离的工作原理。图3-1为构思示意图,3,3、作用：功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。4、任何一种机器的更新换代都存在三个途径:一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。,4,第一节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1)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。2)引入某种新技术(新

2、材料、新工艺、)，但首先要求设计人员有一种新想法(NewIdea)、新构思。,5,3)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，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。电波表的出现：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。,6,二、功能原理设计的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”。主要工作内容：是构思能实现功能目标的新的解法原理。举例：喷墨打印技术,7,8,9,10,第二节功能、功能单元和功能结

3、构一、机器的功能组成一台机器完成的功能通常称为总功能，机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、控制器等组成。有的分功能与其他分功能也可共用一个原动力或传动机构。机器的功能组成如图所示。,11,二、机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能结构）1、功能的含义功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，它和人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。例如：,12,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：是指某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性

4、。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“黑箱”来描述功能：把信息流、能量流、物料流输入“黑箱”，在“黑箱”中转换成新的信息流、能量流、物料流，然后输送出来，如图36所示。系统工程学对功能的定义：是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。,13,设计者的任务就是使“黑箱”变成“白箱”这个技术系统就设计出来了，获得了一个完美的机械产品，实现了预定的功能。,14,图37所示是一台硬币计数包卷机的外观，它用来整理、清点、计数，最后按50枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。图38所示是用黑箱法描述的硬币机的总功能

5、。这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的“功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体构思和设计的。,15,硬币计数包卷机功能分解图,硬币计数包卷机外形图,16,总之：任何技术系统都可以视为3种流的处理系统，即能量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流转换为电能流。作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，也可能是粉半、磨屑、泥沙

6、之类待处理物。机械技术系统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。,17,作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指令、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以是数字量。技术系统将对信息流作加工、处理或转换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动量信息的功能，计算机能做数据处理，AD转换器能将模拟量转换为数字量信息，数字式电视机能将接收到的数字信息转化为图像信息。对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，如电视

7、机。系统在完成功能的过程中，外界将向它输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干扰和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。,18,2功能单元一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的解比较困难，可对总功能进行分解，分解成较为简单的“功能单元”。这样的功能单元具有一定的独立性，是直接求解的功能单元也可称为“功能元”。直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下图中的夹持试件、夹头、移动等。,19,例如：对材料拉伸试验机的功能分解图可用图示的形式表示。,拉伸试验机的功能分解图,20,冰箱功能分解图,21,3功能结构功能结

8、构图：用来表示各分功能之间关系的框图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。这样一个过程，称为”功能分析”，也可称为“系统分析”。从上述材料拉伸试验机采用的力变形关系测量的例子中：总功能(力变形关系测量)可分解为四个分功能(试件拉伸、力测量、变形测量、控制信息)，每个分功能再分解，直至功能元。将各分功能(或功能元)组合时有三种基本结构形式，如图所示。图中F1，F2和F3为分功能。,22,(1)串联：各分功能按顺序相继作用；(2)并联：各分功能并列作用；(3)回路：各分功能组成环状循环回路，体现反馈作用。,23,从以上分析可以画出材料拉伸试验机的功能结构图。上图表示是用“黑箱”描述材料拉伸试

9、验机的总功能。下图表示材料拉伸试验机功能(一阶)结构图。,24,25,下图表示材料拉伸试验机功能(二阶)结构图。,26,总之，“功能结构”图是用来表示各分功能之间关系的框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系与配合。,27,第三节机械系统的功能原理设计功能原理设计是产品设计的最初环节，对主要功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、先进性都取决于这个阶段。如包糖果，过去人们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果，机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装有两个目的，一是防止糖果受污染，二是增加美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力也更强了，但机器结构

10、却很简单。所以说，一个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创新构思，又有市场竞争潜力。,28,一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：1、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、仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：1）综合创新原理综合创新原理是指将研究对象的各个部分、各个方面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事物的本质和规律的一种思维法则。,29,例如，普通的x光机和计算机，都无法对人的脑内病变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出CT扫描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有了长足的发展。CT扫描仪的创新设计，是20

11、世纪医学领域的一项重大创新成果。2）分离创新原理分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设计特色。,30,例如，早期电冰箱都是上“冷”下“热”，即冷冻室在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻室在下的上“热”下“冷”式电冰箱。这种电冰箱具有三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：其三，冷冻室下置方案

12、利用了冷气下沉的特点，使负载温度回升时间比一般冰箱延长1倍，减少耗电，节约能源。,31,3）移植创新原理移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事物或开发新产品。例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便(只需更换滚动体)等优点。从创新设计原理上看，可以认为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移植。,32,4）物场分析原理所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作用的，只有

13、同某种“场”发生联系后才会产生对另一物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等，是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素：两个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场三要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。,33,例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，在其检测体系中，“润滑油”、“氟利昂”是物质，但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，在暗室里

14、用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏部位。,34,5）还原创新原理还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢?有人想到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为“无扇叶电风扇”。与传统的风叶旋转式电风扇相比，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。,35,6）价值优化原理把价值看作某一功

15、能与实现这一功能所需成本的比，提高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设计问题变为用最低成本向用户提供必要功能的问题，即创造具有高价值的产品。例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长使用寿命，即功能得到改善。,36,2、通过改进工艺、结构和材料

16、提高性能。例如：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的(b)，(c)，(d)都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于结构不同，性能也不一样，其中(d)是按行星机构原理制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。,37,38,3、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调机增加空气净化装置、手表增加日历等。机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。二、功能原理设计的内容功能原理设计的内容：构思能实现功能目标的新的解法

17、原理。功能原理设计首先要通过调查研究，确定符合当时技术发展的明确的功能目标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择一种较为合理的方案。现举例说明：,39,1、例如，有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，只提出要有能模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像真手一样能拿起一个质量约为300g的物体，应实现的具体功能目标如下：手指应能实现0.5rads的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于20mm。传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作1天。,

18、40,有了这些量化指标，设计者设计就有了明确的目标，验收者验收也有了依据。以上目标中具有必须解决的矛盾，即如果保证了运动速度捏紧力只有5N而不是50N，若保证了捏紧力50N，运动速度只有原来的l10，相当于慢动作，人们很难接受。所以设计出了切换装置，假手不接触物品时保证运动速度，当手指触摸物品时，切换装置工作，运动速度降下来(这时也不需要高速度)，捏紧力由5N转换成50N，就可以保证工作要求。,41,2、例如，对轿车的总体要求是：安全、环保、节能。功能目标要求有座位数、驱动前轮、驱动功率、当转数为50rs时的最大转矩、换挡和制动形式等。除功能目标要求外，用户还可能提一些最低要求，如某一行驶速度

19、下的最高耗油量，最小的行李箱空间、低温下安全启动能力。用户还可能提出一些希望考虑的项目，如车上舒适方便、噪音低等。功能目标是必须保证的，而对于最低要求和希望考虑的项目越能很好地满足，则这一方案就越有价值。,42,3、任何一个机械产品功能目标确定后，经过功能分析和综合，就要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思。例如，设计一台粉碎机械，即应用机械力对固体物料进行粉碎作用，使之变为小块、细粒或粉末的机械。先要构思工作原理，右下图就是其功能原理设计的构思示意图。显然，进行原理性构思时首先要考虑应用某种“物理效应”(如图中的挤压、劈裂、弯曲、研磨、冲击)，然后利用某种作用原理，如表2-2中的粉碎机构

20、，最后获得达到实现“功能目标”的结果。,43,44,45,前面提到粉碎的5种“物理效应”，前四种属于使用静力，后一种是应用动能。大多数情况下，物料常在两种以上的“物理效应”综合作用下被粉碎。物理效应的选择是根据物料的物理特性、料块的大小和所要求的细化程度来选择的。对于坚硬的物料应采用挤压、弯曲和劈裂；对于脆性物料、应采用冲击和劈裂；料块较大时，应采用劈裂和弯曲；料块较小或排料粒度要求很小时，则应采用冲击和研磨。,46,4、再举洗衣机的例子。人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣物纤维中的污垢。只要使污垢与纤维分离就可以使衣物干净，因而产生了多种洗衣机：如：1）波轮式洗衣机

21、。用波轮回转形成水流并控制流速和流向达到洗净的效果；2）电磁洗衣机。这种洗衣机缸内装有四个带夹子的洗涤头，每个洗涤头上有一种电磁圈，通电后能在水中发出每秒2500次微振，这种高频振荡使污垢与纤维分离，不仅去污力强，而且比一般洗衣机节电75，节水50左右；,47,3）气流洗衣机。它利用空气泵产生气泡，气泡破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使洗涤剂更好地分解，因此洗涤效果可提高55，与波轮式洗衣机相比，它对衣物的磨损率、洗涤剂的用量和残留量有大幅度降低；4）冷沸腾洗衣机。该机能在几秒钟内用泵从洗涤桶的上部将空气抽走，因桶内处于高真空状态，使水呈沸腾状，衣物在泡沫旋涡中反复搅动，水在衣物表面产

22、生气泡，当气泡破裂时产生爆破力将衣物上的污垢微粒弹开并抛向水面，仅用两分钟就能洗净，由于机内无旋转部件，对衣物损伤很小，同时它还无噪音、无振动和无污染，且不用任何洗涤剂；,48,5）喷雾洗衣机。它是通过水往复循环形成的水雾来达到清洗衣物的目的水雾是水流在通过洗衣机内高速旋转的桶壁上密布的小孔时形成的，这时水立即被吸走，而桶中的衣物则受到喷雾的清洗；6）超声波洗衣机。洗衣槽充满水，放入衣物后，启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作用下由纤维中分离出来，由气泡带走。7）漂洗、脱水全部自动化的全自动化洗衣机，也称为智能洗衣机。该机由模糊系统控制，其特点是无论洗多少衣物，都可根据脏污程度自动选择

23、时间。该产品在排水口安装了光传感器，可根据水的脏度和相饱和时间判断出脏污程度和脏迹的性质。,49,8）最近又研制出来仿生搓洗洗衣机。该机利用模糊和变频技术，能自动感知衣物的质地、重量和脏污程度，调节手形搓洗棒的摆动频率和角度，酷似人手洗衣服的快慢与节奏，从而达到手洗一样的洗衣效果。总之，寻求作用原理是机械产品创新构思的重要阶段，这阶段要充分利用力学效应，流体效应，热力学效应，动力学效应，声、光、电、磁等效应等，一定能构思出先进而新颖的作用原理，使新产品不断涌现，让人们一些潜在的愿望得以实现。,50,5、已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。例如风扇，其功能是产生压力差。由于压力差使

24、空气产生流动，吹到人身上时，人感到凉爽。分析风扇的功能和用途还可构思出如下相关产品。(1)风扇鼓风机为炉灶送风助燃；风扇一抽风机，抽吸厨房的油烟；风扇一吸尘器，吸尘。(2)从调节温度出发，用压缩式空调器，可以调节冷热，其功能比风扇还好。(3)改变风扇结构、造型开发出新产品。改变结构：台扇改变为落地扇、吊扇、壁扇等；改变造型：圆形、方形、动物造型等。(4)增大或减小，设计大型工业排风扇；蚊帐内的小吊扇。(5)多速风扇代替单速风扇。(6)改变运动形式。送风：普通风扇，外罩不转，叶片转；鸿运风扇，叶片不转，外罩转。,51,6、产品销售量与功能原理设计产品使用区域越广，销量就越大。一机多用使销量也能增

25、加。增加辅助功能，也能扩大销量。因此，在进行功能原理设计时就要把这些因素考虑进去。为扩大产品的销量在功能原理设计时可考虑以下方面：1)适用性改变不同的地区和民族，气候、经济和资源都可能不同，产品开发时就要针对不同条件开发不同产品，或产品结构要有所变化。例如轿车，在寒带散热器的工作能力能得到满足，到了热带就满足不了要求，在功能原理设计阶段就要考虑进去，使产品适用于地球的任何一个地区；又如开发出的扫雷机，既要适用于寒带疏松的雪，也要适用于温带的半融冰雪。汽车驾驶员的座位，因国家和地区左、右侧通行不同而分为右座位和左座位等。总之，设计方案要适用于需求。,52,2)开发新用途开发一个新产品的同时在原理

26、构思阶段就要考虑一机多用，使产品具备多种功能。如小型拖拉机可应用于农业耕作也可牵引运货，再如平衡重式叉车(如图所示)，更换属具后就可在多种条件下工作。如图所示，属具共有30多种，可见设计出一台叉车，只是更换一个工作头，就组成了另一台新设备，而且更换属具又很方便，这样扩大了产品的销售。(3)增添附加功能其目的是拓宽使用面如手表加血压计，空调机加换气装置，新式木工机床等,53,54,55,第四节机械的分类一、功能原理设计的两个工作特点如下；1、功能原理设计是一种综合，综合是不可能有任何定法可循的。分析和综合是两种个同的科学方法；分析可以按某些既定的方法按步进行，而综合则是“有法而无定法”，即不可能

27、只要按某种“方法”去做就一定能得到某种好的解法。2、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。一般来说在构思阶段应尽可能多地搜索各种可能的解法，以便在众多可能的解法中选出较满意的解法来。,56,二、按功能来进行分类，可分为：工艺类机械和非工艺类机械两大类。1、对物料进行工艺性加工的机械属于工艺类机械，这类机械具有专用的工作头，如轧钢机的轧辊、孔型，切削机床的刀具，电锯的锯条等并用工作头对相应的物料进行工艺性加工。工艺类的机械包括：金属冷加工设备、金属热加工设备、矿石破碎机械、矿石粉磨机械、食品机械、橡胶机械，木工机械等。2、非工艺

28、类机械则不对任何物料进行工艺性加工，只是实现某种需求的功能。非工艺类机械包括：交通运输机械、物料搬运机械、动力机械，各类阀门、泵、压力容器等。,57,三、按技术特点进行分类：综合运用机、光、电、磁、热、化各种“广义物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能。为区别纯机械的功能原理，我们把它总称为“综合技术功能”。从它所完成的功能来说，实际上仍是动作功能或工艺功能，但其技术手段却是广义的物理效应。在激烈的产品竞争中，出现了一种有力的竞争武器，就是所谓的“关键技术”或叫做“KnowHow”。它是作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人掌握因此该企业的产品在这一方面占有待殊的优势。这种

29、技术可能是动作功能，可能是工艺功能，而且很有可能也是采用“广义物理效应”的综合技术功能，只是因为它在竞争中的持殊地位，才把它列为种功能，叫“关键技术功能”。,58,第五节两种动作功能及其对应的求解思路动作功能是指那些只完成动作，不同时进行对物体的加工的功能，属于非工艺类机械。按其是否是一次性动作，还是进行连续运动可分为“简单动作功能”和“复杂动作功能”两类。,59,一、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。如：带轴的轮子，人类十大发明之一的拉链。,60,61,总结：在进行功能原理设计创造时，没有什么简易的“办法

30、”可循。因为设计是“综合”，而“综合”是没有确定的方法的，即使有某些参考的方法可作辅助，也不一定能取得合理的结果。所谓“有法而无定法”就是设计创造的特点，最实际的办法，就是多看优秀设计实例，多作基础设计训练，在正确的指导性思路的引导下，才有可能取得某一个合理的设计成果。,62,二、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“简单动作功能”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。显然、“复杂动作功能”的设计求解思路应该是基本机构组合法。在机械原理课程中介绍了这些基本机构。如：齿

31、轮、齿条机构、连杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等.,63,举例：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。例如图318所示的硬币机的卷边功能系统所采用的一组六杆机构、它既要使上钩的位置能随包卷纸的宽度而变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，它是由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构组合而成的。,64,特别应该指出的是在现代很多所谓“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力传递。并不因为有了CPU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机构而不是什么电子装置。即使最典型的办公自动化机器复印机：

32、仍大量采用各种基本机构因为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“以形体来实现功能”。这个特征使机械实现动作功能的方式变化无穷。,65,第六节工艺功能及其对应的求解思路一、工艺功能的含义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，其中必定有个工作头如机床的刀具、挖掘机的挖斗等，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配合，实现一种功能，叫做“工艺功能”，这里“工艺”是指加工“工艺”。工艺功能考虑的两个重要因素:一是采用哪种工艺方法，二是工作头采用什么形状和动作，而归根结底是确

33、定工作头的形状和动作。工艺功能的特点是：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。,66,举例：1、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、耕地的犁也是工艺功能的一种典型，犁头的工作面是种复杂的空间曲面(图：319）它能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。,67,2、绞肉机绞碎的工艺方法：通过螺旋输送能强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。,68,3、水刀的工作原理：能够喷出大约三倍于音速的水流,可以切割各种非金属的物质,或者做各种表面的特殊处理。形成高速射流,在利用高速射流来切割物体。,69,4、例如目前市场上出现的家用切碎机(见图322)，其

34、工作头的形状、工作方式先全不同于老式的绞肉机特别是它的两把刀子的形状和姿势的设计很有特色，它保证了被切的肉或菜能被均匀切碎。,70,二、物一场分析法物一场分析法(S-Field法)：作为求解工艺功能的很有效的思路。S对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2)F场，这不单指某种物理场，而是广义地指S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光一切作用场。这个方法的基础是对“最小技术系统”的理解和分析：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)，一个客体(S2)和一个场(F)。缺一即不可能发生技术作用。一个标准的SField模型的形式如图323所示，即S1通过F作用于S2。,

35、71,用SField模式探求工艺功能的原理解法:基本的方法是寻求合理的F和S、，此外还可以通过“完善”、“增加和“变换”的方法来寻求新的解法。1、F和S1搜寻例如：为了完成修剪草地的任务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。剩下的问题是寻找合适的F和S1了。,72,首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：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,73,2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

36、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)。这种方法是把半沉体的破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均匀。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。,74,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

37、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、既俘起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、均增。,75,普通平板玻璃与浮法玻璃都是平板玻璃。只是生产工艺、品质上不同。普通平板玻璃是用石英砂岩粉、硅砂、钾化石、纯碱、芒硝等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，通过垂直引上法或平拉法、压延法生产出来的透明五色的平板玻璃。普通平板玻璃按外观质量分为特选品、一等品、二等品三类。按厚度分为2、3、4、5、6mm五种。浮法玻璃是用海沙、石英砂岩粉、纯碱、白云石等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，玻璃液从池窑连续流至并浮在金属液面上，摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带，冷却硬化后脱离金

38、属液，再经退火切割而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特别平整光滑、厚度非常均匀，光学畸变很小的特点。浮法玻璃按外观质量分为优等品、一级品、合格品三类。按厚度分为3、4、5、6、8、10、12mm七种。,76,3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。例如，在金属切削过程中，工件是S2，刀具是S1，切削力是F，如果加入另一种物质Sl(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，Sl的存在实际上还附加了另一种物理场F，这就是分子吸附膜，这层分子膜使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。于是S

39、F模式变为如图325所示。这种模式在很多工艺功能中几乎都可以采用并会取得好的效果。,77,4变换对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。,78,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F和剪刀S1呢?杂技演员在舞台上用鞭子可以把报纸抽断，这提示人们，即使不用刀，用软的物体也可以切断某些物体，只要有足够高速度就行。于是一种新型的割草机就产生了。它的原理特别简单(见图3-26)。用一根高速旋转的尼龙线(直径约2mm)，就可以又快又好地来修剪草地了。这时S1是一条尼龙线，F则是高速抽打的“抽击力”。这种变换产生

40、了更为理想的效果。,79,电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理，实现零部件的加工。所不同的是，电火花线切割加工不需要制造复杂的成形电极，而是利用移动的细金属丝(钼丝或铜丝)作为工具电极，工件按照预定的轨迹运动，“切割”出所需的各种尺寸和形状。如图：,80,81,每次电火花腐蚀的微观过程是电力、热力、磁力、流体动力等综合作用的过程。大致可分为四个阶段：极间介质的击穿形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；蚀除产物的抛出；间隙介质消电离。,82,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。人类生活在这个世界上，就注定要

41、改造这个世界，工艺功能是改造这个世界的主要手段。国此对工艺功能的研究，对我们有着重要的意义。现在人类已经开始学会利用各种广义的物理效应。这就为工艺工能提供了更多的可利用的“场”，就有可能创造出更多更好的工艺功能来。,83,第七节关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路1、这两种功能成了时代发展和技术进步的象征：2、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、更持殊而已。一、关键技术功能没有关键技术和KnowHow(技术诀窍)的产品，在激烈的竞争中，难以在市场上占有一席之地。对于现代设计人员来说，不懂得关键技术功能也就等于不懂得现代设计。,84,1、产品中的关键技术主

42、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、特殊轻质材料(例如复合材料)、特殊物理性能要求等。2)制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求。例如在汽车制造中的2mm工程，要保证汽车外壳所有缝隙都小于2mm，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免维护性和使用寿命等技术性能的提高。,85,3)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，就是一种关键技术功能。日本Canon采用汽化喷墨的功能原理，而另一家日本公司Ep

43、son则采用压电喷墨技术。下面两个例子可以很好地体现由设计解决的关键技术功能。例如。在数控机床发展的初期为了实现工作台的精密定位和精密进给(每步0.01mm)，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轨成了关键技术。,86,又例如，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，其指端捏紧力只能达到5N左右(见图327)，连系鞋带时捏紧鞋带的力量都个够。为此。需要在保持手指合理的运动角速度(约o5rads)的前提下，使指端捏力提高到50N左右(即提高10倍)，这个问题能否解决，决定了这种肌电假手是否有实用价值。这就是它的关键技术。2、关键技术的求解思路：运用“技

44、术矛盾分析法”,87,思路：在传动路线上再串接一套减速比i210的减速装置，然后通过两个联动的切换开关来操作；切换开关的动作是自动的，是由手指触到物体后的反馈力来控制的。图3-28表示了用两个超越离合器组成的切换开关。切换机构上的两对销子去拨动超越离台器的滚柱，实现切换功能。被接通的离合器带动其中一对销子，将运动和力经切换机构传至输出轴上。切换机构的开合则由输出轴所受阻力矩的大小所控制。,88,如果从不同的角度分析技术矛盾，则可以得到不同的分析结果，并可导出另一些解法。仍以假手为例，人们也可以认为主要矛盾是电动机体积和输出力矩之间的矛盾。研制一种大力矩的微型电动机就是一种求解的途径。从动力学的

45、角度来看，如果系统有足够大的存储能量的飞轮，那么也可以达到增大指端捏紧力的目的(如同冲床飞轮效应那样)。技术矛盾分析法的作用并不是直接给出解法，而是帮助人们找出可能解决问题的途径，,89,3、可以归纳出关键技术功能的特点：由于特殊的工作条件(约束)或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度、总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。,90,二、综合技术功能1、动作功能：实际上大量存在一些非机械方式获得动作的情况。例如飞机在空气中飞起来，是靠空气动力学原理实现的，螺旋桨旋转能推动轮船前进，是流体力学的原理内燃机能转动电动机能转动也是依靠

46、热力学和电磁学的原理实现的。可见，动作功能可以不用纯机械的方式来实现。实际上，用光、电、磁、液、热、气、生、化等原理都可以实现某些动作功能，甚至在某些场合，比纯机械的方式还要好。,91,例如：有一种高速平面电机式自动绘图机，带有画笔的驱动头悬挂在定子台面的下面(见图329)，驱动头本身相当于电动机的转子，它靠定子表面上的磁极的磁力的作用而运动，同时利用磁力使其能悬挂在“天花板”上。为了使驱动头在天花板上高速移动时阻力小，还应用了气浮导轨的原理；在贴合面间吹入压缩空气并形成气垫。使驱动头在高速移动时几乎没有摩擦阻力。这种驱动头的功能，就是典型的综合技术功能。,92,又例如精密定位工作台，采用激光

47、测距，用计算机控制运动规律，组成闭环控制系统，这是典型的机电一体化技术系统当然也属于综合技术功能。2、工艺功能：非机械的工作头例如，过去连杆头加工中的别分工艺是用切削加工方法进行的(见图3-30)，而现在有一种工艺是采用爆炸断开的工艺，在可控的条件下爆炸连杆头断开的位置正好在中间断面光洁，重合性好，不但效率高而且连杆孔几何精度仍然保持得很好。,93,94,3、综合技术功能的特点：在某些特定的条件下、采用广义物理效应有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能。显然这里我们并不强调全部可以代替纯机械功能，因为有许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应去代替。

48、4、综合技术功能的求解思路是：物理效应引入法：指的物理效应是一种广义的概念如：运动学、力学方面的各种物理效应热胀冷缩、电磁效应、光电效应、流体效应均可在求解时引入。例如：利用热胀冷缩的效应使双金属片产生弯曲变形，用来作电流的过载保护器、调温电器的温控开关。,95,在人工脏器的设计中，需要一种微型液体泵来帮助体液循环。以前这种泵都是用微型电动机带动微型机械泵来工作的。由于存在磨损等机械问题，效果不理想。有一位生物医学专家想出了用金属的热膨胀效应来做体液泵，效果很理想。用石英晶体振荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表，也是运用物理效应引入法的很典型的例子。在润滑油中添加某些成分，就有

49、可能使这种油在高压或电场中产生特殊的性能(如粘性变大等)在机械传动中已经在利用这些新效应。近年出现的“机电一体化”或“机械电子学”，就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它是物理效应引入法中一个较突出的成功的例子。,96,97,98,99,广义的物理效应包括光、电磁、流体、甚至化学效应等很多方面，不仅很多现在已知的效应可供利用，而且还有更多新的正在被发现中的效应和大量的派生效应将可利用。可见物理效应引入法的求解途径在功能原理求解中是一个非常重要、大有前途的途径。,100,第八节功能原理设计的工作要点功能原理设计是在创意确定之后，进一步去实现创意阶段所提出的功能目标。因此它的工作重点是构思和创造

50、，以及随后的原理验证和表达。功能原理设计是一个创新过程，但这种创新决不能像求解数学难题那样只是冥思苦想，而应该做一些切切实实的实际工作，考虑一些必须注意的问题。主要可以归结为以下一些工作要点。,101,1明确所要设计的任务的功能目标，提出具体问题例如：有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，只提出要有能模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像真手一样能拿起一个质量约为300g的物体，应实现的具体功能目标如下：手指应能实现0.5rads的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于20mm。传动机

51、械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作1天。,102,2调查、分析已有的解法原理，供设计时参考调查和分析已有的解法原理对于启发思路是十分重要和有益的。已有技术一方面反映了别人的构思和实践的结晶；另一方面也提供了分析、比较的对象，使设计者能在已有技术的基础上，提出更新、更巧妙的构思来。,103,3进行创新构思、寻求更合理的解法原理设计者应该有一个信念：现有的产品决不是顶峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自己推出新一代的创新产品。设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的“错觉”。例如，有人设计了一种机械式的“功率增大器”，认为能把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种

52、特殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。,104,4初步预想实用化的可能性大量例子说明一个好的原理构思最后不能成为产品。在专利文献中有大量的专利都没有能够成为有用的技术。其中部分的原因就是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理的解决。这充分说明创新构思时要粗略考虑一些主要的结构工艺问题。5认真进行原理性试验这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理但是实际做一下试验，往往会出现意想不到的问题。例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，令人百思不得其解，不知是何原因。后来才弄清楚，这是

53、在切换时有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态使得手指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，解决了上述反弹问题。,105,6评价、对比、决策必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来做出决策。设计工作过程中，有两项重大决策问题：一是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。要能判断5年或10年以后市场所需要的产品二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。个产品可能有两个以上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不同的命运。例如，不久以前，人们提出了一种创意，就是壁挂式电视，没有人怀疑这种创意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、试制。但是

54、随后出现的功能原理设计中，就出现了技术方向的问题，是用液晶技术，还是用固体发光技术，,106,哪一种有最好的效果屏幕的光亮度、色彩的鲜艳程度以及寿命、省电等等其它性能指标)。后来又出现了发光塑料，也许发光塑料可以比液晶和固体发光都好。或者还有一些别的什么可能性，旦作出决策，开发出产品就将承受市场的风险。又例如，目前市场上的喷墨打印技术，也存在两个技术方向的选择，现在两个方向(汽化喷墨和压电喷墨)正在激烈竞争，最后的胜利将由市场作出判决，只有市场才是决定胜负的唯一标准。因此，在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有像象棋大师那样，用深刻的洞察力、精密地分析比较、超人的预测能力，最后通过直觉

55、判断，作出天才的决策。不过任何天才的决策成功率也不可能是100。总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要。又是非常困难的问题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带来灾难性的后果。,107,第九节功能原理设计的创造性问题“创新是一个民族进步的灵魂”，在激烈的世界性经济竞争中，产品在市场上的竞争力，很大程度取决于企业的创新能力。设计本身就是创造，创意阶段需要创新，而构思阶段即功能原理设计阶段更需要创新。一个设计人员是否有较高的创造性素质，在很大程度上决定了他工作中的创造性效果。研究证明：有很高智商的人不一定有很高的创造性，而只有一般智商的人却常常表现出很高的创造才能。一个设计人员的创造性素质

56、首先在于他有没有强烈的创造意识(欲望)。但创造意识只是一种主观愿望。他还必须要有创造性的知识基础、思维方法和对创造性机理的认识和理解。最后，也就是最重要的，他还必须要有从事创造实践的积极性。坚持实践。才有可能获得成功。,108,一、创造性机理图332表示了人的创造性本能和影响成功的因素。图333表明了创造性形成的机理：心理素质是核心；知识、经验、能力是基础；灵活的思维不断探索方向；实践是成功之路；如果在前进的道路上遇到了成功的机会，就有可能抓住机会取得成功。,109,二、创造性知识基础一个好的设计师应该具有很广的知识面和较坚实的知识基础。为了扩大人们在求解过程中搜索的眼界，人们编制了一些知识库

57、供参考。其中最典型的是德国学者洛特(Roth)编制的“设计目录”。其中列举了各种已知的物理效应、技术结构。有些德国学者还提出一种系统化(systematic)思想，他们力图把各种技术问题的解法分类排序系统地编排成表格，以供设计人员查阅。这些都属于知识系统化的工作。对于设计人员来说最宝贵的还是在不断参加设计和制造实践中积累起来的知识和经验。特别是那些失败的经验。,110,三、情绪智商(EmotionalIntelligenceQuotient)这是美国哈佛大学心理系教授丹尼尔戈尔曼于1995年提出的概念。他认为一个人的成功，一般智商只占20的作用，而情绪智商则占80的作用，这可以很好解释那些智商

58、高而没有成就，而智商一般却可能有很高成就的现象。所谓情绪智商：是指一种做人的涵养，一种性格的素质，一种精神力量，具体表现在处理事物时能自动自发，能控制情绪，有远大目光有自我认识，待人接物有较好的人际技巧等等。,111,四、创造性思维规律创造性的障碍首先是心理上的，其次是思维习惯上的。人们往往害怕进入个陌生的领域。担心在那些看起来是可笑的想法上进行研究；常常会产生一种习惯心理：“会不会失败?”；承受不起哪怕是很小的一次失败，总希望一次就能成功。这些部属于一种有害的“心理惯性”。克服这种心理惯性是发挥创造性的首要问题。思维习惯上的墨守成规也是创造性发挥的重大障碍。为此有必要介绍什么是创造性思维以及

59、其方式和规律是什么?1直觉和灵感,112,直觉(Intuition)是创造性思维的一种重要形式，几乎没有任何一种创造性活动能离开直觉思维活动。直觉和灵感并不是唯心的东西，它的基础是平时积累的“思维元素和“经验”。直觉和灵感不过是它们的升华。由于直觉往往出现在无意识的思维过程中(如散步时、睡梦中)，而不是在集中注意力思维的时候因此常常给人们一种“神秘感”。爱因斯坦说：“我相信直觉和灵感”。他还画了一个模式图来描绘直觉产生的机理。他认为直觉起源于创造性的想象，通过反复的想象和构思并激发起潜意识，然后就可能在某种环境条件下升华为直觉或灵感(见图334)。,113,爱因斯坦生平简介：现代物理学的开创者和奠基人。1879年3月14日生于德国的乌尔姆，1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后即失业。在朋友的帮助下，才在瑞