第三章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

1、第三章 機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計 目錄第一節(jié)第一節(jié) 功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容容第二節(jié)第二節(jié) 功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)第三節(jié)第三節(jié) 功能原理的發(fā)展歷史及其基本類型功能原理的發(fā)展歷史及其基本類型 第四節(jié)第四節(jié) 兩種動作功能及其對應的求解思路兩種動作功能及其對應的求解思路 第五節(jié)第五節(jié) 工藝功能及其對應的求解思路工藝功能及其對應的求解思路 第六節(jié)第六節(jié) 關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對應的求解思路應的求解思路 第七節(jié)第七節(jié) 功能原理設(shè)計的工作要點功能原理設(shè)計的工作要點第一節(jié)第一節(jié) 功能原理設(shè)計的工作特點和工作

2、內(nèi)容功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容功能原理設(shè)計: 針對主要功能的原理性設(shè)計稱為功能原理設(shè)計。從上例可以看出：功能原理設(shè)計的重點在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，使思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。對構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，因此常只需用簡圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。 功能原理設(shè)計是對產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。一個好的功能原理設(shè)計應該既有創(chuàng)新構(gòu)思，又應同時考慮其市場競爭潛力，因為脫離市場需求的盲目創(chuàng)新是沒有意義的。一、功能原理設(shè)計的工作特點一、功能原理設(shè)計的工作特點1)功能原理設(shè)計往往是用一種新的物理效應來代替舊的物理效應，使機器的工作原理發(fā)生根本的變化的設(shè)計

3、。如用石英技術(shù)代替機械表。2)功能原理設(shè)計中往往要引入某種新技術(shù)(新材料、新工藝、)，這就要求設(shè)計人員有一種新想法(New Idea)、新構(gòu)思。 3)功能原理設(shè)計使機器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。例如，機械表不論在技術(shù)上如何改進，其定時的精確性始終不可能和石英電子表相媲美。二、功能原理設(shè)計的任務和主要二、功能原理設(shè)計的任務和主要工作內(nèi)容工作內(nèi)容功能原理設(shè)計的主要任務是：尋找一種物理效應和相應的作用原理，以實現(xiàn)所追求的功能目標。功能原理設(shè)計的主要工作內(nèi)容是：構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標的新的解法原理。其具體工作步驟為其具體工作步驟為： 第二節(jié)第二節(jié) 功能、功能單元和功功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)能結(jié)構(gòu)一、功能的含義一、

4、功能的含義功能一定要與“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念區(qū)別開來。例如，以一臺電動機為例： 系統(tǒng)工程學用“黑箱”(Black Box)來描述功能(見圖36)：任何一個技術(shù)系統(tǒng)都有輸入和輸出，把技術(shù)系統(tǒng)看成一個黑箱，其輸入用物料流M、信息流S和能量流E來描述；其輸出用相應的M、S和E來描述。 功能：一個技術(shù)系統(tǒng)為實現(xiàn)某種任務為目標時，功能：一個技術(shù)系統(tǒng)為實現(xiàn)某種任務為目標時， 其輸入量和輸出量之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。其輸入量和輸出量之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。 圖38所示是用黑箱法描述的硬幣機的總功能。它用來整理、清點、計數(shù)，最后按50枚一卷將硬幣用紙包卷起來；也可以在計數(shù)后裝袋而不包卷。這種黑箱

5、只是描述了從系統(tǒng)外部觀察到的“功能特點”，而黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的。二、功能元素和功能單元二、功能元素和功能單元功能元素被看成像電子元件，設(shè)想用來聯(lián)接成各種復雜的電路，用這些功能元素可以構(gòu)成任何技術(shù)系統(tǒng)的復雜的總功能。即可以把機器中的復雜動作分解為一些基本動作，并把這些基本動作理解為“功能元素”。典型的基本動作共有以下12對： 另一種方式是把總共能分解成諸多“功能單元”。這樣的功能單元是既有一定的獨立性，又有一定復雜程度的技術(shù)單元。例如可以把硬幣計數(shù)包卷機分解為7個功能單元 三、功能結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)分析三、功能結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)分析 一個系統(tǒng)的總功能可以逐步分解為很多分功能。功能分解方式不能充分表達

6、各分功能之間的相互配合關(guān)系。功能結(jié)構(gòu)圖：用來表示各分功能之間關(guān)系的框圖，功能結(jié)構(gòu)圖：用來表示各分功能之間關(guān)系的框圖，叫叫“功能結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)”圖。圖。 功能功能分析：由總功能分解為分功能，最后作出功能結(jié)構(gòu)圖。這樣一個過程，稱為“功能分析”，也可稱為“系統(tǒng)分析”。第三節(jié)第三節(jié) 功能原理的發(fā)展歷史及功能原理的發(fā)展歷史及其基本類型其基本類型 功能原理設(shè)計的兩個工作特點如下：1 1）功能原理設(shè)計是一種綜合，綜合是不功能原理設(shè)計是一種綜合，綜合是不可能有任何定法可循的?？赡苡腥魏味ǚ裳?。2）功能原理設(shè)計所要求解的問題是有多）功能原理設(shè)計所要求解的問題是有多解的問題，即既不是只有唯一解，也不解的問題，即

7、既不是只有唯一解，也不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。的解。 功能類型功能類型 動作功能：以實現(xiàn)動作為目的的功能。工藝功能：以完成對對象物的加工為目的的功能。簡單動作功能：簡單的完成一次性動作。復雜動作功能：能實現(xiàn)連續(xù)傳動的動作。綜合技術(shù)功能:綜合運用機、光、電、磁、熱、化各種“廣義物理效應”更好地去實現(xiàn)各種動作功能和工藝功能的功能。 關(guān)鍵技術(shù)（Know How）：它是某個企業(yè)或部門獨有的、暫時還沒有被別人掌握的技術(shù)。 綜上所述，基本類型就是“動作功能”和“工藝功能”兩種，動作功能又可分為“簡單動作功能”和“復雜動作功能”，而這兩種基本功能可能同時又是

8、“綜合技術(shù)功能”和“關(guān)鍵技術(shù)功能”。第四節(jié)第四節(jié) 兩種動作功能及其對兩種動作功能及其對應的求解思路應的求解思路一、簡單動作功能一、簡單動作功能簡單動作功能：由兩簡單動作功能：由兩個或兩個以上的具有個或兩個以上的具有特殊幾何形狀的構(gòu)件特殊幾何形狀的構(gòu)件組成，利用它們形體組成，利用它們形體上的特征，可以實現(xiàn)上的特征，可以實現(xiàn)互相運動或鎖合的動互相運動或鎖合的動作。作。簡單動作功能設(shè)計的簡單動作功能設(shè)計的求解思路是：幾何形求解思路是：幾何形體組合法。體組合法。 構(gòu)思簡單動作功能時，首先要明確“功能目標”，然后針對功能目標，對幾個構(gòu)件上的幾何形體進行構(gòu)思。由于在構(gòu)件上設(shè)置幾何形體的可能性非常多，這就為

9、實現(xiàn)這類功能創(chuàng)造了寬廣的途徑，總有幾種形體可以實現(xiàn)所要求的功能目標。當然，不是每個人都可以很容易獲得合理的解決思路的。因此，多看現(xiàn)有的優(yōu)秀設(shè)計實例，練習設(shè)計巧妙的簡單動作功能，對于訓練設(shè)計創(chuàng)造力是很有幫助的。簡單動作功能設(shè)計比復雜動作功能設(shè)計要困難的多。 二、復雜動作功能二、復雜動作功能這類功能以采用常用基本機構(gòu)為主，其這類功能以采用常用基本機構(gòu)為主，其設(shè)計已有很成熟的理論和經(jīng)驗。盡管這設(shè)計已有很成熟的理論和經(jīng)驗。盡管這類功能原理要實現(xiàn)相當復雜的功能目標，類功能原理要實現(xiàn)相當復雜的功能目標，設(shè)計起來并非毫無困難，但是比起設(shè)計起來并非毫無困難，但是比起“簡簡單動作功能單動作功能”的設(shè)計來，還是要

10、容易得的設(shè)計來，還是要容易得多，因為它畢竟被人們研究得相當透徹多，因為它畢竟被人們研究得相當透徹了。了?！皬碗s動作功能復雜動作功能”的設(shè)計求解思路是基的設(shè)計求解思路是基本機構(gòu)組合法。本機構(gòu)組合法。總結(jié)簡單動作功能和復雜動作總結(jié)簡單動作功能和復雜動作功能的特點：功能的特點：1.1.都是純機械的功能，是都是純機械的功能，是“以形體來實現(xiàn)功以形體來實現(xiàn)功能能”。機械動作功能原理實現(xiàn)得好與不好，全。機械動作功能原理實現(xiàn)得好與不好，全在于形體設(shè)計的變化。在于形體設(shè)計的變化。2.2.機械實現(xiàn)動作功能的方式變化無窮。機械實現(xiàn)動作功能的方式變化無窮。3.3.不能像設(shè)計電子電路那樣用不能像設(shè)計電子電路那樣用“功

11、能元素功能元素”的的串聯(lián)、并聯(lián)方法來進行設(shè)計。串聯(lián)、并聯(lián)方法來進行設(shè)計。 4.4.動作功能是人類生活、生產(chǎn)活動不可缺少的動作功能是人類生活、生產(chǎn)活動不可缺少的一種最常用的功能，它們永遠也不可能被信息一種最常用的功能，它們永遠也不可能被信息來代替。來代替。第五節(jié)第五節(jié) 工藝功能及其對應的求解思路工藝功能及其對應的求解思路 工藝類機器是對被加工對象(某種物料)實施某種加工工藝的裝置，其中必定有一個工作頭(如機床的刀具、挖掘機的挖斗等)，用這個工作頭去完成對工作對象的加工處理。在這里，工作頭和工作對象相互配合，實現(xiàn)一種功能，叫做“工藝功能”，這里“工藝”是指加工“工藝”。這類工藝功能要考慮兩個重要因

12、素：這類工藝功能要考慮兩個重要因素：1 1采用哪種工藝方法；采用哪種工藝方法；2 2工作頭采用什么形狀和動作，而歸根結(jié)底工作頭采用什么形狀和動作，而歸根結(jié)底是確定工作頭的形狀和動作是確定工作頭的形狀和動作。工藝功能舉例工藝功能舉例: : 簡單和復雜動作功能主要完成某個運動，而工藝功能主要在于工作頭對物體的作用，這種作用有一部分是純機械的作用，例如上述三例，而有一部分不是純機械的，而加入其它廣義的作用，例如過去長期采用的純機械切削的金屬切削工藝，現(xiàn)在可以采用激光切割和水刀切割(圖321)。 由此得出完成工藝功能的三個主要因素是：工由此得出完成工藝功能的三個主要因素是：工作頭的形狀、運動方式和作用

13、場作頭的形狀、運動方式和作用場 工藝功能的設(shè)計求解思路是物工藝功能的設(shè)計求解思路是物-場分析法場分析法( (S SFieldField法法) )S S是指對象或物體是指對象或物體( (Substance)Substance)。F F場，這不單指某種物理場，而是廣義地指場，這不單指某種物理場，而是廣義地指物體作用時發(fā)出的力、運動、電磁、熱、光一物體作用時發(fā)出的力、運動、電磁、熱、光一切作用場。切作用場。 這個方法的基礎(chǔ)是對這個方法的基礎(chǔ)是對“最小技術(shù)系統(tǒng)最小技術(shù)系統(tǒng)”的理的理解和分析；在任何一個最小技術(shù)系統(tǒng)中，至少解和分析；在任何一個最小技術(shù)系統(tǒng)中，至少有一個主體有一個主體(S1)，一個客體一個

14、客體(S2)和一個場和一個場(F)。這三者缺一即不可能發(fā)生技術(shù)作用。這三者缺一即不可能發(fā)生技術(shù)作用。 一個標準的一個標準的S SFieldField模型的形式如圖模型的形式如圖3 32323所示，即所示，即S S1 1通過通過F F作作用于用于S S2 2。其中其中 S S1 1主體，是主體，是對客體發(fā)出作用的物對客體發(fā)出作用的物體，也就是所說的工體，也就是所說的工作頭作頭( (或工具或工具) )； S S2 2客體，客體，就是被加工的物體，就是被加工的物體，也就是工藝動作的對也就是工藝動作的對象物體；象物體； SField模式工藝功能的原理解法 1.1.F F、S S1 1搜尋搜尋 例如為了

15、完成修剪草地的任務，如何構(gòu)思剪草機的工作原理呢?在這個問題里，S2是草地上的草。剩下的問題是尋找合適的F和S1了。 拉力可以拉斷草，但無法控制被拉斷的草的高度，無法使草地整齊。 割斷力像農(nóng)夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。 剪斷力利用剪刀刃合攏，可以剪斷。 顯然，人們常常選擇剪斷力作為理想的F，當然S1就只能是剪刀了。將剪刀做成像理發(fā)推子那樣，就是傳統(tǒng)的剪草機的解法原理。 2.2.完善完善原設(shè)計中有時出現(xiàn)缺少F或S1的情況并因此而造成功能不良的后果。應該通過補全F或S1的措施來使SField模式完善化。3.3.增加增加 一個最小技術(shù)系統(tǒng)至少應具有S1、S2和F，但有時還應輔以S1和F才能更

16、好地完成希望實現(xiàn)的功能。4.4.變換變換 對已有工藝功能解法中的S1和F進行分析后，常?？梢园l(fā)現(xiàn)它們并非是不可替換的。有時通過變換可能會產(chǎn)生意想不到的好效果。 由此人們會聯(lián)想到用高壓水噴射可以切割木材、鋼板、布料。因此，工藝功能是一 種最具靈活性的功能。 第六節(jié)第六節(jié) 關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對應的求解思路術(shù)功能及其對應的求解思路一、關(guān)鍵技術(shù)功能一、關(guān)鍵技術(shù)功能 產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)主要與以下幾個方面有關(guān)：產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)主要與以下幾個方面有關(guān)：1)1)材料：材料：例如高強度、高耐磨性、特殊的潤滑例如高強度、高耐磨性、特殊的潤滑油、特殊輕質(zhì)材料油、特殊輕質(zhì)材料( (例如復

17、合材料例如復合材料) )、特殊物理、特殊物理性能要求等。性能要求等。2)2)制造工藝：制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求。熱處理要求。 3)設(shè)計：設(shè)計：通過設(shè)計實現(xiàn)特殊的功能原理，尤其通過設(shè)計實現(xiàn)特殊的功能原理，尤其是實現(xiàn)以前從未有人實現(xiàn)過的功能或是比別人是實現(xiàn)以前從未有人實現(xiàn)過的功能或是比別人已經(jīng)實現(xiàn)的功能更好的功能水平。已經(jīng)實現(xiàn)的功能更好的功能水平。 由設(shè)計解決的關(guān)鍵技術(shù)功能的例子 關(guān)鍵技術(shù)功能的特點：由于特殊的工作條件(約束)或特殊的使用要求，用常規(guī)技術(shù)或已有技術(shù)難以達到的技術(shù)難點，或是別人目前尚難以實現(xiàn)的技術(shù)高度，總的來說它的技術(shù)要求高，而解決

18、的方法也往往是出奇制勝。關(guān)鍵技術(shù)功能的求解思路是技術(shù)矛盾分析法。無論何種關(guān)鍵技術(shù)，往往都是在某種特殊條件的約束下難以實現(xiàn)的技術(shù)難點，其中的約束條件和期望達到的較高要求，就形成一對技術(shù)矛盾，所謂“技術(shù)矛盾分析法”，就是去分析技術(shù)難題中的技術(shù)矛盾。技術(shù)矛盾分析法的作用并不是直接給出解法，而是幫助人們找出可能解決問題的途徑。 二、綜合技術(shù)功能二、綜合技術(shù)功能 綜合技術(shù)功能:即用光、電、磁、液、熱、氣、生、化等原理可以實現(xiàn)的某些動作功能。典型的綜合技術(shù)功能的例子驅(qū)動頭的功能對于工藝功能，本身就要用到各種“物理場”，它既有純機械的工作頭用純機械的形體和機械力去完成的工藝功能；也有用非機械的工作頭，通過廣

19、義物理場去實現(xiàn)對對象物體的加工，這也就是綜合技術(shù)功能.綜合技術(shù)功能的特點是：在某些特定的條件下，采用廣義物理效應，有可能實現(xiàn)比純機械方法更好的動作或工藝功能。顯然這里我們并不強調(diào)全部可以代替純機械功能；因為有許多場合純機械的動作和工藝功能還是特別簡單可靠的，沒有必要用更復雜的廣義物理效應去代替。綜合技術(shù)功能的求解思路是：物理效應引入法。(如熱脹冷縮、電磁效應、光電效應、流體效應) 由于廣義的物理效應包括光、電磁、流體，甚至化學效應等很多方面，不但有很多現(xiàn)在已知的效應可供利用，而且還有更多新的正在被發(fā)現(xiàn)中的效應和大量的派生效應將可利用。例如，在潤滑油中添加某些成分，就有可能使這種油在高壓或電場中產(chǎn)生特殊的性能(如粘性變大等)，在機械傳動中已經(jīng)在利用這些新效應?？梢?，物理效應引入法的求解途徑在功能原理求解中是一個非常重要、大有前途的途徑。 第七節(jié)第七節(jié) 功能原理設(shè)計的工作要點功能原理設(shè)計的工作要點 功能原理設(shè)計是在創(chuàng)意確定之后，進一步去實現(xiàn)創(chuàng)意階段所提出的功能目標，因此它的工作重點是構(gòu)思和創(chuàng)造，以及隨后的原理驗證和表達。1.1.明確所要設(shè)計的任務的功能目標明確所要