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

1.任何一種機器的更新?lián)Q代都存在三個途徑:1）改革工作原理；2）通過改進工藝、結(jié)構(gòu)和材料提高技術(shù)性能；3）加強輔助功能使其更適應(yīng)使用者的心理。2.功能原理設(shè)計：針對主要功能的原理性設(shè)計。3.使思維盡量“發(fā)散”，提出創(chuàng)新的構(gòu)思，并常用簡圖或示意圖來表示構(gòu)思。例如：設(shè)計一臺點抄機：1）構(gòu)思將鈔票逐張分離的工作原理。2）圖3-1為構(gòu)思示意圖2進行原理性構(gòu)思時：1）首先考慮應(yīng)用某種“物理效應(yīng)”(如圖中的摩擦、離心力、氣吹等)；2）然后利用某種“作用原理”(如圖中的摩擦輪、轉(zhuǎn)動架、氣嘴等)，達(dá)到實現(xiàn)“功能目標(biāo)”的“求解”。傳統(tǒng)的驗鈔方法1點鈔機的出現(xiàn)標(biāo)志著人們夢寐以求的“數(shù)錢數(shù)到手抽筋”的時代已經(jīng)結(jié)束！而在上個世紀(jì)90年代新增的驗鈔功能更為現(xiàn)在的懶人提供了技術(shù)上和物質(zhì)的支持4點鈔機工作原理分析題（參考第二章第五節(jié)）：課外作業(yè)：

分析點鈔機功能目標(biāo)，分析各功能原理，提出功能實現(xiàn)方法，并用Sketch繪出結(jié)構(gòu)草圖？功能目標(biāo)：清點、辨?zhèn)?。通常還具有自動開停機、預(yù)置數(shù)、防雙張、防粘張和防夾心等輔助功能。辨?zhèn)危和ǔＳ袩晒庾R別、磁性分析、紅外穿透等方式。結(jié)構(gòu)原理：由捻鈔、出鈔、接鈔、機架和電子電路等部分組成。第三章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

5第三章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

融鋒WJD-RF2008A2銀行專用點鈔機

第三章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

7第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)第三節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路第四節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路第五節(jié)關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其求解思路第三章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

8功能原理設(shè)計是一種創(chuàng)新構(gòu)思的過程，是產(chǎn)品設(shè)計的最初環(huán)節(jié)。一、功能原理設(shè)計的工作特點

1.用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使機器的工作原理發(fā)生根本的變化的設(shè)計。

2.引入某種新技術(shù)(新材料、新工藝、……)，但首先要求設(shè)計人員有一種新想法(NewIdea)、新構(gòu)思。3.使機器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容

9例如：石英電子表：石英晶體的壓電效應(yīng)和兩極管式液晶顯示相結(jié)合的手表。由一定諧振頻率的石英晶體穩(wěn)頻，振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號，推動單相步進電機，經(jīng)齒輪傳動系統(tǒng)，帶動時，分，秒指針，顯示時間。電波表：由標(biāo)準(zhǔn)時間授時中心（陜西蒲城國家授時臺）將標(biāo)準(zhǔn)時間信號進行編碼，利用低頻（20KHz

~

80KHz）載波將時間信號以無線電長波發(fā)播出去。電波鐘表通過內(nèi)置微型無線電接收系統(tǒng)接收該低頻無線電時碼信號，由專用集成芯片進行時碼信號調(diào)解，再由計時裝置內(nèi)設(shè)的控制機構(gòu)自動調(diào)節(jié)電波鐘表的計時。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容10二.功能原理設(shè)計的三個工作特點：

1.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。分析和綜合是兩種不同的科學(xué)方法。綜合：“有法而無定法”。2.功能原理設(shè)計所要求解的問題是有多解的問題。3.尋求作用原理是機械產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)思的重要階段。充分利用：力學(xué)效應(yīng)，流體效應(yīng)，熱力學(xué)效應(yīng)，動力學(xué)效應(yīng)，聲、光、電、磁效應(yīng)等。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容11三.功能原理設(shè)計的任務(wù)和主要工作內(nèi)容

1.功能原理設(shè)計的任務(wù)：針對某一確定的“功能目標(biāo)”．尋求一些（一種）“物理效應(yīng)”并借助某些“作用原理”來求得一些實現(xiàn)該功能目標(biāo)的“解法原理”。例如：為實現(xiàn)直線移動的功能要求，可尋求液壓、電磁或機構(gòu)等物理效應(yīng)，通過油缸、直線電機或剛體傳動等作用原理，求得最終實現(xiàn)機械直線移動這個功能目標(biāo)的解法原理。2.功能原理設(shè)計的主要工作內(nèi)容：1）明確功能目標(biāo)；2）構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標(biāo)的新的解法原理；3）改進、完善解法。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容12功能目標(biāo)：噴墨打印物理效應(yīng)：1）電場控制電子束（效果差）；2）液體受熱汽化（canon和hp）；3）壓電晶體在電場作用時產(chǎn)生變形（epson）；作用原理：1）電子束掃描屏幕控制噴頭噴出墨水；2）加熱元件使毛細(xì)管口產(chǎn)生氣泡，將墨水滴噴出；3）壓電元件將墨水腔中的墨水從小孔口中擠出。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容13功能目標(biāo)：激光打印物理效應(yīng)：靜電照相技術(shù)作用原理：光源為激光束，將打印內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)楦泄夤纳系狞c陣位圖圖像（像素），再轉(zhuǎn)印到打印紙上。具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為2大部分：打印引擎（激光掃描器、反射棱鏡、感光鼓、碳粉盒、熱轉(zhuǎn)印單元和走紙機構(gòu)等組成）和打印控制器（通訊接口、處理器、內(nèi)存和控制接口）。激光打印機：利用激光掃描成像技術(shù)、計算技術(shù)、電子照相技術(shù)，高質(zhì)量打印的設(shè)備。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容14洗衣機設(shè)計：功能目標(biāo)：使污垢與纖維分離達(dá)到衣物干凈人工洗衣通常用手搓、腳踩、刷子刷、棒槌打、流水沖等方式除去衣物纖維中的污垢。

1）波輪式洗衣機：用波輪回轉(zhuǎn)形成水流并控制流速和流向達(dá)到洗凈的效果；2）電磁洗衣機：缸內(nèi)裝有四個帶電磁圈的洗滌頭，通電后能在水中發(fā)出每秒2500次的高頻微振；3）氣流洗衣機：利用空氣泵產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂時產(chǎn)生的能量能提高洗凈度，同時氣泡可使洗滌劑更好地分解；4）超聲波洗衣機：啟動氣泵和超聲波發(fā)生器，衣物上污垢在超聲波作用下由纖維中分離出來，由氣泡帶走。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容15已知一個機械產(chǎn)品作用原理，也可以構(gòu)思出不同的產(chǎn)品。例如：風(fēng)扇的功能：產(chǎn)生壓力差。由于壓力差使空氣產(chǎn)生流動，吹到人身上時，人感到?jīng)鏊?。分析風(fēng)扇的功能和用途還可構(gòu)思出如下相關(guān)產(chǎn)品：

1)風(fēng)扇→鼓風(fēng)機．為爐灶送風(fēng)助燃；風(fēng)扇→抽風(fēng)機，抽吸廚房的油煙；風(fēng)扇→吸塵器，吸塵。

2)改變結(jié)構(gòu)：臺扇改變?yōu)槁涞厣?、吊扇、壁扇等；改變造型：圓形、方形、動物造型等。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容16通過改進工藝、結(jié)構(gòu)和材料提高性能。例如：由于工藝改進，將原來的切削改變?yōu)榘匆簤涸碓O(shè)計的搓絲機，生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到很大的提高。第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容17設(shè)計的最主要工作：進行工作原理的構(gòu)思，其核心是“功能”。一、機器的功能組成

機器完成的功能通常稱為總功能，

總功能由多個分功能（功能單元）組成，而每個分功能都有相應(yīng)的功能載體。分功能載體應(yīng)由原動機，傳動機構(gòu)、工作頭或執(zhí)行機構(gòu)、控制器等組成。第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)18二、機械功能分析方法（功能、功能元和功能結(jié)構(gòu)）1.功能的含義功能是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力的抽象化描述，是指某一機器(或裝置)所具有的轉(zhuǎn)化能量、運動或其它物理量的特性。使衣物中污垢從纖維中分離出來第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)192.系統(tǒng)工程學(xué)對功能的描述把一個機械產(chǎn)品看成技術(shù)系統(tǒng)，設(shè)計初期該技術(shù)系統(tǒng)還不清楚，故用“黑箱”來描述功能：把信息流、能量流、物料流輸入“黑箱”，在“黑箱”中轉(zhuǎn)換成新的信息流（S）、能量流（E）、物料流（M），然后輸送出來。功能是一個技術(shù)系統(tǒng)在以實現(xiàn)某種任務(wù)為目標(biāo)時，其輸入量和輸出量之間的相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)20任何技術(shù)系統(tǒng)都可以視為3種流的處理系統(tǒng)：能量流:機械能、熱能、電能、化學(xué)能、光能、核能。例如：內(nèi)燃機的功能是將輸入燃料的化學(xué)能流轉(zhuǎn)換為機械能流；

核電站的功能是將核能流轉(zhuǎn)換為電能流。物料流：氣體、液體或各種形式的固體。例如：機床實現(xiàn)多余物料從工件上分離；

輸送帶實現(xiàn)物料的搬運。信息流：各種測量值、輸入指令、數(shù)據(jù)、圖像；信息的載體可以是機械量、電量、化學(xué)量；信息的形式可以是模擬量或數(shù)字量。例如：AD轉(zhuǎn)換器；數(shù)字電視將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖像信息；凸輪將轉(zhuǎn)動量信息轉(zhuǎn)化為直線運動量信息。第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)21舉例：硬幣計數(shù)包卷機：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。硬幣計數(shù)包卷機外形圖第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)3.功能單元

總功能可分解為一些分功能，能直接求解的分功能稱為“功能單元”，一般屬末端功能。功能單元具有一定的獨立性。22黑箱法描述硬幣機的總功能：第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)23硬幣計數(shù)包卷機的分功能圖244.功能分解

直接實現(xiàn)總功能的各分功能稱為一階分功能；實現(xiàn)一階分功能的分功能稱為二階分功能，并以此類推。分解到末端的為功能元。

如：夾持試件、夾頭、移動等。拉伸試驗機的功能分解第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)25冰箱功能分解圖第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)26第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)5.功能結(jié)構(gòu)圖：用來表示各分功能之間關(guān)系的框圖。各分功能(或功能元)組合時有三種基本結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。圖中F1，F(xiàn)2和F3為分功能。27拉伸試驗機的功能分解圖第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)28第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)29第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)30二.按功能進行機械分類：

1.非工藝（動作）類機械：實現(xiàn)某種需求的功能。包括：交通運輸機械、物料搬運機械、動力機械，各類閥門、泵、壓力容器等。2.工藝類機械：對物料進行工藝性加工的機械。特點：具有工作頭，如軋鋼機的軋輥，切削機床的刀具，電鋸的鋸條。包括：金屬加工設(shè)備、礦石破碎機械、礦石粉磨機械、食品機械、橡膠機械，木工機械等。第三節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路一.功能的分類：31第三節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路三、兩種動作功能1.簡單動作功能簡單動作功能是由兩個或兩個以上的具有特殊幾何形狀的構(gòu)件組成，利用它們形體上的特征，可以實現(xiàn)互相運動或鎖合的動作。如：帶軸的輪子，人類十大發(fā)明之一的拉鏈。32求解思路：幾何形體組合法,即：針對功能目標(biāo)，對幾個構(gòu)件的幾何形體進行構(gòu)思、組合。2.復(fù)雜動作功能采用常用基本機構(gòu)為主。如：齒輪、齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、鉸鏈機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等。求解思路：基本機構(gòu)組合法。第三節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路33硬幣機的卷邊功能系統(tǒng)采用一組六桿機構(gòu)、它既要使上鉤的位置能隨包卷紙的寬度而變，而且能使上、下鉤同時進行對稱的包卷動作，它是由凸輪、一套平行四桿機構(gòu)和一套反四桿機構(gòu)組合而成的。第三節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路34一、工藝功能1.含義：

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〕。2.應(yīng)考慮的兩個因素:1）采用哪種工藝方法；2）工作頭采用什么形狀和動作。3.完成工藝功能的三個主要因素：

1）工作頭的形狀；2）運動方式；3）作用場第四節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路35舉例：1、耕地的犁，犁頭的工作面是—種復(fù)雜的空間曲面，它能把泥土犁起，翻過來扣在犁溝邊上。第四節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路362、絞肉機絞碎的工藝方法：通過螺旋輸送能強迫肉塊通過絞刀孔，由刀片把擠出刀孔的肉絞碎。第四節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路373、水刀的工作原理：能夠噴出大約三倍于音速的水流,可以切割各種非金屬的物質(zhì)。

第六節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路38二.工藝功能的分析方法（物—場分析法，S-Field法）S—對象或物體(Substance)。主體(S1)，客體(S2)F—場，這不單指某種物理場，而是廣義地指S1向S2作用時發(fā)出的力、運動、電磁、熱、光……一切作用場。在任何一個最小技術(shù)系統(tǒng)中，至少有一個主體(S1)，一個客體(S2)和一個場(F)。缺一即不可能發(fā)生技術(shù)作用。第四節(jié)工藝功能的求解思路39三.用S—Field模式探求工藝功能的原理解法:

基本的方法是尋求合理的F和S，此外還可以通過“完善”、“增加’’