1、第三章 机械产品的功能原理设计,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“功能原理设计”。 包括两个方面： 功能分析由总功能分解为分功能，最后做出功能结构图的过程。 工作原理设计确定实现功能的工作原理 工作原理的概念：物理效应（如图3-1中的摩擦、离心力、气吹等）+作用原理（即作用件，如图3-1中的摩擦轮、转动架、气嘴等）,设计一台点钞机，首先构思将钞票逐张分离的工作原理。,功能原理设计的重点 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。 对构件的具体结构、材料和制造工艺等则不一定要
2、有成熟的考虑，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 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质的方面决定了设计的水平 是产品设计和实现创新的关键阶段 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。一次成像照相机的例子,任何一种机器的更新换代都存在三个途径: 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。 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 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生。
3、 例如液晶材料的实用化， 促使钟表的工作原理发生了本质的变化。,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(新材料、新工艺、)，但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)、新构思。,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。 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。,二、功能原理设计的任务和主要工作内容 任
4、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”。,举例：喷墨打印技术 最初的解法原理功能目标：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,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Epson公司采用,主要工作内容： 明确功能目标，构思能实现功能目标的新的解法原理。举例 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。,
5、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：1)装设导向系统的费用应较小。2)允许扩充和调整设备，变动运输路线。3)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。 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：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迹并作轨迹误差的修正。2) 应用传感器引导绕过障碍物。3) 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和准确定位的可能性。,FZ23型： 中枢用两个驱动轮驱动，可实现进退和转弯。 车架可绕中枢回转，以保
6、证与转接站对接时的方位调整。,课堂讨论,主题：产品及其功能原理的分析 内容: 介绍某产品及其功能原理的演进过程（或者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）进行分析。参考案例：火车、打印机、钟表、显示设备 方式：每班准备1-2个案例，推选1-2位同学作为代表，在课堂上讲解。每人时间控制在10分钟左右。 要求：1、广泛收集资料，精心制作ppt，两周准备，3月18日讨论。3月12日报名，3月14日提交PPT初稿。2、每班推选1名评委。共推选2名组织者。 奖励措施 鼓励措施：平时成绩加分。,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。,
7、第二节 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 ）,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。 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”（Black Box）来描述功能。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，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。,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。,硬币计数包卷机,“黑箱”只是描述了从技术系统外部观察到的“功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是需设计者进行具体构思和设计的。
8、系统工程学中的“白箱”和“灰箱”，则指内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“黑箱”变成“白箱”，这个技术系统就设计出来了。,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。,（1）物料用双线箭头表示可以是固体、液体、气体、混合物,金属机床,水泵,天然气管道,汽车,包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等 机械能的描述：力和运动平移：力、线速度旋转：转矩、角速度振动：振幅、频率,（2）能量 用实线箭头表示, 输入信号 一般为控制信号 开关控制、大小/速度/流量/强度控制 输出信号 一般为状态信号，可以是测量值、指示值 温度、压
9、力、粗糙度、位置、报警信号,（3）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：外界环境对技术系统的影响和作用，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，用实线箭头画在上方。,举例 水泵,说 明： 输出的能量为“压力水”中蕴含的机械能 没有明显的输出信号，可以不画出。 没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。,举例 冲床,产品设计中，输入量和输出量被称为“流” 主要传递信号流的技术系统仪器 主要传递能量流与物料流的技术系统机器 (1) 以转换能量为主：电动机、发电机、汽轮机、锅炉(2) 以转换物料为主： 机床、管道输送系统,在功能原
10、理设计中，用黑箱描述产品的功能。 黑箱是系统工程用于分析和描述系统的一种方法。,黑箱,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“子功能”或者“分功能”。,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 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。,因此总功能分解是设计过程由抽象到具体的一种体现。,假设总功能要求FR 方便的交通工具 对于折叠自行车 ，可以确定
11、如下的下层功能要求FRs： FR1 = 骑乘、FR2 = 折叠、FR3 = 座位调整、FR4 = 携带额外物品、FR5 = 安全性 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 如果选择其它的方式实现“方便的交通工具”，如对于微型汽车，则所分解得到的FRs 可能完全不一样。,功能分解到什么情况下结束？1. 分解到“功能元素”层次2. 分解到“功能单元”层次,功能元素（功能元） 功能基本单位 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杂的技术系统（即产品）。,功能分解到“功能元素”层次,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
12、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杂的功能。5对常用的物理功能元：转变复原 放大缩小 连接分离传导绝缘 存贮提取,“变换一复原”功能元包括： 各种类型能量之间的转变 运动型式的转变 运动方向的转变 材料性质的转变 物态的转变 信号种类的转变 ,“放大一缩小”功能元： 是指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。,“连接一分离”功能元： 包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合与分离。 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。 连接：联接、混合、装配 分离：
13、拆开、隔开、过滤、精炼、去除（切割、磨，车、钻）、清除、溶解,“传导一绝缘”功能元： 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 绝缘包括：离合器、开关、阀门等,“存贮一提取”功能元： 体现一定时间范围内保存的功能。例如： 飞轮、弹簧、电池、电容等，反映能量的贮存； 录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。,数学功能元：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。逻辑功能元：包括“与”、“或”、“非”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分解得过细，而只是分解到“功能单元
14、” 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。,功能分解到“功能单元”层次,分解到“功能单元”而不是“功能元”,硬币计数包卷机的功能分解,黑 箱,黑箱的内部结构,功能分解的粗细不同（可以分解到“功能元”层次，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 功能划分方式不同,总功能分解方案不是唯一的,三、功能结构 类似电气系统线路图，分功能的关系也可以用图来描述，表达分功能关系的图为“功能结构图”。 任何功能结构图，都由3种基本结构形式组成： 串联结构、并联结构、环形结构,串联结构 又称顺序结构，它反映了分功能之间的因果关系（条件关系）或时间、空间顺
15、序关系。 例：虎钳的施力与夹紧两个分功能就是串联关系。,并联结构 几个分功能处于并联关系。a. 同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能。b. 几个分功能作为手段共同完成一个目的。,例：车床需要工件与刀具共同运动来完成加工物料的任务,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，如安全离合器的“离”与“合”取决于传递载荷的数值。,环形结构，又称循环结构,环形结构的另一种形式：,功能结构图的作用： 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、功能元及其顺序关系。 功能结构图的建立使得技术系统的“黑箱”具体化，是使技术系统从抽象走向具体的重要环节之一。
16、,硬币计数包卷机的功能结构图,并联结构,串联结构,“黑箱”的内部结构,功能结构图的变化 功能结构也不是只能有一种形式，它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，改变功能结构常可发展出新的产品。,改变的途径有： 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） 系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能，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。,几点说明： 1、总功能分解 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
17、的关系来分解例：平口钳，为了“夹紧工件”，必须“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解。,(2) 按照生产的空间顺序或时间顺序来分解。例如，汽水瓶灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽水的贮存与输送灌装加盖封口贴商标 成品输送。(3) 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、控制器、支撑等功能进行分解。,2、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能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。3、评比 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 通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实体
18、解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。,例 建立材料拉伸试验机的功能结构图解：（1）用黑箱法求总功能,（2）总功能分解,（3）建立功能结构图,一级分功能结构图,二级分功能结构图,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“任务分解”的思想。,什么是任务分解？ 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解，从而完成对原来的复杂问题
19、的求解。,第三节 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动作功能可以分为简单动作功能和复杂动作功能，它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。,如果从参与完成功能的物理作用的特点来分类，则可以把功能分为纯机械功能和综合技术功能两大类。 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现动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化.各种“广义物理效应”更好地去实现各种动作功能和工艺功能，称为综合技术功能。 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
20、分为常规技术功能和关键技术功能。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。,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的好方法。,第四节 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进行连续运动，可分为“简单动作功能”和“复杂动作功能”两类。,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。,例如：带轴的轮子，人类十大发明之一的拉链。 拉链由链米和开链器两种构件组成，能实现闭合和开启的动作功能。,弹子锁,如果要
21、创造一种新的简单动作功能，可以以几何形体组合法（几何形体的构思和组合）作为参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点，在各个领域里可靠地为人类服务。,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：连杆机构、凸轮
22、机构、齿轮机构、挠性机构、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。,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 复印机中，仍大量采用各种基本机构，因为它
23、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。,第五节 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，而归根结底是确定工作头的形状和动作。,
24、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，它能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。,例如，为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法显然不是理想的途径，因为很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不了机械的剁切。,机器的工艺方法往往不能完全模仿手工的工艺方法。,因此人们想出了搅碎的工艺方法，并设计了相应的工作头，通过螺旋输送器强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。,例如，目前市场上出现的家用切碎机，其工作头的形状、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
25、切碎。,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。,例如，过去长期采用的纯机械切削的金属切削工艺，现在可以采用激光切割和水刀切割。水刀的工作原理：能够喷出大约三倍于音速的水流，形成高速射流，利用高速射流来切割物体。可以切割各种非金属的物质，或者做各种表面的特殊处理。,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、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。
26、这里，工作头和工作对象是对立的统一，通过“场”产生相互作用。,二、物一场分析法物-场分析法(S-Field法)：适合求解工艺功能，是很有效的思路。S对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2)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)。三者缺一不可，否则不能发生技术作用。,一个标准的S-Field模型的形式如图323所示，即S1通过F作用于S2。S1主体，是对客体发出作用的物体，也就是工作头（或工具）。S2客体，就是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体。,F场，这不单指某种物理场，而是广义地
27、指S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光一切作用场。,用S-Field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。,用S-Field模式探求工艺功能的原理解法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?分析：在这个问题里，S 2是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的F和S1了。,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
28、常选择剪断力作为理想的F，当然S1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。,用S-Field模式探求工艺功能的原理解法 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的后果。应该通过补全F或S1的措施来使S-Field模式完善化。例如：制造平板玻璃的方法,用S-Field模式探求工艺功能的原理解法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
29、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。,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。,用S-Field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：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。新型割草机的原理：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
30、速抽打的“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材、钢板、布料。 新型割草机与聪明草种,第六节 关键技术功能和综合技术功能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功能，不过技术上更难、更高、更特殊而已。,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： 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
31、技术指标例如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Epson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。 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
32、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。,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，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0.5rad/s）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。,由上面的两个例子，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，
33、而解决的方法也往往是出奇制胜。,无论何种关键技术，往往都是在某种特殊条件的约束下难以实现的技术难点，其中期望达到的较高要求和约束条件，就形成一对技术矛盾。,关键技术的求解思路：运用“技术矛盾分析法”,例如肌电控制假手的设计： 由于空间的限制，只能用直径仅20mm左右的微型直流电动机（额定输出n=5000r/min, M=0.3N.cm）。经过减速比i=900的降速后，驱动一套连杆机构（手指机构），使指手得到约0.5rad/s的抓握运动速度，这和人手的真实运动速度较符合。 但是在这样的运动速度下，指端能产生的捏紧力只有5N左右。如果要使捏紧力达到50N，按一般方法就应使降速比增大10倍。可是手指
34、的运动速度也将放慢10倍。那么在端起一个杯子时，大约要等半分钟才能握住杯子。 显然，运动和力难以同时达到满意的程度，即存在运动与力之间的技术矛盾。,针对上述技术矛盾，设计者提出了这样的想法： 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。,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。,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
35、的途径。,二、综合技术功能 对于动作功能： 前面所述的动作功能都是指用纯机械的方法，用形体产生动作。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。,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，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
36、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。,又例如精密定位工作台，采用激光测距，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。,对于工艺功能： 本身就要用到各种“物理场”，它既有纯机械的工作头，用纯机械的形体和机械力去完成工艺功能，也有用非机械的工作头，通过广义物理场去实现对对象物体的加工，这就是综合技术功能。,例如，过去连杆头加工中的部分工艺是用切削加工方法进行的，
37、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。,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。,世界上任何事物都不能绝对化，每一件事物都有各自的适应范围，任何好的事物也有一定的适应条件，不可能取代一切。,因此，虽然今后综合技术功能会被大量采用，有些会产生纯机械难以达到的效果，但是纯机械的功能也
38、将在它本身的适应范围内仍然被广泛地采用。,这里所指的物理效应是一种广义的概念。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等等。,综合技术功能的求解思路：物理效应引入法,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
39、很典型的例子。 近年出现的 “机电一体化”或“机械电子学”（Mechatronics），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。,应该注意，物理效应引入法不能只注意电子技术的引入，还应考虑其他很多广义的物理效应的引入。,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。例如，在润滑油中添加某些成分，就有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。,第七节 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
40、，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，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。,1明确所要设计的任务的功能目标 由顾客或领导部门提出的最初的设计任务往往是笼统的，在很多细节上是不明确、不具体的。设计者必须确定合理、明确的功能目标。,例如：在接受肌电控制假手的设计任务时，有关部门提出的任务只是笼统地要求“肌肉电控制的，能模仿真手抓握物体的假手” 。经过设计者调查分析，逐步明确了应实现的具体功能目标如下：手指应能实现
41、0.5rad/s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。,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。,如果没有对已有技术的了解，设计者的构思很可能只是重复前人已经走过的道路，甚至是不成功的道路。,当然，对于创新来说，已有技术可能会成为一
42、种对思路的无形的束缚。,对于假手的设计，从所调查到的产品和专利看，过去的假手大多是牵引式的，即通过一条牵引索联结于残疾人的肩背部，由肩背肌肉活动来带动假手的抓握，动作非常不便。例如：超欠驱动弹性铰（链）15自由度自适应仿生手,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。 设计者应重视基本科学知识的积累。,4初步预想实用化的可能性 有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
43、工艺问题。5认真进行原理性试验6评价、对比、决策 从技术、经济、社会（环保）等方面的评价、对比结果来做出决策。,第八节 功能原理设计的主要步骤,原理解组合,相容性。分功能解之间必须相容，否则不能组合，如往复式油泵与转动的链传动是不能直接耦合的。例：圆珠-粘性墨书写器(C2)同毛细作用(B2)输送墨水是不相容的。因为粘滞力的作用阻碍产生毛细作用的表面张力，使表面张力失效而不能产生任何有效的墨流量。,优先选用主要分功能的较佳解，由该解出发，选择与它相容的其他分功能解。剔除对设计要求、约束条件不满足，或不令人满意的答案，如成本偏高、效率低、污染严重、不安全、加工困难等等。,例1 设计手动订书打孔机设
44、计要求：(1) 操作手柄旋转运动；(2) 打孔针作直线往复运动；(3) 杆件数目为4个；(4) 省力。,解： (1) 确定总功能：打孔。(2) 总功能分解： 输入旋转运动变为输出的直线移动运动 力增大(3) 由于是一个由旋转变为移动运动的四杆机构，故可查设计目录寻求解法。,设计目录 设计目录是设计工作的一种有效工具。 设计目录是设计信息的存贮器、知识库。它以清晰的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律地加以分类、排列、贮存，便于设计者查找和调用。 设计目录不同于传统的设计手册和标准手册，它提供给设计师的不是零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元的原理解，给设计者具体启发，帮助设计者具体
45、构思。,(4)选取2、4、7、9四个方案。,(5) 增力机构选取曲杆机构,(6) 原理解组合，得到订书打孔机的4种原理方案解。,例2 试设计进行露天矿开采的挖掘机的原理方案。 解： 1用黑箱法寻找总功能,2总功能分解（1）总功能分解的依据 机器一般都由5部分组成：原动机、传动机、工作机、控制、支撑和连接。,(2)总功能分解,二级分功能若还找不到解，还可以接着往下分解，直到可找到相应的原理解为止。,一级分功能结构图,3. 建立功能结构图,二级分功能结构图,4寻找原理解法和原理解组合,例3 汽车举升机原理方案设计 汽车举升机主要用于汽车的举升维修和保养，它可以根据不同的修理部位，将汽车举升到适宜的
46、高度，以改变地沟工作地点窄小，潮湿阴暗、工作效率低等劳动环境。,解： 1用黑箱法寻找总功能,2总功能分解,3寻找原理解法和原理解组合,本章小结(1) 功能原理设计的概念、重点、重要性；工作原理的概念(2) 功能原理设计的任务和工作内容(3) 功能的概念和黑箱图(4) 功能分解、功能结构图(5) 功能原理的基本类型(6) 两种动作功能及其对应的求解思路(7) 工艺功能及其对应的求解思路(8) 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路(9) 功能原理设计的工作要点(10)功能原理设计的主要步骤,第一次作业：1、简述功能与结构的关系。 2、简要说明“功能观点”的优越性。3、分别简要说明新产品开发和产品设计的过程。第二次作业：1、名词解释：功能、功能原理设计、工作原理。2、请画出减速器、榨汁机、吸尘器的黑箱图。3、请画出榨汁机、吸尘器的功能树。第三次作业：1、功能有哪些基本类型？简单说明各种功能类型的求解思路。2、简述物场分析法，并举例说明。 3、请简要说明功能原理设计的主要步骤。,
