第3章-机设学-机械产品的功能原理设计概要

第三章机械产品的功能原理设计§3-1功能原理设计的工作特点和工作内容§3-2功能、功能单元和功能结构§3-3功能原理的发展历史及其基本类型§3-4两种动作功能及其对应的求解思路§3-5工艺功能及其对应的求解思路§3-6关键技术功能、综合技术功能及其求解思路§3-7功能原理设计的工作要点功能原理设计：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，称为“功能原理设计”。重点：提出创新构思，对具体结构、材料及制造工艺则不一定有成熟的考虑。§3-1功能原理设计的工作特点和工作内容一、工作特点1．功能原理设计往往使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．功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、工艺），首先要求设计人员有一种新的想法和构思。3．功能原理设计使机器品质发生质的变化。满足以上三点的功能原理设计是一个高品位的功能原理设计思考：以计时为例，列出可达到计时作用的计时产品的功能原理设计方案。（每个人列出不少于3种计时方案）微波表、原子钟…….二、功能原理设计的任务和主要内容1．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。（以喷墨打印机为例）解释：1）功能目标：最后要达到的功能2）物理效应：摩擦、离心力、气吹、液化、压电变形、热胀冷缩、光电效应等3）作用原理：摩擦轮、气嘴、压电晶体等4）解法原理：物理效应+作用原理功能目标：将墨水滴喷射到纸上。物理效应：液体高温气化膨胀导致墨水喷射。作用原理：电热元件+半封闭的墨水储存腔。方案A:加热汽化喷墨方案B:压电喷墨功能目标：将墨水滴喷射到纸上。物理效应：挤压墨水腔导致墨水喷射。作用原理：压电元件+半封闭的墨水储存腔。2．主要工作内容：构思能实现功能目标的新解法原理明确功能目标酝酿解法原理改进解法原理选出满意解市场调查、需求发现、任务确定、用户调查、功能澄清、目标建立信息收集、资料研究、多想联想、创新构思、思维实验、模型实验弱点发现、问题剖析、改错修正、完善提高建立准则、评价比较、权衡利弊、去劣存优§3-2功能、功能单元和功能结构一、功能的含义1960’S以来，人们开始意识到设计的最主要的工作并不只是选用某种机构或设计某种结构，更重要的是要进行工作原理的构想，核心问题就是“功能”。定义：所谓功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，是指某一机器（或装置）所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。注意：区分这样的几个概念（功用、用途、性能、能力）例：功用——作原动机用途——驱动电扇、机床电动机性能——效率、耐用性、振动能力——功率、转速功能——将电能转变为旋转运动的动能黑箱：只是描述了系统的功能目标，而内部结构是未知的。白箱：内部结构完全已知；灰箱：内部结构部分已知。用黑箱来描述功能：任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，其输入用物料流M、信息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M’、S’、E’来描述。系统工程观点的定义：功能就是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入/输出量之间的相互转换关系。在系统工程学上，我们用“黑箱”-BLACKBOX来描述功能。注意：1）功能抽象描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系。2）黑箱只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而内部结构需要设计师去进行具体构思和设计。技术系统信息流S（进行能量流E的转换）物料流M信息S能量E物料MS'E'M'功能的黑箱描述方法：硬币计数包卷机总功能的黑箱描述（黑箱法）硬币计数包卷机指令S～220VE币堆、卷币纸MS‘显示E'M‘币卷、币袋噪声、发热残币金属切削机床毛坯冷却剂润滑剂驱动能信号能启动信号零件耗损的冷却剂耗损的润滑剂切削切削功率自动开动热量振动噪声灰尘环境的温度、湿度地基的振动黑箱法描述机床示意图机床总功能的黑箱描述（黑箱法）：二、功能元素和功能单元1、功能元素从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，相应的总功能也可以分为一些分功能。因此，有些学者提出，将这些复杂动作分解为一些基本动作，把这些基本的动作称为“功能元素”，也称功能元。12对典型的基本动作（可构成任何技术系统复杂的总功能）放出-吸收传导-绝缘集合-扩散引导-阻碍转变-恢复放大-缩小变向-定向调整-激励联结-开断结合-分离结合-拆开储存-取出总功能—分功能—功能元2.功能单元功能元划分过细，在机械设计中并不很有效，尚有待进一步的研究。另外一种分解方式：只是分解到功能单元的水平上，这样的功能单元是既有一定的独立性，又有一定复杂程度的技术单元。硬币分选技术视频：机械式硬币分离技术装置一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能，如硬币计数包卷机总功能分解图：三、功能结构和功能系统分析硬币计数包卷机计数包卷堆放、输送分选排列分选计数功能分解图：不能充分表达各分功能之间相互配合关系硬币计数包卷机的功能分解图建立功能结构图（表示分功能关系的图）的要求（1）体现功能元或分功能之间的顺序关系（2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元有明确解答）（3）不能漏掉必要的分功能或功能元（4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图，然后，再解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构图。功能结构图：硬币计数包卷机的功能结构图功能原理方案设计的主要步骤为：（1）明确设计任务把设计任务作为更大系统的一部分，研究社会需求与技术发展趋势，确定设计目标，并分析设计的产品将产生的社会、经济、技术效果。在尽可能全面掌握有关信息，深入掌握需求实质的基础上，以表格形式编写出设计要求表，它将作为设计与评价的依据。（2）确定系统的整体目的性——总功能把设计对象看作黑箱，通过系统与环境的输入和输出，明确系统的整体功能目标和约束条件，由功能出发去决定系统内部结构。（3）进行功能分解系统是由相互联系的分层次的诸要素组成，这是系统的可分解性和相关性。通过功能分析把总功能分解为相互联系的分功能（功能元），使问题变得易于求解。分功能的相互联系可用功能结构图表达。（4）分功能求解（5）将分功能解综合为整体解——原理方案将相容的分功能解综合为整体方案。综合时从最重要的分功能的较优解出发，追求整体最优。整体原则是系统方法的核心，这一原则认为，任何系统都是由部分组成的，但整体不等于部分的机械相加，这是由于各部分之间的相互作用、关系和层次产生了系统的整体特征。最后组成几个整体方案，通过评价比较，筛选出或综合为1-2个原理方案，作为继续进行技术设计的基础。举例：确定波轮式洗衣机分功能及功能结构图。解：1）确定系统总功能：洗衣机的总功能是洗涤衣物，包括容纳衣物和水、搅动衣物和水、定时、排水、能量转换、联结和支承。2）划分分功能及功能元§3-3功能原理基本类型一、功能原理设计的特点1．分析可以按一定的步骤进行，综合不可能有任何定法可循。2．有多解的问题，而且很难得到绝对理想的解二、功能原理分类（为研究方便）从机械工作特点来分工艺功能：以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能：以实现动作为目的的功能。简单动作功能：完成简单的一次性动作，例：拉链、圆珠笔复杂动作功能：实现连续的传动，例：六种基本机构的组合）共性：用纯机械或主要靠机械完成的动作功能从参与完成功能的物理作用特点纯机械功能综合技术功能：从完成功能的复杂程度来分常规技术功能关键技术功能：不再局限于用纯机械的方式，而是综合运用机、光、电、磁、热、化各种广义物理效应去实现动作功能和工艺功能。作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没被别人掌握（动作功能、工艺功能、综合技术功能）如数控机床初期的滚珠丝杆等。简单动作功能关键技术功能动作类复杂动作功能功能类型工艺类——工艺功能综合技术功能§3-4两种动作功能及其对应的求解思路一、简单动作功能1．特点：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。举例：带轴的轮子、拉链、魔方、鼠标、弹子锁2．求解思路：几何形体组合法1）明确“功能目标”2）针对功能目标，对几个构件上的几何形体进行构思。特点：容易创新二、复杂动作功能1．特点：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，还是要容易的多，因为它毕竟被人们研究的相当透彻了。2.求解思路：基本机构组合法间歇机构螺旋机构凸轮机构挠性机构齿轮机构连杆机构常用基本机构实现运动最可靠的手段还是机构而不是什么电子装置，那种认为信息时代机器里面的机构已变得不重要了的想法是幼稚和不符合实际的。§3-5工艺功能及其对应的求解思路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，其中必定有一个工作头（如机床刀具、挖掘机挖斗等），用这个工作头去完成对工作对象的加工处理。一、工艺功能1．定义：1）工作头和工作对象互相配合所实现的功能2）以完成对对象物的加工为目的的功能2．两个重要因素：1）采用那种工艺方法2）工作头采用什么形状和动作——确定工作头的形状和动作3．特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个重要因素分析：1）工艺方法不能完全模仿手工的工艺方法（如洗衣机）2）工作头对物体的作用有可能不是纯机械的，而加入其他广义的作用3）比动作功能更易改进和革新（工作头的变革可能性大）二、求解思路——物-场分析法（S-FIELD）1.最小技术系统：主体（S1）、客体（S2）和场（F）2.标准的S-FIELD模型分析：1）S1—主体，是对客体发出作用的物体，也就是所说的工作头（或工具）2）S2—客体，是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体3)F—场，不单指物理场，而是广义的指S1向S2作用时发出的力、运动、光一切作用场FS1S2标准S-FIELD模式3.求解的方法1）F、S1搜索例：构思剪草机的工作原理(1)S2：草拉力：无法保证草地整齐(2)选择合适的F割断力：镰刀、需要握住草的上部剪断力：理发推子(3)根据选用的力F为剪断力，那么S1肯定是剪刀了2）完善方法：针对原设计中出现的缺少F或S1的情况，补全F或S1例：制造平板玻璃（p46）原设计（垂直引上法），用S-FIELD分析后发现，S2在凝固前大部分时间内缺少F和S1。改进后的设计（浮法）：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上。S1：低熔点合金的液面，F：表面张力3）增加：S1、S2和F，有时还应辅以S1’和F1’，才能实现更好的功能例：金属切削过程：S2：钢工件，S1：刀具，F：切削力加入S1’（切削液）——切削工艺过程更好，工件的表面粗糙度较低，切削速度提高。F’（分子吸附膜）——刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还起冷却作用。S-F模型的变型FS2F1S1’S14）变换：对已有功能解法中的S1和F进行分析后，常常发现他们并非是不可替换的。有时通过变换可能产生意想不到的效果。例：S1——尼龙线F——高速抽打的抽击力总结：由于作为S1的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因此工艺功能是一种最具灵活性的功能§3-6关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路一、关键技术功能1．关键技术的几个因素1）材料：高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料、特殊的物理性能要求等(抽油烟机面板材料)2）制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求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。2.关键技术功能特点：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，总的来说他的技术要求高，而解决的方法也往往是