2018第3章-機(jī)設(shè)學(xué)-機(jī)械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

1、第三章 機(jī)械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計,§3-1 功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容 §3-2 功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu) §3-3 功能原理的發(fā)展歷史及其基本類型 §3-4 兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路 §3-5 工藝功能及其對應(yīng)的求解思路 §3-6 關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其求解思路§3-7 功能原理設(shè)計的工作要點,功能原理設(shè)計：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的最初環(huán)節(jié)是先要

2、針對該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對主要功能的原理性設(shè)計，稱為“功能原理設(shè)計”。 重點：提出創(chuàng)新構(gòu)思，對具體結(jié)構(gòu)、材料及制造工藝則不一定有成熟的考慮。,§3-1功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容,一、工作特點 1．功能原理設(shè)計往往使用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使機(jī)器的工作原理發(fā)生根本的變化的設(shè)計。 2．功能原理設(shè)計中往往要引入某種新技術(shù)（新材料、工藝），首先要求設(shè)計人員有一種新的想法和構(gòu)思。

3、 3．功能原理設(shè)計使機(jī)器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。 滿足以上三點的功能原理設(shè)計是一個高品位的功能原理設(shè)計思考：以計時為例，列出可達(dá)到計時作用的計時產(chǎn)品的功能原理設(shè)計方案。（每個人列出不少于3種計時方案）,微波表、原子鐘…….,二、功能原理設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容,1．任務(wù)：針對某一確定的功能目標(biāo)，尋求一些物理效應(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。（以噴墨打印機(jī)為例）解釋：1）功能目標(biāo)：最后要達(dá)到的功能

4、 2）物理效應(yīng)：摩擦、離心力、氣吹、液化、壓 電變形、熱脹冷縮、光電效應(yīng)等 3） 作用原理：摩擦輪、氣嘴、壓電晶體等 4） 解法原理：物理效應(yīng)+作用原理,功能目標(biāo)：將墨水滴噴射到紙上。物理效應(yīng)：液體高溫氣化膨脹導(dǎo)致墨水噴射。作用原理：電熱元件+半封閉的墨水儲存腔。,方案A:加熱汽化噴墨,方案B:壓電噴墨,功能目標(biāo)：將墨水滴噴射到紙上。物理效應(yīng)：擠壓墨水腔導(dǎo)致墨水噴射。作用原理：壓電元件+

5、半封閉的墨水儲存腔。,2．主要工作內(nèi)容：構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標(biāo)的新解法原理,明確功能目標(biāo),醞釀解法原理,改進(jìn)解法原理,選出滿意解,市場調(diào)查、需求發(fā)現(xiàn)、任務(wù)確定、用戶調(diào)查、功能澄清、目標(biāo)建立,信息收集、資料研究、多想聯(lián)想、創(chuàng)新構(gòu)思、思維實驗、模型實驗,,,,,弱點發(fā)現(xiàn)、問題剖析、改錯修正、完善提高,建立準(zhǔn)則、評價比較、權(quán)衡利弊、去劣存優(yōu),,,,,舉例：洗衣機(jī)的功能原理設(shè)計,§3-2功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu),一、功能的含義

6、 1960’S以來，人們開始意識到設(shè)計的最主要的工作并不只是選用某種機(jī)構(gòu)或設(shè)計某種結(jié)構(gòu)，更重要的是要進(jìn)行工作原理的構(gòu)想，核心問題就是“功能” 。定義：所謂功能是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力的抽象化的描述，是指某一機(jī)器（或裝置）所具有的轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動或其他物理量的特性。注意：區(qū)分這樣的幾個概念（功用、用途、性能、能力）例： 功用——作原動機(jī) 用途——驅(qū)動電扇、機(jī)床電動機(jī) 性能——效率、耐

7、用性、振動 能力——功率、轉(zhuǎn)速 功能——將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動的動能,,黑箱：只是描述了系統(tǒng)的功能目標(biāo)，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的。白箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全已知；灰箱：內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分已知。用黑箱來描述功能：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(yīng)的M’ 、S’ 、E’來描述。系統(tǒng)工程觀點的定義：功能就是一個技

8、術(shù)系統(tǒng)在以實現(xiàn)某種任務(wù)為目標(biāo)時，其輸入/輸出量之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。,在系統(tǒng)工程學(xué)上，我們用“黑箱”-BLACK BOX來描述功能。,,注意：1）功能抽象描述機(jī)械產(chǎn)品輸入量和輸出量之間的因果關(guān)系。2）黑箱只是描述了從系統(tǒng)外部觀察到的功能特點，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要設(shè)計師去進(jìn)行具體構(gòu)思和設(shè)計。,功能的黑箱描述方法：,硬幣計數(shù)包卷機(jī)總功能的黑箱描述（黑箱法）,機(jī)床總功能的黑箱描述（黑箱法）：,二、功能元素和功能單元,1、  功能元素從

9、系統(tǒng)論的觀點看，一個系統(tǒng)可以分解為一些子系統(tǒng)，相應(yīng)的總功能也可以分為一些分功能。因此，有些學(xué)者提出，將這些復(fù)雜動作分解為一些基本動作，把這些基本的動作稱為“功能元素”，也稱功能元。 12對典型的基本動作（可構(gòu)成任何技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜的總功能）放出-吸收 傳導(dǎo)-絕緣 集合-擴(kuò)散 引導(dǎo)-阻礙 轉(zhuǎn)變-恢復(fù) 放大-縮小變向-定向 調(diào)整-激勵 聯(lián)結(jié)-開斷 結(jié)合-分離 結(jié)合-拆開 儲存-取出

10、總功能—>分功能—>功能元,,2.功能單元 功能元劃分過細(xì)，在機(jī)械設(shè)計中并不很有效，尚有待進(jìn)一步的研究。 另外一種分解方式：只是分解到功能單元的水平上，這樣的功能單元是既有一定的獨立性，又有一定復(fù)雜程度的技術(shù)單元。,硬幣分選技術(shù)視頻：,機(jī)械式硬幣分離技術(shù)裝置,,,一個系統(tǒng)的總功能可以逐步分解為很多分功能，如硬幣計數(shù)包卷機(jī)總功能分解圖：,三、功能結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)分析,功能分解圖：不能充分表達(dá)各分功能

11、之間相互配合關(guān)系,硬幣計數(shù)包卷機(jī)的功能分解圖,建立功能結(jié)構(gòu)圖（表示分功能關(guān)系的圖）的要求 （1）體現(xiàn)功能元或分功能之間的順序關(guān)系 （2）各分功能或功能元的劃分及其排列要有一定的理論依據(jù)（物理作用原理）或經(jīng)驗支持（以確保分功能或功能元有明確解答） （3）不能漏掉必要的分功能或功能元 （4）盡可能簡單明了，但要便于實體解答方案的求取 在分析功能關(guān)系和邏輯關(guān)系時，首先考慮主要功能和主要流，初步建立功能結(jié)構(gòu)

12、圖，然后，再解決輔助功能和次要流，逐漸完善系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。,功能結(jié)構(gòu)圖：,,,硬幣計數(shù)包卷機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖,（5）將分功能解綜合為整體解——原理方案 將相容的分功能解綜合為整體方案。綜合時從最重要的分功能的較優(yōu)解出發(fā)，追求整體最優(yōu)?！　≌w原則是系統(tǒng)方法的核心，這一原則認(rèn)為，任何系統(tǒng)都是由部分組成的，但整體不等于部分的機(jī)械相加，這是由于各部分之間的相互作用、關(guān)系和層次產(chǎn)生了系統(tǒng)的整體特征。 最后組成幾個整體方案，

13、通過評價比較，篩選出或綜合為1-2個原理方案，作為繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)。,舉例：確定波輪式洗衣機(jī)分功能及功能結(jié)構(gòu)圖。解：1）確定系統(tǒng)總功能：洗衣機(jī)的總功能是洗滌衣物，包括容納衣物和水、攪動衣物和水、定時、排水、能量轉(zhuǎn)換、聯(lián)結(jié)和支承。2）劃分分功能及功能元,§3-3功能原理基本類型,一、功能原理設(shè)計的特點1．分析可以按一定的步驟進(jìn)行，綜合不可能有任何定法可循。2．有多解的問題，而且很難得到絕對理想的解二、功能原理分類

14、（為研究方便）,共性：用純機(jī)械或主要靠機(jī)械完成的動作功能,,不再局限于用純機(jī)械的方式，而是綜合運(yùn)用機(jī)、光、電、磁、熱、化各種廣義物理效應(yīng)去實現(xiàn)動作功能和工藝功能。,作為某個企業(yè)或部門獨有的技術(shù)，暫時還沒被別人掌握（動作功能、工藝功能、綜合技術(shù)功能）如數(shù)控機(jī)床初期的滾珠絲桿等。,,簡單動作功能 關(guān)鍵技術(shù)功能 動作類 復(fù)雜動作功

15、能 功能類型 工藝類——工藝功能 綜合技術(shù)功能,,,,,,,§3-4兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路,一、簡單動作功能1．特點：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(yùn)動或鎖合的動作。舉例：帶軸的輪子、拉鏈、魔方、鼠標(biāo)、彈子鎖2．求解思路：幾何形體組合法1）明確“功能目標(biāo)”2）針對功能目標(biāo)，對幾個構(gòu)件上的幾何形體進(jìn)行構(gòu)思。,特點：

16、容易創(chuàng)新,,二、復(fù)雜動作功能1．特點：這類功能以采用常用基本機(jī)構(gòu)為主，其設(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(dāng)復(fù)雜的功能目標(biāo)，設(shè)計起來并非毫無困難，但是比起簡單動作功能的設(shè)計來，還是要容易的多，因為它畢竟被人們研究的相當(dāng)透徹了。2.求解思路：基本機(jī)構(gòu)組合法,實現(xiàn)運(yùn)動最可靠的手段還是機(jī)構(gòu)而不是什么電子裝置，那種認(rèn)為信息時代機(jī)器里面的機(jī)構(gòu)已變得不重要了的想法是幼稚和不符合實際的。,§3-5工藝功能及其對應(yīng)的求解

17、思路,工藝類機(jī)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(jī)床刀具、挖掘機(jī)挖斗等），用這個工作頭去完成對工作對象的加工處理。一、工藝功能1．定義：1）工作頭和工作對象互相配合所實現(xiàn)的功能 2）以完成對對象物的加工為目的的功能2．兩個重要因素： 1）采用那種工藝方法 2）工作頭采用什么形狀和動作——確定工作頭的形狀和動作,3．特點：工作頭的形狀、

18、運(yùn)動方式和作用場是完成工藝功能的三個重要因素分析：1）工藝方法不能完全模仿手工的工藝方法（如洗衣機(jī)） 2）工作頭對物體的作用有可能不是純機(jī)械的，而加入其他廣義的作用 3）比動作功能更易改進(jìn)和革新（工作頭的變革可能性大）二、求解思路——物-場分析法（S-FIELD） 1.最小技術(shù)系統(tǒng)：主體（S1）、客體（S2）和場（F） 2.標(biāo)準(zhǔn)的S-FIELD模型 分析： 1

19、）S1—主體，是對客體發(fā)出作用的物體，也就是所說的工作頭（或工具） 2）S2—客體，是被加工的物體，也就是工藝動作的對象物體 3) F—場，不單指物理場，而是廣義的指S1向S2作用時發(fā)出的力、運(yùn)動、光一切作用場,3.求解的方法 1）F、S1搜索 例：構(gòu)思剪草機(jī)的工作原理 (1)S2：草 拉力：無法保證草地整齊 (2)選擇合適的F 割斷力：鐮刀、需要握住草的上部

20、 剪斷力：理發(fā)推子 (3)根據(jù)選用的力F為剪斷力，那么S1肯定是剪刀了 2）完善方法：針對原設(shè)計中出現(xiàn)的缺少F或S1的情況，補(bǔ)全F或S1例：制造平板玻璃（p46） 原設(shè)計（垂直引上法），用S-FIELD分析后發(fā)現(xiàn)，S2在凝固前大部分時間內(nèi)缺少F和S1。改進(jìn)后的設(shè)計（浮法）：讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點金屬的液面上。S1：低熔點合金的液面，F(xiàn)：表面張力,,3）增加：S1、S2和F，有時還應(yīng)

21、輔以S1’和F1’，才能實現(xiàn)更好的功能例：金屬切削過程：S2：鋼工件，S1：刀具，F(xiàn)：切削力加入S1’（切削液）——切削工藝過程更好，工件的表面粗糙度較低，切削速度提高。F’（分子吸附膜）——刀具和工件表面之間的摩擦得到改善，同時還起冷卻作用。 S-F模型的變型,4）變換：對已有功能解法中的S1和F進(jìn)行分析后，常常發(fā)現(xiàn)他們并非是不可替換的。有時通過變換可能產(chǎn)生意想不到的效果。 例：S1——尼龍線F

22、——高速抽打的抽擊力總結(jié)： 由于作為S1的工作頭和起媒介作用的F的變換是有很大自由度的，因此工藝功能是一種最具靈活性的功能,§3-6關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對應(yīng)的求解思路,一、關(guān)鍵技術(shù)功能1．關(guān)鍵技術(shù)的幾個因素1）材料：高強(qiáng)度、高耐磨性、特殊的潤滑油、特殊輕質(zhì)材料、特殊的物理性能要求等(抽油煙機(jī)面板材料)2）制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求3）設(shè)計：通過設(shè)計實現(xiàn)特殊的功能原理

23、，尤其是實現(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。2. 關(guān)鍵技術(shù)功能特點：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(dá)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，總的來說他的技術(shù)要求高，而解決的方法也往往是出奇制勝。 3．求解思路：技術(shù)矛盾分析法技術(shù)矛盾：約束條件和期望達(dá)到的較高要求，形成一對技術(shù)矛盾,由于空間的限制，只能用直徑僅Ø20mm左右的微型直流電動機(jī)（額

24、定輸出n=5000r/min，M=0.3N.cm）。經(jīng)過減速比i1=900的降速后，驅(qū)動一套連桿機(jī)構(gòu)，使手指得到約0.5rad/s的抓握運(yùn)動速度。但是在這樣的運(yùn)動速度下，指端的捏緊力只有5N左右。若使捏緊力達(dá)到50N，一般的方法是降速比增大10倍，手指的運(yùn)動速度降低10倍。存在運(yùn)動與力的矛盾。1)主要矛盾是電動機(jī)體積和輸出力矩之間的矛盾。研制一種大力矩的微型電動機(jī)就是一種求解的途徑。2）從動力學(xué)的角度來看，若有足夠大的存儲能量的飛輪

25、，也可達(dá)到增大指端捏緊力的目的。,肌電控制假手（技術(shù)矛盾法舉例）,,二、綜合技術(shù)功能 非機(jī)械的方法獲得動作，如飛機(jī)飛行（空氣動力學(xué)原理）、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動(熱力學(xué)原理)等。1．特點：在某些特定的條件下，采用廣義物理效應(yīng)，有可能實現(xiàn)比純機(jī)械方法更好的動作或工藝功能。顯然這里我們并不強(qiáng)調(diào)全部可以代替純機(jī)械功能，因為有許多場合純機(jī)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(fù)雜的廣義物理效應(yīng)去代替。2．求解思路：物理效應(yīng)引入法

26、機(jī)電一體化、機(jī)械電子學(xué)等的就是引入微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)物，是物理效應(yīng)引入的成功例子。,物理效應(yīng)P51表3.1,,流體效應(yīng)：浮力、粘滯、射流效應(yīng)等,熱力學(xué)效應(yīng)：熱膨脹、熱輻射等,光聲效應(yīng)：波傳導(dǎo)、能量傳送、熱效應(yīng)、光吸收,電磁效應(yīng)：磁吸引力、靜電吸引、壓電效應(yīng)、電致伸縮,力學(xué)效應(yīng)：靜力學(xué)效應(yīng)、力平衡、摩擦等,其他效應(yīng)：如化學(xué)效應(yīng)及其他派生效應(yīng)（潤滑油中加入添加劑可改變其特性）：,§3-7 功能原理設(shè)計的工作要點總結(jié),明

27、確所要設(shè)計的任務(wù)的功能目標(biāo)調(diào)查、分析已有的解法原理進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，尋求更合理的解法原理初步預(yù)想實用化的可能認(rèn)真進(jìn)行原理性試驗評價、對比、決策（技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面）,第三章 復(fù)習(xí)總結(jié),1、功能原理設(shè)計的基本任務(wù)、內(nèi)容、設(shè)計步驟2、功能的概念3、黑箱法4、功能單元和功能結(jié)構(gòu)5、功能原理設(shè)計擬定的一般過程6、功能原理的分類7、各種功能類型及其對應(yīng)的求解思路,作業(yè),1。汽車舉升機(jī)原理方案設(shè)計。包括黑箱描述、功能分解圖、功能結(jié)構(gòu)