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1、L/O/G/O 机械设计学 长春工业大学机电学院 第三章 机械产品的功能原理设计 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能、功能单元和功能结构 功能原理的发展历史及其基本类型 两种动作功能及其对应的求解思路4 1 2 3 工艺功能及其对应的求解思路5 关键技术功能和综合技术功能 及其对应的求解思路 6 功能原理设计的工作要点 7 引言 一、产品设计开发过程 产品设计过程通常可以分为： 产品规划 方案设计 深入设计 施工设计 市场开发 引言 （一）产品规划阶段(计划)： 这一阶段要进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定关键性设计参数 及制约条件，最后给出设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。
2、（二）方案设计阶段： 原理方案的拟定从质的方面决定了设计水平，关系到产品的性能、成本和 竞争力。为此，在这一阶段要运用创新思维方法并借鉴前人经验，采用一些普遍 适用的原理方案构思方法。 （三）深入设计阶段： 该阶段是将功能原理方案具体化为零部件及产品合理结构的过程。 大致包括： 1、总体设计 2、结构设计 3、商品化设计 4、模型或样机试验 引言 （四）施工设计阶段 该阶段要进行零件工作图、部件装配图设计、完成全部生产 图纸并编制设计说明书、工艺文件、使用说明书等有关技术文件。 引言 二、功能原理设计的相关概念： 1、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
3、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”。 2、功能原理设计的重点： 在于提出创新构思，使思维尽量 “发散”，力求提出较多的 解法供比较选优。 引言 点钞机分离功能原理构思 a)推括 b)摩擦 c)离心力 d)重力 e) 粘力 f)气吹 g) 气吸 h) 静电 进行原理构思时，首先要考 虑应用某种“物理效应”， 然后考虑利用某种“作用原 理”来达到实现功能目标的 设计结果 引言 例1：洗衣机的功能原理方案 洗衣机的核心功能是“洁衣”，从污物和衣物分离的需要出 发，它的功能原理有： 化学方法的干洗式 力学方法的机械搅拌式 声学方法的超声波振荡式 如果采用机械
4、搅拌式的工作原理还可以分成三种形式： 波轮式（漩涡式） 搅拌式（摆动式） 滚筒式（拍洗式） 模拟人手搓动的搓动方式。 引言 例2：点火机的功能原理方案 点火机的核心功能是“点火”： 可以利用摩擦式取火法-火柴式点火； 利用可燃气、液体燃烧法-打火式点火 利用电热法得到-电热式点火； 此外还可以用聚光取火法等。 引言 三、功能原理设计的作用 功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。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 场竞争潜力。 四、产品更新换代的途径： （1）改革工作原理； （2）通过改进工艺、结构和材料提高技术性能； （3）加强辅助功能使其更适应使用者的心理。 引
5、言 通过改进工艺、结构和材料提高技术性能 一、功能原理设计的工作特点 ： 1、功能原理设计往往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。没有新想法，即使新技术 放到面前也不会把它运用到设计中去。 3、功能原理设计使机器品质发生质的变化。 功能原理设计的工作特点和工作内容 二、功能原理设计的任务和主要工作内容 功能原理设计的任务： 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”。 功能原理设计的
6、工作特点和工作内容 主要工作内容： 构思能实现功能目标的新的解法原理。 工作步骤： 先从明确功能目标做起，然后才能进行创新构思； 得出某些解法原理后还应通过模型试验，进行技术分析 ，验证其原理上的可行性；对于不完善的构思还应按实 验结果作修改、完善和提高的工作；最后对几个解法作 技术经济的评价对比，选择其中一种较合理的解法作为 最优方案予以采用。 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能原理设计的工作步骤和工作内容 功能原理设计的工作特点和工作内容 举例说明功能原理设计过程中的工作内容 例1：有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，只提出要有能模仿真 手抓握物体
7、的假手。 经分析，如能像真手一样能拿起一个质量约为300g的物体，应实现的具体 功能目标如下： 手指应能实现0.5rads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。 例2：为了改进设计计算机集成制造系统中的运输小车而作的功 能目标分析。 通过调查分析明确了以下几个功能目标： 1）装设导向系统的费用应该较小； 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
8、； 功能原理设计的工作特点和工作内容 针对这几个功能目标，提出了下面一些原理性的设想作为新的解法 原理（看书上图） 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； 功能原理设计的工作特点和工作内容 那么为了实现 上述原理性设想 ，必须设计新的 小车来实现灵活 运动和准确定位 。 无人驾驶小车的各种原理性方案的比较 a)曲线运动小车 b)平面移动小车 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能、功能单元和功能结构 一、功能的含义及三个功能要素 二、功能元素和功能单元 三、功能结构
9、和功能系统分析 四、功能结构的基本结构形式 1、功能是对某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述。 一、功能的含义 可以把产品的功能理解为 产品的功效 功能、功能单元和功能结构 功能与我们常用的功用、用途、性能、能力等概念 既有区别又有联系 以电机为例： 功用-作机械的原动机 用途-驱动机械运转 电动机 性能-（电机本身的）效率、振动、 耐用性、过载等 能力-功率、转速大小等 电机的功能：将电能转变为旋转运动的动能。 功能、功能单元和功能结构 2、功能是指某一机器（或装置）所具有的转化能 量、运动或其它物理量的特性。 由这个例子，得出功能的另一个含义： 以上是功能的两个含义 功能、功能单元和功能
10、结构 u三个功能要素：能量、物料、信息 能量包括：机械能、热能、电能、光能、核能、化学能、 生物能等。 物料可以是：材料、毛坯、物件、气体、液体、颗粒、物 体等。 信息体现为：测量值、显示值、控制信号、通讯、数据、情 报等。 功能、功能单元和功能结构 机械产品由外界输入一定形式的能量、物料、 信息，又将某种形式的能量、物料、信息输出给外界 。 例如： 水泵-将水和机械能变成压力水（具有势能的水） 冲床-将板料和机械能变换成冲压后的工件和耗散 的能量 u三个功能流：能量流、物料流、信息流 分别由随时间变化的能量、物料、信息形成。 功能、功能单元和功能结构 三个功能流 能量流 能量流在机械系统中存
11、在于能量变换和能量传递的 整个过程中。 电能 机械能 举例： 例1：电动机的能量流-电动机是将电能 变换成机械能 功能、功能单元和功能结构 能量流举例 化学能热能机械能 机械能电能 机械能气体位能 例2：内燃机的能量流：内燃机是将燃油的化学能通过 燃烧变成热能，再由热能变成机械能 例3：发电机的能量流：发电机将机械能变换成电能 例4：压气机的能量流：压气机是把机械能变换成气体 的位能 功能、功能单元和功能结构 能量流总结 从以上这几个能量流来看：机械系统必须有机 械能与其他形态能量的互换，机械能的利用等，如果只有化 学能变换成热能而不再变成机械能，那么这个系统就成为燃 烧器，也就是说这个系统不
12、成为机械系统。 功能、功能单元和功能结构 物料流是机械系统完成特定工作过程中 工作的对象和载体。没有物料流也就体现不出机械系 统的工作过程和工作特点。机械系统的物料只有形态 、构型、包容、混合的变化，即物料只产生物理的、 机械的变化。 物料流 功能、功能单元和功能结构 例1：缝纫机的物料流，输入面料、缝线，输出缝制后的 缝纫制品。 物料流举例 缝纫机 包装机械 金属切削机床 例2：包装机械的物料流，输入被包装的物件、包装容器， 输出包装后的成品。 例3：金属切削机床的物料流，输入工件的毛坯、切削冷 却液，输出制成的工件及切削冷却废液 。 面料 缝线 缝制后成品 被包物体 包装容器 包装后成品
13、切削冷却液 制成的零件 切削冷却废液 毛坯 功能、功能单元和功能结构 信息流是反映信号、数据的检测、传输、变换和显 示的过程。信息流的功用是实现机械系统工作过程中的 操纵、控制及对某些信息实现传输、变换和显示。 信息流 功能、功能单元和功能结构 例如：“傻瓜”相机的主要信息流的示意图 傻瓜照相机 信息流举例 光强信号 图像信号 光圈电机控制信号 调焦电机控制信号 功能、功能单元和功能结构 任何一台机器的主要特征是从能量流、物料流和信息 流中体现出来的，要设计一台新机器首先应从剖析能量流、 物料流和信息流着手。 功能、功能单元和功能结构 电机 （黑箱） 车床 （黑箱） 黑箱法描述功能 零件 已耗
14、损的冷却液 已耗损的润滑剂 切削功率 自动开动 切屑 无功热 振动 噪声 电能 热能 机械能 毛坯 冷却液 润滑剂 驱动能 信号能 启动信号 功能、功能单元和功能结构 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和E来描述。 用“黑箱”描述技术系统的功能 黑箱法描述功能概括 功能、功能单元和功能结构 黑箱法描述功能举例 一台硬币计数包卷机的外形 按照黑箱描述， 可以这样定义“功能 ” ，是一个技术系统 在以实现某种任务为 目标时，其输入量和 输出量之间的关系。 功能、功能单元和功能结构 用黑箱法描述的硬币机的总功能
15、 黑箱法描述功能举例 功能、功能单元和功能结构 通过这种方式来抽象设计对象便于抓住其本质，摆脱 具体东西的干扰，利于启发设计者寻求新的更好的解决 方案。 在系统分析中，还有“白箱”和“灰箱”的概 念 “白箱”-指内部结构完全已知的技术系统 “灰箱”-内部结构部分已知的技术系统 黑箱描述的优点： 功能、功能单元和功能结构 1.系统论的观点： 一个系统可以分解为一些子系统 即：系统子系统 一个系统的总功能也可以分解为一些分功能 即：系统总功能分功能 二、功能元素和功能单元 功能、功能单元和功能结构 是否可以把机器中的复杂动作分解为一些基本动作 ，并把这些基本动作理解为“功能元素”，由这些功能 元素
16、可以构成任何技术系统的复杂的总功能。 复杂动作基本动作 功能元素 总功能 2.一种设想： 功能、功能单元和功能结构 共有12对： 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 调整激动 联结开断 结合分离 接合拆开 贮存取出 3. 典型的基本动作 这种功能元素的设想似乎很有道理，但在机 械设计的实践中并不是很有效。 功能、功能单元和功能结构 如果我们不把功能分解得过细，而只是分解到“ 功能单元”的水平上，那么这样的“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。 4.另外的分解方式： 功能、功能单元和功能结构 举例：硬币计数包卷机 的7个功能单元 功能、功能单元和功能
