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1、机械设计基础II -机器功能分析及功能 原理设计朱爱斌博士 西安交通大学机械工程学院 *目录n机器功能分析和功能基词汇n机构的组成原理及机构运动系统方案设计经典设计理论(德国) 普适设计方法学nEngineering design ： Paul & Beitz 1976，1986n工程设计学学习与实践手册(1992.6):机械工业出版社n翻译：张直明 毛谦德 冯培恩 等n普适设计方法学(Comprehensive Design Methedology) ：优秀设计过程所积累经验的总结。n该设计方法学建立了设计人员在每一设计阶段的工作 步骤计划，这些计划包括策略、规则、原理，从而形 成一个完整的
2、设计过程模型。一个特定产品的设计可 完全按该过程模型进行，也可选择其中的一部分使用 。 经典设计理论(德国) 设计划分的三种类型n新设计：在概念设计阶段产生一个全新的原理解，以满足 给定的设计要求n按照一个系统 (装置、设备、机器或部件)的相同的、有变化的 或是新的任务书的要求，制定一个新的解的原理。n适应性设计：对已有产品的工作原理作适当改进，以满足 对产品新的要求n使一个已有的系统(解的原理保持不变)，适应于一个有改变的 任务书，以克服原有系统的明显的局限性，这时常常必须对个 别部件或零件作新设计。n变型设计：不改变已有产品的工作原理，而对其某些零部 件改进设计n在预先选定的系统范围内作尺
3、寸和(或)布置方式的变型，功能 和解的原理保持不变。也不出现例如材料、应力和工艺方面的 新问题。设计工作也同样没有新问题，解的原理和所作技术设 计均保持不变，只有个别零件尺寸有所改变经典设计理论(德国) 一般解题过程n一般解题过程n任务n对峙(矛盾)n信息n定义(抽象功能)n创造(原理解)n评价n决断(决策)n解经典设计理论的一般解题过程经典设计理论(德国) 概念设计n概念设计(方案设计)：是设计过程中的一部 分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化 、建立功能结构、寻求合适的作用原理并 将其组合，而确定原理解(原理方案)。n概念设计阶段的核心n建立待设计产品或称技术系统的功能结构。产 品首先由总
4、功能描述，总功能可分解为分功能 ，各分功能可一直分解到能够实现为止。物料 、能量、信号三种流作为输入与输出，将各功 能有机地组合在一起就形成了产品的功能结构 。 经典设计理论(德国)n如果把所要研究的产品对象看成是 一个整体，把它相对地从其环境中 孤立出来，把研究对象所受到周围 环境的影响看成是通过特定通道实现的“输入”，把研究对象对周围环 境的作用看成是通过特定通道来实现的“输出”。n根据研究对象的性质和研究目的， 划定了研究对象与周围环境的边界 。选定了对象与环境的相互联系的特定通道，确定了对 象的一组输入 和输出，就意味着一个黑箱的确立 。对于这样一种内部结构尚不能直 接观测，只能从外部
5、去认识的研究 对象，控制论创始人维纳，以及艾什比称它为“黑箱”(Black Box)。n目前几乎所有的功能建模都把黑箱 法作为基本的构造方法，图是产品 功能系统的黑箱模型。产品功能系统的黑箱模型 指甲刀的能量、物质和信息输入输出的黑箱模型 功能分析实例n分析力变形关系的试验机分析力变形关系的试验机的总功能图经典设计理论(德国)功能分析实例试验机的分功能图经典设计理论(德国)功能分析实例试验机总功能的完整功能结构实例讨论n购物车的功能如何分解？调合功能基的提出和应用n从1940s 起源于价值工程的产品功能研究 针对不同的设计领域提出了“主谓宾 ”（Active verb object）结构的语句
6、方式来 描述产品的功能开始，人们逐渐认识 到一致的功能表达词汇对于设计问题的重 要性。n在以往工作的基础上， Stone 和 Hirtz等通 过对NIST（National Institute of Standards and Technology）通用功能分类和功能基础 FB（Functional Basis）分类进行调和（ Reconcile）处理，提出了基于三层调和功 能基础的功能词汇的统一表达；n表1 是RFB 输入输出流集合的描述。流集合的第 一层仍然采用Pahl & Beitz 提出的三个基本类， 即物质流、信息流和能量流。物质流中有5 个二 层目录以及相应的三层扩展；信息流中有2
7、 个二 层目录以及相应的三层扩展；能量流中有13 个二 层目录以及相应的三层扩展。n表2 是调和功能基础RFB 的功能集合的部分描述 ，包含8 个基本类以及相应的第二、第三层扩展 。表中的“Correspondents”不是集合的第四层， 而是为了便于设计表达向RFB 的三层结构映射的 辅助信息。RFB的特点nRFB 具有足够的柔性空间来描述产品的功能。和其它描述 方式一样，它遵循“主谓宾”结构格式，用功能集合中 的元素来表示谓语，用输入输出流集合中的元素来表示宾 语，即功能描述流描述。n根据具体产品的功能分解，功能描述可以选用功能集合三 层结构中的任一层来表示；流描述同样也可以选用流集合 三
8、层结构中的任一层来表示，不仅如此，还支持、第三层描述与第一层描述的叠加。例如，“人的能量人能量” ，就是第二层描述叠加第一层描述；而“听觉信号听觉 信号”，则是第三层描述叠加第一层描述。n采用RFB 统一功能分类描述可以组合出成百上千的功能因 素，这样，就可以在这成百上千的功能因素搭建的性能描 述构架中刻画产品的性能，并且在不同产品性能之间进行 比较，以此来捕捉它们的异同。n采用RFB的规范词汇和表达方式来进行功 能行为表达n轴承的功能可以表达为“支撑固体”n电池的功能可以表达为“提供电能”n破碎机的功能可以表达为“分离固体”n气体离心机的功能可以表达为“分离气体” RFB的物质分类n包括气体
9、、液体、固体、等离子体、混合 物质（气气、液液、固固、固液 、液气、固气、固液气、胶状体 ），另外RFB将人作为物质一种特殊形式 。RFB的能量分类n遵循，包括机械能(动能，弹性势能，重力势能)，热能，声能 ，生物能，化学能，电能，电磁能，液压能，磁能，气压能， 核能；n机械能(Mechanical Energy)：包括动能，弹性势能，重力势能 。物体由于运动而具有的能叫做动能。一切运动的物体都具有 动能，动能的大小，决定于物体的质量和其运动的速度大小； 物体由于被举高所具有的能量叫重力势能。重力势能的大小决 定于物体的质量和被举高的高度；物体由于发生弹性形变时所 具有的能量叫弹性势能。弹性势
10、能的大小与物体发生弹性形变 的大小有关。动能和势能统称为机械能。n电磁能(Electromagnetic Energy)：可见光、红外线、紫外线、 X射线、射线都是电磁波，是电磁能的体现，所以归类于电磁 能；光能，或者太阳能归类于电磁能；n水能(Hydraulic Energy)：水体在流动过程中产生的能量，称为 水能。它包括位能、压能和动能三种形式。RFB的能量分类n气能(Pneumatic Energy)：也称为风能，是空气的动能， 它是自然界存在的取之不尽的能源之一。产生风能的源泉 是太阳，地球的各处受到太阳光照射，因受热情况各不相 同，温度差异很大，温差进而产生大气压差。空气便由压 力
11、高的地方向压力低的地方流动，从而产生自然界普通存在的现象风。n声能(Acoustic Energy)：声的概念不再局限于听觉范围， 几乎是振动和机械波的同义词。在波动过程中，振源的能 量通过弹性介质传播出去，介质中各质点在平衡位置附近 振动，介质中各部分具有动能，同时介质因形变而具有势 能。波动的过程实际是能量传递的过程。n生物能(Biological Energy)：生物能是以生物为载体将太 阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源 于植物的光合作用。n由于产品设计是主要面向宏观层次的产品的设计 ，宏观层次的能量包括机械能(动能，弹性势能和 重力势能)，化学能，气压能，液压能，电能
12、，磁 能，电磁能等。n而微观质点的能量，例如分子动能，分子势能等 都没有包括在内。n注意的是，从能量的本质观点来看，某些形式的 能量是无法清楚地加以划分，例如电能和电磁能 、磁能，声能和机械能之间都有密切的关系，所 以这里能量的划分只是相对的，主要是方便提取 各能量应用领域的能量表现形式。 实例分析 电子宠物狗头部运动功能分解n电子宠物 头部运动 功能分解 描述用户需求：n感知声音，感知距离，感知触觉n头部反应快速灵敏，头部运动自然逼真n充电时间短，电量维持时间长n尺寸和重量适中，维持费用低，安全可靠 ，活泼可爱功能分析n感受触觉信息，识别触觉信息，转换触觉信 息为电能n感受听觉信息，识别听觉
13、信息，转换听觉信 息为电能n感受热能量，识别热能量，转换热能量为电 能n传递电能，存储电能，提供电能，启动电能 ，控制电能，转换电能为力矩n改变力矩，传递力矩，定位转动，定位平动电子宠物头部运动功能分解描述电子宠物头部运动功能分解描述（ RFB）机械运动系统设计n 机械运动系统方案设计也可以说是机构系 统方案的设计。因为机械运动系统是由若 干个执行机构组成的。用此机构系统来完 成工艺动作过程，达到工作机器实现总功 能的要求。机械运动系统方案设计主要步骤机械运动系统方案设计主要步骤n1工艺动作过程的构思和设计n工艺动作过程的确定是机械系统设计的关键步骤，也是体现机 械系统设计的主要特点。n2工艺
14、动作分解和求解n工艺动作的分解是指将工艺动作过程分解为若干个执行动作。 工艺动作求解是寻求实现分解得到的若干执行动作的可行的机 构类型。n3寻求执行机构系统可行方案和进行最优方案的选择n出于实现某一执行动作的机构解不是惟一的，因此执行机构系 统可行方案数一般是比较多的。从众多的可行方案中按一定的 评价方法来选择综合最优方案。n4执行机构系统各机构的尺寸参数设计n执行机构系统方案的确定，一般是先确定各执行机构的类型。 机构类型的选定只是说明有可能实现所需的工艺动作过程。为 了使机构系统能精确实现机械的工艺动作过程，还应根据机械 的运动循环图中所表达的各执行机构的执行构件运动规律，以 及各执行构件的运动时间关系来进行各执行机构的尺寸参数设 计。如果发现某一执行机构尺寸参数无法实现所需运动规律和 运动时间序列，那么就必须改变机构的类型，重新进行机构尺 寸参数设计。谢谢！
