《第二章机械产品的功能原理设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章机械产品的功能原理设计（121页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第二章 机械产品的功能原理设计机械产品的功能原理设计 1 1、功能原理设计概念：、功能原理设计概念： 2 2、功能原理设计重点：在于提出创新构思，、功能原理设计重点：在于提出创新构思，使思维尽量使思维尽量“发散发散”，力求提出较多的解法供，力求提出较多的解法供比较选优。比较选优。1设计一台点设计一台点抄机：抄机：首先构思将首先构思将钞票逐张分钞票逐张分离的工作原离的工作原理。理。图图3-1为构思为构思示意图示意图23 3、作作用用：功功能能原原理理设计是是对产品品的的成成败起起决定性作用的工作。决定性作用的工作。 4 4、任任何何一一种种机机器器的的更更新新换代代都都存存在在三三个个途途
2、径径: :一是改革工作原理一是改革工作原理；二二是是通通过改改进工工艺、结构构和和材材料料提提高高技技术性性能能；三是加三是加强强辅助功能使其更适助功能使其更适应使用者的心理。使用者的心理。 3第一第一节 功能原理功能原理设计的工作特点和工作内容的工作特点和工作内容 一、功能原理一、功能原理设计的工作特点的工作特点 1) 1) 是用一种新的物理效是用一种新的物理效应来代替旧的物理效来代替旧的物理效应，使机器的工作原理，使机器的工作原理发生根本的生根本的变化的化的设计。 2) 2) 引引入入某某种种新新技技术术( (新新材材料料、新新工工艺艺、)，但但首首先先要要求求设设计计人人员员有有一一种种
3、新新想想法法( (New New Idea)Idea)、新构思。新构思。43)3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。功能原理设计使机器品质发生质的变化。例例如如，机机械械表表不不论论在在技技术术上上如如何何改改进进，其其走走时时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。电波表的出现：电波表的出现：当当然然，在在实践践中中，每每一一个个功功能能原原理理设计不不一一定定都都能能体体现上上述述三三个个特特点点，而而能能体体现这三三个个特特点点的，的，则应该是高品位的功能原理是高品位的功能原理设计。5二、功能原理设计的任务和主要工作内容二、功能原理设计的任务和主要工
4、作内容任务：任务：针针对对某某一一确确定定的的“功功能能目目标标”寻寻求求一一些些“物物理理效效应应”并并借借助助某某些些“作作用用原原理理”来来求求得得一一些些实现该功能目标的实现该功能目标的“解法原理解法原理”。主要工作内容：主要工作内容：是构思能实现功能目标的新的解法原理。是构思能实现功能目标的新的解法原理。举例：举例：喷墨打印技术喷墨打印技术6789第二节第二节 功能、功能单元和功能结构功能、功能单元和功能结构 一、机器的功能组成一、机器的功能组成 一台机器完成的功能通常称为总功能，一台机器完成的功能通常称为总功能， 机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成，机器的总功能由多个分功能（
5、功能单元）组成，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、控制器等组成。控制器等组成。有的分功能与其他分有的分功能与其他分功能也可共用一个原功能也可共用一个原动力或传动机构。机动力或传动机构。机器的功能组成如图所器的功能组成如图所示。示。 10二、二、机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能结构）结构）1、功能的含义、功能的含义功功能能是是对对于于某某一一产产品品的的特特定定的的工工作作能能力力的的抽抽象象化化的的描描述述，它它和
6、和人人们们常常用用的的“功功用用”、“用用途途”、“性性能能”、“能力能力”等概念既有联系又有区别。例如：等概念既有联系又有区别。例如：11洗洗衣衣机机的的功功能能是是使使衣衣物物中中污污垢垢从从纤纤维维中中分分离离出出来来。功功能能的的定定义义：是是指指某某一一机机器器( (或或装装置置) )所所具具有有的的转转化化能量、运动或其它物理量的特性。能量、运动或其它物理量的特性。系系统统工工程程学学把把一一个个机机械械产产品品看看成成技技术术系系统统，在在设设计计初初期期时时该该技技术术系系统统还还不不清清楚楚，故故用用“黑黑箱箱”来来描描述述功功能能：把把信信息息流流、能能量量流流、物物料料流
7、流输输入入“黑黑箱箱”，在在“黑黑箱箱”中中转转换换成成新新的的信信息息流流、能能量量流流、物物料料流流，然后输送出来，如图然后输送出来，如图36所示。所示。系系统统工工程程学学对对功功能能的的定定义义：是是一一个个技技术术系系统统在在以以实实现现某某种种任任务务为为目目标标时时，其其输输入入量量和和输输出出量量之之间间的的相相互转换的关系。互转换的关系。12设设计计者者的的任任务务就就是是使使“黑黑箱箱”变变成成“白白箱箱”这这个个技技术术系系统统就就设设计计出出来来了了，获获得得了了一一个个完完美美的机械产品，实现了预定的功能。的机械产品，实现了预定的功能。13图图37所示是一台硬币计数包
8、卷机的外观，所示是一台硬币计数包卷机的外观，它用来整理、清点、计数，最后按它用来整理、清点、计数，最后按50枚一卷将枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。图包卷。图38所示是用黑箱法描述的硬币机的所示是用黑箱法描述的硬币机的总功能。总功能。这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的“功能特点功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是，而黑箱的内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体构思和设计的。需要设计师去进行具体构思和设计的。14硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机外形图硬币计数包卷
9、机外形图15总之：总之： 任何技术系统都可以视为任何技术系统都可以视为3 3种流的处理系统，即能量种流的处理系统，即能量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流
10、转换为电能流。转换为电能流。 作作为为输输入入的的物物质质流流，可可以以是是气气体体、液液体体或或各各种种形形式式的的固固体体，如如毛毛坯坯、原原材材料料、半半成成品品零零件件、部部件件、成成品品等等，也也可可能能是是粉粉半半、磨磨屑屑、泥泥沙沙之之类类待待处处理理物物。机机械械技技术术系系统统将将对对它它们们实实行行结结合合、分分离离、移移动动、气气相相转转液液相相之之类类相相的的变变化化，以以及及各各相相之之间间的的混混合合等等转转化化。如如机机床床实实现现多多余余物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。16 作作为为输输入入的的信信息息流流，可
11、可以以是是各各种种测测量量值值、输输入入指指令令、数数据据、图图像像等等；信信息息的的载载体体可可以以是是机机械械量量、电电量量、化化学学量量等等；信信息息的的形形式式可可以以是是模模拟拟量量，也也可可以以是是数数字字量量。技技术术系系统统将将对对信信息息流流作作加加工工、处处理理或或转转换换。如如凸凸轮轮机机械械具具有有将将转转动动量量信信息息转转化化为为直直线线运运动动量量信信息息的的功功能能，计计算算机机能能做做数数据据处处理理，ADAD转转换换器器能能将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量信信息息，数数字字式式电电视视机机能能将将接接收收到到的的数数字字信信息息转转化化为图像信息。为
12、图像信息。 对对于于一一个个技技术术系系统统有有时时三三流流并并存存，如如现现代代的的加加工工中中心心和和自自动动生生产产线线，有有时时只只存存在在能能量量流流与与信信息息流流，如如电电视视机机。系系统统在在完完成成功功能能的的过过程程中中，外外界界将将向向它它输输入入各各种种制制约约和和干干扰扰，同同时时系系统统也也将将对对外外界界输输出出干干扰扰和和影影响响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。172 2功能单元功能单元 一一般般技技术术系系统统都都较较为为复复杂杂，直直接接求求总总功功能能的的解解比比较较困困难难，可可对对总总功功能能进进行行分
13、分解解，分分解解成成较较为为简简单单的的“功功能能单单元元”。这这样样的的功功能能单单元元具具有有一一定定的的独独立立性性，是是直直接接求求解解的的功功能能单单元元也也可可称为称为“功能元功能元”。 直接实现总功能的各分功能称为一阶分功直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下图并以此类推。分解到末端的为功能元，如下图中的夹持试件、夹头、移动等。中的夹持试件、夹头、移动等。 18例如：对材例如：对材料拉伸试验料拉伸试验机的功能分机的功能分解图可用图解图可用图示的形式表示的形式表示
14、。示。拉伸试验机的功能分解图拉伸试验机的功能分解图19冰箱功能分解图冰箱功能分解图203 3功功能能结结构构 功功能能结结构构图图：用用来来表表示示各各分分功功能能之间关系的框图。之间关系的框图。由由总总功功能能分分解解为为分分功功能能，最最后后作作出出功功能能结结构构图图。这这样样一一个个过过程程，称称为为”功功能能分分析析”，也也可可称称为为“系统分析系统分析”。从从上上述述材材料料拉拉伸伸试试验验机机采采用用的的力力变变形形关关系系测测量量的的例例子子中中：总总功功能能( (力力变变形形关关系系测测量量) )可可分分解解为为四四个个分分功功能能( (试试件件拉拉伸伸、力力测测量量、变变形
15、形测测量量、控控制制信信息息) )，每每个个分分功功能能再再分分解解，直直至至功功能能元元。将将各各分分功功能能( (或或功功能能元元) )组组合合时时有有三三种种基基本本结结构构形式，如图所示。图中形式，如图所示。图中F1F1，F2F2和和F3F3为分功能。为分功能。21(1)串串 联联 ：各各分分功功能能按按顺顺序序相相继继作作用；用；(2)并并 联联 ：各各分分功功能能并并列作用；列作用；(3)回路：回路：各分功能组各分功能组成环状循环成环状循环回路，体现回路，体现反馈作用。反馈作用。22从从以以上上分分析析可可以以画画出出材材料料拉拉伸伸试试验验机机的的功功能能结结构构图图。上上图图表
16、表示示是是用用“黑黑箱箱”描描述述材材料料拉拉伸伸试试验验机机的的总总功功能能。下下图图表表示示材材料料拉伸试验机功能拉伸试验机功能(一阶一阶)结构图。结构图。2324下图表示材料拉伸试验机功能下图表示材料拉伸试验机功能(二阶二阶)结构图。结构图。25总之，总之，“功能结构功能结构”图是用来表示各分功能之间关系的图是用来表示各分功能之间关系的框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系与配合。系与配合。26第三节第三节机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计功功能能原原理理设设计计是是产产品品设设计计的的最最初初环环节节，对对主主要要功
17、功能能提提出出原原理理构构思思。任任何何一一个个产产品品的的新新颖颖性性、先先进进性性都都取取决决于于这这个个阶阶段段。如如包包糖糖果果，过过去去人人们们总总是是设设计计构构思思机机械械手手，模模仿仿人人的的手手包包糖糖果果，机机构构复复杂杂，实实现现困困难难；从从功功能能出出发发，糖糖果果包包装装有有两两个个目目的的，一一是是防防止止糖糖果果受受污污染染，二二是是增增加加美美的的功功能能。新新式式袋袋装装包包糖糖果果机机的的问问世世采采用用了了光光电电控控制制，使使两两个个功功能能均均能能实实现现而而防防污污染染能能力力也也更更强强了了，但但机机器器结结构构却却很很简简单单。所所以以说说，一
18、一个个好好的的功功能能原原理理设设计计应应具具备备两两个个条条件件，既既有有创创新构思，又有市场竞争潜力。新构思，又有市场竞争潜力。27一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：1 1、改革工作原理、改革工作原理 例例如如用用激激光光打打孔孔机机替替代代机机械械钻钻，使使一一些些精精密密仪仪器器、仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：1 1）综合创新原理）综合创新原理综综合合创创新新原原理理是是指指将将研研究究对对象象的的各各个个部部分分、各各个个方方面面和和各各种种因因素素联联系系起起来来加加以以考考虑虑，从
19、从整整体体上上把把握握事事物物的的本质和规律的一种思维法则。本质和规律的一种思维法则。28例例如如，普普通通的的x x光光机机和和计计算算机机，都都无无法法对对人人的的脑脑内内病病变变作作出出诊诊断断。豪豪斯斯菲菲尔尔德德将将二二者者综综合合，设设计计出出CTCT扫扫描描仪仪，使使诊诊断断难难题题出出现现新新的的求求解解希希望望。人人们们应应用用新新仪仪器器获获得得了了许许多多前前所所未未有有的的研研究究成成果果，促促使使医医学学有有了了长长足足的的发发展展。CTCT扫扫描描仪仪的的创创新新设设计计，是是2020世世纪纪医医学领域的一项重大创新成果。学领域的一项重大创新成果。2 2）分离创新原
20、理）分离创新原理分分离离创创新新原原理理是是把把某某一一创创造造对对象象进进行行科科学学的的分分解解或或离离散散，使使主主要要问问题题从从复复杂杂现现象象中中暴暴露露出出来来，从从而而理理清清创创造造者者的的思思路路，以以便便抓抓住住主主要要矛矛盾盾或或寻寻求求某某种种设设计特色。计特色。29 例如，早期电冰箱都是上例如，早期电冰箱都是上“冷冷”下下“热热”，即冷冻室，即冷冻室在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻室在下的上室在下的上“热热”
21、下下“冷冷”式电冰箱。这种电冰箱具有式电冰箱。这种电冰箱具有三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载温度回升时间比一般冰箱延长温度回升时间比一般冰箱延长1
22、1倍，减少耗电，节约能倍，减少耗电，节约能源。源。303 3）移植创新原理）移植创新原理 移移植植创创新新是是指指吸吸取取、借借用用某某一一领领域域的的科科学学技技术术成成果果，引引用用或或渗渗透透到到其其他他领领域域，以以变变革革或或改改进进已已有有事事物或开发新产品。物或开发新产品。 例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便精度高、牵
23、引力小、润滑系统简单、维修方便( (只需只需更换滚动体更换滚动体) )等优点。从创新设计原理上看，可以认等优点。从创新设计原理上看，可以认为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移植。植。314 4）物场分析原理）物场分析原理 所所谓谓物物场场，是是指指物物质质与与物物质质之之间间相相互互作作用用和和相相互互影影响响的的一一种种联联系系。世世界界上上的的物物体体本本身身是是不不能能实实现现某某种种作作用用的的，只只有有同同某某种种“场场”发发生生联联系系后后才才会会产产生生对对另另一一物物体体的的作作用用或或承承受受相相应应的的反反作作用用。就就科
24、科学学领领域域来来说说，温温度度场场、机机械械场场、声声场场、引引力力场场、磁磁场场、电电场场等等等等，是是物物场场的的具具体体存存在在形形式式。构构成成一一个个物物场场需需要要三三个个要要素素：两两个个物物质质和和一一个个场场。物物场场分分析析的的基基本本内内容容是是使使物物场场三三要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。 32例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场
25、形式进行分析，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，在其检测体系中，在其检测体系中，“润滑油润滑油”、“氟利昂氟利昂”是物质，是物质，但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏部位。部位。335
26、 5）还原创新原理）还原创新原理 还还原原创创新新原原理理是是指指创创造造者者回回到到驱驱使使人人们们创创造造的的最最基基本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。 例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有别最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢的技术方案能实现这种功能或物理效应呢? ?有人想到有人想到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属板，了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属
27、薄报振荡，导致空气加速流动。按此思路通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为“无扇叶无扇叶电风扇电风扇”。与传统的风叶旋转式电风扇相比，具有体。与传统的风叶旋转式电风扇相比，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。346 6）价值优化原理）价值优化原理把把价价值值看看作作某某一一功功能能与与实实现现这这一一功功能能所所需需成成本本的的比比，提提高高产产品品价价值值就就是是用用低低成成本本实实现现产产品品的的功功能能。在在开开发发产产品品时时注注意意从从功功能能分分析析着着手手
28、，实实现现必必要要功功能能，去去除除多多余余功功能能和和过过剩剩功功能能，既既满满足足用用户户需需要要，又又降降低低成成本本，将将产产品品设设计计问问题题变变为为用用最最低低成成本本向向用用户户提提供供必必要要功功能能的的问问题题，即即创造具有高价值的产品。创造具有高价值的产品。例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，而采用了允许雨水透过百叶
29、窗，再在窗叶后面用凹槽收而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长使用寿命，即功能得到改善。使用寿命，即功能得到改善。352、通过改进工艺、结构和材料提高性能。、通过改进工艺、结构和材料提高性能。例如：例如：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的(b)
30、，(c)，(d)都是搓丝机，工作原理均为按压，但由都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于结构不同，性能也不一样，其中于结构不同，性能也不一样，其中(d)是按行星机构原是按行星机构原理制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。理制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。36373、增增加加辅辅助助功功能能，以以满满足足使使用用者者需需求求，如如空空调调机增加空气净化装置、手表增加日历等。机增加空气净化装置、手
31、表增加日历等。机机器器更更新新换换代代的的三三个个途途径径中中，第第一一种种实实现现起起来来最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。二、二、功能原理设计的内容功能原理设计的内容功功能能原原理理设设计计的的内内容容：构构思思能能实实现现功功能能目目标标的的新新的的解解法法原原理理。功功能能原原理理设设计计首首先先要要通通过过调调查查研研究究，确确定定符符合合当当时时技技术术发发展展的的明明确确的的功功能能目目标标，然然后后进进行行创创新新构构思思，寻寻求求新新的的解解法法原原理理，并并进进行行原原理理验验证证，确确定定方方案案及及评评价价，最最后后选选
32、择择一种较为合理的方案。一种较为合理的方案。现举例说明：现举例说明：381、例例如如，有有关关部部门门需需要要设设计计肌肌电电假假手手，要要求求不不很很具具体体，只只提提出出要要有有能能模模仿仿真真手手抓抓握握物物体体的的假假手手。经经分分析析如如能能像像真真手手一一样样能能拿拿起起一一个个质质量量约约为为300300g g的的物物体体，应应实实现现的的具具体功能目标如下：体功能目标如下：手手指指应应能能实实现现0 0.5.5radrads s的的抓抓握握运运动动速速度度，以以模模仿仿人人手的真实运动。手的真实运动。手手指指触触物物后后，应应能能产产生生5050N N左左右右的的捏捏紧紧力力，
33、以以满满足足实实际工作的需要。际工作的需要。所所用用微微型型电电动动机机需需在在假假手手掌掌心心中中放放置置，故故其其外外径径应应不不大于大于2020mmmm。传传动动机机械械的的效效率率应应足足够够高高，以以保保证证充充电电电电池池至至少少能能工工作作1 1天天。39有有了了这这些些量量化化指指标标，设设计计者者设设计计就就有有了了明明确确的目标，验收者验收也有了依据。的目标，验收者验收也有了依据。以以上上目目标标中中具具有有必必须须解解决决的的矛矛盾盾，即即如如果果保保证证了了运运动动速速度度捏捏紧紧力力只只有有5 5N N而而不不是是5050N N，若若保保证证了了捏捏紧紧力力5050N
34、 N ，运运动动速速度度只只有有原原来来的的l l1010，相相当当于于慢慢动动作作，人人们们很很难难接接受受。所所以以设设计计出出了了切切换换装装置置，假假手手不不接接触触物物品品时时保保证证运运动动速速度度，当当手手指指触触摸摸物物品品时时，切切换换装装置置工工作作，运运动动速速度度降降下下来来( (这这时时也也不不需需要要高高速速度度) )，捏捏紧紧力力由由5 5N N转转换成换成5050N N，就可以保证工作要求。就可以保证工作要求。 402、例例如如，对对轿轿车车的的总总体体要要求求是是：安安全全、环环保保、节节能能。功功能能目目标标要要求求有有座座位位数数、驱驱动动前前轮轮、驱驱动
35、动功功率率、当当转转数数为为5050r rs s时时的的最最大大转转矩矩、换换挡挡和和制制动动形形式式等等。除除功功能能目目标标要要求求外外，用用户户还还可可能能提提一一些些最最低低要要求求，如如某某一一行行驶驶速速度度下下的的最最高高耗耗油油量量，最最小小的的行行李李箱箱空空间间、低低温温下下安安全全启启动动能能力力。用用户户还还可可能能提提出出一一些些希希望望考考虑虑的的项项目目，如如车车上上舒舒适适方方便便、噪噪音音低低等等。功功能能目目标标是是必必须须保保证证的的，而而对对于于最最低低要要求求和和希希望望考考虑虑的的项项目目越越能能很很好好地地满满足足，则则这一方案就越有价值。这一方案
36、就越有价值。413、任任何何一一个个机机械械产产品品功功能能目目标标确确定定后后，经经过过功功能能分分析析和和综综合合，就就要要针针对对该该产产品品的的主主要要功功能能提提出出一一些些原原理理性性的的构构思思。例例如如，设设计计一一台台粉粉碎碎机机械械，即即应应用用机机械械力力对对固固体体物物料料进进行行粉粉碎碎作作用用，使使之之变变为为小小块块、细细粒粒或或粉粉末末的的机机械械。先先要要构构思思工工作作原原理理，右右下下图图就就是是其其功功能能原原理理设设计计的的构构思思示示意意图图。显显然然，进进行行原原理理性性构构思思时时首首先先要要考考虑虑应应用用某某种种“物物理理效效应应”( (如如
37、图图中中的的挤挤压压、劈劈裂裂、弯弯曲曲、研研磨磨、冲冲击击) )，然然后后利利用用某某种种作作用用原原理理，如如表表2 2-2 2中中的的粉粉碎碎机机构构，最后获得达到实现最后获得达到实现“功能目标功能目标”的的结果。结果。424344前面提到粉碎的前面提到粉碎的5种种“物理效应物理效应”，前四种属，前四种属于使用静力，后一种是应用动能。大多数情于使用静力，后一种是应用动能。大多数情况下，物料常在两种以上的况下，物料常在两种以上的“物理效应物理效应”综综合作用下被粉碎。物理效应的选择是根据物合作用下被粉碎。物理效应的选择是根据物料的物理特性、料块的大小和所要求的细化料的物理特性、料块的大小和
38、所要求的细化程度来选择的。对于坚硬的物料应采用挤程度来选择的。对于坚硬的物料应采用挤压、弯曲和劈裂；对于脆性物料、应采用冲压、弯曲和劈裂；对于脆性物料、应采用冲击和劈裂；料块较大时，应采用劈裂和弯曲；击和劈裂；料块较大时，应采用劈裂和弯曲；料块较小或排料粒度要求很小时，则应采用料块较小或排料粒度要求很小时，则应采用冲击和研磨。冲击和研磨。454、再举洗衣机的例子。人工洗衣通常用手搓、再举洗衣机的例子。人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣物纤维中的污垢。只要使污垢与纤维分离就可物纤维中的污垢。只要使污垢与纤维分离就可以使衣物干净，因
39、而产生了多种洗衣机：以使衣物干净，因而产生了多种洗衣机：如：如：1）波轮式洗衣机。用波轮回转形成水流并）波轮式洗衣机。用波轮回转形成水流并控制流速和流向达到洗净的效果；控制流速和流向达到洗净的效果；2）电磁洗衣机。这种洗衣机缸内装有四个）电磁洗衣机。这种洗衣机缸内装有四个带夹子的洗涤头，每个洗涤头上有一种电磁圈，带夹子的洗涤头，每个洗涤头上有一种电磁圈，通电后能在水中发出每秒通电后能在水中发出每秒2500次微振，这种高次微振，这种高频振荡使污垢与纤维分离，不仅去污力强，而频振荡使污垢与纤维分离，不仅去污力强，而且比一般洗衣机节电且比一般洗衣机节电75，节水，节水50左右；左右；463）气流洗衣
40、机。它利用空气泵产生气泡，气泡）气流洗衣机。它利用空气泵产生气泡，气泡破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使洗涤剂更好地分解，因此洗涤效果可提高洗涤剂更好地分解，因此洗涤效果可提高55，与波轮式洗衣机相比，它对衣物的磨损率、洗涤与波轮式洗衣机相比，它对衣物的磨损率、洗涤剂的用量和残留量有大幅度降低；剂的用量和残留量有大幅度降低；4）冷沸腾洗衣机。该机能在几秒钟内用泵从洗）冷沸腾洗衣机。该机能在几秒钟内用泵从洗涤桶的上部将空气抽走，因桶内处于高真空状态，涤桶的上部将空气抽走，因桶内处于高真空状态，使水呈沸腾状，衣物在泡沫旋涡中反复搅动，水使水呈沸腾状
41、，衣物在泡沫旋涡中反复搅动，水在衣物表面产生气泡，当气泡破裂时产生爆破力在衣物表面产生气泡，当气泡破裂时产生爆破力将衣物上的污垢微粒弹开并抛向水面，仅用两分将衣物上的污垢微粒弹开并抛向水面，仅用两分钟就能洗净，由于机内无旋转部件，对衣物损伤钟就能洗净，由于机内无旋转部件，对衣物损伤很小，同时它还无噪音、无振动和无污染，且不很小，同时它还无噪音、无振动和无污染，且不用任何洗涤剂；用任何洗涤剂；475）喷雾洗衣机。）喷雾洗衣机。它是通过水往复循环形成的水雾它是通过水往复循环形成的水雾来达到清洗衣物的目的水雾是水流在通过洗衣机来达到清洗衣物的目的水雾是水流在通过洗衣机内高速旋转的桶壁上密布的小孔时形
42、成的，这时水内高速旋转的桶壁上密布的小孔时形成的，这时水立即被吸走，而桶中的衣物则受到喷雾的清洗；立即被吸走，而桶中的衣物则受到喷雾的清洗；6）超声波洗衣机。）超声波洗衣机。洗衣槽充满水，放入衣物后，洗衣槽充满水，放入衣物后，启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作用下由纤维中分离出来，由气泡带走。用下由纤维中分离出来，由气泡带走。7）漂洗、脱水全部自动化的全自动化洗衣机，）漂洗、脱水全部自动化的全自动化洗衣机，也称为智能洗衣机。也称为智能洗衣机。该机由模糊系统控制，其特该机由模糊系统控制，其特点是无论洗多少衣物，都可根据脏污程度自动选择点是无论
43、洗多少衣物，都可根据脏污程度自动选择时间。该产品在排水口安装了光传感器，可根据水时间。该产品在排水口安装了光传感器，可根据水的脏度和相饱和时间判断出脏污程度和脏迹的性质。的脏度和相饱和时间判断出脏污程度和脏迹的性质。488）最近又研制出来仿生搓洗洗衣机。该机利最近又研制出来仿生搓洗洗衣机。该机利用模糊和变频技术，能自动感知衣物的质地、用模糊和变频技术，能自动感知衣物的质地、重量和脏污程度，调节手形搓洗棒的摆动频率重量和脏污程度，调节手形搓洗棒的摆动频率和角度，酷似人手洗衣服的快慢与节奏，从而和角度，酷似人手洗衣服的快慢与节奏，从而达到手洗一样的洗衣效果。达到手洗一样的洗衣效果。总总之之，寻寻求
44、求作作用用原原理理是是机机械械产产品品创创新新构构思思的的重重要要阶阶段段，这这阶阶段段要要充充分分利利用用力力学学效效应应，流流体体效效应应，热热力力学学效效应应，动动力力学学效效应应，声声、光光、电电、磁磁等等效效应应等等，一一定定能能构构思思出出先先进进而而新新颖颖的的作作用用原原理理，使使新新产产品品不不断断涌涌现现，让让人人们们一一些些潜潜在在的的愿望得以实现。愿望得以实现。495、已已知知一一个个机机械械产产品品作作用用原原理理，也也可可以以构构思思出出不不同同的的产产品品。例例如如风风扇扇，其其功功能能是是产产生生压压力力差差。由由于于压压力力差差使使空空气气产产生生流流动动，吹
45、吹到到人人身身上上时时，人人感感到到凉凉爽爽。分分析析风风扇扇的的功功能能和和用用途途还还可可构构思思出出如如下下相关产品。相关产品。(1)风风扇扇鼓鼓风风机机为为炉炉灶灶送送风风助助燃燃；风风扇扇一一抽抽风风机机，抽抽吸吸厨厨房的油烟；风扇一房的油烟；风扇一吸尘器，吸尘。吸尘器，吸尘。(2)从从调调节节温温度度出出发发，用用压压缩缩式式空空调调器器，可可以以调调节节冷冷热热，其其功功能能比风扇还好。比风扇还好。(3)改改变变风风扇扇结结构构、造造型型开开发发出出新新产产品品。改改变变结结构构：台台扇扇改改变变为为落地扇、吊扇、壁扇等；改变造型：圆形、方形、动物造型等。落地扇、吊扇、壁扇等；改
46、变造型：圆形、方形、动物造型等。(4)增大或减小，设计大型工业排风扇；蚊帐内的小吊扇。增大或减小，设计大型工业排风扇；蚊帐内的小吊扇。(5)多速风扇代替单速风扇。多速风扇代替单速风扇。(6)改改变变运运动动形形式式。送送风风：普普通通风风扇扇，外外罩罩不不转转，叶叶片片转转；鸿鸿运运风扇，叶片不转，外罩转。风扇，叶片不转，外罩转。506、产品销售量与功能原理设计、产品销售量与功能原理设计产产品品使使用用区区域域越越广广，销销量量就就越越大大。一一机机多多用用使使销销量量也也能能增增加加。增增加加辅辅助助功功能能，也也能能扩扩大大销销量量。因因此此，在在进进行行功功能能原原理理设设计计时时就就要
47、要把把这这些些因因素素考考虑虑进进去去。为为扩扩大大产产品品的的销量在功能原理设计时可考虑以下方面：销量在功能原理设计时可考虑以下方面：1)适适用用性性改改变变不不同同的的地地区区和和民民族族，气气候候、经经济济和和资资源源都都可可能能不不同同，产产品品开开发发时时就就要要针针对对不不同同条条件件开开发发不不同同产产品品，或或产产品品结结构构要要有有所所变变化化。例例如如轿轿车车，在在寒寒带带散散热热器器的的工工作作能能力力能能得得到到满满足足，到到了了热热带带就就满满足足不不了了要要求求，在在功功能能原原理理设设计计阶阶段段就就要要考考虑虑进进去去，使使产产品品适适用用于于地地球球的的任任何
48、何一一个个地地区区；又又如如开开发发出出的的扫扫雷雷机机，既既要要适适用用于于寒寒带带疏疏松松的的雪雪，也也要要适适用用于于温温带带的的半半融融冰冰雪雪。汽汽车车驾驾驶驶员员的的座座位位，因因国国家家和和地地区区左左、右右侧侧通通行行不不同同而而分分为为右右座座位位和和左左座座位位等。总之，设计方案要适用于需求。等。总之，设计方案要适用于需求。512)开开发发新新用用途途开开发发一一个个新新产产品品的的同同时时在在原原理理构构思思阶阶段段就就要要考考虑虑一一机机多多用用，使使产产品品具具备备多多种种功功能能。如如小小型型拖拖拉拉机机可可应应用用于于农农业业耕耕作作也也可可牵牵引引运运货货，再再
49、如如平平衡衡重重式式叉叉车车(如如图图所所示示)，更更换换属属具具后后就就可可在在多多种种条条件件下下工工作作。如如图图所所示示，属属具具共共有有30多多种种，可可见见设设计计出出一一台台叉叉车车，只只是是更更换换一一个个工工作作头头，就就组组成成了了另另一一台台新新设设备备，而而且且更更换属具又很方便，这样扩大了产品的销售。换属具又很方便，这样扩大了产品的销售。(3)增添附加功能增添附加功能其目的是拓宽使用面如手其目的是拓宽使用面如手表加血压计，空调机加换气装置，新式木工机表加血压计，空调机加换气装置，新式木工机床等床等525354第第四四节 机械的分机械的分类 一、功能原理设计的两个工作特
50、点如下；一、功能原理设计的两个工作特点如下； 1 1、功功能能原原理理设设计计是是一一种种综综合合，综综合合是是不不可可能能有有任任何何定定法法可可循循的的。分分析析和和综综合合是是两两种种个个同同的的科科学学方方法法；分分析析可可以以按按某某些些既既定定的的方方法法按按步步进进行行，而而综综合合则则是是“有有法法而而无无定定法法”，即即不不可可能能只只要要按按某某种种“方法方法”去做就一定能得到某种好的解法。去做就一定能得到某种好的解法。2 2、功功能能原原理理设设计计所所要要求求解解的的问问题题是是有有多多解解的的问问题题，即即既既不不是是只只有有唯唯一一解解，也也不不是是绝绝对对无无解解
51、，而而且且也也很很难难得得到到绝绝对对理理想想的的解解。一一般般来来说说在在构构思思阶阶段段应应尽尽可可能能多多地地搜搜索索各各种种可可能能的的解解法法，以以便便在众多可能的解法中选出较满意的解法来。在众多可能的解法中选出较满意的解法来。55二二、按按功功能能来来进进行行分分类类，可可分分为为：工工艺艺类类机机械械和非工艺类机械两大类。和非工艺类机械两大类。1、对对物物料料进进行行工工艺艺性性加加工工的的机机械械属属于于工工艺艺类类机机械械，这这类类机机械械具具有有专专用用的的工工作作头头，如如轧轧钢钢机机的的轧轧辊辊、孔孔型型，切切削削机机床床的的刀刀具具，电电锯锯的的锯锯条条等等并并用用工
52、工作作头头对对相相应应的的物物料料进进行行工工艺艺性性加加工工。工工艺艺类类的的机机械械包包括括：金金属属冷冷加加工工设设备备、金金属属热热加加工工设设备备、矿矿石石破破碎碎机机械械、矿矿石石粉粉磨磨机机械械、食食品机械、橡胶机械，木工机械等。品机械、橡胶机械，木工机械等。2、非非工工艺艺类类机机械械则则不不对对任任何何物物料料进进行行工工艺艺性性加加工工，只只是是实实现现某某种种需需求求的的功功能能。非非工工艺艺类类机机械械包包括括：交交通通运运输输机机械械、物物料料搬搬运运机机械械、动动力力机械，各类阀门、泵、压力容器等。机械，各类阀门、泵、压力容器等。56三、按技术特点进行分类：三、按技
53、术特点进行分类：综合运用机、光、电、磁、热、化综合运用机、光、电、磁、热、化各种各种“广义广义物理效应物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能功能。为区别纯机械的功能原理，我们把它总称为为区别纯机械的功能原理，我们把它总称为“综合技术功能综合技术功能”。从它所完成的功能来说，实际上仍。从它所完成的功能来说，实际上仍是动作功能或工艺功能，但其技术手段却是广义的物是动作功能或工艺功能，但其技术手段却是广义的物理效应。理效应。在激烈的产品竞争中，出现了一种有力的竞争武器，在激烈的产品竞争中，出现了一种有力的竞争武器，就是所谓的就是所谓的“关键技术关键技术
54、”或叫做或叫做“KnowHow”。它是它是作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人掌握因此该企业的产品在这一方面占有待殊的优势。掌握因此该企业的产品在这一方面占有待殊的优势。这种技术可能是动作功能，可能是工艺功能，而且很这种技术可能是动作功能，可能是工艺功能，而且很有可能也是采用有可能也是采用“广义物理效应广义物理效应”的综合技术功能，的综合技术功能，只是因为它在竞争中的持殊地位，才把它列为只是因为它在竞争中的持殊地位，才把它列为种功种功能，叫能，叫“关键技术功能关键技术功能”。57第五节第五节两种动作功能及其对应的求解思路两种动作功能及其对
55、应的求解思路动动作作功功能能是是指指那那些些只只完完成成动动作作，不不同同时时进进行行对对物物体体的的加加工工的的功功能能，属属于于非非工工艺艺类类机机械械。按按其其是是否否是是一一次次性性动动作作，还还是是进进行行连连续续运运动动可可分分为为“简单动作功能简单动作功能”和和“复杂动作功能复杂动作功能”两类。两类。58一、简单动作功能一、简单动作功能简简单单动动作作功功能能是是由由两两个个或或两两个个以以上上的的具具有有特特殊殊几几何何形形状状的的构构件件组组成成，利利用用它它们们形形体体上上的的特征可以实现互相运动或锁合的动作。特征可以实现互相运动或锁合的动作。如：带轴的轮子，人类如：带轴的
56、轮子，人类十大发明之一的拉链。十大发明之一的拉链。5960 总总结结：在在进进行行功功能能原原理理设设计计创创造造时时，没没有有什什么么简简易易的的“办办法法”可可循循。因因为为设设计计是是“综综合合”，而而“综综合合”是是没没有有确确定定的的方方法法的的，即即使使有有某某些些参参考考的的方方法法可可作作辅辅助助，也也不不一一定定能能取取得得合合理理的的结结果果。所所谓谓“有有法法而而无无定定法法”就就是是设设计计创创造造的的特特点点，最最实实际际的的办办法法，就就是是多多看看优优秀秀设设计计实实例例，多多作作基基础础设设计计训训练练，在在正正确确的的指指导导性性思路的引导下，才有可能取得某一
57、个合理的设计成果。思路的引导下，才有可能取得某一个合理的设计成果。61二、复杂动作功能二、复杂动作功能 这这类类功功能能以以采采用用常常用用基基本本机机构构为为主主其其设设计计已已有有很很成成熟熟的的理理论论和和经经验验。尽尽管管这这类类功功能能原原理理要要实实现现相相当当复复杂杂的的功功能能目目标标，设设计计起起来来并并非非毫毫无无困困难难，但但是是比比起起“简简单单动动作作功功能能”的的设设计计来来还还是是要要容容易易得得多多，因因为为它它毕毕竟竟被被人人们们研研究究得相当透彻了。得相当透彻了。 显显然然、“复复杂杂动动作作功功能能”的的设设计计求求解解思思路路应应该该是是基基本本机机构构
58、组组合合法法。在在机机械械原原理理课课程程中中介介绍绍了了这这些些基基本本机机构构。如如：齿齿轮轮、齿齿条条机机构构、连连杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等. .62举例：举例：人类利用这些基本机构不仅用来实现连续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。例如图轨迹。例如图318所示的硬币机的卷边功能系统所所示的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、下钩同时进行对称卷
59、纸的宽度而变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，它是的包卷动作，它是由凸轮、一套平行由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构和一套反四杆机构组合而成四杆机构组合而成的。的。63特别应该指出的是在现代很多所谓特别应该指出的是在现代很多所谓“机电一体化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。并不因为有了和动力传递。并不因为有了CPU和各种电子控制装置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还是机构而不是什么电子装
60、置。即使最典型的办公自动化机器动化机器复印机：仍大量采用各种基本机构因为复印机：仍大量采用各种基本机构因为它需要实现大量的运动。它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。它们的基本特点复杂动作功能，都是纯机械的功能。它们的基本特点是是“以形体来实现功能以形体来实现功能”。这个特征使机械实现动作。这个特征使机械实现动作功能的方式变化无穷。功能的方式变化无穷。64第六节第六节 工艺功能及其对应的求解思路工艺功能及其对应的求解思路一、工艺功能的含义一、工艺功能的含义工工艺艺类类机机器器是是对对被被加
61、加工工对对象象( (某某种种物物料料) )实实施施某某种种加加工工工工艺艺的的装装置置，其其中中必必定定有有个个工工作作头头如如机机床床的的刀刀具具、挖挖掘掘机机的的挖挖斗斗等等，用用这这个个动动作作头头去去完完成成对对工工作作对对象象的的加加工工处处理理。在在这这里里，工工件件头头和和工工作作对对象象相相互互配配合合，实实现现一一种种功功能能，叫叫做做“工工艺艺功功能能”，这这里里“工工艺艺”是是指加工指加工“工艺工艺” ” 。工工艺艺功功能能考考虑虑的的两两个个重重要要因因素素: :一一是是采采用用哪哪种种工工艺艺方方法法，二二是是工工作作头头采采用用什什么么形形状状和和动动作作，而而归归
62、根根结结底底是是确确定定工作头的形状和动作。工作头的形状和动作。工工艺艺功功能能的的特特点点是是：工工作作头头的的形形状状、运运动动方方式式和和作作用用场是完成工艺功能的三个主要因素。场是完成工艺功能的三个主要因素。65举例：举例：1、人类所发明的最古老的工艺功能可能是石器时、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，犁头的工作面是一种典型，犁头的工作面是种复杂的空间曲面种复杂的空间曲面(图：图：319）它能把泥土犁起，）它能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。翻过来扣在犁沟边上。662、绞肉机
63、绞碎的工艺方法：通过螺旋输送能强迫、绞肉机绞碎的工艺方法：通过螺旋输送能强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。673、水刀的工作原理：能够喷出大约三倍于音速的水流,可以切割各种非金属的物质,或者做各种表面的特殊处理。形成高速射流,在利用高速射流来切割物体。 684、例如目前市场上出现的家用切碎机、例如目前市场上出现的家用切碎机(见图见图322)，其工作头的形状、工作方式先全不同于老式的绞肉其工作头的形状、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
64、均匀切碎。特色，它保证了被切的肉或菜能被均匀切碎。69二、物一场分析法二、物一场分析法物物一一场场分分析析法法( (S-FieldS-Field法法) )：作作为为求求解解工工艺艺功功能能的的很很有有效的思路。效的思路。S S 对象或物体对象或物体( (Substance)Substance)。主体主体( (S1)S1)，客体客体( (S2)S2)FF场场，这这不不单单指指某某种种物物理理场场，而而是是广广义义地地指指S1S1向向S2S2作作用用时时发发出出的的力力、运运动动、电电磁磁、热热、光光一一切切作作用用场。场。这这个个方方法法的的基基础础是是对对“最最小小技技术术系系统统”的的理理解
65、解和和分分析析：在在任任何何一一个个最最小小技技术术系系统统中中，至至少少有有一一个个主主体体( (S1)S1)，一一个个客客体体( (S2)S2)和和一一个个场场( (F)F)。缺缺一一即即不不可可能能发发生生技技术术作作用。用。一一个个标标准准的的SFieldSField模模型型的的形形式式如如图图323323所所示示，即即S1S1通过通过F F作用于作用于S2S2。70用用SField模式探求工艺功能的原理解法模式探求工艺功能的原理解法:基本的方法是寻求合理的基本的方法是寻求合理的F和和S、，、，此外还可以通过此外还可以通过“完善完善”、“增加增加和和“变换变换”的方法来寻求新的方法来寻
66、求新的解法。的解法。1、F和和S1搜寻搜寻例如：为了完成修剪草地的任务如何构思剪草机的例如：为了完成修剪草地的任务如何构思剪草机的工作原理呢工作原理呢?在这个问题里，在这个问题里，S2是草地上的草。剩下的问题是寻找是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的合适的F和和S1了。了。71首先要寻找各种可能被利用的首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：并加以分析和比较：拉力拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。高度，无法使草地整齐。割断力割断力像农夫割麦一样，需要握住草的上部像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。才能割断。剪断力剪断力利用
67、剪刀刃合拢，可以剪断。利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择剪断力作为理想的显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然当然S1就只能是剪刀就只能是剪刀722完善完善原设计中有时出现缺少原设计中有时出现缺少F或或S1的情况并因此而造成功的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全能不良的后果。应该通过补全F或或S1的措施来使的措施来使SField模式完善化。模式完善化。例如制造平板玻璃的方法，以前一直采用例如制造平板玻璃的方法，以前一直采用“垂直引上垂直引上法法”(见图见图324)。这种方法是把半沉体的破璃从熔池。这种方法是把半沉体的破璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后边
68、向上中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，以后边向上引边凝固。这种方法制造出的玻璃表面总是有波纹并且引边凝固。这种方法制造出的玻璃表面总是有波纹并且厚度不均匀。如果用厚度不均匀。如果用SField分析法来分析，可以看出，分析法来分析，可以看出，在整个工艺过程中，玻璃在整个工艺过程中，玻璃S2在凝固前大部分时间中缺少在凝固前大部分时间中缺少F和和S1(重力无积极效果，不看作为重力无积极效果，不看作为F)。近年来出现了一近年来出现了一种新工艺；让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边种新工艺；让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。向前流动边凝固。73这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而
69、且没有波纹，这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹，这就是这就是“浮法浮法”制造平面玻璃的功能原理解法。显然，制造平面玻璃的功能原理解法。显然，浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为S1，又利用又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场F、既俘既俘起了玻璃又使玻璃表起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、面保持水平、光滑、均增。均增。74普通平板玻璃与浮法玻璃都是平板玻璃。只是生产工艺、普通平板玻璃与浮法玻璃都是平板玻璃。只是生产工艺、品质上不同。品质上不同。普通平板玻璃是用石英砂岩粉、硅砂、钾化石、纯碱、普通平板玻璃
70、是用石英砂岩粉、硅砂、钾化石、纯碱、芒硝等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，通过芒硝等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，通过垂直引上法或平拉法、压延法生产出来的透明五色的平垂直引上法或平拉法、压延法生产出来的透明五色的平板玻璃。普通平板玻璃按外观质量分为特选品、一等品、板玻璃。普通平板玻璃按外观质量分为特选品、一等品、二等品三类。按厚度分为二等品三类。按厚度分为2、3、4、5、6mm五种。五种。浮法玻璃是用海沙、石英砂岩粉、纯碱、白云石等原浮法玻璃是用海沙、石英砂岩粉、纯碱、白云石等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，玻璃液从池窑料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，玻璃液从池窑连续流
71、至并浮在金属液面上，摊成厚度均匀平整、经火连续流至并浮在金属液面上，摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带，冷却硬化后脱离金属液，再经退火切割抛光的玻璃带，冷却硬化后脱离金属液，再经退火切割而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特别平整光滑、厚而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特别平整光滑、厚度非常均匀，光学畸变很小的特点。浮法玻璃按外观质度非常均匀，光学畸变很小的特点。浮法玻璃按外观质量分为优等品、一级品、合格品三类。按厚度分为量分为优等品、一级品、合格品三类。按厚度分为3、4、5、6、8、10、12mm七种。七种。753增加增加一个最小技术系统至少应具有一个最小技术系统至少应具有S1、S2和和F，但有
72、时但有时还应辅以还应辅以S1和和F，才能更好地完成希望实现的功能。才能更好地完成希望实现的功能。例如，在金属切削过程中，工件是例如，在金属切削过程中，工件是S2，刀具是刀具是S1，切削力切削力是是F，如果加入另一种物质如果加入另一种物质Sl(切削液切削液)，切，切削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度会降削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度会降低，切削速度也能提高，低，切削速度也能提高，Sl的存在实际上还附加了的存在实际上还附加了另一种物理场另一种物理场F，这就是分子吸附膜，这层分子膜这就是分子吸附膜，这层分子膜使得刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还使得刀具和工件表面之间的摩擦得到
73、改善，同时还起冷却作用。于是起冷却作用。于是SF模式变为如图模式变为如图325所示。所示。这种模式在很多工艺功能中几乎都可以采用并会取这种模式在很多工艺功能中几乎都可以采用并会取得好的效果。得好的效果。764变换变换对已有工艺功能解法中的对已有工艺功能解法中的S1和和F进行分析后，常常进行分析后，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。会产生意想不到的好效果。77例如前面提到的剪草机原理。是否有别的东西可以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代替剪切力F和剪刀和剪刀S1呢呢?杂技演员在舞台上用鞭子
74、可以把报纸抽断，这提杂技演员在舞台上用鞭子可以把报纸抽断，这提示人们，即使不用刀，用软的物体也可以切断某些示人们，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。于是一种新型的割物体，只要有足够高速度就行。于是一种新型的割草机就产生了。它的原理特别简单草机就产生了。它的原理特别简单(见图见图3-26)。用一。用一根根高速旋转的尼龙线高速旋转的尼龙线(直径约直径约2mm)，就可以又快又就可以又快又好地来修剪草地了。这时好地来修剪草地了。这时S1是一条尼龙线，是一条尼龙线，F则是则是高速抽打的高速抽打的“抽击力抽击力”。这种变换产生了更为理想。这种变换产生了更为理想的效果。的效果。
75、78电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀一样，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理，实现零部件的加工。所不同的是，电火花原理，实现零部件的加工。所不同的是，电火花线切割加工不需要制造复杂的成形电极，而是利线切割加工不需要制造复杂的成形电极，而是利用移动的细金属丝用移动的细金属丝(钼丝或铜丝钼丝或铜丝)作为工具电极，作为工具电极，工件按照预定的轨迹运动，工件按照预定的轨迹运动，“切割切割”出所需的各出所需的各种尺寸和形状。如图：种尺寸和形状。如图：7980每次电火花腐蚀每次电火花腐蚀的微观过程是电的微观
76、过程是电力、热力、磁力、力、热力、磁力、流体动力等综合流体动力等综合作用的过程。大作用的过程。大致可分为四个阶致可分为四个阶段：极间介质的段：极间介质的击穿形成放电通击穿形成放电通道；介质热分解、道；介质热分解、电极材料熔化、电极材料熔化、气化热膨胀；蚀气化热膨胀；蚀除产物的抛出；除产物的抛出；间隙介质消电离。间隙介质消电离。81人们也许立刻就会联想到用高压水喷射可以切割木材、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、布料钢板、布料。人类生活在这个世界上，就注定要改造这个世界，工人类生活在这个世界上，就注定要改造这个世界，工艺功能是改造这个世界的主要手段。国此对工艺功能艺功能是改造
77、这个世界的主要手段。国此对工艺功能的研究，对我们有着重要的意义。现在人类已经开始的研究，对我们有着重要的意义。现在人类已经开始学会利用各种广义的物理效应。这就为工艺工能提供学会利用各种广义的物理效应。这就为工艺工能提供了更多的可利用的了更多的可利用的“场场”，就有可能创造出更多更好，就有可能创造出更多更好的工艺功能来。的工艺功能来。82第七节第七节关键技术功能、综合技术功能及其对应的关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路求解思路1、这两种功能成了时代发展和技术进步的象征：、这两种功能成了时代发展和技术进步的象征：2、这两种功能所实现的还是动作和工艺两种基、这两种功能所实现的还是动作和工艺
78、两种基本功能，不过技术上更难、更高、更持殊而已。本功能，不过技术上更难、更高、更持殊而已。一、关键技术功能一、关键技术功能没有关键技术和没有关键技术和KnowHow(技术诀窍技术诀窍)的产品，的产品，在激烈的竞争中，难以在市场上占有一席之地。在激烈的竞争中，难以在市场上占有一席之地。对于现代设计人员来说，不懂得关键技术功能也对于现代设计人员来说，不懂得关键技术功能也就等于不懂得现代设计。就等于不懂得现代设计。831、产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：、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、材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材
79、料特殊轻质材料(例如复合材料例如复合材料)、特殊物理性能要求、特殊物理性能要求等。等。2)制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求理要求。例如在汽车制造中的。例如在汽车制造中的2mm工程，要保工程，要保证汽车外壳所有缝隙都小于证汽车外壳所有缝隙都小于2mm，美国就把它作为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技术指标例如免维护性和将直接影响产品性能的技术指标例如免维护性和使用寿命等技术性能的提高。使用寿命等技术性能的提高。843)设计：通过设计实现特殊的功能原理
80、，尤其是实现以设计：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，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。日本就是一种关键技术功能。日本Canon采用汽化喷墨的功采用汽化喷墨的功能原理，而另一家日本公司能原理，而另一家日本公司Epson则采用压电喷墨技术。则采用压电喷墨技术。下面两个例子可以很好地体现由设计解决的关键技术功下面两个例子可以很好地体现由设计解决的关键技术功能。能。例如。在数控机床发展的初期为了实现工作台的精例如
81、。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密定位和精密进给(每步每步0.01mm)，必须使传动丝杠和工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。成了关键技术。85又例如，在肌电控制假手的研又例如，在肌电控制假手的研制中，用常规技术所设计的手制中，用常规技术所设计的手指开合机构，其指端捏紧力只指开合机构，其指端捏紧力只能达到能达到5N左右左右(见图见图327)，连系鞋带时捏紧鞋带的力量都连系鞋带时捏紧鞋带的力量都个够。为此。需要在保持手指个够。为此。需要在保持手指合理的运动角速度合理的运动角速度(
82、约约o5rads)的前提下，使指端捏力提高的前提下，使指端捏力提高到到50N左右左右(即提高即提高10倍倍)，这，这个问题能否解决，决定了这种个问题能否解决，决定了这种肌电假手是否有实用价值。这肌电假手是否有实用价值。这就是它的关键技术。就是它的关键技术。2、关键技术的求解思路：、关键技术的求解思路：运用运用“技术矛盾分析法技术矛盾分析法”86思路：在传动路线上再思路：在传动路线上再串接一套减速比串接一套减速比i210的的减速装置减速装置，然后通过两然后通过两个联动的切换开关来操个联动的切换开关来操作；切换开关的动作是作；切换开关的动作是自动的，是由手指触到自动的，是由手指触到物体后的反馈力来
83、控制物体后的反馈力来控制的。图的。图3-28表示了用两表示了用两个超越离合器组成的切个超越离合器组成的切换开关。切换机构上的换开关。切换机构上的两对销子去拨动超越离两对销子去拨动超越离台器的滚柱，实现切换台器的滚柱，实现切换功能。被接通的离合器功能。被接通的离合器带动其中一对销子，将带动其中一对销子，将运动和力经切换机构传运动和力经切换机构传至输出轴上。切换机构至输出轴上。切换机构的开合则由输出轴所受的开合则由输出轴所受阻力矩的大小所控制。阻力矩的大小所控制。87如果从不同的角度分析技术矛盾，则可以得到不同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
84、，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。种求解的途径。从动力学的角度来看，如果系统有足够大的存储从动力学的角度来看，如果系统有足够大的存储能量的飞轮，那么也可以达到增大指端捏紧力的目能量的飞轮，那么也可以达到增大指端捏紧力的目的的(如同冲床飞轮效应那样如同冲床飞轮效应那样)。技术矛盾分析法的作用并不是直接给出解法，而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的途径，是帮助人
85、们找出可能解决问题的途径，883、可以归纳出关键技术功能的特点：、可以归纳出关键技术功能的特点：由于特殊的工作条件由于特殊的工作条件(约束约束)或特殊的使用要求，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，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，而解决的方法也往往是出说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。奇制胜。89二、综合技术功能二、综合技术功能1、动作功能：、动作功能：实际上大量存在一些非机械方式获得动作的情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
86、起来，是靠空气动况。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，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。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。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。场合，比纯机械的方式还要好。90例如：
87、有一种高速平面电机例如：有一种高速平面电机式自动绘图机，带有画笔的式自动绘图机，带有画笔的驱动头悬挂在定子台面的下驱动头悬挂在定子台面的下面面(见图见图329)，驱动头本，驱动头本身相当于电动机的转子，它身相当于电动机的转子，它靠定子表面上的磁极的磁力靠定子表面上的磁极的磁力的作用而运动，同时利用磁的作用而运动，同时利用磁力使其能悬挂在力使其能悬挂在“天花板天花板”上。为了使驱动头在天花板上。为了使驱动头在天花板上高速移动时阻力小，还应上高速移动时阻力小，还应用了气浮导轨的原理；在贴用了气浮导轨的原理；在贴合面间吹入压缩空气并形成合面间吹入压缩空气并形成气垫。使驱动头在高速移动气垫。使驱动头在
88、高速移动时几乎没有摩擦阻力。这种时几乎没有摩擦阻力。这种驱动头的功能，就是典型的驱动头的功能，就是典型的综合技术功能。综合技术功能。91又例如精密定位工作台，采用激光测距，用计算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。的机电一体化技术系统当然也属于综合技术功能。2、工艺功能：、工艺功能：非机械的工作头非机械的工作头例如，过去连杆头加工中的别分工艺是用切削加例如，过去连杆头加工中的别分工艺是用切削加工方法进行的工方法进行的(见图见图3-30)，而现在有一种工艺是采，而
89、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，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不但效率高而且连杆孔几何精度仍然保持得很好。好。92933、综合技术功能的特点：、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，因为有许多场们并不强调全部可以代替纯机械功能，因为有许多场合纯
90、机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没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。有必要用更复杂的广义物理效应去代替。4、综合技术功能的求解思路是：、综合技术功能的求解思路是：物理效应引入法：指的物理效应是一种广义的概念物理效应引入法：指的物理效应是一种广义的概念如：运动学、力学方面的各种物理效应热胀冷缩、如：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。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，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
91、护器、调温电器的温控开关。用来作电流的过载保护器、调温电器的温控开关。94在人工脏器的设计中，需要一种微型液体泵来帮助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。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。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
92、用物理效应引入法的很典制成的石英电子钟表，也是运用物理效应引入法的很典型的例子。型的例子。在润滑油中添加某些成分，就有可能使这种油在高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压或电场中产生特殊的性能(如粘性变大等如粘性变大等)在机械传在机械传动中已经在利用这些新效应。动中已经在利用这些新效应。近年出现的近年出现的“机电一体化机电一体化”或或“机械电子学机械电子学”，就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它是物理效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。应引入法中一个较突出的成功的例子。95969798广义的物理效应包括光、电
93、磁、流体、甚至化学效应等很多方面，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。可见物理效应引入法现中的效应和大量的派生效应将可利用。可见物理效应引入法的求解途径在功能原理求解中是一个非常重要、大有前途的途径。的求解途径在功能原理求解中是一个非常重要、大有前途的途径。99第八节第八节功能原理设计的工作要点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，进一步去实现功能原理设计是在创意确定之后，进一步去实现创意阶段所提出的功能目标。因
94、此它的工作重点是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。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。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。主要可以归结为以下一些工作要点。1001明明确确所所要要设设计计的的任任务务的的功功能能目目标标，提提出出具具体体问问题题例例如如：有有关关部部门门需需要要设设计计肌肌
95、电电假假手手，要要求求不不很很具具体体，只只提提出出要要有有能能模模仿仿真真手手抓抓握握物物体体的的假假手手。经经分分析析如如能能像像真真手手一一样样能能拿拿起起一一个个质质量量约约为为300300g g的的物物体体，应应实实现现的具体功能目标如下：的具体功能目标如下：手手指指应应能能实实现现0.50.5radrads s的的抓抓握握运运动动速速度度，以以模模仿仿人人手的真实运动。手的真实运动。手手指指触触物物后后，应应能能产产生生5050N N左左右右的的捏捏紧紧力力，以以满满足足实实际工作的需要。际工作的需要。所所用用微微型型电电动动机机需需在在假假手手掌掌心心中中放放置置，故故其其外外径
96、径应应不大于不大于2020mmmm。传传动动机机械械的的效效率率应应足足够够高高，以以保保证证充充电电电电池池至至少少能能工作工作1 1天天。1012调查、分析已有的解法原理，供设计时参考调查、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，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。的构
97、思来。1023进行创新构思、寻求更合理的解法原理进行创新构思、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。要争取由自己峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自己推出新一代的创新产品。推出新一代的创新产品。设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的一些违反基本科学原理的“错觉错觉”。例如，有人。例如，有人设计了一种机械式的设计了一种机械式的“功率增大器功率增大器”，认为能把，认为能把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种特殊小功率输入变为大功率输出，他
98、采用了一种特殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。1034初步预想实用化的可能性初步预想实用化的可能性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
99、构工艺问题。分说明创新构思时要粗略考虑一些主要的结构工艺问题。5认真进行原理性试验认真进行原理性试验这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理但是实际做一行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理但是实际做一下试验，往往会出现意想不到的问题。下试验，往往会出现意想不到的问题。例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，令人百思不得其解，不知是何原因。后来才弄清楚，这是在切令人百思不得其解，不知是何原因。后来才弄清楚，这是在切换时
100、有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态使得手换时有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态使得手指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，解决了上述反弹问题。解决了上述反弹问题。1046评价、对比、决策评价、对比、决策必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来做出决策。面的对比结果来做出决策。设计工作过程中，有两项重大决策问题：设计工作过程中，有两项重大决策问题：一是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。要能判断一是在创意阶段，这是决定产品方向的决策。
101、要能判断5年或年或10年以后市场所需要的产品年以后市场所需要的产品二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。二是在构思阶段，这是决定产品的技术方向的决策。个产品个产品可能有两个以上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不可能有两个以上的技术方向，在未来的发展中有可能出现完全不同的命运。同的命运。例如，不久以前，人们提出了一种创意，就是壁挂式电视，例如，不久以前，人们提出了一种创意，就是壁挂式电视，没有人怀疑这种创意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、没有人怀疑这种创意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、试制。但是随后出现的功能原理设计中，就出现物力投入研究、试制。但是随
102、后出现的功能原理设计中，就出现了技术方向的问题，是用液晶技术，还是用固体发光技术，了技术方向的问题，是用液晶技术，还是用固体发光技术，105哪一种有最好的效果屏幕的光亮度、色彩的鲜艳程度以及寿哪一种有最好的效果屏幕的光亮度、色彩的鲜艳程度以及寿命、省电等等其它性能指标命、省电等等其它性能指标)。后来又出现了发光塑料，也许。后来又出现了发光塑料，也许发光塑料可以比液晶和固体发光都好。或者还有一些别的什么发光塑料可以比液晶和固体发光都好。或者还有一些别的什么可能性，可能性，旦作出决策，开发出产品就将承受市场的风险。旦作出决策，开发出产品就将承受市场的风险。又例如，目前市场上的喷墨打印技术，也存在两
103、个技术方向又例如，目前市场上的喷墨打印技术，也存在两个技术方向的选择，现在两个方向的选择，现在两个方向(汽化喷墨和压电喷墨汽化喷墨和压电喷墨)正在激烈竞争，正在激烈竞争，最后的胜利将由市场作出判决，只有市场才是决定胜负的唯一最后的胜利将由市场作出判决，只有市场才是决定胜负的唯一标准。标准。因此，在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有因此，在选择技术方向的决策中，实际上不存在方法，只有像象棋大师那样，用深刻的洞察力、精密地分析比较、超人的像象棋大师那样，用深刻的洞察力、精密地分析比较、超人的预测能力，最后通过直觉判断，作出天才的决策。不过任何天预测能力，最后通过直觉判断，作出天才的决策。
104、不过任何天才的决策成功率也不可能是才的决策成功率也不可能是100。总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要。总之，决定产品方向和技术方向的决策是一个非常重要。又是非常困难的问题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带又是非常困难的问题，千万不要轻信那些草率的决策，它将带来灾难性的后果。来灾难性的后果。106第九节第九节功能原理设计的创造性问题功能原理设计的创造性问题“创新是一个民族进步的灵魂创新是一个民族进步的灵魂”，在激烈的世界性经济竞，在激烈的世界性经济竞争中，产品在市场上的竞争力，很大程度取决于企业的创新争中，产品在市场上的竞争力，很大程度取决于企业的创新能力。能力。设计本身就是创造
105、，创意阶段需要创新，而构思阶段即设计本身就是创造，创意阶段需要创新，而构思阶段即功能原理设计阶段更需要创新。功能原理设计阶段更需要创新。一个设计人员是否有较高的创造性素质，在很大程度上一个设计人员是否有较高的创造性素质，在很大程度上决定了他工作中的创造性效果。研究证明：有很高智商的人决定了他工作中的创造性效果。研究证明：有很高智商的人不一定有很高的创造性，而只有一般智商的人却常常表现出不一定有很高的创造性，而只有一般智商的人却常常表现出很高的创造才能。一个设计人员的创造性素质首先在于他有很高的创造才能。一个设计人员的创造性素质首先在于他有没有强烈的创造意识没有强烈的创造意识(欲望欲望)。但创造
106、意识只是一种主观愿望。但创造意识只是一种主观愿望。他还必须要有创造性的知识基础、思维方法和对创造性机理他还必须要有创造性的知识基础、思维方法和对创造性机理的认识和理解。最后，也就是最重要的，他还必须要有从事的认识和理解。最后，也就是最重要的，他还必须要有从事创造实践的积极性。坚持实践。才有可能获得成功。创造实践的积极性。坚持实践。才有可能获得成功。107一、创造性机理一、创造性机理图图332表示了人的创造性本能和影响成功的因素。图表示了人的创造性本能和影响成功的因素。图333表表明了创造性形成的机理：心理素质是核心；知识、经验、能力明了创造性形成的机理：心理素质是核心；知识、经验、能力是基础；
107、灵活的思维不断探索方向；实践是成功之路；如果在是基础；灵活的思维不断探索方向；实践是成功之路；如果在前进的道路上遇到了成功的机会，就有可能抓住机会取得成功。前进的道路上遇到了成功的机会，就有可能抓住机会取得成功。108二、创造性知识基础二、创造性知识基础一个好的设计师应该具有很广的知识面和较坚一个好的设计师应该具有很广的知识面和较坚实的知识基础。为了扩大人们在求解过程中搜索的实的知识基础。为了扩大人们在求解过程中搜索的眼界，人们编制了一些知识库供参考。其中最典型眼界，人们编制了一些知识库供参考。其中最典型的是德国学者洛特的是德国学者洛特(Roth)编制的编制的“设计目录设计目录”。其。其中列举
108、了各种已知的物理效应、技术结构中列举了各种已知的物理效应、技术结构。有。有些德国学者还提出一种系统化些德国学者还提出一种系统化(systematic)思想，思想，他们力图把各种技术问题的解法分类排序系统地编他们力图把各种技术问题的解法分类排序系统地编排成表格，以供设计人员查阅。这些都属于知识系排成表格，以供设计人员查阅。这些都属于知识系统化的工作。统化的工作。对于设计人员来说最宝贵的还是在不断参加设对于设计人员来说最宝贵的还是在不断参加设计和制造实践中积累起来的知识和经验。特别是那计和制造实践中积累起来的知识和经验。特别是那些失败的经验。些失败的经验。109三、情绪智商三、情绪智商(Emoti
109、onalIntelligenceQuotient)这是美国哈佛大学心理系教授丹尼尔这是美国哈佛大学心理系教授丹尼尔戈尔曼戈尔曼于于1995年提出的概念。他认为一个人的成功，一般年提出的概念。他认为一个人的成功，一般智商只占智商只占20的作用，而情绪智商则占的作用，而情绪智商则占80的作用，的作用，这可以很好解释那些智商高而没有成就，而智商一这可以很好解释那些智商高而没有成就，而智商一般却可能有很高成就的现象。般却可能有很高成就的现象。所谓情绪智商：是指一种做人的涵养，一种性格所谓情绪智商：是指一种做人的涵养，一种性格的素质，一种精神力量，具体表现在处理事物时能的素质，一种精神力量，具体表现在处
110、理事物时能自动自发，能控制情绪，有远大目光有自我认识，自动自发，能控制情绪，有远大目光有自我认识，待人接物有较好的人际技巧等等。待人接物有较好的人际技巧等等。110四、创造性思维规律四、创造性思维规律创造性的障碍首先是心理上的，其次是思维习惯创造性的障碍首先是心理上的，其次是思维习惯上的。人们往往害怕进入上的。人们往往害怕进入个陌生的领域。担心在那个陌生的领域。担心在那些看起来是可笑的想法上进行研究；常常会产生一种些看起来是可笑的想法上进行研究；常常会产生一种习惯心理：习惯心理：“会不会失败会不会失败?”；承受不起哪怕是很小；承受不起哪怕是很小的一次失败，总希望一次就能成功。这些部属于一种的一
111、次失败，总希望一次就能成功。这些部属于一种有害的有害的“心理惯性心理惯性”。克服这种心理惯性是发挥创造。克服这种心理惯性是发挥创造性的首要问题。性的首要问题。思维习惯上的墨守成规也是创造性发挥的重大障碍。思维习惯上的墨守成规也是创造性发挥的重大障碍。为此有必要介绍什么是创造性思维以及其方式和规律为此有必要介绍什么是创造性思维以及其方式和规律是什么是什么?1直觉和灵感直觉和灵感111直觉直觉(Intuition)是创造性思维的一种重要形式，几乎没有任是创造性思维的一种重要形式，几乎没有任何一种创造性活动能离开直觉思维活动。直觉和灵感并不是唯何一种创造性活动能离开直觉思维活动。直觉和灵感并不是唯心
112、的东西，它的基础是平时积累的心的东西，它的基础是平时积累的“思维元素思维元素和和“经验经验”。直觉和灵感不过是它们的升华。由于直觉往往出现在无意识的直觉和灵感不过是它们的升华。由于直觉往往出现在无意识的思维过程中思维过程中(如散步时、睡梦中如散步时、睡梦中)，而不是在集中注意力思，而不是在集中注意力思维的时候因此常常给人们一种维的时候因此常常给人们一种“神秘感神秘感”。爱因斯坦说：爱因斯坦说：“我相信直觉和灵我相信直觉和灵感感”。他还画了一个模式图来描绘。他还画了一个模式图来描绘直觉产生的机理。他认为直觉起直觉产生的机理。他认为直觉起源于创造性的想象，通过反复的源于创造性的想象，通过反复的想象
113、和构思并激发起潜意识，然想象和构思并激发起潜意识，然后就可能在某种环境条件下升华后就可能在某种环境条件下升华为直觉或灵感为直觉或灵感(见图见图334)。112爱因斯坦生平简介：爱因斯坦生平简介：现代物理学的开创者和奠基人。现代物理学的开创者和奠基人。1879年年3月月14日生于德国的乌尔姆，日生于德国的乌尔姆，1955年年4月月18日卒于美国的普林斯顿。日卒于美国的普林斯顿。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后即失业。年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后即失业。在朋友的帮助下，才在瑞士联邦专利局找到工作。在朋友的帮助下，才在瑞士联邦专利局找到工作。1905年获年获苏黎世大学博士学位
114、。苏黎世大学博士学位。1909年任苏黎世大学理论物理学副教年任苏黎世大学理论物理学副教授，授，1911年任布拉格大学教授，两年后任德国威廉皇家物理年任布拉格大学教授，两年后任德国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁士科学院院士。研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国年受希特勒迫害离开德国,1933年年10月定居美国。爱因月定居美国。爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光
115、的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。并于固体比热，发展了量子统计。并于1921年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。1132潜意识潜意识有些思维学家有些思维学家(如弗洛伊德如弗洛伊德. .西格蒙德西格蒙德 Freude.Sigmund 18561939Sigmund 18561939，奥地利医生、心理学奥地利医生、心理学家，他是精神分析学派的创始人。家，他是精神分析学派的创始人。）（论无意识论无意识1915)认为在人脑的思维活动中，存在着无意识的认为在人脑的思维活动中，存在着无意识的思维。所谓思
116、维。所谓“无意识无意识”和和“下意识下意识”的行为就和这种的行为就和这种思维活动有关。这些思维学家强调思维活动有关。这些思维学家强调“下意识下意识”的重要的重要性并称之为性并称之为“潜意识潜意识”。他们把它看得比有意识的思。他们把它看得比有意识的思考更重要。在他们看来，创造性思维活动过程可以分考更重要。在他们看来，创造性思维活动过程可以分为四个意识阶段，即有意识活动为四个意识阶段，即有意识活动(准备准备)阶段阶段无意无意识活动识活动(潜伏、酝酿潜伏、酝酿)阶段阶段过渡过渡(产生灵感产生灵感)阶段阶段有意识活动有意识活动(发展、完善发展、完善)阶段。其中第二、三阶段阶段。其中第二、三阶段就是潜意
117、识活动的过程。就是潜意识活动的过程。1143形象思维和思维实验形象思维和思维实验形象思维是指头脑里产生实物形象的思维方式，形象思维是指头脑里产生实物形象的思维方式，这种形象是介于实物和抽象概念之间的一种图形，这种形象是介于实物和抽象概念之间的一种图形，爱因斯坦认为直觉思维必须借助于这种智力图像。爱因斯坦认为直觉思维必须借助于这种智力图像。只有这种形象思维才能使人对空间状况和变化过程只有这种形象思维才能使人对空间状况和变化过程进行思维。进行思维。思维实验则是指在头脑里对所构思的过程进行模思维实验则是指在头脑里对所构思的过程进行模拟性的实验。爱因斯坦在发现相对论的过程中就做拟性的实验。爱因斯坦在发
118、现相对论的过程中就做过这样的思维实验。上面提到的过这样的思维实验。上面提到的“智力图像智力图像”正是正是人们进行思维实验时的好工具。人们进行思维实验时的好工具。1154.视觉思维和感觉思维视觉思维和感觉思维这是一种强化认识强化联想和诱发灵感的重这是一种强化认识强化联想和诱发灵感的重要手段，都属于动作思维的范畴。要手段，都属于动作思维的范畴。视觉的重要性在于它能从形象上修正人们的主视觉的重要性在于它能从形象上修正人们的主观臆测，从形象上启发人的想象力，从而进一步观臆测，从形象上启发人的想象力，从而进一步引发人的灵感。建筑学强调视觉思维，机械设计引发人的灵感。建筑学强调视觉思维，机械设计强调强调s
119、ketch和模型试验和模型试验，因为它可以从形象思维的因为它可以从形象思维的基础上，通过视觉和感觉得到更真切的思维判断。基础上，通过视觉和感觉得到更真切的思维判断。1165想象力想象力发明创造需要有丰富的想象力。虽然，并不是所发明创造需要有丰富的想象力。虽然，并不是所有想象得到的东西都能做得到，但是象不到的东西有想象得到的东西都能做得到，但是象不到的东西肯定是不会做到的。肯定是不会做到的。人的实践可以启发想象力，在实践中经常会出人的实践可以启发想象力，在实践中经常会出现很多原来不曾想象到的现象，它补充了人们想象现很多原来不曾想象到的现象，它补充了人们想象力的不足。有很多发明创造往往是人们在某种
120、实践力的不足。有很多发明创造往往是人们在某种实践中受到意外的启发而发明了另一种东西。中受到意外的启发而发明了另一种东西。1176敏感和洞察力敏感和洞察力创造性思维的一个重要能力是要善于抓住一瞬创造性思维的一个重要能力是要善于抓住一瞬即逝的思想火花。即逝的思想火花。一个好的构思，大多数人往往会一个好的构思，大多数人往往会把它轻易放过，只有思想敏感的人才会抓住它。丰把它轻易放过，只有思想敏感的人才会抓住它。丰富的知识和敏锐的洞察力才能使人们不致放过那些富的知识和敏锐的洞察力才能使人们不致放过那些偶然出现、一瞬即逝的机遇。偶然出现、一瞬即逝的机遇。7联想、侧向思维、转移经验联想、侧向思维、转移经验创
121、造化思维要求创造化思维要求“发散发散”，尽可能把思维的触角，尽可能把思维的触角伸到很多陌生的领域，以探索那些尚未被发现的、伸到很多陌生的领域，以探索那些尚未被发现的、更有前途的解法原理。这类思维方法中最典型的要更有前途的解法原理。这类思维方法中最典型的要算算“仿生法仿生法”。但这只是发散思维的一个方面，还。但这只是发散思维的一个方面，还应向更广的方向去联想。应向更广的方向去联想。118综上所述，创造力有五个要素，即知识、经验、综上所述，创造力有五个要素，即知识、经验、能力、心理素质和机遇，此外，创造力的发挥，能力、心理素质和机遇，此外，创造力的发挥，还需要三个推动力，即：创造性欲望、创造性思还
122、需要三个推动力，即：创造性欲望、创造性思维、和创造性实践。维、和创造性实践。如果一个人只具备很好的五个创造力要素，而如果一个人只具备很好的五个创造力要素，而缺乏三个推动力的话，还是难以作出创造出成果缺乏三个推动力的话，还是难以作出创造出成果来的。来的。119习题习题31试构思一种采用新的试构思一种采用新的“物理效应物理效应“作为功能原理的点作为功能原理的点钞机，并用钞机，并用Sketch描述之。描述之。32试构思保险箱锁试构思保险箱锁(或别的简单动作功能或别的简单动作功能)的功能原理，的功能原理，并用并用Sketch描述之。描述之。33试构思汽车安全带的试构思汽车安全带的“动感动感”自动锁紧的
123、功能原理。自动锁紧的功能原理。(说明：带感说明：带感指对安全带快速抽动敏感；动感（或车感指对安全带快速抽动敏感；动感（或车感)指对汽车任何振动敏感指对汽车任何振动敏感)34试构思针式打印机色带的单向驱动功能的功能原理。试构思针式打印机色带的单向驱动功能的功能原理。（说明：色带由打印头的双向往复运动带动（说明：色带由打印头的双向往复运动带动)35试观察并构思试观察并构思“膨化食品膨化食品”机工作头的形状，并用机工作头的形状，并用Sketch图说明其功能原理图说明其功能原理12036试画出复印机中布墨粉功能的试画出复印机中布墨粉功能的Sketch图，并说明磁辊图，并说明磁辊和绝缘载体的作用。和绝缘
124、载体的作用。37试对核反应堆控制棒的驱动技术作矛盾分析：试对核反应堆控制棒的驱动技术作矛盾分析：1)该关键技术的本质矛盾是什么该关键技术的本质矛盾是什么?2)水力驱动原理应用了什么物理效应，与普通液压（静压）水力驱动原理应用了什么物理效应，与普通液压（静压）方式有何区别？方式有何区别？3)用用Sketch法描述水力驱动的功能原理。法描述水力驱动的功能原理。（说明此题各校可根据本校熟悉的关键技术另行出题（说明此题各校可根据本校熟悉的关键技术另行出题)38试构思咖啡壶的功能原理，并用试构思咖啡壶的功能原理，并用Sketch描述之。描述之。39请观察、分析日光灯电路中用什么物理效应作成起辉请观察、分析日光灯电路中用什么物理效应作成起辉器，画出电路图分析起辉过程器，画出电路图分析起辉过程310试评中国人的创造力。试评中国人的创造力。121
