最新机械优化设计第3章精编版
机械优化设计
三、数学模型的尺度变换
1.目标函数的尺度变换 2.设计变量的尺度变换 3.约束函数的规格化
三、数学模型的尺度变换
图8-1 目标函数尺度变换前后性态(等值线)的变化 a)变换前函数的等值线 b)变换后函数的等值线
第二节 机床主轴结构优化设计
第三节 圆柱齿轮减速器的优化设计
图8-4 二级减速的最大尺寸
二、二级圆柱齿轮减速器的优化设计
1.接触承载能力 2.设计变量的确定 3.目标函数的确定 4.约束条件的建立
三、2K-H(NGW)型行星齿轮减速器的优化设计
1.目标函数和设计变量的确定 2.约束条件的建立
三、2K-H(NGW)型行星齿轮减速器的优化设计
一、数学模型的建立
二、计算实例 三、进一步的考虑
图8-2 机床主轴变形简图
第三节 圆柱齿轮减速器的优化设计
(1)边界约束 如最小模数，不根切的最小齿数，螺旋角，变位系
数，齿宽系数的上、下界等的限制。 (2)性能约束 如接触强度、弯曲强度、总速比误差、过渡曲线不 发生干涉、重合度、齿顶厚等的限制。 一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计 二、二级圆柱齿轮减速器的优化设计 三、2K-H(NGW)型行星齿轮减速器的优化设计
第七节 月生产计划的最优安排
一、常用优化方法程序的使用说明
1. 随机方向法RANDIR.for
2.复合形法(COMPLE· for)
(1)子程序名 (2)程序使用方法示例
二、 常用优化方法程序考核题
1.一维搜索方法程序考核题 2.无约束优化方法程序考核题 3.约束优化方法程序考核题
三、计算机实习建议
第一节 应 用 技 巧
机械优化设计讲义
《机械优化设计》讲义第一讲第一课时：机械优化设计概论课程的研究对象：根据最优化原理和方法，利用计算机为计算工具，寻求最优设计参数的一种现代设计方法。
目标：本课程目标体系可以分为三大块：理论基础、算法的分析、理解和掌握，算法的设计、实现（编程）能力的培养。
将主要是对算法的学习为主，并兼顾培养一定的解决实际问题能力、上机编程调试能力。
首先，几个概念：优化（或最优化原理、方法）、优化设计、机械（工程）优化设计。
现代的优化方法，研究某些数学上定义的问题的，利用计算机为计算工具的最优解。
优化理论本身是一种应用性很强的学科，而工程优化设计（特别是机械优化设计）由于采用计算机作为工具解决工程中的优化问题，可以归入计算机辅助设计(CAD)的研究范畴。
再，优化方法的发展：源头是数学的极值问题，但不是简单的极值问题，计算机算法和运算的引入是关键。
从理论与实践的关系方面，符合实践-理论-实践的过程。
优化原理和方法的理论基础归根结底还是来源于实际生产生活当中，特别是工程、管理领域对最优方案的寻找，一旦发展为一种相对独立系统、成熟的理论基础，反过来可以指导工程、管理领域最优方案的寻找（理论本身也在实践应用中不断进步、完善）。
解决优化设计问题的一般步骤：相关知识：数学方面：微积分、线性代数；计算机方面：编程语言、计算方法；专业领域方面：机械原理、力学等知识内容：数学基础、一维到多维、无约束到有约束1.1数学模型三个基本概念：设计变量、目标函数、约束条件设计变量：相对于设计常量（如材料的机械性能）在设计域中变量是否连续：连续变量、离散变量（齿轮的齿数，）。
设计问题的维数，表征了设计的自由度。
每个设计问题的方案（设计点）为设计空间中的一个对应的点。
设计空间：二维（设计平面）、三维（设计空间）、更高维（超设计空间）。
目标函数：设计变量的函数。
单目标、多目标函数。
等值面的概念：设计目标为常量时形成的曲面（等值线、等值面、超等值面）。
机械优化设计.第三章-精选文档27页
下次课预习内容：
3 优化方法的数学基础
3.2 函数的梯度和二阶导数矩阵 一、方向导数与梯度 二、函数的二阶导数矩阵 3.3 函数的近似表达式（多元函数Taylor展开式） 3.4 无约束目标函数的极值条件
f* fmin0
X (*)
总结:
“正定二元二次型函数的这个概念完全可以
推广到n = 3及多维的设计问题的分析中去”
只不过对于3维问题,在设计空间对应的应是
目标函数的“等值面” “同心椭球面族”；
椭球面的中心正好是极值(小)点
高于3维的问题（n > 3）,在设计空间中将是
“超椭球面”（多维正定二次函数的超等值面）， 无法用三维图形表示，是一个抽象的概念。
f(X ) 1 2 (a 1x 1 2 a 1x 1 2 x 2 a 2x 1 x 2 a 2x 2 2 2 )
b1x1b2x2c
若令：
X
x1
x
2
A
a11 a21
a12
a22
(a12a21)
B
b1
b
2
若令：
X
x1
f(Y)1YTaY bTYc 2
（坐标平移变换）
f (X) XTAX
1、正定二元二次型函数的等值线是同心椭圆族，椭 圆的中心就是以该函数为目标函数的极小点
设: 二元二次型函数
f(x ) a1 2x 2 b1 x x 2 c2 2 x
x1
x2ba
bx1 cx2
换句话说：若沿着 X (1) 、 X(2) 两点连线方 向搜索,就可以找到 f (X ) 的极小点。这一特性 在建立了共轭方向的概念之后就知道,它对产 生某些优化算法有着重大意义。
机械优化设计课后习题答案(可编辑修改word版)
3 1 2 32第一章习题答案1-1某厂每日（8h 制）产量不低于 1800 件。
计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为 25 件／h，正确率为 98％，计时工资为 4 元／h；二级检验员标准为：速度为 15 件／h，正确率为 95％，计时工资 3 元／h。
检验员每错检一件，工厂损失 2 元。
现有可供聘请检验人数为：一级 8 人和二级 10 人。
为使总检验费用最省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？解：（1）确定设计变量；根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ⎡x1⎤=⎡一级检验员⎤；⎢x ⎥⎢⎥（2）建立数学模型的目标函数；取检验费用为目标函数，即：⎣2 ⎦ ⎣二级检验员⎦f(X) = 8*4*x1+ 8*3*x2+ 2（8*25*0.02x1+8*15*0.05x2）=40x1+ 36x2（3）本问题的最优化设计数学模型：min f(X) = 40x1+ 36x2X∈R3·s.t. g1(X) =1800-8*25x1+8*15x2≤0g2(X) =x1-8≤0 g3(X)=x2-10≤0g4(X) = -x1≤0g5(X) = -x2≤01-2已知一拉伸弹簧受拉力F，剪切弹性模量G，材料重度r，许用剪切应力[]，许用最大变形量[] 。
欲选择一组设计变量X = [x1x2x ]T= [d D n]T使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数n ≥ 3 ，簧丝直径d ≥ 0.5 ，弹簧中径10 ≤D2≤ 50 。
试建立该优化问题的数学模型。
注：弹簧的应力与变形计算公式如下8FD 1 D 8F D3=k 2,k=1+,c=2(旋绕比），=n2解：（1）确定设计变量；s d 3s2c d Gd 4⎡x1 ⎤⎡d ⎤根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ⎢x ⎥=⎢D ⎥；⎢ 2 ⎥⎢2 ⎥（2）建立数学模型的目标函数；取弹簧重量为目标函数，即：⎢⎣x3⎥⎦ ⎢⎣n ⎥⎦f(X) = 2rx 2x x1 2 34（3） 本问题的最优化设计数学模型：min f (X ) =2 rx 2 x x4X ∈R 3·1 1 8Fx 3x x 高h s.t. g 1(X ) =0.5-x 1 ≤0 g 2(X ) =10-x 2 ≤0 g 3(X )=x 2-50 ≤0g 4(X ) =3-x 3 ≤0g 5(X ) =(1+x 1 2x 2 ) 8Fx 2 - []≤0 x 3g 6(X ) = 2 3 - []≤0 Gx 41-3 某厂生产一个容积为 8000 cm 3 的平底、无盖的圆柱形容器，要求设计此容器消耗原材料最少，试写出这一优化问题的数学模型。
机械优化设计方法第三版教学设计
机械优化设计方法第三版教学设计课程背景随着工业化进程的发展，机械制造业已成为国民经济中的重要部分。
机械设计是机械制造业的核心，在机械制造业发展中占据着重要地位。
为了更好地适应行业发展需要，提高机械制造业的发展水平，机械优化设计方法第三版教学被开设。
本课程主要讲解机械优化设计方法及其应用，为学生提供基本的理论知识及实际应用技能。
教学目标1.理解机械系统的基本原理和结构组成。
2.掌握机械优化设计方法及其应用。
3.能够应用机械优化设计方法解决机械制造中的实际问题。
4.增强机械制造行业适应和创新能力。
教学内容第一章机械系统概述本章主要介绍机械系统的基本概念、原理和结构组成，为后续章节的学习打下基础。
1.机械系统的定义2.机械系统的基本元素3.机械运动学基础第二章机械优化设计基础本章主要介绍机械优化设计的基本概念和原理，为后续章节的应用提供理论基础。
1.机械优化设计的定义2.机械优化设计的目标和方法3.机械优化设计的基本流程4.机械优化设计的评估指标第三章机械优化设计应用本章主要介绍机械优化设计在实际机械制造中的应用方法，并结合实例进行演示。
1.机械优化设计在机械结构设计中的应用2.机械优化设计在机械传动设计中的应用3.机械优化设计在机械控制系统设计中的应用第四章机械优化设计软件使用本章主要介绍机械优化设计软件的使用方法和注意事项，为学生提供实际操作技能。
1.机械优化设计软件的基本操作2.机械优化设计软件的应用案例教学方法本课程采用讲授、案例分析、讨论、实验的教学方法，灵活运用多种教学手段，注重学生理论知识和操作技能的提高。
1.讲授：通过教师的讲解，向学生传达机械系统的基本原理、机械优化设计基础等知识。
2.案例分析：通过实例分析，让学生了解机械优化设计在实际机械制造中的应用方法和效果。
3.讨论：通过讨论，学生可以分享自己的见解和经验，促进知识的交流和共享。
4.实验：通过实验，让学生学以致用，将理论知识转化为实际操作技能。
机械优化设计方法第三版课程设计 (2)
机械优化设计方法第三版课程设计概述机械设计是机械工程领域十分重要的一项工作。
优化机械设计，不仅能提高机械制造过程和成本效益，更能提高机械产品在实际使用效果上的表现。
机械优化设计方法是目前机械工程领域十分重要的一项技术，本文将介绍机械优化设计方法第三版的课程设计。
本次课程设计主要分为三部分，分别为：机械经典设计案例分析、机械优化设计方法的探究及优化算法的实现。
具体实现方案将在下文中进行详细介绍。
机械经典设计案例分析机械经典设计案例分析是本次课程设计的第一部分内容。
我们将选择三个经典机械设计案例进行分析，并分别进行讨论，剖析其设计思路、分析其成功之处及存在的不足。
从中探究出机械设计中的优化点，并借鉴其优秀之处，为后面的机械优化设计方法探究奠定基础。
经典设计案例分析的三个案例分别为：•呐喊机：一种用于船舶排水的排水泵。
•碟形剪切机：一种用于金属板材剪切的机械设备。
•粉碎机：一种用于压缩空气的压缩机。
以上三个经典机械设计案例都具备一定的代表性和典型性，值得我们进行深入的研究和分析。
机械优化设计方法的探究机械优化设计方法的探究是本次课程设计的第二部分内容。
在第一部分中，我们已经从经典机械设计案例中找到了一些机械设计的优化点。
在这一部分，我们将对这些优化点进行更加系统化的总结和探究，并对机械优化设计方法进行深入探究。
机械优化设计方法主要包括以下几个方面：•设计目标的确定：通过明确设计目标，将优化设计引向正确的方向。
•设计参数的选取：根据设计目标和设计要求，选取合适的设计参数。
•优化算法的选择：选择合适的优化算法进行设计，并优化设计结果。
•优化算法的实现：通过编程实现选中的优化算法，以达到自动优化设计的目的。
优化算法的实现优化算法的实现是本次课程设计的第三部分，也是本次课程设计中最具有实践性的部分。
在第二部分中，我们已经掌握了机械优化设计方法，本部分中我们将应用所学知识，编写代码实现优化算法。
优化算法的实现主要包括以下几个方面：•对优化算法进行深入分析，确保算法得以正确实现。
《机械优化设计》复习题答案精修订
《机械优化设计》复习题答案SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#《机械优化设计》复习题解答一、填空题1、用最速下降法求f(X)=100(x 2- x 12) 2+(1- x 1) 2的最优解时，设X （0）＝[,]T ，第一步迭代的搜索方向为 [-47,-50]T 。
2、机械优化设计采用数学规划法，其核心一是寻找搜索方向，二是计算最优步长。
3、当优化问题是凸规划的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。
4、应用进退法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和终点，它们的函数值形成 高－低－高 趋势。
5、包含n 个设计变量的优化问题，称为 n 维优化问题。
6、函数C X B HX X T T++21的梯度为B 。
7、设G 为n×n 对称正定矩阵，若n 维空间中有两个非零向量d 0，d 1，满足(d 0)T Gd 1=0，则d 0、d 1之间存在共轭关系。
8、 设计变量 、 目标函数 、 约束条件 是优化设计问题数学模型的基本要素。
9、对于无约束二元函数),(21x x f ，若在),(x 20100x x 点处取得极小值，其必要条件是 f (x 10,x 20)=0 ，充分条件是2f (x 10,x 20)=0正定 。
10、 K-T 条件可以叙述为在极值点处目标函数的梯度为起作用的各约束函数梯度的非负线性组合。
11、用黄金分割法求一元函数3610)(2+-=x x x f 的极小点，初始搜索区间]10,10[],[-=b a ，经第一次区间消去后得到的新区间为 [ 10] 。
12、优化设计问题的数学模型的基本要素有设计变量、 目标函数 、 约束条件。
13、牛顿法的搜索方向d k=，其计算量大 ，且要求初始点在极小点 附近 位置。
14、将函数f(X)=x 12+x 22-x 1x 2-10x 1-4x 2+60表示成C X B HX X T T++21的形式 12[x 1x 2][2−1−12][x 1x 2]+[−10−4][x 1x 2]+60 。
机械优化设计(第3、4次课)
局限性：工程优化问题的目标函数和约束条件往往比较复杂，有时 甚至还无法用数学方程描述，在这种情况下应用数学分析方法就会 带来麻烦。
数值迭代法的基本思路：是进行反复的数值计算，寻求目标函数值 不断下降的可行计算点，直到最后获得足够精度的最优点。这种方 法的求优过程大致可归纳为以下步骤：
4
13:26
第三章 一维搜索方法
•
13:26
第三章 一维搜索方法
3.1 概述 3.1.2 一维问题是多维问题的基础
求目标函数 f (X)的极小点，从理论上说需要求解方程： f (X ) 0
其中，
X
(
x 1
,
x2
,
, xn)T 。那么如何来求 f (X)的极小点呢？
基本思想:
X0, X1, , Xk , Xk1
f (X0 ) f (X1) , , f (Xk ) f (Xk1)
•
5、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Thursday, June 17, 2021June 21Thursday, June 17, 20216/17/2021
《机械优化设计》课件
成本最低、 利润最大、 效率最高、 能耗最低、 综合性能最好
f(x*)
0
x*
x
在规定的范围内（或条件下），
寻找给定函数取得的最大值（或最
小值）的条件。
………
绪论
1.2 优化设计 优化设计是使某项设计在规定的各种设计限制条件下，
优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。
1.3 传统设计与优化设计 传统设计：求得 可行解，人工计算。 优化设计：解得 最优解，计算机计算。
优化问题的数学模型是实际优化问题的数学抽象。在
明确设计变量、约束条件和目标函数之后，优化设计问
题可以表示成一般的数学形式。
求设计变量向量
使
且满足约束条件
或可写成miຫໍສະໝຸດ f ( X ) f (x1, x2, , xn )
s.t.
gu ( X ) gu (x1, x2, , xn ) 0 (u 1, 2, m) hk ( X ) hk (x1, x2, , xn ) 0 (u 1, 2, k)
361240181
第二章 优化设计的数学基础
等值线的分布规律： 等值线越内层其函数值越小（对于求目标函数的极小化来说） 沿等值线密的方向，函数值变化快；沿等值线疏的方向，函数值变
没有“心”：例，线性函数的等值线是平行的，无“心”，认为 极值点在无穷远处。
多个“心”：不是单峰函数，每个极（小）值点只是局部极 （小）值点，必须通过比较各个极值点和“鞍点”（须正确判别） 的值，才能确定极（小）值点。
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优化设计概述
一 优化设计内涵 二 优化设计基本过程——人字架的 优化设计 三 优化设计问题的描述——数学模型
03机械优化设计第三章(哈工大—孙靖民)
单谷区间
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说明：单谷区间内，函数可以有不可微点，也 可以是不连续函数；
f (x)
0 α1
f (x)
α
α3
0
α1
α3
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外推方法
基本思想：对 f (x)任选一个初始点 a1 及初始步长 h ，
通过比较这两点函数值的大小，确定第三点位置，比较这 三点的函数值大小，确定是否为“高—低—高”形态。
数值解法的基本思路是：首先确定 所在的搜索区间， 然后根据区间消去法原理不断缩小此区间，从而获得 的数值近似解。
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一维搜索是优化搜索方法的基础。
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一维搜索方法解析法高等数学已学过， 即利用一维函数的极值条件：
步骤：
1）选定初始点a1，初始步长h=h0，计算y1=f(a1)和y2=f(a1+h) 2）比较y1和y2； a）如果y1>y2，向右前进，加大步长h=2h0，转（3）向前； b）如果y1<y2，向左后退， h=-2h0，将a1和a2,y1和y2的值互 换。转（3）向后探测； c）如果y1=y2，极小点在a1和a1+h之间。 3）产生新的探测点a3=a2+h，y3=f(a3)；
是仅以步长因子为变量的一元函数，而不是
以设计点 x 为变量的多元函数 f (x) 。
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为了直接利用
的函数式求解最佳步长因子 。可把
或它的简写形式 到二阶项，即
机械优化设计(张翔,陈建能编著)PPT模板
2.6优化设 计的约束极
值条件
2.4函数的 凸性
2.5目标函 数的无约束
极值条件
2.1本章导 读
2.2向量、 矩阵的若干
概念
2.3目标函 数的性态分
析基础
第2章优化设计的 理论基础
2.7优化设计的数值解法及终止 准则 2.8习题
第3章一维优化 方法
第3章一维优化方 法
3.1引言 3.2确定搜索区间的进退法 3.3黄金分割法 3.4二次插值法 3.5习题
第9章优化设计实例
9.1复演预期函数机构的
1
设计
9.2圆柱齿轮减速器的优
化设计
2
9.3圆柱螺旋压缩弹簧的
3
优化设计
9.4椭圆齿轮-曲柄摇杆-
轮系引纬机构的设计
4
9.5手脚联控机构的多目
5
标优化设计
9.6应用的扩展——两个
非工程设计的应用实例
6
第9章优化设计实 例
9.7习题
参考文献
参考文献
附录混合罚函数优化 程 序 与 M AT L A B 使 用 示例
附录混合罚函数优化程序 与 M AT L A B 使 用 示 例
F1混合罚函数调用Powell法求 优参考程序
F 2 M AT L A B 优 化 工 具 使 用 示 例
2020
感谢聆听
换
05
7.5优化计 算结果的分
析
03
7.3建模中 数表和图线
的程序化
06
7.6习题
第8章现代优化计算 方法与优化工具软件 应用概述
第8章现代优化计算方法与优化 工具软件应用概述
8.1现代优化计算方法 8 . 2 M AT L A B 优 化 工 具 应 用 概 述 8.3习题
机械优化设计chapter3
称：
f x x1 x 2 x 2
k
2 f xk x1x 2
x1 ... 2 k f x x 2 2 x 2
H xk
2 f xk 2 x 1 2 f xk x1x 2
f X 0
的模为： f X
0
0 2 2
2 2
f X 0 1 0 0 梯度的单位向量： P 0 2 2 1 f X
三、函数的Taylor展开与Hession矩阵 ( Taylor
formula (series) and Hession matrix)
例3-1
求函数
f ( X ) ( x1 x2 x3 ) 2 ( x1 x2 x3 ) 2 ( x1 x2 x3 ) 2
在点
X x1 x2 x3
T
处的梯度。
X 0 0 0 0
T
解：显然从给定的函数可以看出，在点处
，函数取得极小值，在该点函数的梯度为
再写出Hesson矩阵：
H
K
f x 2 x1
2
k
2 f x k x2 x1
2
f x x1x2
2
k
2 f x k 2 x2 4
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2020年机械优化设计第3章精编版教案首页课程名称机械设计学任课教师李玉柱第三章机械产品的功能原理设计计划学时 3教学目的和要求：1.使学生了解机械产品的功能原理设计工作特点和工作内容；2.弄清楚功能原理的基本类型；3.基本掌握各种类型功能原理的求解思路；4.了解创造性思维活动的四大特性，初步具备一定的创造能力。
重点：功能原理的基本类型和各种类型功能原理的求解思路，尤其是工艺功能的求解思路。
难点：工艺功能的求解思路。
思考题：1.产品更新换代的三个途径是什么？举例说明。
2.各种类型功能原理的求解思路是什么？3.根据不同类型的功能原理的求解思路，分别举出2-3个例子。
4.创造性思维活动的特性有哪些？请试提出一些有创意的产品。
第三章机械产品的功能原理设计【教材自然节在课时中的分配】：第一、二节和第三、第四节的一部分作为1课时；第三、四节的一部分和第五节作为1课时；第六、七、八节作为1课时。
首先复习几个概念：1、设计的目的满足人类不断增长的物质、文化需求。
2、我们的责任能提出创新构思，并能尽快地将其转化为有竞争力的产品。
3、影响产品竞争力的三个关键设计环节：功能原理设计、实用化设计、商品化设计功能原理设计就是针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。
功能原理新颖性实用化设计的核心是使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品“好用”。
技术性能先进性商品化设计是产品进入市场前的精心打扮。
就是要使产品入眼、“迷人”。
从本章开始，我们的教学活动就围绕着“怎样才能设计出具有市场竞争力的产品”这一中心议题展开。
今天，我们讲第一个关键设计环节：机械产品的功能原理设计第一节基本概念1、功能指某一机器所具有的转化能量、运动或其它物理量的特征。
(见教材第30页)它与人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。
以电动机为例：（P30）功能是产品的核心和本质。
“顾客购买的不是产品本身，而是产品的所具有的功能”，人们使用的也正是产品的功能。
至于所购买的产品采用何种原理、结构来实现所要求的功能并不重要，它只不过是形式而已。
2、功能原理设计机械产品设计的最初阶段，就是要针对产品所应具有的功能进行原理性的设计构思，提出设计方案。
这种针对功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。
例如：要设计一台点钞机，先要构思将钞票逐张分离的工作原理。
书上第26页给出了“将钞票逐张分离”的功能原理设计的构思示意图。
图1、推刮图2、摩擦图3、离心力图4、重力图5、粘力图6、气吹图7、气吸图8、静电显然，进行原理性的设计构思时首先要考虑应用某种“物理效应”（如图中的摩擦、离心力、气吹、气吸、静电等），然后利用某种“作用原理”（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等），最后达到实现“功能目标”的结果。
“功能原理设计”的重点是提出创新构思。
（在此阶段思维的特点：发散）在黑板上写：功能原理设计：提出创新构思思维特点：发散在这个阶段“思维应尽量发散”，力求提出较多的解决问题的方案，供比较优选。
对构件的具体结构、材料、和制造工艺等则不一定要有成熟的考虑，因此常只需要用简图或示意图来表示所构思的内容。
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，因为脱离市场需求的盲目创新是没有意义的。
例如：一次成像照相机---自动照相机-----数码照相机又如：发网-----发胶3、机器更新换代的三个途径一是改进工作原理如原来的机械表，利用的是内部的游丝摆动；而后则利用石英振荡器控制电磁摆，制成机电结合的石英电子表；而现在人们更多使用的是液晶显示的纯电子表。
这每一次改进都是工作原理的改进。
而每一次改进都使得钟表的性能向前迈进了一大步。
可以这样说：机械表无论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能与石英电子表和使用液晶显示的纯电子表相媲美。
这是工作原理改革最典型的成功例子。
二是通过改进工艺、结构、材料，提高技术性能如1984年23届洛杉矶奥运会上自行车比赛的冠军得主使用的自行车，比一般的自行车窄1/3；后轮采用全封闭，使得自行车的运动阻力大大减小；材料选用航天飞机上使用的材料（碳纤维和钛合金），比一般赛车轻，使其在比赛中出尽了风头。
三是增加辅助功能使其更适应消费者的心理如洗衣机的基本功能是去污，加上辅助功能甩干、再加上控制系统成为自动洗衣机；手表的基本功能是计时，加上辅助功能，防水、防震、防磁、夜光、定时、报时等赢得更多的消费者。
这三个途径，对于产品的市场竞争力的影响几乎有同等重要的意义。
但第一种途径（即改进工作原理）在实现时的困难要比后两种大得多。
但如同开发性设计一样，他极具挑战性，总是充满着创造活力和无限的商机，如晶体管取代电子管，中小规模集成电路取代晶体管，大、超大规模的集成电路取代中小规模集成电路，这每一步前进都使得计算机的体积大大缩小，成本大大降低，直至现在计算机已成为不少家庭和个人的必备工具，他带来的效益是不可估量的。
所以我们应注重工作原理的改革，要有搞出具有自主知识产权，具有核心竞争力的产品的雄心壮志。
一般地讲，我们刚参加工作，到了企业，可能做的更多的设计工作是后两种，我们不妨多在提高产品的性能，增加功能、降低成本、使用方便上下功夫，逐步提高我们的设计能力。
第二节功能原理设计的工作特点和工作内容一、工作特点1、用一种新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化。
2、引入某种新技术（新材料、新工艺........）,首先要有新想法、新构思。
3、使机器品质发生质的变化。
二、任务和主要工作内容任务：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”。
例如：开发玉米联合收获机工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。
方法步骤：1、明确功能目标2、进行创新构思3、提出解法原理4、进行模拟实验、技术分析、验证原理的可行性5、修改、完善、提高6、选择较优方案以微型小麦联合收割机为例第三节功能原理的发展历史及其基本类型【本节课讲述完功能原理的分类后，直接讲述第四节的内容，这样衔接连贯，条理性突出，将工艺功能原理部分（下划线部分）放到第五节一起将，以增强内容的完整性】功能原理设计的两个特点：1、无任何定法可循2、是多解问题功能原理的基本类型机械产品的功能原理五花八门，但归根结底分两大类：动作功能——以实现动作为目的的功能工艺功能——以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能又分简单动作功能——完成一次性的简单动作复杂动作功能——能实现连续传动的复杂动作若动作功能和工艺功能是靠纯机械或主要靠机械完成的功能，称之为纯机械的功能原理。
若动作功能和工艺功能是综合运用了机、电、光、磁、热、化……等各种“广义物理效应”来实现的，则称之为“综合技术功能”。
关键技术功能——某个企业或部门独有的技术，还暂时不被其他人掌握，对企业来讲是具有自主创新、拥有核心竞争力的技术，在竞争中有其特殊地位，所以称之为关键技术功能。
如现在的秸秆、牧草打捆机械中的“打结器”，就属于关键技术功能，计算机中的CPU芯片就是关键技术功能。
我国现在生产的打捆机中的“打结器”多数还是采用国外进口的。
简单动作功能动作类关键技术功能复杂动作功能功能类型综合技术功能（广义物理效应）工艺类工艺功能（纯机械）第四节两种动作功能及其相对应的求解思路1）简单动作功能的求解思路——几何形体组合法简单动作功能是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，可以实现相互运动或锁合的动作。
钢笔的笔帽和笔杆的锁合现场演示圆珠笔的双动按钮带实物演示锁的打开、锁合……开关的通断用教室的开关演示这些均是典型的简单动作功能简单动作功能要求方便快捷、安全可靠，像按钮、开关、拉链、笔帽，各种阀门的通断，水龙头、门的插销、门舌式开关、各种膨胀式螺栓等都是我们日常生活中随处可见的简单动作功能的例子。
2）复杂动作功能的求解思路——基本机构组合法复杂动作功能是连续传动，可以利用已有的基本机构来实现。
已有很成熟的理论和经验，比起“简单动作功能”的设计来要容易一些。
基本机构在机械原理课程中已介绍得很多了。
在现有的各种机器中，绝大多数的传动结构和执行机构都属于这一类。
已有的基本机构包括：齿轮、凸轮、连杆、螺旋、槽轮、棘轮、链轮等。
这些基本机构能实现各种运动要求，如连续运动和间歇、运动位置和轨迹、平面运动和空间运动、位移、速度和加速度等，而将这些基本机构组合起来成为组合机构，就会更加扩大其传动和运动的性能。
以上两种动作功能都属于纯机械的功能，均是“以形体来实现功能”。
第五节工艺功能及其对应的求解思路——物—场分析法【此处注意与上节课的衔接，不要有疏漏；从第三节的功能原理分类部分引入，详细讲解工艺功能的概念及原理】所谓工艺功能就是以完成对对象的加工为目的的功能。
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，用这个工作头去完成对工．．．．．．．．．．．．．．．．．．作对象的加工处理。
．．．．．．．．．犁地要用犁对土壤进行加工，属于典型的工艺功能。
犁头的工作面是一种复杂的空间曲面（形状），它能把土壤切开、抬起、翻过来扣在犁沟边上（动作），并且有碎土的作用。
工艺方法不同，机器的结构和形式及其工作头的形状就会发生很大变化。
举例：钢板的切割1.手工钢锯切割工作头：锯条场：力场切削力2.裁板机切割工作头：裁板刃口场：力场剪切力3.电弧焊切割工作头：焊条场：电场电弧放电4.数控火焰切割机，气割切割工作头：割炬场：温度场、速度场5.数控等离子切割机工作头：高温空气等离子束场：电场、等离子场6.数控激光切割机工作头：高能激光头场：温度场高能激光7.数控电火花线切割机工作头：工具电极场：电场等离子场(电火花+电介液)8.数控水刀切割机工作头：宝石喷嘴场：力场、速度场所谓“超高压数控万能水切割机”，又称“水刀”，是世界上最新的冷切割工艺装置，又称“冷态切割”新技术。
它是九十年代初期才发展起来的高新技术.“超高压数控万能水切割机”是以水为介质，利用高压水射流技术使水在这瞬间成为无坚不摧的利刃，切割温度在60度以下。
“水刀切割”切缝小、切割精度高、光洁度高、自动切割、节能、环保、不产生热变形和热影响，不改变被切割物质的物理和化学性能，特别对于新型的复合材料、易燃易爆物质及环境，更为稳定、安全、可靠。
所以“水刀”所能切割的材料种类广泛，如：布、纸、皮革、各种纤维、塑料、有色金属、黑色金属、复合材料、石材、陶瓷、玻璃、木材、各种建材、炸药、核原料等应用领域十分广泛。
综上所述，我们可以看出：工作头和作用场是它完成工艺功能的两个主要因素。