机械设计学第三章机械产品的功能原理设计

第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 一、工艺功能的特点
犁的工作曲面 1－犁尖 2－犁镜 3－曲面
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 一、工艺功能的特点
绞 肉 机
注意:工艺功能是广义上的,不一定是纯 水
机械的,如水刀、激光刀
刀
切
割
工
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
讨论:如何用S－Field模式来求解工艺功能的功能原理问题。 1、F、S1搜索
如需要完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理呢？ 在这个问题里，S2——草，寻求合适的F和S1。
可能被利用的F：
硬币计数包卷机的7个功能单元，见下页 。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
四、功能、功能单元和功能结构 例： 硬币计数包卷机的7个功能单元，见下页
。 形式不同的硬币点钞机
硬币计数包装机的外形及硬币总功 能的黑箱描述
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述 四、功能、功能单元和功能结构
（1）拉力——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；
（2）割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才 能割断；
（3）剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
引导---阻碍 转换---回复 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
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
四、功能、功能单元和功能结构
3、功能单元
把机器中的总功能只分解到“功能单元”，这样的功能单元 是既有一定的独特性，又有一定复杂程度的技术单元。功能单 元的概念与零件、部件、或机构的概念是有区别的，前者特别 适宜于在功能原理设计时进行原理性解法的构思。 例：
b、复杂动作功能：能实现连续的传动的动作功能 （。2）工艺功能：以完成对对象物的加工为目的的功能。
（3）综合技术功能：综合应用机、光、电、磁、热、化 等各种“广义物理效应”更好地去实现各种动作功能和工 艺功能的功能。 （4）关键技术（Know how）功能：以关键技术实现动 作功能或工艺功能而使产品在某方面占有特殊优势的功能 。
讨论:如何用S－Field模式来求解工艺功能的功能原理问题。
4、变换 对已有的工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可发现 它们并不是不可替换的，有时通过变换会产生意想不到的效果 。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
在任何一个最小技术系统中，至少 有一个主体（S1），一个客体（S2） 和一个场（F）。这三者缺一即不可能 发生技术作用。S1（主体）即对客体 发生作用的物体，也就是所说的工作头 ；S2（客体）即被加工的物体，也就 是工艺动作的对象。F（场）即指S1向 S2作用时发生的一切作用场。
第三章 机械产品的功能原理设计
都有输入和输出。把技术系统看成一个输入输出信息流S（Signal）、能 量流E（Energy）和物料流M（Materiel）的黑箱
黑箱：系统内部结构完全未知的技术系统 。
白箱：系统内部结构完全已知的技术系统 。
灰箱：系统内部结构部分未知的技术系统 。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述 四、功能、功能单元和功能结构
讨论:如何用S－Field模式来求解工艺功能的功能原理问题。 3、增加 一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应 辅以S1’和F’，才能更好地完成希望实现的功能。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进和革新，因为工 作头的变革可能性是很大的。工艺功能的解法往往在工艺上发生 了巧妙的革新，而在技术上不一定有很困难的问题。
这一类功能的特点是要设计工艺，由于完成原理的工艺是 可以变化的。因此这类功能原理可以有更多的灵活性。往往通 过改善工艺而设计出更新颖、更有效的原理解法。
1、功能：功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，是 指某一机器（或装置）所具有转化能量、运动或其它物理量的特性。
功用：作原动机 用途：驱动电扇、机床 电动机 性能：效率、耐用性、振动 能力：功率、转速
功能： 将电能转变为旋转运动的动能。 系统工程学用“黑箱”（Black Box）来描述功能：任何一个技术系统
讨论:如何用S－Field模式来求解工艺功能的功能原理问题。 2、完善 原设计中有时会出现缺少F或S1的情况，并因此而造成功能
不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使S－Field模式完 善化。
２ 完善
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§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
简单动作求解思路:几何形体组合法
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能
2、几何形体组合法——简单动作功能的求解思路之一
在构思简单动作功能时，针对功能目标，对几个构件上 的几何形体进行构思。由于在构件上设置几何形体的可能性 非常多，为实现这类功能创造了宽广的途径，总有几种形体 可以实现所要求的功能目标。
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 二、复杂动作功能
实例
机构创新实验
多机构组合螺旋加工机床
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路
无论简单还是复杂动作功能，都是纯机械的功能，它们 的基本特点是“以形体来实现功能”。这个特征使机械实现 动作功能的方式变化无穷。机械动作原理实现得好与不好， 全在于形体设计的变化。
信资多 息料向 收研联 集究想
弱问 点题 发剖 现析
建评 立价 准比 则较
明确功能目标 酝酿解法原理 改进、完善解法原理
选出满意解
用功目 户能标 调澄建 查清立
创思模 新维型 构实试 思验验
改完 错善 修提 正高
权去 衡劣 利存 弊优
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述 四、功能、功能单元和功能结构
2、功能元素 从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，那 么一个系统的总功能也应该可以分解为一些分功能。 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”可以构成任何技 术系统的复杂的总功能。典型的基本动作共有12对。
放出---吸收 传导---绝缘 集合---扩散
进行形体设计的思维方法主要要用形象思维、视觉思维 和动作思维的思维方式，也就是说不能全靠抽象思维来进 行形体的构思。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
一、工艺功能的特点
工艺类机器的执行机构的动作和工作头的形状往往以被加 工工作物质的工艺过程密切相关，工作头对物体的作用形式（ 作用场）有纯机械的作用，也有不是纯机械的作用。因此，工 作头的形状、运动方式和作用场构成完成工艺功能的三要素。
机械设计学第三章机械产品 的功能原理设计
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
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§3-1概述
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
二、功能原理设计的工作特点 1、新的物理效应代替旧的物理效应；例如，手表的发展
2、引入某种新技术（新材料、新工艺……）。 关键是新想法（New Idea）。如超导技术－磁悬浮列车
二、产品中的关键技术 （3个方面）
1、材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特 殊轻质材料（例如复合材料）、特殊的物理性能要求等；
简单动作功能并没有过时，而仍以其简单可靠的特点， 在各个领域可靠地为人类服务。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 二、复杂动作功能
1、复杂动作功能的特点：以采用常用基本机构为主，演 变和组合成各种形式的机构，从而实现各种复杂的运动规律 或运动轨迹。
2、基本机构组合法——复杂动作功能的法之一
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 二、复杂动作功能
六种基本机构:
1 连杆机构 2 齿轮机构 3 挠性机构 4 凸轮机构 5 螺旋机构 6 间歇机构
硬币机卷边功能的执行结构
复杂动作功能设计求解思路: 基本机构组合法
第三章 机械产品的功能原理设计
3、使机器品质发生质的变化； 三、功能原理设计的任务和主要工作内容
1、任务：寻找一种物理效应和相应的作用原理以实现所追 求的功能目标。
2、主要工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。 包括明确功能目标、创新构思、模型试验、修改完善构 思、评价选优等工作内容。
功能原理设计的工作步骤和工作内容
市需任 场求务 调发确 查现定
第三章
4、功能结构和功能分析
机械产品的功能原理设计
§3-1概述
硬币计数包卷机的功能结构图
第三章
4、功能结构和功能分析
机械产品的功能原理设计
§3-1概述
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
五、功能原理的基本类型与解法特点
1、基本类型： 动作功能和工艺功能。
（1）a动、作简功单能动：作以功实能现：动仅作完为成目简的单的的功一能次。性动作的功 能。
（2）解的非唯一性。功能原理解是多解的问题，即解不是唯 一的，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能
1、简单动作功能的特点：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 以实现互相运动或锁合的动作。常用2～3个构件组成。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述 五、功能原理的基本类型与解法特点
各种功能类型的关系
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
五、功能原理的基本类型与解法特点
2、功能原理解法的特点 （1）有法而无定法。分析和综合是两种不同的科学方法，
分析可以按某些既定的方法按步进行，而综合则是 “有法而无定法”，即不可能只要按某种“方法”去做 就一 定能得到某种好的解法。
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能
人类近代十大发明之一:拉链---典型简单动作
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能
电视机盒盖、圆珠笔、魔方
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-2两种动作功能及其对应的求解思路 一、简单动作功能
1－硬币堆放，输送功能单元 2－硬币排列，分选，挑残功能单元 3－硬币分选，计数功能单元 4－硬币堆码、整理功能单元 5－送纸，撕纸功能单元 6－硬币包卷功能单元 7－卷边功能单元
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-1概述
4、功能结构和功能分析 一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能。
功能分析过程是设计人员初步酝酿功能原理设计总体方案 的过程，这个过程往往不是一次完成，而是随设计工作的逐 步深入而不断修改、不断完善的。
割草机
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
割草机
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第三章 机械产品的功能原理设计
§3-4 关键技术功能及其对应的求解思路 一、关键技术功能的特点
由于特殊的工作条件（约束）或使用要求，出现了用常规 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，解决此关键技术往往是出奇制胜。
§3-3工艺功能及其对应的求解思路 一、工艺功能的特点
工艺功能相对于动作功能，更容易改进
第三章 机械产品的功能原理设计
§3-3工艺功能及其对应的求解思路
二、S－Field（Substance-Field）法(物——场分析法)
这种方法是前苏联的科学家提出的，最适合求解工艺功能。
这个方法的基础是对“最小技术系 统”的理解和分析。