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1、第三章第三章 机械产品的功能原理设计机械产品的功能原理设计 2021/9/231功能原理设计的概念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出一些原理性的构思。这种针对主要功能的要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的原理性设计，可以简称为原理性设计，可以简称为“功能原理设计功能原理设计”。包括两个方面：包括两个方面：功能分析功能分析由总功能分解为分功能，最后做出功由总功能分解为分功能，最后做出功能结构图的过程。能结构图的过程。工作原理设计工作原理设计确定实现功能的工作原理确定实现功能的工作原理 工作原理的概念：物
2、理效应（如图工作原理的概念：物理效应（如图3-1中的摩擦、离中的摩擦、离心力、气吹等）心力、气吹等）+作用原理（即作用件，如图作用原理（即作用件，如图3-1中的中的摩擦轮、转动架、气嘴等）摩擦轮、转动架、气嘴等）2021/9/232 设计一台点钞设计一台点钞机，首先构思将机，首先构思将钞票逐张分离的钞票逐张分离的工作原理。工作原理。2021/9/233功能原理设计的重点功能原理设计的重点 提出创新构思，使思维尽量提出创新构思，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。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对构件的具体结构、材料和制造工
3、艺等则不一定要有成熟的考虑，因此只需用简图或示意图来表示所构思的内容。虑，因此只需用简图或示意图来表示所构思的内容。功能原理设计的重要性功能原理设计的重要性 是对产品的成败起决定性作用的工作是对产品的成败起决定性作用的工作 原理方案的拟定和构思从原理方案的拟定和构思从质的方面决定质的方面决定了设计的水平了设计的水平 是产品设计和实现创新的关键阶段是产品设计和实现创新的关键阶段 火车演变的例子火车演变的例子 一个好的功能原理设计应该既有创新构思，又应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力。因为脱离市场需求的盲目创同时考虑其市场竞争力。因为脱离市场需求的盲目创新是没有意义的
4、。新是没有意义的。一次成像照相机的例子一次成像照相机的例子 2021/9/234任何一种机器的更新任何一种机器的更新换换代都存在三个途径代都存在三个途径: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、仪仪表的精度得到很大的提高。表的精度得到很大的提高。通通过过改改进进工工艺艺、结结构和材料提高技构和材料提高技术术性能性能 例如螺例如螺纹纹的加工工的加工工艺艺 加加强强辅辅助功能使其更适助功能使其更适应应使用者的心理使用者的心理 新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产生。生。例如液晶材料
5、的实用化，例如液晶材料的实用化，促使钟表的工作促使钟表的工作原理发生了本质的变化。原理发生了本质的变化。2021/9/2352021/9/236第一第一节节 功能原理功能原理设计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应来代替旧的物理效来代替旧的物理效应应，使机器的工作原理，使机器的工作原理发发生根本的生根本的变变化的化的设计设计。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新新想想法法(New(New Idea)I
6、dea)、新构思。、新构思。2021/9/2373)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。当当然然，在在实实践践中中，每每一一个个功功能能原原理理设设计计不不一一定定都都能能体体现现上上述述三三个个特特点点，而而能能体体现现这这三三个个特特点的，点的，则应该则应该是高品位的功能原理是高品位的功能原理设计设计。2021/9/238二、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作内容 任务：
7、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实现该功能目标的些实现该功能目标的“解法原理解法原理”。举例：举例：喷墨打印技术喷墨打印技术 2021/9/2392021/9/2310主要工作内容：主要工作内容：明明确确功功能能目目标标，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法原理。解法原理。举例举例 柔性制造系统中运输小车的改进设计柔性制造系统中运输小车的改进设计分析：以前的运输系统是采用地面下埋设电缆用电磁分析：以前的运输系统是采用地面下埋设电缆用电磁感应的方式来进行导向的，该
8、种方式的缺点是：铺设感应的方式来进行导向的，该种方式的缺点是：铺设电缆的费用昂贵且不易调整运输路线。电缆的费用昂贵且不易调整运输路线。2021/9/2311举例：柔性制造系统中运输小车的改进设计举例：柔性制造系统中运输小车的改进设计通过调查分析，明确了以下几点功能目标：通过调查分析，明确了以下几点功能目标：1)1)装设导向系统的费用应较小。装设导向系统的费用应较小。2)2)允许扩充和调整设备，变动运输路线。允许扩充和调整设备，变动运输路线。3)3)在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。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。在工件转接站上小车能准确定位。针对上述功能目标
9、，提出下面一些原理性的设想作为新的解针对上述功能目标，提出下面一些原理性的设想作为新的解法原理：法原理：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。迹并作轨迹误差的修正。2)应用传感器引导绕过障碍物。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。在工件转接站上用超声波定向，使小车实现准确定位。为实现上述原理性设想，必须设计新的小车以实现灵活运动为实现上述原理性设想，必须设计新的小车以实现灵活运动和准确定位的可能性。和准确定位的可能性。2021/9/23122021/9/2313
10、FZ23型：型：中枢用两个驱中枢用两个驱动轮驱动，可实动轮驱动，可实现进退和转弯。现进退和转弯。车架可绕中枢车架可绕中枢回转，以保证与回转，以保证与转接站对接时的转接站对接时的方位调整。方位调整。2021/9/2314一、功能的含义一、功能的含义 功能是对于某一产品特定工作能力的抽象化描述。功能是对于某一产品特定工作能力的抽象化描述。第二第二节节 功能、功能功能、功能单单元和功能元和功能结结构构（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来）2021/9/2315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能
11、量量、运动或其它物理量的特性。、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”（Black Box）来描述功能。）来描述功能。系统工程学对功能的定义：系统工程学对功能的定义：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，其其输输入入量和输出量之间的相互转换的关系。量和输出量之间的相互转换的关系。2021/9/2316 用用来来整整理理、清清点点、计计数数，最最后后按按50枚枚一一卷卷将将硬硬币币用用纸纸包包卷卷起起来来；也也可可以以在
12、在计计数数后后装袋而不包卷。装袋而不包卷。硬币计数包卷机硬币计数包卷机2021/9/23172021/9/2318“黑黑箱箱”只只是是描描述述了了从从技技术术系系统统外外部部观观察察到到的的“功功能能特特点点”，而而黑黑箱箱的的内内部部结结构构是是未未知知的的，是是需需设计者进行具体构思和设计的。设计者进行具体构思和设计的。系系统统工工程程学学中中的的“白白箱箱”和和“灰灰箱箱”，则则指指内内部结构完全已知或部分已知的技术系统。部结构完全已知或部分已知的技术系统。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”，这个技术系统就设计出来了。这个技术系统就设计出来了。2021/
13、9/2319 技术系统的功能（任务）就是将输入量转换为技术系统的功能（任务）就是将输入量转换为输出量。所以技术系统也可看作是一个转换装置。输出量。所以技术系统也可看作是一个转换装置。2021/9/2320（1）物料）物料用双线箭头表示用双线箭头表示可以是可以是固体固体、液体液体、气体气体、混合物混合物 金属机床金属机床水泵水泵天然气管道天然气管道汽车汽车2021/9/2321 包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等能、生物能等 机械能的描述：力和运动机械能的描述：力和运动平移：力、线速度平移：力、线速度旋转：转矩、角速度旋转：转矩、角速度振
14、动：振幅、频率振动：振幅、频率（2）能量）能量 用实线箭头表示用实线箭头表示2021/9/2322 输入信号输入信号 一般为控制信号一般为控制信号 开关控制、大小开关控制、大小/速度速度/流量流量/强度控制强度控制 输出信号输出信号 一般为状态信号，可以是测量值、指示值一般为状态信号，可以是测量值、指示值 温度、压力、粗糙度、位置、报警信号温度、压力、粗糙度、位置、报警信号（3）信号）信号 用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号 2021/9/2323（4）伴生输入和伴生输出）伴生输入和伴生输出 伴生输入：外界环境对技术系统的影响和作用，伴生输入：外界
15、环境对技术系统的影响和作用，用实线箭头画在下方。用实线箭头画在下方。伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用，伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用，用实线箭头画在上方。用实线箭头画在上方。2021/9/2324举例举例 水泵水泵 说说 明：明：输出的能量为输出的能量为“压力水压力水”中蕴含的机械能中蕴含的机械能 没有明显的没有明显的输出信号，可以不画出。输出信号，可以不画出。没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。2021/9/2325举例举例 冲床冲床2021/9/2326 产产品品设设计计中中，输输入入量量和和输输出出量量被被称称为为“流流”
16、主要传递信号流的技术系统主要传递信号流的技术系统仪器仪器 主主要要传传递递能能量量流流与与物物料料流流的的技技术术系系统统机器机器 (1)以以转转换换能能量量为为主主：电电动动机机、发发电电机机、汽汽轮机、锅炉轮机、锅炉(2)以转换物料为主：以转换物料为主：机床、管道输送系统机床、管道输送系统 2021/9/2327 在功能原理设计中，用黑箱描述产品在功能原理设计中，用黑箱描述产品的功能。的功能。黑箱是系统工程用于分析和描述系统黑箱是系统工程用于分析和描述系统的一种方法。的一种方法。黑黑箱箱2021/9/23282021/9/2329 二、功能元素和功能单元二、功能元素和功能单元 从系统论的观
17、点看，一个系统可以分解从系统论的观点看，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该可以分解为一些“子功能子功能”或者或者“分功能分功能”。2021/9/2330 功能的层次性：功能树，用于表示总功能的分解情况功能的层次性：功能树，用于表示总功能的分解情况 前级（上级）功能是后级（下级）功能的目的功能前级（上级）功能是后级（下级）功能的目的功能 后级（下级）功能是前级（上级）功能的手段功能后级（下级）功能是前级（上级）功能的手段功能2021/9/2331 通过总功能分解可以分析得到和确定所要设计通过总功能分解可以分析得到和确定所
18、要设计的产品的具体功能，也就是将抽象的总功能具体化的产品的具体功能，也就是将抽象的总功能具体化为各个分功能，从而便于总功能的实现。为各个分功能，从而便于总功能的实现。因此总功能分解是设计过程由抽因此总功能分解是设计过程由抽象到具体的一种体现。象到具体的一种体现。2021/9/2332假设总功能要求假设总功能要求FR 方便的交通工具方便的交通工具 对于折叠自行车对于折叠自行车，可以确定如下的下层，可以确定如下的下层功能要求功能要求FRs：FR1=骑乘、骑乘、FR2=折叠、折叠、FR3=座位调座位调整、整、FR4=携带额外物品、携带额外物品、FR5=安全性安全性 功能分解方案不是唯一的功能分解方案
19、不是唯一的 不同的功能分解方式导致不同的设计结果不同的功能分解方式导致不同的设计结果 如果选择其它的方式实现如果选择其它的方式实现“方便的交通工方便的交通工具具”，如对于微型汽车，则所分解得到的，如对于微型汽车，则所分解得到的FRs 可能完全不一样。可能完全不一样。例2021/9/2333 功能分解到什么情况下结束？功能分解到什么情况下结束？1.分解到分解到“功能元素功能元素”层次层次2.分解到分解到“功能单元功能单元”层次层次2021/9/2334 功能元素（功能元）功能元素（功能元）功能基本单位功能基本单位 可以将功能元理解为电子元件，电子元件联可以将功能元理解为电子元件，电子元件联接成各
20、种复杂的电路，功能元组合而成各种复杂接成各种复杂的电路，功能元组合而成各种复杂的技术系统（即产品）。的技术系统（即产品）。功功能能分分解解到到“功功能能元元素素”层层次次2021/9/2335 常用的基本功能元：常用的基本功能元：物理功能元、逻辑功能元、数学功能元物理功能元、逻辑功能元、数学功能元物理功能元：反映系统中能量、物料、信号物理功能元：反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作。变化的物理基本动作。5对常用的物理功能元：对常用的物理功能元：转变复原转变复原 放大缩小放大缩小 连接分离连接分离传导绝缘传导绝缘 存贮提取存贮提取2021/9/2336 “变换一复原变换一复原”功能元包括
21、：功能元包括：各种类型能量之间的转变各种类型能量之间的转变 运动型式的转变运动型式的转变 运动方向的转变运动方向的转变 材料性质的转变材料性质的转变 物态的转变物态的转变 信号种类的转变信号种类的转变 2021/9/2337 “放大一缩小放大一缩小”功能元：功能元：是指各种能量、信号向量（力、速度等）是指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的放大及缩小，以及物料性质的或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。2021/9/2338 “连接一分离连接一分离”功能元：功能元：包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的包括能量、物料
22、、信号同质或不同质数量上的结合与分离。结合与分离。除物料之间的合并、分离外，流体与能量结合除物料之间的合并、分离外，流体与能量结合成压力流体（泵）的功能也属此范围。成压力流体（泵）的功能也属此范围。连接：联接、混合、装配连接：联接、混合、装配 分离：拆开、隔开、过滤、精炼、去除（切割、分离：拆开、隔开、过滤、精炼、去除（切割、磨，车、钻）、清除、溶解磨，车、钻）、清除、溶解2021/9/2339 “传导一绝缘传导一绝缘”功能元：功能元：反映能量、物料、信号的位置变化反映能量、物料、信号的位置变化 传导包括：单向传导、变向传导传导包括：单向传导、变向传导 绝缘包括：离合器、开关、阀门等绝缘包括：
23、离合器、开关、阀门等2021/9/2340 “存贮一提取存贮一提取”功能元：功能元：体现一定时间范围内保存的功能。体现一定时间范围内保存的功能。例如：例如：飞轮、弹簧、电池、电容器等，反映能飞轮、弹簧、电池、电容器等，反映能量的贮存；量的贮存；录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。2021/9/2341 数学功能元：数学功能元：反映数学的基本动作，如加和反映数学的基本动作，如加和减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。数减、乘和除、乘方和开方、积分和微分。数学功能元主要用于机械式的加减机构和除法学功能元主要用于机械式的加减机构和除法机构，如差动轮系、求积仪等。机构，如
24、差动轮系、求积仪等。逻辑功能元：逻辑功能元：包括包括“与与”、“或或”、“非非”的逻辑动作，主要用于控制功能。的逻辑动作，主要用于控制功能。2021/9/2342 总功能分解的另一种方式是不把功能总功能分解的另一种方式是不把功能分解得过细，而只是分解到分解得过细，而只是分解到“功能单元功能单元”的层次。功能单元既有一定的独立性，又的层次。功能单元既有一定的独立性，又是有一定复杂程度的技术单元。是有一定复杂程度的技术单元。功功能能分分解解到到“功功能能单单元元”层层次次2021/9/2343分解到分解到“功能单元功能单元”而不是而不是“功能元功能元”硬币计数包卷机的功能分解硬币计数包卷机的功能分
25、解 例2021/9/2344黑黑 箱箱黑箱的黑箱的内部结构内部结构2021/9/2345 功能分解的粗细不同（可以分解到功能分解的粗细不同（可以分解到“功能元功能元”层次，层次，也可以分解到功能单元层次）也可以分解到功能单元层次）得到的功能树的层次数目不同、分功能个数不同得到的功能树的层次数目不同、分功能个数不同 功能划分方式不同功能划分方式不同 总功能分解方案不是唯一的总功能分解方案不是唯一的2021/9/2346三、功能结构三、功能结构 类似电气系统线路图，分功能的关系也类似电气系统线路图，分功能的关系也可以用图来描述，表达分功能关系的图为可以用图来描述，表达分功能关系的图为“功能结构图功
26、能结构图”。任何功能结构图，都由任何功能结构图，都由3种基本结构形种基本结构形式组成：式组成：串联结构、并联结构、环形结构串联结构、并联结构、环形结构2021/9/2347 串联结构串联结构 又称顺序结构，它反映了分又称顺序结构，它反映了分功能之间的因果关系（条件关功能之间的因果关系（条件关系）或时间、空间顺序关系。系）或时间、空间顺序关系。例：虎钳的施力与夹紧两个分例：虎钳的施力与夹紧两个分功能就是串联关系。功能就是串联关系。2021/9/2348 并联结构并联结构 又称选择结构，几个又称选择结构，几个分功能作为手段共同完分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成一个目的，或同时完成某些分功
27、能后才能继成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并则这几个分功能处于并联关系。联关系。2021/9/2349 例：车床需要工件与刀具共同运动来完成例：车床需要工件与刀具共同运动来完成加工物料的任务加工物料的任务2021/9/2350 并联并联结构的另一种形式：结构的另一种形式：这种选择结构在机械设计中常常见到，这种选择结构在机械设计中常常见到，如安全离合器的如安全离合器的“离离”与与“合合”取决于传递取决于传递载荷的数值。载荷的数值。2021/9/2351 环形结构，又称循环结构环形结构，又称循环结构2021/9/2352 环形环形结构的另一种形式：结构
28、的另一种形式：2021/9/2353功能结构图的作用：功能结构图的作用：通过功能结构图的绘制，可以明确实现通过功能结构图的绘制，可以明确实现系统的总功能所需要的分功能、功能元及系统的总功能所需要的分功能、功能元及其顺序关系。其顺序关系。功能结构图的建立使得技术系统的功能结构图的建立使得技术系统的“黑黑箱箱”具体化，是使技术系统从抽象走向具具体化，是使技术系统从抽象走向具体的重要环节之一。体的重要环节之一。2021/9/2354硬币计数包卷机的功能结构图硬币计数包卷机的功能结构图 例并联结构并联结构串联结构串联结构“黑箱黑箱”的内部结构的内部结构2021/9/2355功能结构图的变化功能结构图的
29、变化 功能结构也不是只能有一种形式，它功能结构也不是只能有一种形式，它可能有多种不同的组成形式。可能有多种不同的组成形式。实现同一总功能的功能结构可有多种，改变实现同一总功能的功能结构可有多种，改变功能结构常可发展出新的产品。功能结构常可发展出新的产品。2021/9/23562021/9/2357改变的途径有：改变的途径有：功能的进一步分解或重新组合。功能的进一步分解或重新组合。顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传顺序的改变。例如能量进入系统以后，其转换与传递顺序不同，实体解答方案亦将不同。递顺序不同，实体解答方案亦将不同。分功能连接形式改变。分功能连接形式改变。（串联、并联的改变）串
30、联、并联的改变）系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能，系统边界的改变。必要时可扩大或缩小系统的功能，以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化以求得更合理的解答方案。提高系统机械化、自动化程度是其重要方面。程度是其重要方面。2021/9/2358几点说明：几点说明：1、总功能分解、总功能分解 通常进行功能分解时可参考下面的办法：通常进行功能分解时可参考下面的办法：(1)按照解决问题的因果关系或手段、目的关系来分解按照解决问题的因果关系或手段、目的关系来分解例例：平平口口钳钳，为为了了“夹夹紧紧工工件件”，必必须须“施施加加压压力力”，前前者者为为目目的的，后后者者为为手手段段，沿沿
31、着着这这个个思思路路逐逐步步进进行行分分解。解。2021/9/2359(2)按照生产的空间顺序或时间顺序来分解。按照生产的空间顺序或时间顺序来分解。例例如如，汽汽水水瓶瓶灌灌装装自自动动机机的的分分功功能能包包括括：瓶瓶、盖盖、汽汽水水的的贮贮存存与与输输送送灌灌装装加加盖盖封封口口贴贴商商标标 成成品品输送。输送。(3)先考虑基本功能的分解，再考虑辅助功能的分解。先考虑基本功能的分解，再考虑辅助功能的分解。(4)对对于于机机器器，可可以以按按照照原原动动机机、工工作作机机、传传动动机机、控制器、支撑等功能进行分解。控制器、支撑等功能进行分解。2021/9/23602、建立功能结构图时、建立功
32、能结构图时 一般首先排定与主要工作过程有关的分功能或功一般首先排定与主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。3、评比、评比 进行评比的方面是：复杂程度；是否易于获得解进行评比的方面是：复杂程度；是否易于获得解答方案；是否满足特定要求答方案；是否满足特定要求 通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实通常可取少数较好的方案进一步具体化，直至实体解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。体解答完全确定，可以明确看出差异时再最后选定。2021/9/2361例例 建立材料拉伸试验机的功能结构图建立材料拉伸试验机的功能结构图解：解：（1）用黑
33、箱法求总功能）用黑箱法求总功能2021/9/2362（2）总功能分解）总功能分解2021/9/2363（3）建立功能结构图）建立功能结构图一级分功能结构图一级分功能结构图2021/9/2364二级分功能结构图二级分功能结构图2021/9/2365总功能分解的有关说明：总功能分解的有关说明：总功能分解将产品功能具体化，从而使得产品的总功能分解将产品功能具体化，从而使得产品的功能易于实现。功能易于实现。另一方面，通过总功能分解得到的各个分功能的另一方面，通过总功能分解得到的各个分功能的复杂程度相比总功能小的多，更容易实现。复杂程度相比总功能小的多，更容易实现。因此，总功能分解实际上体现了因此，总功
34、能分解实际上体现了“任务任务分解分解”的思想。的思想。2021/9/2366什么是任务分解？什么是任务分解？对于一个复杂问题，直接对它进行求解往对于一个复杂问题，直接对它进行求解往往很困难，一个通常的办法是先将原来的任务往很困难，一个通常的办法是先将原来的任务进行逐层分解，得到多个相对简单的具体的子进行逐层分解，得到多个相对简单的具体的子任务，然后对这些简单的具体的子任务进行求任务，然后对这些简单的具体的子任务进行求解，从而完成对原来的复杂问题的求解。解，从而完成对原来的复杂问题的求解。2021/9/2367第三第三节节 功能原理的基本功能原理的基本类类型型 功能原理基本上可分为两大类：动作功
35、能和工艺功能功能原理基本上可分为两大类：动作功能和工艺功能动作功能是以实现动作为目的的功能动作功能是以实现动作为目的的功能工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能可以分为动作功能可以分为简单动作功能和复杂动作功能简单动作功能和复杂动作功能，它，它们的区别主要在于后者能实现连续的传动，而前者仅是们的区别主要在于后者能实现连续的传动，而前者仅是完成简单的一次性动作。完成简单的一次性动作。2021/9/2368 如果从参与完成功能的物理作用的特点来分类，则可以把功如果从参与完成功能的物理作用的特点来分类，则可以把功能分为能分为纯机械功能和综合技术功
36、能纯机械功能和综合技术功能两大类。两大类。随着科学技术的发展，已经不再局限于用纯机械的方式去实随着科学技术的发展，已经不再局限于用纯机械的方式去实现动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化现动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化.各种各种“广义物理效应广义物理效应”更好地去实现各种动作功能和工艺功能，更好地去实现各种动作功能和工艺功能，称为称为综合技术功能综合技术功能。如果从所完成得功能的困难或复杂程度来分类，则可把功能如果从所完成得功能的困难或复杂程度来分类，则可把功能分为分为常规技术功能和关键技术功能常规技术功能和关键技术功能。关键技术是一种有力的竞。关键技术是一种有力的
37、竞争武器，它是技术难点，具有较高技术水平。争武器，它是技术难点，具有较高技术水平。2021/9/2369 从不同的角度对事物进行分类研从不同的角度对事物进行分类研究是有利于完整和深刻认识事物本质究是有利于完整和深刻认识事物本质的好方法。的好方法。2021/9/23702021/9/2371第四节第四节 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而而不不同同时时对对物物体体进进行行加加工工的的功功能能。按按其其是是否否为为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“简简单单动动作作功功能能”和和“复复
38、杂动作功能杂动作功能”两类。两类。2021/9/2372一、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特征征可可以以实现互相运动或锁合的动作。实现互相运动或锁合的动作。例如：带轴的轮子，例如：带轴的轮子，人类十大发明之一的人类十大发明之一的拉链。拉链。拉链由链米和开链拉链由链米和开链器两种构件组成，能器两种构件组成，能实现闭合和开启的动实现闭合和开启的动作功能。作功能。2021/9/23732021/9/2374弹子锁弹子锁2021/9/2375 如果要创
39、造一种新的简单动作功能，可以以如果要创造一种新的简单动作功能，可以以几几何形体组合法何形体组合法（几何形体的构思和组合）作为参（几何形体的构思和组合）作为参考求解思路来进行构思。考求解思路来进行构思。多看现有的优秀设计实例，练习设计巧妙的简多看现有的优秀设计实例，练习设计巧妙的简单动作功能，对于训练设计创造力是很有帮助的。单动作功能，对于训练设计创造力是很有帮助的。简单动作并没有过时，而仍以其简单可靠的特简单动作并没有过时，而仍以其简单可靠的特点，在各个领域里可靠地为人类服务。点，在各个领域里可靠地为人类服务。2021/9/2376二、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
40、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，因因为为它毕竟被人们研究得相当透彻了。它毕竟被人们研究得相当透彻了。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：连连杆杆机机构构、凸凸轮轮机机构构、齿齿轮轮
41、机机构构、挠挠性性机机构、螺旋机构、间隙机构等。构、螺旋机构、间隙机构等。2021/9/2377 人类利用这些基本机构，不仅用来实现连续的传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轨迹。动，而且利用它们实现复杂的运动规律和运动轨迹。例如，硬币机的卷边例如，硬币机的卷边功能系统所采用的一组六功能系统所采用的一组六杆机构，它既要使上钩的杆机构，它既要使上钩的位置能随包卷纸的宽度而位置能随包卷纸的宽度而变，而且能使上、下钩同变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，时进行对称的包卷动作，它是由凸轮、一套平行四它是由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构杆机
42、构和一套反四杆机构组合而成的。组合而成的。2021/9/2378 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置。即使最典型的办公自动化机器动化机器 复印机中，仍大量采用各种基本机构，复印机中，仍大量采用各种基本机构，因为它需
43、要实现大量的运动。因为它需要实现大量的运动。2021/9/2379 总结上述两类动作功能，无论是简单动作功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。它们能还是复杂动作功能，都是纯机械的功能。它们的基本特点是的基本特点是“以形体来实现功能以形体来实现功能”。这个特征。这个特征使机械实现动作功能的方式变化无穷。使机械实现动作功能的方式变化无穷。2021/9/2380第五节第五节 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
44、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、挖挖掘掘机机的的铲铲斗斗等等，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”，这里，这里“工艺工艺”是指是指“加工工艺加工工艺”。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，而而归归根根结结底底是确定工作头的形状和动作。是确定工作头的形状和动作。2021/9/2
45、381 人类所发明的最古老的工艺功能可能是石器时代的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。刮削器，能实现刮削工艺。耕地的犁也是工艺功能耕地的犁也是工艺功能的一种典型，犁头的工作面的一种典型，犁头的工作面是是种复杂的空间曲面，它种复杂的空间曲面，它能把泥土犁起，翻过来扣在能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。犁沟边上。2021/9/2382例如，为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法显然不是理例如，为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法显然不是理想的途径，因为很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不想的途径，因为很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不了机械的剁切。了机械的剁切。机器的工艺方法
46、往往不能完全模仿手工机器的工艺方法往往不能完全模仿手工的工艺方法。的工艺方法。因此人们想出了搅碎因此人们想出了搅碎的工艺方法，并设计了相的工艺方法，并设计了相应的工作头，通过螺旋输应的工作头，通过螺旋输送器强迫肉块通过绞刀孔，送器强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。碎。2021/9/2383 例如，目前市场上出现例如，目前市场上出现的家用切碎机，其工作头的家用切碎机，其工作头的形状、工作方式先全不的形状、工作方式先全不同于老式的绞肉机特别同于老式的绞肉机特别是它的两把刀子的形状和是它的两把刀子的形状和姿势的设计很有特色，它姿势的设计很有特色，它保证了被切的肉或菜
47、能被保证了被切的肉或菜能被均匀切碎。均匀切碎。工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进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。和革新，因为工作头的变革可能性是很大的。2021/9/2384例如，例如，过去去长期采用的期采用的纯机械切机械切削的金属切削工削的金属切削工艺，现在可以采在可以采用激光切割和水刀切割。用激光切割和水刀切割。水刀的工作原理水刀的工作原理：能能够喷出大出大约三倍于音速的水流，形成高速射三倍于音速的水流，形成高速射流，利用高速射流来切割物体流，利用高速射流来切割物体。可以切割各种非金属的物可以切割各种非金属的物质，或，或者做各种表面的特殊者
48、做各种表面的特殊处理。处理。工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处主工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处主要在于工作头对物体的作用。这种作用有一部分是纯要在于工作头对物体的作用。这种作用有一部分是纯机械的作用。例如绞肉机就是刀口对肉的绞切作用。机械的作用。例如绞肉机就是刀口对肉的绞切作用。而工艺功能的最大特点在于这种作用又是可能不是纯而工艺功能的最大特点在于这种作用又是可能不是纯机械的，而加入了其他广义的作用。机械的，而加入了其他广义的作用。2021/9/2385 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、运运动动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。方式和作用
49、场是完成工艺功能的三个主要因素。这这里里，工工作作头头和和工工作作对对象象是是对对立立的的统统一一，通过通过“场场”产生相互作用。产生相互作用。2021/9/2386二、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-Field(S-Field法法)：适适合合求求解解工工艺艺功功能能，是是很很有效的思路。有效的思路。SS对象或物体对象或物体(Substance)(Substance)。主体。主体(S1)(S1)，客体，客体(S2)(S2)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
50、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)。三三者者缺缺一一不不可可，否否则则不不能能发生技术作用。发生技术作用。2021/9/2387一一个个标标准准的的S-FieldS-Field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。S1S1主主体体，是是对对客客体体发发出出作作用用的的物物体体，也也就就是是工工作作头（或工具）。头（或工具）。S2S2客客体体，就就是是被被加加工工的的物物体体，也也就就是是工工艺艺动动作作的的对象物体。对象物体。FF场场，这这不不单单指指某某种种物物理理场场