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“功能原理设计”。包括两个方面：功能分析——由总功能分解为分功能，最后做出功能结构图的过程。工作原理设计——确定实现功能的工作原理工作原理的概念：物理效应（如图3-1中的摩擦、离心力、气吹等）+作用原理（即作用件，如图3-1中的摩擦轮、转动架、气嘴等）设计一台点钞机，首先构思将钞票逐张分离的工作原理。功能原理设计的重点提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法供比较选优。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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质的方面决定了设计的水平是产品设计和实现创新的关键阶段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。——一次成像照相机的例子任何一种机器的更新换代都存在三个途径:改革工作原理例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、仪表的精度得到很大的提高。通过改进工艺、结构和材料提高技术性能例如螺纹的加工工艺加强辅助功能使其更适应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生。——例如液晶材料的实用化，促使钟表的工作原理发生了本质的变化。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容一、功能原理设计的工作特点1)是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。2)引入某种新技术(新材料、新工艺、……)，但首先要求设计人员有一种新想法(NewIdea)、新构思。3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如，机械表不论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个特点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。二、功能原理设计的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”。举例：喷墨打印技术主要工作内容：明确功能目标，构思能实现功能目标的新的解法原理。举例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。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：1)装设导向系统的费用应较小。2)允许扩充和调整设备，变动运输路线。3)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。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：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迹并作轨迹误差的修正。2)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。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。FZ23型：中枢用两个驱动轮驱动，可实现进退和转弯。车架可绕中枢回转，以保证与转接站对接时的方位调整。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。第二节功能、功能单元和功能结构（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来）功能的定义：是指某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱”（BlackBox）来描述功能。系统工程学对功能的定义：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。用来整理、清点、计数，最后按50枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。硬币计数包卷机“黑箱”只是描述了从技术系统外部观察到的“功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是需设计者进行具体构思和设计的。系统工程学中的“白箱”和“灰箱”，则指内部结构完全已知或部分已知的技术系统。设计者的任务就是使“黑箱”变成“白箱”，这个技术系统就设计出来了。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。（1）物料用双线箭头表示可以是固体、液体、气体、混合物金属机床水泵天然气管道汽车包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等……机械能的描述：力和运动平移：力、线速度旋转：转矩、角速度振动：振幅、频率（2）能量用实线箭头表示①输入信号一般为控制信号开关控制、大小/速度/流量/强度控制②输出信号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……（3）信号用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号（4）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，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，用实线箭头画在上方。举例——水泵说明：输出的能量为“压力水”中蕴含的机械能没有明显的输出信号，可以不画出。没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。举例——冲床产品设计中，输入量和输出量被称为“流”主要传递信号流的技术系统——仪器主要传递能量流与物料流的技术系统——机器(1)以转换能量为主：电动机、发电机、汽轮机、锅炉(2)以转换物料为主：机床、管道输送系统在功能原理设计中，用黑箱描述产品的功能。黑箱是系统工程用于分析和描述系统的一种方法。黑箱二、功能元素和功能单元从系统论的观点看，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“子功能”或者“分功能”。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）功能的目的功能后级（下级）功能是前级（上级）功能的手段功能通过总功能分解可以分析得到和确定所要设计的产品的具体功能，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。因此总功能分解是设计过程由抽象到具体的一种体现。假设总功能要求FR＝方便的交通工具对于折叠自行车，可以确定如下的下层功能要求FRs：FR1=骑乘、FR2=折叠、FR3=座位调整、FR4=携带额外物品、FR5=安全性……功能分解方案不是唯一的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“方便的交通工具”，如对于微型汽车，则所分解得到的FRs可能完全不一样。例功能分解到什么情况下结束？1.分解到“功能元素”层次2.分解到“功能单元”层次功能元素（功能元）——功能基本单位可以将功能元理解为电子元件，电子元件联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）。功能分解到“功能元素”层次常用的基本功能元：物理功能元、逻辑功能元、数学功能元物理功能元：反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作。5对常用的物理功能元：转变－复原放大－缩小连接－分离传导－绝缘存贮－提取“变换一复原”功能元包括：各种类型能量之间的转变运动型式的转变运动方向的转变材料性质的转变物态的转变信号种类的转变……“放大一缩小”功能元：是指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的放大及缩小，以及物料性质的缩放（压敏材料电阻随外压力的变化）。“连接一分离”功能元：包括能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合与分离。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。连接：联接、混合、装配分离：拆开、隔开、过滤、精炼、去除（切割、磨，车、钻）、清除、溶解“传导一绝缘”功能元：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绝缘包括：离合器、开关、阀门等“存贮一提取”功能元：体现一定时间范围内保存的功能。例如：飞轮、弹簧、电池、电容器等，反映能量的贮存；录音带、磁鼓反映声音、信号的贮存。数学功能元：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。逻辑功能元：包括“与”、“或”、“非”的逻辑动作，主要用于控制功能。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“功能单元”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。功能分解到“功能单元”层次分解到“功能单元”而不是“功能元”硬币计数包卷机的功能分解例黑箱黑箱的内部结构功能分解的粗细不同（可以分解到“功能元”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功能划分方式不同总功能分解方案不是唯一的三、功能结构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“功能结构图”。任何功能结构图，都由3种基本结构形式组成：串联结构、并联结构、环形结构①串联结构又称顺序结构，它反映了分功能之间的因果关系（条件关系）或时间、空间顺序关系。例：虎钳的施力与夹紧两个分功能就是串联关系。②并联结构又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系。例：车床需要工件与刀具共同运动来完成加工物料的任务并联结构的另一种形式：这种选择结构在机械设计中常常见到，如安全离合器的“离”与“合”取决于传递载荷的数值。③环形结构，又称循环结构环形结构的另一种形式：功能结构图的作用：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、功能元及其顺序关系。功能结构图的建立使得技术系统的“黑箱”具体化，是使技术系统从抽象走向具体的重要环节之一。硬币计数包卷机的功能结构图例并联结构串联结构“黑箱”的内部结构功能结构图的变化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。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。改变的途径有：①功能的进一步分解或重新组合。②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。③分功能连接形式改变。（串联、并联的改变）④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、自动化程度是其重要方面。几点说明：1、总功能分解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、目的关系来分解例：平口钳，为了“夹紧工件”，必须“施加压力”，前者为目的，后者为手段，沿着这个思路逐步进行分解。(2)按照生产的空间顺序或时间顺序来分解。例如，汽水瓶灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽水的贮存与输送→灌装→加盖→封口→贴商标→成品输送。(3)先考虑基本功能的分解，再考虑辅助功能的分解。(4)对于机器，可以按照原动机、工作机、传动机、控制器、支撑等功能进行分解。2、建立功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能元的顺序，再确定其它分功能的顺序。3、评比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……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。例建立材料拉伸试验机的功能结构图解：（1）用黑箱法求总功能（2）总功能分解（3）建立功能结构图一级分功能结构图二级分功能结构图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“任务分解”的思想。什么是任务分解？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解，从而完成对原来的复杂问题的求解。第三节功能原理的基本类型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工艺功能是以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能可以分为简单动作功能和复杂动作功能，