机械产品设计高职高专.ppt

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1、1,书名：机械产品设计ISBN：9787111284796作者：马晓丽出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,2,第3章 机械产品功能设计31 功能原理设计的特点和内容32 功能的类型及设计33 产品合理功能的确定34 产品功能的分解复习与思考题,3,第3章 机械产品功能设计,产品的功能设计有二层含义：第一，在机械产品设计的最初环节，针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。这种对主要功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。第二，在设计中以产品的功能为设计依据，以实现产品的功能为最终目标。,4,31功能原理设计的特点和内容311功能原理设计的意义,功能原理设计的重点在于提出创新构思，设计人员思

2、维要尽可能开阔，力求提出较多的方案供比较选择，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，可以用示意图来表示所构思的内容，然后利用各种计算机CAD软件仿真机械产品的功能目标实现过程。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。例如美国宝丽来公司研制的一次成像照像机。,5,任何一种机器的更新换代都存在三个途径。改革工作原理改进工艺、结构和材料来提高技术性能加强辅助功能使其更适应使用者的心理 这三方面对于产品市场竞争力的影响几乎具有同等重要的意义。但第一种途径在实现时的困难程度

3、要比后两种大得多。以至于早在60年代就有人预言：各种机器的工作原理已经基本定型，今后改进的方向主要只能在工艺、材料和结构方面。然而30年来产品发展的事实否定了这种悲观的预言。不仅采用新工作原理的新机型不断出现，而且由于新工艺、新材料的出现，也促进了新工作原理的产生。,6,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。例如计算机软硬件的发展，使得铅字打字机成为历史。铅字打印机 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机 现在有很多有远大目光的企业家和工程师，都把更多的注意力放在基本工作原理的改革这一方面来。,7,312 功能的含义,功能是对某一产品特定工作能力的抽象化描述，它和人们常用的功能

4、、用途、性能和能力等概念既有联系又有区别。“功能”是指某一机器（或装置）所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。以一台电动机为例：,8,还有一种描述功能的方法：用系统工程学的“黑箱”来描述功能。任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，其输入用物料流M、信息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M、S和E来描述。于是，功能可表示为：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相互转换的关系。,黑箱描述法只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而黑箱的内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体的构思和设计的。系统分析中的“白箱”和“灰箱”，则是指内部结构完全已知或部分已知

5、的技术系统。,9,313功能原理设计的特点,功能原理设计往往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变化的设计。功能原理设计往往要引入某种新技术(新材料、新工艺等)，但首先要求设计人员引入一种新想法、新构思。没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去。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。在实践中，每一个功能原理设计不定都能体现这三个特点。而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。,10,314功能原理设计的主要内容,简要地说，功能原理设计的任务可表述为：针对某一确定的“功

6、能目标”，寻求一些“物理效应”并借助某些“作用原理”，求得一些实现该功能目标的“解法原理”。,11,实例1：要设计一种点钞机，可以构思出各种将钞票逐张分离的工作原理。如考虑应用某种“物理效应”(如图中的摩擦、离心力、气吹等)，然后利用某种“作用原理”(如图中的摩擦轮、转动架、气吸等)，最后达到实现“功能目标”的结果。,1-推栝 2-摩擦 3-离心力 4-重力 5-粘力 6-气吹 7-气吸 8-静电,12,实例2：提出了开发喷墨打印技术的构想。最初，针对喷墨打印的功能日标，曾提出过象用电场控制电子束扫描屏幕那样，控制喷嘴喷出的墨水滴来扫描白纸。结果扫描出的画面，可以想象比电子束扫描屏幕的效果要差

7、得多。后来人们又寻找了另外一些物理效应，较好地实现了喷墨打印的功能目标。一种是用液体受热汽化的物理效应，在毛细管口产生气泡，将墨水滴喷出。另一种是用压电晶体在受电场作用时产生变形的物理效应，将墨水腔中的墨水从小孔口中挤出，达到喷墨的效果，如图3-3所示。,13,图3-3 两种喷墨打印功能原理a）加热汽化喷墨 b）压电喷墨,14,实例3：并联运动机床的出现。并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本的变化。,15,功能原理设计的主要工作内容

8、是构思能实现功能目标的新的解法原理。但其工作步骤必须先从明确功能目标做起，然后才能进行创新构思，得出某些解法原理后还应通过模拟试验，进行技术分析，验证其原理上的可行性；对于不完善的构思还应按实验结果做修改、完善和提高的工作；最后对几个解法作技术经济的评价对比，选择其中一种较合理的解法作为最优方案加以采用。这里所谓的“最优方案”，实际上只能是一种较“满意”的解法。因为在实际设计工作中，真正完全理想化的、没有缺点的解法几乎是没有的。,16,32功能的类型及设计321功能类型,对现有的机械功能原理进行分类，基本上可分为两大类：动作功能：指以实现需求动作为目的的功能。动作功能又可以明确地分为简单动作功

9、能（完成简单的一次性动作）和复杂动作功能（能实现连续的传动）。工艺功能。是以完成对对象物的加工为目的的功能。这两种功能都是用纯机械或主要靠机械完成的动作功能。,17,从机械的工作特点来分类：动作功能、工艺功能从参与完成功能的物理作用的特点来分类：纯机械功能、综合技术功能从所完成的功能的困难或复杂程度来分类：常规技术功能、关键技术功能 综合技术功能和关键技术功能是随着历史发展和技术的进步而出现的，对于现代产品设计来说，它们对于提高产品的竞争优势，有时可能起到非常重要的作用。,18,随着科学技术的发展，已经不再局限于纯机械的方式去完成动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化等各种“广义物理

10、效应”，以便更好地去实现各种动作功能和工艺功能，我们把它总称为“综合技术功能”，以区别于纯机械的功能原理。但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理效应。近年来，在激烈的产品竞争中，出现了种有力的竞争武器，就是所谓的“关键技术”。它是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具有独特的优势。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“广义物理效应”的综合技术功能，只是因为它在竞争中的特殊地位，才把它列为一种功能，称为“关键技术功能”。,19,功能原理的分类和相互关系见图3-5所示。,对于一个具体的功能来

11、说，只有动作功能和工艺功能是可以明确区分的基本功能。个动作功能或工艺功能，则有可能同时是综合技术功能，甚至还同时是关键技术功能。,20,322按动作功能设计,带轴的轮子 自然界有很多圆形物体，但不存在带轴的轮子，古代人类发明了带轴的轮子。轮子被穿在轴上，能实现相对转动。这是一种典型的简单动作功能。拉链 拉链被称为人类近代十大发明之一，也是最典型的简单动作功能之例。它有两种构件（链米和开链器）组成（图3-6），能实现闭合和开启的动作功能。,简单动作功能 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。,21,其他 在今天的现实生活中

12、，这种简单动作功能应用非常广泛。例如电视机双动调节盒盖，圆珠笔的伸缩双动功能(图3-7)，计算机鼠标的x、y驱动功能，各种电器开关的双稳态快动功能，各种枪炮的击发功能等。,22,利用形体组合 简单动作功能简单，而所实现的功能又相对巧妙，所以往往给人以神奇的感觉。例如，“魔方”，由三种构件组合而成，利用形体的几种形状相互结合，可以实现巧妙的换位。例如自古到今人类发明的各种门锁都是典型的简单动作功能，较简单的是弹子锁（图3-8）。,23,构思方法 在构思简单动作功能时，首先要明确“功能目标”，然后针对功能目标，对几个构件中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，就为实现这类功能

13、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。需强调是：在进行功能原理设计创造时，没有什么简易的“办法”可循。因为设计是“综合”，而“综合”是没有确定方法的，即使有某些参考的方法可作辅助，但也不一定能取得合理的结果。最实际的办法，是多看优秀设计实例，多作基础设计训练，练习设计巧妙的简单动作，在正确的指导性思路的引导下，才有可能取得某个合理的设计成果。简单动作功能并没有过时，而是仍以其简单可靠的特点，在各个领域里可靠地为人类服务。,24,复杂动作功能 复杂动作功能以采用常用基本机构为主，其设计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计起来也并非毫无困难，但是

14、比起“简单动作功能”的设计，还是要容易得多，因为常用基本机构已经被人们研究得相当透彻了。古代发明的机构 当人类学会利用畜力、风力和水力的时候，人类就需要发明些能连续运动的机械来进行搬运、抽水和舂米等工作，这时候人类就已经开始发明绳轮、连杆、齿轮、凸轮等些机构，尽管比起现代的结构要粗糙些，但其原理和现代机构完全相同。基本机构 当人类发明了内燃机和电动机以后，由于它们的转速很高，人们不得不发明各种变速机构来适应这些动力机。于是从17世纪开始，近代的6种基本机构：连杆机构、齿轮机构、挠性机构、凸轮机构、螺旋机构、间歇机构，成为人们研究的重点对象，并从理论和实践上达到成熟和完善，按美国大百科全书的说法

15、，18世纪至今200年来，再也没有发明出什么新的基本机构。,25,设计方法 复杂动作功能的求解思路是基本机构组合法。由基本机构可以组成各种各样有复杂运动规律的装置。在现有的各种机器中，绝大多数机器的传动机构和执行机构都属于这类型。虽然它们运动规律多种多样，但无非是些齿轮、连杆、凸轮、螺旋等基本机构的组合而已。即使一些以完成工艺功能为主的机器(如硬币计数包卷机)，其工作头完成的是工艺功能，但驱动工作头的执行机构和传动机构也还是由基本机构组成的。,26,323按工艺功能设计,工艺功能的特点 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(如机床的刀具、挖掘机的挖斗

16、等)，用这个工作头去完成对工作对象的加工处理。在这里，工作头和工作对象相互配合，实现种功能，叫做“工艺功能”：这里的“工艺”是指“加工工艺”，而不是工艺美术的意思。这类工艺功能要考虑两个重要因素：一是采用哪种工艺方法；二是工作头采用什么形状和动作，而最终是要确定工作头的形状和动作。,27,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，它能实现刮削工艺。耕地的犁也是工艺功能的一种典型，犁头的工作面是一种复杂的空间曲面，它能把(图3-9)泥土犁起，并翻过来扣在犁沟边上。,28,机器的工艺方法往往不能完全模仿手工的工艺方法，例如为了把肉切碎，模仿手工剁切的方法很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不

17、了机械的剁切。因此人们想出了绞碎的工艺方法，并设计了相应的工作头，如图3-10所示，通过螺旋输送器强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。,工艺功能比起动作功能来，更容易进行改进和革新，这是它的另一个特点。因为工作头的变革可能性是很大的。例如目前市场上出现的家用切碎机(图3-11)，其工作头的形状、工作方式完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特色，能保证肉或菜被均匀地切碎。,29,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。这种作用有部分是纯机械的作用。例如上述绞肉机，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有时可能不

18、是纯机械的，而加入了其他广义的作用。例如过去长期采用的纯机械切削的金属切削工艺，现在可以采用激光切割和水刀切割。工艺功能的特点是：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。这里，工作头和工作对象是对立的统一，通过“场”产生相互作用。,30,物场分析法,基本原理 前苏联的科学家提出的物一场分析法(SField法)适合于求解工艺功能。所谓S，是指对象或物体(Substance)。这个方法是指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)和个场(F)，三者缺不可，否则不能发生技术作用。,一个标准的SField模型的形式如图3-12所示，即S1通过F作用于S2。S

19、1为主体，是对客体发出作用的物体，也就是所说的工作头或工具；S2为客体，就是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体；F为场，这不单指某种物理场，而是广义地指S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光等一切作用场。,采用SField模式来探求工艺功能的原理解法，其基本的方法是寻求合理的F和S1。此外还可以通过“完善”、“增加”和“变换”来寻求新的解法。,31,F、S1 寻找 例如构思完成修剪草地任务的剪草机的工作原理。S2是草地上的草。如何寻找合适的F和S1。首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较，F有如下几种可能和特点：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。割断力

20、像农民割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断力利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，而S1就只能是剪刀了。将剪刀做成像理发推子那样，就是传统的剪草机的解法原理。如果发现某个工艺功能的原理解法不够满意而需要改进，可以采用其他措施来改进现有的设计。,32,完善 原设计中有时出现缺少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SField模式完善化。例如制造平板玻璃的方法，以前一直采用“垂直引上法”，见图3-13所示。这种方法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，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厚

21、度不匀。如果用SField分析法来分析，可以看出，在整个工艺过程中，玻璃S2在凝固前大部分时间中缺少F和S1，(重力无积极效果，不看作为F)。,33,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，边向前流动边凝固。这样制成的平板玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹，这就是“浮法”制造平板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S1，又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场F，既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑和均匀。,垂直引上法 浮法,34,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 和，才能更好地完成希望实现的功能。例如，在金属切削过

22、程中，钢工件是S2，刀具是S1，切削力是F，如果加入另一种物质切削液（），切削工艺过程就会变得更好，工件的表面粗糙度值会减小，切削速度也能提高。的存在实际上还附加了另一种物理场，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，同时还起冷却作用。,于是；S-F模式变为如图3-14所示。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。,35,变换 对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。,例如还是设计剪草机，其原理是否有别的东西可以代替剪切力F和剪刀S1呢？联想杂技演员在舞台上用鞭子把报纸抽断，就

23、是说即使不用刀，用软的物体也可以切断某些物体，只要有足够高的速度就行。一种新型的割草机其原理非常简单。用一根高速旋转的尼龙线，其直径约2mm，就可以又快又好地来修剪草地。这时，S1是一条尼龙线，F则是高速抽打的“抽击力”。这种变换产生了更为理想的效果。,通过高压水喷射来切割石材、木材、钢板、布料等都是通过变换来提高功能效果的例子。由于作为S1的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因此，工艺功能是一种最具灵活性的功能。,36,324按关键技术功能设计,关键技术功能 利用常规技术设计制造的产品，其技术性能只能达到一般水平。随着市场竞争的加剧，几乎所有的企业都在设法提高自己产品的技术性能指

24、标，没有关键技术的产品，在激烈的竞争中难以建立起竞争优势，也就难以在市场上得到席之地。对于机械产品设计人员来说，不懂得关键技术功能也就等于不懂得现代设计。,37,产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：材料 高强度、高耐磨性要求，特殊的润滑油、特殊轻质材料、复合材料、特殊物理性能要求等。制造工艺 高精度、小的表面粗糙度值、高的热处理要求等。例如汽车制造中的“2mm工程”，即要保证汽车外壳所有缝隙都小于2mm。美国把它作为一个重大的关键技术难题组织攻关。制造水平的高低将直接影响产品的技术水平，例如免维护性和使用寿命等技术性能的提高与之有密切关系。设计 通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从

25、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，喷墨打印机中的喷墨技术，就是一种关键技术功能。日本Canon采用汽化喷墨的功能原理，而日本Epson则采用压电喷墨技术。,38,特点 由设计解决的关键技术功能，有可能仅用不太高的材料和制造工艺而实现高性能的目标，最优秀的设计应该是有最佳的性能价格比的产品。好材料和好的制造工艺常常是必须采用的。例如，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(每步001mm)，必须使传动丝杠和工作台导轨的摩擦阻力尽可能小，于是滚珠丝杠和静压导轨成了关键技术。,3米*2.1米静压导轨及静压磨头龙门磨床,滚珠丝杠副,39,关键技术功能的

26、特点：由于特殊的工作条件(约束)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，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奇制胜。,肌电控制假手,例如，肌电控制假手的研制。用常规技术所设计的手指开合机构，其指端捏紧力只能达到5N左右，如图3-16所示，连系鞋带时捏紧鞋带的力量都不够。为此，需要在保持手指合理的运动角速度，约05rads的前提下，使指端捏力提高到50N左右(即提高10倍)。这个问题能否解决，决定了这种肌电控制假手是否有实用价值。这就是它的关键技术。,40,技术矛盾分析法 关键技术功能的求解思路是技术矛盾分析法。无论何种关键技术，往往

27、都是在某种特殊条件约束下难以实现的技术难点，其中期望达到的较高要求和约束条件就形成一对技术矛盾。例如肌电控制假手。由于空间的限制，只能用直径为20mm左右的微型直流电动机(额定输出为n=5000rmin，M=03Ncm)。经过减速比i=900的降速后，驱动套连杆机构(手指机构)，使手指得到约05rads的抓握运动速度，这和人手的真实运动速度较符合。但是在这样的运动速度下，指端能产生的捏紧力只有5N左右。如果要使捏紧力达到50N，按般方法就应该使降速比增大10倍。可是手指的运动速度也将放慢10倍。那么在端起个杯子时，大约要等半分钟才能握住杯。显然，运动和力难以同时达到满意的程度，即存在运动与力之

28、间的矛盾。所谓“技术矛盾分析法”，即是指这样去分析技术难题中的技术矛盾。,41,针对上述技术矛盾，设计者提出的想法是：在传动路线上再串联套减速比i2=10的减速装置，然后通过两个联动的切换开关来操作；切换开关的动作是自动的，是由手指触到物体后的反馈力来控制的。图3-17表示了用两个超越离合器组成的切换开关，切换机构上的两对销子去拨动超越离合器的滚柱，实现切换功能。被接通的离合器带动其中一对销子，将运动和力经由切换机构传至输出轴上。切换机构的开合则由输出轴所受阻力矩的大小所控制。,图3-17假手增力切换原理示意图（a）正常运行状态（b）受阻增力状态 A、B超越离合器 C切换控制器具 1、2销子,

29、42,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。仍以肌电控制假手为例，以电动机体积和输出力矩之间的矛盾而研制出种大力矩的微型电动机就是另一种求解的途径，或从动力学的角度来看，如果系统有足够大的储能飞轮，那么也可以达到增大指端捏紧力的目的，就如同冲床飞轮效应那样。需要说明的是，技术矛盾分析法的作用并不是直接给出解法，而是帮助我们找出可能解决问题的途径。,43,325按综合技术功能设计,综合技术功能 如前所述，动作功能大都采用机械方法，用形体产生动作来实现。但是，实际上还存在一些非机械方式获得动作的情况。例如，飞机在空中飞起来，是靠空气动力学原理实现的；螺旋桨旋转

30、能推动轮船前进，是利用流体力学原理；内燃机转动是依靠热力学原理实现的；电动机转动是依靠电磁学原理实现的。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。,44,例如有一种高速平面电动机式自动绘图机，如图3-18所示。带有画笔的驱动头悬挂在定子台面的下面，驱动头本身相当于电动机的转子，它靠定子表面上磁极的磁力作用而运动，同时利用磁力使其能悬挂在“天花板”上。为了使驱动头在天花板上高速移动时阻力小，还应用了气浮导轨的原理：在贴合面间吹入压缩空气并形成气垫，使驱动头在高速移动时几乎没有摩擦阻力。这种

31、驱动头的功能，就是综合技术功能。,图3-18 高速平面电动机式自动绘图机（a）总体外形（b）吸顶式驱动头（c）线性电动机驱动原理,45,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。这种典型的机电一体化技术系统当然也属于综合技术功能。至于工艺功能，其本身就要用到各种“物理场”，它既有纯机械的工作头，用纯机械的形体和机械力去完成的工艺功能，也有用非机械的工作头，通过广义物理场去实现对对象物体的加工，这也就是综合技术功能。过去的工艺功能较多利用纯机械的工艺方式，而以后将越来越多地采用广义物理效应来实现各种工艺功能，它们将更有效、更高质量地实现工艺功能目标。,例如，过去连

32、杆头加工中的剖分工艺是用切削加工方法进行的，而现在则采用爆炸断开的工艺。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，承合性好，不但效率高，而且连杆孔的几何精度仍然保持得很好。,46,特点 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。这里并不强调全部可以代替纯机械功能，因为有许多场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。,47,物理效应引入法 这种方法适合于综合技术功能的设计求解。这里所指的物理效应是种广义的慨念。如机构学本身所包含的运动学、力学方面的各种物理效应，以及热胀冷缩、电磁效应、光电效应、流体

33、效应等等物理效应。最简单的例子就是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护器、调温器的温控开关等等。在人工脏器的设计中，需要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泵来工作的。由于存在磨损等机械问题，效果不理想。后来一位生物学专家想出了用金属的热膨胀效应来做液体泵，效果很理想。用石英晶体振荡揣控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表，也是运用物理效应引入法的很典刑的例子。而所谓的“机电一体化”或“机械电子学”就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它们是物理效应引入法的一些较突出的成功实例。,48,表3-1给出现在人们已知的一些物理效应供构思

34、设计时参考,49,50,51,52,33产品合理功能的确定331产品的功能与成本,合理功能确定的意义 合理功能的确定，就是为市场提供优质、高效、物美价廉的产品，在国内外市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得良好的经济效益。用户在购买产品时，实际上购买的并非产品本身，而是产品所具有的功能，同一项功能，能够予以实现的手段很多，组合的方式也有很多，在产品功能设计中，通过功能评价，来选择最佳方案。用户在购买产品所具备的功能时，希望所花的费用越少越好。,53,价值分析 价值分析的概念：研究产品的功能和实现该功能所投入的资源之间的关系，以得出提高产品价值的方法。价值分析是一种方案创造与优选的技术，它把用户的

35、需求作为设计分析的出发点，找出什么是必要功能，什么是不必要功能，使产品的功能既无亏空也无浪费，从而更好地为用户服务。价值分析以产品、产品功能和费用为研究对象，以最低的生命周期费用为研究手段，可靠的实现用户所需的必要功能，以提高其价值为目的，取得更好的技术经济效益。价值分析不是一个局部行为，它把产品的创新与改进设计、产品功能和产品实现功能的手段与费用，都看作一个系统，进行功能和实现功能的费用分析，进行功能评价，选择最终方案。价值分析不强调某一个或某几个因素最优化，而是强调整个功能系统和整个产品的最优化，已达到费用最低，可靠地实现产品总体功能的目的。,54,产品的寿命周期成本 从产品设计研究开始到

36、用户停止使用该产品为止，这一时期为产品的经济寿命周期，价值分析中所指的寿命周期就是它的经济寿命周期。产品的寿命周期成本是指产品整个寿命周期内所发生的全部费用。产品的寿命周期成本是生产成本C1与使用成本C2之和，即 C=C1+C2 用户为了获得产品而用的购置费，成为生产成本C1；用户在使用产品的过程中所支付的各种费用，如能耗费、保养费和维修费等，成为使用成本C2。,55,图3-20所示为产品功能F与产品寿命周期成本C之间的关系。在C曲线的最低点处，产品寿命周期成本最低。此点是技术分析追求的理想点，说明设计方案在技术上和经济上更为合理。,电冰箱的购置费与使用费不相上下，而一台机械设备的购置费占寿命

37、周期费用的30%左右，使用费占70%。所以产品设计时不仅要考虑如何降低生产成本，而且要同时考虑降低使用成本，以使产品所需的总成本达到最低的程度。,56,332产品合理功能的确定方法,用价值评价 用户对产品的需求，就是对产品功能的需求，用户购买产品实际就是购买产品的功能。无论实现哪种功能，都需要有成本的投入。常用价值来评价功能与成本的统一关系和程度，即产品的价廉物美程度。价值V可用功能F与成本C的比值来表示：式中：Fi为第i种功能，N为功能的数目。当价值V=1时，表明实现功能所花的费用与其成本相适应，这是理想状态。当价值V1时，意味着产品的实际成本大于功能值，它只能用降低产品的利润来补偿，而力争

38、总体价值V1，是设计者在产品设计中的努力目标。当价值V1时，表明用较少成本实现了规定的功能，可以采取在保持一定成本下适当提高产品功能。,57,按最低成本确定功能值 对产品或系统进行评价，可把当前市场上具有这类功能产品的成本与功能实现程度的资料收集起来，经过整理，以产品功能实现程度为横坐标，以成本值为纵坐标绘制坐标图，把各产品实现该功能的情况分别以x画在坐标图中，把图中最低点连成一条直线，这条直线就是按不同满足程度实现这一功能的最低成本线。这种方法要求有充分的实际数据作为依据，可靠性强，可比性好。而目标成本实际上是不断变化的，需要不断收集资料进行分析，并适当地调整收集到的成本值。有了功能成本和功

39、能值就可以对几个功能方案进行评估选优。,58,如图3-21所示。按所需要的功能Fp找到对应的Cp值，并把它认为是与Fp对应的功能值，它代表实现该项功能的最必需价值。如果设计所需成本为C，又有(CCp)，说明成本过高，而(C-Cp)成为降低成本的努力目标，当所设计功能系统选择成品零部件作为载体时，应选定Cp所对应的产品。,59,按用户所能接受的价值确定功能值 当评价一个完全创新的产品或系统时，可以根据实际生产消耗、开发这项新技术的投入和对未来市场的影响等，估计一个价格，再通过市场预测，根据用户“花这些钱买这个功能值不值得”的统计学反映，最后对这个新系统的功能值评价。如果所确定的功能值F小于成本C

40、，则必须加以改进。确定系统的功能时，应该遵循的原则是：保证基本功能，满足使用功能，增添新的功能，剔除多余功能，恰到好处地利用外观功能，提高功能价值，力求使产品达到价廉物美的理想程度。对产品功能的要求应该恰如其分，既不能过高，也不能过低。要求过高，如制造精度过高，安全系数过大，所选取的材质过优，过长的寿命要求，过大的电动机功率，采用过分先进的技术等，都会增加产品制造成本，延长产品的生产周期，造成不必要的浪费。要求过低，会给工作带来麻烦，增加体力劳动的分量，甚至会降低被加工物件的质量和性能。,60,333提高产品价值的措施,不增加成本而增加功能 在不增加成本C的条件下增加功能F，从而提高价值。例如

41、折叠式旅行刀，在刀的背后冲制出开汽水瓶盖的钩状缺口，它与冲制光滑刀背相比，C值几乎相同，但增加了一个功能，功能值提高，产品的价值也就能提高。不降低功能而减少成本 在不降低功能F的条件下减少成本C，也能提高价值。采用新材料和新工艺，就能达到这一目的。如采用微电子系统实现控制，要比庞大复杂的机械系统成本低；采用石英电子机芯实现“显示时间”功能，要比用纯机械机芯便宜很多。,61,功能增加的倍数远大于成本提高的倍数 在成本略有提高的情况下改进设计使产品功能大幅度提高，产品价值提高。例如，选用一台电动机和一台减速器分别作为手段功能载体实现某上位功能，而用减速电动机，虽然价格较贵，但它同时实现了上述两项功

42、能，而且比分别采用电动机和减速器总价格便宜、占地面积小，质量轻，其该种方案价值系数显著提高。功能降低的倍数远小于成本降低的倍数 在不影响产品基本功能的前提下，剔除多余和粗劣功能，使次要功能和不必要的辅助功能减少，可节省大量的原材料，减少加工工序，成本会大幅度降低，价值提高。例如，日常中用的一次性纸水杯，表面上看产品功能下降，但与可多次使用的具有该功能的产品相比，免去了清洗、保养等耗费，表观上次次如新，总功能提高，而总成本却下降，产品价值提高。,62,功能增加，而成本降低 通过改进产品设计，提高产品功能的同时降低成本，使产品的价值得到较大的提高，这是最理想的情况，但也是最难实现的。在采取重大举措

43、的情况下，例如采用高新技术，才能实现这一目标。,63,334机电产品的功能与性能,机电产品的种类繁多，形式各异，各类机械的执行功能常常有较大差异，但对其性能的要求却大体相同，只不过其侧重点有时不样。表3-2所示为机床、工程矿山机械等主要机电产品的功能和性能，供设计时参考。,64,34产品功能的分解341总功能分解,产品的功能确定以后，要对其功能进行分解。在一般情况下机械系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的方案，但可以将总功能进行功能分解，建立功能结构图，并由此了解总功能与各功能元、分功能之间的关系，明确每个分功能的输入量和输出量，进而可以较容易求得各分功能的工作原理解，将求得的各功能元解有

44、机地结合起来，就可求出系统的方案。功能分解的过程实际上是对机械产品不断深入认识的过程，同时也是机械产品创新设计的过程。对总功能进行分解可以得到若干分功能，通过对分功能的描述，抓住其本质，尽量避免功能求解时的种种框框，使思路更加开阔。,65,342功能分解的方法,按照解决问题的因果关系或手段目的关系进行分解 例如，台式虎钳的功能分解。其总功能是“施压夹紧”，为了夹紧，必须施压，前者为目的，而后者为手段。例如，车床的功能分解。,总功能,切削工件,分功能 二级分功能,旋转工件,移动刀具,夹持工件传递旋转力,夹持刀具传递移动力,66,按照机械产品工艺过程的空间顺序或时间顺序进行分解 例如，啤酒自动灌装

45、机的分功能包括：输送瓶和盖，啤酒的贮存与输送，啤酒灌人瓶中，加盖与封口，贴商标，成品输出。可按照上述工艺过程来确定其功能分解内容和顺序。功能分解的一般原则是：按输入量转换为输出量所需的物理原理比较单一、易于求解的方法进行分解。功能分解的结果一般可用图表示为一种树状的功能结构，称为功能树。功能树是根据总功能对功能进行一级一级地分解，即分为一级分功能，二级分功能，其末端为功能元。前级功能是后级功能的目的功能，后级功能是前级功能的手段功能。同一层次的功能元组合起来，应该满足上一层功能的要求，最后合成的功能应该满足系统总功能的要求。实际设计时，建立系统的功能结构可以从系统的功能分解出发，分析功能关系与

46、逻辑关系。首先从上层分功能的结构开始考虑，建立该层功能结构的雏形，再逐层向下细化，最终得到完善的功能树。,67,343功能分解实例,数控车床功能树的建立 数控车床总功能的技术原理是将数字控制加工过程自动实现，通过车刀切削工件完成零件的车削加工，其特点是加工自动化和数字化。为实现此功能，必须具有：车削功能；将数字控制的加工程序转化为工件转动和车刀自动行走和进给的运动控制命令的信息处理功能；在车削过程中承受各种作用力的功能；保证几何精度的结构功能。第一级分功能：车削加工功能(基本功能：由工件的转动和车刀的行走、进给所完成)、输送功能、夹持功能、操纵功能(发出指令，有的包括在控制系统中，但也是可以与

47、控制系统分开，作为操纵指令信号流单独来考虑)、运动功能、动力功能、控制功能(主要是对工况进行检测与控制)和结构功能。第二级分功能是加工件、刀具和冷却液的转动、装卸、输送等相关功能。各层向下继续分解，如动力功能中的能量传递等，还可以继续分解为电动机、传动系统、卡盘等。,68,如此逐层分解，可以得到数控车床的功能树，如图3-22所示。,69,起重机功能树的建立 起重机的总功能是物料搬运，其总功能包括四个分功能：装夹功能、位移功能、卸放功能和维修再生安全功能。其中，功能元“装夹功能”有两个下位功能元：“支承容料”和“自锁”；功能元“位移功能”有四个下位功能元：“升降运动”、“左右前后运动”、“回转运

48、动”、“停顿”；功能元“维修再生安全功能”有三个下位功能元：“维修再生”、“安全自锁”、“过载保护”。,起重机功能树,70,果汁机功能结构确定 基于产品功能信息模型指导建立产品功能结构，为功能分解确定终止点及子功能之间逻辑关系，这样可以使产品的功能和结构保持一致性，从而获得有意义的设计结果。例如：果汁机功能结构设计。首先，确定系统总功能。进行设计工作时，对顾客的需求进行认真细致的定义，利用“黑箱法”抽象出果汁机总功能。总功能就是用框图表示的能量流、物料流和信息流在通过技术系统时，输入和输出的转换。如图3-24所示。,71,第二，分解总功能，建立功能树。功能分解是在功能表达基础上，应用逻辑分解的

49、原理并参考功能本体信息模型进行功能层次分解，将分解过程用树型结构表达出来，就得到果汁机功能分解树，如图3-25所示。,72,第三，把流引入功能层次的分解中。使用底层分级法构造功能结构，确定输入输出流，从底层对物质、信息、能量进行追踪，如果需要子功能还可以进一步分解。这里是“流”使同层次子功能相互关联。最后得出果汁机功能结构如图3-26所示。,73,复习与思考题,31一种机器的更新换代可以通过哪些途径来实现？32试分析车床功能的演进过程，从中体会功能演进与新技术的出现、机器机构的发明及创新之间的关系。（提示：人力车床蒸汽机、内燃机为动力的天轴、皮带车床-自动进给与具有尾座的车床-螺纹车床-电动机

50、为动力源的全齿轮车床-数控车床-加工中心-并联运动机床。）33功能原理设计的特点是什么？34将下列产品进行功能分析，找出基本功能和辅助功能：1）千斤顶；2）数控车床。35试述功能的几种类型？36什么是产品研发的关键技术？37产品的寿命周期成本是指产品的哪2项成本之和？试分析产品功能F与产品寿命周期成本C之间的关系。38为了提高产品的价值，可以采取哪几种措施？为什么？39试简述机床、工程矿山机械和化工机械等机械产品的功能和性能。310试构思保险箱锁（或别的简单动作功能）的功能原理。311试构思汽车安全带的“动感”自动锁紧的功能原理。（说明：带感指对安全带快速抽动敏感；动感或车感指对汽车任何动作敏