機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案

3機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從幾個(gè)名詞概念開(kāi)始認(rèn)識(shí)機(jī)械

機(jī)械原理課程的研究對(duì)象與內(nèi)容回顧1.機(jī)械的概念（回顧）一、機(jī)械、機(jī)械系統(tǒng)、系統(tǒng)機(jī)器機(jī)構(gòu)構(gòu)件零件機(jī)械機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概論(1)機(jī)器

是一種可用來(lái)傳遞或變換能量、物料與信息的機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的組合。它有三個(gè)特征。(2)機(jī)構(gòu)是用來(lái)傳遞與變換運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的可動(dòng)裝置。它有兩個(gè)特征。機(jī)構(gòu)組成機(jī)器回顧機(jī)構(gòu)的特征1）它是人為的實(shí)體組合；2）各實(shí)體之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；機(jī)器的特征3）它用來(lái)完成有用功、轉(zhuǎn)換能量或處理信息。從結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的角度分析，二者無(wú)異，統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械。機(jī)構(gòu)機(jī)器回顧2.系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)

系統(tǒng)——指具有特定功能的、相互間具有一定聯(lián)系的許多要素構(gòu)成的一個(gè)整體。系統(tǒng)本身可分成若干個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)里有時(shí)還可以分出更小的小子系統(tǒng)。系統(tǒng)本身還可以作為更大系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。

任何機(jī)械產(chǎn)品都是由若干個(gè)零部件及裝置組成的一個(gè)特定系統(tǒng)。即：由確定的質(zhì)量、剛度及阻尼的若干個(gè)物質(zhì)所組成，彼此間有機(jī)聯(lián)系，并能完成特定的功能，故亦稱(chēng)之為機(jī)械系統(tǒng)。

回顧回顧動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)支承系統(tǒng)安全系統(tǒng)-潤(rùn)滑系統(tǒng)-冷卻系統(tǒng)-密封系統(tǒng)等二、機(jī)械系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)類(lèi)型開(kāi)發(fā)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)改良性創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和改造老產(chǎn)品，最終目的是為市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)高效、價(jià)廉物美的機(jī)械產(chǎn)品，以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和類(lèi)型功能原理設(shè)計(jì)根據(jù)需要制定機(jī)械的總功能，擬定實(shí)現(xiàn)總功能的工作原理和技術(shù)手段，確定機(jī)械所要實(shí)現(xiàn)的工藝動(dòng)作運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)工作原理所提出的工藝動(dòng)作進(jìn)行分解，決定采用何種運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)工作原理執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式設(shè)計(jì)決定選擇何種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)）執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)根據(jù)工藝過(guò)程對(duì)各動(dòng)作的要求，分析各執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)如何協(xié)調(diào)配合，設(shè)計(jì)出機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析檢驗(yàn)執(zhí)行系統(tǒng)是否滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求和動(dòng)力性能方面的要求方案評(píng)價(jià)與決策對(duì)方案進(jìn)行定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)并從中選出最佳設(shè)計(jì)方案2機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和過(guò)程3.1

機(jī)械功能原理設(shè)計(jì)功能是系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動(dòng)或其他物理量的特性。“功能”是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)“顧客購(gòu)買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”。10設(shè)計(jì)者如何看待產(chǎn)品的功能呢？或者說(shuō)在設(shè)計(jì)中關(guān)于功能應(yīng)該考慮哪些因素呢？功能的定義及其分類(lèi)概念辨析

1)功能2)功用3)用途4)性能5)能力11功能的定義及其分類(lèi)

在以上各功能中，基本功能必須保證，且在設(shè)計(jì)中不能改變；附加功能可隨技術(shù)條件或結(jié)構(gòu)方式的改變而取舍或改變；而非必要功能可能是設(shè)計(jì)者主觀加上去的，因此可有可無(wú)。由于系統(tǒng)的功能總是以成本作為代價(jià)的，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明確的決定。所謂“功能原理設(shè)計(jì)”就是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。功能的分類(lèi)：功能必要功能非必要功能基本功能附加功能1、功能原理設(shè)計(jì)的特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一設(shè)計(jì)階段，而總體設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則是功能原理設(shè)計(jì)的后繼過(guò)程，是將功能原理設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)方案的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)有關(guān)課程的學(xué)習(xí)大家已經(jīng)有了比較詳細(xì)的了解。而對(duì)功能原理設(shè)計(jì)并不真正了解，與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，功能原理設(shè)計(jì)有其完全不同的特點(diǎn)和工作內(nèi)容。功能原理設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)（通過(guò)下面的例子來(lái)總結(jié)）例1要求設(shè)計(jì)一自動(dòng)送料板的裝置。機(jī)械推壓原理摩擦原理氣吸原理上料方法同—工作原理不同---要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同---機(jī)構(gòu)不同功能原理不同，工藝動(dòng)作（運(yùn)動(dòng)規(guī)律）也不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式自然不一樣。不同的機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)同一運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滿(mǎn)足同樣的使用要求例2設(shè)計(jì)一臺(tái)加工內(nèi)孔的機(jī)床。車(chē)床鏜床鉆床拉床例3設(shè)計(jì)草地剪草機(jī)。分析：對(duì)雜草進(jìn)行剪修通常的辦法有：拉——可以拉斷雜草，但無(wú)法控制被拉斷草的高度，即無(wú)法使草地整齊。割斷——像割麥一樣，需要握住雜草的上部才能割斷。剪斷——利用剪刀刃的合攏可以剪斷雜草。顯然，選擇剪斷是較合理的方案，并且將剪刀做成像理發(fā)推子那樣，這就是傳統(tǒng)的剪草機(jī)的解法原理。

后來(lái)設(shè)計(jì)人員受到雜技演員用鞭子把紙抽斷這一現(xiàn)象的啟發(fā)，可以用具有足夠高速度的軟物體代替刀、剪去切斷某些物體。于是一種新型的割草機(jī)誕生了：用一根直徑約2mm的高速旋轉(zhuǎn)的尼龍繩，去抽打被修剪的草，其結(jié)果是又快又好地將草坪修剪出來(lái)，如下圖所示。例4平板玻璃制造。

傳統(tǒng)制造平板玻璃都是采用“垂直引上法”，見(jiàn)圖a。此法是把半流體的玻璃從熔池中不斷向上引，開(kāi)始時(shí)通過(guò)軋輥控制厚度，然后邊向上引邊凝固。這樣加工出來(lái)的玻璃表面總是有波紋，且厚度不勻。近年來(lái)，出現(xiàn)了用“浮法”制造平面玻璃的新工藝，用此方法生產(chǎn)出來(lái)的玻璃克服了厚薄不均且有波紋的缺點(diǎn)。圖b是“浮法”加工的示意圖：讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點(diǎn)金屬的液面上，邊向前流動(dòng)邊凝固。

通過(guò)上述例子可知，功能原理設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：①功能原理方案設(shè)計(jì)就是針對(duì)某一確定的功能要求，構(gòu)思并求得能實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)的新的解法原理。（使機(jī)器的工作原理發(fā)生本質(zhì)的變化的設(shè)計(jì)）②功能原理設(shè)計(jì)中往往要引入某種新技術(shù)、新材料、新工藝……，但首先要求設(shè)計(jì)人員要有一種新想法、新構(gòu)思。（否則，沒(méi)有新想法，即使新技術(shù)放到面前也不會(huì)把它用到設(shè)計(jì)中去）。③功能原理設(shè)計(jì)使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化。（如機(jī)械鐘表無(wú)論在技術(shù)上如何改進(jìn)，其走時(shí)的精確性都不可能與石英表相媲美。）

因此，功能原理設(shè)計(jì)的好與壞將對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用，設(shè)計(jì)人員必須給予高度重視。

2.功能原理設(shè)計(jì)方法

功能原理設(shè)計(jì)方法是指把機(jī)械系統(tǒng)的總功能分解成若干功能元，通過(guò)功能元求解，然后進(jìn)行組合得到多個(gè)系統(tǒng)方案，以待選擇。產(chǎn)品功能的定義與分類(lèi)

功能原理設(shè)計(jì)必須由功能分析入手。在進(jìn)行功能分析之前，首先應(yīng)對(duì)“功能”的概念及其它有關(guān)的概念有一個(gè)科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

功能和功能元1．功能是對(duì)于某一產(chǎn)品特定的工作能力的抽象化描述。設(shè)計(jì)產(chǎn)品的目的是把一定的輸入量轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足需求、符合特定目的的輸出量。實(shí)質(zhì)上，“功能”是指某一機(jī)器或裝置（這里統(tǒng)稱(chēng)為技術(shù)系統(tǒng)）所具有的轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動(dòng)或其它物理量的特性。它反映了技術(shù)系統(tǒng)輸入量和輸出量之間的因果關(guān)系。例如，一臺(tái)電機(jī)的功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，一個(gè)系統(tǒng)可以分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)的總功能可以分解為若干分功能。任一機(jī)械產(chǎn)品都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)系統(tǒng)，因此其總功能同樣也具有可分性。例如，一臺(tái)鉆井泵是可以分成動(dòng)力端和液力端兩大部分。把鉆井泵看作一個(gè)整體系統(tǒng)，則動(dòng)力端和液力端即為分系統(tǒng)；增加液體的能量是總功能，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式和吸排液體的功能就是分功能。2、分功能3．功能元

在進(jìn)行一個(gè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)中，或?qū)σ粋€(gè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，有時(shí)僅僅使用分功能這一概念，難以清楚地表達(dá)出功能的層次和功能之間的相互關(guān)系。為此，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，引入功能元的概念。定義：功能元是指以功能為核心，既保持有一定的功能獨(dú)立性，又具有一定的復(fù)雜程度的技術(shù)單元。也可以說(shuō)，功能元是不能再分解的最小功能單位，是直接能從物理效應(yīng)、邏輯關(guān)系等方面找到解法的基本功能。機(jī)械和儀器中的基本功能可以歸納為三類(lèi)：物理功能元、邏輯功能元和數(shù)學(xué)功能元。應(yīng)該注意，分功能和功能元都是根據(jù)功能的相對(duì)獨(dú)立性而劃分的，與機(jī)械的零件、部件或機(jī)構(gòu)不能等同。前者是對(duì)一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的某一分系統(tǒng)工作任務(wù)的抽象描述，后者屬于功能載體?？偣δ芊治龇椒ā昂谙浞ā比魏我粋€(gè)機(jī)械系統(tǒng)（或一般技術(shù)系統(tǒng)）的輸入和輸出都可以歸納為三個(gè)基本要素

1.能量（E）：包括機(jī)械能、熱能、電能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等；2.物料（M）：可為材料、毛坯、試樣、氣體、液體等；3.信息（S）：表現(xiàn)為數(shù)據(jù)、控制指令和顯示等。能量、物料和信息三個(gè)基本要素在系統(tǒng)中沿一定路徑運(yùn)動(dòng)形成功能流，即：能量流、物料流和信息流。

在系統(tǒng)內(nèi)部物理量發(fā)生了變化，使得系統(tǒng)的輸入量與輸出量有所不同，這稱(chēng)為變換。儀器：是主要傳遞信息流的技術(shù)系統(tǒng)，其主要性能指標(biāo)為精度。設(shè)備：是主要傳遞物料流的技術(shù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中主要考慮靜強(qiáng)度和剛度等問(wèn)題。機(jī)械：是主要傳遞能量流的技術(shù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，主要性能指標(biāo)為強(qiáng)度、剛度、磨損和壽命等?？偣δ芊治龇椒ā昂谙浞ā痹谶M(jìn)行產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于所要設(shè)計(jì)的機(jī)械或其它產(chǎn)品，總會(huì)提出各種各樣的要求，給出一些限制條件。這些要求和限制條件有定性的也有定量的，有主要的也有次要的，如果從這樣復(fù)雜的任務(wù)要求出發(fā)來(lái)分析系統(tǒng)的總功能，難以一下子認(rèn)識(shí)清楚。為此，通常采用系統(tǒng)工程學(xué)中的“黑箱法”來(lái)抽象，并描述其功能流的輸入和輸出?！昂谙浞ā笔侵笇⑾到y(tǒng)看成一個(gè)不透明的不知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”，在不打開(kāi)黑箱的前提下，利用對(duì)未知系統(tǒng)的外部觀測(cè)，分析該系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入和輸出，通過(guò)輸入和輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定系統(tǒng)的功能和特性的分析方法。總功能分析方法——“黑箱法”

黑箱法是將要開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)視為一個(gè)未知內(nèi)容的黑箱，把三個(gè)基本要素的輸入和輸出用黑箱模型來(lái)表示，如圖所示。這樣的抽象表達(dá)，可暫時(shí)忽略次要因素，只對(duì)三個(gè)基本要素的輸入和輸出關(guān)系作集中考慮，因此能突出表達(dá)設(shè)計(jì)的總功能。用黑箱法描述系統(tǒng)功能例如自行車(chē)的功能原理設(shè)計(jì)。自行車(chē)功能原理系統(tǒng)圖又如機(jī)床設(shè)計(jì)。

“黑箱法”的特點(diǎn)是通過(guò)“黑箱”與輸入、輸出量及周?chē)h(huán)境的信息聯(lián)系，了解系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能、特性，進(jìn)一步探索出系統(tǒng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)，逐步使“黑箱”透亮，直至方案擬定。它擺脫了具體設(shè)計(jì)對(duì)象，而按系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能和對(duì)三大流進(jìn)行定性描述來(lái)進(jìn)行思考，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，以利于啟發(fā)設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出更新、更好的功能原理方案。黑箱

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要把復(fù)雜的總功能分解為各級(jí)分功能，最后直至功能元，再分別對(duì)功能元進(jìn)行求解，最后綜合成一個(gè)完整的功能原理方案。例：家用縫紉機(jī)的功能分解功能分解與功能元典型機(jī)器功能分析——縫紉機(jī)1、縫紉機(jī)的功能

縫紉機(jī)的總功能是將線按一定規(guī)律縫于縫料上。采用了上下兩根縫線互相交織，交織點(diǎn)位于縫料中間的雙線鎖式線跡。這種縫紉功能具有以下特點(diǎn)：

1)機(jī)縫線跡整齊美觀，縫合牢固，縫紉迅速。

2)實(shí)現(xiàn)總功能的各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)配合要求精度很高，如與機(jī)針相關(guān)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)配合間隙必須保持在0.04～0.10mm之間，一些關(guān)鍵動(dòng)作如鉤線又要求在極短時(shí)間(0.005s)內(nèi)完成。2、縫紉機(jī)的功能分析3421主要功能引線功能鉤線穿環(huán)功能挑線功能送料功能（1）1)引線功能

當(dāng)機(jī)針刺過(guò)縫料時(shí)，面線隨針下降。而當(dāng)針回升時(shí)，因引入槽長(zhǎng)而深，面線嵌入槽內(nèi)，不和縫料接觸而隨針上升。但引出槽卻短而淺，面線則凸出槽外被縫料擠壓，形成較大摩擦阻力，因而不隨針上升，而是被槽底托起，向外擴(kuò)大，造成線環(huán)。這是實(shí)現(xiàn)雙線交織的關(guān)鍵。縫紉機(jī)針1-針尖2-針刃3-針柄4-平面5-引入槽6-引出槽7-針孔擺梭尖嘴2)鉤線穿環(huán)功能

擺梭尖嘴插入所造線環(huán)，擺梭擺動(dòng)又使環(huán)擴(kuò)大，擴(kuò)大的環(huán)繞過(guò)梭心后，線環(huán)就被底線穿過(guò)。同時(shí)面線回收，使線環(huán)從擺梭尖嘴內(nèi)脫出，抽緊面線，形成底面線交織，而后擺梭組件返回。帶有尖嘴的擺梭作往復(fù)擺動(dòng)是實(shí)現(xiàn)的該功能的關(guān)鍵。3)挑線功能

當(dāng)機(jī)針向下穿刺，形成線環(huán)及擴(kuò)環(huán)過(guò)程，都需要把面線供給機(jī)針和擺梭，而當(dāng)?shù)拙€穿過(guò)面線環(huán)后，又需要收回面線，以便抽緊底線，形成交織。這是靠挑線桿帶著面線上下擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4)輸送縫料的功能

為使線跡連續(xù)，當(dāng)一個(gè)線跡形成后，縫料應(yīng)相對(duì)機(jī)針移動(dòng)一個(gè)線跡距離。

當(dāng)機(jī)針退出縫料后，送布牙就上升并壓入縫料底面，利用摩擦力使縫料移動(dòng)一個(gè)線跡。而后送布牙下降并返回原位，和縫料脫離接觸，以便進(jìn)行下一個(gè)形成線跡的功能動(dòng)作。送布機(jī)構(gòu)的方案（2）輔助功能為保證主要功能的實(shí)現(xiàn)，還配置了一系列輔助功能。1)調(diào)節(jié)面線和底線的阻尼功能為保證得到美觀、整齊和牢固的線跡，面線與底線的松緊應(yīng)能使鎖式線跡的交接點(diǎn)絞合在縫料中間。

面線過(guò)緊或底線過(guò)松，則會(huì)使底線被拉到縫料上面，反之，面線又會(huì)被底線拉到縫料下面。調(diào)節(jié)面線松緊的阻尼是靠旋動(dòng)夾面線螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)底線松緊的阻尼則用擰動(dòng)壓緊底線的螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2)調(diào)節(jié)壓腳壓緊力的功能壓腳壓緊縫料的壓力過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生縫料皺縮和使縫料遭受損傷，壓力過(guò)小，又會(huì)產(chǎn)生送料呆滯和縫料溜滑現(xiàn)象。這是靠調(diào)節(jié)壓腳壓力的螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3)調(diào)節(jié)送布針距的功能送布針距影響到線跡密度，提高線跡密度會(huì)增加縫紉牢度，但過(guò)密則會(huì)影響縫料強(qiáng)度。它由送布牙送料距離調(diào)節(jié)鈕決定。4)繞底線功能底線須繞在梭心上，才能進(jìn)行底面線交織。實(shí)現(xiàn)此功能是把梭心裝到繞線軸上，由高速轉(zhuǎn)動(dòng)的手輪使上摩擦輪帶動(dòng)繞線軸旋轉(zhuǎn)，而使梭心纏繞底線。（3）控制功能控制功能主要有三類(lèi)，即機(jī)械、人機(jī)、電子控制功能。1)機(jī)械控制功能縫紉機(jī)中每一功能動(dòng)作的協(xié)調(diào)，是由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的巧妙配合進(jìn)行控制的，主要由凸輪和連桿機(jī)構(gòu)的配合來(lái)達(dá)到的。2)人機(jī)控制功能操作者和縫紉機(jī)構(gòu)成了人機(jī)系統(tǒng)?？p紉信息傳入操作者的感官，再用手作為執(zhí)行器來(lái)控制縫料運(yùn)動(dòng)，完成縫紉要求。3)電子控制功能用微機(jī)進(jìn)行程序控制，從而實(shí)現(xiàn)可隨意調(diào)節(jié)和改變縫紉線跡，甚至可以實(shí)現(xiàn)繡花和鎖扣眼的特殊功能。主要、輔助和控制三方面功能互相配合，共同實(shí)現(xiàn)了縫紉總功能。

一般技術(shù)系統(tǒng)都比較復(fù)雜，難以直接求得滿(mǎn)足總功能的原理解。可利用系統(tǒng)工程分解性原理將功能系統(tǒng)按總功能、分功能、功能元進(jìn)行分解，化繁為簡(jiǎn)，以便通過(guò)功能元解的有機(jī)組合求得技術(shù)系統(tǒng)解。功能分解可圖示為樹(shù)狀的功能結(jié)構(gòu)，稱(chēng)功能樹(shù)。功能樹(shù)起于總功能，按分功能、二級(jí)分功能……分解，其末端為功能元。例如：激光分層實(shí)體制造設(shè)備的功能分析。功能分解與功能元功能分解如下：型層疊合形成紙型紙型疊合排煙測(cè)控送紙收紙X向掃描Y向掃描驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)送紙驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)送紙驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)X向位移驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)Y向位移壓紙粘合Z向升降驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)輥Y向移動(dòng)測(cè)高工作狀態(tài)操縱總功能一級(jí)分功能功能元功能元（分功能）的求解

一個(gè)功能元（分功能）都要找出相應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)一個(gè)功能元（分功能）可以相應(yīng)地提出幾個(gè)技術(shù)、物理效應(yīng)。功能元的求解方法主要有：①參考有關(guān)資料、專(zhuān)刊或產(chǎn)品求解法；②利用各種創(chuàng)造性方法以開(kāi)闊思想去探討求解法；③利用設(shè)計(jì)目錄求解法。設(shè)計(jì)目錄是把能實(shí)現(xiàn)某種功能元的各種原理和結(jié)構(gòu)綜合在一起的一種表格或分類(lèi)資料。常用的五種物理功能元包括各種類(lèi)型能量之間的轉(zhuǎn)變、運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)變、材料性質(zhì)的轉(zhuǎn)變、物態(tài)的轉(zhuǎn)變及信號(hào)種類(lèi)的轉(zhuǎn)換等指各種物理量(如位移、速度、力)的放大或縮小等包括能量流、物料流、信息流的結(jié)合或分離（如運(yùn)動(dòng)的合成或分解）體現(xiàn)三大流在一定時(shí)間范圍內(nèi)保存的功能，如彈簧、電池、錄音帶、光盤(pán)等的儲(chǔ)存反映能量流、物料流、信息流的位置變化。如離合器、開(kāi)關(guān)、閥門(mén)等部分功能元解法目錄連桿機(jī)械一次增力功能元解法目錄四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換解法目錄第六步：訂書(shū)打孔機(jī)的四種原理方案解見(jiàn)圖。設(shè)計(jì)舉例：設(shè)計(jì)手動(dòng)訂書(shū)打孔機(jī)設(shè)計(jì)要求：①操作手柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；②打孔針作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；③桿件數(shù)目為4個(gè)；④省力。解題步驟：第一步：確定總功能(打孔)。第二步：總功能分解(輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅闹本€運(yùn)動(dòng)；力增大)。第三步：由于是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)的四桿機(jī)構(gòu)，故可查四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換解法目錄，以尋求解法。第四步：選取2、4、7、9四個(gè)方案。第五步：增力機(jī)構(gòu)選取杠桿機(jī)構(gòu)。訂書(shū)打孔機(jī)原理方案解原理解組合---形態(tài)綜合法1）原理方案的組合可采用形態(tài)綜合法即將系統(tǒng)的功能元列為縱坐標(biāo)，各功能元的相應(yīng)解法列為橫坐標(biāo)，構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣，如表2-1所示。

表中，U1、U2、…、Um為功能元(即分功能)：t11、t12、…為第一功能元的解；tm1、tm2、…、tmnm為第m功能元Um的解。從每項(xiàng)功能元中取出一種解進(jìn)行合理組合，即可得到一個(gè)系統(tǒng)解，最多可以組合出N種原理方案：N=n1×n2×…×ni×…×nm式中，m為功能元數(shù)；ni為第i種功能元解的個(gè)數(shù)。例1：行走式挖掘機(jī)的原理方案分析：解:1)功能分析:物料取移驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)取放取放物移物驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)移位2)探索功能元并列出形態(tài)學(xué)矩陣如下:功能元功能元解123456A動(dòng)力源※電動(dòng)機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)蒸汽透平機(jī)¤液動(dòng)機(jī)氣動(dòng)馬達(dá)B移位傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)帶傳動(dòng)※鏈傳動(dòng)¤液力偶合器C移位軌道及車(chē)輪¤輪胎※履帶氣墊D取物傳動(dòng)拉桿※繩傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)¤液壓傳動(dòng)E取物※挖斗¤抓斗鉗斗式3)方案組合:可能的方案數(shù)如：A1－B4－C3－D2－E1→履帶式挖掘機(jī)※

A5－B5－C2－D4－E2→液壓輪胎式挖掘機(jī)¤

例2：利用機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)目錄法設(shè)計(jì)化工廠雙桿攪拌器的傳動(dòng)裝置。已知該傳動(dòng)裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速

，兩攪拌桿以240次/min同步往復(fù)擺動(dòng)（擺動(dòng)方向不限）。解：1）功能分析：回轉(zhuǎn)擺動(dòng)兩桿同擺減速，傳動(dòng)比雙桿攪拌2）機(jī)械傳動(dòng)方案組合：各分功能解形態(tài)學(xué)矩陣如下：

分功能解

分功能1234Ⅰ減速（i=4)齒輪傳動(dòng)A帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)B摩擦輪傳動(dòng)Ⅱ回轉(zhuǎn)擺動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)B擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)A（擺動(dòng)從動(dòng)件）Ⅲ兩桿同擺平行四邊形機(jī)構(gòu)B對(duì)稱(chēng)凸輪（擺動(dòng)從動(dòng)件）A共可組合的方案數(shù)：N=432=24方案A：Ⅰ1＋Ⅱ3＋Ⅲ2，電動(dòng)機(jī)－齒輪傳動(dòng)－凸輪機(jī)構(gòu)－對(duì)稱(chēng)凸輪（雙擺動(dòng)桿），其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊

。方案B：Ⅰ3＋Ⅱ1＋Ⅲ1，電動(dòng)機(jī)－鏈傳動(dòng)－曲柄搖桿機(jī)構(gòu)－平行四邊形機(jī)構(gòu)（雙擺動(dòng)桿），其特點(diǎn)是可遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，成本較低。

3.2機(jī)械運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

⑴機(jī)械運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則

滿(mǎn)足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作先后的順序性要求

滿(mǎn)足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作在時(shí)間上的同步性要求

滿(mǎn)足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求

滿(mǎn)足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在操作上的協(xié)同性要求

各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作安排要有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率

各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高執(zhí)行構(gòu)件動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合●送料機(jī)構(gòu)將原料送入?？咨戏胶螅瑳_頭進(jìn)入?？走M(jìn)行沖壓●沖頭上移一段距離后，進(jìn)行下次送料動(dòng)作折疊包裝機(jī)構(gòu)的兩個(gè)執(zhí)行構(gòu)件

兩個(gè)構(gòu)件不能同時(shí)位于區(qū)域MAB中，以免干涉。餅干1342餅干21左折邊構(gòu)件餅干32包裝紙4右折邊構(gòu)件餅干1342餅干1342餅干1342餅干1342包裝紙右折邊構(gòu)件左折邊構(gòu)件MBA讓刀運(yùn)動(dòng)

執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度的協(xié)調(diào)配合0范成運(yùn)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)i0齒輪插刀加工0讓刀運(yùn)動(dòng)

范成法加工時(shí)，刀具與齒坯之間必須保持精確的傳動(dòng)比。⑵執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法●確定機(jī)械的工作循環(huán)周期●確定機(jī)械在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件的各個(gè)行程段及其所需時(shí)間●確定各執(zhí)行構(gòu)件動(dòng)作間的配合關(guān)系

⑶機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖用于描述機(jī)械在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中各執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)間相互協(xié)調(diào)配合的圖。通常選取機(jī)械中某一主要的執(zhí)行構(gòu)件為參考構(gòu)件，以生產(chǎn)工藝的起始點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)循環(huán)的起始點(diǎn)，據(jù)此確定其它執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于參考構(gòu)件的先后次序和配合關(guān)系。運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖形式

直線式圓周式直角坐標(biāo)式

退回停止沖制

進(jìn)給沖頭送料器曲柄轉(zhuǎn)角

0o90o180o270o

360o

直線式工作循環(huán)圖

主軸作為參考構(gòu)件

圓周式工作循環(huán)圖

圖示單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)圖。曲軸為參考構(gòu)件，轉(zhuǎn)動(dòng)2轉(zhuǎn)為一個(gè)工作循環(huán)。啟排氣門(mén)開(kāi)啟進(jìn)氣門(mén)開(kāi)進(jìn)氣排氣壓縮膨脹閉進(jìn)氣門(mén)關(guān)火點(diǎn)曲軸0o

540o

360o

180o

排門(mén)閉關(guān)氣直角坐標(biāo)式工作循環(huán)圖

餅干包裝機(jī)工作循環(huán)圖中，橫坐標(biāo)表示參考構(gòu)件的轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)表示執(zhí)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)角。進(jìn)退

靜止

靜止

靜止

進(jìn)退

MM餅干1342餅干21左折邊構(gòu)件餅干32包裝紙4右折邊構(gòu)件餅干1342餅干1342餅干1342餅干1342包裝紙右折邊構(gòu)件左折邊構(gòu)件MBA左執(zhí)行機(jī)構(gòu)1

右執(zhí)行機(jī)構(gòu)2

分配軸轉(zhuǎn)角

0o90o180o270o360o3.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)指標(biāo)●系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)現(xiàn)工藝動(dòng)作的準(zhǔn)確性●運(yùn)動(dòng)性能

運(yùn)轉(zhuǎn)速度、行程可調(diào)性、運(yùn)動(dòng)精度等●動(dòng)力性能

承載能力、增力特性、傳力特性、振動(dòng)噪音等●工作性能

效率高低、壽命長(zhǎng)短、可操作性、安全性、可靠性適用范圍等●經(jīng)濟(jì)性

加工難易、能耗大小、制造成本等●結(jié)構(gòu)緊湊性尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等

評(píng)價(jià)方法

⑴評(píng)分法針對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)中各個(gè)項(xiàng)目，選擇一定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和總分計(jì)分法對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。建立評(píng)價(jià)體系選擇評(píng)分方法選擇評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)分選擇總分計(jì)分法，計(jì)算總分選取高分者為優(yōu)選方案

總分計(jì)分法

方法公式特點(diǎn)分值相加法

將n個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分值簡(jiǎn)單相加，計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀分值連乘法將n個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)評(píng)分值相乘，使各方案總分差拉開(kāi)，便于比較

均值法

將相加所得結(jié)果除以評(píng)價(jià)目標(biāo)系數(shù)，結(jié)果直觀

相對(duì)值法

將均值法所得結(jié)果除以理想值，使Qi1，可看出與理想值的差距

加權(quán)計(jì)分法(有效值法)

將各項(xiàng)評(píng)分值乘以加權(quán)系數(shù)后相加，考慮了各評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度

評(píng)價(jià)結(jié)果的處理入選方案數(shù)設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)準(zhǔn)則結(jié)果處理1最后階段合理已得到最佳方案，設(shè)計(jì)結(jié)束可改進(jìn)重新決定評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，再作評(píng)價(jià)中間階段合理評(píng)價(jià)結(jié)束，轉(zhuǎn)入下一階段多于1最后階段合理增加評(píng)價(jià)項(xiàng)目或提高評(píng)價(jià)要求再作評(píng)價(jià)中間階段需改進(jìn)若入選數(shù)太多，按上述方案改進(jìn)準(zhǔn)則再作評(píng)價(jià)合理將入選方案排序，轉(zhuǎn)入下一設(shè)計(jì)階段0任何階段可改進(jìn)放寬評(píng)價(jià)要求，再作評(píng)價(jià)合理待評(píng)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量不高需再設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)舉例1.C1325自動(dòng)車(chē)床刀架系統(tǒng)的分析功能要求自動(dòng)換刀軸向進(jìn)給進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)刀具主軸轉(zhuǎn)塔刀架9工件齒條714壓簧12圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4曲柄5圓錐齒輪傳動(dòng)3寬齒輪2齒輪1活動(dòng)支架8定位銷(xiāo)10六槽輪機(jī)構(gòu)11613功能分解

●讓刀—轉(zhuǎn)位前刀架先右退，以免刀具與工件干涉●轉(zhuǎn)位—轉(zhuǎn)塔刀架每次轉(zhuǎn)過(guò)60o●定位—轉(zhuǎn)位之前拔出保證加工精度的定位銷(xiāo)●進(jìn)、退刀—不轉(zhuǎn)時(shí)，精確實(shí)現(xiàn)預(yù)定的進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)。進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)刀具主軸轉(zhuǎn)塔刀架9工件齒條714壓簧12圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4曲柄5圓錐齒輪傳動(dòng)3寬齒輪2齒輪1活動(dòng)支架8定位銷(xiāo)10六槽輪機(jī)構(gòu)11613刀架系統(tǒng)的工作過(guò)程退刀壓簧12→推桿13回程→齒輪6→齒條7→活動(dòng)支架8向右完成退刀讓刀退刀的同時(shí)，齒輪1的離合器結(jié)合并開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)→寬齒輪2→圓錐齒輪3→圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4→拔出銷(xiāo)10；同時(shí)，曲柄5轉(zhuǎn)動(dòng)→支架8快速向右讓刀進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)刀具主軸轉(zhuǎn)塔刀架9工件齒條714壓簧12圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4曲柄5圓錐齒輪傳動(dòng)3寬齒輪2齒輪1活動(dòng)支架8定位銷(xiāo)10六槽輪機(jī)構(gòu)11613轉(zhuǎn)位讓刀快結(jié)束時(shí)，槽輪開(kāi)始轉(zhuǎn)位→曲柄5的后半圈→支架8向左移動(dòng)完成復(fù)位定位轉(zhuǎn)位結(jié)束時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)4的從動(dòng)件推桿擺動(dòng)→插入定位銷(xiāo)10，齒輪1離合器脫開(kāi)并停止運(yùn)轉(zhuǎn)刀架系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)刀具主軸轉(zhuǎn)塔刀架9工件齒條714壓簧12圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4曲柄5圓錐齒輪傳動(dòng)3寬齒輪2齒輪1活動(dòng)支架8定位銷(xiāo)10六槽輪機(jī)構(gòu)11613進(jìn)給從動(dòng)件13推程→齒輪6→齒條7→活動(dòng)支架8向左運(yùn)動(dòng)完成進(jìn)給進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)刀具主軸轉(zhuǎn)塔刀架9工件齒條714壓簧12圓柱凸輪機(jī)構(gòu)4曲柄5圓錐齒輪傳動(dòng)3寬齒輪2齒輪1活動(dòng)支架8定位銷(xiāo)10六槽輪機(jī)構(gòu)11613刀架系統(tǒng)的工作過(guò)程刀架系統(tǒng)的工作循環(huán)圖定位銷(xiāo)轉(zhuǎn)塔活動(dòng)支架定位拔出靜止轉(zhuǎn)位后退復(fù)位圓柱凸輪轉(zhuǎn)角090o180o270o360o刀架系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的組合方式及特點(diǎn)

組合方式分析組合方式主要以串聯(lián)方式為主，但在I、II處采用了特殊的并聯(lián)方式。進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)圓柱齒輪機(jī)構(gòu)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)活動(dòng)支架進(jìn)退轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位定位銷(xiāo)進(jìn)退III

機(jī)構(gòu)功能分析●進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)控制整個(gè)工件的加工過(guò)程，不同的工件需要更換不同的凸輪●后續(xù)串聯(lián)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式并將運(yùn)動(dòng)放大●后續(xù)再串聯(lián)一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以增大讓刀距離●并聯(lián)槽輪機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位●并聯(lián)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)讓位●并聯(lián)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)再串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)定位，且容易滿(mǎn)足時(shí)序要求●圓柱齒輪后串接圓錐齒輪機(jī)構(gòu)用于改變運(yùn)動(dòng)方向刀架系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的組合方式及特點(diǎn)進(jìn)刀凸輪機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)圓柱齒輪機(jī)構(gòu)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)活動(dòng)支架進(jìn)退轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)位定位銷(xiāo)進(jìn)退III本章結(jié)束2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.1功能的定義及其分類(lèi)功能是系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)化能量、運(yùn)動(dòng)或其他物理量的特性。“功能”是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)“顧客購(gòu)買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”。88設(shè)計(jì)者如何看待產(chǎn)品的功能呢？或者說(shuō)在設(shè)計(jì)中關(guān)于功能應(yīng)該考慮哪些因素呢？2.1.1功能的定義及其分類(lèi)顧客對(duì)功能的需求是有條件的，設(shè)計(jì)者也必須考慮如下問(wèn)題：

1）功能使用的地點(diǎn)及環(huán)境條件；

2）功能的定性與定量參數(shù)；

3）功能實(shí)現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)與手段；

4）功能使用的經(jīng)濟(jì)性89概念辨析

1)功能2)功用3)用途4)性能5)能力902.1.1功能的定義及其分類(lèi)功能的分類(lèi)在設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)各種功能的對(duì)待與處理方法：2）附加功能可隨技術(shù)條件或結(jié)構(gòu)方式的改變而取舍或改變；3）非必要功能可能是設(shè)計(jì)者主觀加上去的，因此可有可無(wú)。4）由于系統(tǒng)的功能總是以成本作為代價(jià)的，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明確的決定。1）基本功能必須保證，且在設(shè)計(jì)中不能改變；912.1.1功能的定義及其分類(lèi)2.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)【例2.1】設(shè)計(jì)行走機(jī)器人

2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)“功能原理設(shè)計(jì)”就是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。基本功能——行走注意：不要先入為主，抓住一種方案不放手！這樣很有可能使你喪失以最佳方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的機(jī)會(huì)！92輪式足式（雙足、四足、六足、八足）履帶式蠕動(dòng)式混合式（輪-足）方式932.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)勇氣號(hào)機(jī)遇號(hào)942.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)如何從眾多可實(shí)現(xiàn)方案中選擇滿(mǎn)足特定要求的原理方案？

分析各種行走原理的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)），并與具體的要求作比較，從中選出最佳原理方案。與具體要求比較還要考慮創(chuàng)新性和市場(chǎng)潛力952.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)【例2.2】設(shè)計(jì)草地剪草機(jī)對(duì)雜草進(jìn)行剪修通常的辦法有：拉斷——可以拉斷草，但無(wú)法控制被拉斷草的高度，即無(wú)法使草地整齊。割斷——像農(nóng)夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。剪斷——利用剪刀刃的合攏可以剪斷草。（剪斷是較合理的方案，目前很多剪草機(jī)都采用這種方式）功能原理設(shè)計(jì)就是針對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思，亦即針對(duì)產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。962.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)剪草機(jī)功能原理設(shè)計(jì)972.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)用一根直徑約2mm的高速旋轉(zhuǎn)的尼龍繩，去抽打被修剪的草。1）垂直引上法（傳統(tǒng)方法），此法是把半流體的玻璃從熔池中不斷向上引，開(kāi)始時(shí)通過(guò)軋輥控制厚度，然后邊向上引邊凝固。這樣加工出來(lái)的玻璃表面總是有波紋，且厚度不勻。

2）浮法制造平面玻璃的新工藝，讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點(diǎn)金屬的液面上，邊向前流動(dòng)邊凝固。用此方法生產(chǎn)出來(lái)的玻璃克服了厚薄不均且有波紋的缺點(diǎn)。

玻璃制作的功能原理設(shè)計(jì)

982.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的任務(wù)

針對(duì)某一確定的功能要求，去尋求一些物理效應(yīng)并借助某些作用原理來(lái)求得一些實(shí)現(xiàn)該功能目標(biāo)的解法原理。功能原理設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容是：

構(gòu)思能實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)的新的解法原理。992.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：②功能原理設(shè)計(jì)中往往要引入某種新技術(shù)、新材料、新工藝……，但首先要求設(shè)計(jì)人員有一種新想法、新構(gòu)思。③功能原理設(shè)計(jì)使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化。

所以，功能原理設(shè)計(jì)的好與壞將對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用，設(shè)計(jì)人員必須給予高度重視。①功能原理設(shè)計(jì)是用一種新的物理效應(yīng)來(lái)代替舊的物理效應(yīng)，使所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作原理發(fā)生根本變化。1002.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問(wèn)題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

設(shè)計(jì)者必須親自通過(guò)調(diào)查、分析，確定合理明確的功能目標(biāo)。當(dāng)功能目標(biāo)明確之后，就可以尋找一些類(lèi)似的技術(shù)作參考，這樣可以使設(shè)計(jì)者在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出更新，更巧妙的構(gòu)思，同時(shí)，設(shè)計(jì)者還應(yīng)重視基本科學(xué)知識(shí)的積累，避免陷入一些違反基本科學(xué)原理的錯(cuò)覺(jué)。1012.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問(wèn)題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

2）一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品

一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品，其部分原因就是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)，材料和工藝（加工、裝配、檢測(cè)）問(wèn)題無(wú)法得到合理的解決。

這充分說(shuō)明創(chuàng)新構(gòu)思時(shí)一定要粗略考慮一些主要的結(jié)構(gòu)工藝問(wèn)題的重要性。1022.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)在功能原理設(shè)計(jì)階段需要注意的三個(gè)問(wèn)題

1）某些情況下設(shè)計(jì)任務(wù)不明確

2）一個(gè)好的原理構(gòu)思并不一定能成為產(chǎn)品

3）功能原理方案的模型驗(yàn)證，驗(yàn)證原理方案的可行性，對(duì)不完善的構(gòu)思進(jìn)行修改、完善、提高。

對(duì)功能原理構(gòu)思完畢后，就要進(jìn)行原理性試驗(yàn)，以驗(yàn)證功能原理是否能完成預(yù)定的目標(biāo)。功能原理試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和材料并不要求完全真實(shí)，以不影響功能原理的可靠性為原則。最后，必須要對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比，根據(jù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的對(duì)比結(jié)果選出一種最優(yōu)的功能原理，進(jìn)行下一步的實(shí)用化設(shè)計(jì)。1032.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的要求(3項(xiàng))：2）按照機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)要求以及系統(tǒng)功能進(jìn)行

比較，以便從中選出一個(gè)較理想的?；驹瓌t：1)需求原則;2）信息原則；3)系統(tǒng)原則；4)優(yōu)化、效益原則；設(shè)計(jì)要求:1)功能要求；2)適應(yīng)性要求；3)可靠性要求；4)生產(chǎn)能力要求；

5)使用經(jīng)濟(jì)性要求；6)成本要求等

3）一個(gè)好的功能原理設(shè)計(jì)應(yīng)既有創(chuàng)新構(gòu)思，又能滿(mǎn)足用戶(hù)的需

求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益。1）應(yīng)設(shè)計(jì)出幾種不同的功能原理方案；1042.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)功能原理設(shè)計(jì)的步驟功能原理方案設(shè)計(jì)步驟（科學(xué)合理的步驟）

1052.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

一般設(shè)計(jì)過(guò)程：一般設(shè)計(jì)過(guò)程的缺點(diǎn)：

1）帶有很大的盲目性

2）設(shè)計(jì)人員知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的局限性，妨礙了思維，束縛了創(chuàng)造力1062.1.2功能原理設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法——黑箱法“黑箱法”設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

1）暫時(shí)摒棄那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能

2）將必要功能和基本功能用較為抽象的形式(如輸入量和輸出量)加以表達(dá)。

3）通過(guò)抽象化可清晰地掌握所設(shè)計(jì)系統(tǒng)(產(chǎn)品)的基本功能和主要約束條件，從而突出設(shè)計(jì)中的主要矛盾，抓住問(wèn)題的本質(zhì)。從滿(mǎn)足系統(tǒng)功能的角度看黑箱法1072.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法自行車(chē)的黑箱

車(chē)床黑箱圖（對(duì)外界的影響）（來(lái)自外界的影響）108黑箱法示意圖

如果把具體設(shè)計(jì)對(duì)象抽象化，統(tǒng)稱(chēng)為待設(shè)計(jì)系統(tǒng)，則有下圖形式——黑箱法

物料流：材料/毛坯/半成品/成品/液體/氣體等能量流：電能/光能/機(jī)械能/熱能/核能等信號(hào)流：數(shù)據(jù)/測(cè)量值/控制信號(hào)/波形等1092.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法稱(chēng)為黑箱法的原因?qū)τ诖O(shè)計(jì)的系統(tǒng)(產(chǎn)品)來(lái)說(shuō)，在求解之前，猶如一個(gè)看不見(jiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑箱”。這種“黑箱”只是用來(lái)描述系統(tǒng)的“功能目標(biāo)”，至于“黑箱”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻是未知的，是需要設(shè)計(jì)人員去進(jìn)一步構(gòu)思和設(shè)計(jì)的1102.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法黑箱法的特點(diǎn):

2）擺脫了具體設(shè)計(jì)對(duì)象，而按系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能和對(duì)三大流進(jìn)行定性描述來(lái)進(jìn)行思考，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，以利于啟發(fā)設(shè)計(jì)人員構(gòu)思出更新、更好的功能原理方案來(lái)。3）通過(guò)“黑箱”與輸入、輸出量及周?chē)h(huán)境的信息聯(lián)系，了解系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能、特性，進(jìn)一步探索出系統(tǒng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)，逐步使“黑箱”——“灰箱”——“白箱”，直至方案擬定。1）“黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來(lái)研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)的一種方法；1112.1.3功能原理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法—黑箱法2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)研究功能元、功能結(jié)構(gòu)的意義“黑箱法”是根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來(lái)研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。只是揭示了物料、信息、能量流由輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換則未給出明確的方法，必須在“黑箱法”的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能分解，這就用到了功能元和功能結(jié)構(gòu)的概念。自行車(chē)功能原理系統(tǒng)圖1122.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)

功能分解由于一個(gè)系統(tǒng)可以分解成一些子系統(tǒng)，所以，一個(gè)系統(tǒng)的總功能也能分解為一些分功能；如果有些分功能還太復(fù)雜，則還可以進(jìn)一步分解到更低層次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為止（功能元）。功能分解的目的是把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

113

機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的基本功能元有三類(lèi)：

1）物理功能元；2）數(shù)學(xué)功能元；3）邏輯功能元

物理功能元：反映系統(tǒng)中能量流、物料流及信息流的基本物理動(dòng)作，常用的有五個(gè)。(見(jiàn)表2.1)

數(shù)學(xué)功能元：主要用于機(jī)械系統(tǒng)中有一些與數(shù)學(xué)的加、減、乘、除等有關(guān)的功能要求，如差動(dòng)輪系、求積儀、機(jī)械式計(jì)算機(jī)等，它反映數(shù)學(xué)的基本動(dòng)作。(見(jiàn)表2.2)

邏輯功能元：主要用于信息及控制系統(tǒng)中，基本的邏輯功能元有“與”、“或”、“非”元。(見(jiàn)表2.3)

功能元：功能分解到最低層次，直到分解到最后不能再分解的基本功能單位為止，這個(gè)基本功能單位就叫功能元。1142.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)表2.1常用的物理功能元1152.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)功能元1162.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)功能的分解和組合關(guān)系稱(chēng)為功能結(jié)構(gòu)。將總功能分解成分功能（功能單位），同一層次的功能單位組合起來(lái)，應(yīng)能滿(mǎn)足上一層功能的要求，最后組合成的整體應(yīng)能滿(mǎn)足總功能的要求。圖2.7功能結(jié)構(gòu)示意圖1172.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)——基本類(lèi)型

串聯(lián)串并聯(lián)循環(huán)1182.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.功能結(jié)構(gòu)——建立功能結(jié)構(gòu)的一般原則

1）功能結(jié)構(gòu)圖可從“黑箱”或設(shè)計(jì)要求明細(xì)表出發(fā)來(lái)建立。2）先主后次，逐漸完善。首先考慮主要功能和主要流，初步建立功能結(jié)構(gòu)圖；再解決輔助功能和次要流，逐漸完善系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。4）功能結(jié)構(gòu)不是只有一種形式。5）總功能需要分解到什么程度主要取決于在哪個(gè)層次上能找到相應(yīng)的技術(shù)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能要求1192.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)例：建立材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖黑箱法求總功能總功能分解1202.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)建立功能結(jié)構(gòu)圖的流程建立功能結(jié)構(gòu)圖的兩種方法

1）從總功能出發(fā)來(lái)層層分解；

2）先建立輸入、輸出兩端的分功能，再根據(jù)總功能要求將兩端聯(lián)接起來(lái)；建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)的注意事項(xiàng)：1）建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)，應(yīng)首先選用表2.1所列的基本功能元；2）功能結(jié)構(gòu)圖應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，能找到相應(yīng)的技術(shù)效應(yīng)時(shí)就不要再繼續(xù)分解下去了；3）要把原理方案構(gòu)思同功能結(jié)構(gòu)圖的建立結(jié)合起來(lái)。1212.1.4功能元、功能結(jié)構(gòu)2.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.5功能元（分功能）求解

功能元是功能結(jié)構(gòu)圖中最基本的單位，每一個(gè)功能元都要求找出相應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)一個(gè)功能元可以相應(yīng)地提出幾個(gè)技術(shù)、物理效應(yīng)。

功能元的求解方法主要有：①參考有關(guān)資料、專(zhuān)刊或產(chǎn)品求解法；②利用各種創(chuàng)造性方法以開(kāi)闊思想去探討求解法；③利用設(shè)計(jì)目錄求解法。

設(shè)計(jì)目錄是把能實(shí)現(xiàn)某種功能元的各種原理和結(jié)構(gòu)綜合在一起的一種表格或分類(lèi)資料。1222.1.5功能元（分功能）求解1232.1機(jī)械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)2.1.6系統(tǒng)（產(chǎn)品）原理方案的綜合1）把各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到一個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)原理解。

2）組合的方法可以采用形態(tài)矩陣法(亦稱(chēng)為模幅箱法——利用形態(tài)學(xué)方法建立起的模幅箱)。功能原理方案確定時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題：一個(gè)好的原理構(gòu)思有時(shí)不能成為產(chǎn)品，原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、材料和工藝問(wèn)題無(wú)法得到合理解決。因此在創(chuàng)新構(gòu)思階段