第三章机械产品的功能原理设计

1第三章机械产品的功能原理设计

1.任何一种机器的更新换代都存在三个途径:1）改革工作原理；2）通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；3）加强辅助功能使其更适应使用者的心理。2.功能原理设计：针对主要功能的原理性设计。3.使思维尽量“发散”，提出创新的构思，并常用简图或示意图来表示构思。例如：设计一台点抄机：1）构思将钞票逐张分离的工作原理。2）图3-1为构思示意图2进行原理性构思时：1）首先考虑应用某种“物理效应”(如图中的摩擦、离心力、气吹等)；2）然后利用某种“作用原理”(如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等)，达到实现“功能目标”的“求解”。传统的验钞方法1点钞机的出现标志着人们梦寐以求的“数钱数到手抽筋”的时代已经结束！而在上个世纪90年代新增的验钞功能更为现在的懒人提供了技术上和物质的支持4点钞机工作原理分析题（参考第二章第五节）：课外作业：

分析点钞机功能目标，分析各功能原理，提出功能实现方法，并用Sketch绘出结构草图？功能目标：清点、辨伪。通常还具有自动开停机、预置数、防双张、防粘张和防夹心等辅助功能。辨伪：通常有荧光识别、磁性分析、红外穿透等方式。结构原理：由捻钞、出钞、接钞、机架和电子电路等部分组成。第三章机械产品的功能原理设计

5第三章机械产品的功能原理设计

融锋WJD-RF2008A2银行专用点钞机

第三章机械产品的功能原理设计

7第一节功能原理设计的工作特点和工作内容第二节功能、功能单元和功能结构第三节两种动作功能及其对应的求解思路第四节工艺功能及其对应的求解思路第五节关键技术功能、综合技术功能及其求解思路第三章机械产品的功能原理设计

8功能原理设计是一种创新构思的过程，是产品设计的最初环节。一、功能原理设计的工作特点

1.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.使机器品质发生质的变化。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容

9例如：石英电子表：石英晶体的压电效应和两极管式液晶显示相结合的手表。由一定谐振频率的石英晶体稳频，振荡电路产生脉冲信号，推动单相步进电机，经齿轮传动系统，带动时，分，秒指针，显示时间。电波表：由标准时间授时中心（陕西蒲城国家授时台）将标准时间信号进行编码，利用低频（20KHz

~

80KHz）载波将时间信号以无线电长波发播出去。电波钟表通过内置微型无线电接收系统接收该低频无线电时码信号，由专用集成芯片进行时码信号调解，再由计时装置内设的控制机构自动调节电波钟表的计时。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容10二.功能原理设计的三个工作特点：

1.功能原理设计是一种综合，综合是不可能有任何定法可循的。分析和综合是两种不同的科学方法。综合：“有法而无定法”。2.功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题。3.寻求作用原理是机械产品创新构思的重要阶段。充分利用：力学效应，流体效应，热力学效应，动力学效应，声、光、电、磁效应等。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容11三.功能原理设计的任务和主要工作内容

1.功能原理设计的任务：针对某一确定的“功能目标”．寻求一些（一种）“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”。例如：为实现直线移动的功能要求，可寻求液压、电磁或机构等物理效应，通过油缸、直线电机或刚体传动等作用原理，求得最终实现机械直线移动这个功能目标的解法原理。2.功能原理设计的主要工作内容：1）明确功能目标；2）构思能实现功能目标的新的解法原理；3）改进、完善解法。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容12功能目标：喷墨打印物理效应：1）电场控制电子束（效果差）；2）液体受热汽化（canon和hp）；3）压电晶体在电场作用时产生变形（epson）；作用原理：1）电子束扫描屏幕控制喷头喷出墨水；2）加热元件使毛细管口产生气泡，将墨水滴喷出；3）压电元件将墨水腔中的墨水从小孔口中挤出。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容13功能目标：激光打印物理效应：静电照相技术作用原理：光源为激光束，将打印内容转变为感光鼓上的点阵位图图像（像素），再转印到打印纸上。具体实现结构为2大部分：打印引擎（激光扫描器、反射棱镜、感光鼓、碳粉盒、热转印单元和走纸机构等组成）和打印控制器（通讯接口、处理器、内存和控制接口）。激光打印机：利用激光扫描成像技术、计算技术、电子照相技术，高质量打印的设备。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容14洗衣机设计：功能目标：使污垢与纤维分离达到衣物干净人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方式除去衣物纤维中的污垢。

1）波轮式洗衣机：用波轮回转形成水流并控制流速和流向达到洗净的效果；2）电磁洗衣机：缸内装有四个带电磁圈的洗涤头，通电后能在水中发出每秒2500次的高频微振；3）气流洗衣机：利用空气泵产生气泡，气泡破裂时产生的能量能提高洗净度，同时气泡可使洗涤剂更好地分解；4）超声波洗衣机：启动气泵和超声波发生器，衣物上污垢在超声波作用下由纤维中分离出来，由气泡带走。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容15已知一个机械产品作用原理，也可以构思出不同的产品。例如：风扇的功能：产生压力差。由于压力差使空气产生流动，吹到人身上时，人感到凉爽。分析风扇的功能和用途还可构思出如下相关产品：

1)风扇→鼓风机．为炉灶送风助燃；风扇→抽风机，抽吸厨房的油烟；风扇→吸尘器，吸尘。

2)改变结构：台扇改变为落地扇、吊扇、壁扇等；改变造型：圆形、方形、动物造型等。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容16通过改进工艺、结构和材料提高性能。例如：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容17设计的最主要工作：进行工作原理的构思，其核心是“功能”。一、机器的功能组成

机器完成的功能通常称为总功能，

总功能由多个分功能（功能单元）组成，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、控制器等组成。第二节功能、功能单元和功能结构18二、机械功能分析方法（功能、功能元和功能结构）1.功能的含义功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化描述，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。使衣物中污垢从纤维中分离出来第二节功能、功能单元和功能结构192.系统工程学对功能的描述把一个机械产品看成技术系统，设计初期该技术系统还不清楚，故用“黑箱”来描述功能：把信息流、能量流、物料流输入“黑箱”，在“黑箱”中转换成新的信息流（S）、能量流（E）、物料流（M），然后输送出来。功能是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。第二节功能、功能单元和功能结构20任何技术系统都可以视为3种流的处理系统：能量流:机械能、热能、电能、化学能、光能、核能。例如：内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流；

核电站的功能是将核能流转换为电能流。物料流：气体、液体或各种形式的固体。例如：机床实现多余物料从工件上分离；

输送带实现物料的搬运。信息流：各种测量值、输入指令、数据、图像；信息的载体可以是机械量、电量、化学量；信息的形式可以是模拟量或数字量。例如：AD转换器；数字电视将数字信息转化为图像信息；凸轮将转动量信息转化为直线运动量信息。第二节功能、功能单元和功能结构21举例：硬币计数包卷机：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。硬币计数包卷机外形图第二节功能、功能单元和功能结构3.功能单元

总功能可分解为一些分功能，能直接求解的分功能称为“功能单元”，一般属末端功能。功能单元具有一定的独立性。22黑箱法描述硬币机的总功能：第二节功能、功能单元和功能结构23硬币计数包卷机的分功能图244.功能分解

直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元。

如：夹持试件、夹头、移动等。拉伸试验机的功能分解第二节功能、功能单元和功能结构25冰箱功能分解图第二节功能、功能单元和功能结构26第二节功能、功能单元和功能结构5.功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。各分功能(或功能元)组合时有三种基本结构形式，如图所示。图中F1，F2和F3为分功能。27拉伸试验机的功能分解图第二节功能、功能单元和功能结构28第二节功能、功能单元和功能结构29第二节功能、功能单元和功能结构30二.按功能进行机械分类：

1.非工艺（动作）类机械：实现某种需求的功能。包括：交通运输机械、物料搬运机械、动力机械，各类阀门、泵、压力容器等。2.工艺类机械：对物料进行工艺性加工的机械。特点：具有工作头，如轧钢机的轧辊，切削机床的刀具，电锯的锯条。包括：金属加工设备、矿石破碎机械、矿石粉磨机械、食品机械、橡胶机械，木工机械等。第三节两种动作功能及其对应的求解思路一.功能的分类：31第三节两种动作功能及其对应的求解思路三、两种动作功能1.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。如：带轴的轮子，人类十大发明之一的拉链。32求解思路：几何形体组合法,即：针对功能目标，对几个构件的几何形体进行构思、组合。2.复杂动作功能采用常用基本机构为主。如：齿轮、齿条机构、连杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等。求解思路：基本机构组合法。第三节两种动作功能及其对应的求解思路33硬币机的卷边功能系统采用一组六杆机构、它既要使上钩的位置能随包卷纸的宽度而变，而且能使上、下钩同时进行对称的包卷动作，它是由凸轮、一套平行四杆机构和一套反四杆机构组合而成的。第三节两种动作功能及其对应的求解思路34一、工艺功能1.含义：

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、挖掘机的挖斗等〕。2.应考虑的两个因素:1）采用哪种工艺方法；2）工作头采用什么形状和动作。3.完成工艺功能的三个主要因素：

1）工作头的形状；2）运动方式；3）作用场第四节工艺功能及其对应的求解思路35举例：1、耕地的犁，犁头的工作面是—种复杂的空间曲面，它能把泥土犁起，翻过来扣在犁沟边上。第四节工艺功能及其对应的求解思路362、绞肉机绞碎的工艺方法：通过螺旋输送能强迫肉块通过绞刀孔，由刀片把挤出刀孔的肉绞碎。第四节工艺功能及其对应的求解思路373、水刀的工作原理：能够喷出大约三倍于音速的水流,可以切割各种非金属的物质。

第六节工艺功能及其对应的求解思路38二.工艺功能的分析方法（物—场分析法，S-Field法）S—对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2)F—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……一切作用场。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)。缺一即不可能发生技术作用。第四节工艺功能的求解思路39三.用S—Field模式探求工艺功能的原理解法:

基本的方法是寻求合理的F和S，此外还可以通过“完善”、“增加’’