机械产品设计高职高专.ppt

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1、高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 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高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 2第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计3 31 1 功能原理设计的特点和内容功能原理设计的特点和内容3 32 2 功能的类型及设计功能的类型及设计3 33 3 产品合理功能的确定产品合理功能的确定3 34 4 产品功能的分解产品功能的分解复习与思考题复习与思考题高等职业

2、教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 3第第3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 产品的功能设计有二层含义：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，简称为要功能的原理性设计，简称为“功能原理设计功能原理设计”。第二，在设计中以产品的功能为设计依据，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。以实现产品的功能为最终目标。高等职业教育示范专业规划教材

3、高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 43 31 1功能原理设计的特点和内容功能原理设计的特点和内容3 31 11 1功能原理设计的意义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，设计人功能原理设计的重点在于提出创新构思，设计人员思维要尽可能开阔，力求提出较多的方案供比较选员思维要尽可能开阔，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，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然后利用各种计算机CA

4、DCAD软件仿真机械产品的功能目标软件仿真机械产品的功能目标实现过程。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。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。是没有意义的。例如美国宝丽来公司研制的一次成像例如美国宝丽来公司研制的一次成像照像机。照像机。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 5 任何一种机器的更新换代都存

5、在三个途径。任何一种机器的更新换代都存在三个途径。改革工作原理改革工作原理改进工艺、结构和材料来提高技术性能改进工艺、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要比后重要的意义。但第一种途径在实现时的困难程度要比后两种大得多。以至于早在两种大得多。以至于早在6060年代就有人预言：各种机器年代就有人预言：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

6、料和结构方面。工艺、材料和结构方面。然而然而3030年来产品发展的事实否定了这种悲观的预言。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。艺、新材料的出现，也促进了新工作原理的产生。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 6例如液晶材料的实用化，促使钟表的工作原理发生了本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。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。例如计算机软

7、硬件的发展，使得铅字打字机成为历史。铅字打印机铅字打印机 针式打印机针式打印机 喷墨打印机喷墨打印机 激光打印机激光打印机 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。的注意力放在基本工作原理的改革这一方面来。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 7312 功能的含义功能的含义 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、用途、性能和能力等概念既有联系和人们常用的功能、用途、性

8、能和能力等概念既有联系又有区别。又有区别。“功能功能”是指某一机器（或装置）所具有的转化能是指某一机器（或装置）所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。量、运动或其他物理量的特性。以一台电动机为例：以一台电动机为例：电动机电动机功用功用作原动机作原动机用途用途驱动机床等驱动机床等性能性能效率等效率等能力能力功率、转速等功率、转速等功功能能将将电电能能转转变变为为旋旋转转运运动动的的动能动能高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 8 还有一种描述功能的方法：用系统工程学的还有一种描述功能的方法：用系统工程学的“黑箱黑箱”来描述功

9、能。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，其输入用物料流输入用物料流M M、信息流、信息流S S和能量流和能量流E E来描述；其输出用相应的来描述；其输出用相应的M M、S S和和E E来描述。于是，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。为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系。黑箱（黑箱（Black BoxBlack Box）技术系统技术系统信息流信息流S S（进行（进行 能量流能量流E E 转换

10、）转换）物料流物料流M M信息信息S S能量能量E E物料物料M MSEM输出输出 （OUTOUT）输入（输入（ININ）黑箱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。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。系统分析中的系统分析中的“白箱白箱”和和“灰箱灰箱”，则是指内部结构完全已知或，则是指内部结构完全已知或部分已知的技术系统。部分已知的技术系统。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 93

11、13功能原理设计的特点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。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功能原理设计往往要引入某种新技术(新材料、新工艺等新材料、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，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。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。功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如

12、，机械表不例如，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。子表相媲美。在实践中，每一个功能原理设计不在实践中，每一个功能原理设计不定都能体现这三个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。设计。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 10314功能原理设计的主要内容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：简要地说，功能原理设计的任务可表述为：针

13、对某一确定的针对某一确定的“功能目标功能目标”，寻求一些寻求一些“物理效应物理效应”并借助某些并借助某些“作用原理作用原理”，求得一些实现该功能目标的求得一些实现该功能目标的“解法原理解法原理”。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 11实例实例1 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：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。如考虑应用某种理。如考虑应用某种“物理效应物理效应”(如图中的摩擦、离心力、气吹等如图中的摩擦、离心力、气吹等)，然，然后利用某种后利用某种“作用原理作用原理”(如

14、图中的摩擦轮、转动架、气吸等如图中的摩擦轮、转动架、气吸等)，最后达到，最后达到实现实现“功能目标功能目标”的结果。的结果。1-1-推栝推栝 2-2-摩擦摩擦 3-3-离心力离心力 4-4-重力重力 5-5-粘力粘力 6-6-气吹气吹 7-7-气吸气吸 8-8-静电静电高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 12实例实例2 2：提出了开发喷墨打印技术的构想。：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

15、描白纸。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得多。后来人们又寻找了另外一些物理效应，较好地实现了得多。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。喷墨打印的功能目标。一种是一种是用液体受热汽化的物理效应，用液体受热汽化的物理效应，在毛细管口产生气在毛细管口产生气泡，将墨水滴喷出。泡，将墨水滴喷出。另一种是另一种是用压电晶体在受电场作用时产生变形的物理效用压电晶体在受电场作用时产生变形的物理效应，应，将墨水腔中的墨水从小孔口中挤出，达到喷墨的效果，将墨水

16、腔中的墨水从小孔口中挤出，达到喷墨的效果，如图如图3-33-3所示。所示。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 13 图图3-3 3-3 两种喷墨打印功能原理两种喷墨打印功能原理a a）加热汽化喷墨）加热汽化喷墨 b b）压电喷墨）压电喷墨高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 14实例实例3 3：并联运动机床的出现。：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

17、软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机制的潜力，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。构和运动学原理发生了根本的变化。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 15 功能原理设计的主要工作内容是功能原理设计的主要工作内容是构思能实现功能目标构思能实现功能目标的新的解法原理的新的解法原理。但其工作步骤必须先从但其工作步骤必须先从明确功能目标明确功能目标做起，然后

18、才能做起，然后才能进行创新构思进行创新构思，得出某些解法原理得出某些解法原理后还应后还应通过模拟试验通过模拟试验，进行技术分析进行技术分析，验证其原理上的可行性验证其原理上的可行性；对于不完善的构思还应对于不完善的构思还应按实验结果做修改、完善和提按实验结果做修改、完善和提高高的工作；的工作；最后对几个解法最后对几个解法作技术经济的评价对比作技术经济的评价对比，选择其中一，选择其中一种种较合理的解法作为最优方案加以采用较合理的解法作为最优方案加以采用。这里所谓的这里所谓的“最优方案最优方案”，实际上只能是一种，实际上只能是一种较较“满满意意”的解法的解法。因为在实际设计工作中，真正完全理想化的

19、、。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。没有缺点的解法几乎是没有的。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 1632功能的类型及设计功能的类型及设计321功能类型功能类型 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。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业

20、规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 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。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 18 随着科学技术的发展，已经不再局限于纯机械的方式去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

21、了完成动作功能，而出现了综合运用机、光、电、磁、热、化综合运用机、光、电、磁、热、化等各种等各种“广义物理效应广义物理效应”，以便更好地去实现各种动作功能，以便更好地去实现各种动作功能和工艺功能，我们把它总称为和工艺功能，我们把它总称为“综合技术功能综合技术功能”，以区别于，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。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，出现了近年来，在激烈的产品竞争中，出现了种有力的竞争种有力的竞争武器，就是所谓的

22、武器，就是所谓的“关键技术关键技术”。它是。它是作为某个企业或部门作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人掌握独有的技术，暂时还没有被别人掌握，因此该企业的产品在，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是工艺功能，而且很有可能也是采用“广义物理效应广义物理效应”的综的综合技术功能，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，称为一种功能，称为“关键技术功能关键技术功能”。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专

23、业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 19功能原理的分类和相互关系见图功能原理的分类和相互关系见图3-53-5所示。所示。功能类型功能类型动作类动作类简单动作功能简单动作功能复杂动作功能复杂动作功能关键技术功能关键技术功能综合技术功能综合技术功能工艺类工艺类工艺功能工艺功能（纯机械）（纯机械）（广义物理效应）（广义物理效应）对于一个具体的功能来说，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。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计

24、 20322按动作功能设计按动作功能设计带轴的轮子带轴的轮子 自然界有很多圆形物体，自然界有很多圆形物体，但不存在带轴的轮子，但不存在带轴的轮子，古代人类发明了带古代人类发明了带轴的轮子。轴的轮子。轮子被穿在轴上，能实现相对轮子被穿在轴上，能实现相对转动。这是一种典型的简单动作功能。转动。这是一种典型的简单动作功能。拉链拉链 拉链被称为人类近代十大发明之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。一，也是最典型的简单动作功能之例。它它有两种构件（链米和开链器）组成（图有两种构件（链米和开链器）组成（图3-3-6 6），能实现闭合和开启的动作功能。），能实现闭合和开启的动作功能

25、。简单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。相运动或锁合的动作。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 21其他其他 在今天的现实生活中，这种简单动作功能应用在今天的现实生活中，这种简单动作功能应用非常广泛。非常广泛。例如电视机双动调节盒盖，圆珠笔的伸缩双动例如电视机双动调节盒盖，圆珠笔的伸缩双动功能功能(图图3-7)3-7)，计算机鼠标的，计

26、算机鼠标的x x、y y驱动功能，各种电器开驱动功能，各种电器开关的双稳态快动功能，各种枪炮的击发功能等。关的双稳态快动功能，各种枪炮的击发功能等。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 22利用形体组合利用形体组合 简单动作功能简单，而所实现的功能简单动作功能简单，而所实现的功能又相对巧妙，所以往往给人以神奇的感觉。又相对巧妙，所以往往给人以神奇的感觉。例如，例如，“魔方魔方”，由三种构件组合而成，利用形体，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。的几种形状相互结合，可以实现巧妙的换位。例如自古到今

27、人类发明的各种门锁都是典型的简单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（图动作功能，较简单的是弹子锁（图3-83-8）。）。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 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

28、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。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 24复杂动作功能复杂动作功能 复杂动作功能以采用常用基本机构为主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，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，设计理论和经验。尽管这类功能原理

29、要实现相当复杂的功能目标，设计起来也并非毫无困难，但是起来也并非毫无困难，但是比起比起“简单动作功能简单动作功能”的设计，还是要的设计，还是要容易得多容易得多，因为常用基本机构已经被人们研究得相当透彻了。，因为常用基本机构已经被人们研究得相当透彻了。古代发明的机构古代发明的机构 当人类学会利用畜力、风力和水力的时候，当人类学会利用畜力、风力和水力的时候，人类就需要发明人类就需要发明些些能连续运动的机械来进行搬运、抽水和舂米等能连续运动的机械来进行搬运、抽水和舂米等工作，工作，这时候人类就已经开始发明这时候人类就已经开始发明绳轮、连杆、齿轮、凸轮等绳轮、连杆、齿轮、凸轮等些些机构机构，尽管比起现

30、代的结构要粗糙些，但其原理和现代机构完全相，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。同。基本机构基本机构 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1717世纪开始，近代的世纪开始，近代的6 6种基本机构：种基本机构：连杆机构、齿轮机构、挠性机构、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，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，

31、按美国大百科全书的说法，理论和实践上达到成熟和完善，按美国大百科全书的说法，1818世纪世纪至今至今200200年来，再也没有发明出什么新的基本机构。年来，再也没有发明出什么新的基本机构。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 25设计方法设计方法 复杂动作功能的复杂动作功能的求解思路是基本机构组合法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。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行机

32、构都属于这类型。虽然它们运动规律多种多样，但类型。虽然它们运动规律多种多样，但无非是无非是些齿轮、连杆、凸轮、螺旋等基本机构的组合而些齿轮、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已。即使一些以完成工艺功能为主的机器(如硬币计数包卷如硬币计数包卷机机)，其工作头完成的是工艺功能，但驱动工作头的执行机，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。构和传动机构也还是由基本机构组成的。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 26323按工艺功能设计按工艺功能设计工艺功

33、能的特点工艺功能的特点 工艺类机器是对被加工对象工艺类机器是对被加工对象(某种物料某种物料)实施某实施某种加工工艺的装置，其中必定有一个工作头种加工工艺的装置，其中必定有一个工作头(如机床如机床的刀具、挖掘机的挖斗等的刀具、挖掘机的挖斗等)，用这个工作头去完成对用这个工作头去完成对工作对象的加工处理。工作对象的加工处理。在这里，工作头和工作对象相互配合，实现在这里，工作头和工作对象相互配合，实现种功能，叫做种功能，叫做“工艺功能工艺功能”：这里的这里的“工艺工艺”是指是指“加工工艺加工工艺”，而不是工艺美术的意思。，而不是工艺美术的意思。这类工艺这类工艺功能要考虑两个重要因素：一是采用哪种工艺

34、方法；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。工作头的形状和动作。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 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，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，它能把杂的空间曲面，它能把(图图3-9)3-9)泥土

35、犁起，并翻过来扣在犁沟边泥土犁起，并翻过来扣在犁沟边上。上。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 28 机器的工艺方法往往不能完全模仿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，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，模仿手工剁切的方法很难把肉均匀剁碎，而且砧板也承受不了机械的剁切。因此而且砧板也承受不了机械的剁切。因此人们想出了绞碎的工艺方法，并设计了人们想出了绞碎的工艺方法，并设计了相应的工作头，如图相应的工作头，如图3-103-10所示，所示，通过螺通过螺旋输送器强迫肉块

36、通过绞刀孔，由刀片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。把挤出刀孔的肉绞碎。工艺功能比起动作功能来，更容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特点。因为工作头的变革可能性是很大的。大的。例如目前市场上出现的家用切例如目前市场上出现的家用切碎机碎机(图图3-11)3-11)，其工作头的形状、工，其工作头的形状、工作方式完全不同于老式的绞肉机，特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计很有特色，能保证肉或菜被

37、均匀地切碎。切碎。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 29 工艺功能不仅要有动作，它与动作功能不同之处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。这种作用有主要在于工作头对物体的作用。这种作用有部分是部分是纯机械的作用。纯机械的作用。例如上述绞肉机，就是刀口对肉的绞例如上述绞肉机，就是刀口对肉的绞切作用。切作用。而工艺功能的最大特点在于这种作用有时可而工艺功能的最大特点在于这种作用有时可能不是纯机械的，而加入了其他广义的作用。能不是纯机械的，而加入了其他广义的作用。例如过例如过去长期采用的纯机械切削

38、的金属切削工艺，现在可以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。采用激光切割和水刀切割。工艺功能的特点是：工艺功能的特点是：工作头的形状、运动方式和作工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。用场是完成工艺功能的三个主要因素。这里，工作头这里，工作头和工作对象是对立的统一，通过和工作对象是对立的统一，通过“场场”产生相互作用。产生相互作用。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 30物物场分析法场分析法基本原理基本原理 前苏联的科学家提出的物一场分析法前苏联的科学家提出的物一场分析

39、法(SField法法)适适合于求解工艺功能。所谓合于求解工艺功能。所谓S，是指对象或物体，是指对象或物体(Substance)。这个方法。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，一个客体(S2)和和个场个场(F)，三者缺，三者缺不可，否则不能发生技术作用。不可，否则不能发生技术作用。一个标准的一个标准的SField模型的形式如图模型的形式如图3-12所示，即所示，即S1通过通过F作用于作用于S2。S1为主体为主体，是对，是对客体发出作用的物体，也就是所说的客体发出作用的物体，也就是所说的工作头或工作头或工具工具；S2为

40、客体为客体，就是被加工的物体，也就是，就是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体工艺动作的对象物体；F为场为场，这不单指某种，这不单指某种物理场，而是广义地物理场，而是广义地指指S1向向S2作用时发出的力、作用时发出的力、运动、电磁、热、光等一切作用场运动、电磁、热、光等一切作用场。采用采用SField模式来探求工艺功能的原理解法，其基本的方法是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寻求合理的F和和S1。此外还可以通过。此外还可以通过“完善完善”、“增加增加”和和“变换变换”来寻求新的解法。来寻求新的解法。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章

41、机械产品功能设计机械产品功能设计 31F、S1 寻找寻找 例如构思完成修剪草地任务的剪草机的工作原理。例如构思完成修剪草地任务的剪草机的工作原理。S2是草地上的草是草地上的草。如何寻找合适的。如何寻找合适的F和和S1。首先要寻找各种可能被利用的首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较，并加以分析和比较，F有如下几种有如下几种可能和特点：可能和特点：拉力拉力可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。地整齐。割断力割断力像农民割麦一样，需要握住草的上部才能割断。像农民割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断力剪断力利用剪刀刃合拢，可

42、以剪断。利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择显然，人们常常选择剪断力作为理想的剪断力作为理想的F，而，而S1就只能是剪刀就只能是剪刀了。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。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。采用其他措施来改进现有的设计。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 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

43、。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)。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 33 近年来出现了一种新工艺：近年来出现了一种新工艺：让液态玻璃飘浮在低熔让液态玻璃飘浮在低熔点金

44、属的液面上，边向前流动边凝固。这样制成的平板点金属的液面上，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，这就是玻璃不但厚薄均匀，而且没有波纹，这就是“浮法浮法”制制造平板玻璃的功能原理解法。造平板玻璃的功能原理解法。显然，浮法工艺是补充了显然，浮法工艺是补充了低熔点合金的液面作为低熔点合金的液面作为S1，又利用该合金液体的表面张，又利用该合金液体的表面张力作为一种特殊的力场力作为一种特殊的力场F，既浮起了玻璃又使玻璃表面，既浮起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑和均匀。保持水平、光滑和均匀。垂直引上法垂直引上法 浮法浮法高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材

45、第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 34增加增加 一个最小技术系统至少应具有一个最小技术系统至少应具有S1、S2和和F，但有时还，但有时还应辅以应辅以 和和 ，才能更好地完成希望实现的功能。，才能更好地完成希望实现的功能。例如，在金属切削过程中，钢工件是例如，在金属切削过程中，钢工件是S2，刀具是，刀具是S1，切削力是切削力是F，如果加入另一种物质切削液（，如果加入另一种物质切削液（），切削工），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。削速度也能提高。的存在实际上还附加了另一种物的存在实际上还附加了另一

46、种物理场理场 ，这就是分子吸附膜，这层分子膜使得刀具和，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。工件表面之间的摩擦得到改善，同时还起冷却作用。于是；于是；S-FS-F模式变为如图模式变为如图3-143-14所示。这种模式在很多工所示。这种模式在很多工艺功能中几乎都可以采用并会艺功能中几乎都可以采用并会取得好的效果。取得好的效果。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 35变换变换 对已有工艺功能解法中的对已有工艺功能解法中的S1和和F进行分析后，常常可以发现它进行分析后，常常可以发现它

47、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。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例如还是设计剪草机，其原理是否有别的，其原理是否有别的东西可以代替剪切力东西可以代替剪切力F和剪刀和剪刀S1呢？联想杂技呢？联想杂技演员在舞台上用鞭子把报纸抽断，就是说即使演员在舞台上用鞭子把报纸抽断，就是说即使不用刀，用软的物体也可以切断某些物体，只不用刀，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。要有足够高的速度就行。一种新型的割草机一种新型的割草机其其原理非常简单。用一根高速旋转的尼龙线，其原理非常简单。用一根高速旋转的尼龙线，其直径约直径

48、约2mm，就可以又快又好地来修剪草地。，就可以又快又好地来修剪草地。这时，这时，S1是一条尼龙线，是一条尼龙线，F则是高速抽打的则是高速抽打的“抽击力抽击力”。这种变换产生了更为理想的效果。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提高功能效果的例子。由于作为由于作为S1的工作头和起媒介作用的的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因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。此，工艺功能是一种最具灵活性的功能。高等职业教育示范专业规划教材高等职业

49、教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 36324按关键技术功能设计按关键技术功能设计关键技术功能关键技术功能 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。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标，没有关键技术的产品，在高自己产品的技术性能指标，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得到席之地。席之地。对于机械产品设计人员来说，不懂得关键技术功

50、能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。也就等于不懂得现代设计。高等职业教育示范专业规划教材高等职业教育示范专业规划教材第第3 3章章 机械产品功能设计机械产品功能设计 37 产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：产品中的关键技术主要与以下几个方面有关：材料材料 高强度、高耐磨性要求，特殊的润滑油、特殊轻质材料、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。复合材料、特殊物理性能要求等。制造工艺制造工艺 高精度、小的表面粗糙度值、高的热处理要求等。高精度、小的表面粗糙度值、高的热处理要求等。例如汽车制造中的例如汽车制造中的“2m