機械設(shè)計學(xué)全套課件

《機械設(shè)計學(xué)》課程1第一章緒論第一節(jié)概述1、機械的概念機械是機器和機構(gòu)的統(tǒng)稱。2、機械設(shè)計的定義和特點1)設(shè)計的定義:“設(shè)計”是把各種先進技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的一種手段和方法。它是從合理的目標參數(shù)出發(fā)，通過各種方法和手段創(chuàng)造出一個所需的優(yōu)化系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的過程。圖1—1展示了人類自古至今的各種設(shè)計創(chuàng)造的產(chǎn)物。

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2）機械設(shè)計的定義：是設(shè)計者為滿足社會和人們對機械產(chǎn)品功能的需要，運用基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗和系統(tǒng)工程等方法，進行設(shè)想和構(gòu)思、計算和分析，最后以技術(shù)文件的形式，提供產(chǎn)品制造依據(jù)的全過程工作。33)機械設(shè)計的任務(wù):都是圍繞著開發(fā)新的機械產(chǎn)品或改造老的機械產(chǎn)品而進行的，機械設(shè)計的最終目的是提供滿足人們需求、具有一定功能、優(yōu)質(zhì)高效、價廉物美，并具有市場競爭力的機械產(chǎn)品。

4)機械設(shè)計具有如下主要特點:(1)多解性

(2)系統(tǒng)性

(3)創(chuàng)新性

43、“機械設(shè)計學(xué)”的學(xué)科組成

機械設(shè)計學(xué)學(xué)科體系是以機械設(shè)計學(xué)為核心構(gòu)成的。包括以下三方面:(1)功能原理設(shè)計

(2)實用化設(shè)計

(3)商品化設(shè)計

564、現(xiàn)代機械設(shè)計在中國的發(fā)展簡史

早在20世紀20年代，中國的—些工科大學(xué)就開設(shè)了機械設(shè)計課程，主要由外籍教授講授。50年代以后，全面引進了當(dāng)時蘇聯(lián)的機械原理和機械零件教材以及全面的教學(xué)手段(習(xí)題、模型、實驗、課程設(shè)計……)。7進入70年代以后，世界各先進工業(yè)國家逐漸認識到面對世界市場競爭，人們手中的重要武器就是“設(shè)計”。它們很早就把“設(shè)計學(xué)”從“機械學(xué)”中分列出來，并逐漸發(fā)展了各有持色的面向市場競爭的設(shè)計技術(shù)和設(shè)計教育體系。面對21世紀、我們必須清醒地認識到，只有改善設(shè)計教育、研究和實踐，使之和“市場競爭”緊密聯(lián)系起來，我們的設(shè)計工作才能真正發(fā)揮對國民經(jīng)濟的重要支持作用。這對中國的未來是至關(guān)重要的。

8第二節(jié)機械設(shè)計的原則和基本程序

一、機械設(shè)計原則

在設(shè)計工作中應(yīng)遵循如下基本原則：

(1)實用性原則又稱功能明確原則。主要表現(xiàn)為機器應(yīng)具有明確合理的功能，能完成一定的功能。

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(2)創(chuàng)造性原則創(chuàng)造性設(shè)計是機械設(shè)計最基本的特點。設(shè)計者只有大膽創(chuàng)新，才能有所發(fā)明、有所創(chuàng)造、有所改進。

設(shè)計者應(yīng)處理好創(chuàng)新和繼承的關(guān)系。10(3)優(yōu)化原則設(shè)計者初步判定的設(shè)計方案或模型常是原始的，并且有經(jīng)驗性的，必須經(jīng)過推理、分析和計算，使設(shè)計成果達到當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的先進水平和該產(chǎn)品制造及使用條件的最佳水平，在技術(shù)、經(jīng)濟等方面，經(jīng)全面分析和計算而達到最優(yōu)化的結(jié)果。

(4)可靠性原則可靠性是衡量機械產(chǎn)品質(zhì)量好壞的一個重要指標。11(5)安全性原則機械產(chǎn)品的不安全因素常會導(dǎo)致機械和人身事故，甚至造成重大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。

(6)經(jīng)濟性原則產(chǎn)品的經(jīng)濟性好壞是產(chǎn)品具有市場競爭力的一個重要方面，主要表現(xiàn)又在確保產(chǎn)品功能的前提下，盡力降低產(chǎn)品成本，提高經(jīng)濟效益。

(7)評價審核原則機械設(shè)計是一個復(fù)雜的工作過程，涉及到很多因素和方面，因而設(shè)計過程也是一種信息加工、處理分析、判斷決策和修正的過程。

12二、機械設(shè)計的基本程序

1、機械設(shè)計的類型機械設(shè)計按其創(chuàng)新程度可分為以下三種類型：(1)開發(fā)性設(shè)計在全部功能或主要功能的實現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)未知的情況下，運用成熟的科學(xué)技術(shù)成果所進行的新型的機械產(chǎn)品設(shè)計。

13(2)適應(yīng)性設(shè)計在主功能的實現(xiàn)原理或者結(jié)構(gòu)方案保持基本不變的情況下，增補或減少產(chǎn)品的某些功能，或局部更改某些功能的原理或結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品適應(yīng)特定的使用條件或者用戶特殊要求所進行的設(shè)計。

14(3)變型性設(shè)計在功能原理和結(jié)構(gòu)都保持不變的情況下．變動產(chǎn)品部分零部件的技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，擴大規(guī)格或補齊系列，以滿足更大范圍功能參數(shù)需要的設(shè)計，又稱變參數(shù)設(shè)計。變型性設(shè)計是產(chǎn)品系列化的手段。152、機械設(shè)計的基本程序

其基本程序可以分為四個階段：1）設(shè)計規(guī)劃：機械設(shè)計首先必須明確任務(wù)和要求。

2）方案設(shè)計：就是新產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

3）技術(shù)設(shè)計：其任務(wù)是將功能原理方案具體化，尋求機器及其零部件的合理結(jié)構(gòu)。

4）施工設(shè)計：其主要內(nèi)容是完成產(chǎn)品制造所需的全部圖樣和技術(shù)文件

16第三節(jié)近代設(shè)計科學(xué)的重大發(fā)展

一、“設(shè)計學(xué)”從古代到現(xiàn)代的三個發(fā)展階段

階段1：這一時期可以以16世紀達芬奇的創(chuàng)造活動為頂點。達芬奇構(gòu)想：齒輪、螺旋。階段2：設(shè)計學(xué)發(fā)展的第二階段以1854年德國學(xué)者勞萊克斯作為起點．他寫了《機械制造中的設(shè)計學(xué)》一書。將設(shè)計學(xué)分為機原、機零課程開設(shè)，基礎(chǔ)是理論力學(xué)和材料力學(xué)。這一階段的設(shè)計學(xué)其實是機械學(xué)。階段3：設(shè)計學(xué)發(fā)展的第三階段以1947年美國工程師麥爾斯(L．D．Miles)提出“功能”的概念。三個重大發(fā)展。17二、近代“設(shè)計學(xué)”的重大發(fā)展

l“功能”(Function)思想的提出和發(fā)展

2“人機學(xué)”(Ergonomics，HumanFactor)思想的形成和發(fā)展

“工業(yè)設(shè)計”(IndustrialDesign)學(xué)科體系的發(fā)展相成熟

以上三項是近代設(shè)計學(xué)發(fā)展的核心內(nèi)容。同時：CAD/CAM技術(shù)、可靠性技術(shù)、有限元、優(yōu)化、并行工程等。18第四節(jié)機械產(chǎn)品設(shè)計的一般過程從設(shè)計構(gòu)思的角度看．可以歸納為三大步，即創(chuàng)意、構(gòu)思和實現(xiàn)。創(chuàng)意的重點在于新穎性，但這種新穎性必須具有潛在的需求。構(gòu)思的重點在于創(chuàng)造．即要構(gòu)思一種新的技術(shù)方向或功能原理來實現(xiàn)某創(chuàng)意。實現(xiàn)的重點在于驗證構(gòu)思的合理性，可以通過模型或原理樣機來檢查構(gòu)思的合理性。即制作出實用化的樣機并通過實用樣機的試驗才能考慮進行商品化設(shè)計和投產(chǎn)的可能性。19第五節(jié)課程教學(xué)基本要求以及課程教學(xué)主要內(nèi)容

一、課程教學(xué)基本要求（1）掌握功能原理設(shè)計的基本方法；（2）了解方案評價與選擇的基本方法；（3）了解總體設(shè)計的基本原則；（4）理解和掌握進行機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理和方法；20第二章機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計

1、功能原理設(shè)計概念：

2、功能原理設(shè)計重點：在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，使思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。21設(shè)計一臺點抄機：首先構(gòu)思將鈔票逐張分離的工作原理。圖3-1為構(gòu)思示意圖223、作用：功能原理設(shè)計是對產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。

4、任何一種機器的更新?lián)Q代都存在三個途徑:一是改革工作原理；二是通過改進工藝、結(jié)構(gòu)和材料提高技術(shù)性能；三是加強輔助功能使其更適應(yīng)使用者的心理。

23第一節(jié)功能原理設(shè)計的工作特點和工作內(nèi)容

一、功能原理設(shè)計的工作特點

1)是用一種新的物理效應(yīng)來代替舊的物理效應(yīng)，使機器的工作原理發(fā)生根本的變化的設(shè)計。

2)引入某種新技術(shù)(新材料、新工藝、……)，但首先要求設(shè)計人員有一種新想法(NewIdea)、新構(gòu)思。243)功能原理設(shè)計使機器品質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化。例如，機械表不論在技術(shù)上如何改進，其走時的精確性始終不可能和石英電子表相媲美。電波表的出現(xiàn)：當(dāng)然，在實踐中，每一個功能原理設(shè)計不一定都能體現(xiàn)上述三個特點，而能體現(xiàn)這三個特點的，則應(yīng)該是高品位的功能原理設(shè)計。25二、功能原理設(shè)計的任務(wù)和主要工作內(nèi)容

任務(wù)：針對某一確定的“功能目標”．尋求一些“物理效應(yīng)”并借助某些“作用原理”來求得一些實現(xiàn)該功能目標的“解法原理”。主要工作內(nèi)容：是構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標的新的解法原理。舉例：噴墨打印技術(shù)

26272829第二節(jié)功能、功能單元和功能結(jié)構(gòu)一、機器的功能組成

一臺機器完成的功能通常稱為總功能，

機器的總功能由多個分功能（功能單元）組成，而每個分功能都有相應(yīng)的功能載體。分功能載體應(yīng)由原動機，傳動機構(gòu)、工作頭或執(zhí)行機構(gòu)、控制器等組成。有的分功能與其他分功能也可共用一個原動力或傳動機構(gòu)。機器的功能組成如圖所示。

30二、機械功能分析方法（機械的功能、功能元和功能結(jié)構(gòu)）1、功能的含義功能是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力的抽象化的描述，它和人們常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有聯(lián)系又有區(qū)別。例如：31洗衣機的功能是使衣物中污垢從纖維中分離出來。功能的定義：是指某一機器(或裝置)所具有的轉(zhuǎn)化能量、運動或其它物理量的特性。系統(tǒng)工程學(xué)把一個機械產(chǎn)品看成技術(shù)系統(tǒng)，在設(shè)計初期時該技術(shù)系統(tǒng)還不清楚，故用“黑箱”來描述功能：把信息流、能量流、物料流輸入“黑箱”，在“黑箱”中轉(zhuǎn)換成新的信息流、能量流、物料流，然后輸送出來，如圖3—6所示。系統(tǒng)工程學(xué)對功能的定義：是一個技術(shù)系統(tǒng)在以實現(xiàn)某種任務(wù)為目標時，其輸入量和輸出量之間的相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。32設(shè)計者的任務(wù)就是使“黑箱”變成“白箱”’這個技術(shù)系統(tǒng)就設(shè)計出來了，獲得了一個完美的機械產(chǎn)品，實現(xiàn)了預(yù)定的功能。33圖3—7所示是一臺硬幣計數(shù)包卷機的外觀，它用來整理、清點、計數(shù)，最后按50枚一卷將硬幣用紙包卷起來；也可以在計數(shù)后裝袋而不包卷。圖3—8所示是用黑箱法描述的硬幣機的總功能。這種黑箱只是描述了從系統(tǒng)外部觀察到的“功能特點”，而黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的，是需要設(shè)計師去進行具體構(gòu)思和設(shè)計的。34硬幣計數(shù)包卷機功能分解圖硬幣計數(shù)包卷機外形圖35總之：任何技術(shù)系統(tǒng)都可以視為3種流的處理系統(tǒng)，即能量流、物料流和信息流。作為輸入的能量流，可以是機械能、熱能、電能、化學(xué)能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具體分量，如力流、扭矩流、電流等等。例如，作為一個技術(shù)系統(tǒng)，內(nèi)燃機的功能是將輸入燃料的化學(xué)能流轉(zhuǎn)換為機械能流，核電站的功能是將核能流轉(zhuǎn)換為電能流。作為輸入的物質(zhì)流，可以是氣體、液體或各種形式的固體，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，也可能是粉半、磨屑、泥沙之類待處理物。機械技術(shù)系統(tǒng)將對它們實行結(jié)合、分離、移動、氣相轉(zhuǎn)液相之類相的變化，以及各相之間的混合等轉(zhuǎn)化。如機床實現(xiàn)多余物料從工件上分離，輸送帶實現(xiàn)物料的搬運等。36作為輸入的信息流，可以是各種測量值、輸入指令、數(shù)據(jù)、圖像等；信息的載體可以是機械量、電量、化學(xué)量等；信息的形式可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。技術(shù)系統(tǒng)將對信息流作加工、處理或轉(zhuǎn)換。如凸輪機械具有將轉(zhuǎn)動量信息轉(zhuǎn)化為直線運動量信息的功能，計算機能做數(shù)據(jù)處理，AD轉(zhuǎn)換器能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，數(shù)字式電視機能將接收到的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖像信息。對于一個技術(shù)系統(tǒng)有時三流并存，如現(xiàn)代的加工中心和自動生產(chǎn)線，有時只存在能量流與信息流，如電視機。系統(tǒng)在完成功能的過程中，外界將向它輸入各種制約和干擾，同時系統(tǒng)也將對外界輸出干擾和影響，如振動、噪聲、化學(xué)排放、熱量、廢棄物等。372．功能單元

一般技術(shù)系統(tǒng)都較為復(fù)雜，直接求總功能的解比較困難，可對總功能進行分解，分解成較為簡單的“功能單元”。這樣的功能單元具有一定的獨立性，是直接求解的功能單元．也可稱為“功能元”。直接實現(xiàn)總功能的各分功能稱為一階分功能；實現(xiàn)一階分功能的分功能稱為二階分功能，并以此類推。分解到末端的為功能元，如下圖中的夾持試件、夾頭、移動等。

38例如：對材料拉伸試驗機的功能分解圖可用圖示的形式表示。拉伸試驗機的功能分解圖39冰箱功能分解圖403．功能結(jié)構(gòu)

功能結(jié)構(gòu)圖：用來表示各分功能之間關(guān)系的框圖。由總功能分解為分功能，最后作出功能結(jié)構(gòu)圖。這樣一個過程，稱為”功能分析”，也可稱為“系統(tǒng)分析”。從上述材料拉伸試驗機采用的力—變形關(guān)系測量的例子中：總功能(力—變形關(guān)系測量)可分解為四個分功能(試件拉伸、力測量、變形測量、控制信息)，每個分功能再分解，直至功能元。將各分功能(或功能元)組合時有三種基本結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。圖中F1，F(xiàn)2和F3為分功能。41(1)串聯(lián)：各分功能按順序相繼作用；(2)并聯(lián)：各分功能并列作用；(3)回路：各分功能組成環(huán)狀循環(huán)回路，體現(xiàn)反饋作用。

42從以上分析可以畫出材料拉伸試驗機的功能結(jié)構(gòu)圖。上圖表示是用“黑箱”描述材料拉伸試驗機的總功能。下圖表示材料拉伸試驗機功能(一階)結(jié)構(gòu)圖。

4344下圖表示材料拉伸試驗機功能(二階)結(jié)構(gòu)圖。45總之，“功能結(jié)構(gòu)”圖是用來表示各分功能之間關(guān)系的框圖，它比功能分解圖更好地反映了各分功能之間的聯(lián)系與配合。46第三節(jié)機械系統(tǒng)的功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的最初環(huán)節(jié)，對主要功能提出原理構(gòu)思。任何一個產(chǎn)品的新穎性、先進性都取決于這個階段。如包糖果，過去人們總是設(shè)計構(gòu)思機械手，模仿人的手包糖果，機構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)困難；從功能出發(fā)，糖果包裝有兩個目的，一是防止糖果受污染，二是增加美的功能。新式袋裝包糖果機的問世．采用了光電控制，使兩個功能均能實現(xiàn)而防污染能力也更強了，但機器結(jié)構(gòu)卻很簡單。所以說，一個好的功能原理設(shè)計應(yīng)具備兩個條件，既有創(chuàng)新構(gòu)思，又有市場競爭潛力。47一、任何一種機器的更新?lián)Q代都有三個途徑：1、改革工作原理例如用激光打孔機替代機械鉆，使一些精密儀器、儀表的精度得到很大的提高。常用創(chuàng)新原理有：1）綜合創(chuàng)新原理綜合創(chuàng)新原理是指將研究對象的各個部分、各個方面和各種因素聯(lián)系起來加以考慮，從整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律的一種思維法則。48例如，普通的x光機和計算機，都無法對人的腦內(nèi)病變作出診斷。豪斯菲爾德將二者綜合，設(shè)計出CT掃描儀，使診斷難題出現(xiàn)新的求解希望。人們應(yīng)用新儀器獲得了許多前所未有的研究成果，促使醫(yī)學(xué)有了長足的發(fā)展。CT掃描儀的創(chuàng)新設(shè)計，是20世紀醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項重大創(chuàng)新成果。2）分離創(chuàng)新原理分離創(chuàng)新原理是把某一創(chuàng)造對象進行科學(xué)的分解或離散，使主要問題從復(fù)雜現(xiàn)象中暴露出來，從而理清創(chuàng)造者的思路，以便抓住主要矛盾或?qū)で竽撤N設(shè)計特色。49例如，早期電冰箱都是上“冷”下“熱”，即冷凍室在上，冷藏室在下。而萬寶電器集團公司在開發(fā)新產(chǎn)品時，對電冰箱進行分離創(chuàng)造，開發(fā)出冷藏室在上、冷凍室在下的上“熱”下“冷”式電冰箱。這種電冰箱具有三方面的優(yōu)點：其一，增加了用戶使用的方便性。電冰箱在實際使用中更多的還是往冷藏室存貯食物，冷藏室在下時存取東西，需要彎腰，非常令人不舒服；其二，冷凍室在下面，化霜水不再對冷藏室內(nèi)的東西造成污染：其三，冷凍室下置方案利用了冷氣下沉的特點，使負載溫度回升時間比一般冰箱延長1倍，減少耗電，節(jié)約能源。

503）移植創(chuàng)新原理移植創(chuàng)新是指吸取、借用某一領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)成果，引用或滲透到其他領(lǐng)域，以變革或改進已有事物或開發(fā)新產(chǎn)品。例如，常見的機床導(dǎo)軌為滑動摩擦導(dǎo)軌。人們在摩擦面間放置磙子，設(shè)計出滾動摩擦導(dǎo)軌。與普通滑動導(dǎo)軌相比，滾動導(dǎo)轉(zhuǎn)具有運動靈敏度高、定位精度高、牽引力小、潤滑系統(tǒng)簡單、維修方便(只需更換滾動體)等優(yōu)點。從創(chuàng)新設(shè)計原理上看，可以認為這種新型導(dǎo)軌是推力滾子軸承結(jié)構(gòu)方式的一種移植。

514）物場分析原理所謂物場，是指物質(zhì)與物質(zhì)之間相互作用和相互影響的一種聯(lián)系。世界上的物體本身是不能實現(xiàn)某種作用的，只有同某種“場”發(fā)生聯(lián)系后才會產(chǎn)生對另一物體的作用或承受相應(yīng)的反作用。就科學(xué)領(lǐng)域來說，溫度場、機械場、聲場、引力場、磁場、電場等等，是物場的具體存在形式。構(gòu)成一個物場需要三個要素：兩個物質(zhì)和一個場。物場分析的基本內(nèi)容是使物場三要素之間的相互作用更為有效，功能更加完整和可靠。

52例如，確定冷凍機密封檢測方案的。如家用電冰箱中的冷凍機充滿著氟利昂和潤滑油，如果密封不良，氟利昂和潤滑油都會外漏。根據(jù)物場形式進行分析，在其檢測體系中，“潤滑油”、“氟利昂”是物質(zhì)，但相互之間與場沒有構(gòu)成完整的物場。因此，可將這個體系補建成非人工檢測泄漏的完全物場體系。具體方法是，將摻有熒光粉的潤滑油注入冷凍機，在暗室里用紫外光照射冷凍機，由于密封不嚴處滲漏出的潤滑油中的熒光粉會發(fā)光，由此可確定泄漏部位。535）還原創(chuàng)新原理還原創(chuàng)新原理是指創(chuàng)造者回到驅(qū)使人們創(chuàng)造的最基本的出發(fā)點或歸宿，進行創(chuàng)新思考的一種創(chuàng)造模式。例如，設(shè)計新型電風(fēng)扇，無論是臺扇、吊扇、壁扇，最基本的出發(fā)點都是使周圍空氣急速流動。有沒有別的技術(shù)方案能實現(xiàn)這種功能或物理效應(yīng)呢?有人想到了薄板振動的方案。該方案用壓電陶瓷夾持一金屬板，通電后金屬薄報振蕩，導(dǎo)致空氣加速流動。按此思路設(shè)計的電風(fēng)扇，沒有扇葉，面貌全新，稱為“無扇葉電風(fēng)扇”。與傳統(tǒng)的風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)式電風(fēng)扇相比，具有體積小、重量輕、耗電少和噪聲低等優(yōu)點。

546）價值優(yōu)化原理把價值看作某一功能與實現(xiàn)這一功能所需成本的比，提高產(chǎn)品價值就是用低成本實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。在開發(fā)產(chǎn)品時注意從功能分析著手，實現(xiàn)必要功能，去除多余功能和過剩功能，既滿足用戶需要，又降低成本，將產(chǎn)品設(shè)計問題變?yōu)橛米畹统杀鞠蛴脩籼峁┍匾δ艿膯栴}，即創(chuàng)造具有高價值的產(chǎn)品。例如，英國庫特公司的設(shè)計人員曾開發(fā)一種新型百葉窗，要求產(chǎn)品既能防止雨水打入，又可使室內(nèi)空氣流通。設(shè)計者通過價值分析，改變了用料多、造價高的傳統(tǒng)設(shè)計，而采用了允許雨水透過百葉窗，再在窗葉后面用凹槽收集，然后通過細管將雨水排出室外的新設(shè)計。新設(shè)計的百葉窗，不僅降低了成本，而且便于操作，且能夠延長使用壽命，即功能得到改善。

552、通過改進工藝、結(jié)構(gòu)和材料提高性能。例如：由于工藝改進，將原來的切削改變?yōu)榘匆簤涸碓O(shè)計的搓絲機，生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到很大的提高。圖中的(b)，(c)，(d)都是搓絲機，工作原理均為按壓，但由于結(jié)構(gòu)不同，性能也不一樣，其中(d)是按行星機構(gòu)原理制造的行星搓絲機，使機器體積最小，生產(chǎn)效率最高。在材料方面，如液晶材料的出現(xiàn)及實用化，促進了鐘表業(yè)的發(fā)展，使鐘表的時間顯示又多了一條途徑。

56573、增加輔助功能，以滿足使用者需求，如空調(diào)機增加空氣凈化裝置、手表增加日歷等。機器更新?lián)Q代的三個途徑中，第一種實現(xiàn)起來最困難，但效果卻是最好的，也是最有前途的。二、功能原理設(shè)計的內(nèi)容功能原理設(shè)計的內(nèi)容：構(gòu)思能實現(xiàn)功能目標的新的解法原理。功能原理設(shè)計首先要通過調(diào)查研究，確定符合當(dāng)時技術(shù)發(fā)展的明確的功能目標，然后進行創(chuàng)新構(gòu)思，尋求新的解法原理，并進行原理驗證，確定方案及評價，最后選擇一種較為合理的方案?，F(xiàn)舉例說明：581、例如，有關(guān)部門需要設(shè)計肌電假手，要求不很具體，只提出要有能模仿真手抓握物體的假手。經(jīng)分析如能像真手一樣能拿起一個質(zhì)量約為300g的物體，應(yīng)實現(xiàn)的具體功能目標如下：①手指應(yīng)能實現(xiàn)0.5rad／s的抓握運動速度，以模仿人手的真實運動。②手指觸物后，應(yīng)能產(chǎn)生50N左右的捏緊力，以滿足實際工作的需要。③所用微型電動機需在假手掌心中放置，故其外徑應(yīng)不大于￠20mm。④傳動機械的效率應(yīng)足夠高，以保證充電電池至少能工作1天。59有了這些量化指標，設(shè)計者設(shè)計就有了明確的目標，驗收者驗收也有了依據(jù)。以上目標中具有必須解決的矛盾，即如果保證了運動速度．捏緊力只有5N而不是50N，若保證了捏緊力50N，運動速度只有原來的l／10，相當(dāng)于慢動作，人們很難接受。所以設(shè)計出了切換裝置，假手不接觸物品時保證運動速度，當(dāng)手指觸摸物品時，切換裝置工作，運動速度降下來(這時也不需要高速度)，捏緊力由5N轉(zhuǎn)換成50N，就可以保證工作要求。

602、例如，對轎車的總體要求是：安全、環(huán)保、節(jié)能。功能目標要求有座位數(shù)、驅(qū)動前輪、驅(qū)動功率、當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為50r／s時的最大轉(zhuǎn)矩、換擋和制動形式等。除功能目標要求外，用戶還可能提一些最低要求，如某一行駛速度下的最高耗油量，最小的行李箱空間、低溫下安全啟動能力。用戶還可能提出一些希望考慮的項目，如車上舒適方便、噪音低等。功能目標是必須保證的，而對于最低要求和希望考慮的項目越能很好地滿足，則這一方案就越有價值。613、任何一個機械產(chǎn)品功能目標確定后，經(jīng)過功能分析和綜合，就要針對該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。例如，設(shè)計一臺粉碎機械，即應(yīng)用機械力對固體物料進行粉碎作用，使之變?yōu)樾K、細粒或粉末的機械。先要構(gòu)思工作原理，右下圖就是其功能原理設(shè)計的構(gòu)思示意圖。顯然，進行原理性構(gòu)思時首先要考慮應(yīng)用某種“物理效應(yīng)”(如圖中的擠壓、劈裂、彎曲、研磨、沖擊)，然后利用某種作用原理，如表2-2中的粉碎機構(gòu)，最后獲得達到實現(xiàn)“功能目標”的結(jié)果。626364前面提到粉碎的5種“物理效應(yīng)”，前四種屬于使用靜力，后一種是應(yīng)用動能。大多數(shù)情況下，物料常在兩種以上的“物理效應(yīng)”綜合作用下被粉碎。物理效應(yīng)的選擇是根據(jù)物料的物理特性、料塊的大小和所要求的細化程度來選擇的。對于堅硬的物料．應(yīng)采用擠壓、彎曲和劈裂；對于脆性物料、應(yīng)采用沖擊和劈裂；料塊較大時，應(yīng)采用劈裂和彎曲；料塊較小或排料粒度要求很小時，則應(yīng)采用沖擊和研磨。

654、再舉洗衣機的例子。人工洗衣通常用手搓、腳踩、刷子刷、棒槌打、流水沖等方式除去衣物纖維中的污垢。只要使污垢與纖維分離就可以使衣物干凈，因而產(chǎn)生了多種洗衣機：

如：1）波輪式洗衣機。用波輪回轉(zhuǎn)形成水流并控制流速和流向達到洗凈的效果；2）電磁洗衣機。這種洗衣機缸內(nèi)裝有四個帶夾子的洗滌頭，每個洗滌頭上有一種電磁圈，通電后能在水中發(fā)出每秒2500次微振，這種高頻振蕩使污垢與纖維分離，不僅去污力強，而且比一般洗衣機節(jié)電75％，節(jié)水50％左右；

663）氣流洗衣機。它利用空氣泵產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂時產(chǎn)生的能量能提高洗凈度，同時氣泡可使洗滌劑更好地分解，因此洗滌效果可提高55％，與波輪式洗衣機相比，它對衣物的磨損率、洗滌劑的用量和殘留量有大幅度降低；4）冷沸騰洗衣機。該機能在幾秒鐘內(nèi)用泵從洗滌桶的上部將空氣抽走，因桶內(nèi)處于高真空狀態(tài)，使水呈沸騰狀，衣物在泡沫旋渦中反復(fù)攪動，水在衣物表面產(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡破裂時產(chǎn)生爆破力將衣物上的污垢微粒彈開并拋向水面，僅用兩分鐘就能洗凈，由于機內(nèi)無旋轉(zhuǎn)部件，對衣物損傷很小，同時它還無噪音、無振動和無污染，且不用任何洗滌劑；

675）噴霧洗衣機。它是通過水往復(fù)循環(huán)形成的水霧來達到清洗衣物的目的．水霧是水流在通過洗衣機內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的桶壁上密布的小孔時形成的，這時水立即被吸走，而桶中的衣物則受到噴霧的清洗；6）超聲波洗衣機。洗衣槽充滿水，放入衣物后，啟動氣泵和超聲波發(fā)生器，衣物上污垢在超聲波作用下由纖維中分離出來，由氣泡帶走。7）漂洗、脫水全部自動化的全自動化洗衣機，也稱為智能洗衣機。該機由模糊系統(tǒng)控制，其特點是無論洗多少衣物，都可根據(jù)臟污程度自動選擇時間。該產(chǎn)品在排水口安裝了光傳感器，可根據(jù)水的臟度和相飽和時間判斷出臟污程度和臟跡的性質(zhì)。

688）最近又研制出來仿生搓洗洗衣機。該機利用模糊和變頻技術(shù)，能自動感知衣物的質(zhì)地、重量和臟污程度，調(diào)節(jié)手形搓洗棒的擺動頻率和角度，酷似人手洗衣服的快慢與節(jié)奏，從而達到手洗一樣的洗衣效果。

總之，尋求作用原理是機械產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)思的重要階段，這階段要充分利用力學(xué)效應(yīng)，流體效應(yīng)，熱力學(xué)效應(yīng)，動力學(xué)效應(yīng)，聲、光、電、磁等效應(yīng)等，一定能構(gòu)思出先進而新穎的作用原理，使新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，讓人們一些潛在的愿望得以實現(xiàn)。695、已知一個機械產(chǎn)品作用原理，也可以構(gòu)思出不同的產(chǎn)品。例如風(fēng)扇，其功能是產(chǎn)生壓力差。由于壓力差使空氣產(chǎn)生流動，吹到人身上時，人感到?jīng)鏊?。分析風(fēng)扇的功能和用途還可構(gòu)思出如下相關(guān)產(chǎn)品。(1)風(fēng)扇—→鼓風(fēng)機．為爐灶送風(fēng)助燃；風(fēng)扇一→抽風(fēng)機，抽吸廚房的油煙；風(fēng)扇一→吸塵器，吸塵。(2)從調(diào)節(jié)溫度出發(fā)，用壓縮式空調(diào)器，可以調(diào)節(jié)冷熱，其功能比風(fēng)扇還好。(3)改變風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、造型開發(fā)出新產(chǎn)品。改變結(jié)構(gòu)：臺扇改變?yōu)槁涞厣取⒌跎?、壁扇等；改變造型：圓形、方形、動物造型等。(4)增大或減小，設(shè)計大型工業(yè)排風(fēng)扇；蚊帳內(nèi)的小吊扇。(5)多速風(fēng)扇代替單速風(fēng)扇。(6)改變運動形式。送風(fēng)：普通風(fēng)扇，外罩不轉(zhuǎn)，葉片轉(zhuǎn)；鴻運風(fēng)扇，葉片不轉(zhuǎn)，外罩轉(zhuǎn)。706、產(chǎn)品銷售量與功能原理設(shè)計產(chǎn)品使用區(qū)域越廣，銷量就越大。一機多用使銷量也能增加。增加輔助功能，也能擴大銷量。因此，在進行功能原理設(shè)計時就要把這些因素考慮進去。為擴大產(chǎn)品的銷量在功能原理設(shè)計時可考慮以下方面：1)適用性改變不同的地區(qū)和民族，氣候、經(jīng)濟和資源都可能不同，產(chǎn)品開發(fā)時就要針對不同條件開發(fā)不同產(chǎn)品，或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要有所變化。例如轎車，在寒帶散熱器的工作能力能得到滿足，到了熱帶就滿足不了要求，在功能原理設(shè)計階段就要考慮進去，使產(chǎn)品適用于地球的任何一個地區(qū)；又如開發(fā)出的掃雷機，既要適用于寒帶疏松的雪，也要適用于溫帶的半融冰雪。汽車駕駛員的座位，因國家和地區(qū)左、右側(cè)通行不同而分為右座位和左座位等。總之，設(shè)計方案要適用于需求。712)開發(fā)新用途開發(fā)一個新產(chǎn)品的同時在原理構(gòu)思階段就要考慮一機多用，使產(chǎn)品具備多種功能。如小型拖拉機可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)耕作也可牽引運貨，再如平衡重式叉車(如圖所示)，更換屬具后就可在多種條件下工作。如圖所示，屬具共有30多種，可見設(shè)計出一臺叉車，只是更換一個工作頭，就組成了另一臺新設(shè)備，而且更換屬具又很方便，這樣擴大了產(chǎn)品的銷售。(3)增添附加功能其目的是拓寬使用面．如手表加血壓計，空調(diào)機加換氣裝置，新式木工機床等

727374第四節(jié)機械的分類

一、功能原理設(shè)計的兩個工作特點如下；1、功能原理設(shè)計是一種綜合，綜合是不可能有任何定法可循的。分析和綜合是兩種個同的科學(xué)方法；分析可以按某些既定的方法按步進行，而綜合則是“有法而無定法”，即不可能只要按某種“方法”去做就一定能得到某種好的解法。2、功能原理設(shè)計所要求解的問題是有多解的問題，即既不是只有唯一解，也不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。一般來說．在構(gòu)思階段．應(yīng)盡可能多地搜索各種可能的解法，以便在眾多可能的解法中選出較滿意的解法來。75二、按功能來進行分類，可分為：工藝類機械和非工藝類機械兩大類。1、對物料進行工藝性加工的機械屬于工藝類機械，這類機械具有專用的工作頭，如軋鋼機的軋輥、孔型，切削機床的刀具，電鋸的鋸條等．并用工作頭對相應(yīng)的物料進行工藝性加工。工藝類的機械包括：金屬冷加工設(shè)備、金屬熱加工設(shè)備、礦石破碎機械、礦石粉磨機械、食品機械、橡膠機械，木工機械等。2、非工藝類機械則不對任何物料進行工藝性加工，只是實現(xiàn)某種需求的功能。非工藝類機械包括：交通運輸機械、物料搬運機械、動力機械，各類閥門、泵、壓力容器等。76三、按技術(shù)特點進行分類：綜合運用機、光、電、磁、熱、化……各種“廣義物理效應(yīng)”（非純機械）去實現(xiàn)各種動作功能和工藝功能。為區(qū)別純機械的功能原理，我們把它總稱為“綜合技術(shù)功能”。從它所完成的功能來說，實際上仍是動作功能或工藝功能，但其技術(shù)手段卻是廣義的物理效應(yīng)。在激烈的產(chǎn)品競爭中，出現(xiàn)了一種有力的競爭武器，就是所謂的“關(guān)鍵技術(shù)”或叫做“KnowHow”。它是作為某個企業(yè)或部門獨有的技術(shù)，暫時還沒有被別人掌握．因此該企業(yè)的產(chǎn)品在這一方面占有待殊的優(yōu)勢。這種技術(shù)可能是動作功能，可能是工藝功能，而且很有可能也是采用“廣義物理效應(yīng)”的綜合技術(shù)功能，只是因為它在競爭中的持殊地位，才把它列為—種功能，叫“關(guān)鍵技術(shù)功能”。77第五節(jié)兩種動作功能及其對應(yīng)的求解思路動作功能是指那些只完成動作，不同時進行對物體的加工的功能，屬于非工藝類機械。按其是否是一次性動作，還是進行連續(xù)運動可分為“簡單動作功能”和“復(fù)雜動作功能”兩類。78一、簡單動作功能簡單動作功能是由兩個或兩個以上的具有特殊幾何形狀的構(gòu)件組成，利用它們形體上的特征．可以實現(xiàn)互相運動或鎖合的動作。如：帶軸的輪子，人類十大發(fā)明之一的拉鏈。7980總結(jié)：在進行功能原理設(shè)計創(chuàng)造時，沒有什么簡易的“辦法”可循。因為設(shè)計是“綜合”，而“綜合”是沒有確定的方法的，即使有某些參考的方法可作輔助，也不一定能取得合理的結(jié)果。所謂“有法而無定法”就是設(shè)計創(chuàng)造的特點，最實際的辦法，就是多看優(yōu)秀設(shè)計實例，多作基礎(chǔ)設(shè)計訓(xùn)練，在正確的指導(dǎo)性思路的引導(dǎo)下，才有可能取得某一個合理的設(shè)計成果。81二、復(fù)雜動作功能這類功能以采用常用基本機構(gòu)為主．其設(shè)計已有很成熟的理論和經(jīng)驗。盡管這類功能原理要實現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的功能目標，設(shè)計起來并非毫無困難，但是比起“簡單動作功能”的設(shè)計來．還是要容易得多，因為它畢竟被人們研究得相當(dāng)透徹了。顯然、“復(fù)雜動作功能”的設(shè)計求解思路應(yīng)該是基本機構(gòu)組合法。在機械原理課程中介紹了這些基本機構(gòu)。如：齒輪、齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、鉸鏈機構(gòu)、螺旋機構(gòu)等.82舉例：人類利用這些基本機構(gòu)．不僅用來實現(xiàn)連續(xù)的傳動，而且利用它們實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律和運動軌跡。例如圖3—18所示的硬幣機的卷邊功能系統(tǒng)所采用的一組六桿機構(gòu)、它既要使上鉤的位置能隨包卷紙的寬度而變，而且能使上、下鉤同時進行對稱的包卷動作，它是由凸輪、一套平行四桿機構(gòu)和一套反四桿機構(gòu)組合而成的。83

特別應(yīng)該指出的是在現(xiàn)代很多所謂“機電一體化’’的機器中，仍大量采用基本機構(gòu)來實現(xiàn)各種運動和動力傳遞。并不因為有了CPU和各種電子控制裝置而不再采用基本機構(gòu)了。因為實現(xiàn)運動最可靠的手段還是機構(gòu)而不是什么電子裝置。即使最典型的辦公自動化機器—復(fù)印機：仍大量采用各種基本機構(gòu)．因為它需要實現(xiàn)大量的運動。總結(jié)上述兩類動作功能，無論是簡單動作功能還是復(fù)雜動作功能，都是純機械的功能。它們的基本特點是“以形體來實現(xiàn)功能”。這個特征使機械實現(xiàn)動作功能的方式變化無窮。84第六節(jié)工藝功能及其對應(yīng)的求解思路一、工藝功能的含義工藝類機器是對被加工對象(某種物料)實施某種加工工藝的裝置，其中必定有—個工作頭〔如機床的刀具、挖掘機的挖斗等〕，用這個動作頭去完成對工作對象的加工處理。在這里，工件頭和工作對象相互配合，實現(xiàn)一種功能，叫做“工藝功能”，這里“工藝”是指加工“工藝”。工藝功能考慮的兩個重要因素:一是采用哪種工藝方法，二是工作頭采用什么形狀和動作，而歸根結(jié)底是確定工作頭的形狀和動作。工藝功能的特點是：工作頭的形狀、運動方式和作用場是完成工藝功能的三個主要因素。85舉例：1、人類所發(fā)明的最古老的工藝功能可能是石器時代的刮削器．能實現(xiàn)刮削工藝、耕地的犁也是工藝功能的一種典型，犁頭的工作面是—種復(fù)雜的空間曲面(圖：3—19）．它能把泥土犁起，翻過來扣在犁溝邊上。862、絞肉機絞碎的工藝方法：通過螺旋輸送能強迫肉塊通過絞刀孔，由刀片把擠出刀孔的肉絞碎。873、水刀的工作原理：能夠噴出大約三倍于音速的水流,可以切割各種非金屬的物質(zhì),或者做各種表面的特殊處理。形成高速射流,在利用高速射流來切割物體。

884、例如目前市場上出現(xiàn)的家用切碎機(見圖3—22)，其工作頭的形狀、工作方式先全不同于老式的絞肉機．特別是它的兩把刀子的形狀和姿勢的設(shè)計很有特色，它保證了被切的肉或菜能被均勻切碎。89二、物一場分析法物一場分析法(S-Field法)：作為求解工藝功能的很有效的思路。S——對象或物體(Substance)。主體(S1)，客體(S2)F——場，這不單指某種物理場，而是廣義地指S1向S2作用時發(fā)出的力、運動、電磁、熱、光……一切作用場。這個方法的基礎(chǔ)是對“最小技術(shù)系統(tǒng)”的理解和分析：在任何一個最小技術(shù)系統(tǒng)中，至少有一個主體(S1)，一個客體(S2)和一個場(F)。缺一即不可能發(fā)生技術(shù)作用。一個標準的S—Field模型的形式如圖3—23所示，即S1通過F作用于S2。90用S—Field模式探求工藝功能的原理解法:基本的方法是尋求合理的F和S、，此外還可以通過“完善”、“增加’’和“‘變換”的方法來尋求新的解法。1、F和S1搜尋例如：為了完成修剪草地的任務(wù)．如何構(gòu)思剪草機的工作原理呢?在這個問題里，S2是草地上的草。剩下的問題是尋找合適的F和S1了。91首先要尋找各種可能被利用的F并加以分析和比較：拉力——可以拉斷草，但無法控制被拉斷的草的高度，無法使草地整齊。割斷力——像農(nóng)夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。剪斷力——利用剪刀刃合攏，可以剪斷。顯然，人們常常選擇剪斷力作為理想的F，當(dāng)然S1就只能是剪刀922．完善原設(shè)計中有時出現(xiàn)缺少F或S1的情況并因此而造成功能不良的后果。應(yīng)該通過補全F或S1的措施來使S—Field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”(見圖3—24)。這種方法是把半沉體的破璃從熔池中不斷向上引，開始時通過軋輥控制厚度，以后邊向上引邊凝固。這種方法制造出的玻璃表面總是有波紋并且厚度不均勻。如果用S—Field分析法來分析，可以看出，在整個工藝過程中，玻璃S2在凝固前大部分時間中缺少F和S1(重力無積極效果，不看作為F)。近年來出現(xiàn)了一種新工藝；讓液態(tài)玻璃飄浮在低熔點金屬的液面上，邊向前流動邊凝固。93這樣制成的平板玻璃不但厚薄均勻，而且沒有波紋，這就是“浮法”制造平面玻璃的功能原理解法。顯然，浮法工藝是補充了低熔點合金的液面作為S1，又利用該合金液體的表面張力作為一種特殊的力場F、既俘起了玻璃又使玻璃表面保持水平、光滑、均增。94普通平板玻璃與浮法玻璃都是平板玻璃。只是生產(chǎn)工藝、品質(zhì)上不同。

普通平板玻璃是用石英砂巖粉、硅砂、鉀化石、純堿、芒硝等原料，按一定比例配制，經(jīng)熔窯高溫熔融，通過垂直引上法或平拉法、壓延法生產(chǎn)出來的透明五色的平板玻璃。普通平板玻璃按外觀質(zhì)量分為特選品、一等品、二等品三類。按厚度分為2、3、4、5、6mm五種。

浮法玻璃是用海沙、石英砂巖粉、純堿、白云石等原料，按一定比例配制，經(jīng)熔窯高溫熔融，玻璃液從池窯連續(xù)流至并浮在金屬液面上，攤成厚度均勻平整、經(jīng)火拋光的玻璃帶，冷卻硬化后脫離金屬液，再經(jīng)退火切割而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特別平整光滑、厚度非常均勻，光學(xué)畸變很小的特點。浮法玻璃按外觀質(zhì)量分為優(yōu)等品、一級品、合格品三類。按厚度分為3、4、5、6、8、10、12mm七種。953．增加一個最小技術(shù)系統(tǒng)至少應(yīng)具有S1、S2和F，但有時還應(yīng)輔以S’1和F’，才能更好地完成希望實現(xiàn)的功能。例如，在金屬切削過程中，工件是S2，刀具是S1，切削力是F，如果加入另一種物質(zhì)S’l(切削液)，切削工藝過程就會變得更好，工件的表面粗糙度會降低，切削速度也能提高，S’l的存在實際上還附加了另一種物理場F’，這就是分子吸附膜，這層分子膜使得刀具和工件表面之間的摩擦得到改善，同時還起冷卻作用。于是．S—F模式變?yōu)槿鐖D3—25所示。這種模式在很多工藝功能中幾乎都可以采用并會取得好的效果。964．變換對已有工藝功能解法中的S1和F進行分析后，常?？梢园l(fā)現(xiàn)它們并非是不可替換的。有時通過變換可能會產(chǎn)生意想不到的好效果。97例如前面提到的剪草機原理。是否有別的東西可以代替剪切力F和剪刀S1呢?雜技演員在舞臺上用鞭子可以把報紙抽斷，這提示人們，即使不用刀，用軟的物體也可以切斷某些物體，只要有足夠高速度就行。于是一種新型的割草機就產(chǎn)生了。它的原理特別簡單(見圖3-26)。用一根高速旋轉(zhuǎn)的尼龍線(直徑約2mm)，就可以又快又好地來修剪草地了。這時．S1是一條尼龍線，F(xiàn)則是高速抽打的“抽擊力”。這種變換產(chǎn)生了更為理想的效果。98電火花線切割加工與電火花成形加工的基本原理一樣，都是基于電極間脈沖放電時的電火花腐蝕原理，實現(xiàn)零部件的加工。所不同的是，電火花線切割加工不需要制造復(fù)雜的成形電極，而是利用移動的細金屬絲(鉬絲或銅絲)作為工具電極，工件按照預(yù)定的軌跡運動，“切割”出所需的各種尺寸和形狀。如圖：99100每次電火花腐蝕的微觀過程是電力、熱力、磁力、流體動力等綜合作用的過程。大致可分為四個階段：極間介質(zhì)的擊穿形成放電通道；介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、氣化熱膨脹；蝕除產(chǎn)物的拋出；間隙介質(zhì)消電離。101人們也許立刻就會聯(lián)想到用高壓水噴射可以切割木材、鋼板、布料…。人類生活在這個世界上，就注定要改造這個世界，工藝功能是改造這個世界的主要手段。國此對工藝功能的研究，對我們有著重要的意義?，F(xiàn)在人類已經(jīng)開始學(xué)會利用各種廣義的物理效應(yīng)。這就為工藝工能提供了更多的可利用的“場”，就有可能創(chuàng)造出更多更好的工藝功能來。102第七節(jié)關(guān)鍵技術(shù)功能、綜合技術(shù)功能及其對應(yīng)的求解思路1、這兩種功能成了時代發(fā)展和技術(shù)進步的象征：2、這兩種功能所實現(xiàn)的還是動作和工藝兩種基本功能，不過技術(shù)上更難、更高、更持殊而已。一、關(guān)鍵技術(shù)功能沒有關(guān)鍵技術(shù)和KnowHow(技術(shù)訣竅)的產(chǎn)品，在激烈的競爭中，難以在市場上占有一席之地。對于現(xiàn)代設(shè)計人員來說，不懂得關(guān)鍵技術(shù)功能也就等于不懂得現(xiàn)代設(shè)計。1031、產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)主要與以下幾個方面有關(guān)：1)材料：例如高強度、高耐磨性、特殊的潤滑油、特殊輕質(zhì)材料(例如復(fù)合材料)、特殊物理性能要求等。2)制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求……。例如在汽車制造中的2mm工程，要保證汽車外殼所有縫隙都小于2mm，美國就把它作為一個重大的關(guān)鍵技術(shù)難題組織攻關(guān)，高的制造水平將直接影響產(chǎn)品性能的技術(shù)指標．例如免維護性和使用壽命等技術(shù)性能的提高。

1043)設(shè)計：通過設(shè)計實現(xiàn)特殊的功能原理，尤其是實現(xiàn)以前從未有人實現(xiàn)過的功能或是比別人已經(jīng)實現(xiàn)的功能更好的功能水平。例如，當(dāng)前在噴墨打印機中的噴墨技術(shù)，就是一種關(guān)鍵技術(shù)功能。日本Canon采用汽化噴墨的功能原理，而另一家日本公司Epson則采用壓電噴墨技術(shù)。下面兩個例子可以很好地體現(xiàn)由設(shè)計解決的關(guān)鍵技術(shù)功能。例如。在數(shù)控機床發(fā)展的初期．為了實現(xiàn)工作臺的精密定位和精密進給(每步0.01mm)，必須使傳動絲杠和工作臺導(dǎo)軌的摩擦阻力盡最小。于是滾珠絲杠和靜壓導(dǎo)軌成了關(guān)鍵技術(shù)。105又例如，在肌電控制假手的研制中，用常規(guī)技術(shù)所設(shè)計的手指開合機構(gòu)，其指端捏緊力只能達到5N左右(見圖3—27)，連系鞋帶時捏緊鞋帶的力量都個夠。為此。需要在保持手指合理的運動角速度(約o5rad／s)的前提下，使指端捏力提高到50N左右(即提高10倍)，這個問題能否解決，決定了這種肌電假手是否有實用價值。這就是它的關(guān)鍵技術(shù)。2、關(guān)鍵技術(shù)的求解思路：運用“技術(shù)矛盾分析法”106思路：在傳動路線上再串接一套減速比i2＝10的減速裝置，然后通過兩個聯(lián)動的切換開關(guān)來操作；切換開關(guān)的動作是自動的，是由手指觸到物體后的反饋力來控制的。圖3-28表示了用兩個超越離合器組成的切換開關(guān)。切換機構(gòu)上的兩對銷子去撥動超越離臺器的滾柱，實現(xiàn)切換功能。被接通的離合器帶動其中一對銷子，將運動和力經(jīng)切換機構(gòu)傳至輸出軸上。切換機構(gòu)的開合則由輸出軸所受阻力矩的大小所控制。107如果從不同的角度分析技術(shù)矛盾，則可以得到不同的分析結(jié)果，并可導(dǎo)出另一些解法。仍以假手為例，人們也可以認為主要矛盾是電動機體積和輸出力矩之間的矛盾。研制一種大力矩的微型電動機就是一種求解的途徑。從動力學(xué)的角度來看，如果系統(tǒng)有足夠大的存儲能量的飛輪，那么也可以達到增大指端捏緊力的目的(如同沖床飛輪效應(yīng)那樣)。技術(shù)矛盾分析法的作用并不是直接給出解法，而是幫助人們找出可能解決問題的途徑，1083、可以歸納出關(guān)鍵技術(shù)功能的特點：由于特殊的工作條件(約束)或特殊的使用要求，用常規(guī)技術(shù)或已有技術(shù)難以達到的技術(shù)難點，或是別人目前尚難以實現(xiàn)的技術(shù)高度、總的來說它的技術(shù)要求高，而解決的方法也往往是出奇制勝。109二、綜合技術(shù)功能1、動作功能：實際上大量存在一些非機械方式獲得動作的情況。例如．飛機在空氣中飛起來，是靠空氣動力學(xué)原理實現(xiàn)的，螺旋槳旋轉(zhuǎn)能推動輪船前進，是流體力學(xué)的原理．內(nèi)燃機能轉(zhuǎn)動．電動機能轉(zhuǎn)動也是依靠熱力學(xué)和電磁學(xué)的原理實現(xiàn)的?？梢姡瑒幼鞴δ芸梢圆挥眉儥C械的方式來實現(xiàn)。實際上，用光、電、磁、液、熱、氣、生、化等原理都可以實現(xiàn)某些動作功能，甚至在某些場合，比純機械的方式還要好。110例如：有一種高速平面電機式自動繪圖機，帶有畫筆的驅(qū)動頭懸掛在定子臺面的下面(見圖3—29)，驅(qū)動頭本身相當(dāng)于電動機的轉(zhuǎn)子，它靠定子表面上的磁極的磁力的作用而運動，同時利用磁力使其能懸掛在“天花板”上。為了使驅(qū)動頭在天花板上高速移動時阻力小，還應(yīng)用了氣浮導(dǎo)軌的原理；在貼合面間吹入壓縮空氣并形成氣墊。使驅(qū)動頭在高速移動時幾乎沒有摩擦阻力。這種驅(qū)動頭的功能，就是典型的綜合技術(shù)功能。111又例如精密定位工作臺，采用激光測距，用計算機控制運動規(guī)律，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，這是典型的機電一體化技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)然也屬于綜合技術(shù)功能。2、工藝功能：非機械的工作頭例如，過去連桿頭加工中的別分工藝是用切削加工方法進行的(見圖3-30)，而現(xiàn)在有一種工藝是采用爆炸斷開的工藝，在可控的條件下爆炸．連桿頭斷開的位置正好在中間．?dāng)嗝婀鉂崳睾闲院?，不但效率高．而且連桿孔幾何精度仍然保持得很好。1121133、綜合技術(shù)功能的特點：在某些特定的條件下、采用廣義物理效應(yīng)．有可能實現(xiàn)比純機械方法更好的動作或工藝功能。顯然這里我們并不強調(diào)全部可以代替純機械功能，因為有許多場合純機械的動作和工藝功能還是特別簡單可靠的，沒有必要用更復(fù)雜的廣義物理效應(yīng)去代替。4、綜合技術(shù)功能的求解思路是：物理效應(yīng)引入法：指的物理效應(yīng)是一種廣義的概念如：運動學(xué)、力學(xué)方面的各種物理效應(yīng)．熱脹冷縮、電磁效應(yīng)、光電效應(yīng)、流體效應(yīng)均可在求解時引入。例如：利用熱脹冷縮的效應(yīng)使雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形，用來作電流的過載保護器、調(diào)溫電器的溫控開關(guān)。114在人工臟器的設(shè)計中，需要一種微型液體泵來幫助體液循環(huán)。以前這種泵都是用微型電動機帶動微型機械泵來工作的。由于存在磨損等機械問題，效果不理想。有一位生物醫(yī)學(xué)專家想出了用金屬的熱膨脹效應(yīng)來做體液泵，效果很理想。用石英晶體振蕩器控制的電磁擺來代替機械游絲擺制成的石英電子鐘表，也是運用物理效應(yīng)引入法的很典型的例子。在潤滑油中添加某些成分，就有可能使這種油在高壓或電場中產(chǎn)生特殊的性能(如粘性變大等)．在機械傳動中已經(jīng)在利用這些新效應(yīng)。近年出現(xiàn)的“機電一體化”或“機械電子學(xué)”，就是引入微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的產(chǎn)物，它是物理效應(yīng)引入法中一個較突出的成功的例子。115116117118廣義的物理效應(yīng)包括光、電磁、流體、甚至化學(xué)效應(yīng)等很多方面，不僅很多現(xiàn)在已知的效應(yīng)可供利用，而且還有更多新的正在被發(fā)現(xiàn)中的效應(yīng)和大量的派生效應(yīng)將可利用。可見．物理效應(yīng)引入法的求解途徑在功能原理求解中是一個非常重要、大有前途的途徑。119第八節(jié)功能原理設(shè)計的工作要點功能原理設(shè)計是在創(chuàng)意確定之后，進一步去實現(xiàn)創(chuàng)意階段所提出的功能目標。因此它的工作重點是構(gòu)思和創(chuàng)造，以及隨后的原理驗證和表達。功能原理設(shè)計是一個創(chuàng)新過程，但這種創(chuàng)新決不能像求解數(shù)學(xué)難題那樣只是冥思苦想，而應(yīng)該做一些切切實實的實際工作，考慮一些必須注意的問題。主要可以歸結(jié)為以下一些工作要點。1201．明確所要設(shè)計的任務(wù)的功能目標，提出具體問題例如：有關(guān)部門需要設(shè)計肌電假手，要求不很具體，只提出要有能模仿真手抓握物體的假手。經(jīng)分析如能像真手一樣能拿起一個質(zhì)量約為300g的物體，應(yīng)實現(xiàn)的具體功能目標如下：①手指應(yīng)能實現(xiàn)0.5rad／s的抓握運動速度，以模仿人手的真實運動。②手指觸物后，應(yīng)能產(chǎn)生50N左右的捏緊力，以滿足實際工作的需要。③所用微型電動機需在假手掌心中放置，故其外徑應(yīng)不大于￠20mm。④傳動機械的效率應(yīng)足夠高，以保證充電電池至少能工作1天。1212．調(diào)查、分析已有的解法原理，供設(shè)計時參考調(diào)查和分析已有的解法原理對于啟發(fā)思路是十分重要和有益的。已有技術(shù)一方面反映了別人的構(gòu)思和實踐的結(jié)晶；另一方面也提供了分析、比較的對象，使設(shè)計者能在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出更新、更巧妙的構(gòu)思來。1223．進行創(chuàng)新構(gòu)思、尋求更合理的解法原理設(shè)計者應(yīng)該有一個信念：現(xiàn)有的產(chǎn)品決不是頂峰，肯定還會有更好的設(shè)計出現(xiàn)。要爭取由自己推出新一代的創(chuàng)新產(chǎn)品。設(shè)計者應(yīng)重視基本科學(xué)知識的積累，避免陷入一些違反基本科學(xué)原理的“錯覺”。例如，有人設(shè)計了一種機械式的“功率增大器”，認為能把小功率輸入變?yōu)榇蠊β瘦敵?，他采用了一種特殊的行星齒輪傳動方式來實現(xiàn)他的理想。當(dāng)然，他所作的原理設(shè)計中存在著基本力學(xué)知識上的錯誤。1234．初步預(yù)想實用化的可能性大量例子說明一個好的原理構(gòu)思最后不能成為產(chǎn)品。在專利文獻中有大量的專利都沒有能夠成為有用的技術(shù)。其中部分的原因就是因為結(jié)構(gòu)、材料和工藝問題無法得到合理的解決。這充分說明創(chuàng)新構(gòu)思時要粗略考慮一些主要的結(jié)構(gòu)工藝問題。5．認真進行原理性試驗這是功能原理設(shè)計階段的最后一步，也是最重要的一步。在進行創(chuàng)新構(gòu)思時，盡管反復(fù)檢驗過他的發(fā)明原理．但是實際做一下試驗，往往會出現(xiàn)意想不到的問題。例如在假手的原理試驗時，發(fā)生手指捏緊后的反彈松脫現(xiàn)象，令人百思不得其解，不知是何原因。后來才弄清楚，這是在切換時有一瞬間出現(xiàn)了兩個離合器同時處于脫開的狀態(tài)．使得手指失控，造成反彈松脫。找到了原因，才采取了相應(yīng)的措施，解決了上述反彈問題。1246．評價、對比、決策必須要根據(jù)實驗的結(jié)果進行評價和對比，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的對比結(jié)果來做出決策。設(shè)計工作過程中，有兩項重大決策問題：一是在創(chuàng)意階段，這是決定產(chǎn)品方向的決策。要能判斷5年或10年以后市場所需要的產(chǎn)品二是在構(gòu)思階段，這是決定產(chǎn)品的技術(shù)方向的決策?！獋€產(chǎn)品可能有兩個以上的技術(shù)方向，在未來的發(fā)展中有可能出現(xiàn)完全不同的命運。例如，不久以前，人們提出了一種創(chuàng)意，就是壁掛式電視，沒有人懷疑這種創(chuàng)意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、試制。但是隨后出現(xiàn)的功能原理設(shè)計中，就出現(xiàn)了技術(shù)方向的問題，是用液晶技術(shù)，還是用固體發(fā)光技術(shù)，125哪一種有最好的效果〔屏幕的光亮度、色彩的鮮艷程度以及壽命、省電等等其它性能指標)。后來又出現(xiàn)了發(fā)光塑料，也許發(fā)光塑料可以比液晶和固體發(fā)光都好?；蛘哌€有一些別的什么可能性，—旦作出決策，開發(fā)出產(chǎn)品就將承受市場的風(fēng)險。又例如，目前市場上的噴墨打印技術(shù)，也存在兩個技術(shù)方向的選擇，現(xiàn)在兩個方向(汽化噴墨和壓電噴墨)正在激烈競爭，最后的勝利將由市場作出判決，只有市場才是決定勝負的唯一標準。因此，在選擇技術(shù)方向的決策中，實際上不存在方法，只有像象棋大師那樣，用深刻的洞察力、精密地分析比較、超人的預(yù)測能力，最后通過直覺判斷，作出天才的決策。不過任何天才的決策成功率也不可能是100％?？傊?，決定產(chǎn)品方向和技術(shù)方向的決策是一個非常重要。又是非常困難的問題，千萬不要輕信那些草率的決策，它將帶來災(zāi)難性的后果。126第九節(jié)功能原理設(shè)計的創(chuàng)造性問題“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂”，在激烈的世界性經(jīng)濟競爭中，產(chǎn)品在市場上的競爭力，很大程度取決于企業(yè)的創(chuàng)新能力。設(shè)計本身就是創(chuàng)造，創(chuàng)意階段需要創(chuàng)新，而構(gòu)思階段即功能原理設(shè)計階段更需要創(chuàng)新。一個設(shè)計人員是否有較高的創(chuàng)造性素質(zhì)，在很大程度上決定了他工作中的創(chuàng)造性效果。研究證明：有很高智商的人不一定有很高的創(chuàng)造性，而只有一般智商的人卻常常表現(xiàn)出很高的創(chuàng)造才能。一個設(shè)計人員的創(chuàng)造性素質(zhì)首先在于他有沒有強烈的創(chuàng)造意識(欲望)。但創(chuàng)造意識只是一種主觀愿望。他還必須要有創(chuàng)造性的知識基礎(chǔ)、思維方法和對創(chuàng)造性機理的認識和理解。最后，也就是最重要的，他還必須要有從事創(chuàng)造實踐的積極性。堅持實踐。才有可能獲得成功。127一、創(chuàng)造性機理圖3—32表示了人的創(chuàng)造性本能和影響成功的因素。圖3—33表明了創(chuàng)造性形成的機理：心理素質(zhì)是核心；知識、經(jīng)驗、能力是基礎(chǔ)；靈活的思維不斷探索方向；實踐是成功之路；如果在前進的道路上遇到了成功的機會，就有可能抓住機會取得成功。128二、創(chuàng)造性知識基礎(chǔ)一個好的設(shè)計師應(yīng)該具有很廣的知識面和較堅實的知識基礎(chǔ)。為了擴大人們在求解過程中搜索的眼界，人們編制了一些知識庫供參考。其中最典型的是德國學(xué)者洛特(Roth)編制的“設(shè)計目錄”。其中列舉了各種已知的物理效應(yīng)、技術(shù)結(jié)構(gòu)……。有些德國學(xué)者還提出一種系統(tǒng)化(systematic)思想，他們力圖把各種技術(shù)問題的解法分類排序系統(tǒng)地編排成表格，以供設(shè)計人員查閱。這些都屬于知識系統(tǒng)化的工作。對于設(shè)計人員來說．最寶貴的還是在不斷參加設(shè)計和制造實踐中積累起來的知識和經(jīng)驗。特別是那些失敗的經(jīng)驗。129三、情緒智商(EmotionalIntelligenceQuotient)這是美國哈佛大學(xué)心理系教授丹尼爾·戈爾曼于1995年提出的概念。他認為一個人的成功，一般智商只占20％的作用，而情緒智商則占80％的作用，這可以很好解釋那些智商高而沒有成就，而智商一般卻可能有很高成就的現(xiàn)象。所謂情緒智商：是指一種做人的涵養(yǎng)，一種性格的素質(zhì)，一種精神力量，具體表現(xiàn)在處理事物時能自動自發(fā)，能控制情緒，有遠大目光．有自我認識，待人接物有較好的人際技巧等等。130四、創(chuàng)造性思維規(guī)律創(chuàng)造性的障礙首先是心理上的，其次是思維習(xí)慣上的。人們往往害怕進入—個陌生的領(lǐng)域。擔(dān)心在那些看起來是可笑的想法上進行研究；常常會產(chǎn)生一種習(xí)慣心理：“會不會失敗?”；承受不起哪怕是很小的一次失敗，總希望一次就能成功。這些部屬于一種有害的“心理慣性”。克服這種心理慣性是發(fā)揮創(chuàng)造性的首要問題。思維習(xí)慣上的墨守成規(guī)也是創(chuàng)造性發(fā)揮的重大障礙。為此有必要介紹什么是創(chuàng)造性思維以及其方式和規(guī)律是什么?1．直覺和靈感131直覺(Intuition)是創(chuàng)造性思維的一種重要形式，幾乎沒有任何一種創(chuàng)造性活動能離開直覺思維活動。直覺和靈感并不是唯心的東西，它的基礎(chǔ)是平時積累的“思維元素’’和“經(jīng)驗”。直覺和靈感不過是它們的升華。由于直覺往往出現(xiàn)在無意識的思維過程中(如散步時、睡夢中……)，而不是在集中注意力思維的時候．因此常常給人們一種“神秘感”。愛因斯坦說：“我相信直覺和靈感”。他還畫了一個模式圖來描繪直覺產(chǎn)生的機理。他認為直覺起源于創(chuàng)造性的想象，通過反復(fù)的想象和構(gòu)思并激發(fā)起潛意識，然后就可能在某種環(huán)境條件下升華為直覺或靈感(見圖3—34)。132愛因斯坦生平簡介：現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。1879年3月14日生于德國的烏爾姆，1955年4月18日卒于美國的普林斯頓。

1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后即失業(yè)。在朋友的幫助下，才在瑞士聯(lián)邦專利局找到工作。1905年獲蘇黎世大學(xué)博士學(xué)位。1909年任蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)副教授，1911年任布拉格大學(xué)教授，兩年后任德國威廉皇家物理研究所所長、柏林大學(xué)教授，當(dāng)選為普魯士科學(xué)院院士。1932年受希特勒迫害離開德國,1933年10月定居美國。愛因斯坦在物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有貢獻，比如研究毛細現(xiàn)象、闡明布朗運動、建立狹義相對論并推廣為廣義相對論、提出光的量子概念，并以量子理論完滿地解釋光電效應(yīng)、輻射過程、固體比熱，發(fā)展了量子統(tǒng)計。并于1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1332．潛意識有些思維學(xué)家(如弗洛伊德.西格蒙德Freude.Sigmund1856―1939，奧地利醫(yī)生、心理學(xué)家，他是精神分析學(xué)派的創(chuàng)始人。）（《論無意識》1915)認為在人腦的思維活動中，存在著無意識的思維。所謂“無意識”和“下意識”的行為就和這種思維活動有關(guān)。這些思維學(xué)家強調(diào)“下意識”的重要性并稱之為“潛意識”。他們把它看得比有意識的思考更重要。在他們看來，創(chuàng)造性思維活動過程可以分為四個意識階段，即有意識活動(準備)階段——無意識活動(潛伏、醞釀)階段——過渡(產(chǎn)生靈感)階段——有意識活動(發(fā)展、完善)階段。其中第二、三階段就是潛意識活動的過程。1343．形象思維和思維實驗形象思維是指頭腦里產(chǎn)生實物形象的思維方式，這種形象是介于實物和抽象概念之間的一種圖形，愛因斯坦認為直覺思維必須借助于這種智力圖像。只有這種形象思維才能使人對空間狀況和變化過程進行思維。思維實驗則是指在頭腦里對所構(gòu)思的過程進行模擬性的實驗。愛因斯坦在發(fā)現(xiàn)相對論的過程中就做過這樣的思維實驗。上面提到的“智力圖像”正是人們進行思維實驗時的好工具。1354.視覺思維和感覺思維這是一種強化認識．強化聯(lián)想和誘發(fā)靈感的重要手段，都屬于動作思維的范疇。視覺的重要性在于它能從形象上修正人們的主觀臆測，從形象上啟發(fā)人的想象力，從而進一步引發(fā)人的靈感。建筑學(xué)強調(diào)視覺思維，機械設(shè)計強調(diào)sketch和模型試驗，因為它可以從形象思維的基礎(chǔ)上，通過視覺和感覺得到更真切的思維判斷。1365想象力發(fā)明創(chuàng)造需要有豐富的想象力。雖然，并不是所有想象得到的東西都能做得到，但是象不到的東西肯定是不會做到的。人的實踐可以啟發(fā)想象力，在實踐中．經(jīng)常會出現(xiàn)很多原來不曾想象到的現(xiàn)象，它補充了人們想象力的不足。有很多發(fā)明創(chuàng)造往往是人們在某種實踐中受到意外的啟發(fā)．而發(fā)明了另一種東西。

1376．敏感和洞察力創(chuàng)造性思維的一個重要能力是要善于抓住一瞬即逝的思想火花。一個好的構(gòu)思，大多數(shù)人往往會把它輕易放過，只有思想敏感的人才會抓住它。豐富的知識和敏銳的洞察力才能使人們不致放過那些偶然出現(xiàn)、一瞬即逝的機遇。7．聯(lián)想、側(cè)向思維、轉(zhuǎn)移經(jīng)驗創(chuàng)造化思維要求“發(fā)散”，盡可能把思維的觸角伸到很多陌生的領(lǐng)域，以探索那些尚未被發(fā)現(xiàn)的、更有前途的解法原理。這類思維方法中最典型的要算“仿生法”。但這只是發(fā)散思維的一個方面，還應(yīng)向更廣的方向去聯(lián)想。138綜上所述，創(chuàng)造力有五個要素，即知識、經(jīng)驗、能力、心理素質(zhì)和機遇，此外，創(chuàng)造力的發(fā)揮，還需要三個推動力，即：創(chuàng)造性欲望、創(chuàng)造性思維、和創(chuàng)造性實踐。如果一個人只具備很好的五個創(chuàng)造力要素，而缺乏三個推動力的話，還是難以作出創(chuàng)造出成果來的。139習(xí)題3—1試構(gòu)思一種采用新的“物理效應(yīng)“作為功能原理的點鈔機，并用Sketch描述之。3—2試構(gòu)思保險箱鎖(或別的簡單動作功能)的功能原理，并用Sketch描述之。3—3試構(gòu)思汽車安全帶的“動感”自動鎖緊的功能原理。(說明：帶感——指對安全帶快速抽動敏感；動感（或車感)——指對汽車任何振動敏感)3—4試構(gòu)思針式打印機色帶的單向驅(qū)動功能的功能原理。（說明：色帶由打印頭的雙向往復(fù)運動帶動)3—5試觀察并構(gòu)思“膨化食品”機工作頭的形狀，并用Sketch圖說明其功能原理1403—6試畫出復(fù)印機中布墨粉功能的Sketch圖，并說明磁輥和絕緣載體的作用。3—7試對核反應(yīng)堆控制棒的驅(qū)動技術(shù)作矛盾分析：1)該關(guān)鍵技術(shù)的本質(zhì)矛盾是什么?2)水力驅(qū)動原理應(yīng)用了什么物理效應(yīng)，與普通液壓（靜壓）方式有何區(qū)別？3)用Sketch法描述水力驅(qū)動的功能原理。（說明此題各?？筛鶕?jù)本校熟悉的關(guān)鍵技術(shù)另行出題)3—8試構(gòu)思咖啡壺的功能原理，并用Sketch描述之。3—9請觀察、分析日光燈電路中用什么物理效應(yīng)作成起輝器，畫出電路圖．分析起輝過程3—10試評中國人的創(chuàng)造力。141第三章機械產(chǎn)品的功能原理的實現(xiàn)

——機械運動系統(tǒng)的方案設(shè)計第一節(jié)機構(gòu)能實現(xiàn)的動作功能一、機構(gòu)能實現(xiàn)哪些動作功能機械產(chǎn)品的動作功能要通過一系列的機構(gòu)和電氣電子裝置去具體實現(xiàn)。機構(gòu)一般能實現(xiàn)下列各種動作功能：1．利用機構(gòu)實現(xiàn)運動形式或運動規(guī)律變換的動作功能在絕大多數(shù)的機械中原動機的運動形式為轉(zhuǎn)動，而機構(gòu)的輸出運動是多種多樣的。利用機構(gòu)可以進行構(gòu)件運動形式的變換，例如；1)勻速運動(平動、轉(zhuǎn)動)與非勻速運動(平動轉(zhuǎn)動或擺動)的變換2)連續(xù)轉(zhuǎn)動與間歇式的轉(zhuǎn)動或擺動的變換。3）實現(xiàn)預(yù)期的運動軌跡。142143簡諧運動:144曲柄滑塊機構(gòu)圖為從動軸又轉(zhuǎn)又移的蝸輪連桿機構(gòu)。圖中5為蝸輪箱體，蝸桿4和軸1以滑鍵連接，蝸輪3與桿2鉸接。當(dāng)軸1轉(zhuǎn)動時，從動蝸輪3又轉(zhuǎn)又移。印刷機色輥的運動即用此機構(gòu)實現(xiàn)。145非勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)非勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)包括雙曲柄機構(gòu)、非圓齒輪機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿及組合機構(gòu)等。由于雙曲柄機構(gòu)和偏置曲柄滑塊機構(gòu)均有急回特性，二者并用加強了急回效果，使篩子在運動時有較大的加速度。對于創(chuàng)床用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)、單萬向聯(lián)軸節(jié)機構(gòu)和反平行四邊機構(gòu)等均屬于非勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)。1462．利用機構(gòu)實現(xiàn)開關(guān)、聯(lián)鎖和檢測等的動作功能開關(guān)、聯(lián)鎖和檢測是自動機中的重要內(nèi)容。檢測機構(gòu)可以檢查最后的成品也可以檢測中間工序，以自動校正與規(guī)定標準間的差異?？刂坡?lián)鎖機構(gòu)的用途則是在機器工作過程中發(fā)現(xiàn)控制和檢測機構(gòu)所不能排除的缺陷時停止或限制機器的工作。例如：1）用來實現(xiàn)運動離合或開停。2）用來換向、超越和反向止動。3）用來實現(xiàn)聯(lián)鎖、過載保護、安全制動4)實現(xiàn)鎖止、定位、夾壓等。5)實現(xiàn)測量、放大、比較、顯示、記錄、運算等。147舉例1制動機構(gòu)：制動裝置的基本要求是：工作可靠，操作方便，制動乎穩(wěn)且時間短，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，磨損?。嵝院谩Ｓ秒妱訖C起停和換向時，常采用反接法制動。它具有操作方便、制動時間短等優(yōu)點。但，反接時的制動電流大，傳動系統(tǒng)受的慣性沖擊力也較大。故它只適用于制動不頻繁、傳動系統(tǒng)慣性較小或電動機功率較小的系統(tǒng)。用離合器進行起?；驌Q向時，必須在傳動鏈中安裝制動裝置。制動器和離合器的操縱機構(gòu)必須互鎖。當(dāng)離合器脫開時，制動器應(yīng)制動，接通離合器前。制動器必須可靠地放松，以免損壞傳動件或造成過大的功率損失。148圖示的曲柄壓力機只有一個執(zhí)行機構(gòu)，即曲柄滑塊機構(gòu)，電機9通過齒輪副8、7及離合器6帶動曲軸4旋轉(zhuǎn)，再通過連桿3使滑塊2在機身10的導(dǎo)軌中作往復(fù)運動，操縱桿1使離合器接合或脫開，控制曲柄滑塊機構(gòu)的運動或停止。制動器5與離合器6的動作要協(xié)調(diào)配合：工作前，制動器先放松，離合器后接合；停車前，離合器先脫開，制動器后接合。149舉例2過載保護裝置：常用的安全保護裝置有以下幾種：1．銷釘安全聯(lián)軸器1502．鋼珠安全離合器1511523．摩擦式安全離合器圖示為單圓錐形擦安全離合器。摩擦面由內(nèi)圓錐摩擦盤1和外圓錐面摩擦盤2組成。在彈簧3作用下使兩個錐面壓緊，由此產(chǎn)生酌摩擦力矩即為該離臺器允許的輸出轉(zhuǎn)矩。螺母5用來調(diào)整壓緊力。153154舉例3斜楔杠桿式夾持器。1553.利用機構(gòu)實現(xiàn)程序控制或手動控制的功能程序控制或手動控制是自動機械中不可缺少的一部分，控制的方法很多，用機構(gòu)來控制的方法就有；1)利用時間的序列進行控制例如圖4-1是一種凸輪程序裝置。它由一系列的微動開關(guān)和凸輪組成。凸輪軸由同步電動機驅(qū)動。凸輪旋轉(zhuǎn)一周，對應(yīng)著工件的整個加工循環(huán)。1562)利用動作的序列進行控制例如圖4—2是一種利用電磁閥控制液壓缸進行工作的順序操作過程。1573)利用運動的變化等進行控制例如圖4-3是汽車發(fā)動機的離心調(diào)速器。158二、選擇機構(gòu)來實現(xiàn)功能原理的原則和范圍上面敘述了機構(gòu)所能實現(xiàn)的動作功能，實際上。這些功能也完全可以用電氣或電子的原則來實現(xiàn)。但是在什么情況下選用機構(gòu)來完成這些功能呢?當(dāng)然首先是要完成設(shè)計時提出的功能目標。還要考慮到工作可靠，運行安全，操作方便，制造和運行的經(jīng)濟性等等。其中前兩條是必須滿足的，后兩條則在有條件的情況下，盡可能的滿足。根據(jù)目前科學(xué)技術(shù)的條件，下列幾方面的動作功能，一般較宜用機構(gòu)來實現(xiàn)。1．實現(xiàn)功率性的機械運動形式或規(guī)律的變換功能鼠籠型異步電動機+變速機構(gòu)1592．實現(xiàn)固定軌跡或簡單可調(diào)的軌跡功能例如各種自動機上的上、下料，加工、檢測等工序需要的運動軌跡，均可全部用機構(gòu)來完成。對于復(fù)雜軌跡，采用電子或電氣來控制，但其軌跡功作部分還必須使用機構(gòu)，如機器人的手臂、手腕、手爪、計算機繪圖儀的繪圖筆的動作等。3．在特定條件下能優(yōu)質(zhì)地實現(xiàn)開關(guān)、聯(lián)鎖和檢測等功能如電燈開關(guān)．一般是用機械式的，但也有觸模式、光電式的開關(guān)，都能安全可靠地完成開關(guān)任務(wù)，至于操作方便和經(jīng)濟性只能在特定條件下作具體的分析。1604．實現(xiàn)簡單的固定程序或可變程序的控制功能例如目前很少采用直線電動機來實現(xiàn)直線運動，但由于超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，磁懸浮技術(shù)的成熟，直線電動機將使用在磁懸浮的高速列車上。電視機最初出現(xiàn)時．當(dāng)時電視頻道少．顯象管屏幕也小，因而廣泛使用安全可靠、操作方便、經(jīng)濟性好的機械式頻道變換開關(guān)，但當(dāng)電視機屏幕的不斷增大，頻道的增多，經(jīng)濟性好的機械式頻道變換開關(guān)，愈來愈感到操作的不便而被遙控開關(guān)所取代。但是也應(yīng)看到電子技術(shù)的發(fā)展雖然能控制許多復(fù)雜的自動化機器和設(shè)備，但其本身的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，因而引起可靠性、安全性的下降。例如飛機上的自動導(dǎo)航儀，可以自動按給走路線飛行，而不需駕駛員動手，但是為了保證絕對安全可靠，這種飛機上還是安裝了結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠的手動控制裝置。161第二節(jié)傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)一切機器都包含有四個部分：動力源、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)和控制部分。一、傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)（系統(tǒng)）是將原動機的運動和動力傳給執(zhí)行機構(gòu)的中間裝置，其類型主要有機械傳動、流體動力傳動、電力和磁力傳動等。原動機與執(zhí)行機構(gòu)間組成傳動聯(lián)系的一系列傳動件稱為傳動鏈，所有傳動鏈以及它們之間的相互聯(lián)系組成傳動機構(gòu)（系統(tǒng)）。主要目的：為了實現(xiàn)速度或力的變換，或?qū)崿F(xiàn)特定運動規(guī)律的要求。162作用：是將原動機的運動和動力傳遞給工作機，以完成預(yù)期的功能。具體內(nèi)容：(1)把原動機輸出的速度降低或增高，以適合執(zhí)行機構(gòu)的需要；(2)實現(xiàn)變速傳動以滿足執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常變速的要求；(3)把原動機輸出的轉(zhuǎn)矩、變換為執(zhí)行機構(gòu)所需要的轉(zhuǎn)矩或力；(4）把原動機輸出的等速旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機構(gòu)所要求的、其速度按某種規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或其它類型的運動；(5)實現(xiàn)由一個或多個原動機驅(qū)動若干個相同或不相同速度的執(zhí)行機構(gòu)；(6)由于受機體外形、尺寸的限制，或為了安全和操作方便，執(zhí)行機構(gòu)不宜與原動機直聯(lián)時，也需要用傳動裝置來聯(lián)接。1631、傳動機構(gòu)的類型變速裝置，啟動、停止和換向裝置，制動裝置及安全保護裝置等。1641)變速裝置及其機構(gòu)1652)啟動、停止和換向裝置常用的啟停和換向裝置有兩類：一類是通過按鈕或操縱桿直接控制原動機實現(xiàn)啟停和換向，另一類是用離合器實現(xiàn)啟停和換向。選擇方案時應(yīng)考慮執(zhí)行機構(gòu)所要求的啟停和換向的頗繁程度、原動機的類型與功率。（1)原動機為電動機時，電動機允許在負載下啟動，可以正反運轉(zhuǎn)，但電動機的啟動電流通常是額定電流的5—7倍，因此在功率大、啟停和換向頻繁的情況下，將導(dǎo)致因發(fā)熱大而縮短電機的使用壽命，同時因電流過大影響局部電網(wǎng)的正常供電。其優(yōu)點是操作方便，能簡化機械結(jié)構(gòu)。用離合器啟停和換向：中等以上功率且啟停和換向頻繁時，常采用各種離合器啟動和換向。若執(zhí)行機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度高時可采用摩擦離合器，若執(zhí)行機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度較低時可采用剛性的嚙合式離合器。166（2)原動機為內(nèi)燃機由于內(nèi)燃機既不能在負載下啟動，也不能反轉(zhuǎn)運行，故必須用摩擦離合器或液力偶合器來實現(xiàn)啟動，執(zhí)行機構(gòu)需要反向時，應(yīng)在傳動鏈中設(shè)置反向機構(gòu)。離合器啟停和換向舉例：圖示為齒輪—摩擦離合器換向機構(gòu)的傳動原理圖，齒輪Z1和Z3均空套在軸I上，摩擦離合器向左接合時，通過Z2傳動軸Ⅱ，摩擦離合器向右接合時，通過Z0、Z4傳動軸Ⅱ、實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，摩擦離合器處于中間位置時，軸Ⅱ不轉(zhuǎn)。這樣就可實現(xiàn)軸Ⅱ的啟動、停止和換向。167運動由軸Ⅴ輸入；軸Ⅵ輸出1683)制動裝置對制動裝置的基本要求是：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作可靠，制動平穩(wěn)