04-机器功能分析及功能原理设计
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机械产品的功能原理设计
缺点： 原方案：埋设电缆，用电磁感应导向， 原方案 昂贵 路线无法调整
通过调查分析，明确以下几点功能目标 功能目标： 功能目标 1、 装设导向系统——费用低； 2、 允许扩充和调整设备，变动运输路线； 3、 运行灵活(环境拥挤) 针对上述功能目标，提出了一些原理性设想→解法原理：
1、 惯性导航技术，预置程序 预设参考点→ 理论轨迹 轨迹修正
第四节 两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能 二、复杂动作功能
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器 二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法 构建物-场模型一般遵循以下四个步骤 五、构建物 场模型一般遵循以下四个步骤
第六节 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器：对被加工对象(某种物料)实施某种加工工艺的装置。由工作头完成对工作对 工艺类机器：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ象的加工处理。简单来理解，就是指加工设备。
二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法
1、采用哪种工艺方法； 2、工作头采用什么形状和动作。
第三章 机械产品的功能原理设计
功能原理设计：针对主要功能的原理性设计 功能原理设计 重点在于提出创新构思
创新 ，获得较多解法供比较选优。 有市场竞争潜力
改革工作原理 机器更新换代的三个途径 改进工艺、结构、材料以提高技术性能 加强辅助功能
其中改革工作原理是最难的，一般需要有些新技术突破才行 机械表 (机械钟最早的机械钟是何人、何时在何地制造的已无从考证了。有记录的最古老的机械钟十三世纪出 现在欧洲的修道院之中。当时的机械钟不能显示时间，靠看钟人每小时敲钟来报时。1335年公共时钟 的出现，使机械钟第一次进入人们的日常生活。原理：最早的机械表是利用重锤工作的，非常笨重； 后来的机械钟是利用螺旋弹簧和发条装置工作的；现在的机械表是普遍使用游丝。是惠更斯在螺旋弹 簧的基础上研究出来的)； 机电结合的石英电子表 (1969年日本的精工公司,原理：利用石英晶体在加电源后，水晶便会以32768赫兹的周波数振动)。 液晶显示的纯电子表 (1973年，日本的精工制造公司开发出世界上第一块电子表。其原理是利用石英晶片的压电效应。在石 英晶片的极板上接上与石英晶片的固有频率相等的交流电场，就会产生共振(压电共振))
通过调查分析，明确以下几点功能目标 功能目标： 功能目标 1、 装设导向系统——费用低； 2、 允许扩充和调整设备，变动运输路线； 3、 运行灵活(环境拥挤) 针对上述功能目标，提出了一些原理性设想→解法原理：
1、 惯性导航技术，预置程序 预设参考点→ 理论轨迹 轨迹修正
第四节 两种动作功能及其对应的求解思路
一、简单动作功能 二、复杂动作功能
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器 二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法 构建物-场模型一般遵循以下四个步骤 五、构建物 场模型一般遵循以下四个步骤
第六节 关键技术功能和综合技术功能及其对应的求解思路
第五节 工艺功能设计及其对应的求解思路
一、工艺类机器：对被加工对象(某种物料)实施某种加工工艺的装置。由工作头完成对工作对 工艺类机器：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ象的加工处理。简单来理解，就是指加工设备。
二、工艺功能设计的任务 三、工艺功能设计的特点 四、工艺功能设计的方法
1、采用哪种工艺方法； 2、工作头采用什么形状和动作。
第三章 机械产品的功能原理设计
功能原理设计：针对主要功能的原理性设计 功能原理设计 重点在于提出创新构思
创新 ，获得较多解法供比较选优。 有市场竞争潜力
改革工作原理 机器更新换代的三个途径 改进工艺、结构、材料以提高技术性能 加强辅助功能
其中改革工作原理是最难的，一般需要有些新技术突破才行 机械表 (机械钟最早的机械钟是何人、何时在何地制造的已无从考证了。有记录的最古老的机械钟十三世纪出 现在欧洲的修道院之中。当时的机械钟不能显示时间，靠看钟人每小时敲钟来报时。1335年公共时钟 的出现，使机械钟第一次进入人们的日常生活。原理：最早的机械表是利用重锤工作的，非常笨重； 后来的机械钟是利用螺旋弹簧和发条装置工作的；现在的机械表是普遍使用游丝。是惠更斯在螺旋弹 簧的基础上研究出来的)； 机电结合的石英电子表 (1969年日本的精工公司,原理：利用石英晶体在加电源后，水晶便会以32768赫兹的周波数振动)。 液晶显示的纯电子表 (1973年，日本的精工制造公司开发出世界上第一块电子表。其原理是利用石英晶片的压电效应。在石 英晶片的极板上接上与石英晶片的固有频率相等的交流电场，就会产生共振(压电共振))
机器功能分析及功能原理设计 PPT课件
机械设计基础II -机器功能分析及功能原 理设计
目录
机器功能分析和功能基词汇 机构的组成原理及机构运动系统方案设计
经典设计理论(德国) －普适设计方法学
Engineering design ： Paul & Beitz 1976，1986 工程设计学－学习与实践手册(1992.6):机械工业出版社 翻译：张直明 毛谦德 冯培恩 等 普适设计方法学(Comprehensive Design Methedology)： 优秀设计过程所积累经验的总结。 该设计方法学建立了设计人员在每一设计阶段的工作 步骤计划，这些计划包括策略、规则、原理，从而形 成一个完整的设计过程模型。一个特定产品的设计可 完全按该过程模型进行，也可选择其中的一部分使用。描述。流集合的第 一层仍然采用Pahl & Beitz 提出的三个基本类， 即物质流、信息流和能量流。物质流中有5 个二 层目录以及相应的三层扩展；信息流中有2 个二 层目录以及相应的三层扩展；能量流中有13 个二 层目录以及相应的三层扩展。 表2 是调和功能基础RFB 的功能集合的部分描述， 包含8 个基本类以及相应的第二、第三层扩展。 表中的“Correspondents”不是集合的第四层， 而是为了便于设计表达向RFB 的三层结构映射的 辅助信息。
辅 助 功 能
功能结构简图
如果把所要研究的产品对象看成是 一个整体，把它相对地从其环境中 孤立出来，把研究对象所受到周围 环境的影响看成是通过特定通道实 现的“输入”，把研究对象对周围 环境的作用看成是通过特定通道来 实现的“输出”。 根据研究对象的性质和研究目的， 划定了研究对象与周围环境的边界。 选定了对象与环境的相互联系的特 定通道，确定了对 象的一组输入和 输出，就意味着一个黑箱的确立。 对于这样一种内部结构尚不能直接 观测，只能从外部去认识的研究对 象，控制论创始人维纳，以及艾什 比称它为“黑箱”(Black Box)。 目前几乎所有的功能建模都把黑箱 法作为基本的构造方法，图是产品 功能系统的黑箱模型。
目录
机器功能分析和功能基词汇 机构的组成原理及机构运动系统方案设计
经典设计理论(德国) －普适设计方法学
Engineering design ： Paul & Beitz 1976，1986 工程设计学－学习与实践手册(1992.6):机械工业出版社 翻译：张直明 毛谦德 冯培恩 等 普适设计方法学(Comprehensive Design Methedology)： 优秀设计过程所积累经验的总结。 该设计方法学建立了设计人员在每一设计阶段的工作 步骤计划，这些计划包括策略、规则、原理，从而形 成一个完整的设计过程模型。一个特定产品的设计可 完全按该过程模型进行，也可选择其中的一部分使用。描述。流集合的第 一层仍然采用Pahl & Beitz 提出的三个基本类， 即物质流、信息流和能量流。物质流中有5 个二 层目录以及相应的三层扩展；信息流中有2 个二 层目录以及相应的三层扩展；能量流中有13 个二 层目录以及相应的三层扩展。 表2 是调和功能基础RFB 的功能集合的部分描述， 包含8 个基本类以及相应的第二、第三层扩展。 表中的“Correspondents”不是集合的第四层， 而是为了便于设计表达向RFB 的三层结构映射的 辅助信息。
辅 助 功 能
功能结构简图
如果把所要研究的产品对象看成是 一个整体，把它相对地从其环境中 孤立出来，把研究对象所受到周围 环境的影响看成是通过特定通道实 现的“输入”，把研究对象对周围 环境的作用看成是通过特定通道来 实现的“输出”。 根据研究对象的性质和研究目的， 划定了研究对象与周围环境的边界。 选定了对象与环境的相互联系的特 定通道，确定了对 象的一组输入和 输出，就意味着一个黑箱的确立。 对于这样一种内部结构尚不能直接 观测，只能从外部去认识的研究对 象，控制论创始人维纳，以及艾什 比称它为“黑箱”(Black Box)。 目前几乎所有的功能建模都把黑箱 法作为基本的构造方法，图是产品 功能系统的黑箱模型。
机械设计基础II04-机器功能分析及功能原理设计
机器功能原理设计
1
概念
讲解机器功能原理设计的定义和基本原则。
2
方法
介绍功能设计的基本思路和方法，如结构设计和控制设计。
3
实例
以电风扇和电钻为例，展示功能设计的具体实践。
功能间影响分析
方法
详解功能间影响分析的方 法，帮助设计师更好地优 化机器功能。
难点与解决方法
探讨功能设计中的难点， 并提供解决方法，如平衡 不同功能之间的影响。
探讨功能设计与产品的 可靠性和维修性的关系。
介绍如何在功能设计过 程中协调可靠性和维修 性的需求。
3 技术创新
讲解功能设计与AI技术 的创新融合，推动机器 功能设计的发展。
未来机械功能设计趋势
趋势展望
质量评价与提升
展望未来机械功能设计的发展 趋势，如智能化和可持续发展。
继续深入讨论机器功能设计的 质量评价和提升方法。
2 基本术语
学习功能分析的基本术语，如功能需求、功能剖面图等。
3 功能分析的意义
了解功能分析的作用，如提高设计效率，满足用户需求等。
功能需求分析
1
基本步骤
详解功能分析的基本步骤，如需求获取、需求分析和需求确认等。
2
应用
功能需求分析的实际应用，以洗衣机和打印机为例进行讲解。
3
绘制功能剖面图
讲解功能剖面图的绘制方法和应用，帮助理解机器的具体功能细节。
机械设计基础II04-机器功 能分析及功能原理设计
本节课程将介绍机器功能分析的概念、基本术语以及功能设计的重要性。同 时，将通过实例讲解功能需求分析和功能原理设计的步骤和方法，以及功能 设计在产品竞争中的作用。
机器功能分析概述
1 什么是功能分析？
基于创新设计理论功能分析的机械产品功能原理创新设计
降低生产成本，满足市场需求。因此，基于TRIZ的机械产品创新设计具有重 要的现实意义和广泛的应用前景。
参考内容三
引言
机械产品设计是机械工程领域的重要组成部分，其创新程度直接关系到产品 的性能、成本和竞争力。因此，研究机械产品创新设计方法具有重要意义。TRIZ （ Theory of Inventive Problem Solving）
每个阶段都采用TRIZ的理论和方法进行优化和创新；技术方案创新是运用 TRIZ的资源利用和创新思维，提出更具创新性的技术方案。
4、应用效果举例
以某型数控机床为例，传统的设计方法通常机床的性能和精度，但在实际使 用中可能会遇到一些问题，如操作复杂、维护困难等。基于TRIZ的设计方法可以 帮助设计师从用户需求和使用场景出发，分析出操作复杂和维护困难的主要原因 是操作流程繁琐和
燃油效率，降低油耗，减少环境污染。详细设计阶段则涉及产品的细节设计 和优化，例如外观造型、色彩搭配、人机交互等。
基于TRIZ的机械产品创新设计
基于TRIZ理论的机械产品创新设计，首先需要对问题进行充分了解和分析， 将实际问题转化为TRIZ理论中的技术矛盾或物理矛盾。然后，利用TRIZ创新原理、 技术系统进化法则、物质场模型等工具，进行创新思维和方案设计。
1、功能分析：减速机的主要功能是将高速旋转的电动机的转速降低，使其 达到所需的工作速度。其主要性能指标包括减速比、效率和噪声等。
2、功能建模：通过对减速机的输入、输出轴以及齿轮等主要部件进行建模， 建立其功能模型。模型中应包括各个部件的运动关系、力的传递路径等信息。
3、功能优化：针对模型中的关键部件和性能指标进行优化。例如，通过采 用新的齿轮材料和设计，提高减速机的承载能力和使用寿命；通过优化结构设计， 降低减速机的体积和质量；通过改进润滑系统，降低减速机的摩擦和噪声等。
预防性维护系列04-故障分析与预防性维护的七个阶段
计划维护的七大步骤
主要活动2
之3步：暂行基准的拟定（2）
拟定定期维护主体的暂行基准，并开始检查 设备维护基准
计划维护的七大步骤
之3步：暂行基准的拟定（3）
化方式做成设备维修暂行基准。 • 点检周期采用年度与月份方式，并可擦拭。
why 为什么 为什么链轮齿会用损坏？ 为什么驱动链会在齿上滑落？ 为什么链会松弛？ 为什么链没有链接在同一平面上 为什么没有检查程序？ answers 回答 驱动链在齿上滑落 链已松弛 链没有链接在同一平面上 没有检查程序 没有人意识到PM检查的重要性
action 行动 设置检查窗口 设置检查标识 恢复链接平面 设置P-M检查程序（维护和操作工 对操作工实行一点课
重要度选定基准
机械设备维护等级 区 分 生 产 用 编 号 1 2 项 目 嫁动状况如何？ 故障时有无其他 替代用机器？
根据生产、质量、维护 上的观点，从设备的重 要度分级以及维护记录 的分析结果，选定A级 设备的MTBF短而故障 慢性化的设备作为示范 机。
第0步骤的结论 • 示范机为5面加工用加工中心，可进 行多面加工，因此，要求具有稳定的 无人加工功能。 • 进口设备的原制造厂已经不存在， 所以必须由自己的公司予以应对。
5个why分析法-（4）
现象：合上开关后OHP的1#灯泡烧掉
why 为什么 why(1)：为什么合上开关后灯泡会烧掉？ why(2)：为什么电流会超过设计标准？ why(3)：为什么会有电流脉冲？ why(4)：为什么电路会过载？ why(5)：为什么没有提供更多的插座？ answers 回答 电流量超过设计标准 有一电流脉冲 电路过载 没有足够的插座 没有意识到一个插座不够用。
未满5年 （16%） 5-10年 (21%) 11年以上 (63%)
分析机工作原理
分析机工作原理
分析机是一种机械计算设备，它的工作原理基于齿轮和机械传动。
它由较复杂的齿轮系统和数字显示组成，用于进行简单的算术运算。
分析机通常包含一个输入装置，例如旋转手柄或键盘，用于输入数据。
输入的数据经过一系列齿轮和传动装置进行运算，然后通过数字显示装置输出结果。
在进行计算之前，分析机需要将输入的数据转换为机械装置可以处理的形式。
这通常是通过将数据转化为数字编码的方式实现的。
输入的数据经过编码装置转换为对应的机械位置，然后通过齿轮和传动装置进行计算。
齿轮系统的设计使得它们可以根据输入的数据进行相应的运算，例如加法、减法、乘法和除法。
在进行计算过程中，分析机的齿轮和传动装置会根据输入的数据进行相应的调整和运动。
通过采用不同大小和形状的齿轮以及不同的传动比例，分析机可以实现多种不同的计算操作。
当计算完成后，齿轮和传动装置会将结果转换为相应的数字编码并通过数字显示装置输出。
分析机的工作原理基于机械装置的准确度和可靠性。
齿轮和传动装置的设计和制造需要严格的精度要求，以确保计算的准确性。
此外，分析机还需要合理的机械结构和清晰的操作界面，以便用户能够方便地输入数据和读取计算结果。
总之，分析机通过齿轮和机械传动实现数据的输入、计算和输出。
它利用机械装置的精确性和可靠性，能够进行简单的算术
运算。
尽管分析机在现代计算技术中已经被电子设备所取代，但它作为机械计算的先驱，对计算机的发展起到了重要的推动作用。
机械设计学课本
机械设计学课本第⼀章绪论1.机械设计学学科的三个组成部分：功能原理设计、实⽤化设计、商品化设计。
2.机械设计具有哪些主要特点？（多解性、系统性、创新性）3.近代“设计学”的重⼤发展（功能思想的提出和发展；⼈机学思想的形成和发展；⼯业设计学科体系的发展和成熟）4.从设计构思的⾓度将机械设计步骤归纳为哪三⼤步？（创意、构思、实现）第⼆章机器的组成及典型机器的功能分析1.机器的定义：有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动⼒和运动转变，以执⾏⼈们预期的⼯作，在⼈或其他智能体的操作或控制下，实现为之设计的某种或⼏种功能。
2.从不同⾓度看机器的组成：从机构学的⾓度看：各种基本机构，⾃由度=原动机数；从结构学的⾓度看：各种基本零件；从专业的⾓度看：各种主要部件3.从功能的观点看机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成，它们的协调⼯作实现了实现了机器的总功能。
⼜可进⼀步分为：⼯作机（⼯作头、执⾏机构）传动机原动机控制器。
4.从功能的观点看机器的分类可分为：⼯艺类机器：对物料进⾏⼯艺性加⼯的机器，主要特征是具有专⽤的⼯作头并进⾏独特的⼯艺加⼯动作；⾮⼯艺类-不对任何物料进⾏⼯艺性加⼯，只实现某些特殊的动作性的机器。
5.家⽤缝纫机是⼀种典型的⼯艺类机器。
⼯艺⽅式：⼀是采⽤针尖引线的⽅法代替针尾引线；⼆是采⽤双线互锁交织的⽅法代替反复穿刺。
功能分析：（1）总功能：将线按⼀定规律缝于缝料上，它可使⼀根线或多根线通过⾃连、互连、交织，在缝料上形成⼀定形式的线迹。
（2）主要功能：引⾯线造环功能，勾⾯线扩环供给和收回⾯线的功能，输送缝料的功能。
（3）辅助功能：调节⾯线和底线阻尼的功能，调节压脚和压紧⼒的功能，调节送布针距的功能，绕底线功能。
（4）控制功能：机械控制功能，⼈机控制功能，电⼦控制功能。
6.现代银⾏点钞机是⼀种典型的机电⼀体化系统，属于⼯艺类机器。
功能要求：要有堆放准备清点纸币的空间，并能将纸币连续输⼊，直到最后⼀张；要有能把纸币逐张分开，避免两张当做⼀张计数的机构；要有准确计数的装置，清理完毕的纸币要整理成⼀叠。
西安交通大学考研专业课《802机械设计基础》基础提高讲义
运动链（ Ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃＣ ｈ ａ ｉ ｎ ） — — —两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统 。 ·按照几何形状是否封闭， 可以分为开链和闭链： 闭链： 指运动链的各构件构成首尾封闭的系统。 开链： 指运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。 ·按照各构件间的相对运动可分为平面运动链和空间运动链： 平面运动链： 各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链： 各构件间的相对运动为空间运动的运动链。 自由度（ Ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅｏ ｆ Ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ） — — —构件所具有的独立运动个数 。 空间自由构件： — — —６个
２ ． 现代设计方法
现代广义设计和分析科学方法的统称 设计思想上： 强调创新设计、 动态设计 设计方法上： 采用更加科学、 理性和系统的设计方法 设计手段上： 利用最新计算机技术
第三章 ㊀ 机械运动设计与分析基础知识
１ ． 概述
对机构进行研究： （ 研究什么， 用什么方法研究） 首先， 对机构进行研究， 就要研究机构的组成及组成要素， 机构的组成要素就是构件与运动副； 其次， 对机构进行研究， 要研究机构在什么条件下才具有确定的相对运动， 这就是机构的自由度 计算； 再次， 对机构进行研究， 要对机构进行运动分析与设计， 就必须建立机构的运动模型， 这个模型就 是机构运动简图； 最后， 研究机构运动特性的一种工具— — ——速度瞬心法。
— ６—
西安交通大学《 ８ ０ ２机械设计基础》 基础提高
移动： Ｘ 、 Ｙ 、 Ｚ ； 转动： Ｘ 、 Ｙ 、 Ｚ 平面自由构件： — — —３个 例㊀在 Ｘ Ｏ Ｙ平面， 移动 Ｘ 、 Ｙ ； 转动 Ｚ 约束（ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ） — — —对自由度的限制个数 。 自由度和约束之和应为 ６ 。运动副为活动联接， 所以引入的约束数目最多为 ５个， 而剩下的自由 度最少为 １个。 自由度 １ ５ ； 约束 １ ５ 。 ２ ） 运动副的分类 按构成运动副的两构件的相对运动分 转动副： — — —两构件之间的相对运动为转动 移动副： — — —两构件之间的相对运动为移动 平面滚滑副： — — —相对滚动和相对滑动并存 螺旋副： — — —几何特征是两螺旋面接触， 相对运动为螺旋运动 球面副： — — —球面运动 圆柱副： — — —几何特征为两圆柱面配合， 构成圆柱副的两构件都可绕其轴线做相对转动， 与转动 副的区别在于圆柱副还可以延其轴线方向移动 按运动副接触形式分 低副— — —两构件通过面接触而构成的运动副。 运动副 高副— — —两构件通过点或线接触而构成的运动副。（ 滚滑副、 球面高复、 圆柱高副） 根据锁合方式分 形锁和： 是指用几何形状来完成锁合（ 又称几何锁合） 力锁合： 是利用外力使两运动副元素始终保持接触。 ３ ） 由基本概念看机构的组成 运动链成为机构的条件 （ １ ） 将运动链中的一个构件固定为机架； （ ２ ） 必须有原动件。 机构中构件的类型： 机架— — —机构中作为参考系的构件。 原动件— — —机构中按给定的运动规律独立运动的构件。 从动件— — —机构其余活动构件。 机构的分类： 平面机构— — —组成机构的各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构— — —组成机构的各构件间的相对运动为空间运动。
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表1 是RFB 输入输出流集合的描述。流集合的第 一层仍然采用Pahl & Beitz 提出的三个基本类， 即物质流、信息流和能量流。物质流中有5 个二 层目录以及相应的三层扩展；信息流中有2 个二 层目录以及相应的三层扩展；能量流中有13 个二 层目录以及相应的三层扩展。
表2 是调和功能基础RFB 的功能集合的部分描述， 包含8 个基本类以及相应的第二、第三层扩展。 表中的“Correspondents”不是集合的第四层，而 是为了便于设计表达向RFB 的三层结构映射的辅 助信息。
机械运动系统方案设计主要步骤
机械运动系统方案设计主要步骤
1．工艺动作过程的构思和设计 工艺动作过程的确定是机械系统设计的关键步骤，也是体现机 械系统设计的主要特点。
2．工艺动作分解和求解 工艺动作的分解是指将工艺动作过程分解为若干个执行动作。 工艺动作求解是寻求实现分解得到的若干执行动作的可行的机 构类型。
指甲刀的能量、物质和信息输入输出的黑箱模型
功能分析实例
分析力－变形关系的试验机
E加载 试件 S
考察试件的 力----变形关系
E变形 试件变形的
S力 S变形
分析力－变形关系的试验机的总功能图
经典设计理论(德国) －功能分析实例
E加载 S
能量转换成 力和路程
测量力
SF
测量变形
SΔL
试件
对试件 加载
在以往工作的基础上， Stone 和 Hirtz等通 过对NIST（National Institute of Standards and Technology）通用功能分类和功能基础 FB（Functional Basis）分类进行调和 （Reconcile）处理，提出了基于三层调和 功能基础的功能词汇的统一表达；
解
对峙
信息
定义
结
果
不
创造
满
意
评价
解
决断
经典设计理论的一般解题过程
经典设计理论(德国) －概念设计
概念设计(方案设计)：是设计过程中的一部 分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化、 建立功能结构、寻求合适的作用原理并将 其组合，而确定原理解(原理方案)。
概念设计阶段的核心
建立待设计产品或称技术系统的功能结构。产 品首先由总功能描述，总功能可分解为分功能， 各分功能可一直分解到能够实现为止。物料、 能量、信号三种流作为输入与输出，将各功能 有机地组合在一起就形成了产品的功能结构。
机械能(Mechanical Energy)：包括动能，弹性势能，重力势能。 物体由于运动而具有的能叫做动能。一切运动的物体都具有动 能，动能的大小，决定于物体的质量和其运动的速度大小；物 体由于被举高所具有的能量叫重力势能。重力势能的大小决定 于物体的质量和被举高的高度；物体由于发生弹性形变时所具 有的能量叫弹性势能。弹性势能的大小与物体发生弹性形变的 大小有关。动能和势能统称为机械能。
生物能(Biological Energy)：生物能是以生物为载体将太 阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源 于植物的光合作用。
由于产品设计是主要面向宏观层次的产品的设计， 宏观层次的能量包括机械能(动能，弹性势能和重 力势能)，化学能，气压能，液压能，电能，磁能， 电磁能等。
而微观质点的能量，例如分子动能，分子势能等 都没有包括在内。
气能(Pneumatic Energy)：也称为风能，是空气的动能， 它是自然界存在的取之不尽的能源之一。产生风能的源泉 是太阳，地球的各处受到太阳光照射，因受热情况各不相 同，温度差异很大，温差进而产生大气压差。空气便由压 力高的地方向压力低的地方流动，从而产生自然界普通存 在的现象——风。
声能(Acoustic Energy)：声的概念不再局限于听觉范围， 几乎是振动和机械波的同义词。在波动过程中，振源的能 量通过弹性介质传播出去，介质中各质点在平衡位置附近 振动，介质中各部分具有动能，同时介质因形变而具有势 能。波动的过程实际是能量传递的过程。
容纳货物
购物车
杂货
支撑 重量
容纳大 件商品
容纳小 件商品
容纳柔 软或易 碎商品
容纳小孩
小孩
支撑 限制小 重量 孩活动
移动购物车
杂货 推动购 转动购 停住购 物车 物车 物车
小孩
图例
系统边界 主要功能 子功能
脏水
水
湿空气
脏衣服
松动尘 土(加水 和清洁
剂)
分离尘土 （搅动）
去除尘土 （冲洗）
去除水分 （甩干）
机械设计基础II -机器功能分析及功能
原理设计
朱爱斌博士 西安交通大学机械工程学院
2020/11/5
目录
机器功能分析和功能基词汇 机构的组成原理及机构运动系统方案设计
经典设计理论(德国) －一般解题过程
一般解题过程
任务
任务
对峙(矛盾)
信息
定义(抽象功能)
创造(原理解)
评价
决断(决策)
3．寻求执行机构系统可行方案和进行最优方案的选择 出于实现某一执行动作的机构解不是惟一的，因此执行机构系 统可行方案数一般是比较多的。从众多的可行方案中按一定的 评价方法来选择综合最优方案。
4．执行机构系统各机构的尺寸参数设计 执行机构系统方案的确定，一般是先确定各执行机构的类型。 机构类型的选定只是说明有可能实现所需的工艺动作过程。为 了使机构系统能精确实现机械的工艺动作过程，还应根据机械 的运动循环图中所表达的各执行机构的执行构件运动规律，以 及各执行构件的运动时间关系来进行各执行机构的尺寸参数设 计。如果发现某一执行机构尺寸参数无法实现所需运动规律和 运动时间序列，那么就必须改变机构的类型，重新进行机构尺 寸参数设计。
经典设计理论(德国)
能量流
总
能量流
物料流
功
物料流
信号流
能
信号流
分 功 能
辅 助 功 能
功能结构简图
如果把所要研究的产品对象看成是 一个整体，把它相对地从其环境中 孤立出来，把研究对象所受到周围 环境的影响看成是通过特定通道实 现的“输入”，把研究对象对周围 环境的作用看成是通过特定通道来 实现的“输出”。
电磁能(Electromagnetic Energy)：可见光、红外线、紫外线、 X射线、λ射线都是电磁波，是电磁能的体现，所以归类于电磁 能；光能，或者太阳能归类于电磁能；
水能(Hydraulic Energy)：水体在流动过程中产生的能量，称为 水能。它包括位能、压能和动能三种形式。
RFB的能量分类
比称它为“黑箱”(Black Box)。
目前几乎所有的功能建模都把黑箱 法作为基本的构造方法，图是产品 功能系统的黑箱模型。
输 出
手和手指的运动 (人力)
指甲和手 (固体)
长指甲和倒刺 (视觉和触觉信息)
指甲刀 (分离固体)
声音和动能 (声能和机械能)
剪过的指甲、手 和指甲屑 (固体)
美观和光滑的指甲 (视觉和触觉信息)
传递电能，存储电能，提供电能，启动电能， 控制电能，转换电能为力矩
改变力矩，传递力矩，定位转动，定位平动
电子宠物头部运动功能分解描述
电子宠物头部运动功能分解描述 （RFB）
机械运动系统设计
机械运动系统方案设计也可以说是机构系 统方案的设计。因为机械运动系统是由若 干个执行机构组成的。用此机构系统来完 成工艺动作过程，达到工作机器实现总功 能的要求。
感知声音，感知距离，感知触觉 头部反应快速灵敏，头部运动自然逼真 充电时间短，电量维持时间长 尺寸和重量适中，维持费用低，安全可靠，
活泼可爱
功能分析
感受触觉信息，识别触觉信息，转换触觉信 息为电能
感受听觉信息，识别听觉信息，转换听觉信 息为电能
感受热能量，识别热能量，转换热能量为电 能
RFB的物质分类
包括气体、液体、固体、等离子体、混合 物质（气－气、液－液、固－固、固－液、 液－气、固－气、固－液－气、胶状体）， 另外RFB将人作为物质一种特殊形式。
RFB的能量分类
遵循，包括机械能(动能，弹性势能，重力势能)，热能，声能， 生物能，化学能，电能，电磁能，液压能，磁能，气压能，核 能；
注意的是，从能量的本质观点来看，某些形式的 能量是无法清楚地加以划分，例如电能和电磁能、 磁能，声能和机械能之间都有密切的关系，所以 这里能量的划分只是相对的，主要是方便提取各 能量应用领域的能量表现形式。
实例分析 －电子宠物狗头部运动功能分解
电子宠物 头部运动 功能分解 描述
用户需求：
采用RFB 统一功能分类描述可以组合出成百上千的功能 因素，这样，就可以在这成百上千的功能因素搭建的性能 描述构架中刻画产品的性能，并且在不同产品性能之间进 行比较，以此来捕捉它们的异同。
采用RFB的规范词汇和表达方式来进行功 能行为表达
轴承的功能可以表达为“支撑固体” 电池的功能可以表达为“提供电能” 破碎机的功能可以表达为“分离固体” 气体离心机的功能可以表达为“分离气体”
谢谢！
试验机的分功能图
E变形 试件变形的
E辅 助 SF应 SΔL应
E加 载 S
试件
经典设计理论(德国) －功能分析实例
应有值 实有值
比较
放大 测量值
ห้องสมุดไป่ตู้能量转换成 力和路程
调节能量大小
夹持 试件
对试件 加载
试验机总功能的完整功能结构
测量力 测量变形
Sp
SΔL
E损 失 E变形 试 件 变形
实例讨论
购物车的功能如何分解？
风干衣服 （翻滚烘
干）
平整衣 服（熨
平）
洁净 衣服
水 清洁剂
水 洗衣机功能分析
热空气
调合功能基的提出和应用