第3章 机设学-机械产品的功能原理设计概要
机械设计专业的基本原理
机械设计专业的基本原理机械设计是工程设计领域中的重要分支，它涉及到机械结构、运动学、材料力学等多个方面的知识。
机械设计专业的学习和应用需要掌握一系列基本原理，本文将介绍机械设计专业的基本原理，包括机械设计的定义、机械结构设计、运动学基本原理、材料力学基本原理等。
一、机械设计的定义机械设计是指通过对机械系统的结构、运动学和动力学等方面的研究，以满足特定功能和性能要求为目标，进行机械产品的设计和开发工作。
机械设计的核心任务是通过合理的结构设计和运动学分析，实现机械产品的高效、可靠和安全运行。
二、机械结构设计机械结构设计是机械设计的重要组成部分，它涉及到机械产品的外形、内部结构和零部件的布置等方面。
在机械结构设计中，需要考虑机械产品的功能需求、工艺要求、制造成本等因素，以及材料的选择、零部件的配合等问题。
通过合理的结构设计，可以实现机械产品的功能完善、结构紧凑和制造便捷。
三、运动学基本原理运动学是机械设计中的重要理论基础，它研究物体的运动规律和运动参数之间的关系。
在机械设计中，需要通过运动学的分析和计算，确定机械系统的运动方式、速度、加速度等参数。
运动学基本原理包括直线运动和旋转运动的描述方法、速度和加速度的计算公式等。
通过运动学的分析，可以为机械产品的运动控制和运动性能的改进提供理论依据。
四、材料力学基本原理材料力学是机械设计中的另一个重要理论基础，它研究材料受力状态和应力、应变之间的关系。
在机械设计中，需要通过材料力学的分析，确定机械结构和零部件的强度和刚度等参数。
材料力学基本原理包括受力分析、应力分析和应变分析等内容。
通过材料力学的分析，可以为机械产品的结构设计和材料选择提供依据，确保机械产品的安全可靠。
总结起来，机械设计专业的基本原理包括机械设计的定义、机械结构设计、运动学基本原理和材料力学基本原理等。
通过掌握这些基本原理，可以为机械产品的设计和开发提供理论依据，实现机械产品的高效、可靠和安全运行。
机械设计基本原理
7)必须描述系统的总体强度、破坏特征及可靠性指标。
第十五页，编辑于星期日：十四点 五十七分。
8)在上述估算和描述的基础上，对零部件从使用要求和
经济性两方面进行优化设计。（参数优化，几何形状
优化）
二 设计准则（从以下三方面研究设计准则）
1 从科学分析和创造性设计角度，设计人员应遵循以下
设计准则：
5)合理设计零部件各位置的应力分布和刚度，最大限度减少 设置重量。(应用应变能分布密度，进行几何形状优化) (承受交变或脉动载荷的零件，要注意引起应力集中的 部位的设计。 如圆角、螺纹、小孔及配合面。如取煤机主轴的设计采用 无键联接； 必要时关键部位采用局部表面强化处理； 承受单向载荷的构件如压力容器、弹簧、旋转圆盘、
d)临界设计寿命设计理论（安全保护作用） 6)从安全性、可靠性角度
a)安全系数法
b)可靠性设计理论 7)人－机关系协调理论
第十一页，编辑于星期日：十四点 五十七分。
§1－3 机械设计理论研究状况
和发展趋势
目前机械设计处于半经验半理论设计阶段，不完全成熟，还 需要进一步研究设计的内在规律和特征。
设计的发展趋势是： 设计由静态走向动态；由单参数走向多参数； 由安全走向可靠； 方案设计由单解走向多解， 最终设计
4)从失效分析角度可分为：
a)力和温度引起的弹性变形失效（弹性变形量达到干
扰机器实现其功能的情况。）
b)屈服失效（塑性变形达到干扰机器完满实现功能的 情况。）
c)曲面变形失效（两接触曲面间静态力产生局部屈 服，使表面一定范围内产生不连续的现象。如轴承 滚道点蚀；汽车吊工作时液压支撑。）
d)塑性断裂失效（塑性变形达到断裂程度） e)脆性断裂失效（弹性变形达到原子键破裂程度） f )疲劳失效。包括：
机械创新设计第三章 常用创新设计的基本原理
第一节 综合创新原理
1) 综合能发掘已有事物的潜力，并且在综合过程中产生新的价值。 2)综合不是将研究对象的各个要素进行简单的叠加或组合，而是 通过创造性的综合使综合体的性能产生质的飞跃。 3)综合创新比起开发创新在技术上更具有可行性，是一种实用的 创新思路。
第二节 分离创新原理
图3-3 分离创新原理的模式
第四节 逆向创新原理
1.功能性逆向创新 2. 结构性逆向创新 3.因果关系逆向创新
第五节 还原创新原理
例3-5 食品保鲜研究。 例3-6 洗衣机的开发。
ห้องสมุดไป่ตู้
第六节 物场分析原理
一、物场分析的概念 物场分析法（Substance⁃Field）是前苏联学者阿奇舒勒在发明
问题解决理论TRIZ中提出的一种创造原理，这种创新理论提出， 解决创造课题的本质问题是消除课题的技术矛盾，而技术矛盾是 由物理矛盾决定的，因此，只有消除物理矛盾，才能最终解决创 造课题。为了分析和消除这类矛盾，可以运用物场分析原理。这 个方法的基础是对“最小技术系统”的理解和分析：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，三 者缺一不可，否则不能发生技术作用。
例3-1 “椰菜娃娃”奇迹及启示。 1)设计师在设计时应具有营销的观念，以销定产，以顾客的需要 为中心，以销售指导产品的设计和生产，满足和服务顾客的需要， 这样才能设计出受客户欢迎的产品。 2)在现代社会中，产品除了满足功能方面的要求外，更重要的是 满足心理、人文、审美等方面的需要。
第三节 移植创新原理
3.增加 4.变换
第六节 物场分析原理
1)指定物体S1。
图3-6 新型割草机
第六节 物场分析原理
2)确定场F。 3)指定物体S2。 4)改变刀体锥面，使其与主轴锥孔不是以整个圆锥面接触，而是 以多数点的形式接触，如图3-7c所示。
第3章 典型机电一体化产品规划和概念设计
同样，总功能的其他功能元或子功能都能找到对应的 功能载体。 这样，根据已有的知识、经验、能力和灵感，借鉴类 似设计和前期构思中形成的初步方案，通过效益角度 的衡量、安全环境方面的考察，就能组合成少数几个较好 的整体方案，然后再经过评价和决策，就可以设计出整体 方案。
有2种方式，即机械式与电气式 机械方式：(1)机械凸轮机构(2)光电盘方式 进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入 主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。 采用这种传统方法 定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。 而现代数控机床采用电气方式定位较多。 (1)用磁性传感器检测定位，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨 迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便 可停止在调整好的位置上。 (2)主轴编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上 安装一个与主轴1∶1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角角度可任意设定。 为什么加工中心要有主轴准停？ 数控机床为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主 轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装 入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度 上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。 当主轴电机跟主轴之间有减速比的话，1:10以下（非1:1直连）的建议采用：(2)主轴编码器检 测定位 主轴准停有时不准如何解决？ 反复执行M19定位查看是否频繁的出现准停不准的现象 1.如果每次都不准，但每次准停的位置相同，就通过调整参数进行修正，伺服主轴在系统参数 上调整，变频主轴在变频器上调整 2.如果偶尔出现不准，且偏差不大，检查电机定位系统，如果有外部定位开关的，先检查定位 开关的灵敏性，如果没有检查伺服与电机编码器线 3.如果频繁出现，且定位偏差每次不一样，时大时小，通常是应用内部定位的，检查电机与主 轴的连接，是否出现松动不同步的情况
机械产品的功能原理的实现
1
第一节 机构能实现的动作功能
机构能实现哪 些动作功能？
2
1．运动形式或运动规律变换
1) 匀速运动(平动、转动)与非匀速运动 (平动转动或摆动)的变换 2) 连续转动与间歇式的转动或摆动的变 换
3）实现预期的运动轨迹
3
2．实现开关、联锁和检测等
1）用来实现运动离合或开停。 2）用来换向、超越和反向止动。 3）用来实现联锁、过载保护、安全制动
4) 实现锁止、定位、夹压等。
5) 实现测量、放大、比较、显示、记录、 运算等。
4
3.实现程序控制或手动控制
1)利用时间的 序列进行控制
5
直列四缸发动机
利用时间的序 列进行控制
V型六缸发动机
水平对置发动机
6
2)利用动作的序列进行控制
电磁阀控制 液压缸的顺 序操作过程
7
3) 利用运动的变化 等进行控制
汽车发动机的离 心调速器
利用速度变化进行控制的汽车发动机调速器
1-主动盘 2、3-齿轮 4-拉杆 5-供油量调节臂 6-调节弹簧 7-定轴 8-杠杆 9-平板 10-滑套 11调速器轴
8
选择机构实现 功能原理的原 则和范围？
22
运动速度或力的大小变换
啮合方式 摩擦方式
1 2 1 3
2
1
楔块原理
圆锥式无级变速器 3
流体作用原理
平面盘式无级变速器
23
2
摩擦轮传动
汽车变速器
运动形式或传力方式的变换
转动、平动、摆动
24
执行机构
带动工作头进行工作并使之 获得工作力或力矩的机构
3第三章 总体方案设计
刚度、按触刚度、抗振性和热变形等因素决定的。
包装机的精度愈高,对机械的制造精度、零件材料的要求愈高, 使机械制造成本高。因此,包装机的精度必须根据各种要求,进 行全面综合分析后再确定。
四、提高机械的自动化程度
包装机械分为半自动包装机和全自动包装机,若
包装机在完成完整的包装循环的过程中,包装物料或 包装材料的传送要人工来完成,则称为半自动包装机； 若上述工作全部由机器来完成,则称为全自动包装机。
(2)使用说明书
它包括包装机的技术性能、各部件构造说明,包装 机的安装、调试、润滑方式,常见故障的排除方法,易 损零件列表和图样、电气设备表,以及包装机的运输 方法和验收标准,有时要编制各种通用件、标准件名 细表。
三、审核鉴定
对所拟定的方案、技术计算、设计图样等进行详细 审核、并对试制的样机进行鉴定。
六、便于制造、操作、维修
包装机的零件结构复杂,在设计中,要注意零件的 结构工艺性,若工艺性差,会造成加工性差、延长制造 周期,增加制造成本。
同时,设计者必须为机器的操作者着想,使操作者便 于更换包装材料、添加物料，便于观察机器的工作 情况、以及便于调整、维修和保养机器。
另外,要有安全保护装置,防止发生人身安全事故、 机器损坏和包装质量事故等。
特别要注意审查整个设计方案是否合理，各个具体 设计环节是否正确，设计是否完整，还需做哪些改 进。
种“作用原理”（如图中的摩擦轮、转动架、气嘴 等），最后达到实现“功能目标”的结果。
由此可见，不同的功能原理所需要的工艺动作， 以及所设计的机械在工作性能、工作品质和使用 场合等方面会有很大差异。功能原理设计的重点 在于提出创新构思，使思维尽量"发散"，力求提 出较多的解以便比较和选优。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。由 此可见，功能原理设计的特点如下： 1） 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。
西安交大《机械设计基础》课后习题答案综合版
机械设计基础复习大纲2011、4、3第1章绪论掌握：机器的特征：人为的实物组合、各实物间具有确定的相对运动、有机械能参与或作机械功机器的组成：驱动部分+传动部分+执行部分了解:机器、机构、机械、常用机构、通用零件、标准件、专用零件和部件的概念课程内容、性质、特点和任务第2章机械设计概述了解：与机械设计有关的一些基础理论与技术，机器的功能分析、功能原理设计，机械设计的基本要求和一般程序、机械运动系统方案设计的基本要求和一般程序、机械零件设计的基本要求和一般程序,机械设计的类型和常用的设计方法第3章机械运动设计与分析基础知识掌握:构件的定义(运动单元体）、分类（机架、主动件、从动件）构件与零件(加工、制造单元体）的区别平面运动副的定义、分类（低幅：转动副、移动副；高副：平面滚滑副）各运动副的运动特征、几何特征、表示符号及位置机构运动简图的画法（注意标出比例尺、主动件、机架和必要的尺寸）机构自由度的定义（具有独立运动的数目)平面运动副引入的约束数（低幅：引入2个约束;高副:引入1个约束）平面机构自由度计算（F＝3n－2P5－P4）应用自由度计算公式时的注意事项（复合铰链、局部自由度、虚约束、公共约束)机构具有确定运动的条件（机构主动件数等于机构的自由度）速度瞬心定义（绝对速度相等的瞬时重合点）瞬心分类:绝对瞬心（绝对速度相等且为零的瞬时重合点，位于绝对速度的垂线上）相对瞬心（绝对速度相等但不为零的瞬时重合点，位于相对速度的垂线上）速度瞬心的数目:K=N（N—1)/2速度瞬心的求法：观察法：转动副位于转动中心；移动副位于垂直于导轨的无穷远；高副位于过接触点的公法线上三心定理：互作平面平行运动的三个构件共有三个瞬心，且位于同一直线上用速度瞬心求解构件的速度（关键找到三个速度瞬心，建立同速点方程，然后求解）了解：运动链的定义及其分类（闭式链：单环链、多环链;开式链)运动链成为机构的条件（具有一个机架、具有足够的主动件）机动示意图（不按比例）与机构运动简图的区别第6章平面连杆机构掌握:平面连杆机构组成（构件+低副;各构件互作平行平面运动）──低副机构平面连杆的基本型式（平面四杆机构）、平面四杆机构的基本型式（铰链四杆机构）铰链四杆机构组成（四构件+四转动副）铰链四杆机构各构件名称(机架、连杆、连架杆、曲柄、摇杆、固定铰链、活动铰链）铰链四杆机构的分类：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构铰链四杆机构的变异方法：改变构件长度、改变机架（倒置）铰链四杆机构的运动特性:曲柄存在条件：①最长杆长度+最短杆长度≤其余两杆长度之和②连架杆与机架中有一杆为四杆中之最短杆曲柄摇杆机构的极限位置(曲柄与连杆共线位置）曲柄摇杆机构的极位夹角θ（两极限位置时曲柄所夹锐角）曲柄摇杆机构的急回特性及行程速比系数平面四杆机构的运动连续性铰链四杆机构的传力特性：压力角α：不计摩擦、重力、惯性力时从动件受力方向与受力点速度方向间所夹锐角传动角γ：压力角的余角许用压力角[]︒=40α~︒50、许用传动角[]︒=50γ～︒40曲柄摇杆机构最小传动角位置(曲柄与机架共线的两位置中的一个)死点位置：传动角为零的位置（︒=0γ）实现给定连杆二个或三个位置的设计实现给定行程速比系数的四杆机构设计：曲柄摇杆、曲柄滑块和摆动导杆机构了解：连杆机构的特点、铰链四杆机构以及变异后机构的特点及应用、死点（止点）位置的应用和渡过 基本设计命题:实现给定的运动要求:连杆有限位置、连架杆对应角位移、轨迹满足各种附加要求:曲柄存在条件、运动连续条件、传力及其他条件实验法设计实现给定连杆轨迹的四杆机构，解析法设计实现给定两连架杆对应位置的四杆机构第7章 凸轮机构掌握：凸轮机构的组成（凸轮+从动件+机架）──高副机构凸轮机构的分类:按凸轮分类:平面凸轮(盘形凸轮、移动凸轮），空间凸轮按从动件分类:端部形状：尖端、滚子、平底、曲面运动形式：移动、摆动安装方式：对心、偏置按锁合方式分类：力锁合、形锁合基圆（理论廓线上最小向径所作的圆)、理论廓线、实际廓线、行程从动件运动规律（升程、回程、远休止、近休止)刚性冲击(硬冲：速度突变，加速度无穷大）、柔性冲击（软冲:加速度突变）运动规律特点：等速运动规律：速度为常数、始末两点存在硬冲、用于低速等加速等减速：加速度为常数、始末中三点存在软冲、不宜用于高速余弦加速度：停─升─停型：始末两点存在软冲、不宜用于高速升─降─升型：无冲击、可用于高速正弦加速度：无冲击、可用于高速反转法绘制凸轮廓线的方法：对心或偏置尖端移动从动件，对心或偏置滚子移动从动件滚子半径的选择、基圆半径的确定、运动失真及其解决的方法了解：凸轮机构的特点、凸轮机构的应用、凸轮机构的一般命名原则四种运动规律的推导方法和位移曲线的画法运动规律的基本形式：停─升─停；停─升─降─停;升─降─升运动规律的选择原则，平底从动件凸轮廓线的绘制方法及运动失真的解决方法机构自锁、偏置对压力角的影响，压力角α、许用压力角[]α、临界压力角c α三者关系：[]c ααα<≤max第8章 齿轮传动掌握:齿轮机构的组成（主动齿轮+从动齿轮+机架)──高副机构圆形齿轮机构分类：平行轴:直齿圆柱齿轮机构（外啮合、内啮合、齿轮齿条）斜齿圆柱齿轮机构（外啮合、内啮合、齿轮齿条）人字齿轮机构相交轴：圆锥齿轮机构(直齿、斜齿、曲齿）相错轴：螺旋齿轮机构、蜗轮蜗杆机构齿廓啮合基本定律（两轮的传动比等于公法线割连心线线段长度之反比）定传动比条件、节点、节圆、共轭齿廓渐开线的形成、特点及方程一对渐开线齿廓啮合特性：定传动比特性、啮合角和啮合线保持不变、可分性渐开线齿轮各部分名称：齿数、模数、压力角、顶隙、分度圆、基圆、齿顶圆、齿根圆齿顶高、齿根高、齿全高、齿距（周节）、齿厚、齿槽宽标准直齿圆柱齿轮的基本参数：齿数z 、模数m 、压力角α(︒20）齿顶高系数*a h (1.0、0.8）、顶隙系数*c (0。
第3章 概要设计(总体设计)
5. 功能分解 为了最终实现目标系统， 为了最终实现目标系统，必须设计出组 成这个系统的所有程序和文件(或数据库) 成这个系统的所有程序和文件(或数据库)。对 程序(特别是复杂的大型程序)的设计， 程序(特别是复杂的大型程序)的设计，通常分 为两个阶段完成： 为两个阶段完成： 结构设计：确定程序由哪些模块组成， 结构设计：确定程序由哪些模块组成， 以及这些模块之间的关系； 以及这些模块之间的关系； 过程设计：确定每个模块的处理过程。 过程设计：确定每个模块的处理过程。 结构设计是总体设计阶段的任务， 结构设计是总体设计阶段的任务，过程 设计是详细设计阶段的任务。 详细设计阶段的任务 设计是详细设计阶段的任务。
通过对结构设计内容进行细化， 通过对结构设计内容进行细化，得到 软件的详细的数据结构和算法
为确定软件结构，首先需要从实现角度 为确定软件结构， 把复杂的功能进一步分解。一般说来，经过 把复杂的功能进一步分解。一般说来， 分解之后应该使每个功能对大多数程序员而 言都是明显易懂的。 言都是明显易懂的。 功能分解导致数据流图的进一步细化， 功能分解导致数据流图的进一步细化， 同时还应该用IPO 或其他适当的工具 同时还应该用IPO图或其他适当的工具简要描 IPO图 适当的工具简要描 述细化后每个处理的算法。 述细化后每个处理的算法。
§3.3 设计原理 §3.3.1 模块化
模块又称“组件” 模块又称“组件”。一般具有三个基 本属性: 本属性: 功能： 功能：描述该模块实现什么功能 逻辑： 逻辑：描述模块内部怎么做 状态： 状态：该模块使用时的环境和条件 在描述一个模块时， 在描述一个模块时，还必须按模块的 外部特性与内部特性分别描述： 外部特性与内部特性分别描述： 分别描述
§3.1
概要设计的任务
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§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-5 §3-6 §3-7 功能原理设计的工作特点和工作内容 功能、功能单元和功能结构 功能原理的发展历史及其基本类型 两种动作功能及其对应的求解思路 工艺功能及其对应的求解思路 关键技术功能、综合技术功能及其求解思路 功能原理设计的工作要点
黑箱法描述机床示意图
二、功能元素和功能单元
1、 功能元素 从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，相应的总功 能也可以分为一些分功能。因此，有些学者提出，将这些复杂动作 分解为一些基本动作，把这些基本的动作称为“功能元素”，也称 功能元。 12对典型的基本动作（可构成任何技术系统复杂的总功能） 放出-吸收 传导-绝缘 集合-扩散 引导-阻碍 转变-恢复 放大-缩小 变向-定向 调整-激励 联结-开断 结合-分离 结合-拆开 储存-取出
方案A:加热汽化喷墨
功能目标：将墨水滴喷射 到纸上。 物理效应：液体高温气化 膨胀导致墨水喷射。 作用原理：电热元件+半 封闭的墨水储存腔。
方案B:压电喷墨
功能目标：将墨水滴喷 射到纸上。 物理效应：挤压墨水腔 导致墨水喷射。 作用原理：压电元件+ 半封闭的墨水储存腔。
2．主要工作内容：构思能实现功能目标的新解法原理
总功能—>分功能—>功能元
2.功能单元 功能元划分过细，在 机械设计中并不很有效， 尚有待进一步的研究。 另外一种分解方式： 只是分解到功能单元的 水平上，这样的功能单 元是既有一定的独立性， 又有一定复杂程度的技 术单元。
硬币分选技术视频：
机械式硬币分离技术装置
三、功能结构和功能系统分析
功能的黑箱描述方法：
信息S 能量E 技术系统 信息流S （进行能量流E的转换） E' S'
物料流M 物料M
M'
注意：
1）功能抽象描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系。 2）黑箱只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而内部 结构需要设计师去进行具体构思和设计。
硬币计数包卷机总功能的黑箱描述（黑箱法）
功能原理设计：机械产品设计的 最初环节是先要针对该产品的主 要功能提出一些原理性的构思。 这种针对主要功能的原理性设计， 称为“功能原理设计”。 重点：提出创新构思，对具体 结构、材料及制造工艺则不一定 有成熟的考虑。
பைடு நூலகம்
§3-1功能原理设计的工作特点和工作内容
一、工作特点 1 ．功能原理设计往往使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 ．功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、工艺），首先要求设 计人员有一种新的想法和构思。 3．功能原理设计使机器品质发生质的变化。
市场调查、需求发现、任务确定、用 户调查、功能澄清、目标建立 信息收集、资料研究、多想联想、创 新构思、思维实验、模型实验 明确功能目标
酝酿解法原理
弱点发现、问题剖析、改错修正、完 善提高 建立准则、评价比较、权衡利弊、去 劣存优
改进解法原理
选出满意解
§3-2功能、功能单元和功能结构
一、功能的含义 1960’S 以来，人们开始意识到设计的最主要的工作并不只是 选用某种机构或设计某种结构，更重要的是要进行工作原理的构 想，核心问题就是“功能” 。 定义：所谓功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述， 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。注意：区分这样的几个概念（功用、用途、性能、能力）
例： 功用——作原动机 用途——驱动电扇、机床 性能——效率、耐用性、振动 能力——功率、转速
电动机
功能——将电能转变为旋转运动的动能
在系统工程学上，我们用“黑箱”-BLACK BOX来描述功能。 黑箱：只是描述了系统的功能目标，而内部结构是未 知的。 白箱：内部结构完全已知； 灰箱：内部结构部分已知。 用黑箱来描述功能：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，其输入用物料流M、信 息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M’ 、S’ 、E’ 来描述。 系统工程观点的定义：功能就是一个技术系统在以实 现某种任务为目标时，其输入/输出量之间的相互转换 关系。
一个系统的总功能可以逐步分解为很多分功能，如硬币计数 包卷机总功能分解图：
硬币计数包卷机
计数
包卷
堆放、输送
分选排列 硬币计数包卷机的功能分解图
分选计数
功能分解图：不能充分表达各分功能之间相互配合关系
功能结构图：
建立功能结构图（表示分功能关系的图）的要求 （1）体现功能元或分功能之间的顺序关系 （2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论 依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元 有明确解答） （3）不能漏掉必要的分功能或功能元 （4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取 在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主 要流，初步建立功能结构图，然后，再解决辅助功能和次要 流，逐渐完善系统的功能结构图。
满足以上三点的功能原理设计是一个高品位的功能原理设计
思考：以计时为例，列出可达到计时作用的计时产品的功能原理设计 方案。（每个人列出不少于3种计时方案）
微波表、原子钟…….
二、功能原理设计的任务和主要内容
1．任务：针对某一确定的功能目标，寻求一些物理效 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。（以喷墨打印机为例） 解释：1）功能目标：最后要达到的功能 2 ） 物 理 效 应：摩擦 、离心力 、气吹、 液化 、压 电变形、热胀冷缩、光电效应等 3） 作用原理：摩擦轮、气嘴、压电晶体等 4） 解法原理：物理效应+作用原理
指令 S
S‘ 显示
～220V E
币堆、卷 币纸 M
硬币计数包卷机
E'
M ‘ 币卷、 币袋
噪声、发热
残币
机床总功能的黑箱描 述（黑箱法）：
毛坯
冷却剂 润滑剂
热 量
振 动
噪 声
零件 耗损的冷却剂 耗损的润滑剂 金属切削机床
驱动能 信号能 启动信号
切削
切削功率 自动开动
灰 尘
环境的温 度、湿度
地基的 振动