第三章机械产品的功能原理设计
机械产品的功能原理设计
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))
机械原理第三章
1 . (角)位移分析
写成复向量形式：
l1 l2 l4 l3
l1 cos 1 l2 cos 2 l3 cos 3 l4 0 l1 sin 1 l2 sin 2 l3 sin 3 0
A A2 B 2 C 2 ) 消去2后得： 3 2arctg ( B C
第四节
平面连杆机构的运动分析
l2 C
l3 3 D 4 l4 3 x
二、用解析法对平面连杆机构进行运动分析
（一）铰链四杆机构 已知：各杆长 l , l , l
求：
2 , 3 , 2 , 3 , 2 , 3 .
1
2
3
, l4及 ,
1
y 1 A
i 3
1
2 B l1 1 1
2
图 图 图 图
• 机构具有运动的连续性：当主动件连续运 动时，从动件也能连续地占据预定的各个 位置。 图
二、平面四杆机构的传力特性 1、压力角和传动角 图 压力角a：从动件所受的力与力作用点的速度方向 之间所夹的锐角。 传动角 g：压力角的余角。可以直接从图中量出。 a愈小， g 愈大，对传动愈有利。
g 设计时限制最小传动角： min 40 g min
最小传动角 g min的位置：
（一般） 50 （高速、重载）
（1）曲柄摇杆机构：曲柄与机架共线。
图
1）当主动件与机架重叠共线时
b 2 c 2 (d a) 2 g arccos 2bc
2）当主动件与机架拉直共线时：
b 2 c 2 (d a) 2 g 180 arccos 2bc
一、速度分析的瞬心法及其应用
1、速度瞬心的概念和类型
第三章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计
第三章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计第三章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计6学时理论课1、初步掌握机构能实现的动作功能；2、进一步掌握传动机构和执行机构的作用；3、掌握常用的机械传动方法；4、认识机构的创新设计的含义。
重点：1、结构能实现的动作功能2、传动机构和执行机构3、常用的机械传动方法功能原理设计的工作特点难点：1、机构的创新设计；2、结构能实现的动作。
处理方法：突出基本概念、联系实际、结合多媒体教学。
一、机构能实现的动作功能1．利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动，而机构的输出运动是多种多样的。
利用机构可以进行构件运动形式的变换，例如：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运动。
2．利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能开关、联锁和检测是自动机中的重要内容。
检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序．以自动校正与规定标准间的差异。
控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作。
例如：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。
3利用机构实现程序控制或手动控制的功能程序控制或自动控制是自动机械中不可缺少的一部分，控制的方法很多，用机构来控制的方法就有；1)利用时间的序列进行控制2)利用动作的序列进行控制第1页第三章机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计3)利用运动的变化等进行控制二、选择机构来实现功能原理的原则和范围机构所能实现的动作功能完全可以用电气或电子的原则来实现。
但是在什么情况下选用机构来完成这些功能呢?当然首先是要完成设计时提出的功能目标。
电梯机械部分原理及结构设计
电梯机械部分相关系统的原理及结构设计随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。
电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。
为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。
特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。
在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。
第二章电梯的结构2.1 电梯的基本结构电梯是机与电紧密结合的复杂产品，是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯，其基本组成包括机械部份和电气部份，结构包括四大空间（机房部分、井道和底坑部分、围壁部分和层站部分）和八大系统（曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统）组成。
电梯基本结构如图2—1所示：1-减速箱；2-曳引轮；3-曳引机底座；4-导向轮；5-限速器；6-机座；7-导轨支架；8-曳引钢丝绳；9-开关碰铁；10-紧急终端开关；11-导靴；12-轿架；13-轿门；14-安全钳；15-导轨；16-绳头组合；17-对重，18-补偿链；19-补偿链导轮；20-张紧装置；21-缓冲器；22-底坑；23-层门；24-呼梯盒；25-层楼指示灯；26-随行电缆；27-轿壁；28-轿内操纵箱；29-开门机；30-井道传感器；31-电源开关；32-控制柜；33-曳引电机；电梯的基本结构剖视图34-制动器图2-12.1.1 机房部分机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。
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。
第三章 机械产品的功能原理设计PPT课件
3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。例如， 机械表不论在技术上如何改进，其定时的精确 性始终不可能和石英电子表相媲美。
二、功能原理设计的任务和主要 工作内容
功能原理设计的主要任务是：寻找一种 物理效应和相应的作用原理，以实现所 追求的功能目标。
第五节 工艺功能及其对应的求解思路
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)，用这个 工作头去完成对工作对象的加工处理。在这里， 工作头和工作对象相互配合，实现一种功能， 叫做“工艺功能”，这里“工艺”是指加工 “工艺”。 这类工艺功能要考虑两个重要因素： 1．采用哪种工艺方法； 2．工作头采用什么形状和动作，而归根结底 是确定工作头的形状和动作。
总结简单动作功能和复杂动作 功能的特点：
1.都是纯机械的功能，是“以形体来实现功 能”。机械动作功能原理实现得好与不好，全 在于形体设计的变化。 2.机械实现动作功能的方式变化无穷。 3.不能像设计电子电路那样用“功能元素”的 串联、并联方法来进行设计。 4.动作功能是人类生活、生产活动不可缺少的 一种最常用的功能，它们永远也不可能被信息 来代替。
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。
一、功能原理设计的工作特点
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 的变化的设计。如用石英技术代替机械表。
第四节 两种动作功能及其对
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。
机械设计学教案(全套)
教案首页课程名称机械设计学任课教师第一章绪论计划学时 3教学目的和要求：1.明确课程定位，使学生理解机械设计与机械设计学的内容侧重点和课程特点；2.了解机械设计学的发展史；3.本课程的内容按章节的分布情况；4.要求同学掌握机械设计学的研究重点；5.要求同学掌握机械设计的一般步骤。
重点：1.设计的基本内涵，机械设计学的学科组成；2.机械设计的一般步骤。
难点：机械设计学的定义、机械设计的一般步骤。
思考题：1.如何认识人类文明的一切成果都是设计的产物？2.根据“功能”思想，预测下一代家用电器会风靡市场的是什么产品？本课程以培养学生“能提出创新构思并能尽快将其转化为有竞争能力的产品”的初步能力为目标，围绕影响产品竞争力的功能原理设计、实用化设计和商品化设计三个关键设计环节展开讨论。
科学和技术是两个完全不同的概念，千万不可混为一谈，科学是指那些基础性的研究，例如数学、物理、化学、天文、地理、生物……；技术则主要指制造工艺（包括材料的制备、加工、处理）以及各种制作的技巧、经验等。
设计的产品有的来源于生活，有的来源于想象，总的来说来源于思考，设计的始终都在贯穿着思考。
俗语说：没有做不到的，只有想不到的。
随着科技的发展会使很多不可能变为可能，把很多幻想变成现实。
机械设计学是一门方法性的课程，讲的是机械设计的理念、思路与方法。
产品设计的过程中，尤其是产品的方案设计中机械设计学的知识占的比重很大，能熟练运用辩证法、创新设计方法、概念设计等方法在机械设计中尤为重要。
第一讲绪论教学主要内容：1.机械设计的概念2.“设计学”的核心内容3.“机械设计学”的学科组成4.机械设计的类型及设计过程5.传统设计和现代设计一、概念1.机械（Machinery）机械是依据力学原理组成的各种装置和设备，是机器和机构的总称。
它包括机器、工具、器械、仪器…….2.机器 (Machine)机器是人类进行生产以减轻体力劳动和提高劳动生产力的主要工具。
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设计一台点钞
机，首先构思将 钞票逐张分离的 工作原理。
功能原理设计的重点
提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出较多的解法 供比较选优。 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，因此只需用简图或示意图来表示所构思的内容。
FZ23型：
➢ 中枢用两个驱 动轮驱动，可实 现进退和转弯。
➢ 车架可绕中枢 回转，以保证与 转接站对接时的 方位调整。
第二节 功能、功能单元和功能结构
一、功能的含义
功能是对于某一产品特定工作能力的抽象化描述。
（洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来 ）
功能的定义：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。
功能原理设计的重要性
是对产品的成败起决定性作用的工作 原理方案的拟定和构思从质的方面决定了设计的水平 是产品设计和实现创新的关键阶段 火车演变的例子
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力。因为脱离市场需求的盲目创 新是没有意义的。——一次成像照相机的例子
任何一种机器的更新换代都存在三个途径:
明确功能目标，构思能实现功能目标的新的 解法原理。
举例 柔性制造系统中运输小车的改进设计
分析：以前的运输系统是采用地面下埋设电缆用电磁 感应的方式来进行导向的，该种方式的缺点是：铺设 电缆的费用昂贵且不易调整运输路线。
举例：柔性制造系统中运输小车的改进设计
通过调查分析，明确了以下几点功能目标： 1)装设导向系统的费用应较小。 2)允许扩充和调整设备，变动运输路线。 3)在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。 4) 在工件转接站上小车能准确定位。
➢ 改革工作原理
例如用激光打孔机替代机械钻，使一些精密仪器、仪 表的精度得到很大的提高。
➢ 通过改进工艺、结构和材料提高技术性能
例如螺纹的加工工艺
➢ 加强辅助功能使其更适应使用者的心理
新工艺、新材料的出现也促进了新工作原理的产 生。—— 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。
第三章 机械产品的功能原理设计
功能原理设计的概念
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，可以简称为“功能原理设计”。
包括两个方面： 功能分析——由总功能分解为分功能，最后做出功 能结构图的过程。 工作原理设计——确定实现功能的工作原理
当然，在实践中，每一个功能原理设计不一 定都能体现上述三个特点，而能体现这三个特 点的，则应该是高品位的功能原理设计。
二、功能原理设计的任务和主要工作内容
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”。
举例：喷墨打印技术
主要工作内容：
第一节 功能原理设计的工作特点和工作内容
一、功能原理设计的工作特点
1) 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(New Idea)、 新构思。
3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。 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子表相媲美。
① 输入信号 ➢ 一般为控制信号 ➢ 开关控制、大小/速度/流量/强度控制 ② 输出信号 ➢ 一般为状态信号，可以是测量值、指示值 ➢ 温度、压力、粗糙度、位置、报警信号……
（4）伴生输入和伴生输出
➢ 伴生输入：外界环境对技术系统的影响和作用， 用实线箭头画在下方。
➢ 伴生输出：技术系统对外界环境的影响和作用， 用实线箭头画在上方。
➢ “黑箱”只是描述了从技术系统外部观察到的 “功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，是 需设计者进行具体构思和设计的。
➢ 系统工程学中的“白箱”和“灰箱”，则指内 部结构完全已知或部分已知的技术系统。
➢ 设计者的任务就是使“黑箱”变成“白箱”， 这个技术系统就设计出来了。
技术系统的功能（任务）就是将输入量转换为 输出量。所以技术系统也可看作是一个转换装置。
针对上述功能目标，提出下面一些原理性的设想作为新的解 法原理： 1) 应用惯性导航技术，利用所设参考点用预置程序给出理论轨 迹并作轨迹误差的修正。 2) 应用传感器引导绕过障碍物。 3) 在工件转接站上用超声波定向，使小车实现准确定位。
为实现上述原理性设想，必须设计新的小车以实现灵活运动 和准确定位的可能性。
举例 —— 水泵
说 明： ➢ 输出的能量为“压力水”中蕴含的机械能 ➢ 没有明显的输出信号，可以不画出。 ➢ 没有明显的伴生输入和伴生输出，可以不画出。
举例 —— 冲床
产品设计中，输入量和输出量被称为“流”
主要的技术系统—— 机器 (1) 以转换能量为主：电动机、发电机、汽轮 机、锅炉 (2) 以转换物料为主： 机床、管道输送系统
系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设计 初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱”（Black Box）来描述功能。
系统工程学对功能的定义： 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。
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。
黑箱
➢在功能原理设计中，用黑箱描述产品 的功能。
➢黑箱是系统工程用于分析和描述系统 的一种方法。
二、功能元素和功能单元
从系统论的观点看，一个系统可以分解 为一些子系统，那么一个系统的总功能也应 该可以分解为一些“子功能”或者“分功 能”。
（1）物料 用双线箭头表示
➢可以是固体、液体、气体、混合物
金属机床 水泵 天然气管道 汽车
（2）能量
➢ 用实线箭头表示
➢ 包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核 能、生物能等……
➢ 机械能的描述：力和运动 ✓平移：力、线速度 ✓旋转：转矩、角速度 ✓振动：振幅、频率
（3）信号
用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号