1、1机械设计学课程2第一章 绪论第一节第一节 概述概述 n1 1、机械的概念、机械的概念 机械是机器和机构的统称。机械是机器和机构的统称。n2 2、机械设计的定义和特点、机械设计的定义和特点 1)1)设计的定义设计的定义: : “ “设计设计”是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造方法。它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。出一个所需的优化系统或结构的过程。 图图1 11 1展示了人类自古至今的各种设计创造的产物。展示了人类自古至今的各种设计创造的产
2、物。 3 2 2）机械设计的定义：是设计者为满足社会）机械设计的定义：是设计者为满足社会和人们对机械产品功能的需要，运用基础和人们对机械产品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式，提供产品制造依据后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。的全过程工作。43)3)机械设计的任务机械设计的任务: :都是围绕着开发新的机械都是围绕着开发新的机械产品或改造老的机械产品而进行的，机械设计产品或改造老的机械产品而进行的，机械设计的最终目的是提供满足人们需求
3、、具有一定功的最终目的是提供满足人们需求、具有一定功能、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力能、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力的机械产品。的机械产品。 4)4)机械设计具有如下主要特点机械设计具有如下主要特点 : :(1)(1)多解性多解性 (2)(2)系统性系统性 (3)(3)创新性创新性 53 3、“机械设计学机械设计学”的学科组成的学科组成 机械设计学学科体系是以机械设计学机械设计学学科体系是以机械设计学为核心构成的。为核心构成的。包括以下三方面包括以下三方面: :(1)(1)功能原理设计功能原理设计 (2)(2)实用化设计实用化设计 (3)(3)商商品化设计品化设计 674 4、
4、现代机械设计在中国的发展简史、现代机械设计在中国的发展简史 早在早在2020世纪世纪2020年代，中国的年代，中国的些工科大学就开些工科大学就开设了机械设计课程，主要由外籍教授讲授。设了机械设计课程，主要由外籍教授讲授。5050年代以后，全面引进了当时苏联的机械原理年代以后，全面引进了当时苏联的机械原理和机械零件教材以及全面的教学手段和机械零件教材以及全面的教学手段( (习题、模习题、模型、实验、课程设计型、实验、课程设计) ) 。8 进入进入7070年代以后，世界各先进工业国家逐渐年代以后，世界各先进工业国家逐渐认识到面对世界市场竞争，人们手中的重要武器认识到面对世界市场竞争，人们手中的重要
5、武器就是就是“设计设计”。它们很早就把。它们很早就把“设计学设计学”从从“机机械学械学”中分列出来，并逐渐发展了各有持色的面中分列出来，并逐渐发展了各有持色的面向市场竞争的设计技术和设计教育体系。向市场竞争的设计技术和设计教育体系。 面对面对2121世纪、我们必须清醒地认识到，只有世纪、我们必须清醒地认识到，只有改善设计教育、研究和实践，使之和改善设计教育、研究和实践，使之和“市场竞争市场竞争”紧密联系起来，我们的设计工作才能真正发挥紧密联系起来，我们的设计工作才能真正发挥对国民经济的重要支持作用。这对中国的未来是对国民经济的重要支持作用。这对中国的未来是至关重要的。至关重要的。 9第二节第二
6、节 机械设计的原则和基本程序机械设计的原则和基本程序 一、机械设计原则一、机械设计原则 在设计工作中应遵循如下基本原则：在设计工作中应遵循如下基本原则： (1)(1)实用性原则实用性原则 又称功能明确原则。又称功能明确原则。主要表主要表现为机器应具有明确合理的功能现为机器应具有明确合理的功能，能完成一定能完成一定的功能。的功能。 10 (2)(2)创造性原则创造性原则 创造性设计是机械设创造性设计是机械设计最基本的特点。计最基本的特点。设计者只有大胆创新，才设计者只有大胆创新，才能有所发明、有所创造、有所改进。能有所发明、有所创造、有所改进。 设计者应处理好创新和继承的关系。设计者应处理好创新
7、和继承的关系。11(3)(3)优化原则优化原则 设计者初步判定的设计方案或模型常是原始设计者初步判定的设计方案或模型常是原始的，并且有经验性的，必须经过推理、分析的，并且有经验性的，必须经过推理、分析和计算，使设计成果达到当代科学技术的先和计算，使设计成果达到当代科学技术的先进水平和该产品制造及使用条件的最佳水平，进水平和该产品制造及使用条件的最佳水平，在技术、经济等方面，经全面分析和计算而在技术、经济等方面，经全面分析和计算而达到最优化的结果。达到最优化的结果。 (4)(4)可靠性原则可靠性原则 可靠性是衡量机械产品质量好坏的一个重要可靠性是衡量机械产品质量好坏的一个重要指标。指标。 12(
8、5)(5)安全性原则安全性原则 机械产品的不安全因素常会机械产品的不安全因素常会导致机械和人身事故，甚至造成重大的经济损导致机械和人身事故，甚至造成重大的经济损失和严重的社会影响。失和严重的社会影响。 (6)(6)经济性原则经济性原则 产品的经济性好坏是产品具产品的经济性好坏是产品具有市场竞争力的一个重要方面，主要表现又在有市场竞争力的一个重要方面，主要表现又在确保产品功能的前提下，尽力降低产品成本，确保产品功能的前提下，尽力降低产品成本，提高经济效益。提高经济效益。 (7)(7)评价审核原则评价审核原则 机械设计是一个复杂的工机械设计是一个复杂的工作过程，涉及到很多因素和方面，因而设计过作过
9、程，涉及到很多因素和方面，因而设计过程也是一种信息加工、处理分析、判断决策和程也是一种信息加工、处理分析、判断决策和修正的过程。修正的过程。 13二、机械设计的基本程序二、机械设计的基本程序 1 1、机械设计的类型、机械设计的类型 机械设计按其创新程度可分为以下三机械设计按其创新程度可分为以下三种类型：种类型：(1)(1)开发性设计开发性设计 在全部功能或主要功在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。机械产品设计。 14(2)(2)适应性设计适应性设计 在主功能的实现
10、原理或者在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的情况下，增补或结构方案保持基本不变的情况下，增补或减少产品的某些功能，或局部更改某些功减少产品的某些功能，或局部更改某些功能的原理或结构，使产品适应特定的使用能的原理或结构，使产品适应特定的使用条件或者用户特殊要求所进行的设计。条件或者用户特殊要求所进行的设计。 15(3)(3)变型性设计变型性设计 在功能原理和结构都在功能原理和结构都保持不变的情况下变动产品部分零部保持不变的情况下变动产品部分零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补齐系列，以满足更大范围功能参格或补齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设
11、计，又称变参数设计。变型数需要的设计，又称变参数设计。变型性设计是产品系列化的手段。性设计是产品系列化的手段。162 2、机械设计的基本程序、机械设计的基本程序 其基本程序可以分为四个阶段：其基本程序可以分为四个阶段：1 1）设计规划：）设计规划：机械设计首先必须明确任务和机械设计首先必须明确任务和要求。要求。 2 2）方案设计：）方案设计：就是新产品的功能原理设计就是新产品的功能原理设计 3 3）技术设计：）技术设计：其任务是将功能原理方案具体其任务是将功能原理方案具体化，寻求机器及其零部件的合理结构。化，寻求机器及其零部件的合理结构。 4 4）施工设计：）施工设计：其主要内容是完成产品制造
12、所其主要内容是完成产品制造所需的全部图样和技术文件需的全部图样和技术文件 17第三节第三节 近代设计科学的重大发展近代设计科学的重大发展 一、一、“设计学设计学”从古代到现代的三个发展阶段从古代到现代的三个发展阶段 阶段阶段1 1：这一时期可以以：这一时期可以以1616世纪达芬奇的创造活动为顶点。世纪达芬奇的创造活动为顶点。达芬奇构想：齿轮、螺旋。达芬奇构想：齿轮、螺旋。阶段阶段2 2：设计学发展的第二阶段以：设计学发展的第二阶段以18541854年德国学者劳莱克年德国学者劳莱克斯作为起点他写了斯作为起点他写了机械制造中的设计学机械制造中的设计学一书一书 。将。将设计学分为机原、机零课程开设，
13、基础是理论力学和材设计学分为机原、机零课程开设，基础是理论力学和材料力学。这一阶段的设计学其实是机械学。料力学。这一阶段的设计学其实是机械学。阶段阶段3 3：设计学发展的第三阶段以：设计学发展的第三阶段以19471947年美国工程师麦尔年美国工程师麦尔斯斯(L(LD DMiles)Miles)提出提出“功能功能”的概念。的概念。 三个重大发展。三个重大发展。kr18二、近代二、近代“设计学设计学”的重大发展的重大发展 l “l “功能功能”(Function)(Function)思想的提出和发展思想的提出和发展 2 “2 “人机学人机学”(Ergonomics(Ergonomics，Human
14、 Factor)Human Factor)思思想的形成和发展想的形成和发展 3 3 “工业设计工业设计”(Industrial Design)(Industrial Design)学科体学科体系的发展相成熟系的发展相成熟 以上三项是以上三项是近代近代设计学发展的核心内容。设计学发展的核心内容。同时：同时：CAD/CAMCAD/CAM技术、可靠性技术、有限元、技术、可靠性技术、有限元、优化、并行工程等。优化、并行工程等。19第四节第四节 机械产品设计的一般过程机械产品设计的一般过程从设计构思的角度看可以归纳为三大步，即从设计构思的角度看可以归纳为三大步，即创意、构思和实现。创意、构思和实现。创意
15、的重点在于新颖性，但这种新颖性必须具创意的重点在于新颖性，但这种新颖性必须具有潜在的需求。有潜在的需求。构思的重点在于创造即要构思一种新的技术构思的重点在于创造即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。方向或功能原理来实现某创意。实现的重点在于验证构思的合理性，可以通过实现的重点在于验证构思的合理性，可以通过模型或原理样机来检查构思的合理性。即制作出模型或原理样机来检查构思的合理性。即制作出实用化的样机并通过实用样机的试验才能考虑进实用化的样机并通过实用样机的试验才能考虑进行商品化设计和投产的可能性。行商品化设计和投产的可能性。20第五节第五节 课程教学基本要求课程教学基本要求以及课程教
16、学主要内容以及课程教学主要内容 一、课程教学基本要求一、课程教学基本要求（1 1）掌握功能原理设计的基本方法；）掌握功能原理设计的基本方法；（2 2）了解方案评价与选择的基本方法；）了解方案评价与选择的基本方法；（3 3）了解总体设计的基本原则；）了解总体设计的基本原则；（4 4）理解和掌握进行机械产品结构设计的基本原理和方法；）理解和掌握进行机械产品结构设计的基本原理和方法；21第二章 机械产品的功能原理设计 1 1、功能原理设计概念：、功能原理设计概念： 2 2、功能原理设计重点：在于提出创新构思，使思维尽量、功能原理设计重点：在于提出创新构思，使思维尽量“发发散散”，力求提出较多的解法供
17、比较选优。，力求提出较多的解法供比较选优。22设计一台点设计一台点抄机：抄机：首先构思将首先构思将钞票逐张分钞票逐张分离的工作原离的工作原理。理。图图3-1为构思为构思示意图示意图233 3、作用作用：功能原理设计是对产品的成败起功能原理设计是对产品的成败起决定性作用的工作。决定性作用的工作。 4 4、任何一种机器的更新换代都存在三个途任何一种机器的更新换代都存在三个途径径: :一是改革工作原理一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。理。 24第一节第一节 功
18、能原理设计的工作特点和工作内容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一、功能原理设计的工作特点 1) 1) 是用一种新的物理效应来代替旧的物理效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。应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。 2) 2) 引入某种新技术引入某种新技术( (新材料、新工艺、新材料、新工艺、) )，但首先要求设计人员有一种新想法但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)(New Idea)、新构思。新构思。253)3)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，机械表不论在技术上
19、如何改进，其走时例如，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。的精确性始终不可能和石英电子表相媲美。电波表的出现：电波表的出现：当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定当然，在实践中，每一个功能原理设计不一定都能体现上述三个都能体现上述三个特特点，而能体现这三个特点点，而能体现这三个特点的，则应该是高品位的功能原理设计。的，则应该是高品位的功能原理设计。26二、功能原理设计的任务和主要工作内容二、功能原理设计的任务和主要工作内容 任务：任务：针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“物物理效应理效应”并借助某些并借助某些“作用原理作用原理
20、”来求得一些来求得一些实现该功能目标的实现该功能目标的“解法原理解法原理”。主要工作内容：主要工作内容：是构思能实现功能目标的新的解法原理。是构思能实现功能目标的新的解法原理。举例：举例：喷墨打印技术喷墨打印技术 27282930第二节第二节 功能、功能单元和功能结构功能、功能单元和功能结构 一、机器的功能组成一、机器的功能组成 一台机器完成的功能通常称为总功能，一台机器完成的功能通常称为总功能， 机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成机器的总功能由多个分功能（功能单元）组成，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能，而每个分功能都有相应的功能载体。分功能载体应由原动机，传动机构、工作头或执行
21、机载体应由原动机，传动机构、工作头或执行机构、控制器等组成。构、控制器等组成。有的分功能与其他分有的分功能与其他分功能也可共用一个原功能也可共用一个原动力或传动机构。机动力或传动机构。机器的功能组成如图所器的功能组成如图所示。示。 31二、二、 机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能机械功能分析方法（机械的功能、功能元和功能结构）结构）1、功能的含义、功能的含义功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描功能是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，它和人们常用的述，它和人们常用的“功用功用”、“用途用途”、“性能性能”、“能力能力”等概念既有联系又有区别。例如：等概念既有联系又有区
22、别。例如：32洗衣机的功能是使衣物中污垢从纤维中分离出来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：是指某一机器功能的定义：是指某一机器( (或装置或装置) )所具有的转所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。化能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学把一个机械产品看成技术系统，在设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，故用计初期时该技术系统还不清楚，故用“黑箱黑箱”来来描述功能：把信息流、能量流、物料流输入描述功能：把信息流、能量流、物料流输入“黑黑箱箱”，在，在“黑箱黑箱”中转换成新的信息流、能量流、中转换成新的信息流、能量流、物料流，然后输
23、送出来，如图物料流，然后输送出来，如图36所示。所示。系统工程学对功能的定义：是一个技术系统在以系统工程学对功能的定义：是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。的相互转换的关系。33 设计者的任务就是使设计者的任务就是使“黑箱黑箱”变成变成“白箱白箱”这个技术系统就设计出来了，获得了一个完美这个技术系统就设计出来了，获得了一个完美的机械产品，实现了预定的功能。的机械产品，实现了预定的功能。34 图图37所示是一台硬币计数包卷机的外观，所示是一台硬币计数包卷机的外观，它用来整理、清点、计数，最后按它用来整理、清点、计
24、数，最后按50枚一卷将枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。图包卷。图38所示是用黑箱法描述的硬币机的所示是用黑箱法描述的硬币机的总功能。总功能。 这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的这种黑箱只是描述了从系统外部观察到的“功能特点功能特点”，而黑箱的内部结构是未知的，而黑箱的内部结构是未知的，是需要设计师去进行具体构思和设计的。是需要设计师去进行具体构思和设计的。35硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机功能分解图硬币计数包卷机外形图硬币计数包卷机外形图36总之：总之： 任何技术系统都可以视为任何技术系统都可以视为3 3种流的处理系统，即
25、能种流的处理系统，即能量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机量流、物料流和信息流。作为输入的能量流，可以是机械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。可以是它的某一具体分量，如力流、扭矩流、电流等等。例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流转换为电能流。转换为电能流。 作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式作为输入的物质流，可
26、以是气体、液体或各种形式的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，也可能是粉半、磨屑、泥沙之类待处理物。机械技术系也可能是粉半、磨屑、泥沙之类待处理物。机械技术系统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。37 作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指令、数据、图像
27、等；信息的载体可以是机械量、电令、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以是数字量。技术系统将对信息流作加工、处理或转是数字量。技术系统将对信息流作加工、处理或转换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动量信息的功能，计算机能做数据处理，量信息的功能，计算机能做数据处理，ADAD转换器能转换器能将模拟量转换为数字量信息，数字式电视机能将接将模拟量转换为数字量信息，数字式电视机能将接收到的数字信息转化为图像信息。收到的数字信息转化为图像信息。 对于一个技术系统有时
28、三流并存，如现代的加工对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，如电视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它如电视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干扰和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃扰和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。物等。382 2功能单元功能单元 一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的一般技术系统都较为复杂，直接求总功能的解比较困难，可对总功能进行分解，分解成较解比较困难，可对总功能进行分
29、解，分解成较为简单的为简单的“功能单元功能单元”。这样的功能单元具有。这样的功能单元具有一定的独立性，是直接求解的功能单元也可一定的独立性，是直接求解的功能单元也可称为称为“功能元功能元”。 直接实现总功能的各分功能称为一阶分功直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下，并以此类推。分解到末端的为功能元，如下图中的夹持试件、夹头、移动等。图中的夹持试件、夹头、移动等。 39例如：对材例如：对材料拉伸试验料拉伸试验机的功能分机的功能分解图可用图解图可用图示的形式表示的形式表示。示。拉
30、伸试验机的功能分解图拉伸试验机的功能分解图40冰箱功能分解图冰箱功能分解图413 3功能结构功能结构 功能结构图：用来表示各分功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。功能之间关系的框图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。这样一个过程，称为这样一个过程，称为”功能分析功能分析”，也可称为，也可称为“系统分析系统分析”。 从上述材料拉伸试验机采用的力从上述材料拉伸试验机采用的力变形关系测变形关系测量的例子中：总功能量的例子中：总功能( (力力变形关系测量变形关系测量) )可分可分解为四个分功能解为四个分功能( (试件拉伸、力测量、变形测量、试件
31、拉伸、力测量、变形测量、控制信息控制信息) )，每个分功能再分解，直至功能元。，每个分功能再分解，直至功能元。将各分功能将各分功能( (或功能元或功能元) )组合时有三种基本结构组合时有三种基本结构形式，如图所示。图中形式，如图所示。图中F1F1，F2F2和和F3F3为分功能。为分功能。42(1)串联：各串联：各分功能按顺分功能按顺序相继作用；序相继作用；(2)并联：各并联：各分功能并列分功能并列作用；作用；(3)回路：各回路：各分功能组成分功能组成环状循环回环状循环回路，体现反路，体现反馈作用。馈作用。 43 从以上分析可以画出材料拉伸试验机的从以上分析可以画出材料拉伸试验机的功能结构图。上
32、图表示是用功能结构图。上图表示是用“黑箱黑箱”描述描述材料拉伸试验机的总功能。下图表示材料材料拉伸试验机的总功能。下图表示材料拉伸试验机功能拉伸试验机功能(一阶一阶)结构图。结构图。 4445下图表示材料拉伸试验机功能下图表示材料拉伸试验机功能(二阶二阶)结构图。结构图。46总之，总之，“功能结构功能结构”图是用来表示各分功能之间关系的图是用来表示各分功能之间关系的框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联框图，它比功能分解图更好地反映了各分功能之间的联系与配合。系与配合。47第三节第三节 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计功能原理设计是产品设计的最初环节，对主要功能原理设计是
33、产品设计的最初环节，对主要功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、功能提出原理构思。任何一个产品的新颖性、先进性都取决于这个阶段。如包糖果，过去人先进性都取决于这个阶段。如包糖果，过去人们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果，们总是设计构思机械手，模仿人的手包糖果，机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装机构复杂，实现困难；从功能出发，糖果包装有两个目的，一是防止糖果受污染，二是增加有两个目的，一是防止糖果受污染，二是增加美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了美的功能。新式袋装包糖果机的问世采用了光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力光电控制，使两个功能均能实现而防污染能力也更强了，但机器结
34、构却很简单。所以说，一也更强了，但机器结构却很简单。所以说，一个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创个好的功能原理设计应具备两个条件，既有创新构思，又有市场竞争潜力。新构思，又有市场竞争潜力。48一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：一、任何一种机器的更新换代都有三个途径：1 1、改革工作原理、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、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。常用创新原理有：仪表的精度得到很大的提高。常用创新原理有：1 1）综合创新原理）综合创新原理综合创新原理是指将研究对象的各个部分、各个方综合创新原理是指将研究对象的各个部分
35、、各个方面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事面和各种因素联系起来加以考虑，从整体上把握事物的本质和规律的一种思维法则。物的本质和规律的一种思维法则。49例如，普通的例如，普通的x x光机和计算机，都无法对人的脑内病光机和计算机，都无法对人的脑内病变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出变作出诊断。豪斯菲尔德将二者综合，设计出CTCT扫扫描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新描仪，使诊断难题出现新的求解希望。人们应用新仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有仪器获得了许多前所未有的研究成果，促使医学有了长足的发展。了长足的发展。CTCT扫描仪的创新设计，是扫描仪的创新设计，是2
36、020世纪医世纪医学领域的一项重大创新成果。学领域的一项重大创新成果。2 2）分离创新原理）分离创新原理分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或分离创新原理是把某一创造对象进行科学的分解或离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理离散，使主要问题从复杂现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设清创造者的思路，以便抓住主要矛盾或寻求某种设计特色。计特色。50 例如，早期电冰箱都是上例如，早期电冰箱都是上“冷冷”下下“热热”，即冷冻室，即冷冻室在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品在上，冷藏室在下。而万宝电器集团公司在开发新产品时，对电冰箱进行分离创造，开发
37、出冷藏室在上、冷冻时，对电冰箱进行分离创造，开发出冷藏室在上、冷冻室在下的上室在下的上“热热”下下“冷冷”式电冰箱。这种电冰箱具有式电冰箱。这种电冰箱具有三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰三方面的优点：其一，增加了用户使用的方便性。电冰箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室箱在实际使用中更多的还是往冷藏室存贮食物，冷藏室在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，在下时存取东西，需要弯腰，非常令人不舒服；其二，冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：冷冻室在下面，化霜水不再对冷藏室内的东西造成污染：其三，冷冻室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载其三，冷冻
38、室下置方案利用了冷气下沉的特点，使负载温度回升时间比一般冰箱延长温度回升时间比一般冰箱延长1 1倍，减少耗电，节约能倍，减少耗电，节约能源。源。 513 3）移植创新原理）移植创新原理 移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成移植创新是指吸取、借用某一领域的科学技术成果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事果，引用或渗透到其他领域，以变革或改进已有事物或开发新产品。物或开发新产品。 例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在例如，常见的机床导轨为滑动摩擦导轨。人们在摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通摩擦面间放置磙子，设计出滚动摩擦导轨。与普通滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度
39、高、定位滑动导轨相比，滚动导转具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便精度高、牵引力小、润滑系统简单、维修方便( (只需只需更换滚动体更换滚动体) )等优点。从创新设计原理上看，可以认等优点。从创新设计原理上看，可以认为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移为这种新型导轨是推力滚子轴承结构方式的一种移植。植。 524 4）物场分析原理）物场分析原理 所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影所谓物场，是指物质与物质之间相互作用和相互影响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作响的一种联系。世界上的物体本身是不能实现某种作用的，只有同某种用的，只有同某种“场场”发
40、生联系后才会产生对另一发生联系后才会产生对另一物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说，物体的作用或承受相应的反作用。就科学领域来说，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等，温度场、机械场、声场、引力场、磁场、电场等等，是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素：是物场的具体存在形式。构成一个物场需要三个要素：两个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场三两个物质和一个场。物场分析的基本内容是使物场三要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。要素之间的相互作用更为有效，功能更加完整和可靠。 53例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家用电冰箱例如，确定冷冻机密封检测方案的。如家
41、用电冰箱中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，中的冷冻机充满着氟利昂和润滑油，如果密封不良，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，氟利昂和润滑油都会外漏。根据物场形式进行分析，在其检测体系中，在其检测体系中，“润滑油润滑油”、“氟利昂氟利昂”是物质，是物质，但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将但相互之间与场没有构成完整的物场。因此，可将这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。这个体系补建成非人工检测泄漏的完全物场体系。具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，具体方法是，将掺有荧光粉的润滑油注入冷冻机，在暗室里用紫外光照射冷冻机，由于密封不严处渗在暗室里用紫外光照
42、射冷冻机，由于密封不严处渗漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏漏出的润滑油中的荧光粉会发光，由此可确定泄漏部位。部位。545 5）还原创新原理）还原创新原理 还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基还原创新原理是指创造者回到驱使人们创造的最基本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。本的出发点或归宿，进行创新思考的一种创造模式。 例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，例如，设计新型电风扇，无论是台扇、吊扇、壁扇，最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有最基本的出发点都是使周围空气急速流动。有没有别的技术方案能实现这种功能或物理效应呢别的技术方案能实现这种功能或物理效
43、应呢? ?有人想有人想到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金到了薄板振动的方案。该方案用压电陶瓷夹持一金属板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。属板，通电后金属薄报振荡，导致空气加速流动。按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称按此思路设计的电风扇，没有扇叶，面貌全新，称为为“无扇叶电风扇无扇叶电风扇”。与传统的风叶旋转式电风扇。与传统的风叶旋转式电风扇相比，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优相比，具有体积小、重量轻、耗电少和噪声低等优点。点。 556 6）价值优化原理）价值优化原理把价值看作某一功能与实现这一功能所需成本的比，提把价值看作某一功能与实现这一功能所需成本的比，
44、提高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品高产品价值就是用低成本实现产品的功能。在开发产品时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设和过剩功能，既满足用户需要，又降低成本，将产品设计问题变为用最低成本向用户提供必要功能的问题，即计问题变为用最低成本向用户提供必要功能的问题，即创造具有高价值的产品。创造具有高价值的产品。例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，例如，英国库特公司的设计人员曾开发一种新型百叶窗，要求产品既能防止雨水打入，又可使室内空气流通。设要求产品既能防止雨水打
45、入，又可使室内空气流通。设计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，计者通过价值分析，改变了用料多、造价高的传统设计，而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收而采用了允许雨水透过百叶窗，再在窗叶后面用凹槽收集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的集，然后通过细管将雨水排出室外的新设计。新设计的百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长百叶窗，不仅降低了成本，而且便于操作，且能够延长使用寿命，即功能得到改善。使用寿命，即功能得到改善。 56 2、通过改进工艺、结构和材料提高性能。、通过改进工艺、结构和材料提高性能。例如：例如：由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原
46、理设计的由于工艺改进，将原来的切削改变为按液压原理设计的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的搓丝机，生产效率和质量都得到很大的提高。图中的(b)，(c)，(d)都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于都是搓丝机，工作原理均为按压，但由于结构不同，性能也不一样，其中结构不同，性能也不一样，其中(d)是按行星机构原理是按行星机构原理制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。制造的行星搓丝机，使机器体积最小，生产效率最高。 在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟在材料方面，如液晶材料的出现及实用化，促进了钟表业的发展，使钟表的时间显示又多了一条途径。表业的发展，使钟表的时间显示又
47、多了一条途径。 kr57583、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调、增加辅助功能，以满足使用者需求，如空调机增加空气净化装置、手表增加日历等。机增加空气净化装置、手表增加日历等。机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来机器更新换代的三个途径中，第一种实现起来最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。最困难，但效果却是最好的，也是最有前途的。二、二、 功能原理设计的内容功能原理设计的内容功能原理设计的内容：功能原理设计的内容： 构思能实现功能目标的构思能实现功能目标的新的解法原理。功能原理设计首先要通过调查新的解法原理。功能原理设计首先要通过调查研究，确定符合当时技术发展的明确的功能目研究，
48、确定符合当时技术发展的明确的功能目标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择一种较为合理的方案。一种较为合理的方案。 现举例说明：现举例说明：591、例如，有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，、例如，有关部门需要设计肌电假手，要求不很具体，只提出要有能模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像只提出要有能模仿真手抓握物体的假手。经分析如能像真手一样能拿起一个质量约为真手一样能拿起一个质量约为300g300g的物体，应实现的的物体，应实现的具体功能目标如下：具体功能目标如下：手指应
49、能实现手指应能实现0.5rad0.5rads s的抓握运动速度，以模仿人的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。手的真实运动。手指触物后，应能产生手指触物后，应能产生50N50N左右的捏紧力，以满足实左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。际工作的需要。所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于大于20mm20mm。传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作作1 1天天。60 有了这些量化指标，设计者设计就有了明确的目标，验收者有了这些量化指标，设计者设计就有了明确的目标，验收者验收也有了依据。
50、验收也有了依据。 以上目标中具有必须解决的矛盾，即如果保证了运动速以上目标中具有必须解决的矛盾，即如果保证了运动速度捏紧力只有度捏紧力只有5N5N而不是而不是50N50N，若保证了捏紧力，若保证了捏紧力50N 50N ，运动速度，运动速度只有原来的只有原来的l l1010，相当于慢动作，人们很难接受。所以设计出，相当于慢动作，人们很难接受。所以设计出了切换装置，假手不接触物品时保证运动速度，当手指触摸物了切换装置，假手不接触物品时保证运动速度，当手指触摸物品时，切换装置工作，运动速度降下来品时，切换装置工作，运动速度降下来( (这时也不需要高速度这时也不需要高速度) )，捏紧力由捏紧力由5N5
