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