“最小技术系统”
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)。缺一即不可能发生技术作 用。
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用S—Field模式探求工艺功能原理的解法
F
基本的方法是寻求合理的F和S
例：为了完成修剪草地的任务， 如何构思剪草机的工作原理? 在这个问题里，S 2是草地上的 草。剩下的问题是寻找合适的F 和S1了。
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功能单元
将总功能分解成较为简单的、具有一 定的独立性、可以直接求解“功能单元” ，也称“功能元” 。 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，并以此类推。分解到末端的为 功能元。
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硬币堆放、输送功能单元
硬币排列、分选、挑 残功能单元
硬币分选计数功能单元 硬币包 卷功能 单元
振 热 动 量 能量（驱动） 物料（煤）
噪 声
能量（挖动力和速度等）
物料（装入卡车的煤） 挖掘机 信号 灰 温 尘 度 湿 度
信 号
露天矿开采挖掘机黑箱示意图
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环境系统
人 控制 工作机构 （挖/运）
相邻技术系统
信息
物料
物料
运输机械 汽车
能量
（柴油机）
能量 转换
能量 传递
支承和连接部分
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信号
工艺功能
工件头和工作对象相互配合，实现一种功能。
两个重要因素
采用哪种工艺方法
工作头采用什么形状和动作
工艺功能的特点
工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的 三个主要因素。
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犁的工作曲面 1—犁尖 2—犁镜 3—曲面 绞肉机
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水刀切割工艺
家用切碎机
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电火花加工原理图
1-工件，2-脉冲电源，3-点 动进给调节装置，4-工具， 5-工作液，6-过滤器，7-工 作液泵
3
4
第一节 功能原理设计的工作特点和工作内容
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5 变化的设计 。
手动变速箱
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AT/CVT/DCT（DSG)/AMT 自动变速器
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液力变矩器原理
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转矩传递过程
（1）泵轮转动，涡轮不动。 （2）泵轮与涡轮转速差较大时，形成涡流。 （3）泵轮与涡轮转速接近时，形成环流。
F S1 S1’ 变形的S-Field 模式
F’
S2
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铝带坯电 磁铸轧
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3．变换
对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常 可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能 会产生意想不到的好效果。 割草机
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用高压水喷射可以切割木材、钢板、布料
… …。 利用各种广义的物理效应
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焊接：
引入某种新技术(新 材料、新工 艺、……)，
M perpendicular to the plane, high density.
新想法(New Idea)、新构思。
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构思新原理的 步骤
明确功能目标： 装设导向系统的 费用要小；允许 扩充和调整设备， 变动运输路线； 在拥挤的工作环 境中小车能灵活 运行。
3、功能元组合——相容矩阵法
组合方案数=3×3 × 2 × 3 × 1 × 4 × 4 × 3 × 4=10368
若方案为：（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）→ 履带式正铲机械挖掘机
若方案为：（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）→ 轮胎式正铲液压挖掘机
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功能：将电能转变为旋转运动的动能。
系统工程学：用“黑箱”描述技术系统的功能
输入(IN) 信息S 能量E 物料M （黑箱）（BLACK BOX) 技 术 系 统 输出(OUT) S’ E’ M’
信息流S （进行 能量流E 的转换)
物料流M
设计者的任务：使“黑箱”变成“白箱”’
获得一个完美的机械产品，实现预定的功能。
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从不同的角度分析技术矛盾，则可 以得到不同的分析结果，并可导出另一 些解法。
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解决关键技术功能的特点 用常规技术或已有技术难以达到的技术难 点，或是别人目前尚难以实现的技术高度、总 的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往 是出奇制胜。
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二、综合技术功能
1、动作功能
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带有画笔的驱动头相当 于电动机的转子，它靠 定子表面上的磁极的磁 力的作用而运动，同时 利用磁力使其能悬挂在 “天花板”上。 为了使驱动头在天花板 上高速移动时阻力小， 还应用了气浮导轨的原 理
④传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能 工作1天。
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2．调查、分析已有的解法原理，供设计时参考
手的结构
牵引式假手
德国OTTO BOCK 公司产品
大脑控制假手
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3．进行创新构思、寻求更合理的解法原理
设计者应该有一个信念：现有的产品决不是 顶峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自 己推出新一代的创新产品。 设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷 入一些违反基本科学原理的“错觉”。例如，有 人设计了一种机械式的“功率增大器”，认为能 把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种特 殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然， 他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错 误。
S1
S2
标准S-Field 模式
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首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较： 拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的 高度，无法使草地整齐。 割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部 才能割断。 剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。 显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1 就只能是剪刀 可以通过“完善”、“增加’’和“‘变换”的 方法来寻求新的解法。
硬币堆码、整理功能单元
送纸、撕纸 功能单元
卷边功 能单元
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硬币计数包卷机功能分解图
功能结构 功能结构图：用来表示各分功能之 间关系的框图。
功能分解图
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功能分析：由总功能分解为分功能，最后 作出功能结构图。也可称为“系统分析”。
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用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计
总功能
分功能1 功能元1
提出的原理性设想：应用惯性导航技术，利用所设参考 点用于制程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正；应用 14 传感器引导绕过障碍物；在工件转接站上用超声波定向， 使小车实现准确定位。
灵活运动和 准确定位
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第二节
功能、功能单元和功能结构
分功能系统 1 …… 工作机 执行机构 传动机 原动机 控制器
工作头
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1．完善
原设计中有时出现缺少F或S1的情况并因此 而造成功能不良的后果。应该通过补全F或S1 的措施来使S—Field模式完善化。
a)
b)
平板玻璃制造工艺的完善
a) 垂直引上法 b)浮法
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2．增加
一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时 还应辅以S’1和F’，才能更好地完成希望实现的功能。
机器（总 功能）
分功能系统 i ……
分功能系统 n
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什么是功能？
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。 系统工程学的观点：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。
电动机
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
第三章
机械产品的功能原理设计
针对主要功能的原理性设计。
什么是功 能原理设 计？
功能原理设计重点 尽量使思维尽量“发散”，力求多解，便于选优。
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为什么要突 出功能原理 设计？
功能原理设计对产品的成败 起决定性作用。
任何一种机器的更新换代都存在三个途径: 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性能； 三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。
动作功能
工艺功能
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工艺功能
动作功能
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根据功能的技术特点分类
综合技术功能——综合运用机、 光、电、磁、热、化……各种 “广义物理效应”（非纯机械） 去实现各种动作功能和工艺功 能。 “关键技术”（“Know How”）。某个企业或部门独 有的技术，暂时还没有被别 人掌握
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左图为纵向 磁记录的记 录方式示意 图
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第七节 功能原理设计的工作要点How ca Nhomakorabea I…?
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1．明确所要设计的任务的功能目标，提出具体问题
肌电假手
①手指应能实现0.5rad／s的抓握运动速度，以模仿人 手的真实运动。 ②手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实 际工作的需要。 ③所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应 不大于￠20mm。
启动、停止 变速
物料/煤
铲入
提升
回转
煤
运输机
能量
能量
能量传递及分配
行走 辅助
转入另一工作点 信号
转换
支承及联接
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第三节 功能原理的发展历史及基本类型
功能原理设计的两个工作特点： 1、综合问题，无定法可循。 2、多解问题，既不是只有唯一解，也不是绝对 无解，而且也很难得到绝对理想的解。
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功能原理分类
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任何技术系统都可以视为三种流的处理系统： 能量流
物料流
信息流
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整理、清点、计 数，包卷或装袋