2020年机械优化设计第3章精编版教案首页课程名称机械设计学任课教师李玉柱第三章机械产品的功能原理设计计划学时 3教学目的和要求：1.使学生了解机械产品的功能原理设计工作特点和工作内容；2.弄清楚功能原理的基本类型；3.基本掌握各种类型功能原理的求解思路；4.了解创造性思维活动的四大特性，初步具备一定的创造能力。

重点：功能原理的基本类型和各种类型功能原理的求解思路，尤其是工艺功能的求解思路。

难点：工艺功能的求解思路。

思考题：1.产品更新换代的三个途径是什么？举例说明。

2.各种类型功能原理的求解思路是什么？3.根据不同类型的功能原理的求解思路，分别举出2-3个例子。

4.创造性思维活动的特性有哪些？请试提出一些有创意的产品。

第三章机械产品的功能原理设计【教材自然节在课时中的分配】：第一、二节和第三、第四节的一部分作为1课时；第三、四节的一部分和第五节作为1课时；第六、七、八节作为1课时。

首先复习几个概念：1、设计的目的满足人类不断增长的物质、文化需求。

2、我们的责任能提出创新构思，并能尽快地将其转化为有竞争力的产品。

3、影响产品竞争力的三个关键设计环节：功能原理设计、实用化设计、商品化设计功能原理设计就是针对产品的主要功能提出一些原理性的构思。

功能原理新颖性实用化设计的核心是使产品具有优良的“性能”，从实用的角度使产品“好用”。

技术性能先进性商品化设计是产品进入市场前的精心打扮。

就是要使产品入眼、“迷人”。

从本章开始，我们的教学活动就围绕着“怎样才能设计出具有市场竞争力的产品”这一中心议题展开。

今天，我们讲第一个关键设计环节：机械产品的功能原理设计第一节基本概念1、功能指某一机器所具有的转化能量、运动或其它物理量的特征。

(见教材第30页)它与人们常用的“功用”、“用途”、“性能”、“能力”等概念既有联系又有区别。

以电动机为例：（P30）功能是产品的核心和本质。

“顾客购买的不是产品本身，而是产品的所具有的功能”，人们使用的也正是产品的功能。

至于所购买的产品采用何种原理、结构来实现所要求的功能并不重要，它只不过是形式而已。

2、功能原理设计机械产品设计的最初阶段，就是要针对产品所应具有的功能进行原理性的设计构思，提出设计方案。

这种针对功能的原理性设计，简称为“功能原理设计”。

例如：要设计一台点钞机，先要构思将钞票逐张分离的工作原理。

书上第26页给出了“将钞票逐张分离”的功能原理设计的构思示意图。

图1、推刮图2、摩擦图3、离心力图4、重力图5、粘力图6、气吹图7、气吸图8、静电显然，进行原理性的设计构思时首先要考虑应用某种“物理效应”（如图中的摩擦、离心力、气吹、气吸、静电等），然后利用某种“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。

“功能原理设计”的重点是提出创新构思。

（在此阶段思维的特点：发散）在黑板上写：功能原理设计：提出创新构思思维特点：发散在这个阶段“思维应尽量发散”，力求提出较多的解决问题的方案，供比较优选。

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，因此常只需要用简图或示意图来表示所构思的内容。

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。

例如：一次成像照相机---自动照相机-----数码照相机又如：发网-----发胶3、机器更新换代的三个途径一是改进工作原理如原来的机械表，利用的是内部的游丝摆动；而后则利用石英振荡器控制电磁摆，制成机电结合的石英电子表；而现在人们更多使用的是液晶显示的纯电子表。

这每一次改进都是工作原理的改进。

而每一次改进都使得钟表的性能向前迈进了一大步。

可以这样说：机械表无论在技术上如何改进，其走时的精确性始终不可能与石英电子表和使用液晶显示的纯电子表相媲美。

这是工作原理改革最典型的成功例子。

二是通过改进工艺、结构、材料，提高技术性能如1984年23届洛杉矶奥运会上自行车比赛的冠军得主使用的自行车，比一般的自行车窄1/3；后轮采用全封闭，使得自行车的运动阻力大大减小；材料选用航天飞机上使用的材料（碳纤维和钛合金），比一般赛车轻，使其在比赛中出尽了风头。

三是增加辅助功能使其更适应消费者的心理如洗衣机的基本功能是去污，加上辅助功能甩干、再加上控制系统成为自动洗衣机；手表的基本功能是计时，加上辅助功能，防水、防震、防磁、夜光、定时、报时等赢得更多的消费者。

这三个途径，对于产品的市场竞争力的影响几乎有同等重要的意义。

但第一种途径（即改进工作原理）在实现时的困难要比后两种大得多。

但如同开发性设计一样，他极具挑战性，总是充满着创造活力和无限的商机，如晶体管取代电子管，中小规模集成电路取代晶体管，大、超大规模的集成电路取代中小规模集成电路，这每一步前进都使得计算机的体积大大缩小，成本大大降低，直至现在计算机已成为不少家庭和个人的必备工具，他带来的效益是不可估量的。

所以我们应注重工作原理的改革，要有搞出具有自主知识产权，具有核心竞争力的产品的雄心壮志。

一般地讲，我们刚参加工作，到了企业，可能做的更多的设计工作是后两种，我们不妨多在提高产品的性能，增加功能、降低成本、使用方便上下功夫，逐步提高我们的设计能力。

第二节功能原理设计的工作特点和工作内容一、工作特点1、用一种新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化。

2、引入某种新技术（新材料、新工艺........）,首先要有新想法、新构思。

3、使机器品质发生质的变化。

二、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”。

例如：开发玉米联合收获机工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理。

方法步骤：1、明确功能目标2、进行创新构思3、提出解法原理4、进行模拟实验、技术分析、验证原理的可行性5、修改、完善、提高6、选择较优方案以微型小麦联合收割机为例第三节功能原理的发展历史及其基本类型【本节课讲述完功能原理的分类后，直接讲述第四节的内容，这样衔接连贯，条理性突出，将工艺功能原理部分（下划线部分）放到第五节一起将，以增强内容的完整性】功能原理设计的两个特点：1、无任何定法可循2、是多解问题功能原理的基本类型机械产品的功能原理五花八门，但归根结底分两大类：动作功能——以实现动作为目的的功能工艺功能——以完成对对象物的加工为目的的功能动作功能又分简单动作功能——完成一次性的简单动作复杂动作功能——能实现连续传动的复杂动作若动作功能和工艺功能是靠纯机械或主要靠机械完成的功能，称之为纯机械的功能原理。

若动作功能和工艺功能是综合运用了机、电、光、磁、热、化……等各种“广义物理效应”来实现的，则称之为“综合技术功能”。

关键技术功能——某个企业或部门独有的技术，还暂时不被其他人掌握，对企业来讲是具有自主创新、拥有核心竞争力的技术，在竞争中有其特殊地位，所以称之为关键技术功能。

如现在的秸秆、牧草打捆机械中的“打结器”，就属于关键技术功能，计算机中的CPU芯片就是关键技术功能。

我国现在生产的打捆机中的“打结器”多数还是采用国外进口的。

简单动作功能动作类关键技术功能复杂动作功能功能类型综合技术功能（广义物理效应）工艺类工艺功能（纯机械）第四节两种动作功能及其相对应的求解思路1）简单动作功能的求解思路——几何形体组合法简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现相互运动或锁合的动作。

钢笔的笔帽和笔杆的锁合现场演示圆珠笔的双动按钮带实物演示锁的打开、锁合……开关的通断用教室的开关演示这些均是典型的简单动作功能简单动作功能要求方便快捷、安全可靠，像按钮、开关、拉链、笔帽，各种阀门的通断，水龙头、门的插销、门舌式开关、各种膨胀式螺栓等都是我们日常生活中随处可见的简单动作功能的例子。

2）复杂动作功能的求解思路——基本机构组合法复杂动作功能是连续传动，可以利用已有的基本机构来实现。

已有很成熟的理论和经验，比起“简单动作功能”的设计来要容易一些。

基本机构在机械原理课程中已介绍得很多了。

在现有的各种机器中，绝大多数的传动结构和执行机构都属于这一类。

已有的基本机构包括：齿轮、凸轮、连杆、螺旋、槽轮、棘轮、链轮等。

这些基本机构能实现各种运动要求，如连续运动和间歇、运动位置和轨迹、平面运动和空间运动、位移、速度和加速度等，而将这些基本机构组合起来成为组合机构，就会更加扩大其传动和运动的性能。

以上两种动作功能都属于纯机械的功能，均是“以形体来实现功能”。

第五节工艺功能及其对应的求解思路——物—场分析法【此处注意与上节课的衔接，不要有疏漏；从第三节的功能原理分类部分引入，详细讲解工艺功能的概念及原理】所谓工艺功能就是以完成对对象的加工为目的的功能。

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，用这个工作头去完成对工．．．．．．．．．．．．．．．．．．作对象的加工处理。

．．．．．．．．．犁地要用犁对土壤进行加工，属于典型的工艺功能。

犁头的工作面是一种复杂的空间曲面（形状），它能把土壤切开、抬起、翻过来扣在犁沟边上（动作），并且有碎土的作用。

工艺方法不同，机器的结构和形式及其工作头的形状就会发生很大变化。

举例：钢板的切割1.手工钢锯切割工作头：锯条场：力场切削力2.裁板机切割工作头：裁板刃口场：力场剪切力3.电弧焊切割工作头：焊条场：电场电弧放电4.数控火焰切割机，气割切割工作头：割炬场：温度场、速度场5.数控等离子切割机工作头：高温空气等离子束场：电场、等离子场6.数控激光切割机工作头：高能激光头场：温度场高能激光7.数控电火花线切割机工作头：工具电极场：电场等离子场(电火花+电介液)8.数控水刀切割机工作头：宝石喷嘴场：力场、速度场所谓“超高压数控万能水切割机”，又称“水刀”，是世界上最新的冷切割工艺装置，又称“冷态切割”新技术。

它是九十年代初期才发展起来的高新技术.“超高压数控万能水切割机”是以水为介质，利用高压水射流技术使水在这瞬间成为无坚不摧的利刃，切割温度在60度以下。

“水刀切割”切缝小、切割精度高、光洁度高、自动切割、节能、环保、不产生热变形和热影响，不改变被切割物质的物理和化学性能，特别对于新型的复合材料、易燃易爆物质及环境，更为稳定、安全、可靠。

所以“水刀”所能切割的材料种类广泛，如：布、纸、皮革、各种纤维、塑料、有色金属、黑色金属、复合材料、石材、陶瓷、玻璃、木材、各种建材、炸药、核原料等应用领域十分广泛。

综上所述，我们可以看出：工作头和作用场是它完成工艺功能的两个主要因素。