【清華大學】《機械原理》（國家級精品課）下 P10 - 110. 113-15-1第1節 執行系統方案設計過程和功能原理設計

在設計產品當中,機械總體發案設計是最具創新性的設計階段。 而在機械總體發案設計中間,機械執行系統的發案設計是總體發案設計的核心,也是整個機械設計工作的基礎。 也就是說,在總體發案設計中間,機械執行系統的發案設計最具有創造性。 那今天我們就來介紹第十四章,機械執行系統的發案設計。 機械執行系統的發案設計,它的過程包括這樣幾個方面。 設計一個機械產品,首先要知道預先實現的功能要求,就是我要實現什麼樣的功能要求。 當然這裏邊有使用要求或者工藝要求。 那有了這些要求以後呢,我們首先要進行機械系統的功能原理設計。 就是你用什麼樣的工作原理來設計這個機器。 這個機器用什麼樣的工作原理來實現預期的功能要求。 那把工作原理設計完了以後呢,就要進行運動規律的設計。 就是我怎麼運動,它工藝動作是什麼樣子的。 比如說設計一個機牀,刀具和弓箭相對是怎麼運動的。 這是你要設計的,就叫運動規律的設計。 而運動規律設計呢,實際上你的運動方案就得到了。 得到了運動方案,也就是它的工藝動作要進行機構的形式設計。 就是我要用什麼樣的機構來實現這樣的一個運動規律。 在機械中間,比如說自動化機器,自動機, 比如說包方便麪,啤酒罐裝機,牛奶罐裝機等等, 那麼這些機械中間有多個執行系統, 就是有多個執行構件,就在這一個執行系統當中有多個執行構件。 也就是有很多執行機構, 比如說方便麪的包裝機,要把這個面送過來, 然後要把它包起來,要打印日期等等, 這些都是一系列的執行機構,在這個執行系統中間。 那這個執行系統中間, 我怎麼樣進行各個執行機構的運動協調, 也就是要進行執行機構的協調設計, 就是它怎麼運動,相互之間怎麼配合。 設計完協調設計以後,要對機構進行尺度設計, 也就是設計它的尺寸。 那在尺度設計的時候,要考慮運動學的關係, 動力學的關係, 就是要考慮運動設計和動力設計, 是不是裏邊要求抑制速度波動啊, 是不是要進行平衡啊, 靜平衡、動平衡等等。 最後要進行運動分析和動力學分析, 看看它的運動滿不滿足要求, 動力學性能行不行。 最後要進行方案的評價, 你有多個方案,那這些方案哪個優哪個略, 要從中選擇比較好的方案,進行方案評價。 如果不滿足要求, 那麼我們就要改變相關的策略, 比如說改變的機構參數, 改變機構形式, 或者構思新的運動規律, 或者說你這工作原理就不太合適, 就要構思新的功能原理, 這是改變設計策略, 來實現它的功能要求和預期要實現的工作條件、工作要求。 最後要繪製出執行系統的運動簡圖, 要給出這個。 那我們對每一個步驟, 我們來看一下。 第一個,就是我們要進行機械系統的功能原理設計。 那功能原理設計呢, 就是要根據預期實現的功能, 來選擇工作原理, 來滿足你的功能要求, 是這樣的一個步驟。 那功能原理的設計, 它要幹什麼事呢? 就是你比如說讓你實現, 剛纔我們談到的, 比如說牛奶的灌裝機, 要你把這個牛奶灌裝在盒裏面, 或者袋裏面, 這麼樣一個功能要求。 那這些功能要求, 你怎麼去實現? 用什麼原理去實現? 比如說讓你設計一個斷壓的機械, 來對這個毛胚進行斷壓, 你用什麼原理? 是液壓原理啊? 氣動原理啊? 還是機械的推拉原理啊? 這樣你要選擇, 選擇用什麼原理去實現? 那可能有很多的工作原理, 都能實現你這個功能要求。 那這個時候, 你就要分析、比較, 得到一種既能滿足功能要求, 公益動作, 又非常簡單的這樣的工作原理。 當然我們追求簡單化, 因爲從經濟性考慮, 越簡單越好, 越簡單壽命可靠性越高, 就是我們儘量地用簡單的原理去實現。 那我們就要進行功能原理的構思和選擇, 就是根據這樣的一個功能原理的設計任務, 我們就要構思和選擇, 比如說我們舉個例子, 這個自動塑料板裝置, 我要設計一個這樣的一個裝置, 讓你來設計, 那你拿到這個設計題目以後, 這個產品要設計這樣一個裝備或者產品, 那你怎麼想? 首先就是功能要求有了, 功能要求有了, 讓你能夠自動把料板從一個位置送到另一個位置, 首先我用什麼原理去設計啊? 什麼樣的工作原理? 沒有這個工作原理, 我隨便構思一個機構, 那這個漫無目的, 是不行的, 那工作原理它也有優劣, 我們要什麼樣的工作原理? 比如說我現在就是針對這個自動塑料板, 這樣一個裝置, 能夠自動塑料, 我可以構思很多原理, 比如說第一個, 第一個這個, 我們看一個執行構件, 把它把這個板從底側推出去, 另一個構件把這個板接走, 那這個原理就是機械的推拉原理, 機械推拉原理, 我們看這個圖, 這個圖就是我們看上面這個構件, 它是採用了摩擦傳動原理, 上面這個構件使這個板接觸上, 給它摩擦出去, 用摩擦力給它帶出去, 另外一個板來接摩擦傳動原理, 就是上面用的是一個板式的摩擦隊, 那我們看這個, 這個底下有一個摩擦輪, 這個摩擦輪在一滾動就把這個板帶出去, 另外一個執行構件把這個板接走, 採用的也是摩擦傳動原理, 但這個摩擦原理是摩擦輪式的, 雖然這兩個大家看都是摩擦傳動原理, 但是它還有一些細節上的區別, 不太一樣, 那它的性能各方面就有所變化, 就會不同, 這個要設計的時候要具體分析, 那我們也可以採用細析原理, 我們看這樣的一個在頂部採用氣吸, 吸附,形成一個真空, 把這個板給吸附上來, 然後把它帶走, 採用這樣的一個執行機構, 在頂吸,在頂側, 那也可以在下面吸附, 然後把板帶出, 我們看這個圖, 這個是氣吸原理是頂吸, 一個頂吸一個頂吸, 那我們可以看到, 一個機械裝置我要來設計, 我可以有很多的工作原理來實現, 有很多, 那我們可以看, 因爲這裏邊的功能原理都不一樣, 這個功能原理不一樣, 這個不一樣我們看一看它的執行構建的運動, 那執行構建的運動也不一樣, 也就是說它工藝動作不同, 功能原理不同, 工藝動作就不同, 那工藝動作如果複雜的話, 我這個機械裝置可能要複雜, 有可能, 也就是說這個機構的功能原理不同, 機構的實現難易程度也會不一樣, 所以讓你設計一臺機械系統的時候, 你能不能構建出一種能夠滿足這個功能要求, 同時又簡單的這樣一個工作原理, 也就是說它的功能原理也就最後實現, 最後用工作原理來實現, 能不能構造一個簡單的, 這是我們需要深入思考和以後工作中間應該注意的問題, 這是構思這個, 我們再總結一下, 就是實現這個預期的這個功能要求, 我們會得到不同的, 可以採用不同的這個工作原理, 也就是功能原理來實現, 而不同的工作原理就需要有不同的工藝動作, 那這些工藝動作的不同, 最後你設計的機械系統也要有差別, 難易程度也不一樣, 它的工作品質, 也就是工作質量, 一個產品這個性能也就有區別, 適用範圍也有差別, 所以這個功能原理這一塊的構建是非常重要的, 那麼上面我們還是採用的, 比如說這個自動塑料板裝置, 我們採用機械推拉原理, 摩擦傳動原理, 氣息原理, 都是這個一般我們選擇的已有的這個工作原理, 那如果沒有, 有些複雜的, 我們怎麼辦? 就要設計新的功能原理, 設計新的工作原理, 設計新的工作原理我們看看有幾種方法, 首先我們看看這樣一個裝置, 這個裝置大家都知道是飛船, 飛船, 飛船有數十萬個零件, 數十萬個零件, 就是它的構成是非常複雜的, 當你設計的時候, 設計的時候, 你不能開始就從零件去設計, 這肯定不行, 沒有這個戰略上的考量, 首先從戰略上來設計這個機械系統, 然後纔是戰術問題, 纔是具體的攻城掠地的局部問題, 首先從戰略上, 我們怎麼樣來確定它的功能原理, 怎麼樣定, 飛船它要上天, 它要在太空當中運行, 要經過大氣層, 要在太空當中運行, 它還有很多的科學功能, 還要實現對接, 因爲上面要有人居住, 要有環境, 要給它送貨物, 科學儀器和航天員日常用品等等, 它就需要有對接, 比如說它飛船上去以後, 我有載軌的空間站, 那空間站跟空間站對接, 跟空間站送去宇航員, 比如說我們國際空間站, 現在運行的, 那我要用飛船給它送物品, 那你這個上去以後, 上去以後怎麼送呢, 不能人說出來太空行走, 去把這個物品一個個搬過去, 那個不行, 那要進行對接, 對接要對接口, 對接的時候, 要有對接機構, 因爲太空當中的系統都是無根系統, 沒有根, 不像地面, 地面我這個機牀放在這, 地面不動了, 那太空中間沒有根, 沒有根什麼意思呢, 動量去守航, 你要一接觸, 那它就跑了, 它在浮着漂浮的狀態, 是這麼樣一個情況, 那你在設計的時候, 要有艙門, 要能打開艙門, 那打開艙門是不是就像我們汽車這樣的艙門呢, 這肯定有問題的, 它要密封, 就把它密封起來, 不能跟外界, 就很重要, 那還有比如說, 我要測航天員的體重, 那航天員在太空當中運行一段時間, 他體重變化如何, 這個機構, 你不能說我用地面上的秤拿到太空當中, 去測量一個航天員的體重, 那測不出來, 爲什麼測不出來, 因爲太空當中是失重狀態, 測不了, 那你就要設計一個裝置, 去測航天員的體重, 怎麼測, 那你可能就要想到動力學問題, 讓這個航天員運動起來, 用一個機構, 它在機構上運動起來, 這個慣性力能夠導出它的質量, 這個航天員的質量, 就是這些都是各種的分功能, 就是這樣一個, 讓你設計這樣一個航天器, 看着比較複雜, 那怎麼辦呢, 它的總功能, 一個大的總功能, 那你要把它分解成若干個分功能, 就每一個分功能, 每一個分功能就設計它的功能原理, 也就是工作原理, 把它分解, 分解了以後就不復雜了, 然後把這些分功能再組合起來, 就剛纔我們說的測航天員的體重, 那你設計一個機構, 比如說我就設計一個簡單的四杆機構, 比如說讓我們的航天員王亞平坐在上面, 或者誰坐在上面, 讓他運動起來以後, 這個動力學參數測試出來, 就能夠把它體重, 把它的質量給算出來, 那就很簡單了, 你要說整個一個飛船, 就是說你要不分解若干個分功能, 就沒法做, 所以讓你設計一個大系統的時候, 要從戰略的高度, 把總的功能給它分解成若干分功能, 每個分功能實現起來都是很容易的, 但是總體來就是一個大的機械系統, 重大的科學工程, 這裏邊也是屬於集成創新的一個東西, 就是每一個分功能, 你可能沒有創新, 但是你把它整個的集成起來, 就有集成創新, 這種方法就叫做分析綜合法, 大的系統, 把它分解成若干個子系統, 若干個子功能, 一個總功能, 一個子功能, 然後分別找功能原理去實現, 再把它組合起來, 這是功能原理設計的分析綜合法, 我們看還有另外一種方法, 就叫思維擴展法, 思維擴展法就是你在設計機械系統, 它的功能原理的時候, 要考慮各個學科的發展, 不要單純看到我們本身機械學科的發展, 比如說我在設計一個挖土機的時候, 原來我們的挖土機在推土挖土, 很多土都黏附在挖鬥這個地方, 黏附在這個地方, 那黏附在這個地方, 生產率各個方面都有很多的問題, 當時就有很多技術人員來設計各種機構, 來對它進行刮擦, 特別是黏土, 在掘土的時候就要用機構把黏土再刮擦下去, 纔是這種辦法, 那你思維在擴展, 隨着材料的進步, 我們知道我們炒鍋, 我們買的大家都清楚, 有不粘鍋,不粘鍋是什麼原理呢? 是這個材料的發展, 材料它跟它之間黏附力沒有, 認爲很小,就沒有, 那它就會不粘, 我現在從材料的角度拓展了一下, 我不用設計機構, 我直接把它塗一層材料, 這個材料跟土, 沒有不粘進, 那這樣就解決這個問題了, 就非常簡單, 不用複雜的機構去刮土這樣去做, 所以在設計機械系統的時候, 我們要廣泛地考慮一下交叉學科, 其他學科的發展, 氣、電、光、液等等, 你比如說原子力顯微鏡, 它觀察的微觀的世界, 要求實現的精度, 納米級的運動, 那原來用各種機構去實現都比較困難, 那我們智能材料的發展, 智能材料, 就是它物理特性交叉的, 比如說機電, 那採用壓電陶瓷進行微控制, 就實現了這個原子力顯微鏡, 發明原子力顯微鏡, 那這些就是我們要考慮各個學科發展, 來設計我們的機械進行功能原理的設計, 用什麼功能原理, 另外一種方法, 叫還原創新法, 就是你設計一個機械系統的功能原理, 這個沿着某一個功能原理去設計, 最後這個機械沒有實現, 就是你要求的那個功能要求沒有實現, 那你就能不能換一個思路, 別沿着這個功能原理繼續進行了, 我可以考慮從你初始要實現什麼功能, 我再另闢蹊蹺, 就是回到我設計的起點, 再重新構思創造新的功能原理, 這樣來構思新的功能原理, 這種方法就叫還原創新法, 就是你沿着一個方向不太行, 後面我要重新開始, 這個洗衣機的發明就是典型的例子, 就是洗衣機, 我們知道洗衣機的發明, 洗衣機代替人來洗衣服, 那當然它就想到我模擬人, 用仿人的辦法來實現, 那首先想到就是揉搓原理, 揉搓就是模仿人手, 你想設計這樣的一個洗衣機, 模仿人手用兩個機器手, 在一個空間裏面有水的地方去洗, 這個機構比較複雜, 那你還要防水, 你的洗衣服如果能洗的話, 洗的效率也比較低, 這不容易實現, 難度很大, 那還有刷擦, 我們看看過去用手洗的時候, 手洗比較硬的, 比如我們說牛仔褲, 這個手洗特別, 咱們女生洗起來很困難, 就用刷的來刷, 刷擦, 那這種刷擦, 他們就想到能不能實現, 就來回的用一個機構往復的移動來進行刷擦, 這個你想刷擦的原理, 褲子比較長, 人個也不一樣, 小孩大還是不一樣, 來回弄還要把這個弄平直, 這個比較複雜, 也是非常難以實現, 因爲這個衣物各處都刷擦到, 那不容易實現, 那還有捶打的原理, 我們在南方或者在朝鮮那邊, 朝鮮族那邊, 他這個洗衣服在河邊, 大家看過好多電影, 來捶打衣服, 有水捶打衣服, 那捶打的原理, 那當然好設計, 在機械裏邊封閉的空間, 設計一個捶打的衣服倒好弄, 但你想這個效率不怎麼樣, 另外你捶打你這個鄰居是不是會有意見, 這個光光光, 這個很有問題, 很有問題, 所以這個三個方面都不行了, 就這種功能原理去實現, 都有些困難, 那你再回到原點, 我幹什麼, 我洗衣服幹什麼, 我就是把髒的東西從衣物上脫離開, 使它脫離開, 離開我這個衣服, 那人們就發明了漂洗的原理, 就是發明了玻璃洗衣機, 後面又發明了滾筒洗衣機, 來進行漂洗, 這個漂洗原理就是表面活性劑, 我們洗衣粉, 肥皂等等這些表面活性劑, 表面活性劑是什麼發展的呢, 化工方面, 化學方面發展的, 用這個東西, 把它溶解在水裏邊, 這個表面活性劑有什麼功能呢, 它和這個污漬, 和你的髒東西, 污漬有親和力, 能夠把它拽過來, 跟它結合, 同時呢, 它又跟水又親和, 但是你把這洗衣粉放進去以後呢, 這些污漬啊, 雖然跟這個表面活性劑親和了, 但表面活性劑還浮着在你這個衣物上, 還浮着在衣物上, 你怎麼把這個衣物, 浮着在這個表面活性劑和髒物, 污漬, 浮着在衣物這個, 把它剝離出去, 怎麼剝離, 那人們就想到了, 我要剝離它, 我就使衣物旋轉起來唄, 靠慣性力來回攪動, 把這個衣物就給帶走了, 就把這個污漬帶走了, 那讓它旋, 讓它們攪, 我弄個大攪拌機, 這有沒有必要, 這攪拌機說, 像攪拌沙漿似的攪拌機, 這個好像也不行, 弄在家裏邊有些問題, 那怎麼辦, 我就設計一個, 你看這個洗衣機底側, 有一個小撥輪, 它這個凸起, 有幾條凸起, 不高, 它轉起來幹什麼事呢, 它轉起來把這個水攪動起來, 形成這個漩渦, 你看這個一轉, 形成漩渦, 這些漩渦就把這些污漬, 給衣物當中剝離出來, 你看很簡單, 現在洗衣機聲音很響, 就調起原理就得到了, 那你在設計的時候呢, 那你功能, 就是說你這個功能設計, 也可以把它搞成這種, 這種臥式, 滾筒式, 這個衣物是從這兒往下裝, 這個衣物呢, 是從滾筒往下裝, 像美國我去訪問過多次, 他們一般都這個, 這個滾筒, 基本上是滾筒, 滾筒很大, 這個放的衣物比較多, 那衣物比較多, 放進去以後, 這個滾筒它轉起來, 形成這個漩渦, 那滾筒這個轉, 衣物在裏邊翻滾, 翻滾, 那如果你還有功能要求, 比如說我現在想烘乾, 想弄完了差不多, 我就能穿了有的, 那這個再加上一個烘乾的, 這樣的一個環節, 也可以分離式的, 比如說給這兒, 這一般在這個公寓裏邊, 都有專門洗衣服的, 把這個coater弄進去, 這個有多少coater, 那它自動就給你洗了, 那直接就是, 這是這個洗衣機的發明, 就是還原創新, 你要是路走不通了, 那你想想我要實現什麼目的, 我再從頭做起, 採用這種方法, 這就是我們功能原理設計, 功能原理設計呢, 就是你在設計機械的時候, 首先選擇現有的功能原理, 能不能實現, 也就是工作原理, 不能實現, 你就設計新的工作原理, 新的工作原理, 我們剛纔談到了有三種方法, 大家在以後的工作中間, 可以靈活地運用這些方法, 比如說比較複雜的, 我就分析綜合法, 把它分析成若干的分要求, 分的功能要求, 然後分別去實現, 要有思維擴展, 我要想想相關的學科的發展, 要還原創新, 這條路走不通, 我們換一個思路去來做, 這是功能原理的設計。