器械设计论文：器械的概念设计原理探讨

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作者：陈正水邓益民单位：宁波大学工学院

功能分解策略

广义上说，功能是对于某一机械产品工作能力的抽象，它包括产品的功用、用途、性能、能力等。从系统工程学的角度来看，可将机械产品看成是技术系统，功能是以实现某种任务为目标，对其输入量(信息流、能量流、物料流)和输出量之间的相互转换。在概念设计阶段之初，通常要对产品的功能进行分解。通过对现有机械系统的分析，笔者提出功能分解的三个策略:①从解决问题的目的和手段着手;②从产品生产的工艺动作过程(生产的空间顺序和时间顺序)着手;③从机械系统四大模块着手。在实际的产品功能分解中，往往需要采用多种功能分解策略。对机械系统而言，执行系统是机械系统的核心，最终决定产品的功能输出。执行系统的功能是通过工艺动作过程来实现，因此可通过工艺动作过程对其进行分解;而对于机械系统的其他子系统(包括传动系统、控制系统、驱动系统)，可采用“目的－手段”进行功能分解。下面详细介绍这三个功能分解策略的运用方法和步骤。

首先从目的和手段来分解功能，可以把目的称为上位功能，手段称为下位功能，目的功能是主功能，手段功能从属于目的功能，为实现目的功能起手段作用，属于下一级分功能，在下一级分功能中，手段功能又称为目的功能，如图1所示，手段功能2在下一级分功能中称为目的功能3。通过“目的－手段”可以将复杂的产品进行功能分解，同时又可将各个分功能之间的逻辑关系联系在一起，最终获得产品的功能系统图。接着按照工艺动作过程对功能进行分解。工艺动作过程是实现机器功能所需要的一系列动作型式，按一定顺序组合而成的系列动作。机械产品的执行系统功能是通过其工艺动作过程来完成的。例如，汽水灌装自动机的功能包括瓶、盖、汽水的贮存与输送、灌装、加盖、封口、贴商标、成品输送的工艺动作过程来实现灌装功能。又如，平板印刷机的功能是通过上墨、刷墨、印刷的工艺动作来实现印刷功能。

最后是从机械系统四大子系统模块来对产品的功能进行分解，这四大系统分别为驱动系统(动力系统)、执行系统、控制系统和架体支撑系统。任何机械产品的技术过程(主体功能)都是原动机到传动部分，再到工作机构(即执行系统)部分。原动机主要提供机械能或转换为有效的机械功，传动部分主要传递运动和动力要求，工作部分是机器的执行机构，架体支撑系统主要起支撑部件的作用。在主体功能的基础上，再添加辅助功能，通过控制系统来控制协调各部件的工作。下面综合前面讲述的三种分解策略，以挖掘机为例进行功能分解，如图2所示。

寻求功能作用原理策略思想

机械产品功能目标确定后，可针对产品的主要功能提出原理性构思，这可以通过科学原理向技术原理的转变加以实现，技术的需求是科学发展的动力，而技术开发必须以科学规律为基础，产品开发过程就是科学原理与技术经验相结合的过程。作为设计开发人员，应在产品概念设计阶段中，掌握广泛的科学原理，善于实现科学原理向技术原理的转变，例如，在机电行业中，为能实现电能向机械能的转换，一般通过能量转换科学原理向“电磁效应”这一技术原理转变，开发出了电动机。其次，可由已有的技术原理形成新的技术原理，有些技术的产生是在已有技术成果的基础上进行移植、综合和革新的结果。例如，爱因斯坦提出受激辐射理论奠定了激光技术的理论基础。微波波谱的成果进而为激光的应用提供了技术原理。现今，激光已应用于机械制造行业，可对材料进行热加工，如表面热处理，焊接和切割打孔等。因此，在产品概念设计阶段，不断寻找适合的作用原理有利于产品的创新。

执行系统概念设计过程模型探讨

基于FBS概念设计过程模型进行研究，此模型在“功能分解－载体”映射模型的基础上引入行为作为桥梁，即“功能－行为－载体”过程模型。在此基础上进行改进，提出了“功能－作用原理－工艺动作过程－执行动作－行为－功能载体”概念设计过程模型。根据机械产品的功能要求和工作性能要求来驱动寻找实现功能的作用原理。同一功能可通过不同的作用原理来实现功能，从而实现产品创新。

其次，工艺动作过程取决于所需实现功能的工作原理，不同的工作原理有不同的工艺动作过程，本过程模型可通过工艺动作过程支持功能分解。工艺动作过程包括一系列按照时间顺序排列的工艺动作，通过工艺动作进一步分解可以得到按照一定时间顺序的执行动作。最后，通过执行动作与功能载体之间引入机械动作行为作为桥梁，以实现寻找实现功能的载体。图3给出了基于“功能－作用原理－工艺动作过程－执行动作－行为－功能载体”的概念设计过程模型。

执行系统概念设计过程模型映射分析

上述概念设计过程模型的关键是各阶段的求解映射策略，使得寻求作用原理解的关系脉络更为清楚和详细，这使得设计人员在概念设计中能符合设计思维逻辑，并促进开发人员的创新能力。为此笔者提出如图4所示的求解映射策略。从图4中映射层之间的关系，可以看出产品的功能可以通过不同的作用原理来实现，子功能(F123)可由原理层的多个作用原理分别来实现。由于执行系统功能是通过工艺动作过程来实现的，同时工艺动作过程的分解又能实现产品功能分解，而工艺动作过程的分解又取决于工作原理，不同的工作原理有不同的工艺动作过程，例如对齿轮进行加工，有两种不同的工作原理，分别为滚齿原理和插齿原理，显然这两种工作原理的工艺动作过程是不一样的。同时，同一种工作原理的工艺动作过程也可以有不同的工艺动作过程，因此在进行工艺动作过程分解时，可通过增加、减少或者合并工序改变机器的工艺动作，这有利于获得新的结构，创造新的机械设备。如果工艺动作比较简单，可直接采用工艺动作到载体的直接映射求解;反之，就需要对工艺动作进行分解。对于每一个具体分解的执行动作，如果执行动作比较简单，可采用直接映射求解。反之，需要通过行为层为桥梁，来更好的实现从执行动作到载体的映射求解。对于同一个执行动作可采用不同行为关系来实现。行为库中主要包括执行动作的类型、连续性、运动速率特性和运动往复性，由于执行动作的的类型很多，按照机构的运动类型进行分类，主要包括以下几种类型，其分类如表1所示。

应用分析

本节以缝纫机中的GC30型平缝机的执行系统设计为例，对以上提出的执行系统概念设计过程模型进行实例说明。缝纫机的总功能是完成对棉、皮革、人造纤维的缝制作用，完成此功能的工艺动作过程为刺布－供线－勾线－收线－送布来实现此功能的。对于每一个具体工艺动作来说，如果工艺动作比较简单，只需某一种机构就能实现，如果比较复杂，需对每一个工艺动作进行按照实现工艺动作一系列执行动作来完成，即按照实现每一个执行动作的简单机构的组合。机构每一个执行动作的类型可以参照表1，下面主要以送布机构设计为例。需要对送布工艺动作进行分解为具体的执行动作，一般分解的结果会有很多种，容易设计出新的结构，把送布工艺动作分解为:实现针迹距的调节运动－旋转到直线运动－直线到摆动。然后分别通过实现不同执行动作的简单机构来进行组合即可实现送布这一工艺动，送布机构如图5所示。基于图5所示的执行动作过程，简述其传动关系，通过送料调节器螺钉改变送料调节器凸轮面的工作位置，实现不同的针迹距，当针迹距一定时，上轴带动送料偏心轮旋转，通过送料连杆使送料曲柄绕着送料轴摆动形成送料牙的水平运动。

结语

功能分解是概念设计的首要任务，也是概念设计的重要前提和基础。通过功能分解策略，可将复杂问题的分解变得更加清晰，能够更好的实现概念设计由粗到精，由抽象到具体的过程。为此，笔者提出了针对机械执行系统的三个功能分解策略，并给出其应用方法和顺序。在此基础上，提出了基于工艺动作过程的执行系统概念设计过程模型，提出了各阶段的映射求解策略。前文的分析及案例研究均表明，该过程模型更加符合人的认知过程，有利于机械执行系统的创新设计，同时为开发智能化的计算机辅助概念设计系统提供了指导作用。