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器械设计论文：器械的概念设计原理探讨 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:从解决问题的目的和手段着手;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;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