【正文】 （黑箱） a） 材料試驗機(jī)的 “ 黑箱 ” 示意圖 加載能量 試件 信號 變形試件 變形能 變形信號 力信號 噪聲 振動 溫度 風(fēng)力 在材料試驗機(jī)的“黑箱”示意圖中，有 3個輸入元素：加載能量、試件和信號；有 4個輸出元素：變形能、變形試件、力信號和變形信號，內(nèi)、外系統(tǒng)間有相互作用和影響。 按樹狀功能圖還可以作出 功能結(jié)構(gòu)圖 。對各子系統(tǒng)的功能可逐項分解，直到得到不能再分解的 功能元 為止。 功能載體 是實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)化的實體結(jié)構(gòu)。 洗 衣 機(jī) （黑 箱） 地基 濕度 溫度 噪聲 振動 信息 能量 洗滌劑 清水 臟衣物 顯示信號 驅(qū)動能 臟水 干凈衣物 洗衣機(jī)的黑箱示意圖 機(jī)械系統(tǒng)的功能往往有多種形式，為便于分析和研究，應(yīng)進(jìn)行 功能分解 。 以洗衣機(jī)為例，對人的參與程度要求不同，可設(shè)計出全自動、半自動和非自動的洗衣機(jī)；就全自動洗衣機(jī)而言，由于設(shè)計者的著眼點不同，可設(shè)計出立式和臥式洗衣機(jī)，它們各有優(yōu)缺點。 谷物 扶持谷物莖桿 切斷谷物莖桿 脫 粒 長莖桿 圖 24 自走式谷物聯(lián)合收獲機(jī)的技術(shù)過程流程方框圖 清選 篩分 氣流 振動 雜余 （ 斷穗 ）等 復(fù)脫 谷粒 短莖桿輕混合物 （ 穎殼 、灰塵 ） 等等 對 設(shè)計對象的目標(biāo)和要求不同 ，技術(shù)系統(tǒng)的組成、相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)邊界的劃分就不相同；即便是設(shè)計對象的目標(biāo)和要求相同，由于設(shè)計者的 著眼點不同 ，技術(shù)系統(tǒng)及系統(tǒng)邊界劃分也會有較大差別。 技術(shù)過程的一般模式如下圖。 齒輪加工 范成原理 仿形原理 剃齒 插齒 滾齒 采用不同的工藝原理，就會設(shè)計出不同的機(jī)械系統(tǒng)，它們的性能和經(jīng)濟(jì)效益各不相同。 三、確定工藝原理（ “ 黑箱 ” 變成 “ 玻璃箱 ” ） 所謂工藝原理是 指自然科學(xué)中各種定理、定律、原理及效應(yīng)的具體應(yīng)用 ?？杀硎救缦拢? 機(jī) 械 裝 置 （待定的技術(shù)系統(tǒng)） （黑箱） 物料 能量 信息 物料 能量 信息 來自外界的影響 輸 入 對外界的影響 輸 出 在方案設(shè)計的初期， 把要設(shè)計的機(jī)械系統(tǒng)看成只知道輸入量、輸出量以及與外界的相互影響的“黑箱” ，“黑箱”內(nèi)部是全然不知待定的技術(shù)系統(tǒng)，這就是設(shè)計任務(wù)抽象化的方法。 面對一個設(shè)計任務(wù)，有經(jīng)驗的設(shè)計人員馬上可提出一些設(shè)計方案，這雖然可加快設(shè)計速度，但由于受到個人經(jīng)驗和所掌握資料的限制，在思維定勢作用下，使設(shè)計方案缺乏創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。 1 0 0 0 4 0 1 0 1 0 0 0 2 0 1 0 0 0 1 0 0 0 3 0 + ? 1 4 4 9 9 1 + ? 創(chuàng)造性思維則是創(chuàng)作發(fā)明的基礎(chǔ) 。 在系統(tǒng)開發(fā)計劃書中說明了對設(shè)計的各項要求，但這些要求尚未實現(xiàn)，其中有 不確定的，過高或過低的，甚至有些是相互矛盾的 。 方案設(shè)計是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計第三階段，也是內(nèi)部設(shè)計階段要做的第一項工作。它是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的 核心環(huán)節(jié) ， 方案設(shè)計 是保證設(shè)計水平和質(zhì)量的重要工作，在很大程度上決定了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的成敗。 設(shè)計人員要仔細(xì)研究設(shè)計任務(wù)，對各項要求逐個分析，明確核心要求和約束條件，提出修改、補(bǔ)充和完善的建議，對 相互矛盾的要求提出兩方面都可兼顧的折衷的解決辦法 。發(fā)明有 原創(chuàng)性發(fā)明 和 組合式發(fā)明 ，原創(chuàng)性發(fā)明是指在原理上具有新突破的發(fā)明，對于世界和人類來講具有一定的難度，是比較少見的。 任何機(jī)械系統(tǒng)都可以看成是 實現(xiàn)某種能量流、物料流和信息流傳遞和轉(zhuǎn)化的裝置 。 用“黑箱”抽象地表示技術(shù)過程，不需要事先涉及具體的解決方法，就可以知道機(jī)械系統(tǒng)的基本功能和約束條件： 基本功能為物料、能量、信息的傳遞和轉(zhuǎn)化 ， 約束條件表現(xiàn)為內(nèi)、外部系統(tǒng)的相互作用和相互影響 。 表示機(jī)械系統(tǒng)的“黑箱”建立以后，打開“黑箱”， 實現(xiàn)“黑箱”的透明化就成為了主要工作。 切斷作物桔桿 沖擊 搓擦 使谷粒和谷穗分離 滾壓 篩分 、 振動 、 重力 、 氣流使谷粒 、莖桿 、 穎殼雜物分離 在聯(lián)合收割機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)中，采用了多種工藝原理，工作過程中完成了多次轉(zhuǎn)化，設(shè)計的關(guān)鍵則是 不同工藝原理的組合與連接 ，以及它們之間的 適應(yīng)性與相容性 。 下圖是根據(jù)工藝原理圖畫出的自走式聯(lián)合收獲機(jī)的技術(shù)過程主流程圖。 五、引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)并確定系統(tǒng)邊界 技術(shù)系統(tǒng)是實現(xiàn)技術(shù)過程各項轉(zhuǎn)化的人為系統(tǒng)。 引進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)就是 根據(jù)技術(shù)過程的要求，確定機(jī)械系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和功能載體的組合 。 可以用樹狀圖像模型功能圖形象地表達(dá) 功能分解 的結(jié)果： 能量運動傳遞 轉(zhuǎn)向控制 轉(zhuǎn)速控制 時間控制 雙向旋轉(zhuǎn) 單向旋轉(zhuǎn) 波輪旋轉(zhuǎn) 攪動衣物和水 聯(lián)接與支承 能量供應(yīng)與轉(zhuǎn)換 排水 同一功能轉(zhuǎn)化，可找出不同的功能載體。 功能元 是指有確定功能的不可再分解的單元功能。如洗衣機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖如下： 洗衣機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)接與支承 能量轉(zhuǎn)換 能量傳遞 能量 攪動臟衣物和水 容納臟衣物和水 排水 甩干 洗滌劑 洗滌劑 臟衣 物水 臟水 干凈 衣物 信息 控制 決策 調(diào)整定時 方向 、 速度 、時間選擇 顯示 信號 從樹狀功能圖可看出功能分解的過程，從功能結(jié)構(gòu)圖可看出各項功能元以及分功能之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 b） 材料試驗機(jī)的功能分解圖 Ⅱ 建立材料試驗機(jī)的功能分解圖（初步簡單的功能結(jié)構(gòu)圖）： 通過功能分解，可以把材料試驗機(jī)的總功能分解成 4個主要的分功能： ① 把能量轉(zhuǎn)換為力和位移； ② 試件加載； ③ 測力； ④ 測變形。這時 可把機(jī)械系統(tǒng)分解成幾個子系統(tǒng) ，如把谷物聯(lián)合收獲機(jī)分解成：收割系統(tǒng)、脫粒系統(tǒng)、清糧系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、支承系統(tǒng)等 8個子系統(tǒng)， 分別畫出各子系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖，這樣可使復(fù)雜的問題簡化 。在做這項工作時，要集思廣義，廣開言路，避免犯偏聽偏信、先入為主、主觀片面的錯誤。 由圖可表明機(jī)械系統(tǒng)的互動能量；物料的取、移、放；環(huán)境對它的約束條件。 方案總數(shù)： N=A B C D E=6 5 4 4 3=1440 鉗式斗 抓 斗 挖 斗 液壓缸傳動 氣缸傳動 繩傳動 拉 桿 氣 墊 履 帶 輪 胎 軌道及車輪 液力耦合器 鏈傳動 帶傳動 蝸桿傳動 齒輪傳動 氣動馬達(dá) 液動機(jī) 透平機(jī) 柴油機(jī) 汽油機(jī) 電動機(jī) 挖掘機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣 E(取放物 ) D(取放物傳動 ) C(移位 ) B(移物傳動 ) A(動力源 ) 6 5 4 3 2 1 功 能 載 體 分功能 A3 + B4 + C3 + D2 + E1——履帶式挖掘機(jī) 柴油機(jī) 鏈傳動 履帶 繩傳動 挖斗 3）作出挖掘機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣： 液動機(jī) 液力耦合器 輪胎 液壓缸傳動 抓斗 A3 + B4 + C3 + D2 + E1——履帶式挖掘機(jī) 柴油機(jī) 鏈傳動 履帶 繩傳動 挖斗 A5 + B5 + C2 + D4 + E2—液壓輪胎式挖掘機(jī) 對那些合理的可行方案，應(yīng)進(jìn)行綜合評價。 思考題： 舉例說明什么是 “黑箱 ”，為什么要把待定的設(shè)計對象抽象為 “黑箱 ”，從 “黑箱 ”圖中可以看出什么問題。 是否對這些影響和干擾進(jìn)行控制，就涉及到系統(tǒng)的邊界。人和機(jī)械系統(tǒng)的不同分工，就體現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械化和自動化程度，人參與程度不同，機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本也不相同。 六、確定基本結(jié)構(gòu)布局 技術(shù)方案確定后，功能載體的組合關(guān)系就明確了，但結(jié)構(gòu)元件在空間的相互位置還可以進(jìn)行不同的處理，即 相同的功能載體關(guān)系，可以構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)布局 。 發(fā)動機(jī) A前置 ； 駕駛臺 B在糧箱 C的前方、發(fā)動機(jī)左側(cè)； 脫 粒 機(jī)頂蓋 D在糧箱 C下方。 優(yōu)點：發(fā)動機(jī)尺寸不受限制 ， 駕駛員工作條件好 ， 保養(yǎng)空間大；由于糧箱 C的隔離作用 ， 發(fā)動機(jī)的振動 、 噪聲和高溫對駕駛員影響較小 。 缺點：發(fā)動機(jī)保養(yǎng)不方便，發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的噪聲、振動和高溫對駕駛員有影響。 優(yōu)點：駕駛員視野開闊，車輛的軸距和長度小，機(jī)動性好，自重輕。 缺點：車箱里噪聲大，有油煙味和熱氣，車輛的面積利用較差。 3） 發(fā)動機(jī)后置 ：發(fā)動機(jī)在車箱之后，橫置或者縱置。 七、方案評價 （自學(xué)） 例 4：四工位專用機(jī)床 四工位專用機(jī)床是在 四個工位上 分別完成工件的裝卸、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔 工作的專用加工設(shè)備。材料： HT200 φ 50H6ⅠⅡⅢⅣA2A3裝拆工件 鉆底孔 擴(kuò)孔 鉸孔 （ Ⅰ 工位） （ Ⅱ 工位） （ Ⅲ 工位） （ Ⅳ 工位） 該機(jī)床技術(shù)成熟，設(shè)計任務(wù)抽象化、確定工藝原理、確定技術(shù)過程就省略了。系統(tǒng)邊界不同對機(jī)械系統(tǒng)有什么影響。 每位同學(xué)構(gòu)思設(shè)計 一臺中、小型機(jī)器或機(jī)械裝置 ,要有新意 (創(chuàng)新性 ),進(jìn)行方案設(shè)計 ,提出其具有的結(jié)構(gòu)和功能 .做出黑箱模型 ,確定其工藝原理、技術(shù)過程和功能載體 ,畫出結(jié)構(gòu)原理簡圖 . 在進(jìn)行總體設(shè)計時，不僅要考慮內(nèi)部系統(tǒng)，而且要考慮內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的聯(lián)系，使內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)相協(xié)調(diào)和適應(yīng)，以求設(shè)計得更加完善。 總體設(shè)計必須在方案設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行。 要 從粗到細(xì) ， 由簡而繁 ，經(jīng)多次反復(fù)修改，才能最后確定。 以 谷物聯(lián)合收獲機(jī)為 例，從谷物被割倒到進(jìn)入脫粒滾筒，直至谷粒進(jìn)入糧箱，桔桿、穎殼及其它雜物排出，都應(yīng)運行連續(xù)流暢，不能堵塞和斷擋。 因此在總體布置時必須驗算機(jī)器的質(zhì)心位置 ,控制質(zhì)心偏置量 . 3．保證精度、剛度及抗振性的要求 以機(jī)床為例，為能加工出一定精度的零件，機(jī)床車身要具有更高的幾何精度、傳動精度和動態(tài)精度。 機(jī)械產(chǎn)品的剛度不足或抗振性不好，也會使機(jī)械產(chǎn)品不能正常工作，使機(jī)械產(chǎn)品的動態(tài)精度降低。如設(shè)計一臺木工鋸床，要考慮，以后可發(fā)展成能鋸、鉆、刨、銑的組合機(jī)床，在總體布置設(shè)計及傳動系統(tǒng)、機(jī)架設(shè)計上采取一些措施，是很有意義的。 電動機(jī) 電動機(jī) 執(zhí)行構(gòu)件 工件 、 刀具 以四工位專用機(jī)床為例，把電動機(jī)、傳動部件、操縱控制部件安裝在支承大件之內(nèi)，就可作到結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，外觀也較好看。 只要是人所使用的產(chǎn)品，都應(yīng)在人機(jī)工程上加以考慮。 例如，減速器外伸軸的聯(lián)軸器，設(shè)計時就注意不用拆卸聯(lián)軸器的情況下就能打開減速器的上下箱體。 7．外形美觀 機(jī)械產(chǎn)品的外觀是對用戶的第一印象，是用戶購買時要考慮的因素之一。 轎車的外形輪廓具有流線美感，用戶才喜愛。轎車的外形輪廓在這方面的要求特別高。 在總體布置設(shè)計階段，要畫出相應(yīng)的總體布置圖。 總體布置圖繪制后有重要意義。例如多缸內(nèi)燃機(jī)，它有多個進(jìn)排氣門機(jī)構(gòu)，把各進(jìn)排氣門機(jī)構(gòu)的凸輪布置在一根軸上，既可使原動件凸輪接近執(zhí)行構(gòu)件 — 氣門，又容易滿足各氣門間的運動關(guān)系。 布置執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)注意下面 3個問題： （ 1）盡量 減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動副和構(gòu)件數(shù)目 ， 減小構(gòu)件的幾何尺寸 。 電動機(jī) 電動機(jī) 執(zhí)行構(gòu)件 工件 、 刀具 當(dāng)有外露的執(zhí)行構(gòu)件時，最好將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)接件和原動件隱蔽布置，以提高作業(yè)的安全性。 （ 1）簡化運動鏈 在保證傳統(tǒng)系統(tǒng)功能的前提下，運動鏈越簡單，零件的數(shù)目和運動副數(shù)目就越少，材料的消耗和制造費用就越低，傳動效率和精度、可靠度就越高。 對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行總體布局設(shè)計時， 布置傳動系統(tǒng)應(yīng)考慮下面 3個問題： 一般情況下，機(jī)械的傳動系統(tǒng)是由一些傳動機(jī)構(gòu)組合而成， 傳動機(jī)構(gòu)的先后順序?qū)鲃酉到y(tǒng)的性能影響較大 。 （ 2）合理安排傳動系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)的順序