探讨功能原理设计的意义与方法

机械设计的过程通常由以下几个工作阶段组成：

1）设计规划阶段。这个阶段的任务是确定设计的内容和对设计的要求，即明确设计对象要实现哪些功能。

2）方案设计阶段。这个阶段的任务是确定用于实现给定功能的原理性方案。

3）细节设计阶段。在这个阶段中将方案设计阶段所确定的原理性方案具体化、参数化，并确定机械装置的详细结构。

4）施工设计阶段。这个阶段要按照施工过程的需要，将设计信息正确、完整、全面地表达为施工过程所需要的技术文件形式。施工过程包括加工、安装、调试、运输、包装等过程。

机械产品的方案设计阶段可以细分为功能原理设计和运动方案设计。其中，功能原理设计阶段需要确定实现功能的基本科学原理；运动方案设计阶段要解决运动的产生、传递和变换方法以及执行动作的设计。

为了实现同一种功能，通常存在多种原理方案可供选择。实现功能的原理不同，对环境的要求和影响程度不同，实现功能的效率和可靠程度也有很大的差别。

图2-1 实现分页功能的多种原理方案

设计需要实现的功能是将输入量（物质、能量、信息）转变为输出量（物质、能量、信息），对于多数设计，原理方案设计面对的问题不在于无法找到能够实现这种转变的原理方案，而是可以找到太多的原理方案。

例如，图2-1a～h所示为可以实现将薄板或纸张分页传送功能（分页功能）的多种原理方案，各自适用于不同的应用条件。例如，方案a适用于较厚的材料；方案b适用于较轻、较薄的材料；方案c利用离心力将材料甩出料仓；方案d利用材料自身的重力使材料从料仓中滑落；方案e通过粘接的方法将分页材料粘起；方案f通过气流将分页材料吹离料仓；方案g通过真空吸附的方法将分页材料吸起并移出料仓；方案h通过静电力将分页材料吸起并移动。

图2-2a～c所示为可以不需要输入能量而清除船舱积水的多种原理方案。其中，方案a是通过重锤与船体的相对摆动驱动柱塞泵的原理来清除船舱积水；方案b是通过置于船外水面上的浮子与船体的相对摆动驱动柱塞泵，进而清除船舱积水；方案c是在涨潮时通过虹吸原理将船舱积水排入岸边的水槽，待落潮时再将积水排入海水中。

图2-2 无动力清除船舱积水的多种原理方案

美国人肖尔斯1867年研制成功的字杆式打字机（见图2-3）以单个字符（字母、标点符号或其他图形符号）为基本打印单位，将所有的字符分别铸在字杆端部，再将所有字杆围成半圆圈，每个字杆可绕其根部的铰链转动，转动的同时可将字符打在卷筒的同一位置。纸张被固定在卷筒上，每打印完一个字符，卷筒带动纸张沿横向移动一个字符间隔。字杆式打字机工作中纸的横向移动是通过卷筒的移动实现的，由于卷筒质量很大，影响了移动速度的提高，从而也影响了打字速度的提高。这种打字机适合于拼音文字，对于像中文、日文等大字符集的文字是不可行的。

图2-3 字杆式打字机原理

1920年日本人发明了用于日文打字的拣字式打字机。这种打字机将几千个字头摆放在字盘上，字头的形状与印刷用的铅字相似。打字员要记忆每个字头在字盘上的位置，打字时先将机械手移动到字头所在位置，通过字盘下的顶杆将字头从字盘中顶出，位于字盘上面的机械手将字头抓住，抬起，打到卷在卷筒上的纸上，然后再将字头放回原位，同时卷筒向前移动一个字符间隔。这种打字方法实现了大字符集文字的打字功能，但是工作效率很低。

为了提高打字速度，人们开始研究电动打字机。因为字杆式打字机的卷筒重量大，移动速度慢，即使采用电动方式也很难提高移动速度。

20世纪60年代初，美国国际商用机器公司研制出字球式英文打字机（见图2-4）。这种打字机将所有打印字符做在一个重量较小、可以绕两个轴自由转动，并可以方便更换的铝制球壳表面。打字时，重量较大的卷筒不再做横向移动，只在打印完一行后带动打印纸转动，实现换行运动，而改由重量较小的字球做横向移动，使得电动打字机能以较高的速度进行打印。这以后出现的各种打字机（包括打印机）也都不再采用通过滚筒移动的方法实现字头与纸之间的相对运动。

20世纪80年代初，德国西门子公司推出一种菊花瓣式打字机。这种打字机将字头做在花瓣的端部（见图2-5），打字时，用小锤敲击字头背面，使字符印到卷在卷筒表面的纸上。这种字盘比字球更轻，进一步减轻了打字机中移动部分的重量。(www.xing528.com)

图2-4 字球式英文打字机原理

图2-5 菊花瓣式打字机原理

计算机出现以后，最初与计算机配套使用的打字机仍采用字杆式结构，这种打印方式既限制了打印速度，又限制了如汉字这样的大字符集在计算机中的使用。随着计算机的发展，出现了一种针式打印机，同时推出了一种全新的点阵式打印概念，引起了打印功能原理设计领域的一场革命。它不再以字符为单位进行打印，而是将每个字符都作为由众多的按一定方式排列的点阵组成的平面图形符号。这种打印功能原理将字符打印与图形打印的功能统一起来，充分利用计算机在存储与检索能力方面的优势，同时彻底改变了汉字在计算机应用领域中的地位，彻底解决了像中文这样的大字符集字型的存储、处理、打印问题以及图形与文字混合排版打印的技术问题。

针式打印机的打印头由多根打印针（最初只有9根，以后逐渐增加到16根、24根）及固定于打印针根部的衔铁组成（见图2-6a），打印针在打印头内排列成环状（见图2-6b），针头通过导向板在打印头的头部排列成两排（见图2-6c）。不打印时，打印头内的永久磁铁吸住衔铁；打印时，逻辑电路发出打印信号，通过驱动电路使电磁铁线圈通电，产生与永久磁铁磁场方向相反的磁场，抵消永久磁铁对衔铁的吸引，衔铁被弹出，带动打印针实现打印动作，通过多个打印针的配合动作可以实现任意字符或图形的打印。

在针式打印机发展的同时，德国有人提出了喷墨打印的设想。最初提出的喷墨打印原理是模仿显示器中电子束扫描荧光屏的方法，由3个喷头将3种不同颜色的墨水喷射到纸上，组成任意图形，但是这种喷射方法很难达到较高的打印质量。以后人们改变了思路，借鉴针式打印机的设计思想，用很多小喷头组成点阵，直接将墨水喷到纸上。打印时需对与特定喷头相对应的毛细管中的墨水加热，使墨水汽化，由于汽化过程中蒸汽体积的膨胀，及蒸汽冷却过程中气泡体积的收缩，使毛细管端部的墨水形成墨滴，喷出管端，实现打印功能（见图2-7）。现在喷墨式打印机的打印质量已经远远超过了针式打印机。由于喷墨过程中不包含零部件的机械动作，使得喷墨打印机的结构得到简化。通过使用各种不同颜色的墨水，很容易实现彩色喷墨打印。

图2-6 衔铁与打印针的排列布置

以上两种点阵式打印机在打印时都需要打印头做横向扫描运动，同时打印纸做纵向进给（换行）运动，这种工作方式限制了打印速度的进一步提高。在传真机打印机的设计中，为减少传真机对电话线路的占用时间，需要设计一种没有横向扫描运动的打印机。需要在整行纸宽方向上并排布置大量的打印元件，要用针式打印方式和喷墨打印方式实现这种设计都比较困难，为此人们设计出一种不需要打印头做横向扫描运动的热敏式打印机。这种打印机沿横向并排布置有几千个加热元件，打印时只需要打印纸沿纵向做进给运动，即可完成打印，打印速度快，但需要涂有热敏材料的专用打印纸，因而费用较高。

图2-7 喷墨打印原理

采用激光复印原理的激光式打印机是另一种点阵式打印机，它的打印分辨率高于其他几种打印机，同时具有较高的打印速度。它用激光束代替打印头，以包含图文信息的激光束扫描硒鼓表面，在硒鼓表面产生静电图像，然后用墨粉将静电图像转印到纸上，实现图文打印功能。随着制造成本的不断降低，激光式打印机正在逐步取代其他打印机而成为打印机市场中的主角。

通过以上实例可以看到，可以通过多种不同的方法实现同一种功能。功能原理设计的任务是在众多可用的功能原理中选择最适合于所开发产品的原理。

功能原理设计的结果对产品设计起着非常重要的作用。

1）功能原理设计的创新会使产品的品质发生质的变化。电子表取代机械表的设计对提高计时器的计时精度和降低产品成本都起到了重要的作用；晶体管代替电子管使各种电子产品的体积和成本大幅度降低，功能极大增强；计算机外部存储设备从卡片、纸带、磁芯、软盘发展到现在使用的光盘和U盘，不但极大地提高了信息存储能力和存取速度，而且提高了信息存储的安全性。功能原理的改变给产品性能带来的是本质的改变。

2）功能原理设计是提高产品竞争力的重要手段。通过选择适当的功能原理，可以使产品具有其他产品所不具有的功能，或使产品具有优于其他同类产品的性能，或低于其他同类产品的价格。所有这些都有助于提高产品的市场竞争力。

在过去很长的时间里，功能原理设计的重要性被人们忽视，早就有人预言：一般机电产品的功能原理已经定型，今后关于这些产品设计的任务就是改进结构，改进工艺，提高性能。事实表明，随着消费者消费水平和消费观念的进步，会对已经实现了的功能提出更新的、更高的要求，科学技术的发展会为已经实现的功能提供新的、可供使用的新技术、新原理、新材料、新方法，使得已经实现的功能在新的技术背景下可以实现得更好。

功能原理设计的基本方法是：首先通过发散思维的方法，尽可能广泛、全面地探索各种可能的功能原理方案，然后通过收敛思维的方法，对这些方案进行分析、比较、评价，从中选择最适宜的功能原理方案。

针对不同类型的功能原理设计问题，人们通过总结成功的创新设计实践，提出了一些有效的方法。以下各节分析一些主要的功能原理创新设计方法。