黑箱法

一、黑箱法的基本原理

黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的

“黑箱”，通过对它的输入量和输出量的全面分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转

换关系，寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的可行方案。这种

从未知到已知，使黑色逐步白化的过程就是功能载体的求解过程。

黑箱法要求设计者不要首先从机械产品具体结构出发考虑设计方案，而应从系统的

功能出发构思机械产品的可行方案。这种设计思想方法的转变使黑箱法有利于抓住问题

本质、扩大思路、摆脱传统结构的旧框框，从而获得具有创造性和高水平的设计方案。

图3 －7 所示用黑箱法表示待求机械产品的输入、输出以及与环境的关联情况。其

中还未求得的机械产品用 “黑箱” 来表示，黑箱的功用是将输入的物料、能量、信号转

换为输出的物料、能量和信号。同时伴随着有一定的伴生输入和伴生输出。其中物料的

转换表示如何将毛坯、半成品转换成成品。转换有时也可单纯地移动位置；能量的转换

表示如何将其他形式能量变成机械能、或机械能变成其他形式能量以及利用机械能完成

移动、物料变形等；信息的传输或转换表示物理量的测量和显示、控制信号的传递等

等。对黑箱输入量、输出量表达得愈具体，其求解的可能性就愈大。

二、黑箱法求解方法

黑箱法求解的过程就是黑箱白化的过程。具体求解步骤如图

表示输入量和输出量希望尽可能细化、详尽，这样有利于黑箱求解。通过建立输入

和输出间关系可以寻求合适的实例。因为，我们把机器分成3 类———工作机、动力机和

信息机。工作机又可分为切削机床、纺织机械、轻工机械、包装机械、运输机械等等。

对各类机器的物料流、能量流和信息流都有它们各自的规律和特点，因此，不难求得合

适的实例。有了合适的实例与设定输入量和输出量相似，那么黑箱的求解也就并不困

难。

第三章中表示3 类机器的具体特征，表达了能量流、物料流、信息流的基本特征。

这将有利于描述黑箱内部结构状况。

输入量和输出量的具体化、详尽化也有利于寻找合适的实例或相近的实例。例如工

作机器可以分成金属切削机床、运输机械、纺织机械、缝制机械、包装机械等等，它们

内部又可细分为各种具体的机械，了解了它们各自的特点将会有利于黑箱的求解。

有了合适的实例，同时还可帮助我们去设定所要设计的机械产品的总功能，从总功

能分解一直到分功能求解，他会有利于我们去进行黑箱的求解。

对于冲床的黑箱法表述如图。其中物料流表示板料通过冲压使物料分离或产

生塑性变形，表示这类机器的工艺动作过程。能量流表示了将电能变换成冲压成形的机

械能 （变形能） 和磨擦等因素的能量消耗。使冲床的工作过程表达得更为清楚。

同时，从黑箱法表述过程也可以构想出这种机器的总功能。

形态学矩阵法

机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以用 “穷尽法” 将各分功能的解全

部列出，于是就可写出功能－功能解的形态学矩阵。

一、形态分析的基本特点

形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。

因素和形态是形态学矩阵法中的两个概念。所谓因素是指构成机械产品总功能的各

个分功能。而相应的实现各分功能的执行机构和技术手段，则称之为形态。例如：某机

械产品的分功能为 “间歇运动”，那么 “棘轮机构”、“槽轮机构”、“间歇凸轮机构” 等

执行机构，则为相应因素的表现形态。

形态学矩阵法是建立在功能分解和功能求解的基础上，为了尽可能获得多种多样的

功能解，可以参考现有的解法目录和机构类型手册。

形态学矩阵法是进行机械系统组成和创新的基本途径，得到多种可行方案，经筛

选、评价可以获得最佳方案。

二、形态学矩阵法的运用步骤

（一） 总功能分解

通过总功能分解可以求得若干分功能。这种总功能分解往往要与机械的工艺动作过

程联系起来考虑，使分功能的动作能够用某一类的执行机构来实现。因此，这种分解需

要设计人员有丰富的设计经验、全面的资料积累和巨大的创新能力。

（二） 形态构想和功能求解

这就要从分功能的性质寻找实现的工作原理，然后从工作原理寻求功能载体。这一

过程要求设计者掌握多学科专业知识和相应的情报资料，求得各种各样功能载体，保证

可行方案有足够的数量。

（三） 方案组成

在功能分解和功能求解的基础上，我们可以列出下表所示的形态学矩阵。

若机械系统的分功能有3 个，分别为 A 、B 、C ，它们对应的功能载体数目为3 、5 、4 个。

从理论上讲可以组合出的方案数：

在全体方案中，我们还必须考虑相容性条件，连接条件等，因此有些方案并无存在

价值或价值不大，可以在初步筛选时去除。

（四） 方案评价和选择

由于根据形态学矩阵法所得可行方案数目往往很大，必需先进行初评。初评的标准

可以定为新颖性、先进性和实用性，把一些三性不好的先加以筛除。然后用适合该类机

械系统的技术经济指标进行综合评价，选择出综合最优的方案。

（五） 举例

运用形态学矩阵法来构思单缸洗衣机的可行方案。

（1） 总功能分解

单缸洗衣机的总功能包括 “盛装衣物”、“分离脏物” 和 “控制洗涤”3 个分功能。

（2） 分功能求解

盛装衣物的功能载体有铅桶、塑料桶、玻璃钢桶、陶瓷桶等4 种；分离脏物的功能

载体有机械摩擦、电磁振荡、超声波等3 种；控制洗涤的功能载体有人工手控、机械定

时、电脑自动控制等3 种。

（3） 列出形态学矩阵

列出形态学矩阵，如表3 －3

因此，理论上可组合出4 ×3 ×3 ＝36 种方案。

4） 方案评价和选择

从新颖性、先进性和实用性来看，一般选用

因此主要有8 个

方案：

根据技术经济指标来进行综合评价，并按得分高低来进行方案选择。评价指标体系

最后由专业工程师们来确定，不在这里加以展开。

分功能求解

通过功能分析可以得到机械产品的一些分功能，将这些分功能求解，可以求得机械

产品功能原理方案。

分功能求解的目的是为了寻求分功能载体。分功能求解过程是先对实现分功能的动

作行为进行描述，然后寻求实现动作行为的可行的执行机构。我们可以将实现分功能的

执行机构称之为分功能载体。

一、分功能的动作行为描述

分功能是机械产品的子目标，是所需实现的分功用。在机械产品中任何分功能都可

以用动作行为来实现。因此动作行为的描述是求解分功能的关键。

例如 “螺纹成形” 的功能，它是在工件上形成螺纹。它的动作行为可以描述为

1） 车削：工件连续转动；成形车刀切入工件并沿工件轴线作等速移动，然后退出，

如图3 －5 （a） 所示。

2） 铣削：工件连续转动；成形铣刀转动切入工件并沿工件轴线作等速移动，然后

退出，如图3 －5 （b） 所示。

3） 扳丝：工件固定；将扳丝扳手作等速转动和等速移动切入工件，然后再反向旋

转和移动退出，如图3 －5 （c） 所示。

4） 搓丝：将工件连续送入定搓丝板和动搓丝板内，从而连续搓出螺纹，如图4 －5

（d） 所示。

又如，“分纸” 的功能，要求在一叠纸上分出一张纸。它的动作行为可以描述为

1） 削纸：利用削纸杆的切向力将纸分出，如图3 －6a 所示。

2） 滚纸：利用滚轮的摩擦力将纸送出，如图3 －6b 所示。

3） 吸纸：利用负压吸力将纸吸起，如图3 －6c 所示。

4） 抓纸：利用负压将纸掀起再用爪子抓取纸张，如图4 －6 （d） 所示。

由此可见分功能的动作行为描述可按下列步骤：

1） 详细分析分功能功用、相关条件，深入理解分功能具体内涵。

2） 利用发散思维寻找利用各种工作原理实现分功能的具体动作行为。

二、寻求完成行为动作的可行执行机构

在机械产品中完成行为动作的载体是各种相应的执行机构。执行机构按其能完成的

行为动作分为实现等速转动、变速转动、往复移动、往复摆动、间歇转动、间歇移动、

给定轨迹运动等等。

例如，图3 －5 （a） 车削的行为动作，包括工件的等速转动，成形车刀的进刀、退

刀移动 （属于往复移动） 和刀架的等速移动。上述3 种行为动作可以由3 个执行机构来

完成。

又如，图3 －6 （a） 削纸的行为动作就是削纸杆的往复移动，可以用一种实现往复

移动的执行机构来实现。

完成分功能的行为动作的执行机构就是功能载体。