机构系统运动方案

1、3 机构系统运动方案创新设计机构系统运动方案创新设计 从几个名词概念开始认识机械从几个名词概念开始认识机械 机械原理课程的研究对象与内容 回顾 1. 机械的概念（回顾）机械的概念（回顾） 一、机械、机械系统、系统一、机械、机械系统、系统 机器机构构件零件 机械 机械系统方案设计概论机械系统方案设计概论 (1) 机器机器 是一种可用来传递 或变换能量、物料与信 息的机构或机构的组合。 它有三个特征三个特征。 (2)机构机构 是用来传递与变换 运动和动力的可动装置。 它有两个特征两个特征。 回顾 机构的特征机构的特征 1）它是人为的实体组合；）它是人为的实体组合； 2）各实体之间具有确定的相对运动

2、；）各实体之间具有确定的相对运动； 机器的特征机器的特征 3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。 从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为机械机械。 机构机构 机器机器 回顾 2. 系统、机械系统系统、机械系统 系统系统指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许 多要素构成的一个整体。多要素构成的一个整体。 系统本身可分成若干个子系统。系统本身可分成若干个子系统。 子系统里有时还可以分出更小的小子系统。子系统里有时还可以分出更小的小子系统。 系统本身还可以作为更大系统的一个

3、子系统。系统本身还可以作为更大系统的一个子系统。 任何任何机械产品机械产品都是由若干个零部件及装置组成的一个特定都是由若干个零部件及装置组成的一个特定 系统。即：由确定的质量、刚度及阻尼的若干个物质所组成，系统。即：由确定的质量、刚度及阻尼的若干个物质所组成， 彼此间有机联系，并能完成特定的功能，故亦称之为彼此间有机联系，并能完成特定的功能，故亦称之为机械系统机械系统。 回 顾 回顾 动力系统动力系统传动系统传动系统执行系统执行系统 操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统 支支 承承 系系 统统 安全系统安全系统-润滑系统润滑系统-冷却系统冷却系统-密封系统等密封系统等 二、机械系统的组成二、机

4、械系统的组成 设计类型设计类型 开发性创新设计开发性创新设计 组合创新设计组合创新设计 改良性创新设计改良性创新设计 机械系统设计的任务是开发新产品和改造老机械系统设计的任务是开发新产品和改造老 产品，最终目的是为市场提供优质高效、价廉物产品，最终目的是为市场提供优质高效、价廉物 美的机械产品，以取得较好的经济效益。美的机械产品，以取得较好的经济效益。 三、机械系统设计三、机械系统设计 1 机械系统设计的任务和类型机械系统设计的任务和类型 功能原理设计 根据需要制定机械的总功能，拟 定实现总功能的工作原理和技术 手段，确定机械所要实现的工艺 动作 运动规律设计 通过对工作原理所提出 的工艺动作

5、进行分解， 决定采用何种运动规律 来实现工作原理 执行机构型式设计 决定选择何种机 构实现给定的运 动规律（机构创机构创 新设计新设计） 执行系统协调设计 根据工艺过程对各动 作的要求，分析各执 行机构应当如何协调 配合，设计出机械运 动循环图 运动和动力分析 检验执行系统是否 满足运动要求和动 力性能方面的要求 方案评价与决策 对方案进行定性 评价和定量评价 并从中选出最佳 设计方案 2 机械系统运动方案设计的主要内容和过程机械系统运动方案设计的主要内容和过程 3.13.1 机械功能原理设计机械功能原理设计 功能 是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、 运动或其他物理量的特性。 “

6、功能”是产品的核心和本质 “顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。 10 设计者如何看待产品的功能呢？ 或者说在设计中关于功能应该考虑哪些因素呢？ 功能的定义及其分类 概念辨析 1)功能 2)功用 3)用途 4)性能 5)能力 洗涤量、转速能力 烘干全自动、手动、调温、性能 清洗衣物、床单用途 家用功用 洗衣机 11 功能的定义及其分类 在以上各功能中，在以上各功能中， 基本功能基本功能必须保证，且在设计中不能改变；必须保证，且在设计中不能改变； 附加功能附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；而可随技术条件或结构方式的改变而取舍

7、或改变；而 非必要功能非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。 由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对 一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明 确的决定。确的决定。 所谓所谓“功能原理设计功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能就是针对所设计产品的主要功能 提出一些提出一些原理性原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理 性设计。性设计。 功能的分类：功能的分类： 功能功能

8、 必要功能必要功能 非必要功能非必要功能 基本功能基本功能 附加功能附加功能 1、功能原理设计的特点、功能原理设计的特点 u功能原理设计是产品设计的功能原理设计是产品设计的第一设计阶段第一设计阶段，而总体设计、机，而总体设计、机 构设计和结构设计则是功能原理设计的后继过程，是将功能构设计和结构设计则是功能原理设计的后继过程，是将功能 原理设计结果转化为生产方案的具体设计过程。原理设计结果转化为生产方案的具体设计过程。 u对于机构设计和结构设计，通过有关课程的学习大家已经有对于机构设计和结构设计，通过有关课程的学习大家已经有 了比较详细的了解。了比较详细的了解。 u而对功能原理设计并不真正了解，

9、与机构设计和结构设计相而对功能原理设计并不真正了解，与机构设计和结构设计相 比，功能原理设计有其完全不同的特点和工作内容。比，功能原理设计有其完全不同的特点和工作内容。 p功能原理设计的工作特点功能原理设计的工作特点 （通过下面的例子来总结通过下面的例子来总结） 例例1 要求设计一自动送料板的装置。要求设计一自动送料板的装置。 机械推压原理摩擦原理 气吸原理 u上料方法同工作原理不同-要求的运动规 律不同-机构不同 功能原理不同，工艺动作（运动规律）功能原理不同，工艺动作（运动规律） 也不也不 同，执行机构型式自然不一样。同，执行机构型式自然不一样。 u不同的机构可以实现同一运动规律，满足同

10、样的使用要求 例例2 设计一台加工内孔的机床。设计一台加工内孔的机床。 车床车床 镗床镗床 钻床钻床 拉床拉床 例例3 设计草地剪草机设计草地剪草机。 分析：对杂草进行剪修通常的办法有：分析：对杂草进行剪修通常的办法有： 拉拉可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高 度，即无法使草地整齐。度，即无法使草地整齐。 割断割断像割麦一样，需要握住杂草的上部才能像割麦一样，需要握住杂草的上部才能 割断。割断。 剪断剪断利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。 显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做 成像理

11、发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。 后来设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的后来设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的 启发，可以用具有足够高速度的软物体代替刀、剪去切断某些启发，可以用具有足够高速度的软物体代替刀、剪去切断某些 物体。物体。 于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约2mm的高的高 速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草，其结果是又快又好地将速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草，其结果是又快又好地将 草坪修剪出来，如下图所示。草坪修剪出来，如下图所示。 例例4 平板玻璃制造。平板

12、玻璃制造。 传统制造平板玻璃都是采用传统制造平板玻璃都是采用“垂直引上垂直引上 法法”，见图，见图a。此法是把半流体的玻璃从熔池中。此法是把半流体的玻璃从熔池中 不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后 边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总 是有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用是有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用 “浮法浮法”制造平面玻璃的新工艺，用此方法生制造平面玻璃的新工艺，用此方法生 产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。 图图b是是“浮法浮法”加工的示意

13、图：让液态玻璃飘加工的示意图：让液态玻璃飘 浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。 通过上述例子可知，通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点功能原理设计具有如下特点： 功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思 并求得能实现功能目标的并求得能实现功能目标的新的解法原理新的解法原理。（。（使机器的工作原理使机器的工作原理 发生本质的变化的设计发生本质的变化的设计） 功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工 艺艺，但首先要求设计人员要有一种

14、新想法、新构思。（，但首先要求设计人员要有一种新想法、新构思。（否否 则，没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它用到设计中则，没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它用到设计中 去去）。）。 功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。（功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。（如机械如机械 钟表无论在技术上如何改进，其走时的精确性都不可能与石英钟表无论在技术上如何改进，其走时的精确性都不可能与石英 表相媲美。表相媲美。） 因此，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作因此，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作 用，设计人员必须给予高度重视。用，设计人员必须给予高度重视。 2. 功能

15、原理设计方法功能原理设计方法 功能原理设功能原理设 计方法是指计方法是指 把机械系统把机械系统 的的总功能分总功能分 解解成若干成若干功功 能元能元，通过，通过 功能元求解功能元求解， 然后进行然后进行组组 合合得到多个得到多个 系统方案，系统方案， 以待选择。以待选择。 产品功能的定义与分类产品功能的定义与分类 功能原理设计必须由功能原理设计必须由功能分析功能分析入手。在进行功能分析之前，入手。在进行功能分析之前， 首先应对首先应对“功能功能”的概念及其它有关的概念有一个科学的认的概念及其它有关的概念有一个科学的认 识。识。 n 功能和功能元功能和功能元 1功能功能 是对于某一产品特定的工作

16、能力的抽象化描述。设计产是对于某一产品特定的工作能力的抽象化描述。设计产 品的目的是把一定的品的目的是把一定的输入量输入量转化为转化为满足需求、符合特定目的满足需求、符合特定目的 的的输出量输出量。 实质上，实质上，“功能功能”是指某一机器或装置（这里统称为技术系统是指某一机器或装置（这里统称为技术系统 ）所具有的）所具有的转化能量转化能量、运动或其它物理量运动或其它物理量的特性。的特性。 它反映了技术系统输入量和输出量之间的因果关系。例如，一它反映了技术系统输入量和输出量之间的因果关系。例如，一 台电机的功能是将电能转变为旋转运动的动能。台电机的功能是将电能转变为旋转运动的动能。 根据系统论

17、的观点，一个根据系统论的观点，一个系统系统可以分解为若干个可以分解为若干个子系统子系统，系，系 统的统的总功能总功能可以分解为若干可以分解为若干分功能分功能。任一机械产品都是一个。任一机械产品都是一个 相对独立的技术系统，因此其总功能同样也具有可分性。相对独立的技术系统，因此其总功能同样也具有可分性。 例如，一台钻井泵是可以分成动力端和液力端两大部分。把例如，一台钻井泵是可以分成动力端和液力端两大部分。把 钻井泵看作一个整体系统，则动力端和液力端即为分系统；钻井泵看作一个整体系统，则动力端和液力端即为分系统； 增加液体的能量是增加液体的能量是总功能总功能，相应的，相应的转换运动形式转换运动形式

18、和和吸排液体吸排液体 的功能就是的功能就是分功能分功能。 2、分功能、分功能 3功能元功能元 在进行一个复杂机械系统的功能原理设计中，或对在进行一个复杂机械系统的功能原理设计中，或对 一个复杂机械系统的功能结构进行分析时，有时仅仅使用一个复杂机械系统的功能结构进行分析时，有时仅仅使用分功分功 能能这一概念，难以清楚地表达出功能的层次和功能之间的相互这一概念，难以清楚地表达出功能的层次和功能之间的相互 关系。为此，结合机械设计的特点，引入功能元的概念。关系。为此，结合机械设计的特点，引入功能元的概念。 定义：定义：功能元功能元是指以功能为核心，既保持有一定的功能独立性是指以功能为核心，既保持有一

19、定的功能独立性 ，又具有一定的复杂程度的技术单元。，又具有一定的复杂程度的技术单元。 也可以说，功能元是不能再分解的最小功能单位，是直接能从也可以说，功能元是不能再分解的最小功能单位，是直接能从 物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。机械和仪器物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。机械和仪器 中的基本功能可以归纳为三类：中的基本功能可以归纳为三类：物理功能元、物理功能元、逻辑功能元逻辑功能元和和数数 学功能元学功能元。 应该注意，分功能和功能元都是根据功能的相对独立性而划分应该注意，分功能和功能元都是根据功能的相对独立性而划分 的，与机械的零件、部件或机构不能等同。前者是对一个机械

20、的，与机械的零件、部件或机构不能等同。前者是对一个机械 系统的某一分系统工作任务的抽象描述，后者属于功能载体。系统的某一分系统工作任务的抽象描述，后者属于功能载体。 总功能分析方法总功能分析方法“黑箱法黑箱法” 任何一个机械系统（或一般技术系统）的输入和输出都可以归纳为三个基任何一个机械系统（或一般技术系统）的输入和输出都可以归纳为三个基 本要素本要素 1. 能量（能量（E）：）：包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能 等；等； 2. 物料（物料（M）：）：可为材料、毛坯、试样、气体、液体等；可为材料、毛坯、试样、气体、液体等； 3

21、. 信息（信息（S）：）：表现为数据、控制指令和显示等。表现为数据、控制指令和显示等。 能量、物料和信息三个基本要素在系统中沿一定路径运动形成功能流，即能量、物料和信息三个基本要素在系统中沿一定路径运动形成功能流，即 ：能量流、能量流、物料流物料流和信息流。和信息流。 在系统内部物理量发生了变化，使得系统的输入量与输出量有所不同，在系统内部物理量发生了变化，使得系统的输入量与输出量有所不同， 这称为变换。这称为变换。 仪器：仪器：是主要传递是主要传递信息流信息流的技术系统，其主要性能指标为精度。的技术系统，其主要性能指标为精度。 设备：设备：是主要传递是主要传递物料流物料流的技术系统，设计中主

22、要考虑静强度和刚度等问的技术系统，设计中主要考虑静强度和刚度等问 题。题。 机械：机械：是主要传递是主要传递能量流能量流的技术系统，设计中需要进行运动和动力学分析的技术系统，设计中需要进行运动和动力学分析 ，主要性能指标为强度、刚度、磨损和寿命等。，主要性能指标为强度、刚度、磨损和寿命等。 总功能分析方法总功能分析方法“黑箱法黑箱法” 在进行产品的功能原理设计时，对于所要设计的机械或其它在进行产品的功能原理设计时，对于所要设计的机械或其它 产品，总会提出各种各样的要求，给出一些限制条件。这些产品，总会提出各种各样的要求，给出一些限制条件。这些 要求和限制条件有定性的也有定量的，有主要的也有次要

23、的要求和限制条件有定性的也有定量的，有主要的也有次要的 ，如果从这样复杂的任务要求出发来分析系统的总功能，难，如果从这样复杂的任务要求出发来分析系统的总功能，难 以一下子认识清楚。为此，通常采用系统工程学中的以一下子认识清楚。为此，通常采用系统工程学中的“黑箱黑箱 法法”来抽象，并描述其功能流的输入和输出。来抽象，并描述其功能流的输入和输出。 “黑箱法黑箱法”是指将系统看成是指将系统看成一个不透明的不知道其内部结构一个不透明的不知道其内部结构 的的“黑箱黑箱”，在，在不打开黑箱的前提下，利用对未知系统的外不打开黑箱的前提下，利用对未知系统的外 部观测，部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，

24、通过分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输入和 输出的转换关系确定系统的功能和特性输出的转换关系确定系统的功能和特性的分析方法。的分析方法。 总功能分析方法总功能分析方法“黑箱法黑箱法” n 黑箱法黑箱法是将要开发的机械系统视为一个未知内容的黑箱是将要开发的机械系统视为一个未知内容的黑箱 ，把三个基本要素的输入和输出用黑箱模型来表示，如图，把三个基本要素的输入和输出用黑箱模型来表示，如图 所示。所示。 n这样的抽象表达，可暂时忽略次要因素，只对三个基本要这样的抽象表达，可暂时忽略次要因素，只对三个基本要 素的输入和输出关系作集中考虑，因此能突出表达设计的素的输入和输出关系作集中考虑，因

25、此能突出表达设计的 总功能。总功能。 用黑箱法描述系统功能用黑箱法描述系统功能 例如自行车的功能原理设计。例如自行车的功能原理设计。 自行车功能原理系统图自行车功能原理系统图 黑箱 自行车的 实现自行车必要功能和基本功能的方法 行走(必要功能) 输出输入 人力 转向 制动(基本功能) 变速 又如机床设计。又如机床设计。 “黑箱法黑箱法”的特点是通过的特点是通过“黑箱黑箱”与输入、输出量与输入、输出量 及周围环境的信息联系，了解系统及周围环境的信息联系，了解系统( (产品产品) )的功能、特的功能、特 性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱黑箱”

26、透亮，直至方案拟定。透亮，直至方案拟定。 它摆脱了具体设计对象，而按系统它摆脱了具体设计对象，而按系统( (产品产品) )的功能的功能 和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以 利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案。利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案。 黑箱黑箱 机械系统设计中，需要把复杂的总功能分解为各级分功机械系统设计中，需要把复杂的总功能分解为各级分功 能，最后直至功能元，再分别对功能元进行求解，最后综合能，最后直至功能元，再分别对功能元进行求解，最后综合 成一个完整的功能原理方案。成一个完整的功能原理方案。

27、例：家用缝纫机的功能分解例：家用缝纫机的功能分解 功能分解与功能元功能分解与功能元 典型机器功能分析典型机器功能分析缝纫机缝纫机 1、缝纫机的功能、缝纫机的功能 缝纫机的缝纫机的总功能总功能是将线按一定规律缝于缝料上。是将线按一定规律缝于缝料上。 采用了上下两根缝线互相交织，交织点位于缝料中间的双线采用了上下两根缝线互相交织，交织点位于缝料中间的双线 锁式线迹。这种缝纫功能具有以下特点：锁式线迹。这种缝纫功能具有以下特点： 1)机缝线迹整齐美观，缝合牢固，缝纫迅速。机缝线迹整齐美观，缝合牢固，缝纫迅速。 2) 实现总功能的各机构间的运动配合要求精度很高，如与机实现总功能的各机构间的运动配合要求

28、精度很高，如与机 针相关构件的运动配合间隙必须保持在针相关构件的运动配合间隙必须保持在0.040.10mm之间，一之间，一 些关键动作如钩线又要求在极短时间些关键动作如钩线又要求在极短时间(0.005s)内完成。内完成。 2、缝纫机的功能分析、缝纫机的功能分析 3 4 2 1 主主 要要 功功 能能 引线功能引线功能 钩线穿环功能钩线穿环功能 挑线功能挑线功能 送料功能送料功能 （1） 1)引线功能引线功能 当机针刺过缝料时，面线随针下降。而当针回升时，因引当机针刺过缝料时，面线随针下降。而当针回升时，因引 入槽长而深，面线嵌入槽内，不和缝料接触而随针上升。但入槽长而深，面线嵌入槽内，不和缝料

29、接触而随针上升。但 引出槽却短而浅，面线则凸出槽外被缝料挤压，形成较大摩引出槽却短而浅，面线则凸出槽外被缝料挤压，形成较大摩 擦阻力，因而不随针上升，而是被槽底托起，向外扩大，造擦阻力，因而不随针上升，而是被槽底托起，向外扩大，造 成线环。这是实现双线交织的关键。成线环。这是实现双线交织的关键。 缝纫机针缝纫机针 1-针尖针尖 2-针刃针刃 3-针柄针柄 4-平面平面 5-引入槽引入槽 6-引出槽引出槽 7-针孔针孔 摆 梭 尖 嘴 2)钩线穿环功能钩线穿环功能 摆梭尖嘴插入所造线环，摆梭摆动又使摆梭尖嘴插入所造线环，摆梭摆动又使 环扩大，扩大的环绕过梭心后，线环就被环扩大，扩大的环绕过梭心后

30、，线环就被 底线穿过。同时面线回收，使线环从摆梭底线穿过。同时面线回收，使线环从摆梭 尖嘴内脱出，抽紧面线，形成底面线交织，尖嘴内脱出，抽紧面线，形成底面线交织， 而后摆梭组件返回。带有尖嘴的摆梭作往而后摆梭组件返回。带有尖嘴的摆梭作往 复摆动是实现的该功能的关键。复摆动是实现的该功能的关键。 3)挑线功能挑线功能 当机针向下穿刺，形成线环及扩环过程，都需要把面线当机针向下穿刺，形成线环及扩环过程，都需要把面线 供给机针和摆梭，而当底线穿过面线环后，又需要收回供给机针和摆梭，而当底线穿过面线环后，又需要收回 面线，以便抽紧底线，形成交织。这是靠挑线杆带着面面线，以便抽紧底线，形成交织。这是靠挑

31、线杆带着面 线上下摆动来实现的。线上下摆动来实现的。 4)输送缝料的功能输送缝料的功能 为使线迹连续，当一个线迹形成后，缝料应相对机针移为使线迹连续，当一个线迹形成后，缝料应相对机针移 动一个线迹距离。动一个线迹距离。 当机针退出缝料后，当机针退出缝料后， 送布牙就上升并压入送布牙就上升并压入 缝料底面，利用摩擦缝料底面，利用摩擦 力使缝料移动一个线力使缝料移动一个线 迹。而后送布牙下降迹。而后送布牙下降 并返回原位，和缝料并返回原位，和缝料 脱离接触，以便进行脱离接触，以便进行 下一个形成线迹的功下一个形成线迹的功 能动作。能动作。 送布机构的方案送布机构的方案 （2）辅助功能）辅助功能 为

32、保证主要功能的实现，还配置了一系列辅助功能。为保证主要功能的实现，还配置了一系列辅助功能。 1)调节面线和底线的阻尼功能调节面线和底线的阻尼功能 为保证得到美观、整齐和牢固的线迹，面线与底线的松紧为保证得到美观、整齐和牢固的线迹，面线与底线的松紧 应能使锁应能使锁式线迹的交接点绞合在缝料中间。式线迹的交接点绞合在缝料中间。 面线过紧或底线过松，则会使底线被拉到缝料上面，反面线过紧或底线过松，则会使底线被拉到缝料上面，反 之，面线又会被底线拉到缝料下面。调节面线松紧的阻尼之，面线又会被底线拉到缝料下面。调节面线松紧的阻尼 是靠旋动夹面线螺母来实现的。调节底线松紧的阻尼则用是靠旋动夹面线螺母来实现

33、的。调节底线松紧的阻尼则用 拧动压紧底线的螺纹来实现的。拧动压紧底线的螺纹来实现的。 2)调节压脚压紧力的功能调节压脚压紧力的功能 压脚压紧缝料的压力过大，则会产生缝料皱缩和使缝料压脚压紧缝料的压力过大，则会产生缝料皱缩和使缝料 遭受损伤，压力过小，又会产生送料呆滞和缝料溜滑现象。遭受损伤，压力过小，又会产生送料呆滞和缝料溜滑现象。 这是靠调节压脚压力的螺纹来实现的。这是靠调节压脚压力的螺纹来实现的。 3)调节送布针距的功能调节送布针距的功能 送布针距影响到线迹密度，送布针距影响到线迹密度， 提高线迹密度会增加缝纫牢提高线迹密度会增加缝纫牢 度，但过密则会影响缝料强度，但过密则会影响缝料强 度

34、。它由送布牙送料距离调度。它由送布牙送料距离调 节钮决定。节钮决定。 4)绕底线功能绕底线功能 底线须绕在梭心上，才能底线须绕在梭心上，才能 进行底面线交织。实现此功进行底面线交织。实现此功 能是把梭心装到绕线轴上，能是把梭心装到绕线轴上， 由高速转动的手轮使上摩擦由高速转动的手轮使上摩擦 轮带动绕线轴旋转，而使梭轮带动绕线轴旋转，而使梭 心缠绕底线。心缠绕底线。 （3）控制功能）控制功能 控制功能主要有三类，即机械、人机、电子控制功能。控制功能主要有三类，即机械、人机、电子控制功能。 1)机械控制功能机械控制功能 缝纫机中每一功能动作的协调，是由传动机构的巧妙配合缝纫机中每一功能动作的协调，

35、是由传动机构的巧妙配合 进行控制的，主要由凸轮和连杆机构的配合来达到的。进行控制的，主要由凸轮和连杆机构的配合来达到的。 2)人机控制功能人机控制功能 操作者和缝纫机构成了人机系统。缝纫信息传入操作者的操作者和缝纫机构成了人机系统。缝纫信息传入操作者的 感官，再用手作为执行器来控制缝料运动，完成缝纫要求。感官，再用手作为执行器来控制缝料运动，完成缝纫要求。 3)电子控制功能电子控制功能 用微机进行程序控制，从而实现可随意调节和改变缝纫线用微机进行程序控制，从而实现可随意调节和改变缝纫线 迹，甚至可以实现绣花和锁扣眼的特殊功能。迹，甚至可以实现绣花和锁扣眼的特殊功能。 主要、辅助和控制三方面功能

36、互相配合，共同实现了缝纫主要、辅助和控制三方面功能互相配合，共同实现了缝纫 总功能。总功能。 一般技术系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。 可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、功能 元进行分解，化繁为简，以 便通过功能元解的有机组合 求得技术系统解。 功能分解可图示为树 状的功能结构，称功能树功能树。 功能树起于总功能，按分 功能、二级分功能分 解，其末端为功能元。 例如：激光分层实体制造设备的功例如：激光分层实体制造设备的功 能分析。能分析。 功能分解与功能元功能分解与功能元 功能分解如下：功能分解如下： 型层叠合型层叠合 形成纸型形成纸型 纸型叠合纸型叠合 排烟

37、排烟 测控测控 送纸送纸 收纸收纸 X向扫描向扫描 Y向扫描向扫描 驱动驱动 传动传动 送纸送纸 驱动驱动 传动传动 送纸送纸 驱动驱动 传动传动 X向位移向位移 驱动驱动 传动传动 Y向位移向位移 压纸压纸 粘合粘合 Z向升降向升降 驱动驱动 传动传动 辊辊Y向移动向移动 测高测高 工作状态工作状态 操纵操纵 总总 功功 能能 一级分功能一级分功能 功能元功能元 功能元（分功能）的求解功能元（分功能）的求解 一个功能元（分功能）都要找出相应的技术、物理效应来一个功能元（分功能）都要找出相应的技术、物理效应来 实现，有时一个功能元（分功能）可以相应地提出几个技术、实现，有时一个功能元（分功能）

38、可以相应地提出几个技术、 物理效应。物理效应。 功能元的功能元的求解方法求解方法主要有：主要有： 参考有关资料、专刊或产品求解法；参考有关资料、专刊或产品求解法； 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； 利用利用设计目录设计目录求解法。求解法。 设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在 一起的一种表格或分类资料。一起的一种表格或分类资料。 常用的五种物理功能元常用的五种物理功能元 包括各种类型能量之间的转变、运动包括各种类型能量之间的转变、运动 形式的转变、材料性质的转变、物态形式的转变、

39、材料性质的转变、物态 的转变及信号种类的转换等的转变及信号种类的转换等 指各种物理量指各种物理量(如位移、速度、力如位移、速度、力)的的 放大或缩小等放大或缩小等 包括能量流、物料流、信息流的结合包括能量流、物料流、信息流的结合 或分离（如运动的合成或分解）或分离（如运动的合成或分解） 体现三大流在一定时间范围内保存体现三大流在一定时间范围内保存 的功能，如弹簧、电池、录音带、的功能，如弹簧、电池、录音带、 光盘等的储存光盘等的储存 反映能量流、物料流、信息流的位置反映能量流、物料流、信息流的位置 变化。如离合器、开关、阀门等变化。如离合器、开关、阀门等 部分功能元解法目录部分功能元解法目录

40、连杆连杆 机械一次增力功能元解法目录机械一次增力功能元解法目录 21 1 2 1 2 ll F l l F 1 2 1 2 F l l F 1tan tan 12 FF tan 1 2 F F 2 sin2 1 2 F F 当量摩擦角 螺纹升角 螺纹中径 2 2 )tan( 2 d d T F 2 1 2 F F 四杆机构运动转换解法目录四杆机构运动转换解法目录 第六步：第六步：订书打孔机的四种原理方案解见图。订书打孔机的四种原理方案解见图。 设计举例：设计手动订书打孔机设计举例：设计手动订书打孔机 设计要求：设计要求：操作手柄旋转运动；操作手柄旋转运动； 打孔针作直线往复运动；打孔针作直线往

41、复运动； 杆件数目为杆件数目为4个；个； 省力。省力。 解题步骤：解题步骤： 第一步：第一步：确定总功能确定总功能(打孔打孔)。 第二步：第二步：总功能分解总功能分解(输入的旋转运动变为输出的直线运动；输入的旋转运动变为输出的直线运动； 力增大力增大)。 第三步：第三步：由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可 查查 四杆机构运动转换解法目录，四杆机构运动转换解法目录，以寻求解法。以寻求解法。 第四步：第四步：选取选取2、4、7、9四个方案。四个方案。 第五步：第五步：增力机构选取杠杆机构。增力机构选取杠杆机构。 订书打孔机原理方案解订书打孔机原

42、理方案解 原理解组合-形态综合法 1）原理方案的组合可采用形态综合法 即将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应 解法列为横坐标，构成形态学矩阵， 如表2-1所示。 表中表中， U1、U2、Um为功能元(即分功能)： t11、t12、为第一功能元的解； tm1、tm2、tmnm为第m功能元Um的解。 从每项功能元中取出一种解进行合理组合，即可得到一个 系统解， 最多可以组合出N种原理方案： N=n1n2ninm 式中，m为功能元数；ni为第i种功能元解的个数。 例例1：行走式挖掘机的原理方案分析：行走式挖掘机的原理方案分析： 解解:1)功能分析功能分析: 物料取移 驱动 传动 取放 取放物 移

43、物 驱动 传动 移位 2)探索功能元并列出探索功能元并列出形态学矩阵形态学矩阵如下如下: 功能元功能元 功能元解功能元解 1 12 23 34 45 56 6 A A动力源动力源电动机汽油机柴油机 蒸汽透平 机 液 动机 气动马 达 B B移位传动移位传动齿轮传动 蜗杆传 动 带传动链传动 液 力偶 合器 C C移位移位轨道及车轮 轮胎履带气垫 D D取物传动取物传动拉杆 绳传 动 气压传 动 液压传 动 E E取物取物挖斗抓斗钳斗式 3)方案组合方案组合:可能的方案数可能的方案数144034456N 如：如：A1A1B4B4C3C3D2D2E1E1履带式挖掘机履带式挖掘机 A5A5B5B5C

44、2C2D4D4E2E2液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机 例例2：利用机械传动设计目录法设计化工厂双杆：利用机械传动设计目录法设计化工厂双杆 搅拌器的传动装置。搅拌器的传动装置。 已知该传动装置电机的转速已知该传动装置电机的转速 ， 两搅拌杆以两搅拌杆以 240次次/min同步往复摆动（摆动方向同步往复摆动（摆动方向 不限）。不限）。 min/960rn 解：1）功能分析）功能分析： 回转摆动 两杆同摆 减速，传动比4 240 960 i 双杆搅拌 2）机械传动方案组合）机械传动方案组合：各分功能解形态学矩阵如下： 分功能解 分功能 1234 减速（i=4) 齿轮传动A带传动链传动B摩擦轮传动

45、回转摆动 曲柄 摇杆机构B 摆动导杆机构 凸轮机构A （摆动从动件） 两杆同摆 平行四边 形机构B 对称凸轮（摆 动从动件）A 共可组合的方案数：N=432=24 n方案方案A A：113322，电动机齿轮传动凸轮机构，电动机齿轮传动凸轮机构 对称凸轮（双摆动杆），其特点是结构紧凑对称凸轮（双摆动杆），其特点是结构紧凑 。 n方案方案B B：331111，电动机链传动曲柄摇杆机构，电动机链传动曲柄摇杆机构 平行四边形机构（双摆动杆），其特点是可远距离传动平行四边形机构（双摆动杆），其特点是可远距离传动 ，成本较低。，成本较低。 3.23.2机械运动协调设计机械运动协调设计 机械运动协调设计原则

46、 n 满足各执行机构动作先后的顺序性要求 n 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 n 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 n 满足各执行机构在操作上的协同性要求 n 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 n 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和 效率的提高 执行构件动作的协调配合 送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压 冲头上移一段距离后，进行下次送料动作 折叠包装机构的两个执行构件 两个构件不能同时位于 区域MAB中，以免干涉。 饼干 1 3 4 2 饼干 2 1 左折边构件 饼干 3 2 包装纸 4 右折边构件 饼干 1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干

47、 1 3 4 2 饼干 1 3 4 2 包装纸 右折边构件左折边构件 M BA 让刀运动 执行构件运动速度的协调配合 0 范成运动 切 削 运 动 i0 齿轮插刀加工 0 让刀运动 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 执行系统协调设计方法 确定机械的工作循环周期 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及 其所需时间 确定各执行构件动作间的配合关系 机械运动循环图 用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互 协调配合的图。 通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生 产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行 构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合

48、关系。 运动循环图形式 直线式 圆周式 直角坐标式 退回 停 止 冲 制 进给 冲头 送料器 曲柄转角 0 90 180 270 360 直线式工作循环图 主轴作为参考构件 圆周式工作循环图 图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件， 转动2转为一个工作循环。 启 排 气 门 开 启 进 气 门 开 进 气 排 气 压 缩 膨 胀 闭 进 气 门 关 火点 曲轴 0 540 360 180 排 门 闭 关 气 直角坐标式工作循环图 饼干包装机工作循环 图中，横坐标表示参考构件 的转角，纵坐标表示执行构 件的转角。 进 退 静止 静止 静止 进 退 M M 饼干 1 3 4 2 饼干 2

49、 1 左折边构件 饼干 3 2 包装纸 4 右折边构件 饼干 1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干 1 3 4 2 饼干 1 3 4 2 包装纸 右折边构件左折边构件 M BA 左执行机构1 右执行机构2 分配轴转角 0 90 180 270 360 3.3.3 3 机械机械运动方案的评价运动方案的评价 评价指标评价指标 系统功能系统功能实现运动规律或运动轨迹、实现工实现运动规律或运动轨迹、实现工 艺动作的准确性艺动作的准确性 运动性能运动性能运转速度、行程可调性、运动精度运转速度、行程可调性、运动精度 等等 动力性能动力性能承载能力、增力特性、传力特性、承载能力、增力特性、传力特性、 振

50、动噪音等振动噪音等 工作性能工作性能效率高低、寿命长短、可操作性、效率高低、寿命长短、可操作性、 安全性、可靠性适用范围等安全性、可靠性适用范围等 经济性经济性加工难易、能耗大小、制造成本等加工难易、能耗大小、制造成本等 结构紧凑性结构紧凑性 尺寸、重量、结构复杂性等尺寸、重量、结构复杂性等 评价方法 评分法 针对评价目标中 各个项目，选择一定 的评分标准和总分计 分法对方案的优劣进 行评价。 建立评价体系建立评价体系 选择评分方法选择评分方法 选择评分标准选择评分标准 对各个项目进行评分对各个项目进行评分 选择总分计分法，计算总分选择总分计分法，计算总分 选取高分者为优选方案选取高分者为优选

51、方案 总分计分法总分计分法 方法方法公式公式特点特点 分值相加法分值相加法 将将n个评价目标评分个评价目标评分 值简单相加，计算简单、值简单相加，计算简单、 直观直观 分值连乘法分值连乘法 将将n个评价目标评个评价目标评 分值相乘，使各方案总分值相乘，使各方案总 分差拉开，便于比较分差拉开，便于比较 均值法均值法 将相加所得结果除将相加所得结果除 以评价目标系数，结果以评价目标系数，结果 直观直观 相对值法相对值法 将均值法所得结果将均值法所得结果 除以理想值，使除以理想值，使Qi 1， 可看出与理想值的差距可看出与理想值的差距 加权计分法加权计分法 ( (有效值法有效值法) ) 将各项评分值

52、乘以将各项评分值乘以 加权系数后相加，考虑加权系数后相加，考虑 了各评价目标的重要程了各评价目标的重要程 度度 n j iji PQ 1 n j iji PQ 1 n j iji P n Q 1 1 n j iji nQPQ 1 0 )( n j jiji gPQ 1 评价结果的处理 入选入选 方案数方案数 设计阶段设计阶段 评价准评价准 则则 结果处理结果处理 1 最后阶段最后阶段 合理合理已得到最佳方案，设计结束已得到最佳方案，设计结束 可改进可改进重新决定评价准则，再作评价重新决定评价准则，再作评价 中间阶段中间阶段 合理合理评价结束，转入下一阶段评价结束，转入下一阶段 多于多于1 最后

53、阶段最后阶段合理合理增加评价项目或提高评价要求再作评价增加评价项目或提高评价要求再作评价 中间阶段中间阶段 需改进需改进 若入选数太多，按上述方案改进准则再作若入选数太多，按上述方案改进准则再作 评价评价 合理合理将入选方案排序，转入下一设计阶段将入选方案排序，转入下一设计阶段 0任何阶段任何阶段 可改进可改进放宽评价要求，再作评价放宽评价要求，再作评价 合理合理待评设计方案质量不高需再设计待评设计方案质量不高需再设计 机械系统运动方案设计举例 1. C1325自动车床刀架系统的分析 功能要求 自动换刀 轴向进给 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机

54、构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3宽齿轮2 齿轮1 活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 功能分解 让刀转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉 转位转塔刀架每次转过60 定位转位之前拔出保证加工精度的定位销 进、退刀不转时，精确实现预定的进退刀运动。 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3宽齿轮2 齿轮1 活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 刀架系统的工作过程 退刀 压簧12推杆13回程齿轮6齿条7活动支架8向 右完成退刀 让刀 退刀的同时，齿轮1 的离合器结合并开始转动宽齿 轮2 圆锥齿轮3圆柱凸轮机构4

55、拔出销10；同时， 曲柄5转动支架8快速向右让刀 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3宽齿轮2 齿轮1 活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 转位 让刀快结束时，槽轮开始转位曲柄5的后半圈支架8 向左移动完成复位 定位 转位结束时，凸轮机构4的从动件推杆摆动插入定 位销10，齿轮1离合器脱开并停止运转 刀架系统的工作过程 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3宽齿轮2 齿轮1 活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 进给 从动件13

56、推程齿轮6 齿条7 活动支架8向左运 动完成进给 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3宽齿轮2 齿轮1 活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 刀架系统的工作过程 刀架系统的工作循环图 定位销 转塔 活动支架 定位 拔出 静止 转位 后退复位 圆柱凸轮转角 0 90 180 270 360 刀架系统各机构的组合方式及特点 组合方式分析 组合方式主要以串联方式为主，但在I、II处采用了特殊的并 联方式。 进刀 凸轮机构 齿轮齿 条机构 曲柄滑 块机构 圆柱凸轮 机构 槽轮机构 连杆机构 圆柱 齿轮 机构 圆锥 齿轮

57、 机构 活动支架进退 转塔刀架转位 定位销进退 I II 机构功能分析 进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工件需要更换不同的凸轮 后续串联的齿轮齿条机构用于转换运动形式并将运动放大 后续再串联一曲柄滑块机构，以增大让刀距离 并联槽轮机构用于实现转位 并联曲柄滑块机构用于实现让位 并联圆柱凸轮机构再串联连杆机构用于实现定位，且容易满足时序要求 圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构用于改变运动方向 刀架系统各机构的组合方式及特点 进刀 凸轮机构 齿轮齿 条机构 曲柄滑 块机构 圆柱凸轮 机构 槽轮机构 连杆机构 圆柱 齿轮 机构 圆锥 齿轮 机构 活动支架进退 转塔刀架转位 定位销进退 I II n

58、本章结束 2.1 机械系统的功能原理设计 2.1.1 功能的定义及其分类 功能 是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化 能量、运动或其他物理量的特性。 “功能”是产品的核心和本质 “顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。 88 设计者如何看待产品的功能呢？ 或者说在设计中关于功能应该考虑哪些因素呢？ 2.1.1 功能的定义及其分类 顾客对功能的需求是有条件的， 设计者也必须考虑如下问题： 1）功能使用的地点及环境条件； 2）功能的定性与定量参数； 3）功能实现的具体结构与手段； 4）功能使用的经济性 89 概念辨析 1)功能 2)功用 3)用途 4)性能 5)能力 洗涤量、转速能

59、力 烘干全自动、手动、调温、性能 清洗衣物、床单用途 家用功用 洗衣机 90 2.1.1 功能的定义及其分类 功能的分类 非非必必要要功功能能 附附加加功功能能 基基本本功功能能 必必要要功功能能 功功能能 在设计中对系统各种功能的对待与处理方法： 2）附加功能 可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变； 3）非必要功能 可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。 4）由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪 些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。 1）基本功能 必须保证，且在设计中不能改变； 91 2.1.1 功能的定义及其分类 2.1.2 功能原理设计及其

60、特点 【例2.1】设计行走机器人 2.1 机械系统的功能原理设计 “功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对 产品的主要功能进行原理性设计。 基本功能行走 注意： 不要先入为主，抓住一种方案不放手！这样很有可能使你丧失以最佳方式实现产 品功能的机会！ 92 轮式 足式（双足、四足、六足、八足） 履带式 蠕动式 混合式（轮-足） 方式 93 2.1.2 功能原理设计及其特点 勇气号机遇号 94 2.1.2 功能原理设计及其特点 如何从众多可实现方案中选择满足特定要求的原理方案？ 分析各种行走原理的特点（优点和缺点），并与具体的要求作比较，从中选出最 佳原理方案。