机械系统运动方案设计及机械创新设计

第十章

机械系统的运动方案及机构的创新设计机械原理本章内容提要第三节机械执行系统设计第二节机械系统的总体方案设计第一节机械系统方案设计概论第四节机械传动系统设计第五节机构的创新设计从几个名词概念起先相识机械机械原理课程的探讨对象与内容回顾1.机械的概念（回顾）一、机械、机械系统、系统机器机构构件零件机械第一节机械系统方案设计概论(1)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。(2)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。机构组成机器回顾机构的特征1）它是人为的实体组合；2）各实体之间具有确定的相对运动；机器的特征3）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，统称为机械。机构机器回顾2.系统、机械系统系统——指具有特定功能的、相互间具有确定联系的很多要素构成的一个整体。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。系统本身还可以作为更大系统的一个子系统。任何机械产品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，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。机械设计课程中所讲授的各种机械零件则是组成机械系统的基本要素，它们为组成各种不同功能的机械系统而有机地联系着。动力系统传动系统执行系统操纵系统和限制系统支承系统平安系统-润滑系统-冷却系统-密封系统等二、机械系统的组成1.机械系统设计的任务和类型设计类型开发性创新设计组合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产品，最终目的是为市场供应优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。三、机械系统设计2.机械系统设计过程初期规划设计阶段选题调研预测可行性论证确定设计任务选择设计对象，提出设计题目市场调查：预测销售量及市场占有率技术调查：预测技术可行性及产品成本同行调查：预测领先的可能性论证产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性明确设计目标及需达到的功能和性能指标调研报告论证报告设计任务书总体方案设计阶段目标分析根据设计任务，进行功能分析、工艺动作分解，明确各工艺动作的工作原理创新构思构思执行机构的运动方案并进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计方案拟定拟定总体方案，进行执行系统、传动系统、原动机的选择和基本参数设计方案评价对方案进行有关计算，做模拟试验，进行功能、性能评价和技术、经济评价方案决策选最优，确认总体设计方案，绘制系统运动简图，编写总体方案设计计算说明书总体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图、方案设计计算说明书机械系统设计过程（续）结构设计尺寸设计图纸绘制工艺设计工装设计施工设计结构技术设计阶段生产施工设计阶段从加工工艺、装配工艺性等因素出发，设计零部件的结构形式及连接方法选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的尺寸、公差、精度及制造安装的技术条件绘制总装配图、各类系统图、部件装配图和零件图。编制设计计算说明书进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件检验标准进行加工、装配时必要的工具、卡具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标全套设计图纸、设计计算说明书工艺流程卡、工装设计图、基础安装图、使用说明书等机械系统设计、产生过程的另一种表达方式连接3.机械系统设计的基本原则及要求（1）设计的基本原则1)需求原则2)信息原则3)系统原则4)优化、效益原则（2）设计的基本要求1)功能要求2)适应性要求3)牢靠性要求4)生产实力要求5)运用经济性要求6)成本要求四、机械系统设计在机械工程学科中的地位及作用机械系统从构思到实现要阅历设计和制造两大不同性质的阶段。依据阅历阶段的不同，机械工程学科可分成机械学和机械制造两大分学科。机械学是对机械进行功能综合并定量描述及限制其性能的基础技术科学。它的主要任务是把各种学问、信息注入到设计中，加工成机械制造系统能接受的信息并输入到机械制造系统。机械制造是接受设计输出的指令和信息，并加工出合乎设计要求的产品的过程。因此，机械制造学科是探讨机械制造系统、机械制造过程手段的科学。设计和制造是两个不行分割的统一体，其中设计是核心，制造是基础。若忽视了这一点就有可能出现：用先进的设计技术设计出“质量很差的先进产品”，或用先进的制造技术生产出“落后的高质量产品”的现象。因此，两者决不能偏废。机械工程学科的组成第二节机械系统的总体方案设计总体方案设计执行机构设计◆功能原理设计◆运动规律设计◆选型构型设计◆运动协调设计传动系统设计原动机选择机构创新设计机械系统运动方案设计步骤产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。机械系统的总体方案设计总体方案设计的内容：从原动机─传动机构─执行机构的整个系统的设计包括：限制系统的方案设计、其它帮助系统的设计（主要有润滑系统、冷却系统、故障监测系统、平安疼惜系统和照明系统等）。设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。设计人员在进行了大量相关资料查阅之后，应设计出几种不同的功能原理方案，以便从中选出较志向的一个为下一步总体设计奠定基础。针对产品主要功能而进行的功能原理设计这一步，在整个设计中是特殊重要的一环。一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时又能满足用户的需求。因此，在培育设计人员时，不仅要留意机构和结构设计的培育和训练，而且更应留意功能原理设计的培育和训练。“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。“功能”是产品的核心和本质。设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构，更重要的是要进行功能原理的构思。功能是系统必需实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。每个系统都有自己的功能，如运输工具的功能是运货或运客；电动机的功能是能量转换等。用户对产品功能的需求则是有条件的，即功能的运用地点及环境条件、功能的定量与定性参数、实现功能的具体结构与手段、功能的经济性等。在以上各功能中，基本功能必需保证，且在设计中不能变更；附加功能可随技术条件或结构方式的变更而取舍或变更；而非必要功能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确定。所谓“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。功能的分类：功能必要功能非必要功能基本功能附加功能机械系统的功能原理设计功能原理设计的任务，就是依据机械预期的工艺要求或运用要求，构思出全部可能实现给定要求的功能原理，加以分析比较，从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简洁的功能原理。例10-1要求设计一自动送料板的装置。例10-2设计一糖果包装机。可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）也不同，执行机构型式自然不一样。例10-3设计一台加工内孔的机床。车床镗床钻床拉床例10-4设计草地剪草机。分析：对杂草进行剪修通常的方法有：拉——可以拉断杂草，但无法限制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像割麦一样，须要握住杂草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。明显，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，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。于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约2mm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草坪修剪出来，如下图所示。例10-5平板玻璃制造。传统制造平板玻璃都是接受“垂直引上法”，见图a。此法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，起先时通过轧辊限制厚度，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有水纹，且厚度不匀。近年来，出现了用“浮法”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水纹的缺点。图b是“浮法”加工的示意图：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流淌边凝固。通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点：①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新的解法原理。②功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺……，但首先要求设计人员要有一种新想法、新构思。③功能原理设计使所设计的系统发生质的变更。因此，功能原理设计的好与坏将对产品的成败起确定性作用，设计人员必需赐予高度重视。功能原理方案设计步骤功能原理设计的设计方法——“黑箱法”一个设计任务往往有很多差异很大的方案。很多设计人员一般习惯于先画出几个总结构图或方案图，然后从中选择一个，再进行更具体的设计。这种设计方法的弊端是带有很大的盲目性，同时，由于设计人员的学问和阅历有确定的局限性，很简洁使其在原理方案构思之前就形成了某种框框，因而阻碍了思维，束缚了创建力。随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们在对系统功能原理设计时，常接受一种“抽象化”的方法——“黑箱法”。此方法是短暂摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。这样，通过抽象化可清晰地驾驭所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要冲突，抓住问题的本质。例如自行车的功能原理设计。自行车（黑箱）输入输出蹬力或推力车的行走自行车功能原理系统图又如机床设计。“黑箱法”示意图“黑箱法”的特点是通过“黑箱”与输入、输出量及四周环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探究出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思索，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。黑箱由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也以分解为一些分功能。假如有些分功能还太困难，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最终不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元。功能元是能干脆从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。功能分解与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、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等指各种物理量(如位移、速度、力)的放大或缩小等包括能量流、物料流、信息流的结合或分别（如运动的合成或分解）体现三大流在确定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的储存反映能量流、物料流、信息流的位置变更。如离合器、开关、阀门等功能元（分功能）的求解一个功能元（分功能）都要找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元（分功能）可以相应地提出几个技术、物理效应。功能元的求解方法主要有：①参考有关资料、专刊或产品求解法；②利用各种创建性方法以开阔思想去探讨求解法；③利用设计书目求解法。设计书目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。部分功能元解法书目连杆机械一次增力功能元解法书目四杆机构运动转换解法书目第六步：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。设计要求：①操作手柄旋转运动；②打孔针作直线往复运动；③杆件数目为4个；④省力。解题步骤：第一步：确定总功能(打孔)。其次步：总功能分解(输入的旋转运动变为输出的直线运动；力增大)。第三步：由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可查四杆机构运动转换解法书目，以寻求解法。第四步：选取2、4、7、9四个方案。第五步：增力机构选取杠杆机构。订书打孔机原理方案解牛头刨床由多种机构组成，连杆机构实现切削运动，棘轮机构及丝杠传动实现工作台的水平进给。工作台、刀架与滑枕是执行构件。牛头刨床第三节机械执行系统设计运动参数的给定运动参数包括：

运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）

运动特点（连续式、间歇式、往复式）

运动范围（极限尺寸、转角及位移）

运动速度（等速、不等速）

运动规律设计把困难的运动规律(工艺动作)进行分解。任何困难的运动过程总是由一些最基本的运动合成的，因而总可以将执行构件所要完成的运动分解为机构易于实现的基本运动。机构所能实现的基本运动形式有：单向转动，单向移动，往复摇摆，往复移动及间歇运动等。绘图机实现间歇转动的机构机构选型与构型设计直线运动回转运动随意轨迹运动点到点的运动位到位的运动（见机构创新设计）执行机构的运动分为：执行机构的运动类型及典型机构1.实现直线运动的机构齿轮齿条机构螺旋机构曲柄滑块机构凸轮机构2.实现回转运动的机构齿轮传动机构双曲柄机构3.实现运动轨迹的机构4.点到点的运动机构曲柄滑块机构凸轮机构5.位到位的运动机构夹紧机构功能技术矩阵图执行机构的运动协调与运动循环图多个执行构件协调工作以完成同一任务→需有精确而协调的运动时间和运动依次→防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉运动循环图有三种表达方式：直线式运动循环图圆周式运动循环图直角坐标式运动循环图右图是牛头刨床的运动循环图常用的传动机构有：齿轮机构连杆机构凸轮机构螺旋机构第四节机械传动系统设计机构的创新设计包括：

对原有机构的创新应用新机构的构思机械的发展须要机构的创新。机构的创新是机构学发展的源泉。机构的创新设计不是简洁地在现有机构中选择合适的机构类型，而应当在创建性基本原理和法则的指导下，运用机构学原理及其他学科学问，进行创建性思维，设计出结构新颖 、功能独特、性能优良、简洁敏捷的新机构。创新设计机构，须要基础扎实、思路开阔、学问广博、创新意识强、驾驭科学的方法。第五节机构的创新设计机构的创新设计方法1．机构的变异创新设计为了满足确定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，变更已知机构的结构，在原有机构的基础上，演化发展出新的机构。称此种演化为变异，变异得到的新机构称之为变异机构。（l）机构的倒置机构内活动构件与机架的转换，称为机构的倒置。

（2）机构的扩展以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，称为机构的扩展。

双滑块+曲柄滑快曲柄转动一周，滑块两次往复行程（3）机构局部结构的变更变更机构局部结构(包括构件运动结构和机构组成结构)，可以获得具有特殊运动性能的机构。（4）机构结构的移植将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为机构的移植。（5）机构运动副类型的变换变更机构中的某个或多个运动副的型式，可创新设计出不同运动性能的机构。通常的变换方式有三种：一种是转动副与移动副之间的变换（略）;一种是高副与低副之间的变换（略）;一种是同性移动副的变换，如下图：2.利用机构运动特点创新机构利用现有机构的工作原理，充分考虑机构运动特点、各构件相对运动关系及特殊的构件形态等，可创新设计出新的机构。（1）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构6倍率肘杆式虎钳钢锭供料机构（1）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构（续）（2）利用两构件相对运动关系设计新机构奇异利用两构件相对运动关系来完成独特的动作过程，可使设计的机构简洁好用。（3）用成型固定构件实现困难动作过程3．基于组成原理的机构创新设计依据机构组成原理，可将零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上，或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新的机构。（l）将杆组依次连接到原动件和机架上去设计新机构（2）将杆组连接到机构上设计新机构为变更现有机构，可将杆组搭接到此机构上，设计出新机构。（3）依据机构组成原理优选出合适的机构构型。4．基于组合原理的机构创新设计在实际工程中，对机构的运动形式、运动规律及动力性能等的要求各不相同，其中有些要求用基本机构及其变异机构难以满足，而要把一些基本机构依据某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。实践表明，接受机构组合原理可以设计出功能新颖 的机构，不失为一种简便易行的机构创新设计方法。机构组合的方式较多，常见的有：串联组合、并联组合、混接式组合等。1)构件固接式串联(1)机构的串联组合2)轨迹点串联(2)机构的并联组合

以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为1的机构(可称为附加机构)的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。(3)机构的混接式组合平台印刷机版台传动机构5.基于运动链类型综合的创新机构设计例：缝纫机送料七杆机构的创新设计原始机构一般化运动链设计约束(