机械系统课程设计指导书

1、机械系统设计课程设计指导书 戴庆辉二六年六月1 / 4029 / 31目 录3 / 40第1章 课程设计的目的和要求11.1 本课程设计的目的11.2 本课程设计的工作内容11.3 本课程设计的工作计划11.4 设计说明书的编写11.5 课程设计的答辩21.6 课程设计中应注意的问题2第2章 机械系统设计的基本知识32.1 机械系统设计的过程32.2 机械系统设计的关键内容32.3 机械系统设计的类型32.4 机械系统设计的一般程序42.6 机械系统运动方案设计6第3章 创造发明的奥秘93.1 多思、善思、巧思(洗衣机的发明)93.2 创造起源于模仿(仿生学)103.3 发明就是要异想天开(机

2、器人的发明)10第4章 机械系统运动方案设计举例114.1 冲制薄壁零件冲床的设计114.2 冲压式蜂窝煤成型机的设计13第5章 课程设计的题目175.1 电厂弯管清洁装置的设计175.2 架空电缆挂钩安装装置的设计175.3 通用卡片打孔机的设计175.4 电厂燃煤杂物分离装置的设计1829 / 315.5 废导线剥皮装置的设计185.6 三向移动工作台的设计185.7 其它选题18机械系统设计课程设计指导书第1章 课程设计的目的和要求1.1 本课程设计的目的 机械系统设计课程设计是机械系统设计课程的重要实践环节，是一次重要的专业设计训练。要达到的基本目的是： 使学生进一步加深对产品设计规律

3、和特点的认识，树立正确的设计思想，培养学生独立从事整机设计和创新设计的初步能力。 通过上机、计算、绘图、运用设计资料、手册，熟悉国家标准、规范，培养学生具有初步的机构选型、组合和确定运动方案、进行产品系统设计的基本技能，以及运用计算机、现代设计方法和技术资料诸方面的能力。深化和扩展本课程的理论知识，培养学生综合运用所学知识，独立分析、解决工程实际问题的能力，使学生得到一次较完整的设计方法的基本训练，为今后从事设计工作打下良好的基础。1.2 本课程设计的工作内容 在规定的时间内，要求每个学生完成以下工作: 反映产品总体结构的装配图一张。 关键零件的零件工作图两张。设计说明书一份，其中必须有设计对

4、象的工作原理图和计算说明。有一项上机成果 (一张图或一个软件) 。1.3 本课程设计的工作计划 本课程设计的一般过程是:首先明确设计任务，编写设计任务书，项目包括产品功能；允许的最高费用; 制造方面的要求；使用方面的要求。然后进行功能分析， 确定功能结构， 完成原理方案设计。接着进行结构设计和必要的计算。最后以图样和计算说明书表达设计结果。 本课程设计的工作计划是： 第一周，完成概念设计，画出工作原理图 (或机械系统运动方案设计简图) 。 第二周，完成结构设计，绘制总体装配图。第三周，绘制零件工作图，整理说明书，准备答辩。注：第三周的星期四上午九点开始答辩，以交图先后为序。1 / 401.4

5、设计说明书的编写1.4.1 编写设计说明书的意义编写设计说明书，是设计工作的重要组成部分，也是科技工作者必须掌握的基本技能之一。设计说明书用来阐明创新设计思想，分析论证设计方案，说明设计参数计算过程。设计说明书是整个设计过程的整理和技术总结，是图样设计的理论依据。设计说明书为是审查设计是否合格的基本文件，供审核设计和使用设备的人员查阅之用，所以设计说明书是重要的设计技术文件之一。因此，撰写设计说明书是一项重要的、必不可少的工作。1.4.2 设计说明书的内容设计说明书的内容包括： 目录。写明标题、页次。 设计任务书。设计题目；工作原理与工艺动作过程；原始参数及设计要求。 功能分析。给出功能分析说

6、明和功能结构图。 原理方案的拟定 构思能实现设计任务规定的工艺动作过程与要求的几种设计方案的简图，并简要说明其特点及性能。分析比较上述各方案的优、缺点，确定设计方案，并说明选定的理由。进行机械系统运动方案的协调性设计(如设计方案中有多个执行构件，且各执行构件间有运动协调关系时，要进行机械系统运动方案的协调性设计) ，画出运动循环图，简要说明运动循环图的制定过程。包括对23个原理方案的分析比较与评价。给出工作原理图。 主要技术参数的确定。 动力机的选择计算。 运动系统 (包含执行系统和传动系统) 的设计计算 。1) 执行系统的设计内容。根据确定的机械系统运动方案中选定的机构进行编写。例如：平面连

7、杆机构的设计与分析：推导设计计算方程式，确定机构各参数，列出运动分析方程式，写出计算结果，对结果进行分析，并作简要说明。画出程序框图，并附上源程序和计算结果的清单，说明程序的主要功能及标识符的意义，进行转动副的结构设计。凸轮机构设计：说明凸轮从动件运动规律和基本参数选定的理由及过程，列出凸轮机构设计计算公式，给出程序框图、标识符说明、程序的主要功能及调用关系，附上源程序及计算结果清单，说明凸轮机构压力角校核的结果，根据机构运动循环图，说明是如何确定凸轮安装角的，进行凸轮的结构设计。其他机构设计：说明其他机构基本参数选定的理由及过程，给出程序框图、标识符说明、程序的主要功能及调用关系，附上源程序

8、及计算结果清单。2) 传动系统的设计内容。包括：总传动比的计算，传动比的分配，变速机构(例如皮带、齿轮、行星轮系传动等) 的选择，说明选择的理由，分配的原则，参数的确定，写出几何尺寸计算式及计算结果，画出程序框图，给出程序功能及标识符说明，进行3 / 40变速机构的结构设计。给出传动系统图。包括全部传动零件的设计计算。 设计对象的使用说明。 设计的体会。说明设计中的收获及创新的体会，提出改进意见和建议，说明现代化设计手段(如CAD) 在设计中的作用。 主要的参考资料。列出设计中所参考的中、外书籍、资料的编号、作者、书名、出版单位、出版日期。1.4.3 编写设计说明书的要求 说明书的字数应在3千

9、字以上。 设计说明书的步骤要清楚、条理分明、重点突出、文字通顺、叙述简明、计算正确。说明书中各部分内容都应有大小标题。 图表规范清秀，要用计算机或绘图仪器绘制图表。 计算内容要求写明整个设计的所有计算和简要说明，不允许出现只有结果而没有运算过程的情况。对于重要公式和数据应注明来源(参考资料的编号和页次) 。对于重要计算结果，应写出简短结论(如满足强度、符合要求等) 。说明书中的数据必须与图纸的尺寸相符。 说明书中要附有计算程序框图、标识符说明、源程序及计算结果，并作简要说明； 说明书所涉及到的全部数据(如尺寸、公差配合、齿轮参数、轴承型号、电机参数等) ，必须做到自查自明，不得抄袭。 说明书打

10、印在A4纸上，并加上封面与目录装订成册。要求全文的标题、文字、和图表的格式与本指导书的排版格式相同。 (建议由学习委员检查封面、目录和全文格式) 。1.5 课程设计的答辩 课程设计答辩的目的是让学生对设计工作作全面的回顾和总结，分析此次设计中存在的问题，以提高今后的设计能力。通过答辩也可检查学生实际掌握的设计知识情况，作为评定成绩的依据之一。 在答辩前，应做好两方面的工作： 按要求完成规定的作业。把图样叠好，说明书订好。 作好回顾和总结。从功能设计到结构设计中各方面的具体问题，做一个全面的回顾和总结，进一步把不懂的、不清楚的或尚未考虑到的问题弄懂、弄透。 答辩以本次设计所涉及的内容为限，主要有

11、功能实现、方案制定、理论计算、结构设计、材料选择、加工工艺、尺寸、公差和制图等方面的问题。课程设计的成绩根据所完成设计的图样和说明书的质量、答辩的表现和平时设计过程中的学习态度、工作能力、方案讨论诸方面综合评定，重在有创新。成绩分优、良、中、及格、不及格5个等级。3 / 401.6 课程设计中应注意的问题 发挥独立工作能力。机械系统设计课程设计是在老师指导下由学生独立完成。为达到培养设计能力的要求，提倡独立思考、深入钻研的学习精神。设计中遇到的问题，首先学生自己思考，提出看法和意见，然后与指导老师共同讨论。先思后问，特别强调不要采用向老师索取答案的简单做法。 发扬务实创新的精神。任何设计都不可

12、能脱离前人长期经验积累的资料而凭空想象出来。利用已有资料是提高设计质量、加快设计进程的重要保证。但经验和资料有一定的使用条件和范围，因此设计时必须具体分析，进行创造性思维，而不能盲目地、机械地抄袭资料。 针对设计问题与同学展开讨论，有利于开阔思路、深入分析和解决问题。设计具有多解性，解决同一个技术问题的办法是多种多样的，要满足一定要求的设计方案也不是唯一的。严禁抄袭他人的设计结果。凡抄袭者按成绩不及格处理。 严格遵守标准和规范。 设计中采用标准和规范，有利于零件的互换性和加工工艺性，节省设计时间，降低生产成本。设计时，对于国家标准、部颁标准，一般都要严格遵守和执行。 及时检查和整理设计结果。课

13、程设计中的方案设计部分常常是反复多次，对问题的分析时断时续，因此要对确定方案的过程作出详尽的记录。计算部分前后数据联系密切，计算过程又常要调整参数修改计算数据，因此要求计算时达到正确、清晰、系统、完整，为编写设计计算说明书打下基础。同时从设计开始就要注意总结，为答辩作好准备工作。 提倡尽量利用计算机辅助计算和绘图。 选题确定后，一般不准更改。第2章 机械系统设计的基本知识2.1 机械系统设计的过程 机械系统与其他系统一样，它的各个组成部分都是有机结合、相互协调、相互适应的，并以此来实现机械系统的整体功能要求。机械系统也应具备一般系统的特性，如整体性、相关性、目的性和环境适应性。同时，我们还应该

14、注意的是机械系统由于它的能量流、物料流和信息流变化的特殊性，它的设计方法必然也具特殊性。机械系统设计的一般过程如下： 确定设计目标和要求。根据市场需求，确定设计参数，选定约束条件，最后提出设计任务书和产品开发计划。 原理方案设计。任务确定后，运用设计者本人的专业知识，实际经验和创新能力构思出达到预期结果的原理方案。原理方案设计是产品创新和质量优劣的关键。原理方案设计又可称为概念设计。 结构方案设计。对产品进行结构设计，即确定零、部件的形状、尺寸、材料，进行强度、刚度、可靠性等计算，画出结构草图。5 / 40 总体设计。在原理方案和结构方案设计的基础上全面考虑产品的总体布置、人机工程、工艺美术造

15、型、包装运输等因素，画出总装配图。 施工设计。将总装图拆成部件图和零件图，根据加工和装配要求，标注公差、配合及技术要求，绘制出全部生产用图纸，编写出设计说明书、使用说明书，列出标准件、外购件明细表及有关文件等。2.2 机械系统设计的关键内容 机械系统设计过程中原理方案设计是机械系统设计的关键内容。原理方案设计过程中应解决下列问题。 确定系统的总功能。对设计任务的抽象化是认识所要设计的机械功用的最好途径。通过抽象化确定系统的总功能。使设计者认清系统设计目标，开阔设计思路。 进行总功能分解。将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案的最好方法。使设计者易于构思各种各样工作原理方案。 选择分功

16、能的功能载体。分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段。 构思功能载体的组合。将各功能载体按系统总功能要求加以组合可以得到多个工作原理方案。供设计者选择决策。 方案的评价与决策。针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多个方案进行综合评价和决策。2.3 机械系统设计的类型根据机械系统设计的内容特点，机械系统设计一般可分为三类。 开发设计。针对新任务，提出新方案，完成产品规划、概念设计、构形设计的全过程。 变异设计。在已有产品的基础上，针对原有缺点或新的工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺度等方面进行一定变异，设计出

17、新产品以适应市场需要，增强市场竞争力。这种设计也可包括在基本型产品的基础上，工作原理保持不变，开发出不同参数、不同尺寸或不同功能和性能的变型系列产品。 反求设计。针对已有的先进产品或设计，进行深入分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型、但能避开专利的新产品。2.4 机械系统设计的一般程序 不论哪一类设计，为了提高机械系统的设计质量和设计水平，必须有一个科学的设计程序。目前较为广泛实施和应用的机械系统设计的程序可归纳成表41所示的框图程序。 2.5 机械系统设计的基本内容5 / 40表21 机械系统设计的基本内容 对于表2l所示的三个设计阶段的基本内容分别阐述如下。2.

18、5.1 产品规划 产品规划是要求进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书(或要求表) ，作为设计、评价和决策的依据。2.5.2 概念设计概念设计就是根据设计要求，按可行性来考虑各种可能的设计方案，且针对几个主要约束、选择其中一种或几种设计方案，以作进一步详细的设计，如零件结构的设计、润滑方式的确定、齿轮模数的确定等。需求是以产品的功能来体现的，功能与产品设计的关系是因果关系。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这一阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念、创新构思、搜索探求、优化筛选取得较理想的工作原理方案。对于机械产品来

19、说，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，初步拟定各执行构件动作相互协调配合运动循环图，进行机械运动方案的设计7 / 40(即机构系统的型综合和数综合) 等，这就是产品概念设计过程的主要内容。 基于功能重组的定性设计对于某一特定的设计任务，一般都可以划分为若干个基本功能或基本操作。定性综合的任务和目的是，以这些结构中的一种结构为依据，为实现各个基本功能的研制解，并把这些解组成一个整体系统。定性综合一般由变换效应、变换效应载体、原理解或基础解、原理解的组合、构型设计等基本的工作步骤组成。 变换效应每一种基本功能或基本操作，只有在技术系统中相应的物理、化学或生物学现象的基

20、础上才能实现。例如，如果没有物理学揭示出的杠杆效应，那么要设计用于放大或缩小力的杠杆是不可能的。如果把物理效应或其他效应视为设计的“最小组成部分”，那么可利用一种或各种效应有选择地实现基本功能。利用两个或两个以上效应连接起来，实现某一特定基本功能的效应集合称之为效应链。效应变换主要包括：基本操作的转变、放大、结合、分离等。 变换效应载体 效应是由效应载体来实现的，通过效应载体可以确定功能元素的原理解或基础解，而根据效应载体的变化可以系统地研制出不同的原理解。 在设计的中期阶段，当设计人员在强度、振动、噪声、成本等方面提出的要求遇到困难，并正在寻找更好的材料时，可采用变换效应载体的方法。如通过采

21、用高强度的复合材料 (变换效应载体) ，可以避免构件的几何尺寸太大，使结构紧凑。 原理解或基础解上述两个工作步骤确定了某一基本功能的效应和效应载体。随着效应的选择，原则上实现的功能也就确定下来了。但是还未能描述所谓的原理解，因为原理解通常不仅由效应决定，而且也由所选择的效应载体决定。原理解是效应和效应载体的函数，即原理解F (效应，效应载体)只有当定性地确定了效应和效应载体时，才能形象地描述原理解。原理解的图形至少应包括那些描述该效应的数学公式 (物理定律) 中作为参量出现的所有的量。因为原理解是随后构型设计阶段的基础和出发点，所以也应称它们为基础解。ll(a)图2-1 两种热驱动的原理解或基

22、础解V(b)为了使上面叙述更容易理解，现简单举例说明。假定提出了这样的任务，即利用室内每天温度的变化给室内的钟表上弦，或者汽车发动机上的冷却水系统的阀门 (恒温箱) 靠冷却水的温度来开关，即这两个任务就是要把温度的变化转变为机械能 (力或位移) 。为了实现“温度的变化转变为力或位移”这一基本功能，可以利用熟知的热膨胀效应，原理解将随效应的选择而部分地确定下来。只有当效应载体也定性地被确定之后，才能给出原理解的草图。上述效应如分别采用固体材料或液体材料，可得如图8 / 402-1所示的与此相对应的两种热驱动的原理解或基础解，这两种原理解包括了相应物理定律 (lal0t和VVAt) 的所有几何参量

23、。原理解的组合原理解的组合，就是根据设计任务要求，将对应于各个基本功能的原理解，按照基本功能结构组合成复杂的系统。该复杂系统称为原理设计方案，或设计方案。机器、仪器和设备通常是由许多功能元件或部件组成的，部件通常又是由许多功能单元组成的。所谓功能单元，指的就是从技术上实现一种基本功能。一般对每个分功能或基本功能都能找到许多可供选用的解，为了限制解的数量，有必要确定分功能或基本功能的最佳解的客观准则。遗憾的是，除了特殊情况外，一个解就其本身来说是分功能或基本功能的最佳解，但当它与整体系统相关联时并不总是最合适的解。这就表明，在许多情况下，应先将各个分解组合成整体系统，然后再根据它们对具体情况的最

24、佳适应性加以选择。为了将各个分解系统完善地组合成相应的整体系统，可利用"形态学箱"的组合分类表进行组合。为避免组合方法总数太多，应先对各个分功能或基本功能可供选择的解进行筛选，然后将筛选后留下来的解用关键词填写至表2-2中，将相同分功能或基本功能的各个可供选择的解沿水平方向填写到各行内，行的数目相当于构成整体系统的分功能或基本功能的数目。栏的数目相当于某一功能的可供选择的解的数目。由每一行选出的一个解组成的一组原理解就是该整体系统的一个原理方案。若n1，n2，n3，nn就是相应行 (1，2，3等) 中可供选择解的数目，那么从理论上讲就是Nn1·n2·n3

25、··nn个彼此不相同的组合，每一种组合就代表整体系统的一种可能的方案。最后根据具体情况检验哪些组合方案有实用价值，哪些没有实用价值，利用该表可组合成复杂的机械系统。表2-2 组合分类表效应、效应载体、原理、构型或零件的选择基本功能或分功能1A11A12A13A14A15A162A21A22A233A31A32A33A344A41A425A51A52A532.5.3 构形设计机械产品的设计不仅有运动功能的要求，而且还有强度和寿命的要求等。单纯原理方案的设计并不能满足机械产品强度和寿命设计的要求，必须进行构型设计(技术设计) ，即将给定的强度要求和寿命要求等以空间约束的形式给出

26、，通过构型设计来获得既满足原理综合要求，又满足构型综合要求的机械设计方案。因此，由概念设计获得的设计方案不再是一张原理草图，而是一张定性的设计图纸。8 / 40构形设计是将方案(主要是机械运动方案等) 具体转化为机器及其零部件的合理构形。也就是要完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等有关技术文件。 构形设计主要包括构形元素和构形结构设计。在构形阶段，要对得到的原理解进行构形设计，绘制草图。在研制新产品时，是以实现要研制技术系统的目的功能开始的，它们隶属于功能部件，并且要与功能部件相适应。因此，首先要设计出能实现待研制系统目的功能的部件，然后再设计出子功能的部

27、件，最后便逐渐地形成一个对要研制的整体系统比较完满的整体草图。整体草图确定后，详细地审查系统的关键部件，并且分析它的不足之处，然后修正和完善草图，直到达到了在可靠性、寿命、生产成本等准则方面都符合预定功能要求的设计方案。构形元素 (零件或结构) 的尺寸、数量、形状、位置、排列顺序及联接关系的设计，是构形设计的主要内容。机器设备的结构形式设计也是构形设计的一个重要内容，常见的机器结构形式有：单部件结构、组件式结构、积木模块式结构等。其中积木模块式结构在组合机床设计中比较常见。构形设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求；零件结构形状要便于制造加工；常用零件尽可能标准化、系列化、通用化；总体设计

28、还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装和运输等方面的要求。 构形设计时一般先由总装配图分拆成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件图绘制出总装配图。最后还要编制技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等等。2.6 机械系统运动方案设计产品的功能原理方案的构思和设计中，仅能提出实施产品的各分功能的原理方案图。对于机械产品来说，从功能原理方案到供生产用的图纸，其间还要做不少工作。其中第一步是要进行机械系统运动方案设计，也就是根据功能原理方案所需实施的各分功能，构想出一些动作过程，然后合理确定实现这些动作过程的各个执行机构。在机械运动方案设计时，应对设计有关的

29、条件和要求加以明确，如机器的功率、生产能力、空间尺寸限制、物料流动方向、工作环境等等。2.6.1 设计任务 设计任务应来自生产实际和日常生活，它们一般均包括23个的工艺动作。设计任务确定后，根据给定机械的工作要求、工作原理及工艺动作过程，进行机构的选型与组合，拟定该机械系统的若干种运动方案，并对这些运动方案进行对比分析，以便确定合适的运动方案；然后可以利用计算机对确定的运动方案中的机构进行设计与分析，可以利用计算机绘制机构运动简图或机构动画仿真，也可以利用计算机绘制总装配图或零件工作图。9 / 402.6.2 设计步骤 选择设计题目，确定设计任务，拟定设计任务书，征得指导老师同意。 认真阅读课

30、程设计指导书，充分理解设计任务书中所规定的设计任务，弄清设计对象的工作原理及工艺动作过程。 根据设计对象的工作原理及工艺动作过程，查阅有关书刊、资料与专利，并到有关工厂考察类似产品的工作情况(或看相关图书文献资料和网络电子资料) ，现场画出有关的机构简图。 根据设计对象的工作要求，确定机构中各执行构件应完成的运动及其限制条件，并将其分解为若干最基本的动作。合理选择能完成基本动作的机构类型，并进行恰当的组合，初步拟定机械系统运动方案设计简图。 分组讨论机械系统运动方案设计简图，对所提出的各种方案进行对比分析，找出其优、缺点，并提出改进意见，最后确定机械系统运动的设计方案。 当设计方案有多个执行构

31、件，且各执行构件间有运动协调关系时，需制定机构运动循环图，以保证各执行构件运动间相互协调而不产生干涉。 确定各基本机构的运动学尺寸，并进行运动分析(包括理论推导、编程、上机计算等) 。 选定适当的比例尺，给出机械系统运动方案设计简图、有关机构简图、机构的运动线图及部分机构的结构图，并标注必要的运动学尺寸。 进行机械系统运动方案的动画仿真 (可选做) 。 编写设计与计算说明书。 运动方案答辩 (本课程设计第2周，个别展开) 。2.6.3 设计要求 设计过程中应在认真思考的基础上积极参与方案讨论，提出自己的见解，要有创新思想。 充分发挥自己的创造性，而不是简单地抄袭或没有根据地臆造。 精心构思和绘

32、图，培养严谨的工作作风。 注意收集设计中的计算资料及设计中对有关问题思考的结论、解决办法，以备写设计与计算说明书时参考。 结合设计中出现的问题及书中的思考题认真思考，以求深入理解设计过程与方法，培养创新思维能力。 设计答辩前应将所完成的设计与计算说明书及图纸交给指导老师审阅，经老师认可后方能参加答辩。 设计资料齐全，图纸应按机械制图要求折叠，运动方案简图设计与计算说明书应在计算机上打印(也可用材料纸认真书写) ，不准徒手勾画简图。2.6.4 设计方法机械运动方案的设计与构思是一件创造性很强的工作，它不但需要有较丰富的机械设计理论知识和实践经验，而且需要采用各种有助于启迪创新思维和进行创造性设计

33、的方法和模式。11 / 40 创造性设计法。创造性设计法是提出新方案、探求新解法、提高设计质量、开发创新产品的重要基础。创造性设计法的基本任务，是从已经获得成功的创造性活动中，总结出一般的规律、规则和方法，然后将它应用到方案设计之中。 系统化设计法。系统化设计法是将工程设计任务或机械产品看作一个技术系统，作为一个整体系统来研究，从系统出发，分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是一种较全面的综合研究方法。如阿波罗宇宙飞船的设计，就采用了系统化设计法。系统化设计法具体来说，有功能分析法、结构方案变型法等等。 机构系统创新法。机械运动方案设计与构思，实质上是对机构系统进行型综合，采用

34、创新设计方法创造出一些最佳的机构系统来，即机构综合创新法、逻辑积木法等，都是有助于机构系统创新设计的技术方法。 总之，在机械系统方案设计过程中，所采用的设计与构思方法是多种多样的，随着机械产品开发工作的深入和发展，还会产生更多的设计与构思方法。2.6.5 执行系统运动方案的设计步骤 构想执行构件的运动过程和运动规律 实现同一运动要求可以有不同的方法和途径。因而，运动方案设计是最富有创造性的工作。运动方案设计的任务是根据给定的运动要求和各种约束条件，确定机构所需的构件及运动副的类型、数量及其配置关系，确定机构系统简图。 执行构件的运动方案与产品的工作原理有密切的联系，根据不同工作原理，采用不同机

35、构及不同的组合方式，可得到不同的运动方案，即使是同一工作原理，也可拟定出不同的运动方案。例如，要制造齿轮，可以采用铸造法、冲压法、挤压法及切削法等多种加工原理，其中切削法又有仿形法(如铣削、拉削) 和范成法。就连同样是用范成法原理加工齿轮，也可在滚齿机上用滚刀加工，或在插齿机上用齿轮插刀加工，由于拟定刀具的运动不同，因而两种切齿机床的运动方案也就不一样了。 一般来说，机械运动系统是根据具体的工作原理(或工艺过程原理) 提出的运动要求进行设计的，但在方案设计中，应对工作原理作认真的分析。为使工艺过程自动化，原封不动地按传统的工艺动作去设计自动化机械系统，其效果一般是不好的。例如在设计洗衣机时，如

36、果采用类似于人手洗衣的工艺原理，则工作机构将是相当复杂的，然而采用水波与布料的相对运动洗涤法，则只需由电动机带动一个轮廓具有凹凸形的转盘就能实现洗衣的工艺原理，工作机构显然简单得多。因此，要合理地运用设计人员的实践经验和想象力，仔细分析各种可能的组成方案，从而设计出性能良好的机械。 进行机构的选型 机构选型的正确与否将直接影响到机构使用的效果、结构的繁简程度等。一般应在熟悉各种不同类型的基本机构运动特性的基础上，依据设计人员的生产实践经验，根据已知的生产要求，按执行机构的功用以及执行构件的运动形式(如移动、摆动和单向间歇运动等) ，进行机构的选型。选型时应考虑下列因素。12 / 40 1) 机

37、构的结构。任何一部机械，在满足同一生产要求时，应力求机构结构简单、制造方便和可靠、耐用。应尽量缩短由主动(输入) 件到从动(输出) 执行构件间的运动链，尽量减少构件和运动副数，因构件和运动副增多后，不但增加了制造和装配的困难，而且增加了设计困难和加大了机构的积累误差。在选型时，有时宁可采用具有较小设计误差但结构简单的近似机构，而不采用理论上没有误差但结构复杂的机构。 此外，还应考虑运动副的类型选择，因为运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要的作用，它直接影响要到机械的结构、耐用性能及机械的效率和灵敏度。一般来说，转动副易保证运动副元素的配合精度，效率高，移动副元素效率低，且可能发生自锁；高

38、副元素形状一般较复杂，磨损快，但较容易实现执行构件的运动规律和轨迹。 2) 动力源的形式。动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。在现代的原动机中，原动件的运动方式有转动(如电动机) 、移动或摆动(采用气、液压机构或直线电机) 等。 3) 机构的虚约束。在设计中应尽量避免有虚约束的机构，否则会增加加工精度和导致装配困难，有时尺寸不当还会引起构件的内力或楔紧现象，使虚约束成为真正的约束。 4) 动力特性。对高速机构往往要求平衡惯性力，使动载荷最小，并使构件和机构达到最佳的平衡，采用最小压力角或最大传动角作工作行程的机构可减小原动轴上的力矩，从而减小原动机的功率、机构的尺寸和重量。 绘制机械运

39、动循环图机构系统传动方案初步确定后，当设计的机械有多个执行构件，而且各执行构件间有运动配合要求时，绘制机构系统运动循环图是保证整个机构系统的各部分协调运动，实现机械预期工作要求必不可少的一环。机器的运动循环图就是它的执行机构的协调图。有了它就能使机器的各执行机构不会发生相互干涉，从而保证机器的正常工作。因此，运动循环图又称为工作循环图。它将各执行机构的运动循环按同一时间(或转角) 比例尺绘出，并且以某一个主要执行机构的工作起始点为基准来表示各执行机构相对于此主要执行机构动作的先后次序。各机构运动的协调配合，按其性质可分为以下两类.一类是各执行构件运动速度的协调，如用范成原理加工齿轮的齿廓时，刀

40、具和齿坯必须保持一定的速度比传动，另一类是各执行构件的动作在时间和位置上的协调，如牛头刨床刨削工件时，其工作台的送进运动必须在刨刀非切削时间内进行，又如自动机工作台的转位，除了在时间上要协调以外，在位置上还必须保证转位后的停歇位置精确。大多数机械的工作过程是呈周期性循环的。机器的运动循环是指机器完成其功能所需的总时间，通常用T表示。机器执行机构的运动循环往往与各执行机构的运动循环相一致，因为执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏。机器执行机构中执行构件的运动循环至少包括一个工作行程和一个空回行程。有时有的执行构件还有12 / 40个或若干个停歇阶段。因此，执行机构的运动循环T执可以表示为：

41、T执t工作 + t空程 + t停歇式中：t工作执行机构工作行极对间；t空程执行机构空行程时间；t停歇执行机构停歇时间。在设计机器的运动循环图时，通常机器应实现的功能是已知的，它的理论生产率也已确定。机器的传动方式以及执行机构的结构均已拟拟定好，然后可按以下步骤进行，1) 首先确定执行机构的运动循环时间(T执) 。 2) 确定组成循环的各个区段。3) 确定执行构件各区段运动的时间及相应的分配轴转角。 4) 初步绘制执行机构的运动循环图。5) 在完成执行机构的设计后，对初步绘制的运动循环图进行修改。6) 进行各执行机构的协调设计 (又称同步化设计) ，最后画出整机的运动循环图。 进行机械运动方案的

42、评价和选择第3章 创造发明的奥秘3.1 多思、善思、巧思(洗衣机的发明) 千百年来人们洗涤衣服都是靠手工搓、擦板擦、刷子刷，更原始的方法是用棒打或脚踩。早在19世纪中期，人们利用机械模仿人工洗涤的动作，即通过翻滚、摩擦、水的冲刷，并借助洗涤剂的去污作用，使附着在衣物表面的污垢脱落，从而达到洗净衣物的目的，这可以说是洗衣机的老祖宗了。 随后，又出现了第一台蒸汽洗衣机，它利用一台小型加热炉以产生蒸汽，推动转动机构，使衣服在洗衣机内不断翻滚搅动，在皂液能和水以及热的多种作用下，对衣物进行洗涤，从而大大提高了洗衣的效能。与此同时还有水力洗衣机、汽油发动机带动的洗衣机等，直到1911年，终于在美国诞生了

43、世界上第一台电动洗衣机，但由于结构太简单，而且性能也不完善，加上那时电力供应远远不足，所以这种电动洗衣机仍难以进入千家万户。3.1.1 多思(摆动式洗衣机的发明) 各种洗衣机开始设计时几乎都是拖动式的，即衣服在洗衣筒内由拨爪之类的机构带动，在水和皂液中前后旋转、浮动，靠水流冲刷掉污垢，但这样的洗涤效果不够理想。直到1922年，工程师们将它改为摆动式(又叫搅拌式洗衣机) ，它的结构是在洗衣筒中心装上一竖直的立轴，在其轴上部靠筒底处安置摆动翼，由传动机构带动，使它周期地正反向转动，使水流和皂液能与衣物不断相互摩擦、碰撞、翻搅，这样就能达到洗涤的目的。这种洗涤的方式一直沿用至今，现在的各类洗衣机绝大

44、部分都采用这种方式。13 / 40 差不多同时，美国的一位技术人员，受到牛奶分离器分离奶油的启发，设计了高速旋转的甩干篮，洗净的衣服放在篮中，经过高速转动，衣服上的水很快被甩掉了，衣服晾一下就干了，这种甩干篮用起来十分方便。3.1.2 善思(各种新式洗衣机的创新设计) 人们总希望洗衣机的功能越全越好，到本世纪30年代中期，美国本得克斯航空公司的一家子公司制成了第一台自动洗衣机，它将洗涤、漂洗和脱水功能集于一身，用自动定时器控制不同的洗涤时间，因其性能好，使用又方便，当1937年投放市场时，一下子就销售了30多万台。 近年来，洗衣机家族越来越庞大，种类也越来越多，除单值、双值、全自动洗衣机外，工

45、程师们又设计了各种新的洗衣机。其中有： (1) 真空洗衣机。它只用水而不需要肥皂、洗衣粉或其他去污剂。当它工作时，真空泵就将洗衣机内部抽成真空状态，然后开动机器，使衣服和水在缸内不断转动，由于处于真空环境，水中会产生大量的小气泡，它与衣物表面发生碰撞而破裂，气泡破裂时产生爆破力可将衣物上的污垢微粒弹出，并抛向水中，不消十分钟就可将衣服洗得干干净净。 (2) 烘干洗衣机。这种洗衣机不仅有洗涤作用，通过传感器和电热装置，还可在衣服甩掉水分后，接着烘干衣服，不必再将洗净的衣服晾到室外去。一件脏衣服丢进去，经过洗涤、甩水、烘干，取出后就是一件干干净净的衣服，又可穿在身上了。 (3) 电磁洗衣机。它的最

46、大特点是不用电动机驱动，这样工作时就没有噪声。在洗衣桶内装有4个洗涤头，每个洗涤头上有一组电磁线圈，通电后能产生每秒2500次的振动，能把附在衣物上的污垢振掉。这种洗衣机去污力极强，比一般洗衣机省电又省水。 (4) 搓板式洗衣机。这种洗衣机十分有趣，它有一个圆柱形的滚筒，内装一个能进行旋转的螺旋体，每个螺距之间与滚筒内壁形成一个洗涤腔室，洗涤时犹如衣服在搓板上搓洗一样，其洗涤效果也比现在一般的洗衣机好。3.1.3 巧思(洗衣机的未来) 现在科学家和工程师们已在研究设计更新奇的洗衣机。一种叫“太空洗衣机”。原来是专为宇航员在太空中洗衣而设计的，该机以柔和的清洁溶液来溶去污物，这样既节水又省电，且

47、污染少、噪声低。另有一种叫“臭氧洗衣机”。这种洗衣杭通过放电，使空气中的氧分子电离变成臭氧，臭氧同衣服上的污垢有机物质会发生剧烈的化学反应，使有机物质很快氧化，以达到除垢的目的。还有一种称为“模糊逻辑洗衣机”，这种洗衣机采用光传感器、布量传感器和模糊逻辑控制程序，能检测衣服的数量以及肮脏程度和性质，通过电脑可以确定最佳的洗涤时间、漂洗次数和脱水时间，这样既能洗净衣服又不会损伤衣服，达到最佳效果。14 / 403.2 创造起源于模仿(仿生学) 3.2.1 蛇的启示 蛇的视力极差，可它行进如飞，异常灵活。比如，分布在南美洲的响尾蛇多在夜间活动，它能在漆黑的夜间及时发现并精确地捕获在几十米以外活动的

48、白鼠。科学家们在对蛇的研究中发现，蛇的两只眼睛与鼻孔之间各有一个颊窝，它是一种十分灵敏的热感受器。蛇不是依靠眼睛，而是借助颊窝器官进行“热定位”的。研究表明，蛇的“热定位”器官对波长为1-15m的红外线反应最为灵敏(该波段携带热能最多) ，它能在相当远的距离上感知目标的0.001的温度变化，而反应时间不超过0.1s。科学家称其为“热眼”。 在蛇的“热眼”功能启示下，聪明的军事仿生学家设计出了种种红外线自动跟踪装置，其灵敏度远在蛇类之上，而且无论枪炮、舰船、还是夜航的飞机、乃至军事卫星，它们都可以大显身手。美中不足的是，人造仪器的体积远大于蛇的器官。美国经过多年的研究试验，使用对红外线敏感的硫化

49、铅，制造出了“响尾蛇”导弹。这种导弹装有“热眼”红外线自动跟踪制导系统。它不仅可以根据发动机发出的少量热量来追踪飞机与舰艇，而且还能根据目标在空中或水中留下的“热眼”顺藤摸瓜，直到击中目标。在空战中“响尾蛇”导弹一鸣惊人，是飞机的死敌。在此之后，性能更好的锑化铟替代了硫化铅，出现了更为完善的红外探测器，使“响尾蛇”导弹的功能更为完善。 美国情报机构的研究人员还在蛇的“热眼”功能启迪下，研制出先进的夜视仪，它可把月亮和星辰投下的微弱光线增强6.4万倍。先进的夜视仪己使现代战争中的黑夜变成了“白”夜。 更值得一提的是，今天的军事仿生早己打破工程技术、工艺制作等领域的局限，将仿生学引入战略战术，军事

50、斗争艺术的领域。古代军事家孙子从常山之蛇首尾环顾的灵活动作，联想出军队作战的协同要旨，古今三军对垒之法也是师承蛇之活动，诸如“一字长蛇阵”、“打草惊蛇”、“引蛇出洞”等军事理论早已尽人皆知了。3.2.2 潜水艇的发明 一天，人们见一群活泼的小鱼自由自在地在水中游着，像是在觅食，像是在玩耍。突然，水下有一条大鱼俏俏地潜游过来，游到鱼的下方后，猛地朝上一跃，咬住了一条小鱼，别的小鱼吓得惊魂不定，各奔东西。该情景使人们大受启发，能不能造个像大鱼那样的船潜在水中？于是人们给船仿造一个像鱼那样的“鳔”。制成了一艘可在水下潜行的秘密船潜水艇。现在，潜水艇除用于作战外，还用于开发海洋资源和石油考察，造福于人

51、类。图3-1 机器人3.3 发明就是要异想天开(机器人的发明) 在30多年前，还是在科幻片中当主角的机器人，今天已成为现实。如图3-1所示的机器人与一般机器的不同之处，主要在于机器是没有“大脑”的，而机器人有“脑子”(电脑) 。由此可见，机器人是由机器“进化”而来的。机器是机器人的躯体和四肢，计算机就是机器人的“大脑”。因此，机器人的“成长”与电脑的进步是分不开的，研制机器人的目的是让它模仿人的功能，以代替人从事各种体力和脑力劳动。但光有躯体、四肢和大脑是不够用的，还得有眼、耳、鼻、舌、身等各种感觉器官，才能灵活地从事各种工作。为此也必须给机器人配上各种相应的感觉器官传感器。机器人的“成长”过

52、程，就是电脑、传感器和各种机构等系统的创造、改进与综合配置的过程。16 / 403.3.1 机器人的“大脑” 计算机的进展 电子计算机又称为电脑，这是因为它在许多方面具有甚至超过人脑的功能。电脑是机器人的“大脑”。因此机器人的“成长”。首先与电脑的进展有着最直接的关系。 电脑的发展和提高是相当快的。电脑的进步主要反映在电脑信息存储量的增加、自身体积和重量的减小以及制造成本的下降。1946年第一台计算机问世，这是一台用电子管为主要零部件的计算机，整台计算机重30吨，装满了一间大屋子。启动它要耗费150千瓦电力。但它只能存储相当于80个字节的信息。今天的个人计算机可以容纳12亿个字符的信息量(提高

53、了1500万倍) ，价格仅为250美元。电脑的发展正蕴藏着新的质的飞跃。现在广为使用的电脑属于有逻辑思维能力的诺曼计算机。安上诺曼计算机的机器人便是具有逻辑思维能力的机器人。但人类除了有逻辑思维能力外，还有形象思维能力。现在科学家们正在研制具有形象思维能力的计算机，称作神经计算机，而且已有所突破。当机器人用上了具有逻辑思维能力的诺曼计算机和具有形象思维能力的神经计算机相结合的“大脑”。那么，机器人就会产生灵感、直觉和感情。这时的机器人便是更高级的智能机器人了。3.3.2 机器人的手和手臂 机器人的手和手臂是机器人最早发展的部分。最初的机器人就是带有电脑控制的机械手。人的手有触觉，灵巧，可以适应

54、各种粗活和精细活。但人手都只有5指；手臂只有两节，且不能任意调节手臂的长度，握力、臂力都有限。机器人的手目前虽然没有人手那么灵活，但其发展趋势肯定能超过人手的功能。这是因为，机器人的手和手臂可根据劳动岗位的需要进行设计，手指可设计成2指、3指、4指，直至任意多指；手臂长度也可任意设计，巧设计成一节、二节乃至多节的手臂，手的最大握力和臂力也可根据需要而设计。至于机械手的触觉和灵巧的性能也不断提高，现研制出的三指九关节灵巧手，它能模仿人手灵巧地抓持不同形状、不同材质的物体，完成复杂、精密的装配和进行细微的操作，可望在智能装配机器人、医疗护理机器人、高级假肢和拟人机器人研究开发中有重要的应用。3.3

55、.3 机器人的行走 机器人的“行走”方式有轮式、履带式和腿式(即步行方式) 。轮式和履带式机器人适于条件较好的路面，而步行机器人则适于条件较差的路面。为了适应各种路面情况，可采用轮、腿、履带并用。瑞士科研人员研制出的森林作业机器人，采用了2个轮子和2条腿。16 / 40 日本机械技术研究所试制的腿和履带并用的装置，是用作挖掘作业机器人的移动机构。该机器人的履带在路面条件较好时能高速运动，腿除了用于不平路面的行走外，还可辅助控制挖掘作业的姿态。海底探查机器人由8条腿构成，每4条腿装在一个框架上，各腿的长度可独立改变，以适应复杂的地形变化。 机器人虽然还处于“学走路”的阶段，但它己显示出超越人的行走能力的特征。如它可以不依靠任何工具在垂直的壁面上，甚至天花板上行走，壁面移动机器人，能在垂直陡壁或顶部进行各种作业。机器人要在壁面上自由地移动，必须具备吸附功能和移动功能。目前吸附多采用真空吸附和电磁吸附，而移动方式仍为轮式、履带式及腿式三种。