机械系统创新设计

1、机械系统创新设计一、机械设计的基本概念1、设计的目的 设计是人类改造自然的基本活动，是复杂的分析、规划、推理与决策过程，蕴涵着创新和发明。设计的目的是，根据预定的目标，经过一系列规划与分析决策，获得系统的设计信息（文字、数据、图形等），形成设计方案及其实施文件，进而通过制造，形成产品，造福人类。2、 机械设计的分类 （1）开发性设计工作原理和设计方案全新的设计 （2）适应性设计在原理方案基本保持不变的前提下，对产品做局部的变更或设计某些新部件，使产品更 适应使用要求。 （3）变型设计在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的配置和尺寸，甚至增加一些型号，使之扩大工作范围，满足更多领域要

2、求。 设计都蕴含着“创新”。创新，可以使设计别具一格，耳目一新。二、机械设计过程1、机械设计过程 设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程。2、机械设计过程的四个阶段 (1) 产品规划 明确机械设计任务，提出设计任务书。 (2)原理方案设计 确定功能原理和机械运 动方案,画出机械运动简图。 (3)技术方案设计。 (4)评估，改进与决策。 一、机构及其系统运动方案设计的主要内容 三、机构及其系统运动方案设计例：从井中提水，可采用不同的功能原理：（1）机械作功改变水的动能，迫使水向上运动，达到提升水的要求； （2）改变容体容积，利用大气压力，达到提升水的要求（抽、吸、提升）

3、； （3）水斗连续提升（增大水斗里的水的 势能）。 1、 功能原理方案设计功能原理方案设计功能原理设计工艺动作过程设计2 、运动规律设计3、机构系统运动方案设计 根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各 工艺动作的运动规律要求，选择相应的若干执行机 构的形式，按某种方式将其组合成一个机构系统， 以确保上述工艺动作过程的实现。 机构选型、组合、创新 机构系统简图4、机构系统运动简图设计 机构系统简图运动协调设计机构运动循环 图尺度综合机构系统运动简图 二、机构系统运动简图设计流程 使用要求（工艺要求）功能原理设计工艺过程设计工艺动作设计工艺动作的运动规律及运动参数设计各分解运动规律及参数的设定执

4、行构件运动分解实现各分解运动的执行机构型综合组成机构系统运动协调设计绘制机构系统运动简图机构运动参数确定运动循环图制定 运动分析传力特性分析评价改变机构尺寸决策机构及其系统运动方案设计机构选型一、执行构件的运动形式 1、旋转运动：连续旋转运动，间歇旋转运动，往复摆动。 2、直线运动：往复移动，间歇往复移动，单向间歇直线移动。 3、曲线运动：执行构件上某一点作特定的曲线（轨迹）运动。 4、刚体导引运动：一般指非连架杆的执行构件的刚体导引运动。 5、特殊功能运动：如微动、补偿、 换向等。二、机构选型的基本要求1、满足工艺动作及其运动规律的要求。 高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、 适当设

5、置调整环节。2、机构的运动链要短 。3、机构的传力性能要好。 传动角（压力角）、防止自锁 、惯性力平衡。4、动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量 。 电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。创新设计的原理与方法一、创新性基本原理 1、发展原理 ：就是要打破旧结论，发展新事物（飞机发明、缝纫机）。 2、发散原理： 就是要突破现有办法，多角度思考问题，发展新思路。 3、触发原理： 将不相关的事物，通过触发联系，就可得到新的启示 。 （喷洒香水汽化器）二、创新性思维活动方式1、发散思维 ：以某种思考对象为中心，充分发挥已有的知识和 经验 ，通过

6、联想、类比等思考方法使思维向各个方向扩散开来，从而产生大量构思求得多种方法和获得多种不同结果。2、收敛思维： 利用已有的知识、经验进行分析比较优化筛选，从足够多的方案中选取最佳方案。3、侧向思维：它是用其他领域里的观念、知识、方法来解决本领域的问题。4、逆向思维：它是索源思维，即反向思考问题。5、理想思维：即将问题理想化，除去的繁杂的外”，抽取简明的“内核”，进行思维处理，往往容易抓住事物的本质，得到创新性成果来 。三、创造法则1、还原抽象法则：由现有的事物，研究抽象出其创造起点，然后由创造起点出发，采用不 同的技术、方法，得出新的创造性成果。 2、 模仿移植法则：模仿已有的事物，进行新的创造

7、，并移植到其他领域，以取 得新的成果。 3、离散组合法则：将两种或多种技术、产品的一部分或全部进行适应组合，可形成新技术、新产品；而将研究对象加以分离，同样可获得新技 术、新产品。 4、分析综合法则：通过对事物得分析、比较研究获得其本质内容，然后再按其内容本质，把相关的概念、事 实、信息方法巧妙地结合，形 成新的创造性成果。四、创造技法1、头脑风暴法：创造性思维的自由奔放、打破常规和激烈涌现（1938 美.A.F.奥斯本）。 小组讨论: 人员不超过10人，会议目标明确，有所准备。鼓励思考，标新立异。而不允许批评，不泛泛空谈，及时归纳，不过早下结论，不实行少数服从多数。2、联想移植法：通过联想获

8、得不同研究对象的粗略对应及类似特征，然后进一步分析、类比，便可将某一领域的原理，技术、方法移植到另一领 域中去。3、列举思考法4、功能思考法机构构型的创新设计方法一、机构构型的变异创新设计1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR235OPSO1AB122、机构的扩展：以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的机构。3、机构局部结构的改变（）构件的运动结构改变34abOO112c120（）机构的主动构件被另一自由度F=1的机构和构件组合所置换4r3b25a1 、机构的移植与模仿 将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，成为结构的移植。 利用某一结构特点设计新的机构

9、，称为结构的模仿。1221234512345、机构运动副类型的变换 改变机构中某个和多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。）转动副与移动副之间的变换；）高副与低副之间的变换。ABCCBAOO二、利用机构运动特点创新机构 利用现有机构工作原理，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状等，可创新设计出新的机构。、利用连架杆和连杆运 动特点设计新机构；、利用两构件相对运动 关系设计新机构；、用成型固定构件实现复杂动作过程。1234C排油孔吸油孔ABCD21347512折边式包裹包装和模板三、基于组成原理的机构创新设计 根据机构组成原理，可将零自由度的杆组依次联接到原动件和

10、机架上去，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。、将杆组依次联接到原动件和机架上去，设计新机构；、将杆组联接到机构上设计新机构；、根据机构组成原理优选出合适的机构构型。挑线刺布机构的组成阀门启闭机构的组成牛头刨床机构的组成ABCEFD改变机构特性ABCDD惯性筛车轮减震机构车轮减震机构的六种方案四、基于组合原理的机构创新设计 （一）机构的串联组合将两个或两个以上的单一机构按顺序连接，每一个前置机构的输出运动是其后续机构的输出运动，这样的组合方式称之为机构的串联组合。输入输出01 23 1、构件固接式串联若将前一个机构的输出构件和后一个机构的输入构件固接，串联组成一个新

11、的复合机构，这称之为构件固结式串联。（1）将匀速运动机构作为前置机构与另一机构串联，可以改变输出运动的速度和周期。（）将一个非匀速运动机构作为前置机构与工作机构串联，则可改变机构的速度特性。（）由若干个子机构串联组合可得到传力性能较好的机构系统。S87453216SS = gf()S = g( )双曲柄机构与六杆机构串联7654321槽轮机构 与导杆机构 串联12345BADM、轨迹点串联假若前一个基本机构的输出为平面运动构件上某一点的轨迹，通过轨迹点与后一个机构相连，这种连接方式称为“轨迹点串联“。（二）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的机构（可称为附加机

12、构）的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。并联组合的几种常见方式：铁板传送机构1324ADBCE12DA342HABDCH故当时误差校正机构1232123S121（三）机构的混接式组合 综合运用串联并联组合方式可组成更为复杂的机构，此种组合方式称之为机构的混接式组合。平台印刷机版台传动机构基础机构：两自由度的齿轮条机构。附加机构：双曲柄机构、曲柄滑块机构I与 凸轮机构。输入运动：曲柄的匀速转动。输出运动：上齿条固结的版台往复运动。ADCBDEFABDCEF版台传动机构平台印刷机（四）基于组合原理的机构设计举例步骤：（1）根据机械的工作原理确定执行构件所要完成的运动；（2）将执行构件

13、的运动分解成机构易于实现的基本运动或动作，分别拟订能完成这些基本运动或构型的方案；（3）将上述各机构构型方案按某种组合方式组成一个新的复合机构。包装机的推包机构方案设计LSTHC1C2LOB1B2r0270180（）执行构件的运动要求：执行构件：平进平退下降低位平退上升的运动轨迹。平进；平退；上升、下降。（ ）方案设计 运动分解：水平方向的左右移动上升、下降运动 机构选型： 水平方向移动：曲柄滑块机构OB1C1C来完成； 上、下运动：摆动从动件移动凸轮机构来完成。 运动协调：为使水平移动和上、下运动协调，对凸轮机构进行演变，使其既作水平方向移动，又作摆动。 机构组合： 以演变后的凸轮机构（具有

14、两个自由度）作为基础机构，采用并联组合方式，将两套曲柄滑快机构（其原动件相位不同）和暴动从动件凸轮机构组成推包机构。执行机构运动规律及 运动协调设计执行机构运动规律设计一、功能原理与工艺动作设计之间的关系1、实现同一使用要求或工艺要求，可能采用不同的功能原理。例：井中取水，可采用三种不同的功能原理。2、采用不同的功能原理，必然导致采用不同的工艺动作。 a）采用改变水的动能的功能原理叶片高速旋转 b）采用改变容体容积往复移动（往复泵）； 往复摆动（摆动泵）；旋转运动（旋转泵）；3、采用相同的功能原理，也可能采用不同的工艺动作。4、对于比较复杂的使用要求和工艺要求，往往需要多个功能原理组合成一个总

15、的功能原理来满足。（如自动机：工艺要求复杂）二、工艺动作设计与运动方案设计的关系 1、工艺动作设计得不相同，设计出的机构运动方案也就不相同； 2、不同的机构可能实现同一工艺动作，满足同样的使用要求； 3、为获得好的运动方案，就应当拟定评价体系，并据此体系进行综合评价才能作出决策。例：从井中提水1、采用往复移动的工艺动作改变容积；2、采用往复摆动的工艺动作改变容积；3、采用旋转工艺动作改变容积；三、工艺过程设计根据已拟定的功能原理及工艺动作进行工艺过程设计。工艺过程设计的总要求： （1）工序集中原则； （2）工序分散原则：工序能集中就尽量集中，集中有困难，就分散。 （3）各工序的工艺时间相等原则

16、； （4）多工件同时加工原则； （5）缩短工作周期原则： 各执行构件工作时间重叠； 工作时间与空行程时间互相重叠； 空行程与空行程时间互相重叠。四、运动规律设计1、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。1）应充分考虑使用要求和功能原理。2）在满足使用要求的前提下，应尽可能设计出简单且易于实现的运动规律。3）必要时，应重新构思新的功能原理。4）为使工艺过程自动化，原封不动的按传统工艺动作去设计自动化机构系统，其效果往往是不好的。2、把复杂的运动规律（工艺动作）进行分解。1）机构所能实现的基本运动行式： 单向转动 单向移动 往复摆动 往复移动 间歇运动 轨迹运动2）常见的运动分解合成情况（1

17、）某些周期性运动（包括间歇运动机构与非匀速运动一般可分解为一个匀速运动与一个附加的往复运动，并且分别用比较简单的机构予以实现，然后合成之。（2） 不同特性的非匀速运动合成往往可以实现比较复杂的运动。（3）相同特性运动合成往往可以得到增加或减小输出位移量的效果。（4）复杂的曲线运动往往可以分解成不同方向的简单移动或一个简单移动和转动。12123456abc123456s12345baS1245xy3235x(a)(b)3、要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法 将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。 （2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合 （

18、3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。执行机构运动协调设计一、执行机构的布局 1、执行构件的布置 特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便 2、执行机构的布置 1）与执行构件的联接是否方便； 2）执行机构原动件布置的位置是否恰当； 尽可能接近执行构件； 使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根 轴或少数几根轴上； 各原动件应保持等速或定速比。二、执行机构运动协调设计应满足的要求 保证各执行机构动作的顺序性； 各执行构件的动作在时间上同步； 保证空间的同步性； 保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性； 二执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避

19、免动作衔接处发生干涉；例：粉料压片机（4）协调安排图（2）执行构件：3、9、5。（3） 执行机构图 凸轮连杆机构、凸轮机构、凸轮多杆机构、凸轮机构113109105（1）执行构件完成的动作： 移动料斗3至模具11的型腔上方，并准备将粉料装入型腔； 料斗振动，将粉料装入型腔； 下冲头5下沉，以防止上冲头9下压时将型腔内粉料抖出； 上冲头下压，下冲头上压，将粉料加压并保压一定时间，使药片成型较好； 上冲头快速退出，下冲头随之将压好的药片推出型腔，完成压片工艺过程 。113109105138957462611分配轴1234S1S2S3S4三、执行机构运动协调设计的分析计算1、各执行机构运动循环时间同

20、步化计算1） 确定最大工作循环周期Tmax；2） 确定机械最小工作循环周期Tmin；3） 确定合理的机构系统的工作循环周期T；4） 确定各机构分配轴的转速和工作行程的起始角。 2、各执行机构运动循环空间同步化计算 合理确定各执行机构的运动错位角，避免空间上的干涉。机械运动循环图设计一、机械运动循环图 1、机械运动循环图 表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明确图，称机械运动循环图。2、机械运动循环图的类型 1）直线式循环图（矩形循环图） 2） 圆形循环图（极坐标式） 3）直角坐标式循环图1、设计要点1) 完成系统的协调设计; 2) 确定参照机构（构件）;3) 设计单一执行机械运动循环图 ;4) 设计机械运动循环图.二、机械运动循环图的设计主 轴 转 角 0 90 180 270 360