机构系统运动方案

3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

机械原理课程的研究对象与内容回顾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、相互间具有一定联系的许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。

回顾回顾动力系统传动系统执行系统操纵系统和控制系统支承系统安全系统-润滑系统-冷却系统-密封系统等二、机械系统的组成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。三、机械系统设计1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3.1

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。“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”。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11功能的定义及其分类

在以上各功能中，基本功能必须保证，且在设计中不能改变；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决定。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1、功能原理设计的特点功能原理设计是产品设计的第一设计阶段，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，是将功能原理设计结果转化为生产方案的具体设计过程。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。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。功能原理设计的工作特点（通过下面的例子来总结）例1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）也不同，执行机构型式自然不一样。不同的机构可以实现同一运动规律，满足同样的使用要求例2设计一台加工内孔的机床。车床镗床钻床拉床例3设计草地剪草机。分析：对杂草进行剪修通常的办法有：拉——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。割断——像割麦一样，需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。显然，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4平板玻璃制造。

传统制造平板玻璃都是采用“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，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是有波纹，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波纹的缺点。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，边向前流动边凝固。

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。（使机器的工作原理发生本质的变化的设计）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。（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去）。③功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。（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用，设计人员必须给予高度重视。

2.功能原理设计方法

功能原理设计方法是指把机械系统的总功能分解成若干功能元，通过功能元求解，然后进行组合得到多个系统方案，以待选择。产品功能的定义与分类

功能原理设计必须由功能分析入手。在进行功能分析之前，首先应对“功能”的概念及其它有关的概念有一个科学的认识。

功能和功能元1．功能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输入量转化为满足需求、符合特定目的的输出量。实质上，“功能”是指某一机器或装置（这里统称为技术系统）所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。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。根据系统论的观点，一个系统可以分解为若干个子系统，系统的总功能可以分解为若干分功能。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。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；增加液体的能量是总功能，相应的转换运动形式和吸排液体的功能就是分功能。2、分功能3．功能元

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，有时仅仅使用分功能这一概念，难以清楚地表达出功能的层次和功能之间的相互关系。为此，结合机械设计的特点，引入功能元的概念。定义：功能元是指以功能为核心，既保持有一定的功能独立性，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：物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。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。总功能分析方法——“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本要素

1.能量（E）：包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等；2.物料（M）：可为材料、毛坯、试样、气体、液体等；3.信息（S）：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：能量流、物料流和信息流。

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，这称为变换。仪器：是主要传递信息流的技术系统，其主要性能指标为精度。设备：是主要传递物料流的技术系统，设计中主要考虑静强度和刚度等问题。机械：是主要传递能量流的技术系统，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。总功能分析方法——“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，难以一下子认识清楚。为此，通常采用系统工程学中的“黑箱法”来抽象，并描述其功能流的输入和输出。“黑箱法”是指将系统看成一个不透明的不知道其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能和特性的分析方法。总功能分析方法——“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，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。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总功能。用黑箱法描述系统功能例如自行车的功能原理设计。自行车功能原理系统图又如机床设计。

“黑箱法”的特点是通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索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。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。例：家用缝纫机的功能分解功能分解与功能元典型机器功能分析——缝纫机1、缝纫机的功能

缝纫机的总功能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。

2)实现总功能的各机构间的运动配合要求精度很高，如与机针相关构件的运动配合间隙必须保持在0.04～0.10mm之间，一些关键动作如钩线又要求在极短时间(0.005s)内完成。2、缝纫机的功能分析3421主要功能引线功能钩线穿环功能挑线功能送料功能（1）1)引线功能

当机针刺过缝料时，面线随针下降。而当针回升时，因引入槽长而深，面线嵌入槽内，不和缝料接触而随针上升。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。缝纫机针1-针尖2-针刃3-针柄4-平面5-引入槽6-引出槽7-针孔摆梭尖嘴2)钩线穿环功能

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，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。3)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线上下摆动来实现的。4)输送缝料的功能

为使线迹连续，当一个线迹形成后，缝料应相对机针移动一个线迹距离。

当机针退出缝料后，送布牙就上升并压入缝料底面，利用摩擦力使缝料移动一个线迹。而后送布牙下降并返回原位，和缝料脱离接触，以便进行下一个形成线迹的功能动作。送布机构的方案（2）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拧动压紧底线的螺纹来实现的。2)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。3)调节送布针距的功能送布针距影响到线迹密度，提高线迹密度会增加缝纫牢度，但过密则会影响缝料强度。它由送布牙送料距离调节钮决定。4)绕底线功能底线须绕在梭心上，才能进行底面线交织。实现此功能是把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦轮带动绕线轴旋转，而使梭心缠绕底线。（3）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)机械控制功能缝纫机中每一功能动作的协调，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。2)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。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。

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能分析。功能分解与功能元功能分解如下：型层叠合形成纸型纸型叠合排烟测控送纸收纸X向扫描Y向扫描驱动传动送纸驱动传动送纸驱动传动X向位移驱动传动Y向位移压纸粘合Z向升降驱动传动辊Y向移动测高工作状态操纵总功能一级分功能功能元功能元（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利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；③利用设计目录求解法。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一起的一种表格或分类资料。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、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等部分功能元解法目录连杆机械一次增力功能元解法目录四杆机构运动转换解法目录第六步：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)。第二步：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目录，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，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=n1×n2×…×ni×…×nm式中，m为功能元数；ni为第i种功能元解的个数。例1：行走式挖掘机的原理方案分析：解:1)功能分析:物料取移驱动传动取放取放物移物驱动传动移位2)探索功能元并列出形态学矩阵如下:功能元功能元解123456A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移位传动齿轮传动蜗杆传动带传动※链传动¤液力偶合器C移位轨道及车轮¤轮胎※履带气垫D取物传动拉杆※绳传动气压传动¤液压传动E取物※挖斗¤抓斗钳斗式3)方案组合:可能的方案数如：A1－B4－C3－D2－E1→履带式挖掘机※

A5－B5－C2－D4－E2→液压轮胎式挖掘机¤

例2：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。已知该传动装置电机的转速

，两搅拌杆以240次/min同步往复摆动（摆动方向不限）。解：1）功能分析：回转摆动两杆同摆减速，传动比双杆搅拌2）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1234Ⅰ减速（i=4)齿轮传动A带传动链传动B摩擦轮传动Ⅱ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）Ⅲ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方案A：Ⅰ1＋Ⅱ3＋Ⅲ2，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

。方案B：Ⅰ3＋Ⅱ1＋Ⅲ1，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，成本较低。

3.2机械运动协调设计

⑴机械运动协调设计原则

满足各执行机构动作先后的顺序性要求

满足各执行机构动作在时间上的同步性要求

满足各执行机构在空间布置上的协调性要求

满足各执行机构在操作上的协同性要求

各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率

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1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件左折边构件MBA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。⑵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

⑶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

0º90º180º270º

360º

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0º

540º

360º

180º

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

MM饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件左折边构件MBA左执行机构1

右执行机构2

分配轴转角

0º90º180º270º360º3.3机械运动方案的评价

评价指标●系统功能

实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的准确性●运动性能

运转速度、行程可调性、运动精度等●动力性能

承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等●工作性能

效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性适用范围等●经济性

加工难易、能耗大小、制造成本等●结构紧凑性尺寸、重量、结构复杂性等

评价方法

⑴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。建立评价体系选择评分方法选择评分标准对各个项目进行评分选择总分计分法，计算总分选取高分者为优选方案

总分计分法

方法公式特点分值相加法

将n个评价目标评分值简单相加，计算简单、直观分值连乘法将n个评价目标评分值相乘，使各方案总分差拉开，便于比较

均值法

将相加所得结果除以评价目标系数，结果直观

相对值法

将均值法所得结果除以理想值，使Qi1，可看出与理想值的差距

加权计分法(有效值法)

将各项评分值乘以加权系数后相加，考虑了各评价目标的重要程度

评价结果的处理入选方案数设计阶段评价准则结果处理1最后阶段合理已得到最佳方案，设计结束可改进重新决定评价准则，再作评价中间阶段合理评价结束，转入下一阶段多于1最后阶段合理增加评价项目或提高评价要求再作评价中间阶段需改进若入选数太多，按上述方案改进准则再作评价合理将入选方案排序，转入下一设计阶段0任何阶段可改进放宽评价要求，再作评价合理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11613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60º●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11613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→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11613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11613进给从动件13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11613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090º180º270º360º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机构活动支架进退转塔刀架转位定位销进退III

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III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902.1.1功能的定义及其分类功能的分类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；912.1.1功能的定义及其分类2.1.2功能原理设计及其特点【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932.1.2功能原理设计及其特点勇气号机遇号942.1.2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。与具体要求比较还要考虑创新性和市场潜力952.1.2功能原理设计及其特点【例2.2】设计草地剪草机对杂草进行剪修通常的办法有：拉断——可以拉断草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。割断——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断——利用剪刀刃的合拢可以剪断草。（剪断是较合理的方案，目前很多剪草机都采用这种方式）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。962.1.2功能原理设计及其特点剪草机功能原理设计972.1.2功能原理设计及其特点用一根直径约2mm的高速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草。1）垂直引上法（传统方法），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。

2）浮法制造平面玻璃的新工艺，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。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。

玻璃制作的功能原理设计

982.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的任务

针对某一确定的功能要求，去寻求一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。功能原理设计的主要工作内容是：

构思能实现功能目标的新的解法原理。992.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的特点：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化。

所以，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。①功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使所设计系统的工作原理发生根本变化。1002.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

设计者必须亲自通过调查、分析，确定合理明确的功能目标。当功能目标明确之后，就可以寻找一些类似的技术作参考，这样可以使设计者在原有技术的基础上，提出更新，更巧妙的构思，同时，设计者还应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的错觉。1012.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

2）一个好的原理构思并不一定能成为产品

一个好的原理构思并不一定能成为产品，其部分原因就是因为其结构，材料和工艺（加工、装配、检测）问题无法得到合理的解决。

这充分说明创新构思时一定要粗略考虑一些主要的结构工艺问题的重要性。1022.1.2功能原理设计及其特点在功能原理设计阶段需要注意的三个问题

1）某些情况下设计任务不明确

2）一个好的原理构思并不一定能成为产品

3）功能原理方案的模型验证，验证原理方案的可行性，对不完善的构思进行修改、完善、提高。

对功能原理构思完毕后，就要进行原理性试验，以验证功能原理是否能完成预定的目标。功能原理试验装置的结构和材料并不要求完全真实，以不影响功能原理的可靠性为原则。最后，必须要对实验的结果进行评价和对比，根据技术和经济两方面的对比结果选出一种最优的功能原理，进行下一步的实用化设计。1032.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的要求(3项)：2）按照机械系统设计的基本原则、设计要求以及系统功能进行

比较，以便从中选出一个较理想的。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；设计要求:1)功能要求；2)适应性要求；3)可靠性要求；4)生产能力要求；

5)使用经济性要求；6)成本要求等

3）一个好的功能原理设计应既有创新构思，又能满足用户的需

求，同时兼顾经济效益。1）应设计出几种不同的功能原理方案；1042.1.2功能原理设计及其特点功能原理设计的步骤功能原理方案设计步骤（科学合理的步骤）

1052.1.2功能原理设计及其特点

一般设计过程：一般设计过程的缺点：

1）带有很大的盲目性

2）设计人员知识和经验的局限性，妨碍了思维，束缚了创造力1062.1.2功能原理设计及其特点2.1机械系统的功能原理设计2.1.3功能原理设计的设计方法——黑箱法“黑箱法”设计特点：

1）暂时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

2）将必要功能和基本功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。

3）通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。从满足系统功能的角度看黑箱法1072.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法自行车的黑箱

车床黑箱图（对外界的影响）（来自外界的影响）108黑箱法示意图

如果把具体设计对象抽象化，统称为待设计系统，则有下图形式——黑箱法

物料流：材料/毛坯/半成品/成品/液体/气体等能量流：电能/光能/机械能/热能/核能等信号流：数据/测量值/控制信号/波形等1092.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法称为黑箱法的原因对于待设计的系统(产品)来说，在求解之前，犹如一个看不见其内部结构的“黑箱”。这种“黑箱”只是用来描述系统的“功能目标”，至于“黑箱”的内部结构却是未知的，是需要设计人员去进一步构思和设计的1102.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法黑箱法的特点:

2）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来。3）通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”——“灰箱”——“白箱”，直至方案拟定。1）“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法；1112.1.3功能原理设计的设计方法—黑箱法2.1机械系统的功能原理设计2.1.4功能元、功能结构研究功能元、功能结构的意义“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标。只是揭示了物料、信息、能量流由输入到输出的转换，而对于如何实现转换则未给出明确的方法，必须在“黑箱法”的基础上进行功能分解，这就用到了功能元和功能结构的概念。自行车功能原理系统图1122.1.4功能元、功能结构

功能分解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能分解为一些分功能；如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止（功能元）。功能分解的目的是把复杂的问题简单化。

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机械设计中常用的基本功能元有三类：

1）物理功能元；2）数学功能元；3）逻辑功能元

物理功能元：反映系统中能量流、物料流及信息流的基本物理动作，常用的有五个。(见表2.1)

数学功能元：主要用于机械系统中有一些与数学的加、减、乘、除等有关的功能要求，如差动轮系、求积仪、机械式计算机等，它反映数学的基本动作。(见表2.2)

逻辑功能元：主要用于信息及控制系统中，基本的逻辑功能元有“与”、“或”、“非”元。(见表2.3)

功能元：功能分解到最低层次，直到分解到最后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。1142.1.4功能元、功能结构表2.1常用的物理功能元1152.1.4功能元、功能结构数学功能元1162.1.4功能元、功能结构2.功能结构功能的分解和组合关系称为功能结构。将总功能分解成分功能（功能单位），同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求。图2.7功能结构示意图1172.1.4功能元、功能结构2.功能结构——基本类型

串联串并联循环1182.1.4功能元、功能结构2.功能结构——建立功能结构的一般原则

1）功能结构图可从“黑箱”或设计要求明细表出发来建立。2）先主后次，逐渐完善。首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图；再解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构。4）功能结构不是只有一种形式。5）总功能需要分解到什么程度主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术效应和结构来实现其功能要求1192.1.4功能元、功能结构例：建立材料拉伸试验机的功能结构图黑箱法求总功能总功能分解1202.1.4功能元、功能结构建立功能结构图的流程建立功能结构图的两种方法

1）从总功能出发来层层分解；

2）先建立输入、输出两端的分功能，再根据总功能要求将两端联接起来；建立功能结构图时的注意事项：1）建立功能结构图时，应首先选用表2.1所列的基本功能元；2）功能结构图应尽可能简单，能找到相应的技术效应时就不要再继续分解下去了；3）要把原理方案构思同功能结构图的建立结合起来。1212.1.4功能元、功能结构2.1机械系统的功能原理设计2.1.5功能元（分功能）求解

功能元是功能结构图中最基本的单位，每一个功能元都要求找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元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利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；③利用设计目录求解法。

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一起的一种表格或分类资料。1222.1.5功能元（分功能）求解1232.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。

2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段