机械创新设计(第七章)课件

第七章机械运动方案与创新设计

机械运动方案设计是机械产品设计的重要阶段，方案设计更具有创造性机械运动方案设计的主要内容包括：机械功能目标的拟定；机械工作原理的拟定；机构的选型与组合及机械运动方案创新设计的评价。第一节机械功能目标的拟定机械的总体功能：代替和减轻人类的劳动并完成有用的机械功。但每一个特定的机械则具有其特定的功能与要求。

机械功能目标是指该机械产品的功用，拟定机械的功能目标时应该对机械产品或机械装置的具体性能参数和各项技术指标进行限定（如运转速度、输出功率、效率大小等、）机械的功能目标基本反映了机械产品或机械装置的性能、质量及经济效益情况。在拟定功能目标时必须注意以下五个方面的问题如加工机械的功能主要是改变物料的形状运输机械则主要是改变物料的位置转换能量的机械要输出一定的功率功能不同，机械的作用也不相同。一、拟定功能目标要进行可行性分析

可行性分析包括：（1）产品开发的必要性（2）产品开发的可能性（3）产品开发的合理性二、拟定功能目标要分清主次，要利于功能的实现

对于复杂的机械系统或机械装置来说，在拟定功能目标时必须要把总功能进行分解，分解成各个子功能，并且详细、合理地制定好每个子功能的目标。每个子功能的目标都包含有创新的可能和创新的条件。三、拟定功能目标要利于扩大设计思路

拟定机械功能目标时，尽量地增大设计空间，为机械的创新保留较宽松的环境。四、拟定功能目标要具有一定的超前意识

设计的目的不只是限于解决问题，还必须积极地寻找问题。在拟定功能目标时，不仅要满足机械产品的技术条件和性能要求，而应该跳出老框子，注入新的设计观念和思维方式，应该寻找新路子，寻找出竞争对手还未考虑的一些特殊功能。具有这种超前意识，才能有所创新。五、拟定功能目标要注意产品的生命周期循环问题生命周期循环是指产品的制作过程、使用过程、以及使用后过程的一个封闭式循环。产品使用后的过程一般包括产品的可拆卸功能，可回收利用功能，以及无危害处理功能。提倡绿色环保产品是今后工业产品设计中一个值得重视的问题。在功能目标拟定过程中，可能还会有许多应该注意、应该考虑的问题，如产品的美学功能，自行修复功能，甚至记忆功能等。成功的机械运动方案始于对功能的认真拟定。第二节机械工作原理的拟定

拟定机械工作原理的过程就是把机械的功能目标转化工艺动作的过程。拟定机械工作原理是一个在功能分析的基础上，创新构思、搜索探求、优化筛选工艺动作的过程。一、拟定工作原理的主要内容

1．工艺动作的构思常用构思方法：（1）定向思维或逻辑思维这种思维主要体现在其规律性，可搜索性（2）多向思维或灵感思维这种思维具有突发性、偶然性、独创性、模糊性，它可从不同方向、不同角度，依据所具备的知识、经验和方法，通过丰富的想象和直觉，直至突发灵感而产生的新设想、新概念、新方案。（3）联想思维或形象思维这种思维方法具有形象性、运动性、概括性、创造性。在创新设计中的运用主要体现在观察和联想，与人的感观对外界的体验和反应密切相关。2．工艺动作的分解对于复杂的运动可采取先分解再合成的方法。机械最容易实现的运动形式是转动和直线移动。插齿机插刀复杂运动的分解与合成，见图7-1针织机钩针复合运动的分解，见图7-23．各子工艺动作的协调与配合按工艺动作类型，机械运动循环可分为两种，即可变运动循环和固定运动循环。其中可变运动循环是指各执行机构的运动是彼此独立的，或其运动规律是非周期性，如起重机。因此，设计时不必考虑动作协调配合问题。

固定运动循环则是指各执行机构的运动是周期性的，各动作关系互相制约。设计时就要保证各执行机构的运动和动作的协调配合，不致于发生运动干涉，为此需要制定一个机械运动循环图，规定每个工艺动作在运动循环周期内应处的位置，以确保各工艺动作的先后次序。制定运动循环的主要步骤是：（1）分析每个子工艺动作特点，从中确定一个主要动作，以此作为其它动作的位置基准；（2）设定主要动作的位置起点、终点和运动循环周期；（3）分析其它动作相对主要动作的衔接位置，并且注意两个动作衔接处要有一定时间间隔，以避免干涉。插齿机的插刀运动机构，运动循环图如图7-3二、拟定工作原理时应注意的几个问题1．要充分注意机械自身的特点机构必定有机构独特性质，它具有的性质与生物体的柔软构造有着本质的区别。一味的模仿是毫无意义的，也不一定会成功。用手包装时很自然的作法如图7-4所示，机械包装程序如图7-5所示。2．要注意制品的特点并争取利用制品即工作对象，若能让制品也参与机械的运动那将大大的简化机构的结构，也是一条很巧妙的构思。例如，加工螺纹的搓丝机，见图7-6。图7-7是一个搬运钢板的机械装置，利用钢的磁性原理第三节机构选型及组合

同一个机械工作原理方案可用不同的机构组合来实现。选择合适的机构和机构组合是机械运动方案设计的重要步骤。一、机构的选型

根据现有的各种机构按功能要求进行类比地或近似地选择。再采用各种演化与变异技法进行改造、创新，寻求最优解。实现各种运动要求的现有机构可以见表7-1，表7-2和表7-3。表7-1按运动方式对机构进行分类执行构件运动方式及功能机构类型典型应用实例与原理匀速运动(1)连杆机构平行四边形机构双转块机构(2)齿轮机构圆柱齿轮机构圆锥齿轮机构蜗轮蜗杆机构齿轮针轮机构蜗杆针轮机构摆线针轮机构(3)行星轮系(4)谐波传动机构(5)挠性件传动机构(6)摩擦轮机构机车车轮联动机构、联轴器联轴器用于减速、增速和变速用于减速、增速、运动的合成与分解减速器远距离传动、无级变速无级变速非匀速转动(1)连杆双曲柄机构转动导杆机构曲柄滑块机构铰链四杆机构(2)非圆齿轮机构(3)挠性件传动机构惯性振动筛刨床发动机联轴器机床、自动机、压力机往复移动(1)连杆机构曲柄滑块机构移动导杆机构(2)齿轮齿条机构(3)凸轮机构(4)楔块机构(5)螺旋机构(6)挠性件机构(7)气、液动机构用于冲、压、锻等机械装置缝纫机针头机构可实现匀速运动，用于插床用于控制动作，如配气机构压力机械、夹紧装置压力机、车床进刀装置用于远距离往复移动升降机往复摆动(1)连杆机构曲柄摇杆机构摇杆滑块机构摆动导杆机构曲柄摇块机构等腰梯形机构凸轮机构齿轮齿条机构非圆齿轮齿条机构挠性件传动机构气、液动机构破碎机车门启闭机构具有急回性质，用于牛头刨机构液压摆缸，用于自动装卸汽车转向机构间歇运动棘轮机构槽轮机构凸轮机构不完全齿轮齿条机构气、液动机构机床进给、转位或分度、单向离合器、超越离合器、车床刀架的转位、自动包装机的转位、电影放映机、分度装置、间歇回转工作台间歇回转、移动工作台分度、定位实现特定轨迹和位置(1)连杆机构平面四杆机构平行四边形机构凸轮机构行星轮机构挠性件滑轮机构

连杆上某点可实现特定轨迹，如鹤式起重机的直线轨迹，搅拌机构的封闭曲线轨迹等用于直移或导引，如升降机、万能绘图仪等直线移送机构、花编机、实现方形轨迹的等宽凸内线机构实现各种花纹图案导引升降装置夹压锁紧连杆机构凸轮机构螺旋机构斜面机构棘轮机构气、液动机构利用机构的死点位置或反行程自锁性质实现夹压锁紧利用阀控制合成与分解运动差动齿轮机构差动螺旋机构差动棘轮机构差动连杆机构汽车差速器机车车厢间的联结螺旋用于微小的间歇进给数学运算机构表7-2常用机构的运动及动力特性机构类型运动及动力特性连杆机构可以输出转动、移动、摆动，可以实现一定轨迹、位置要求；经机构串接还可实现停歇、逆转和变速功能；利用死点可用于夹紧、自锁装置；由于运动副为面接触，故承载能力大；但动平衡困难，不宜用于高速凸轮机构可以输出任意运动规律的移动、摆动，但动程不大；若凸轮固定，从动件作复合运动，则从动件可以实现任意运动轨迹；由于运动副为高副（滚滑副），又靠力或形封闭运动副，故不适用于重载齿轮机构圆形齿轮实现定传动比传动，非圆形齿轮实现变传动比传动；功率和转速范围都很大；传动比准确可靠螺旋机构输出移动或转动，还可以实现微动、增力、定位等功能；工作平稳，精度高，但效率低，易磨损棘轮机构输出间歇运动，并且动程可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载槽轮机构输出间歇运动，转位平稳；有柔性冲击，不适用于高速挠性件机构常见的挠性件有：带、链、绳；通常挠性件机构传递匀速转动；当轮为非圆形时，可实现非匀速运动；还可实现多轴同步运动；利用挠性件可以实现大距离往复移动，实现运动轨迹等。挠性件具有吸振特点，无噪声，传动平稳，过载打滑，但传动比不可靠电气机构用于传动和控制。用电、磁元件于机构中，作为中间媒介，可使机构快速起动和停止；实现驱动、传动、测量、控制、记录等功能液、气动机构常用于驱动机构、压力机构、阻尼机构、阀等；利用流体流量的变化可改变速度，利用流体可压缩性可吸振、缓冲、阻尼，利用承压面的大小可改变力表7-3不同工作原理机构的控制方法与价格机械类机构液压类机构气压类机构电磁类机构开关控制各种离合器各种换向阀各种换向阀各种开关、继电器等进行电流的接通与断开速度控制利用各种齿轮机构的传动比，连杆机构的杠杆比等利用各种流量调节阀、泵和马达的容量不易控制利用变压器、变阻器等力的控制利用齿轮的传动比以及杠杆比利用溢流阀、减压阀、泵、压力开关溢流阀、减压阀、压力开关变压器、变阻器价格比较便宜贵便宜贵在进行机构选型时要注意下列问题：1）按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或接近功能目标。满足动作要求实现某种运动形式的机构类型很多，可多选几个，再进行比较，保留性能好的，淘汰不理想的。2）机构选型时应力求其结构简单。主要体现在运动链要短，构件和运动副数目要少，机构尺寸要适度，布局要紧凑。3）机构选型要注意选择那些加工制造简单、容易保证较高的配合精度。平面机构中，低副机构比高副机构容易制造；在低副机构中，转动副比移动副容易保证配合精度。4）机构选型时要能保证机构高速运转时动力特性良好。动力特性良好主要体现在要保证机械运转时的动平衡，使机械系统的振动降低到最低水平。高速运转机构尽量不采用杆式机构，若必须采用，可采用平衡方法，使作用于机座上的振动力（力矩）互相抵消来达到平衡。图7-8a所布置总的惯性力得到完全平衡，图7-8b布置总的惯性力得到部分平衡。若采用凸轮机构a)在选择从动件运动规律时，其加速度、速度曲线尽量连续，尽量避免刚性和柔性冲击。b)某些构件可考虑采用铝合金等轻质材料。c)为提高系统的刚性，应尽量增大从动件固定导路的长度，缩短从动件在固定导路外伸出的长度。d)凸轮轮廓表面应具备足够的加工精度与比较低的表面粗糙度。e)凸轮轴最好经过动平衡。5）机构的选型也须注意机械效益和机械效率问题。机构的传动角越大，压力角越小，机械效益越高，采用最大传动角的机械。为提高机械效率，机构的运动链要尽量短，机构的动力特性要好6）机构选型也要考虑动力源的形式。气、液源二、机构的组合

机构的组合是指在机构选型的基础上，根据功能目标或工艺动作的各种需要，组合创建新机构系统。1）机构的工艺动作复杂。用简单的，单一的基本机构无法实现复杂的工艺动作，需进行机构的组合。一般常采用并联式、复合式或叠加式组合方式2）所选择的机构性能不好，但又无更好的机构可选。这种组合常采用串联式，用于改善机构的性能。如增程、增力、改善机构的运动或动力特性3）有时由于不具备某种动力源，或受其他条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作。插齿机插刀系统中各执行机构的选型问题，以往复切削移动为例进行机构的选型分析。表7-4列出了可实现移动的各种机构及其性能特点。根据具体技术指标和动力源条件，按表7-4，采取排除法，逐一进行淘汰。初选曲柄滑块机构，再根据具体的工艺动作要求，进行一定的改进和创新。则需将滑块与连杆铰接的平面转动低副改为具有3个自由度的空间球面副，进行这样的等效变换后使插刀的复合运动得以实现。如图7-9所示。为改善机构的动力特性，最好应在曲柄轴上安装一飞轮，以提高其切削的质量。表7-4实现移动的常见机构性能性能特点曲柄滑块机构凸轮机构齿轮齿条机构螺旋机构运动速度高较高高一般行程大小及可调程度行程大小取决于曲柄尺寸，可调行程小，调节困难可任意，可调可任意，可调动力性能平衡困难取决于凸轮形状好好简单性不太简单简单简单，但一般情况齿轮须摆动才能实现齿条往复移动简单机械效率一般一般较高低承载能力高较低高高其他特性有急回特性可实现任意运动规律传动平稳可具有自锁性用于梳毛机推毛板的传动机构，要求推毛板实现较大的移动行程。采用机构的串联组合方式，利用运动放大的原理，采用六杆机构，在曲柄长度不变的条件下，可获得较大的行程。见图7-10。第四节机械运动方案创新设计的评价

目标是以最低的成本获取最佳的功能。价值是功能与成本的比值。一、评价内容（1）功能性实现预定功能目标、更先进、可调性、创新与突破。（2）经济性产品设计、制造难易程序，周期的长短，材料的价格以及耗费情况。（3）安全性安全保护装置（4）可操作性是否方便操作，人机关系的协调性能如何等。（5）舒适性外包装性能以上的评价仅是对预期结果的评价，完全准确的评价还在于产品完全投入市场之时。二、评价的方法

对于机械运动方案的评价可采取各项功能指标量化法，即把参评的各项功能指标用分数来评价。评分标准的判断有两种情况，一种是可用数值表示的，例如燃量消耗；另一种情况是不能用数值表示，用良好、较好等定性描述。机械运动方案的评价指标见表7-5。表7-6是三种方案的手表评分表，其中加权系数用qi表示。表7-5机械运动方案评价指标序号评价指标加权系数定性描述与相对应得分543210