机械创新设计第五章

机械创新设计第五章图5-1外浮式自动抽水方案图5-2单摆式自动抽水方案DABC3142ABCω1D方案设计举例例1船在江河中长时间航行常常会在船底积水，采用人力排水是比较麻烦的。借助波浪如何随时将积水排出？1-推2-摩擦3-离心力4-重力5-粘力6-气吹7一气吸8一静电例2：取一张纸方案的方案设计例3：有急回特性的方案设计例4：爬杆机器人的方案设计（a）（b）

（c）（a）（b）方案设计的第一步就是确定被设计对象的功能，对于已经存在的产品就是改进它的功能，对于将要设计的产品是细化设计它应该具有的功能。

1947年，美国工程师麦尔斯提出的“功能”的思想，他有一句富有哲理性的名言：

“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。这句话在美国经过了三十多年才被人们理解和接受。不同的原理方案，对应不同的结构设计，其实现的效果也有差异。

过去的设计都是从机构、结构、动力学、强度等入手，而功能分析是转为对功能思考，从而做到不受现有结构的束缚，怎样更好地实现功能，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。自从“功能”概念被接受以后，在产品设计中引发了“功能原理”不断翻新的新气象。在保证实现功能的前提下，可以采用各种不同原理、结构等来实现功能。

70年代之前，每一种产品似乎都有几十年不变的历史，它们的原理、结构甚至外形都没有太大的变化，似乎只有这样的结构和外形才能被称为是这种“产品”。例如，流行了近百年的字头式打印机，到80年代出现了点阵式针式打印机，继而出现了喷墨打印机，激光打印机，人们终于看到了“功能”思想的巨大威力。

70年代以后,“功能思想”打破了这种习惯，人们开始寻找不同的原理、结构和外形来实现同一种功能，而且有可能使这种功能实现得更完美、更理想。

典型机器功能分析——缝纫机黄靖远等主编.机械设计学.机械工业出版社，1999：16-201、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～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。

5.1工件传送方案设计工件传送是物流自动化过程中的重要环节，工件传送的功能是实现工件的分类与换位。若实现直线位移方式的工件换位，图5-3、图5-4是常用的设计方案；图5-3含直线轨迹的步进输送机构ABC1234图5-4直线运动供料机构若实现圆弧运动形式的工件换位，图5-5、图5-6是常用的设计方案；图5-5滑块摇杆式圆弧轨迹运料机构

2ψBLω1R1R2φ02A0O1O23ψφA1图5-6槽轮换位机构

若实现双位移的工件间歇换位，图5-7是常用的设计方案；123456123456图5-7两个滑块具有不同行程的送料机构

若实现分类与传送，图5-8是常用的设计方案。ABCDⅠⅡⅢS1234图5-8分送工件机构5.2构件变位方案设计

构件位姿变化是机构设计中的常见问题，图5-9、图5-10是双摇杆机构在靠背换向、炉门启闭上的应用；图5-11是双摇杆机构在翻砂脱模作业上的应用。132A1B1OCA2B24自动上料机构方案设计自动上料机构包括自动排列机构、供料机构等。图5-12为自动排列机构；图5-13、图5-14为自动供料机构；图5-15、图5-16为自动上料综合机构。

图5-12自动排列机构一自动排列机构二自动供料机构

三自动上料综合机构

间歇运料机构举例间歇运料机构举例5.4工件抓取机构齿轮齿条抓取机构蜗杆蜗轮抓取机构齿轮式自锁性抓取机构加紧弹簧装于钳口内的机械手夹爪式机械手利用螺旋弹簧的弹性机械手开口巨大的抓取机构加紧弹簧装于钳口外的机械手(a)

(b)

(c)

(d)图5-18四种几何形状不确定的物料抓取机构(a)利用钢丝绳实现六瓣爪的异步动作，图(b)、(c)、(d)利用液压油实现各瓣爪的异步动作，从而实现对被抓取对象的自适应抓取。

5.5泵机构只要容积发生变化，就可以实现泵的功