機械創(chuàng)新設計(第七章)課件

第七章機械運動方案與創(chuàng)新設計

機械運動方案設計是機械產(chǎn)品設計的重要階段，方案設計更具有創(chuàng)造性機械運動方案設計的主要內(nèi)容包括：機械功能目標的擬定；機械工作原理的擬定；機構的選型與組合及機械運動方案創(chuàng)新設計的評價。第一節(jié)機械功能目標的擬定機械的總體功能：代替和減輕人類的勞動并完成有用的機械功。但每一個特定的機械則具有其特定的功能與要求。

機械功能目標是指該機械產(chǎn)品的功用，擬定機械的功能目標時應該對機械產(chǎn)品或機械裝置的具體性能參數(shù)和各項技術指標進行限定（如運轉速度、輸出功率、效率大小等、）機械的功能目標基本反映了機械產(chǎn)品或機械裝置的性能、質量及經(jīng)濟效益情況。在擬定功能目標時必須注意以下五個方面的問題如加工機械的功能主要是改變物料的形狀運輸機械則主要是改變物料的位置轉換能量的機械要輸出一定的功率功能不同，機械的作用也不相同。一、擬定功能目標要進行可行性分析

可行性分析包括：（1）產(chǎn)品開發(fā)的必要性（2）產(chǎn)品開發(fā)的可能性（3）產(chǎn)品開發(fā)的合理性二、擬定功能目標要分清主次，要利于功能的實現(xiàn)

對于復雜的機械系統(tǒng)或機械裝置來說，在擬定功能目標時必須要把總功能進行分解，分解成各個子功能，并且詳細、合理地制定好每個子功能的目標。每個子功能的目標都包含有創(chuàng)新的可能和創(chuàng)新的條件。三、擬定功能目標要利于擴大設計思路

擬定機械功能目標時，盡量地增大設計空間，為機械的創(chuàng)新保留較寬松的環(huán)境。四、擬定功能目標要具有一定的超前意識

設計的目的不只是限于解決問題，還必須積極地尋找問題。在擬定功能目標時，不僅要滿足機械產(chǎn)品的技術條件和性能要求，而應該跳出老框子，注入新的設計觀念和思維方式，應該尋找新路子，尋找出競爭對手還未考慮的一些特殊功能。具有這種超前意識，才能有所創(chuàng)新。五、擬定功能目標要注意產(chǎn)品的生命周期循環(huán)問題生命周期循環(huán)是指產(chǎn)品的制作過程、使用過程、以及使用后過程的一個封閉式循環(huán)。產(chǎn)品使用后的過程一般包括產(chǎn)品的可拆卸功能，可回收利用功能，以及無危害處理功能。提倡綠色環(huán)保產(chǎn)品是今后工業(yè)產(chǎn)品設計中一個值得重視的問題。在功能目標擬定過程中，可能還會有許多應該注意、應該考慮的問題，如產(chǎn)品的美學功能，自行修復功能，甚至記憶功能等。成功的機械運動方案始于對功能的認真擬定。第二節(jié)機械工作原理的擬定

擬定機械工作原理的過程就是把機械的功能目標轉化工藝動作的過程。擬定機械工作原理是一個在功能分析的基礎上，創(chuàng)新構思、搜索探求、優(yōu)化篩選工藝動作的過程。一、擬定工作原理的主要內(nèi)容

1．工藝動作的構思常用構思方法：（1）定向思維或邏輯思維這種思維主要體現(xiàn)在其規(guī)律性，可搜索性（2）多向思維或靈感思維這種思維具有突發(fā)性、偶然性、獨創(chuàng)性、模糊性，它可從不同方向、不同角度，依據(jù)所具備的知識、經(jīng)驗和方法，通過豐富的想象和直覺，直至突發(fā)靈感而產(chǎn)生的新設想、新概念、新方案。（3）聯(lián)想思維或形象思維這種思維方法具有形象性、運動性、概括性、創(chuàng)造性。在創(chuàng)新設計中的運用主要體現(xiàn)在觀察和聯(lián)想，與人的感觀對外界的體驗和反應密切相關。2．工藝動作的分解對于復雜的運動可采取先分解再合成的方法。機械最容易實現(xiàn)的運動形式是轉動和直線移動。插齒機插刀復雜運動的分解與合成，見圖7-1針織機鉤針復合運動的分解，見圖7-23．各子工藝動作的協(xié)調(diào)與配合按工藝動作類型，機械運動循環(huán)可分為兩種，即可變運動循環(huán)和固定運動循環(huán)。其中可變運動循環(huán)是指各執(zhí)行機構的運動是彼此獨立的，或其運動規(guī)律是非周期性，如起重機。因此，設計時不必考慮動作協(xié)調(diào)配合問題。

固定運動循環(huán)則是指各執(zhí)行機構的運動是周期性的，各動作關系互相制約。設計時就要保證各執(zhí)行機構的運動和動作的協(xié)調(diào)配合，不致于發(fā)生運動干涉，為此需要制定一個機械運動循環(huán)圖，規(guī)定每個工藝動作在運動循環(huán)周期內(nèi)應處的位置，以確保各工藝動作的先后次序。制定運動循環(huán)的主要步驟是：（1）分析每個子工藝動作特點，從中確定一個主要動作，以此作為其它動作的位置基準；（2）設定主要動作的位置起點、終點和運動循環(huán)周期；（3）分析其它動作相對主要動作的銜接位置，并且注意兩個動作銜接處要有一定時間間隔，以避免干涉。插齒機的插刀運動機構，運動循環(huán)圖如圖7-3二、擬定工作原理時應注意的幾個問題1．要充分注意機械自身的特點機構必定有機構獨特性質，它具有的性質與生物體的柔軟構造有著本質的區(qū)別。一味的模仿是毫無意義的，也不一定會成功。用手包裝時很自然的作法如圖7-4所示，機械包裝程序如圖7-5所示。2．要注意制品的特點并爭取利用制品即工作對象，若能讓制品也參與機械的運動那將大大的簡化機構的結構，也是一條很巧妙的構思。例如，加工螺紋的搓絲機，見圖7-6。圖7-7是一個搬運鋼板的機械裝置，利用鋼的磁性原理第三節(jié)機構選型及組合

同一個機械工作原理方案可用不同的機構組合來實現(xiàn)。選擇合適的機構和機構組合是機械運動方案設計的重要步驟。一、機構的選型

根據(jù)現(xiàn)有的各種機構按功能要求進行類比地或近似地選擇。再采用各種演化與變異技法進行改造、創(chuàng)新，尋求最優(yōu)解。實現(xiàn)各種運動要求的現(xiàn)有機構可以見表7-1，表7-2和表7-3。表7-1按運動方式對機構進行分類執(zhí)行構件運動方式及功能機構類型典型應用實例與原理勻速運動(1)連桿機構平行四邊形機構雙轉塊機構(2)齒輪機構圓柱齒輪機構圓錐齒輪機構蝸輪蝸桿機構齒輪針輪機構蝸桿針輪機構擺線針輪機構(3)行星輪系(4)諧波傳動機構(5)撓性件傳動機構(6)摩擦輪機構機車車輪聯(lián)動機構、聯(lián)軸器聯(lián)軸器用于減速、增速和變速用于減速、增速、運動的合成與分解減速器遠距離傳動、無級變速無級變速非勻速轉動(1)連桿雙曲柄機構轉動導桿機構曲柄滑塊機構鉸鏈四桿機構(2)非圓齒輪機構(3)撓性件傳動機構慣性振動篩刨床發(fā)動機聯(lián)軸器機床、自動機、壓力機往復移動(1)連桿機構曲柄滑塊機構移動導桿機構(2)齒輪齒條機構(3)凸輪機構(4)楔塊機構(5)螺旋機構(6)撓性件機構(7)氣、液動機構用于沖、壓、鍛等機械裝置縫紉機針頭機構可實現(xiàn)勻速運動，用于插床用于控制動作，如配氣機構壓力機械、夾緊裝置壓力機、車床進刀裝置用于遠距離往復移動升降機往復擺動(1)連桿機構曲柄搖桿機構搖桿滑塊機構擺動導桿機構曲柄搖塊機構等腰梯形機構凸輪機構齒輪齒條機構非圓齒輪齒條機構撓性件傳動機構氣、液動機構破碎機車門啟閉機構具有急回性質，用于牛頭刨機構液壓擺缸，用于自動裝卸汽車轉向機構間歇運動棘輪機構槽輪機構凸輪機構不完全齒輪齒條機構氣、液動機構機床進給、轉位或分度、單向離合器、超越離合器、車床刀架的轉位、自動包裝機的轉位、電影放映機、分度裝置、間歇回轉工作臺間歇回轉、移動工作臺分度、定位實現(xiàn)特定軌跡和位置(1)連桿機構平面四桿機構平行四邊形機構凸輪機構行星輪機構撓性件滑輪機構

連桿上某點可實現(xiàn)特定軌跡，如鶴式起重機的直線軌跡，攪拌機構的封閉曲線軌跡等用于直移或導引，如升降機、萬能繪圖儀等直線移送機構、花編機、實現(xiàn)方形軌跡的等寬凸內(nèi)線機構實現(xiàn)各種花紋圖案導引升降裝置夾壓鎖緊連桿機構凸輪機構螺旋機構斜面機構棘輪機構氣、液動機構利用機構的死點位置或反行程自鎖性質實現(xiàn)夾壓鎖緊利用閥控制合成與分解運動差動齒輪機構差動螺旋機構差動棘輪機構差動連桿機構汽車差速器機車車廂間的聯(lián)結螺旋用于微小的間歇進給數(shù)學運算機構表7-2常用機構的運動及動力特性機構類型運動及動力特性連桿機構可以輸出轉動、移動、擺動，可以實現(xiàn)一定軌跡、位置要求；經(jīng)機構串接還可實現(xiàn)停歇、逆轉和變速功能；利用死點可用于夾緊、自鎖裝置；由于運動副為面接觸，故承載能力大；但動平衡困難，不宜用于高速凸輪機構可以輸出任意運動規(guī)律的移動、擺動，但動程不大；若凸輪固定，從動件作復合運動，則從動件可以實現(xiàn)任意運動軌跡；由于運動副為高副（滾滑副），又靠力或形封閉運動副，故不適用于重載齒輪機構圓形齒輪實現(xiàn)定傳動比傳動，非圓形齒輪實現(xiàn)變傳動比傳動；功率和轉速范圍都很大；傳動比準確可靠螺旋機構輸出移動或轉動，還可以實現(xiàn)微動、增力、定位等功能；工作平穩(wěn)，精度高，但效率低，易磨損棘輪機構輸出間歇運動，并且動程可調(diào)；但工作時沖擊、噪聲較大，只適用于低速輕載槽輪機構輸出間歇運動，轉位平穩(wěn)；有柔性沖擊，不適用于高速撓性件機構常見的撓性件有：帶、鏈、繩；通常撓性件機構傳遞勻速轉動；當輪為非圓形時，可實現(xiàn)非勻速運動；還可實現(xiàn)多軸同步運動；利用撓性件可以實現(xiàn)大距離往復移動，實現(xiàn)運動軌跡等。撓性件具有吸振特點，無噪聲，傳動平穩(wěn)，過載打滑，但傳動比不可靠電氣機構用于傳動和控制。用電、磁元件于機構中，作為中間媒介，可使機構快速起動和停止；實現(xiàn)驅動、傳動、測量、控制、記錄等功能液、氣動機構常用于驅動機構、壓力機構、阻尼機構、閥等；利用流體流量的變化可改變速度，利用流體可壓縮性可吸振、緩沖、阻尼，利用承壓面的大小可改變力表7-3不同工作原理機構的控制方法與價格機械類機構液壓類機構氣壓類機構電磁類機構開關控制各種離合器各種換向閥各種換向閥各種開關、繼電器等進行電流的接通與斷開速度控制利用各種齒輪機構的傳動比，連桿機構的杠桿比等利用各種流量調(diào)節(jié)閥、泵和馬達的容量不易控制利用變壓器、變阻器等力的控制利用齒輪的傳動比以及杠桿比利用溢流閥、減壓閥、泵、壓力開關溢流閥、減壓閥、壓力開關變壓器、變阻器價格比較便宜貴便宜貴在進行機構選型時要注意下列問題：1）按已擬定的工作原理進行機構選型時，應盡量滿足或接近功能目標。滿足動作要求實現(xiàn)某種運動形式的機構類型很多，可多選幾個，再進行比較，保留性能好的，淘汰不理想的。2）機構選型時應力求其結構簡單。主要體現(xiàn)在運動鏈要短，構件和運動副數(shù)目要少，機構尺寸要適度，布局要緊湊。3）機構選型要注意選擇那些加工制造簡單、容易保證較高的配合精度。平面機構中，低副機構比高副機構容易制造；在低副機構中，轉動副比移動副容易保證配合精度。4）機構選型時要能保證機構高速運轉時動力特性良好。動力特性良好主要體現(xiàn)在要保證機械運轉時的動平衡，使機械系統(tǒng)的振動降低到最低水平。高速運轉機構盡量不采用桿式機構，若必須采用，可采用平衡方法，使作用于機座上的振動力（力矩）互相抵消來達到平衡。圖7-8a所布置總的慣性力得到完全平衡，圖7-8b布置總的慣性力得到部分平衡。若采用凸輪機構a)在選擇從動件運動規(guī)律時，其加速度、速度曲線盡量連續(xù)，盡量避免剛性和柔性沖擊。b)某些構件可考慮采用鋁合金等輕質材料。c)為提高系統(tǒng)的剛性，應盡量增大從動件固定導路的長度，縮短從動件在固定導路外伸出的長度。d)凸輪輪廓表面應具備足夠的加工精度與比較低的表面粗糙度。e)凸輪軸最好經(jīng)過動平衡。5）機構的選型也須注意機械效益和機械效率問題。機構的傳動角越大，壓力角越小，機械效益越高，采用最大傳動角的機械。為提高機械效率，機構的運動鏈要盡量短，機構的動力特性要好6）機構選型也要考慮動力源的形式。氣、液源二、機構的組合

機構的組合是指在機構選型的基礎上，根據(jù)功能目標或工藝動作的各種需要，組合創(chuàng)建新機構系統(tǒng)。1）機構的工藝動作復雜。用簡單的，單一的基本機構無法實現(xiàn)復雜的工藝動作，需進行機構的組合。一般常采用并聯(lián)式、復合式或疊加式組合方式2）所選擇的機構性能不好，但又無更好的機構可選。這種組合常采用串聯(lián)式，用于改善機構的性能。如增程、增力、改善機構的運動或動力特性3）有時由于不具備某種動力源，或受其他條件的限制，只有進行機構組合才能實現(xiàn)所要求的工藝動作。插齒機插刀系統(tǒng)中各執(zhí)行機構的選型問題，以往復切削移動為例進行機構的選型分析。表7-4列出了可實現(xiàn)移動的各種機構及其性能特點。根據(jù)具體技術指標和動力源條件，按表7-4，采取排除法，逐一進行淘汰。初選曲柄滑塊機構，再根據(jù)具體的工藝動作要求，進行一定的改進和創(chuàng)新。則需將滑塊與連桿鉸接的平面轉動低副改為具有3個自由度的空間球面副，進行這樣的等效變換后使插刀的復合運動得以實現(xiàn)。如圖7-9所示。為改善機構的動力特性，最好應在曲柄軸上安裝一飛輪，以提高其切削的質量。表7-4實現(xiàn)移動的常見機構性能性能特點曲柄滑塊機構凸輪機構齒輪齒條機構螺旋機構運動速度高較高高一般行程大小及可調(diào)程度行程大小取決于曲柄尺寸，可調(diào)行程小，調(diào)節(jié)困難可任意，可調(diào)可任意，可調(diào)動力性能平衡困難取決于凸輪形狀好好簡單性不太簡單簡單簡單，但一般情況齒輪須擺動才能實現(xiàn)齒條往復移動簡單機械效率一般一般較高低承載能力高較低高高其他特性有急回特性可實現(xiàn)任意運動規(guī)律傳動平穩(wěn)可具有自鎖性用于梳毛機推毛板的傳動機構，要求推毛板實現(xiàn)較大的移動行程。采用機構的串聯(lián)組合方式，利用運動放大的原理，采用六桿機構，在曲柄長度不變的條件下，可獲得較大的行程。見圖7-10。第四節(jié)機械運動方案創(chuàng)新設計的評價

目標是以最低的成本獲取最佳的功能。價值是功能與成本的比值。一、評價內(nèi)容（1）功能性實現(xiàn)預定功能目標、更先進、可調(diào)性、創(chuàng)新與突破。（2）經(jīng)濟性產(chǎn)品設計、制造難易程序，周期的長短，材料的價格以及耗費情況。（3）安全性安全保護裝置（4）可操作性是否方便操作，人機關系的協(xié)調(diào)性能如何等。（5）舒適性外包裝性能以上的評價僅是對預期結果的評價，完全準確的評價還在于產(chǎn)品完全投入市場之時。二、評價的方法

對于機械運動方案的評價可采取各項功能指標量化法，即把參評的各項功能指標用分數(shù)來評價。評分標準的判斷有兩種情況，一種是可用數(shù)值表示的，例如燃量消耗；另一種情況是不能用數(shù)值表示，用良好、較好等定性描述。機械運動方案的評價指標見表7-5。表7-6是三種方案的手表評分表，其中加權系數(shù)用qi表示。表7-5機械運動方案評價指標序號評價指標加權系數(shù)定性描述與相對應得分543210