华科机械原理课件-机构创新设计电子版本.ppt

华科机械原理课件华科机械原理课件-机构机构创新设计创新设计8.1 8.1 机构选型机构选型一、执行构件的运动形式一、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、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、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、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：指非连架杆执行构件的刚体导引运动、刚体导引运动：指非连架杆执行构件的刚体导引运动 5、特殊功能运动：如微动、补偿、特殊功能运动：如微动、补偿、换向等换向等直线运动直线运动曲线运动曲线运动复合运动复合运动往复摆动往复摆动执执行行构构件件运运动动形形式式回转运动回转运动每分钟转数每分钟转数 rpmrpm由两个以上单一运动合成由两个以上单一运动合成间歇转动间歇转动停歇往复直线运动停歇往复直线运动停歇单向直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动沿可变曲线运动连续转动连续转动沿固定曲线运动沿固定曲线运动往复直线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系每分钟转位次数、转角大小、运动系数数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数变化系数每分钟行程数、大小、行程速每分钟行程数、大小、行程速度变化系数度变化系数每次进给量的大小每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度行程大小和工作速度二、机构选型的基本要求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。实现执行构件各种运动形式的常用机构实现执行构件各种运动形式的常用机构 实现执行机构某一运动形式的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求，受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较，然后择优而取。1）实现连续转动的机构啮合传动机构 连 杆 机 构 摩擦传动机构 蜗杆传动 链传动 齿轮传动 平行四边形机构 双曲柄机构 带传动、其 他 机 构 组合机构非圆齿轮万向节柔性传动机构 摩擦轮、双曲柄机构：平行四边形机构双转块机构转动导杆机构定轴齿轮机构圆柱圆锥交错轴蜗轮蜗杆机构周转轮系少齿差摆线针轮谐波齿轮g gb b摩擦轮传动柔型传动机构带传动链传动非圆齿轮传动组合机构齿轮-连杆机构链轮-连杆机构单、双万向联轴节槽轮机构棘轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇运动机构2 2）实现间歇旋转运动的机构）实现间歇旋转运动的机构曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构（包括等腰梯形机构）、由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆动的组合机构等都能够实现往复摆动。3）实现往复摆动的机构带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇往复摆动。此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸（或汽缸），也能实现间歇往复摆动。4）实现间歇往复摆动的机构利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构平面连杆机构平面连杆机构平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件凸轮机构移动从动件凸轮机构移动从动件凸轮机构移动从动件凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构斜面拔销机构斜面拔销机构斜面拔销机构、不完全齿轮不完全齿轮不完全齿轮不完全齿轮移动导杆机构组合移动导杆机构组合移动导杆机构组合移动导杆机构组合等都能够实现间歇往复移动。此外，棘轮棘齿条棘轮棘齿条棘轮棘齿条棘轮棘齿条机构、槽条槽条槽条槽条机构机构机构机构也能实现单向间歇直线移动运动。215）实现间歇往复移动的机构曲柄滑块机构正弦机构移动导杆机构齿轮齿条机构螺旋机构各种移动从动件凸轮机构此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇杆滑块机构的组合也能实现往复移动。6）实现往复移动的机构铰链四杆机构曲柄滑块机构凸轮连杆机构齿轮连杆机构7）实现刚体导引运动的机构利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构（如凸轮连杆机构、齿轮连杆机构）等。8）实现给定曲线（轨迹）运动的机构8.1.2 8.1.2 机构选型的基本原则机构选型的基本原则机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的运动形式有关，而且还与机构的输入构件（主动件）有关，而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。1.原动机的运动形式常用的原动机的输出运动形式可分为：（1）连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马达等等。（2）往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电动机等。（3）往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或汽缸等。（4）间歇运动：如步进电机等。机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般输入构件的运动大多数为连续运动。在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且还应该遵循下列的基本原则：（1）满足工艺动作和运动要求。选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦，而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑，优先采用低副机构。2.机构选型的基本原则摘棉花例：JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件圆柱凸轮机构如图所示，虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求，但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构如图所示。虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线孔轨迹满足使用要求。由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机构。在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少，运动副数目也要少。这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且还可以减少机构的累计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。（2）结构最简单，传动链最短例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直线运动，而且从动件的行程不要太大，可采用图示的结构。也可采用图示的结构目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量例如两种摆杆机构的方案，显然，如图所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构更简单，速度比较容易控制；而如图所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a）复杂得多。这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。（4）机构有尽可能好的动力性能降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低副机构，因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。此外，在保证使用条件的前提下，尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济效益的目的。（5）加工制造方便，经济成本低在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用（7）具有较高的生产效率和机械效率选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机关年纪效益的只要手段之一。在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。8.2机构构型的创新设计构件运动副运动链机构一一.平面机构的组成原理平面机构的组成原理8.2.1 基于组成原理的机构创新设计基于组成原理的机构创新设计机构的自由度机构的自由度机构的自由度数也即是机构所具有的独立运动的数目。1 12 23 34 45 5运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件具有一个机架指某一选定构件，在研究机构运动时作为描述其他构件运动的参考坐标系。具有一个或少数几个作独立运动的构件主动件其余的活动构件称为从动件给定主动件的运动规律后，从动件的运动规律应完全确定。机构的组成原理机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：自由度数自由度数=原动件数原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。称为机构的基本杆组。1 1、杆组、杆组可以再拆成更简单的自可以再拆成更简单的自由度为零的杆组由度为零的杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。对于全低副的杆组：n个构件、pl个低副基本杆组的分类基本杆组的分类 根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：n和pl为整数n=2,4,6 F=3n-2PL=0或 n=(2/3)PL（1）n=2，PL=3的杆组，又叫级杆组（2）n=4，PL=6的杆组，又叫级杆组1 12 2A AB BC C1 12 2A AB BC C1 12 2A AB BC C1 12 2A AB BC C1 12 2A AB BC C1）常见的II级杆组级杆组还有吗？还有吗？特点总结：2个构件 3个低副？n=4,pl=6 的杆组，又叫多杆组中最常见的为级组，其特征是杆组中具有一个一个一个一个3 3 3 3副构件副构件副构件副构件，而每个内副所联接的分支构件是双副构件。2）常见的级杆组级杆组 较级组级别更高的基本杆组有级组等。级组的特征是具有两两两两个个个个3 3 3 3副副副副构构构构件件件件，其四个内副形成四边形。3）更高级别的杆组 不同级别的杆组，不仅是构件数和运动副数不同，而且更重要的是其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。这是十分重要的本质特征。平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。高副低代的含义高副低代的含义高副低代的含义高副低代的含义根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。2 2、平面机构的高副低代、平面机构的高副低代高副低代的条件：高副低代的条件：高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。r r1 1r r2 2高副低代方法 K K1 1K K2 2A AB BC C1 12 2 1 1 2 23 3结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。高副：提供1个约束低副：提供2个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的中心。曲率变化的高副-如何低代?高副两元素之一为直线直线若高副两元素之一为若高副两元素之一为若高副两元素之一为若高副两元素之一为直线，直线，直线，直线，则低代时虚拟构件这则低代时虚拟构件这则低代时虚拟构件这则低代时虚拟构件这一端的一端的一端的一端的转动副将转化转动副将转化转动副将转化转动副将转化为移动副为移动副为移动副为移动副。高副两元素之一为一点一点若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处转动副就在此点处转动副就在此点处转动副就在此点处。齿轮副如何高副低代?1 1 2 2平面机构的结构分类平面机构的结构分类II级机构级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。III级机构级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。I级机构级机构只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。（杠杆机构、斜面机构）机构结构分类的依据：机构结构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。例：例：试确定图示机构的级别。试确定图示机构的级别。级机构例试确定图示平面高副机构的级别（构件1为原动件）级机构为了对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和力分析，通常需要对机构进行结构分析，即,将机构分解为基本杆组和驱动杆组。结构分析的过程与由杆组组成机构的过程正好相反，因此通常也称为拆杆组。3.3.机构的结构分析机构的结构分析 正确计算机构的自由度，以确定原动件数、机架和输出构件，并将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉。如果机构中有高副，应将高副用低副替代。从离原动件最远的输出构件开始（也可从原动件开始），依次进行试拆。每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整机构。试拆时，先按级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组。按所有基本杆组中的最高级别杆组确定该机构的类别，作为对机构进行运动分析和受力分析时选择相应方法的依据。机构结构分析的步骤机构结构分析的步骤:例：例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。71324568III级机构任任何何一一个个平平面面机机构构都都可可以以认认为为是是在在基基本本机机构构的的 基础上，依次添加若干个杆组所形成的。基础上，依次添加若干个杆组所形成的。机构的组成原理：机构的组成原理：机构基本机构基本杆组机构基本机构基本杆组或或级机构级机构级机构级机构71324568举例：举例：由分析可由分析可知，同一知，同一个运动链，个运动链，当改变原当改变原动件时，动件时，机构的级机构的级别有可能别有可能改变。改变。例：例：级机构例：例：级机构拆分基本杆组方法除去局部自由度、虚约束，计算机构的自由度，指定主动件。拆杆组。先试拆级杆组，如不可能，再试拆杆组。杆组的增减不应改变机构的自由度。根据所拆杆组的最高级别，确定该机构的级别。机构的结构分析就是将已知机构分解为主动件、机构的结构分析就是将已知机构分解为主动件、机架和基本杆组。机架和基本杆组。例分析牛头刨床的结构并确定该机构的级别级机构例题：计算图示机构的自由度，并分析机构组成情况。画箭头的构件为原动件。例：计算图示机构的自由度，并分析机构组成情况。画箭头的构件为原动件。解：解：1.1.分析分析2.2.计算自由度计算自由度3.3.高副低代高副低代复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链例题（续）：例题（续）：4.结构分析结构分析级机构级机构级机构级机构求图示机构的自由度，并且画出高副低代的机构简图。并指出杆组的数目与级别以及机构级别。齿轮的高副低代齿轮的高副低代(例例)4、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挑线刺布机构的组成阀门启闭机构的组成阀门启闭机构的组成车轮减震机构车轮减震机构车轮减震机构的六种方案8.2.2 8.2.2 机构构型的变异创新设计机构构型的变异创新设计1、机构的倒置：、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。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、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。件，构成一个扩大的机构。3 3、机构局部结构的改变、机构局部结构的改变（）构件的运动结构改变（）构件的运动结构改变34abOO112c120（）机构的主动构件被另一自由度（）机构的主动构件被另一自由度F=1的机构和构的机构和构件组合所置换件组合所置换4r3b25 a1、机构的移植与模仿、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，成为结构的移植为结构的移植。利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。1221234512345、机构运动副类型的变换、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。创新出不同运动性能的机构。）转动副与移动副之间的变换；）转动副与移动副之间的变换；）高副与低副之间的变换。）高副与低副之间的变换。ABCCBAOO8.2.3 8.2.3 利用机构运动特点创新机构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。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、利用连架杆和连杆运动特点设计新机构新机构1234C排油孔排油孔吸油孔吸油孔ABCD、利用两构件相对运动关系设计新机构、利用两构件相对运动关系设计新机构213475、用成型固定构件实现复杂动作过程。、用成型固定构件实现复杂动作过程。12折边式包裹包装和模板折边式包裹包装和模板基于组合原理的机构创新设计基于组合原理的机构创新设计步骤：步骤：（1）根据机械的工作原理确定执行构件所要完成的）根据机械的工作原理确定执行构件所要完成的运动；运动；（2）将执行构件的运动分解成机构易于实现的基本）将执行构件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运动或动作，分别拟订能完成这些基本运动或构型的方案；的方案；（3）将上述各机构构型方案按某种组合方式组成一）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个新的复合机构。如图所示的手动冲床是六杆或由两个四杆机构组成。一个是原动件（手柄）1、连杆2、从动摇杆3和机架4组成的双摇杆机构；组合机构组合机构下面介绍几种常见的组合机构。一、连杆连杆手动冲床中的复合连杆机构另一个是由摇杆3、小连杆5、冲杆6和机架组成的摇杆滑块机构。采用六杆机构，增大了冲杆的作用力。图所示为筛料机主题机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由原动曲柄1、连杆2、从动曲柄3和机架6组成的双曲柄机构；第二个是由曲柄3（原动件）、连杆4、滑块5（筛子）和机架6组成的曲柄滑块机构。筛料机构的复合连杆机构二、凸轮凸轮机构图所示为由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块3上一点M准确地描绘出虚线所示预定的轨迹。三、连杆凸轮凸轮连杆机构的形式很多，这种组合机构通常用于实现从动件的预定的运动轨迹和规律。图为巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构。主动曲柄OA回转时，B点强制在凸轮凹槽中运动，从而使托杆达到图示运动规律，托包时慢进，不托包时快退，以提高生产效率。因此，只要把凸轮轮廓线设计得当，就可以使托杆达到上述要求。巧克力包装机托包用的连杆-凸轮机构四、连杆棘轮图所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成的组合机构。棘轮的单向步进运动是由摇杆3的摆动通过棘爪4推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆机构ABCD来完成，从而实现了输入构件（曲柄1）的等角速度回转运动转换成输出构件（棘轮5）的步进转动。连杆-棘轮组合8.3 基于功能分析的机构设计 根根据据机机械械预预期期实实现现的的功功能能，考考虑虑选选择择何何种种工工作原理来实现所需的功能要求。作原理来实现所需的功能要求。采采用用不不同同的的工工作作原原理理设设计计出出的的机机械械，其其性性能能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异。结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异。因因此此必必须须根根据据机机械械的的具具体体工工作作要要求求，如如强强度度、精精度度、寿寿命命、效效率率、产产量量、成成本本、环环保保等等诸诸多多因因素综合考虑确定。素综合考虑确定。同同时时在在满满足足要要求求的的前前提提下下尽尽可可能能多多采采用用几几个个方案。方案。8.3.1 功能分析法功能分析法 根根据据工工艺艺要要求求进进行行工工艺艺动动作作的的分分解解及及执执行行运运动动的的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。1）动作及运动设计动作及运动设计 功能分析擦黑板装置擦黑板装置实实现现同同一一种种运运动动，可可以以选选择择不不同同型型式式的的机机构。构。执执行行机机构构的的型型式式设设计计，即即选选用用何何种种机机构构来来实实现现所所需需运运动动，这这需需要要考考虑虑机机构构的的动动力力特特性性、机械效率、制造成本等因素。机械效率、制造成本等因素。2）执行机构型式设计执行机构型式设计 3 3）执行系统的协调设计执行系统的协调设计 对对于于由由多多个个执执行行构构件件及及执执行行机机构构组组合合而而成成的的复复杂杂机机械械，必必须须使使这这些些执执行行构构件件的的运运动动以以一一定定的的次次序序协协调调配配合合，以以完完成成预预期期的工作要求。的工作要求。4 4）机构的尺度设计机构的尺度设计 对对所所选选择择的的各各个个执执行行机机构构进进行行运运动动和和动动力力设设计计，确确定定各各执执行行机机构构的的运运动动学学尺尺寸寸，如如转转动动副副间间的的相相对对位位置置尺尺寸寸、移移动动副副的的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。5 5）运动和动力分析运动和动力分析 对对整整个个系系统统进进行行运运动动分分析析和和动动力力分分析析，检检验验是是否否满满足足运运动动要求和动力性能方面的要求。要求和动力性能方面的要求。拖把 巧妙的挤水设计巧妙的挤水设计1、机构动作功能分解与组合原理的表达形式形态综合法第二次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也难以获得有关技术情报。德军对波兰发动闪击战德军对波兰发动闪击战然而，火箭专家却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的乃是带脉冲发动机的巡航导弹。难道火箭专家有特异功能？没有。火箭专家能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了“形态综合法”的思考方法。形态综合法，是一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。火箭专家运用此法时，先将导弹分解为若干相互独立的基本因素，这些基本因素的共同作用便构成任何一种导弹的效能，然后针对每种基本因素找出实现其功能要求的所有可能的技术形态。在此基础上进行排列组合，结果共得到576种不同的导弹方案。经过筛选分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，火箭专家认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有法西斯德国正在研制的方案。形态综合法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，如下表所示。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、tmn；m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=n1n2ninm。式中，m为功能元数；ni为第i种功能元解的个数。根据机构形态学矩阵，组合成能完成系统总功能的不同机构系统运动方案，然后根据评价指标，优选出符合要求的最佳方案，即可完成机构系统方案的设计。3、机构系统运动方案的组成8.3.2 8.3.2 机构系统搜索法机构系统搜索法为了求得功能元Ui的解，即得到能实现功能元的机构，可采用机构系统搜索法。机构系统搜索法，就是按照机构系统总功能分解出的各分功能(即功能元)来寻找各种可能采用的机构型式，以便组成一个机构系统。其基本思想来源于列举思考法。绝大多数机械设备中，原动机的运动形式为转动。通过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动，而完成分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。表2-2所示为运动形式变换的基本功能及其符号和可以实现该运动变换的机构，可供机构系统搜索时参考。在机构系统运动方案设计和构思中，除了采用运动形式变换的机构外，还要采用实现某种功能的机构，如：差动机构(如差动螺旋机构)；行程放大和行程可调机构；增力及夹持机构(如杠杆机构、具有死点位置的连杆机构等)。8.3.3 8.3.3 机构设计实例机构设计实例洗衣机的开发也可以运用形态综合法，以求在对方案“一网打尽”中获得可行的新方案。2-3-32-3-3机构设计实例机构设计实例首先，对洗衣机进行因素分析，即确定完成洗净衣物所必备的基本功能。先确定洗衣机的总体功能，再进行功能分解，就可得到若干分功能，这些分功能就是洗衣机的基本因素。如果我们定义洗衣机的总功能有“洗净衣物”，那么以此为目的去寻找其手段，便可得到“盛装衣物”，“洗涤去污”和“控制洗涤”等三项分功能。接着，对各分功能进行形态分析，即确定实现这些功能要求的各种技术手段或功能载体。为此，设计者要进行信息检索，分析各种技术手段或方法。对一些新方法还可进行实验或试验，以了解其应用的适用性和可靠性。在上述三种分功能中，“洗涤去污”，是最核心的一项，确定其功能载体时，要针对“分离”二字广思、深思和精思，从机、电、热等技术领域去寻找具有此功能的技术手段。经过功能分析，即可建立如下的洗衣机的形态学原理方案组合的形态学矩阵。技术手段功能1234A、盛装衣服铝桶塑料桶玻璃钢桶B、洗涤去污机械摩擦电磁振荡超声波热胀分离C、控制时间人工手控机械控制电脑自控利用表，可以进行各功能之间的形态要素的排列组合，从理论上说，能够得到3x4x336种方案。在对36种组合的分析中，可以发现：组合方案A1-B1-C2属于普通的波轮式洗衣机。这种洗衣机的工作原理是靠电动机驱动V带传动装置，使波轮旋转，产生水与衣物的机械式摩擦，配合洗涤剂的作用而使衣物与脏物分离。洗涤的时间由机械定时器控制。它的缺点是衣物磨损严重，耗电量大，洗涤效率低，易发生故障，有没有不用波轮的新型洗衣机呢？经过分析，便可发现：组合方案A1-B2-C3、A1-B3-C2和A2-B4-C1等都属于非机械磨擦式的洗衣机方案。对这三种方案作简要的分析。由A1-B2-C3构成的洗衣机可以说是一种电磁振荡式自动洗衣机。它没有波轮，也不用电动机，而是利用电磁振荡可以分离物料的原理来洗涤去污。据国外科研人员试验，按此开发的洗衣机具有洗净度高，不易损害衣物的优点。此外，如果把桶内水排干，还可直接甩干衣物，具有一机两用的特点。由A1-B3-C2构成的洗衣机，应该叫做超声波洗衣机。它也没有拨轮和电动机。设计这种洗衣机的技术关键是要产生20KHz以上的超声波。这种超声波能产生很强的水压，使衣物纤维振动，使洗涤剂乳化，从而使脏物与衣物分离，达到洗涤去污的作用。结构上，这种洗衣机离不开气泵、风量调节、送风管道、空气分散器等基本部件。由技术分析和试验可知，超声波洗衣机也具有磨损轻、洗净度高、无噪音、节水、节电，由A2-B4-C1构成的洗衣机，利用热水使纤维膨胀，在桶内水流作用下造成脏物脱离的原理设计，是一种简易的小型手摇洗衣机。它主要由旋转桶、支架所组成，工作时要往桶内灌装热水和洗涤剂，用手旋转洗衣桶。市面上曾出现过这种热压式洗衣机，虽然结构简单且价格低廉，但因技术相对落后，很快就会被市场淘汰。对于其他的组合方案，在此就不一一分析。应用形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方法的突出优点。但同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析和技术手段的确定这两道关。比如在对洗衣机的技术要素进行分析时，应着重从其应具备的基本功能入手，对次要的辅助功能暂可忽视。在寻找实现功能要求的技术手段时，要按照先进、可行的原则进行考虑，不必将那些根本不可能采用的技术手段填入形态分析表中，以避免组合表过于庞大。当然，一旦形态分析法能结合电子计算机的应用，从庞大的组合表中进行最佳方案的探索也是办得到的。执行系统运动方案设计的思路与策略 根根据据设设计计对对象象的的用用途途和和要要求求，合合理理表表述述机机械械的的功功能能目目标标或或原原理。理。通常表述越抽象，思路就会更宽。通常表述越抽象，思路就会更宽。要要充充分分关关注注在在进进行行功功能能原原理理设设计计和和工工艺艺动动作作分分解解时时要要考考虑虑的的影影响响因因素素，如如产产品品加加工工批批量量、品品种种、规规格格、生生产产率率、质质量量与与工工艺艺要要求求、材料、生产流程、工艺路线及生产方式等。材料、生产流程、工艺路线及生产方式等。确定合适的技术原理。确定合适的技术原理。测厚仪原理方案测厚仪原理方案射线测厚射线测厚机械测厚机械测厚(一一)巧妙的构思巧妙的构思 找准功能原理设计的原点。找准功能原理设计的原点。仿仿生生法法。模模仿仿人人或或动动物物的的动动作作，进进行行分分解解，构构思思出实现预定工作原理的运动和结构。出实现预定工作原理的运动和结构。充分考虑工作对象及物料的几何特性、力学特性。充分考虑工作对象及物料的几何特性、力学特性。滚珠综合检测装置滚珠综合检测装置 1.功功能能分分析析 功功能能分分析析法法(Function analysis)是是系系统统设设计计中中拟拟定定功功能能原原理理方方案案的的主主要要方方法法。一一台台机机器器所所能能完完成成的的功功能能，称称为为机机器器的的总总功功能能(Total function)。功功能能分分析析法法就就是是将将机机械械产产品品的的总总功功能能分分解解成成若若干干功功能能元元(Function element)，然然后后求求解解功功能能元元，再再将将其其组组合合，得得到到满满足足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。(二二)功能分析与功能求解功能分析与功能求解 2.功能求解功能求解 根根据据机机构构的的基基本本功功能能，归归纳纳整整理理为为功功能能元元。任任何何一一个个复复杂杂的的机机构构系系统统所所要要实实现现的的运运动动，都都可可以以认认为为是是由由一一些些基基本本的的功功能能元元按按一一定定规规律律组组成成的的，根根据据功功能能元元就就易易于于找找到到相相应应的的功功能能载载体体，实实现现功功能能元元的的求解。求解。基本功能元及符号表示基本功能元及符号表示 列列出出功功能能元元解解的的目目录录。为为了了便便于于设设计计人人员员进进行行功功能能原原理理的的构构思思，可可以以将将有有关关的的功功能能元元解解，按按一一定定的的分分类类排排序序原原则则，用用矩矩阵阵表表的的形式列出。形式列出。注意功能求解的技巧。进行功能求解时，应注意以下几点：注意功能求解的技巧。进行功能求解时，应注意以下几点：确定工艺动作时要充分注意机械自身的特点确定工艺动作时要充分注意机械自身的特点 把复杂的工艺动作先进行分解再合成把复杂的工艺动作先进行分解再合成 分解后的运动规律要协调配合分解后的运动规律要协调配合 为为实实现现同同一一预预定定的的功功能能目目标标，可可以以选选择择不不同同的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。例例 1 斜斜面面的的应应用用螺螺旋旋压压力力机机、螺螺旋旋千千斤斤顶顶、螺螺纹纹联联接接件件、螺螺旋旋输输送送机机、螺螺杆杆泵泵、螺螺旋旋微微动动机机构、千分尺等构、千分尺等 例例 2 齿齿轮轮加加工工方方法法 无无屑屑加加工工(精精密密铸铸造造、粉粉末末冶冶金金成成型型、滚滚压压成成型型)、切切削削加加工工(成成型型法法、展展成成法法)、成成型型法法加加工工的的盘盘状状齿齿轮轮铣铣刀刀和和指指状状齿齿轮轮铣铣刀、展成法的滚齿和插齿刀、展成法的滚齿和插齿机械执行系统的功能原理机械执行系统的功能原理及运动方案设计的多方案性及运动方案设计的多方案性例例 3 糖果包装机设计糖果包装机设计例例 4 自动输送料板的装置自动输送料板的装置纽结式纽结式折叠式折叠式接缝式接缝式机械推拉机械推拉平板摩擦平板摩擦 工工艺艺动动作作分分解解与与运运动动方方案案选选择择有有着着密密切切关关系系。实实现现同同一一机机器器功功能能时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。例例 5加工内孔加工内孔 摩擦轮摩擦轮底部气吸底部气吸顶部气吸顶部气吸车床车床镗床镗床钻床钻床拉床拉床例例 6加工平面加工平面 牛头刨床刀具往复运动牛头刨床刀具往复运动龙门刨床工件往复运动龙门刨床工件往复运动应用形态分析形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方法的突出优点。但同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析技术要素分析技术手段的确定技术手段的确定这两道关。根根据据各各基基本本动动作作或或功功能能的的要要求求，选选择择或或创创造造合合适适的的机机构构型型式式来来实实现现这这些些动动作作的的工工作作过过程程，称称为为执执行行机机构构的的型型式式设设计计，又又称称为为机机构构的的型型综合。综合。执执行行机机构构型型式式设设计计的的优优劣劣，直直接接影影响响机机械械的的工工作作质质量量、使使用用效效果和结构的繁简程度。这是一项极具创造性的工作。果和结构的繁简程度。这是一项极具创造性的工作。四、执行机构的型式设计与创新四、执行机构的型式设计与创新(一一)执行机构型式设计的原则执行机构型式设计的原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求。满足执行构件的工艺动作和运动要求。尽量简化和缩短运动链。尽量简化和缩短运动链。精确直线机构精确直线机构近似直线机构近似直线机构 分路驱动分路驱动 集中驱动集中驱动冲压床传动系统配置冲压床传动系统配置 尽量减小机构尺寸尽量减小机构尺寸s=2as=4as4a 选择合适的运动副形式选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式考虑动力源的形式电动机作动力源电动机作动力源往复式油缸作动力源往复式油缸作动力源保证机械的安全运转保证机械的安全运转 使执行系统具有良好