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1、,第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计,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,(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,3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。,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
2、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。 机械设计课程中所讲授的各种机械零件则是组成机械系统的基本要素，它们为组成各种不同功能的机械系统而有机地联系着。,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,1. 机械系统设计的任务和类型,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
3、、机械系统设计,2. 机械系统设计过程,机械系统设计过程（续）,机械系统设计、产生过程的另一种表达方式,3. 机械系统设计的基本原则及要求 （1）设计的基本原则 1) 需求原则 2) 信息原则 3) 系统原则 4) 优化、效益原则,（2）设计的基本要求 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,四、机械系统设计在机械工程学科中的地位及作用,机械系统从构思到实现要经历设计和制造两大不同性质的阶段。按照经历阶段的不同，机械工程学科可分成机械学和机械制造两大分学科。,机械学是对机械进行功能综合并定量描述及控制其性能的基础技术科学。它
4、的主要任务是把各种知识、信息注入到设计中，加工成机械制造系统能接受的信息并输入到机械制造系统。,机械制造是接受设计输出的指令和信息，并加工出合乎设计要求的产品的过程。因此，机械制造学科是研究机械制造系统、机械制造过程手段的科学。,设计和制造是两个不可分割的统一体，其中设计是核心，制造是基础。若忽视了这一点就有可能出现：用先进的设计技术设计出“质量很差的先进产品”，或用先进的制造技术生产出“落后的高质量产品”的现象。因此，两者决不能偏废。,机械工程学科的组成,总体方案设计 执行机构设计 功能原理设计 运动规律设计 选型构型设计 运动协调设计 传动系统设计 原动机选择,机构创新设计,机械系统运动方
5、案设计步骤,产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。,机械系统的总体方案设计,总体方案设计的内容： 从原动机传动机构执行机构的整个系统的设计 包括：控制系统的方案设计、其它辅助系统的设计（主要有润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等）。 设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。,设计人员在进行了大量相关资料查阅之后，应设计出几种不同的功能原理方案，以便从中选出较理想的一个为下一步总体设计奠定基础。针对产品主要功能而进行的功能原理设计这一步，在整个设计中是非常重
6、要的一环。一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时又能满足用户的需求。因此，在培养设计人员时，不仅要注重机构和结构设计的培养和训练，而且更应注重功能原理设计的培养和训练。 “顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能”。,“功能”是产品的核心和本质。 设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构，更重要的是要进行功能原理的构思。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。 每个系统都有自己的功能，如运输工具的功能是运货或运客；电动机的功能是能量转换等。 用户对产品功能的需求则是有条件的，即功能的使用地点及环境条件、功能的定量与定性参数、实现功能的具体结构
7、与手段、功能的经济性等。,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,机械系统的功能原理设计,功能原理设计的任务，就是根据机械预期的工艺要求或使用要求，构思出所有可能实现给定要求的功能原理，加以分析比
8、较，从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。,例10-1 要求设计一自动送料板的装置。,例10-2 设计一糖果包装机。,可见：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。,例10-3 设计一台加工内孔的机床。,车床 镗床 钻床 拉床,例10-4 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
9、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10-5 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
10、边凝固。,通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点： 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。 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。 功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。 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。,功能原理方案设计步骤,功能原理设计的设计方法“黑箱法” 一个设计任务往往有许多差异很大的方案。许多设计人员一般习惯于先画出几个总结构图或方案图，然后从中选择一个，再进行更详细的设计。这种设计方法的弊端是带有很大的盲目性，同时，由于设计人员
11、的知识和经验有一定的局限性，很容易使其在原理方案构思之前就形成了某种框框，因而妨碍了思维，束缚了创造力。 随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们在对系统功能原理设计时，常采用一种“抽象化”的方法“黑箱法”。此方法是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，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。这样，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。,例如自行车的功能原理设计。,自行车 （黑箱）,输入,输出,蹬力或推力,车的行走,自行车功能原理系统图,又如机床设计。,“黑箱法”示意图,“黑箱法”的
12、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,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以分解为一些分功能。 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，这个基本功能单位就叫功能元。 功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最
13、小单位。 机械设计中常用的基本功能元有物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。,功能分解与功能元,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,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
14、求解方法主要有： 参考有关资料、专刊或产品求解法； 利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法； 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。,部分功能元解法目录,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：操作手柄旋转运动； 打孔针作直线往复运动； 杆件数目为4个； 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
15、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,牛头刨床由多种机构组成，连杆机构实现切削运动，棘轮机构及丝杠传动实现工作台的水平进给。工作台、刀架与滑枕是执行构件。,牛头刨床,运动参数的给定,运动参数包括： 运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动） 运动特点（连续式、间歇式、往复式） 运动范围（极限尺寸、转角及位移） 运动速度（等速、不等速）,运动规律设计,把复杂的运动规律(工艺动作)进行分解。任何复杂的运动过程总是由一些最基本的运动合成的，因而总可以将执行构件所要完成的运动分解为机构易于实现的基本运动。 机构所能实现的
16、基本运动形式有：单向转动，单向移动，往复摆动，往复移动及间歇运动等。,绘图机,实现间歇转动的机构,机构选型与构型设计,直线运动 回转运动 任意轨迹运动 点到点的运动 位到位的运动,（见机构创新设计）,执行机构的运动分为：,执行机构的运动类型及典型机构,1. 实现直线运动的机构,齿轮齿条机构,螺旋机构,曲柄滑块机构,凸轮机构,2. 实现回转运动的机构,齿轮传动机构,双曲柄机构,3. 实现运动轨迹的机构,4. 点到点的运动机构,曲柄滑块机构,凸轮机构,5. 位到位的运动机构,夹紧机构,功能技术矩阵图,执行机构的运动协调与运动循环图,多个执行构件协调工作以完成同一任务 需有准确而协调的运动时间和运动顺序 防止出现某一执
