机械创新设计五课件

第二篇第二篇 机械创新设计方法机械创新设计方法 5 原理方案的创新设计原理方案的创新设计 对于一个机械设计问题，首先应将它分解为一个问对于一个机械设计问题，首先应将它分解为一个问题序列或称功能序列，搞清楚每一个子功能是什么？然题序列或称功能序列，搞清楚每一个子功能是什么？然后再建立起子功能之间的关系。后再建立起子功能之间的关系。解决每一个子功能应用什么科学原理与什么方法？每解决每一个子功能应用什么科学原理与什么方法？每一个关系如何实现？一个关系如何实现？实现功能的机构或结构设计有宽阔的空间与择优的余实现功能的机构或结构设计有宽阔的空间与择优的余地，实现功能可以采用不同的工作原理，不同的工作原地，实现功能可以采用不同的工作原理，不同的工作原理对应不同的机构或结构方案。理对应不同的机构或结构方案。原理方案的设计是发散原理方案的设计是发散收敛的过程。从功能分析收敛的过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，经优化筛选，求得入手，通过创新构思探求多种方案，经优化筛选，求得最佳原理方案，就是找出可能的机构或结构方案。最佳原理方案，就是找出可能的机构或结构方案。图5-1 外浮式自动抽水方案图5-2 单摆式自动抽水方案DABC3142ABC1D方案设计举例方案设计举例 例例1 船在江河中长时间航行常常会在船底积水，采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用人力排水是比较麻烦的。借助波浪如何随时将积水排出？排出？1-推推 2-摩擦摩擦 3-离心力离心力 4-重力重力 5-粘力粘力 6-气吹气吹 7一气吸一气吸 8一静电一静电例例2：取一张纸方案的方案设计取一张纸方案的方案设计例例3：有急回特性的方案设计有急回特性的方案设计例例4：爬杆机器人爬杆机器人的方案设计的方案设计（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。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年，美国工程师麦尔斯提出的“功能功能”的思想，的思想，他有一句富有哲理性的名言：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顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能能”。这句话在美国经过了三十多年才被人们理解和接受。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。效果也有差异。过去的设计都是从机构、结构、动力学、强度等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。成新的设计构思，提出创造性方案。自从自从“功能功能”概念被接受以后，在产品设计中引概念被接受以后，在产品设计中引发了发了“功能原理功能原理”不断翻新的新气象。在保证实现不断翻新的新气象。在保证实现功能的前提下，可以采用各种不同原理、结构等来功能的前提下，可以采用各种不同原理、结构等来实现功能。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的结构和外形才能被称为是这种“产品产品”。例如，流行了近百年的字头式打印机，到例如，流行了近百年的字头式打印机，到80年代出现了点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，人们终于看到了们终于看到了“功能功能”思想的巨大威力。思想的巨大威力。70年代以后年代以后,“功能思想功能思想”打破了这种习惯，人们开始寻找打破了这种习惯，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。这种功能实现得更完美、更理想。典型机器功能分析典型机器功能分析缝纫机缝纫机黄靖远等主编黄靖远等主编.机械设计学机械设计学.机械工业出版社，机械工业出版社，1999：16-20 1、缝纫机的功能、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。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：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。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针相关构件的运动配合间隙必须保持在0.040.10mm之间，一之间，一些关键动作如钩线又要求在极短时间些关键动作如钩线又要求在极短时间(0.005s)内完成。内完成。2、缝纫机的功能分析、缝纫机的功能分析3421主主要要功功能能引线功能引线功能钩线穿环功能钩线穿环功能挑线功能挑线功能送料功能送料功能（1）1)引线功能引线功能 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。成线环。这是实现双线交织的关键。缝纫机针缝纫机针1-针尖针尖2-针刃针刃3-针柄针柄4-平面平面5-引入槽引入槽 6-引出槽引出槽7-针孔针孔摆梭尖嘴2)钩线穿环功能钩线穿环功能 摆梭尖嘴插入所造线环，摆梭摆动又使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，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。复摆动是实现的该功能的关键。3)挑线功能挑线功能 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。线上下摆动来实现的。4)输送缝料的功能输送缝料的功能 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。动一个线迹距离。当机针退出缝料后，当机针退出缝料后，送布牙就上升并压入送布牙就上升并压入缝料底面，利用摩擦缝料底面，利用摩擦力使缝料移动一个线力使缝料移动一个线迹。而后送布牙下降迹。而后送布牙下降并返回原位，和缝料并返回原位，和缝料脱离接触，以便进行脱离接触，以便进行下一个形成线迹的功下一个形成线迹的功能动作。能动作。送布机构的方案送布机构的方案（2）辅助功能）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。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应能使锁式线迹的交接点绞合在缝料中间。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。拧动压紧底线的螺纹来实现的。2)调节压脚压紧力的功能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。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。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调节送布针距的功能 送布针距影响到线迹密度，送布针距影响到线迹密度，提高线迹密度会增加缝纫牢提高线迹密度会增加缝纫牢度，但过密则会影响缝料强度，但过密则会影响缝料强度。它由送布牙送料距离调度。它由送布牙送料距离调节钮决定。节钮决定。4)绕底线功能绕底线功能 底线须绕在梭心上，才能底线须绕在梭心上，才能进行底面线交织。实现此功进行底面线交织。实现此功能是把梭心装到绕线轴上，能是把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦由高速转动的手轮使上摩擦轮带动绕线轴旋转，而使梭轮带动绕线轴旋转，而使梭心缠绕底线。心缠绕底线。（3）控制功能）控制功能 控制功能主要有三类，即机械、人机、电子控制功能。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。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。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。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。总功能。5.1 工件传送方案设计工件传送方案设计 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，图若实现直线位移方式的工件换位，图5-3、图、图5-4是是常用的设计方案；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，图若实现圆弧运动形式的工件换位，图5-5、图、图5-6是是常用的设计方案；常用的设计方案；图5-5 滑块摇杆式圆弧轨迹运料机构 2BL1R1R202A0O1O23A1图5-6 槽轮换位机构 若实现双位移的工件间歇换位，图若实现双位移的工件间歇换位，图5-75-7是常用的设是常用的设计方案；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，图若实现分类与传送，图5-8是常用的设计方案。是常用的设计方案。ABCDS1234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。132A1B1OCA2B245.3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 自动排列机构一一 自动排列机构自动排列机构二二 自动供料机构自动供料机构 三三 自动上料综合机构自动上料综合机构 间歇运料机构举例间歇运料机构举例间歇运料机构举例间歇运料机构举例5.4 工件抓取机构工件抓取机构齿轮齿条抓取机构齿轮齿条抓取机构蜗杆蜗轮抓取机构蜗杆蜗轮抓取机构齿轮式自锁性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加紧弹簧装于钳口内的机械手夹爪式机械手夹爪式机械手利用螺旋弹簧的弹性机械手利用螺旋弹簧的弹性机械手开口巨大的抓取机构开口巨大的抓取机构加紧弹簧装于钳口外的机械手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 泵机构泵机构 只要容只要容积发生生变化，就可以化，就可以实现泵的功能，从而成的功能，从而成为液体或气体的液体或气体的压缩机。机。很多机构都具有容很多机构都具有容积变化的条件，所以，都可以制造化的条件，所以，都可以制造成成压缩机，机，这些些压缩机在机在输出出压力高低、力高低、压力脉力脉动程程度、度、输出流量大小、制造的复出流量大小、制造的复杂性、成本与工作寿命性、成本与工作寿命上存在差异。上存在差异。图5-195-19为五种容五种容积变化化泵。（b）曲柄滑块机构泵曲柄滑块机构泵（a）双曲柄机构泵双曲柄机构泵123ABCDa414123ABCD1p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日