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1、第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计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）机械的概念（回顾）一、机械、机械系统、系统一、机械、机械系统、系统机器机构构件零件机械第一节第一节 机械系统方案设计概论机械系统方案设计概论第1页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计(1)机器机器 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。它有三个特征三个特征。(2)机构机构 是用来传递与变换运动和动力的可动装置。它有两个特征两个特征
2、。回顾第2页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机机构构的的特特征征1）它是人为的实体组合；）它是人为的实体组合；2）各实体之间具有确定的相对运动；）各实体之间具有确定的相对运动；机机器器的的特特征征3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为机械机械。机构机构机器机器回顾第3页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计2.系统、机械系统系统、机械系统 系统系统指具有特定功
3、能的、相互间具有一定联系的许指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。多要素构成的一个整体。系统本身可分成若干个子系统。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。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。系统本身还可以作为更大系统的一个子系统。任何任何机械产品机械产品都是由若干个零部件及装置组成的一个特定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，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，故亦称之为彼此间有机联系，并能完
4、成特定的功能，故亦称之为机械系统机械系统。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。系着。第4页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计动力系统动力系统传动系统传动系统执行系统执行系统操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统支支 承承 系系 统统安全系统安全系统-润滑系统润滑系统-冷却系统冷却系统-密封系统等密封系统等二、机械系统的组成二、机械系统的组成第5页/共84页第十章第
5、十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计1.机械系统设计的任务和类型机械系统设计的任务和类型设计类型设计类型开发性创新设计开发性创新设计组合创新设计组合创新设计改良性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。美的机械产品，以取得较好的经济效益。三、机械系统设计三、机械系统设计第6页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计2.机械系统设
6、计过程机械系统设计过程初初期期规规划划设设计计阶阶段段选题选题调研调研预测预测可行性可行性论证论证确定设确定设计任务计任务选择设计对象，提出设计题目选择设计对象，提出设计题目市场调查：预测销售量及市场占有率市场调查：预测销售量及市场占有率技术调查：预测技术可行性及产品成本技术调查：预测技术可行性及产品成本同行调查：预测领先的可能性同行调查：预测领先的可能性论证产品开发的必要性和产品设计、制造、论证产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性销售上各项措施实施的可能性明确设计目标及需达到的功能和性能指标明确设计目标及需达到的功能和性能指标调研调研报告报告论证论证报告报告设计设计任
7、务书任务书总总体体方方案案设设计计阶阶段段目标目标分析分析根根据据设设计计任任务务，进进行行功功能能分分析析、工工艺艺动动作作分解，明确各工艺动作的工作原理分解，明确各工艺动作的工作原理创新创新构思构思构构思思执执行行机机构构的的运运动动方方案案并并进进行行运运动动规规律律设计、机构型式设计和协调设计设计、机构型式设计和协调设计方案方案拟定拟定拟拟定定总总体体方方案案，进进行行执执行行系系统统、传传动动系系统统、原动机的选择和基本参数设计原动机的选择和基本参数设计方案方案评价评价对对方方案案进进行行有有关关计计算算，做做模模拟拟试试验验，进进行行功能、性能评价和技术、经济评价功能、性能评价和技
8、术、经济评价方案方案决策决策选选最最优优，确确认认总总体体设设计计方方案案，绘绘制制系系统统运运动简图，编写总体方案设计计算说明书动简图，编写总体方案设计计算说明书总体方总体方案示意案示意图、图、机机械系统械系统运动简运动简图、运图、运动循环动循环图、图、方方案设计案设计计算说计算说明书明书第7页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统设计过程（续）机械系统设计过程（续）结构结构设计设计尺寸尺寸设计设计图纸图纸绘制绘制工艺工艺设计设计工装工装设计设计施工施工设计设计结结构构技技术术设设计计阶阶段段生生产产施施工工设设计计阶阶段段从从加
9、加工工工工艺艺、装装配配工工艺艺性性等等因因素素出出发发，设计零部件的结构形式及连接方法设计零部件的结构形式及连接方法选选择择零零件件材材料料、热热处处理理方方法法和和要要求求，确确定定零零部部件件各各部部分分的的尺尺寸寸、公公差差、精精度度及及制造安装的技术条件制造安装的技术条件绘绘制制总总装装配配图图、各各类类系系统统图图、部部件件装装配配图和零件图。编制设计计算说明书图和零件图。编制设计计算说明书进进行行加加工工工工艺艺、装装配配工工艺艺设设计计。制制定定工工艺流程及零部件检验标准艺流程及零部件检验标准进进行行加加工工、装装配配时时必必要要的的工工具具、卡卡具具、夹夹具具和和模模具具的的
10、设设计计，包包括括必必要要的的专专用用加加工设备及装置的设计工设备及装置的设计制定装配调试、试运行及性能测试的步制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标骤及各阶段的技术指标全套设全套设计图纸、计图纸、设计计设计计算说明算说明书书工艺流工艺流程卡、程卡、工装设工装设计图、计图、基础安基础安装图、装图、使用说使用说明书等明书等第8页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统设计、产生过机械系统设计、产生过程的另一种表达方式程的另一种表达方式连接连接第9页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方
11、案及机构的创新设计3.3.机械系统设计的基本原则及要求机械系统设计的基本原则及要求（1 1）设计的基本原则）设计的基本原则 1)1)需求原则需求原则 2)2)信息原则信息原则 3)3)系统原则系统原则 4)4)优化、效益原则优化、效益原则（2 2）设计的基本要求）设计的基本要求 1)1)功能要求功能要求 2)2)适应性要求适应性要求 3)3)可靠性要求可靠性要求 4)4)生产能力要求生产能力要求 5)5)使用经济性要求使用经济性要求 6)6)成本要求成本要求第10页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计四、机械系统设计在机械工程学科中的地位
12、及作用四、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。造两大分学科。机械学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。它的主要任务是把各种知识、信息注入到设计中，础技术科学。它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。加工成机械制造系统能接受的信息并输入
13、到机械制造系统。机械制造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、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。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计出“质量很差的先进产品质量很差的先进产品”，或用先进的制造技术生产出，或用先进的制造技术生产出“落
14、落后的高质量产品后的高质量产品”的现象。因此，两者决不能偏废。的现象。因此，两者决不能偏废。第11页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机械工程学科的组成机械工程学科的组成第12页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计第二节第二节 机械系统的总体方案设计机械系统的总体方案设计 总体方案设计总体方案设计 执行机构设计执行机构设计 功能原理设计功能原理设计 运动规律设计运动规律设计 选型构型设计选型构型设计 运动协调设计运动协调设计 传动系统设计传动系统设计 原动机选择原动机选择机构创新设
15、计机构创新设计机机械械系系统统运运动动方方案案设设计计步步骤骤第13页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 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机械系统的总体方案设计 总体方案设计的内容总体方案设计的内容：从原动机从原动机传动机构传动机构执行机构的整个系统的设计执行机构的整个系统的设计包包括括：控控制制系系统统的的方方案案设设计计、其其它它辅辅助助系系统统的的设设计计（主主要要有有润润滑滑系统、冷却系
16、统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等）。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。设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。第14页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 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
17、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，而顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能是产品所具有的功能”。第15页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 “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
18、的具体结构与手段、功能的经济性等。第16页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 在以上各功能中，基本功能必须保证，且在设计中不能改变；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
19、些非必要功能做出明确的决定。哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。所谓所谓“功能原理设计功能原理设计”就是针对所设计产品的主要功能提出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。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：功能的分类：功能功能必要功能必要功能非必要功能非必要功能基本功能基本功能附加功能附加功能第17页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的功能原理设计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
20、有可能实现给定要求的功能原理，加以分析比较，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。第18页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例例10-1 要求设计一自动送料板的装置。要求设计一自动送料板的装置。第19页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例例10-2 设计一糖果包装机。设计一糖果包装机。可见：功能原理不同，工艺动作（运动规律）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。也不同，执行机构型式自然不一样。第20页/共84页第十章第十章
21、机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例例10-3 设计一台加工内孔的机床。设计一台加工内孔的机床。车床车床 镗床镗床 钻床钻床 拉床拉床第21页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例例10-4 设计草地剪草机。设计草地剪草机。分析：对杂草进行剪修通常的办法有：分析：对杂草进行剪修通常的办法有：拉拉可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高度，即无可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。法使草地整齐。割断割断像割麦一样，需要握住杂草的上部才能割断。像割麦一样，需要握住杂草的上部才能割断。剪断剪断利
22、用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。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。推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。第22页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 后来设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的启后来设计人员受到杂技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。体。于是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约于是
23、一种新型的割草机诞生了：用一根直径约2mm的高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。草坪修剪出来，如下图所示。第23页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例例10-5 平板玻璃制造。平板玻璃制造。传统制造平板玻璃都是采用传统制造平板玻璃都是采用“垂直引上法垂直引上法”，见图，见图a。此法是把半流体的玻璃从熔池中不。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
24、加工出来的玻璃表面总是向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用“浮浮法法”制造平面玻璃的新工艺，用此方法生产出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。图来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。图b是是“浮法浮法”加工的示意图：让液态玻璃飘浮在加工的示意图：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。第24页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特点：通
25、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。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、新材功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺料、新工艺，但首先要求设计人员要有一种新想，但首先要求设计人员要有一种新想法、新构思。法、新构思。功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。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。
26、决定性作用，设计人员必须给予高度重视。第25页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计功能原理方案设计步骤第26页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计功能原理设计的设计方法功能原理设计的设计方法“黑箱法黑箱法”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
27、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。第27页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计例如自行车的功能原理设计。例如自行车的功能原理设计。自行车自行车（黑箱）（黑箱）输入输入输出输出蹬力或推力蹬力或推力车的行走车的行走自行车功能原理系统图
28、自行车功能原理系统图第28页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计又如机床设计。又如机床设计。第29页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计“黑箱法黑箱法”示意图示意图第30页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 “黑箱法黑箱法”的特点是通过的特点是通过“黑箱黑箱”与输入、输出量与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统及周围环境的信息联系，了解系统(产品产品)的功能、特性，的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使进一步
29、探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱黑箱”透亮，透亮，直至方案拟定。直至方案拟定。它摆脱了具体设计对象，而按系统它摆脱了具体设计对象，而按系统(产品产品)的功能和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。于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案。黑箱黑箱第31页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一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。个系统的总功
30、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基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫功能元功能元。功能元是能直接从技术效应功能元是能直接从技术效应(如物理效应、化学效如物理效应、化学效应等应等)及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。机械设计中常用的基本功能元有机械设计中常用的基本功能元有物理功能元物理功能元、数、数学功能元和逻辑功能元。学功能元和逻辑功能元
31、。功能分解与功能元功能分解与功能元第32页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计常用的五种物理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的转变及信号种类的转换等指各种物理量指各种物理量(如位移、速度、力如位移、速度、力)的的放大或缩小等放大或缩小等包括能量流、物料流、信息流的结合包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成或分解）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体现三大流在
32、一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的储存光盘等的储存反映能量流、物料流、信息流的位置反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等变化。如离合器、开关、阀门等第33页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计功能元（分功能）的求解功能元（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、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。物理效应。功能
33、元的求解方法主要有：功能元的求解方法主要有：参考有关资料、专刊或产品求解法；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。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。一起的一种表格或分类资料。第34页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计部分功能元解法目录部分功能元解法目录连杆连杆第35页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系
34、统的运动方案及机构的创新设计机械一次增力功能元解法目录机械一次增力功能元解法目录第36页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计四四杆杆机机构构运运动动转转换换解解法法目目录录第37页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计第六步：第六步：订书打孔机的四种原理方案解见图。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。设计举例：设计手动订书打孔机。设计要求：设计要求：操作手柄旋转运动；操作手柄旋转运动；打孔针作直线往复运动；打孔针作直线往复运动；杆件数目为杆件数目为4个；个；省
35、力。省力。解题步骤：解题步骤：第一步：第一步：确定总功能确定总功能(打孔打孔)。第二步：第二步：总功能分解总功能分解(输入的旋转运动变为输出的直线运动；输入的旋转运动变为输出的直线运动；力增大力增大)。第三步：第三步：由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可 查查四杆机构运动转换解法目录，四杆机构运动转换解法目录，以寻求解法。以寻求解法。第四步：第四步：选取选取2、4、7、9四个方案。四个方案。第五步：第五步：增力机构选取杠杆机构。增力机构选取杠杆机构。第38页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创
36、新设计订书打孔机原理方案解订书打孔机原理方案解第39页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 牛头刨床由多种机构牛头刨床由多种机构组成，连杆机构实现切削组成，连杆机构实现切削运动，棘轮机构及丝杠传运动，棘轮机构及丝杠传动实现工作台的水平进给。动实现工作台的水平进给。工作台、刀架与滑枕是执工作台、刀架与滑枕是执行构件。行构件。牛头刨床牛头刨床第三节第三节 机械执行系统设计机械执行系统设计第40页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计运动参数的给定运动参数的给定运动参数包括：运动参数包括：运
37、动形式运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）（直线运动、回转运动、曲线运动）运动特点运动特点（连续式、间歇式、往复式）（连续式、间歇式、往复式）运动范围运动范围（极限尺寸、转角及位移）（极限尺寸、转角及位移）运动速度运动速度（等速、不等速）（等速、不等速）第41页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计运动规律设计运动规律设计 把复杂的运动规律把复杂的运动规律(工艺动作工艺动作)进行分解。任何复杂的运动进行分解。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
38、的运动分解为机构易于实现的基本运动。所要完成的运动分解为机构易于实现的基本运动。机构所能实现的基本运动形式有：单向转动，单向移动，机构所能实现的基本运动形式有：单向转动，单向移动，往复摆动，往复移动及间歇运动等。往复摆动，往复移动及间歇运动等。绘绘图图机机第42页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计实现间歇转动的机构实现间歇转动的机构第43页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机构选型与机构选型与构型构型设计设计 直线运动直线运动回转运动回转运动任意轨迹运动任意轨迹运动点到点的运动点
39、到点的运动位到位的运动位到位的运动（见机构创新设计）（见机构创新设计）执行机构的运动分为：执行机构的运动分为：第44页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计执行机构的运动类型及典型机构执行机构的运动类型及典型机构 1.1.实现直线运动的机构实现直线运动的机构齿齿轮轮齿齿条条机机构构螺螺旋旋机机构构曲曲柄柄滑滑块块机机构构凸凸轮轮机机构构第45页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计2.2.实现回转运动的机构实现回转运动的机构 齿轮传动机构齿轮传动机构 双曲柄机构双曲柄机构 第46页/共8
40、4页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计3.3.实现运动轨迹的机构实现运动轨迹的机构 第47页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计4.4.点到点的运动机构点到点的运动机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 凸轮机构凸轮机构 第48页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计5.5.位到位的运动机构位到位的运动机构 夹紧机构夹紧机构第49页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计功能技术矩阵图功能技术矩
41、阵图第50页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计执行机构的运动协调与运动循环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需有准确而协调的运动时间和运动顺序防止出现某一执行构件工作不到位防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉或两个以上执行构件在同一空间发生干涉运动循环图有三种表达方式：运动循环图有三种表达方式：直线式运动循环图直线式运动循环图圆周式运动循环图圆周式运动循环图直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图右图是牛头
42、刨床的运动循环图右图是牛头刨床的运动循环图第51页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 常用的传动机构有：常用的传动机构有：齿齿轮轮机机构构连连杆杆机机构构凸凸轮轮机机构构螺螺旋旋机机构构第四节第四节 机械传动系统设计机械传动系统设计第52页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计 机构的创新设计包括：机构的创新设计包括：对原有机构的创新应用对原有机构的创新应用 新机构的构思新机构的构思 机械的发展需要机构的创新。机构的创新是机构学发展的源泉。机构的创新设计不是简单地在现有机构中选择合适
43、的机构类型，而应当在创造性基本原理和法则的指导下，运用机构学原理及其他学科知识，进行创造性思维，设计出结构新颖、功能独特、性能优良、简单灵巧的新机构。创新设计机构，需要基础扎实、思路开阔、知识广博、创新意识强、掌握科学的方法。第五节第五节 机构的创新设计机构的创新设计第53页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计机构的创新设计方法机构的创新设计方法 1 1机构的变异创新设计机构的变异创新设计 为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机有某些性能与特点，改
44、变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构。称此种演变为构的基础上，演变发展出新的机构。称此种演变为变变异异，变异得到的新机构称之为，变异得到的新机构称之为变异机构变异机构。（l l）机构的倒置）机构的倒置 机构内活动构件与机架的机构内活动构件与机架的转换，称为机构的转换，称为机构的倒置倒置。第54页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（2 2）机构的扩展）机构的扩展 以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，称为机构的扩大的新机构，称为机构的扩展扩展。双滑块双滑块+曲
45、柄滑快曲柄滑快曲柄转动一周，滑块两次往复行程曲柄转动一周，滑块两次往复行程第55页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（3 3）机构局部结构的改变）机构局部结构的改变 改变机构局部结构改变机构局部结构(包括构件运动结构和机构组成包括构件运动结构和机构组成结构结构)，可以获得具有特殊运动性能的机构。，可以获得具有特殊运动性能的机构。第56页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（4 4）机构结构的移植）机构结构的移植 将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设将一机构中的某种结构应用于另
46、一种机构中的设计方法，称为机构的计方法，称为机构的移植移植。第57页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（5 5）机构运动副类型的变换）机构运动副类型的变换 改变机构中的某个或多个运动副的型式，可创新设计改变机构中的某个或多个运动副的型式，可创新设计出不同运动性能的机构。通常的变换方式有三种：出不同运动性能的机构。通常的变换方式有三种：一种是转动副与移动副之间的变换（略）一种是转动副与移动副之间的变换（略）;一种是高副与低副之间的变换（略）一种是高副与低副之间的变换（略）;一种是同性移动副的变换，如下图：一种是同性移动副的变换，如下图：第
47、58页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计2.2.利用机构运动特点创新机构利用机构运动特点创新机构 利用现有机构的工作原理，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状等，可创新设计出新的机构。（1 1）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构利用连架杆或连杆运动特点设计新机构第59页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计6倍率肘杆式虎钳倍率肘杆式虎钳钢锭供料机构钢锭供料机构（1 1）利用连架杆利用连架杆或连杆运动特点设或连杆运动特点设计新机构（续）计新机构（续）第60页/共84
48、页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（2 2）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 巧妙利用两构件相对运动关系来完成独特的动作巧妙利用两构件相对运动关系来完成独特的动作过程，可使设计的机构简单实用。过程，可使设计的机构简单实用。第61页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（3 3）用成型固定构件实现复杂用成型固定构件实现复杂动作过程动作过程 第62页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计3 3基于组成原理的机
49、构创新设计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连接到原动件和机架上，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。（l l）将杆组依次连接到原动件和机架上去设计新将杆组依次连接到原动件和机架上去设计新机构机构 第63页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计（2 2）将杆组连接到机构上设计新机构）将杆组连接到机构上设计新机构 为改变现有机构，可将杆组搭接到此机构上，设为改变现有机构，可将杆组搭接到此机构上，设计出新机构。计出新机构。第64页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新
50、设计机械系统的运动方案及机构的创新设计4 4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 在实际工程中，对机构的运动形式、运动规律及动力性能等的要求各不相同，其中有些要求用基本机构及其变异机构难以满足，而要把一些基本机构按照某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。实践表明，采用机构组合原理可以设计出功能新颖的机构，不失为一种简便易行的机构创新设计方法。机构组合的方式较多，常见的有：串串联联组组合合、并并联联组合、混接式组合等。组合、混接式组合等。第66页/共84页第十章第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计机械系统的运动方案及机构的创新设计1)1)构件固接式