1、机械原理教研组机械原理教研组中北大学中北大学引引 言言n 机械产品的设计过程：产品规划、方案设计、结构设计。机械产品的设计过程：产品规划、方案设计、结构设计。n 运动方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。运动方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。n 机械运动方案设计指的是机械运动方案设计指的是机械执行机构系统的方案设计。机械执行机构系统的方案设计。n 机械运动方案设计的目的是机械运动方案设计的目的是生成运动方案生成运动方案, 其表现形式其表现形式是是机械运动简图。机械运动简图。n 方案设计是产品设计的初始阶段，也是最为重要的阶段。方案设计是产品设计的初始阶段，也是最为重要的阶段。u 在
2、机械运动方案设计的前期，主要完成以下几个步骤：在机械运动方案设计的前期，主要完成以下几个步骤：1、明确机器的总功能；、明确机器的总功能；2、提出实现总功能的工作原理；、提出实现总功能的工作原理；3、根据工作原理，进一步细化功能至功能元；、根据工作原理，进一步细化功能至功能元；4、由功能元确定机器最基本的动作，选择合适的机构、由功能元确定机器最基本的动作，选择合适的机构；5、机器各机构间的协调和机器总体结构的确定；、机器各机构间的协调和机器总体结构的确定；6、完成机器结构及运动示意图。、完成机器结构及运动示意图。功能定义功能定义功能求解功能求解功能分解功能分解功能分析功能分析u 基于功能分析法概
3、念设计的基本步骤：基于功能分析法概念设计的基本步骤： 1、总功能分析：黑箱法、总功能分析：黑箱法 （1）任何产品都具有一总功能；）任何产品都具有一总功能； （2）在完成设计之前）在完成设计之前,机械系统的内部结构不清楚机械系统的内部结构不清楚,称为称为“黑箱黑箱”。2、功能分解：功能树或功能结构图、功能分解：功能树或功能结构图 总功能逐步分解（具体化）成一个个功能元总功能逐步分解（具体化）成一个个功能元,形成功能形成功能树（或功能机构图）；树（或功能机构图）；3、功能求解：功能元解法目录（创造性技法）、功能求解：功能元解法目录（创造性技法） 对功能元求解对功能元求解, 找出实现此功能的合适机构
4、找出实现此功能的合适机构；9-1 功能分析法功能分析法u 产品的功能：机械产品的用途或其所具有的工作能力。产品的功能：机械产品的用途或其所具有的工作能力。4、功能综合：形态学矩阵、功能综合：形态学矩阵 功能元解综合功能元解综合, 生成多个原理生成多个原理 方案解方案解；5、方案评价：评价方法、方案评价：评价方法 对所生成的多个方案解对所生成的多个方案解 进行评价进行评价, 确定最优方案。确定最优方案。分析分析综合综合优化优化黑箱黑箱玻璃箱玻璃箱9-2 功能求解（步骤功能求解（步骤2，3）一、一、 确定实现总功能的工作原理确定实现总功能的工作原理 总功能的行为描述总功能的行为描述l 总功能的确定
5、后，首先要确定实现总功能的工作原理。总功能的确定后，首先要确定实现总功能的工作原理。l 机械产品总功能的实现取决于采用的工作原理。机械产品总功能的实现取决于采用的工作原理。车制螺纹：小批量生产，效率低车制螺纹：小批量生产，效率低套螺纹：套螺纹： 小批量生产，效率低小批量生产，效率低螺纹成形螺纹成形：例：洗衣机例：洗衣机-洗衣洗衣搓洗搓洗漂洗漂洗波轮波轮滚筒滚筒搅拌搅拌滚压螺纹：大批量生产，效率高滚压螺纹：大批量生产，效率高齿轮加工齿轮加工-切制齿轮切制齿轮仿形加工仿形加工范成加工范成加工板料输送机板料输送机-输送板料输送板料机械推拉机械推拉摩擦传动摩擦传动气吸原理气吸原理同一种功能可选用不同的
6、工作原理机械推拉机械推拉原理原理摩擦传动摩擦传动原理原理摩擦传动摩擦传动原理原理气吸原理气吸原理二、功能求解二、功能求解 1、总功能、总功能 功能元功能元。3、根据、根据功能元解法目录功能元解法目录，选择合适的执行机构（功能载体）。，选择合适的执行机构（功能载体）。 或采用或采用创造性的技法创造性的技法，创新、组合、更改机构（机构创新），创新、组合、更改机构（机构创新）。2、功能元的动作行为描述、功能元的动作行为描述（工艺动作）（工艺动作）功能定义功能定义功能求解功能求解功能分解功能分解功能综合功能综合方案评价方案评价分析分析综合综合优化优化机械执行机构常见的运动形式机械执行机构常见的运动形式
7、机构运动转换功能图机构运动转换功能图机构运动转换功能图（续表机构运动转换功能图（续表1）机构运动转换功能图（续表机构运动转换功能图（续表2）9-3 机构创新方法机构创新方法一、利用现有原理创新机构一、利用现有原理创新机构 1、杆组叠加法、杆组叠加法 : 机构组成原理机构组成原理2、转动副扩大、高低副互代法：、转动副扩大、高低副互代法：二、二、 利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构 三、利用两构件相对运动关系设计构思机构三、利用两构件相对运动关系设计构思机构1、杆组叠加法、杆组叠加法 : 机构组成原理2、转动副扩大、高低副互代法：、转动副扩大、高低副互代法
8、：偏心轮机构偏心轮机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构二、 利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构 三、利用两构件相对运动关系设计构思机构机械原理教研组机械原理教研组中北大学中北大学四工位机床运动转换功能图：四工位机床运动转换功能图：描述：原动机描述：原动机执行机构之间的传动链及运动转换方式执行机构之间的传动链及运动转换方式功能定义功能定义功能求解功能求解功能分解功能分解功能综合功能综合方案评价方案评价分析分析综合综合优化优化送料送料到位后静止到位后静止复位复位复位后静止复位后静止放松复位放松复位夹紧过程夹紧过程一直夹紧一直夹紧复位复位放松复位放松复位复位复位快速送帽快速送帽慢速压帽慢速压帽送料送料到
9、位后静止到位后静止复位复位复位后静止复位后静止放松复位放松复位夹紧过程夹紧过程一直夹紧一直夹紧复位复位放松复位放松复位复位复位快速送帽快速送帽慢速压帽慢速压帽1）方案设计（概念设计）阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等,此外,据有关资料显示,虽然方案设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%,却决定了产品总成本的70%。 2）结构设计（详细设计）阶段很难甚至不能纠正方案设计阶段的设计缺陷和错误。机械原理教研组机械原理教研组中北大学中北大学摩擦传动原理气吸原理分纸功能可采用三种工作原理 1)：把纹版从库中逐张削出，可采用具有直线移动的凸轮机构或凸轮-连杆滑
10、块机构。 2)：把纹版从库中逐张吸出，送至递纸位置。可采用气泵、气路、吸头和连杆机构。 3)：利用摩擦力把纹版从库中逐张分离出来。可采用具有压紧摩擦力并使纹版向前推移的机构。工作原理的构思。如何寻找合适的工作原理往往决定了产品的，从根本上决定了设计的成败与否。：1.模仿人洗衣的动作，寻求可能的解决方案(揉搓、刷擦、捶打)2.直接模仿行不通，则进一步往深层次分析：衣服洗干净的是什么衣物和脏被分离3.寻求衣物和脏物分离的方法物理法(超声波)、化学法(利用洗衣粉)等4.在此基础上，寻求实现该洗衣机理的技术方法(化学法洗衣粉+漂洗)功能扩展产品创新的有效途径除了寻求新的工作原理及其实现方式之外，还可以
11、通过产品功能的扩展来达到。功能分解过程的运动功能表示例如，四工位专用机床，其总功能分解成如下几个工艺动作：1)安置工件的工作台要求进行间歇转动 n2 r/min； 2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作；3)刀具以 n1 r/min 转动来切削工件。图示为四工位专用机床的运动转换功能图。它描述了原动机(电动机)至执行构件、刀具、工作台、主轴箱之间的运动转换功能。中间矩形框内表示传动机构、执行机构的运动转换基本功能图，末端平行四边形框内表示执行构件的运动形式。该机床由两个原动机通过两条传动链来实现执行构件的预期运动。|常见的运动形式常见的运动形式|同一种工作原理可选用不同的机
12、构同一种工作原理可选用不同的机构|同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构机构选型常见的运动形式 执行构件常见的运动形式与表达符号见下表同一种工作原理可选用不同的机构如范成原理加工圆柱齿轮，可采用滚齿、插齿进行加工同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构工艺动作执行构件的运动形式、规律或轨迹选择或创造不同型式的机构及其组合来实现|周期性与非周期性运动周期性与非周期性运动|执行机构的运动协调设计执行机构的运动协调设计|机械运动循环图设计机械运动循环图设计机械运动循环图设计周期性与非周期性运动1.无周期性循环起重运输机、建筑机械：随地点、条件而变2.周期性循环包装机、自
13、动机床、轻工机械：定时间间隔，其位移、速度、加速度重复一次完成一个运动循环执行机构的运动协调设计如图所示为粉料压片机，它由上冲头(六杆肘杆机构)、下冲头(双凸轮机构)、料筛传送机构(凸轮-连杆机构)所组成。料筛由传送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把粉料压成片状。根据生产工艺路线方案，此粉抖压片机必须要实现以下五个动作： 1)移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装入型腔，同时将已经成型的药片推出； 2)料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔； 3)下冲头下沉至一定深度，以防止上冲头向下压制时将型腔内粉料扑出； 4)上冲头向下，下冲头向上，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好； 5)上冲头快
14、速退出，下冲头随着将己成形的工件药片推出型腔完成压片工艺过程。 一个周期内完成一套工艺执行动作。该机器特点是： 各执行动作是有序的、相互协调配合的，须进行协调设计。各执行机构动作在时间上协调配合；1.在空间上协调配合；2.在速度上协调配合；3.一个周期与下一个周期有一定间隔。机械运动循环图设计粉料压片机的运动循环图横坐标：曲柄转角0o-360o纵坐标：工艺动作一周表示曲柄转角0o-360o直观性强横坐标：定标构件曲柄转角纵坐标：各工艺动作的运动位移可清楚看出各执行机构的运动状态和运动关系优先采用|运动转换功能图运动转换功能图|形态学矩阵形态学矩阵|实例：精锻机主机构方案设计实例：精锻机主机构方
15、案设计用形态学矩阵选择运动方案运动转换功能图描述：原动机执行机构之间的传动链及运动转换方式形态学矩阵纵坐标：功能元横坐标：与功能匹配的机构通过排列组合可构成多种机械运动方案实例：精锻机主机构方案设计功能分析与分解基本功能结构图形态学矩阵1.列出所有方案：N =6 63 = 1296 种2.评价：剔除明显不合理的，再进行综合评价：；。3.选择几个方案。几种运动方案 形态学矩阵法的出发点是，认为许多发明创造并不是发明一种完全新的东西，而只不过是已有东西的新型组合。形态学矩阵法可以组合成许多方案，目的是借以发现新的设计方案。所以这种方法仅仅是运动方案拟定、构思方法中的一种，还可以运用其他创造性技法构
16、思、创造其它新颖的机械运动方案。 用形态学矩阵法选定的机械运动方案，还不能完全确定所选机构一定能定量地实现执行机构所需的运动参数，所以必须对各机构进行尺度综合。如果经尺度综合的机构不能满足预定的运动要求，则必须重新进行机构选型，重新或部分改变机械的运动方案。|各机构的尺度综合各机构的尺度综合|绘制机械运动简图绘制机械运动简图机构尺度综合及机械运动简图各机构的尺度综合1.运动方案确定了机构的型及其相关联的情况2.由选择的机构，确定其尺寸：构件的几何尺寸、几何形状（如凸轮廓线等），验证是否满足了预定的位移、速度、加速度、轨迹等要求3.机构尺度综合不满足重新选型重构方案绘制机械运动简图机械运动简图：机构系统的机构尺寸是按比例画出的。反映了机构各构件间真实的运动关系。|传动方案设计过程传动方案设计过程|原动机的选择原动机的选择|传动类型选择传动类型选择|传动链的方案选择传动链的方案选择|机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计传动方案设计过程原动机的选择控制电动机液压马达气动马达传动类型选择传动链的方案选择机械传动系统方案设计实例
