1、 机械设计学本课程的主要内容o功能原理设计o实用化设计o商品化设计本课程的教学安排讲课:36学时观看录像:2学时考试:2学时考核方式o平时成绩*20%+考试成绩*80%o平时成绩:到课情况+大作业第一章绪论o1-1机械设计的地位与作用 o1-2机械设计的任务 o1-3机械设计中的功能原理设计、实用 化设计和商品化设计的特点o1-4近代设计科学的重大发展 1-1机械设计的地位与作用o一、机械设计的概念o二、机械设计与其他学科和科技的关系o三、作用o机械设计o根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式等进行构思、分析和计算并将之转化为具体的
2、描述以作为制造依据的工作过程。o努力目标o在各种限定的条件下设计出较好的机械优化设计。o机械设计学o将机械设计的共性技术与理性化的设计方法有机的结合在一起而形成的一门独立的、综合性的学科。研究机械设计的规律、过程、原理、方法、设计原则以及其他机械设计的共性技术。一、机械设计的概念o二、机械设计与其他学科和科技的关系o1.新兴技术的应用，使产品的功能和结构产生很大的变化。正向着机械-电子-信息一体化的技术方向发展。o2.科学技术的发展促使设计方法和技术的现代化。CAD、CAM、CE（并行工程）。o三、作用o1 是联接需求到满足需求这一链条上的最基本的环节o2 机械产品的质量、性能和成本，在很大程
3、度上是由设计阶段的工作决定的o3.设计水平与工业发展水平是相互影响的。返回1-2机械设计的任务o一、机械设计的一般过程（模式）o二、设计阶段的具体任务 o三、三种不同类型的设计任务 提出需求调查研究掌握信息提出明确详细设计要求原理性方案构思评价和初选选择模型确定参数详细设计制造加工样机测试设计鉴定批量生产销售使用一、机械设计过程二、设计阶段的具体任务o可分为四个阶段：可行性研究、初步设计、详细设计和改进设计o1可行性研究：从分析需求出发，经过信息交流、寻找问题的解法、进行原理性方案构思，最终得到一组可行的原理性方案；o2初步设计：选出最优的方案，建立相应的数学模型并进行设计参数的分析，将设计参
4、数定量并加以优化；o3详细设计：总体设计（零部件的形状、数量和相互配置关系，绘制总装图以及技术文件）；o4.改进设计：对反馈环节所反映的问题进行技术处理。三种不同类型的设计任务o1 开发性设计：零-原型的创新开发o2 适应性设计：产品局部的变更或设计o3.变型设计：变更产品的结构配置和尺寸 1-3机械设计中的功能原理设计、实用化设 计和商品化设计的特点o一、功能原理设计o1产品开发的三阶段：功能原理设计、实用化设计和商品化设计o2 实质：原理方案的构思和拟定的过程o3.设计方法：以简图或示意图来进行方案构思（例：船用抽水机）o二、实用化设计o1工作：设计结构、选择材料、确定尺寸o2特点：从初步
5、设计到详细设计再到设计完善的由粗到细的过程o3.要求：明确、简单、安全可靠、掌握和遵循其内在规律和一般原理。o三、商品化设计（技术、经济、社会）o1 技术方面的评价：软件质量（设计原理、技术参数的选取、实现功能目标的技术先进性等）；硬件质量（材质、工艺精度、性能、寿命、可靠性）o2 经济方面的评价：成本与效益的比较o3 社会方面的评价：产品可能产生的社会效益o4 V=F/C C=生产成本+使用成本 1-4近代设计科学的重大发展 o一、“设计学”从古代到现代的三个发展阶段o1 从古代人类发明工具开始算起：有了原始的功能思想（力学尚未成熟）o2 1854年德国劳莱克斯作为起点：建立了机械设计的基本
6、体系，把设计学分为“机构学”和“机械零件”两门课程。这一阶段的“设计学”其实只是“机械学”，忽略了设计学的核心功能，而一心一意去研究运动学、动力学和强度、断裂、摩擦等问题。o3 1947年麦尔斯提出的功能的概念算起：三个方面：“功能”思想的提出和被接受、“人机工程”学科的兴起以及“工业设计”学科的成熟 o二、近代“设计学”的重大发展：二战以后，机构设计取得进一步的发展，CAD、CAM、CEo1“功能”思想的提出和发展o名言：顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能o功能思想的提出，人们开始打破传统习惯，寻找不同的原理、结构和外形来实现同一种功能。o2“人机学”(ergonomics)思想的
7、形成和发展：“宜人”的宗旨已经成为现代机械设计不能疏忽的观念。o3“工业设计”(industrial design)学科体系的发展和成熟 第二章 机器的组成及典型机器分析 2-1机器的定义 2-2机器的组成 2-3机器的分类 2-4典型机器功能分析家用缝纫机 o一、机器（现代机器）：o 机器是由两个或两个以上的相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作和控制下，实现为之设计的某种或某几种功能。o注意：1）两个或两个以上的构件o 2）联系：联接方式o 3）功能和控制o二、包含了两个新的概念：o 功能（
8、设计学的核心）和控制（可以由某种智能体来实现）o三、构件（广义）：o 构件之间的联系（机械联接，电、磁、气、液等各种联系方式）o构件：机器中每一个独立的单元体 2-2机器的组成 o一、传统机器原动机传动机工作机科技发展机器原动机传动机工作机控制器机械装置电子装置二、不同角度下的组成o1机构学：由各种基本机构组合而成，能动度应等于原动机数o2结构学：由各种基本构件组装而成o3专业的角度：常以主要部件来看机器的组成o4.对于机械设计来说，更强调从功能的观点来看机器的组成 三、从功能的观点看机器的组成o1.功能：设计学的基本概念。通过观察和认识机器，人们的思维才能从旧的结构和形式中解放出来。o 2.
9、机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成；他们的协调工作实现了机器的总功能；每个主要分功能系统可由原动机、传动机、工作机和控制器组成；其中的工作机则多由执行机构和工作头构成。如图所示o（例：车床的总功能：利用移动刀具对旋转工件进行切削。两个分功能：工件旋转、刀具进给）o3.机器的功能（主要功能和辅助功能）机器（总功能）分功能系统1分功能系统i分功能系统n工作机传动机原动机控制机工作头执行机构.机器的组成（功能角度）图解o2-3机器的分类机器工艺类机器非工艺类机器加工机床食品机械纺织机械印刷机械动力机械其中运输机械精密机械医疗机械通用机械2-4典型机器的功能分析(家用缝纫机)o企图模仿人工缝纫的
10、方式-针尾引线o1.采用了针尖引线代替针尾引线o2.采用了双线互锁交织以代替线的反复穿刺一、家用缝纫机的总功能1.将线按一定规律缝于缝料上2.特点：1）机缝线迹整齐美观，缝合牢固，缝纫迅速。2）由于缝纫质量的要求，实现总功能的各机构间的运动配合要求精度很高，因此，家用缝纫机属于精密的工艺类机器。二、家用缝纫机的功能分析1.主要功能1）引面线造环功能2）钩面线扩环，使底面线交织的功能3）供给和收回面线的功能4）输送缝料的功能2.辅助功能（1）调节面线和底线的阻尼功能（2）调节压脚压紧力的功能（3）调节送布针距的功能（4）绕底线功能3.控制功能（1）机械控制功能：每一功能动作必须按规定的时间和速度
11、进行，由传动机构的巧妙配合进行控制的。凸轮和连杆机构。（2）人机控制功能人机接口共4个：缝针工作区、手轮、机针前方布面、脚踏板（3）电子控制功能：实现绣花和锁扣眼第三章机械产品的功能原理设计 o3-1功能原理设计的工作特点和工作内容 o3-2功能、功能单元和功能结构 o3-3功能原理的发展历史及其基本类型 o3-4两种动作功能及其对应的求解思路 o3-5工艺功能及其对应的求解思路 o3-6关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路 第三章绪论o1.功能原理设计：针对主要o功能的原理性设计o2.例：点钞机o3.重点：提出创新构思3-1功能原理设计的工作特点和工作内容o一、工作特点o1功能原理设
12、计往往使用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。o2功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、工艺），首先要求设计人员有一种新的想法和构思。o3功能原理设计使机器品质发生质的变化。o满足以上三点的功能原理设计是一个高品位的功能原理设计 二、任务和主要内容o1任务：针对某一确定的功能目标，寻求一些物理效应，并借助某些作用原理，来求得一些实现该功能目标的解法原理。o解释：1）功能目标：最后要达到的功能o 2）物理效应：摩擦、离心力、气吹、液化、压 电变形等o 3）作用原理：摩擦轮、气嘴、压电晶体等o 4）解法原理：物理效应+作用原理 o2主要工作内容：构思能实
13、现功能目标的新的解法原理o3功能原理方案设计步骤：设计任务求总功能总功能分解寻求子功能解原理解组合评价与决策最佳原理方案黑箱法功能逐级分解创造性方法、目录法、调查分析法形态学矩阵法各种评价方法分析综合评价与决策3-2功能、功能单元和功能结构o一、功能的含义o1传统的定义o功能：是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，是指某一机器（或装置）所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。o注意：区分这样的几个概念（功用、用途、性能、能力）o例：功用作原动机o电动机 用途驱动电扇、机床o 性能效率、耐用性、振动o 能力功率、转速o 功能将电能转变为旋转运动的动能 o2从系统工程学的角度来看功能的含
14、义o在系统工程学上，我们用“黑箱”来描述功能o黑箱：知识描述了系统的功能目标，而内部结构是未知的o白箱：内部结构完全已知o灰箱：内部结构部分已知o用黑箱来描述功能：任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，起输入用物料流M、信息流S和能量流E来描述；其输出用相应的M 、S 、E 来描述。我们根据所学过的传递函数的定义，可以得出功能的含义：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系 o注意：1）功能抽象的描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系o2）黑箱只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而内部结构是需要设计师去进行具体构思和设计的。技 术 系 统
15、信息流S（进行能量流E的转换）物料流M信息S能量E物料MSE M 金属切削机床金属切削机床毛坯毛坯冷却剂冷却剂润滑剂润滑剂驱动能驱动能信号能信号能启动信号启动信号零件零件耗损的冷却剂耗损的冷却剂耗损的润滑剂耗损的润滑剂切削切削切削功率切削功率自动开动自动开动热热量量振振动动噪噪声声灰灰尘尘环境环境的温的温度、度、湿度湿度地基地基的振的振动动机床黑箱示意图机床黑箱示意图二、功能元素和功能单元 o1、功能元素o从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，相应的总功能也可以分为一些分功能。因此，有些学者提出，将这些复杂动作分解为一些基本动作，把这些基本的动作称为“功能元素”，也称功能元 o 转变
16、复原、放大缩小、连 接分离o 物理功能元o总功能分功能功能元 传导-绝缘、存贮-提取o 数学功能元：加和减等o 逻辑功能元：与、或、非 o2.功能单元o 功能元划分过细，在机械实践中并不很有效，尚有待进一步的研究。另外一种分解方式：只是分解到功能单元的水平上，这样的功能单元是既有一定的独立性，又有一定复杂程度的技术单元。o例：硬币计数包卷机的功能单元：1）硬币堆放、输送2）硬币排列、分选、挑残3）硬币分选计数4）硬币堆码、整理5）送纸、撕纸6）硬币包卷7）卷边 三、功能分析法（一）、确定总功能1.设计问题抽象化:从抽象到具体，从定性到定量是产品设计的战略思想方法（1）台钳功能表述对解法的影响
17、(2)砸开核桃壳取出果仁的功能描述 适 度 抽 象 化功能表达解法螺旋加压螺旋丝杠机械加压偏心机构形成压力气动、液压机构功能分析解法构思砸壳 适 度 抽 象 化分离壳与桃仁 砸：利用重力 夹：杠杆作用（核桃夹子）压：螺旋压力机 冲击：水力冲压 射击：把核桃作为“枪弹”射向硬靶 使壳变脆：让壳变脆易碎 把壳溶解：溶解壳而不溶解桃仁 钻孔：向壳内充气撑破外壳 整体加压：外压骤减，内压撑破外壳（专利发明）外部加压逆向思维侧向思维2.黑箱法（二）、功能结构1.3种基本的结构形式F1F2F3串联F1F2F3并联条件F1F2 并联安全离合器的离与合取决于传递载荷的数值F1F2F3条件F1F2环行环行串联结
18、构又称为链式结构，它表示各分功能之间是按顺序（因果、时间或空间关系）依次进行的；并联结构（选择结构）的几个分功能处于并联关系，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能举例：并联（车床加工物料）串联（虎钳的施力与夹紧）2.建立功能结构图（表示分功能关系的图）的要求（1）体现功能元或分功能之间的顺序关系（2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元有明确解答）（3）不能漏掉必要的分功能或功能元（4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取 在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图，然后，再解决辅助功能和次要流，
19、逐渐完善系统的功能结构夹紧工件旋转工件夹紧刀具送进刀具3.建立功能结构图的步骤（1）通过技术过程分析，划定技术系统的边界，定出其总功能（2）划分分功能及功能元（通常首先考虑所应完成的主要工作过程的动作和作用）（3）建立功能结构图，根据其物理作用原理、经验或参照已有的类似系统，首先排定主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，通常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相互关系，补充其它部分。（4）评比，选出最佳的功能结构方案例2：建立材料拉伸试验机的功能结构图解（1）用黑箱法求总功能。通过分析输入和输出关系，得到材料拉伸试验机的总功能：测量试件受力与变形。（3）建立功能结构图有了总功能图后，接着建立
20、一级分功能结构图，最后建立二级分功能结构图。(三)功能元（分功能）求解1 直觉法2 调查分析法3 设计目录法（四）原理方案综合形态学矩阵法1.形态学矩阵 建立在形态学矩阵的基础上，通过系统的分解和组合寻找各种答案。形态学是用集合代数的表达方法描述系统形态和分类问题的学科。形态学矩阵采用矩阵的形式，第一列形态学矩阵采用矩阵的形式，第一列A,B,NA,B,N为分功能，对应每为分功能，对应每个分功能的横行为其解答，如个分功能的横行为其解答，如A1,A2,A3A1,A2,A3由每个分功能解中挑选一个解，由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一个包括全部分功能的整体方案。从理论上说，可以组经过组合
21、可以形成一个包括全部分功能的整体方案。从理论上说，可以组成整体方案的数量，为各行解法个数的连乘积。成整体方案的数量，为各行解法个数的连乘积。分功能 可能的解法123IJKAA1A2A3AIAJAKBB1B2B3BIBJBKCC1C2C3CICJCKNN1N2N3NINJNK设计参数 可能的解答1234A墨库刚性管可折叠的笔纤维物质-B装填机构部分真空毛细作用可更换的储液器把墨注入储液器C笔尖墨液输 出裂缝笔尖毛细供液圆珠-粘性墨纤维物质的笔尖毛细供液-液墨书写器的形态学矩阵液墨书写器的形态学矩阵这个矩阵中的分功能可以形成这个矩阵中的分功能可以形成3 3*4 4*3=363=36个整体方案。形态
22、学矩阵组成的方案个整体方案。形态学矩阵组成的方案数目过大，难以进行评选。一般通过以下要点组成少数几个整体方案供评价数目过大，难以进行评选。一般通过以下要点组成少数几个整体方案供评价决策使用，以便确定决策使用，以便确定1-21-2个进一步设计的方案。个进一步设计的方案。（1 1）相容性。分功能之间必须相容，否则不能组合。）相容性。分功能之间必须相容，否则不能组合。（2 2）优先选用主要分功能的较佳解，由该解法出发，选择与它相容的其他分）优先选用主要分功能的较佳解，由该解法出发，选择与它相容的其他分功能解。功能解。（3 3）提出对设计要求、约束条件不满足，或不令人满意的解答，如成本过高、）提出对设
23、计要求、约束条件不满足，或不令人满意的解答，如成本过高、效率低、污染严重、不安全、加工困难等。效率低、污染严重、不安全、加工困难等。例：试设计进行露天矿开采的挖掘机的原理方案例：试设计进行露天矿开采的挖掘机的原理方案解：解：1.1.用黑箱法寻找总功能和转换关系用黑箱法寻找总功能和转换关系2.2.总功能分解总功能分解（1 1）总功能分解的依据）总功能分解的依据机器一般都由机器一般都由5 5部分组成：原动机、传动部分、工作机构、控制和支承。其部分组成：原动机、传动部分、工作机构、控制和支承。其技术过程通常是：原动机技术过程通常是：原动机-传动传动-控制控制-工作机构，而这工作机构，而这4 4部分都
24、安装在支承部部分都安装在支承部件上。工作机构就是每台机器的执行机构，为了表示这种技术过程和周围环件上。工作机构就是每台机器的执行机构，为了表示这种技术过程和周围环境关系，用技术过程流程图来表示。境关系，用技术过程流程图来表示。图中几点说明：图中几点说明：a.a.环境系统：是根据设计要求明细中提出的，如爬坡、作业范环境系统：是根据设计要求明细中提出的，如爬坡、作业范围等等要求围等等要求b.”b.”人人”是指操作人员对机器的要求，即考虑人机工程学设计是指操作人员对机器的要求，即考虑人机工程学设计c.c.相邻技术系统是指运输机的种类，设计要求中已提出为汽车，相邻技术系统是指运输机的种类，设计要求中已
25、提出为汽车，这实质是提出卸煤的高度要求；能源的种类为柴油机。这实质是提出卸煤的高度要求；能源的种类为柴油机。d.d.虚线方框内表示机械内部结构，而机械与外界联系用实线大虚线方框内表示机械内部结构，而机械与外界联系用实线大方框表示方框表示通过上面的技术流程图粗线条地看清楚了机器的技术轮廓，通过上面的技术流程图粗线条地看清楚了机器的技术轮廓，其技术系统是很复杂的，能直接求得总功能的解，同时流程图其技术系统是很复杂的，能直接求得总功能的解，同时流程图还为总功能的分解提供了可靠的依据。还为总功能的分解提供了可靠的依据。（）总功能分解（）总功能分解将总功能分解为一级、二级分功能将总功能分解为一级、二级分
26、功能二级分功能还找不到解，还可以接着往下分解，直到可找到相应的原理解为二级分功能还找不到解，还可以接着往下分解，直到可找到相应的原理解为止。止。.建立功能结构图建立功能结构图第一步：首先建立总功能与一级分功能的功能结构图第一步：首先建立总功能与一级分功能的功能结构图（）做出总功能输入、输出转换关系图，然后再建立一级分功能的结构（）做出总功能输入、输出转换关系图，然后再建立一级分功能的结构图图（）先画出最基本的功能即执行功能，然后画它的输入和输出（）先画出最基本的功能即执行功能，然后画它的输入和输出（）画出行走、辅助、控制、驱动功能，画每个功能的输入和输出（）画出行走、辅助、控制、驱动功能，画每
27、个功能的输入和输出（）各个功能的输入、输出关系的连接（）各个功能的输入、输出关系的连接（）支承和联接功能与上述每个功能相关，故用多个箭头表示（）支承和联接功能与上述每个功能相关，故用多个箭头表示第二步：建立二级功能结构图第二步：建立二级功能结构图接着往下，还可以逐步的建立更加详细的完善的功能结构图接着往下，还可以逐步的建立更加详细的完善的功能结构图.寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组合功能结构图建立后，就可寻找各功能的原理解，然后用形态学矩阵进功能结构图建立后，就可寻找各功能的原理解，然后用形态学矩阵进行原理解组合，可得到设计方案的多种解。行原理解组合，可得到设计方案的多种解。组合
28、方案数：组合方案数：方案为履带式正铲机械挖掘机（方案为履带式正铲机械挖掘机（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）方案为轮胎式正铲液压挖掘机（方案为轮胎式正铲液压挖掘机（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）根据设计要求中功率的要求，在能量传递与分配中，采用链传动和皮带根据设计要求中功率的要求，在能量传递与分配中，采用链传动和皮带传动，显然不相容的，应去掉。故组合方案数传动，显然不相容的，应去掉。故组合方案数=3=3*3 3*2 2*2 2*3 3*1 1*2
29、 2*4 4*3 3*4=51844=5184。在众多的方案中，进行定性筛选，然后。在众多的方案中，进行定性筛选，然后进行详细评价，最后决策最佳方案。进行详细评价，最后决策最佳方案。大作业大作业1 1。汽车举升机原理方案设计：汽车举升机主要用于汽车的举升维修。汽车举升机原理方案设计：汽车举升机主要用于汽车的举升维修和保养，它可以根据不同的修理部位，将汽车举升到适宜的高度，以和保养，它可以根据不同的修理部位，将汽车举升到适宜的高度，以改变地沟工作地点窄小，潮湿阴暗、工作效率低等劳动环境。改变地沟工作地点窄小，潮湿阴暗、工作效率低等劳动环境。2 2。瓶盖整列装置的原理方案设计。瓶盖整列装置的原理方
30、案设计设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸如图。瓶盖质量为瓶盖的形状和尺寸如图。瓶盖质量为M=10GM=10G，整列速度整列速度100100个个/分钟。分钟。能量为能量为220220V V交流和高压气（压力为交流和高压气（压力为0.60.6MPAMPA）25mm30mm7mm3-3功能原理的发展历史及其基本类型 o一、一、功能原理的特点功能原理的特点o1 1综合，不可能有任何定法可循的：对应于分析o2有多解的问题，而且很难得到绝对理想的解o二、二、分类分类o1 1工艺功能：以完成对对象物的加工为
31、目的的功能（例：机床、绞肉机、犁）o2.动作功能：以实现动作为目的的功能o（简单动作功能：完成简单的一次性动作，例：拉链、圆珠笔；o 复杂动作功能：实现连续的传动，例：六种基本机构的组合）o 共性：用纯机械或主要靠机械完成的动作功能 o3 3综合技术功能：不再局限于用纯机械的方式，而是综合运用机、光、电、磁、热、化各种广义物理效应去实现动作功能和工艺功能o（例：高速平面电机式自动绘图机、精密定位工作台）o4.关键技术功能：作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没被别人掌握（动作功能、工艺功能、综合技术功能）o（例：在数控机床发展的初期，滚珠丝杠和静压导轨成了关键技术）o o 简单动作功能 关键技
32、术功能o o 动作类o 复杂动作功能o功能类型o 工艺类工艺功能 综合技术功能3-4两种动作功能及其对应的求解思路o一、简单动作功能o1特点：由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作。o举例：带轴的轮子、拉链、魔方、鼠标、弹子锁o2求解思路：几何形体组合法o1）明确“功能目标”o2）针对功能目标，对几个构件上的几何形体进行构思。o二、复杂动作功能o1特点：这类功能以采用常用基本机构为主，其设计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计起来并非毫无困难，但是比起简单动作功能的设计来，还是要容易的多，因为它毕竟被人
33、们研究的相当透彻了。o2.求解思路：基本机构组合法 o齿轮、齿条、连杆、凸轮、螺旋3-5工艺功能及其对应的求解思路 o一、工艺功能（由于作为S1的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因此工艺功能是一种最具灵活性的功能）o1定义：1）工作头和工作对象互相配合所实现的功能o 2）以完成对对象物的加工为目的的功能o2两个重要因素：o 1）采用那种工艺方法o 2）工作头采用什么形状和动作确定工作头的形状和动作o3特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个重要因素o分析：1）工艺方法不能完全模仿手工的工艺方法o 2）工作头对物体的作用有可能不是纯机械的，而加入其他广义的作用 3）
34、比动作功能更易改进和革新（工作头的变革可能性大）二、求解思路物-场分析法（S-FIELD）1.最小技术系统：主体（S1）、客体（S2）和场（F）2.标准的S-FIELD模型 分析：1）S1主体，是对客体发出作用的物体，也就是所说的工作头（或工具）2）S2客体，是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体 3)F场，不单指物理场，而是广义的指S1向S2作用时发出的力、运动、光一切作用场 3.求解的方法 1）F、S1搜索 例：构思剪草机的工作原理 (1)S2：草 拉力：无法保证草地整齐 (2)选择合适的F 割断力：镰刀、需要握住草的上部 剪断力：理发推子 (3)根据选用的力F为剪断力，那么S1肯定是剪
35、刀了 2）完善方法：针对原设计中出现的缺少F或S1的情况，补全F或S1例：制造平板玻璃 原设计（垂直引上法），用S-FIELD分析后发现，S2在凝固前大部分时间内缺少F和S1。改进后的设计（浮法）：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上。S1：低熔点合金的液面，F：表面张力 FS1S2标准S-FIELD模式o3）增加：S1、S2和F，有时还应辅以S1和F1，才能实现更好的功能o例：金属切削过程：oS2：钢工件，S1：刀具，F：切削力o加入S1（切削液）切削工艺过程更好，工件的表面粗糙度较低，切削速度提高。oF（分子吸附膜）刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还起冷却作用。o Fo S1 S2o
36、F1 S1 oS-F模型的变型 o4）变换：对已有功能解法中的S1和F进行分析后，常常发现他们并非是不可替换的。有时通过变换可能产生意想不到的效果。o 例：S1尼龙线o F高速抽打的抽击力o总结：由于作为S1的工作头和起媒介作用的F的变换是有很大自由度的，因此工艺功能是一种最具灵活性的功能 3-6关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路 o一、关键技术功能o1关键技术的几个因素o1）材料：高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料、特殊的物理性能要求等o2）制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求o3）设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人
37、已经实现的功能更好的功能水平。o2.功能特点：由于特殊的工作条件（约束）或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度，总的来说他的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。o3求解思路：技术矛盾分析法o技术矛盾：约束条件和期望达到的较高要求 由于空间的限制，只能用直径仅由于空间的限制，只能用直径仅20mm20mm左右的微型直流电动机左右的微型直流电动机（额定输出（额定输出n=5000r/minn=5000r/min，M=0.3N.cmM=0.3N.cm）。）。经过减速比经过减速比i1=900i1=900的降速后，驱动一套连杆的降速后，驱动一套连杆机
38、构，使手指得到约机构，使手指得到约0.50.5rad/srad/s的的抓握运动速度。但是在这样的运抓握运动速度。但是在这样的运动速度下，指端的捏紧力只有动速度下，指端的捏紧力只有5 5N N左右。若使捏紧力达到左右。若使捏紧力达到5050N N，一一般的方法是降速比增大般的方法是降速比增大1010倍，手倍，手指的运动速度降低指的运动速度降低1010倍。存在运倍。存在运动与力的矛盾。动与力的矛盾。1)1)主要矛盾是电动机体积和输出主要矛盾是电动机体积和输出力矩之间的矛盾。研制一种大力力矩之间的矛盾。研制一种大力矩的微型电动机就是一种求解的矩的微型电动机就是一种求解的途径。途径。2 2）从动力学的
39、角度来看，若有从动力学的角度来看，若有足够大的存储能量的飞轮，也可足够大的存储能量的飞轮，也可达到增大指端捏紧力的目的。达到增大指端捏紧力的目的。o二、综合技术功能o1特点：在某些特定的条件下，采用广义物理效应，有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能。显然这里我们并不强调全部可以代替纯机械功能，因为有许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应去代替。o2求解思路：物理效应引入法 第四章 机械功能原理的实现机械运动系统的方案设计o4-14-1机构能实现的动作功能机构能实现的动作功能o4-24-2传动机构和执行机构传动机构和执行机构 o4-34-3按机械动
40、作功能原理要求作机械运动按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计系统的方案设计 o4-4 4-4 发挥机构固有潜力的方法发挥机构固有潜力的方法机构的机构的创新设计创新设计 o4-54-5机械运动的协调设计和运动循环图机械运动的协调设计和运动循环图 4-1机构能实现的动作功能o一、机构能实现那些动作功能 o1利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能o输入：转动 输出o1）匀速运动（平动、转动）与非匀速运动（平动、转动或摆动）的变换o2）连续转动与间歇式的转动或摆动的变换o3）实现预期的运动轨迹运动o2利用机构实现开关、联锁或检测等的动作功能o检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序
41、，以自动校正与规定标准间的差异。控制连锁机构的用途，则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作。例如：1 1）用来实现运动离合或开停）用来实现运动离合或开停2 2）用来换向、超越和反向止动）用来换向、超越和反向止动3 3）用来实现连锁、过载保护、安全制动）用来实现连锁、过载保护、安全制动4 4）实现锁止、定位、夹压等）实现锁止、定位、夹压等5 5）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等3 3利用机构实现程序控制或手动控制的功能利用机构实现程序控制或手动控制的功能1 1）利用时间的序列进行控制（凸轮程序装置）利用时间的
42、序列进行控制（凸轮程序装置）2)2)利用动作的序列进行控制（电磁阀控制液压缸）利用动作的序列进行控制（电磁阀控制液压缸）3)3)利用运动的变化等进行控制利用运动的变化等进行控制 二、选择机构来实现功能原理的原则和范二、选择机构来实现功能原理的原则和范围（探讨在什么情况下选用机构来完成这围（探讨在什么情况下选用机构来完成这些功能）些功能）原则：工作可靠、运行安全、操作方便、原则：工作可靠、运行安全、操作方便、制造和运行的经济性制造和运行的经济性 1.1.实现功率性的机械运动形式或规律的实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能变换功能 交直流变速电动机交直流变速电动机各种转速要各种转速要求求运动特
43、性不理想，会受到载荷的变运动特性不理想，会受到载荷的变化而变化或转换的效率较低化而变化或转换的效率较低使用运动使用运动特性号，交换效率高的鼠笼型异步电动特性号，交换效率高的鼠笼型异步电动机机各种减速、变速机构各种减速、变速机构 非功率性的微小摆动或移动，非功率性的微小摆动或移动，除了机构之外，还可以用电磁原理来获得；除了机构之外，还可以用电磁原理来获得；20022002年高维技术公司推出了国内首台直线年高维技术公司推出了国内首台直线电动机驱动电火花成型机床电动机驱动电火花成型机床 2.2.实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能 各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序
44、上需要的运动轨迹，均可各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序上需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成，对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子全部用机构来完成，对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分也还必须使用机构或电气来控制，但其轨迹动作部分也还必须使用机构 3.3.在特定条件下能优质的实现开关、联锁和检测等功能在特定条件下能优质的实现开关、联锁和检测等功能 这些功能一般用电或机械均能实现，但究竟用那一种好，需要设计这些功能一般用电或机械均能实现，但究竟用那一种好，需要设计者仔细分析研究者仔细分析研究 4.4.实现简单的固定程序或可变程序的控制
45、功能实现简单的固定程序或可变程序的控制功能 以上几种均适宜用机构实现，但究竟如何选择，要注意科技的发展动以上几种均适宜用机构实现，但究竟如何选择，要注意科技的发展动向向 直线电动机直线电动机-直线运动（超导的出现）直线运动（超导的出现）电视机的频道电视机的频道-机械式转变为遥控式的。机械式转变为遥控式的。4-2传动机构和执行机构o一、传动机构一、传动机构o1 1作用：将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能作用：将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能o2 2常用的传动机构：齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔常用的传动机构：齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔
46、块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。生的组合机构。o3 3目的：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求目的：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求o4 4运动速度或力的大小变换运动速度或力的大小变换o 由由p=fvp=fv可以看出，在可以看出，在p p一定的情况下，若想得到一个大的一定的情况下，若想得到一个大的f f，则则可以降低可以降低v v，若要若要f f按一定规
47、律变化，则可通过调整输出速度按某一种按一定规律变化，则可通过调整输出速度按某一种规律变化来得以实现。规律变化来得以实现。o常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：1）通过啮合方式进行传动（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）其中，齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑、传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用 2）通过摩擦方式进行传动（例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等）这类机构结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且
48、有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。3）利用楔块原理进行传动（例如：螺旋机构等）。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转距得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。4）利用流体作用原理进行传动（例如：液压、气动传动等）。液体可以看作是一种不可压缩物体，因而液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确，但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢。例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度快。5 运动形式或传力方式的变换：将原动机输出的匀速转动变换成工作机的需求的输出。1）常见的
49、运动形式：转动、平动、摆动。2）常见的变换机构：凸轮、螺旋、连杆、齿轮、挠性体、摩擦轮、流体机构。二、执行机构 1 定义：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力距的机构。2 作用：给工作头产生工作力同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。1）满足特定的运动规律特定的运动规律是指那些输出中有速度变化要求，如有等速输出、瞬时或长时间停歇、有急回特性，周期性转位和步进分度动作等（例：牛头刨床）。2）满足特定的运动轨迹。3）满足某种特殊的信息传递。此抓片机构采用了联动凸轮此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而使抓片爪按矩
50、形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。达到间歇抓片的目的。此装配线采用了联动凸轮机此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。地向前送进的目的。三.工作头 1 定义：工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作（例如：夹持、搬运、转位等），或是在其上完成一定的工艺动作（例如喷涂、洗涤、锻压等）2 工作头的作用 1）夹持 2）搬运、输送及转换工位 3）施力 四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题 1 在满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构最简单，传动链最短 2使机构有有利的传力条
