机械创新设计第五章.ppt

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第二篇机械创新设计方法5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。

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？

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，不同的工作原理对应不同的机构或结构方案。

原理方案的设计是发散收敛的过程。

从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，经优化筛选，求得最佳原理方案，就是找出可能的机构或结构方案。

方案设计举例例1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排出？

1-推2-摩擦3-离心力4-重力5-粘力6-气吹7一气吸8一静电,例2：

取一张纸方案的方案设计,例3：

有急回特性的方案设计,例4：

爬杆机器人的方案设计,（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。

1947年，美国工程师麦尔斯提出的“功能”的思想，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能”。

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，其实现的效果也有差异。

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。

自从“功能”概念被接受以后，在产品设计中引发了“功能原理”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“产品”。

例如，流行了近百年的字头式打印机，到80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，人们终于看到了“功能”思想的巨大威力。

70年代以后,“功能思想”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，而且有可能使这种功能实现得更完美、更理想。

典型机器功能分析缝纫机,黄靖远等主编.机械设计学.机械工业出版社，1999：

16-20,1、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。

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：

1）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，如与机针相关构件的运动配合间隙必须保持在0.040.10mm之间，一些关键动作如钩线又要求在极短时间（0.005s）内完成。

2、缝纫机的功能分析,1）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。

缝纫机针1-针尖2-针刃3-针柄4-平面5-引入槽6-引出槽7-针孔,摆梭尖嘴,2）钩线穿环功能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，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。

3）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线上下摆动来实现的。

4）输送缝料的功能为使线迹连续，当一个线迹形成后，缝料应相对机针移动一个线迹距离。

当机针退出缝料后，送布牙就上升并压入缝料底面，利用摩擦力使缝料移动一个线迹。

而后送布牙下降并返回原位，和缝料脱离接触，以便进行下一个形成线迹的功能动作。

送布机构的方案,

（2）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拧动压紧底线的螺纹来实现的。

2）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。

3）调节送布针距的功能送布针距影响到线迹密度，提高线迹密度会增加缝纫牢度，但过密则会影响缝料强度。

它由送布牙送料距离调节钮决定。

4）绕底线功能底线须绕在梭心上，才能进行底面线交织。

实现此功能是把梭心装到绕线轴上，由高速转动的手轮使上摩擦轮带动绕线轴旋转，而使梭心缠绕底线。

（3）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。

2）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。

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。

5.1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5-3、图5-4是常用的设计方案；,图5-3含直线轨迹的步进输送机构,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5-5、图5-6是常用的设计方案；,图5-5滑块摇杆式圆弧轨迹运料机构,图5-6槽轮换位机构,若实现双位移的工件间歇换位，图5-7是常用的设计方案；,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5-8是常用的设计方案。

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。

5.3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,一自动排列机构,二自动供料机构,三自动上料综合机构,间歇运料机构举例,间歇运料机构举例,5.4工件抓取机构,齿轮齿条抓取机构,蜗杆蜗轮抓取机构,齿轮式自锁性抓取机构,加紧弹簧装于钳口内的机械手,夹爪式机械手,利用螺旋弹簧的弹性机械手,开口巨大的抓取机构,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泵机构只要容积发生变化，就可以实现泵的功能，从而成为液体或气体的压缩机。

很多机构都具有容积变化的条件，所以，都可以制造成压缩机，这些压缩机在输出压力高低、压力脉动程度、输出流量大小、制造的复杂性、成本与工作寿命上存在差异。

图5-19为五种容积变化泵。

（b）曲柄滑块机构泵,（a）双曲柄机构泵,1,2,3,A,B,C,D,a,4,1,（c）曲柄摇杆机构泵,（d）摆动导杆机构泵,（e）三齿齿轮泵,