机械原理幻灯片第9章

1、第九章 机械产品的功能分析和机构创新 综述,机械原理教研组 中北大学,引 言,机械产品的设计过程：产品规划、方案设计、结构设计。 运动方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。 机械运动方案设计指的是机械执行机构系统的方案设计。 机械运动方案设计的目的是生成运动方案, 其表现形式 是机械运动简图。,方案设计是产品设计的初始阶段，也是最为重要的阶段。,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； 2、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； 4、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； 6、完成机器结构及运动示意图。,功能定义,功能求解,功能分解,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 （1）任何产品都具有一总功能； （2）在完成设计之前,机械系统的内部结构不清楚,称为“黑箱”。,2、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,形成功能树（或功能机构图）；,3、功能求解：功能元解法目录（创造性技法） 对功能元求解, 找出实现此功能的合

2、适机构；,9-1 功能分析法,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 功能元解综合, 生成多个原理 方案解；,5、方案评价：评价方法 对所生成的多个方案解 进行评价, 确定最优方案。,黑箱,玻璃箱,黑箱法,总功能：把污物从脏衣服中分离出来,功能树,最基本,最简单的功能,家用缝纫机的功能树,形态学矩阵,9-2 功能求解（步骤2，3）,一、 确定实现总功能的工作原理 总功能的行为描述 总功能的确定后，首先要确定实现总功能的工作原理。 机械产品总功能的实现取决于采用的工作原理。,滚压螺纹：大批量生产，效率高,同一种功能可选用不同的工作原理,机械推拉原理,摩擦传动原理,摩擦传动原理,气吸原理,齿轮加工方法,铣齿,插齿,拉齿,滚齿,单件生产,大批量 精加工,批量生产,批量生产,二、功能求解,3、根据功能元解法目录，选择合适的执行机构（功能载体）。,或采用创造性的技法，创新、组合、更改机构（机构创新）。,2、功能元的动作行为描述（工艺动作）,功能定义,功能求解,功能分解,功能综合,方案评价,机械执行机构常见的运动形式：,两个圆弧，各带一个箭头,1个圆弧带2个箭头

3、,机构运动转换功能图,工程师的语言,机构运动转换功能图（续表1）,机构运动转换功能图（续表2）,Back,9-3 机构创新方法,一、利用现有原理创新机构,1、杆组叠加法 : 机构组成原理,2、转动副扩大、高低副互代法：,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,Back,1、杆组叠加法 : 机构组成原理,行程增大机构,Back,2、转动副扩大、高低副互代法：,偏心轮机构,曲柄滑块机构,Back,二、 利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构,反平行四 边形机构,双摇杆机构,平行四 边形机构,Back,单缸压气机,Back,三、利用两构件相对运动关系设计构思机构,第十章 执行机构的运动协调设计,机械原理教研组 中北大学,10-1 工作原理设计和工艺动作设计,说明： 工作原理设计：也就是确定实现机器总功能的工作原理； 工艺动作设计：对于执行机构，功能元=工艺动作，所谓工艺动作设计也就是 通过功能分解，将总功能细化成功能元，从而建立功能树，也就确定了每一个基本的工艺动作。,四工位机床运动转换功能图：,描述：原动机执行机构之间的传动链及运动转换方式,B

4、ack,Back,机械执行机构常见的运动形式：,两个圆弧，各带一个箭头,1个圆弧带2个箭头,机构运动转换功能图,工程师的语言,机构运动转换功能图（续表1）,机构运动转换功能图（续表2）,功能定义,功能求解,功能分解,功能综合,方案评价,形态学矩阵,10-3 执行机构的运动协调设计（重点）,一、机器为什么要进行运动协调？,二、协调内容：,1、时间上的协调,2、空间上的协调,3、速度上的协调,各机构在工作时，在运动时间先后上必须协调配合，不能发生干涉。举例: P290,各机构在工作时，在空间位置的上必须协调 配合，不能发生干涉。举例: P290,各机构在工作时，必须保持严格的速比关系。,三、协调方式：,1、分配凸轮轴方式,在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行机构的原动件。主要利用凸轮廓线及凸轮在轴上安装相位的不同,使各个机构按一定的顺序协调工作,分配轴转一周,完成一个工作循环。,电阻帽,电阻棒,电阻,Back,总功能：,送料,夹紧,送帽压帽,功能元： （基本工艺动作）,功能元解： （执行机构）,机构,机构,机构,压帽,压帽的工艺动作分解：,（摆动从动件）,（直动从动件）,（左右两个圆

5、柱凸轮机构）,显然，3个工艺动作之间存在着时间上的协调。,主要对机器中的一些空行程动作进行控制，相当于 分配凸轮轴方式的一种辅助控制方式。,3、曲柄轴方式：,4、机电结合： 机械协调+电路协调,2、辅助凸轮轴方式,5、电子控制方式：如PLC 特点：柔性好。,四、协调文件：运动循环图（时间上的协调）,1、定义：以某个主要执行机构中执行构件的工作起点（时间）为基准， 按照同一时间比例尺，将其它执行机构中执行构件的运动循环 表示出来。,2、目的：（1）保证各机构协调工作，避免干涉； （2）尽可能的缩短运动循环周期，提高生产率。,3、类型： （1）直线型（矩形）；（2）圆形；（3）直角坐标型,4、举例： 例1：设计牛头刨床运动循环图,总功能,执行构件,功能元（工艺动作）,执行机构,直线型：,直角坐标型：各执行机构中执行构件的运动用位移线图表示,例2：电阻压帽机运动循环图,压帽工艺动作分解：,送料,到位后静止,复位,复位后静止,放松复位,夹紧过程,一直夹紧,复位,放松复位,复位,快速送帽,慢速压帽,送料机构,夹紧机构,压帽机构,压帽机构,5、机械运动循环图的设计步骤与方法（自学，P. 293）,

6、6、机械运动循环图的功用（自学，P. 298）,送料,到位后静止,复位,复位后静止,放松复位,夹紧过程,一直夹紧,复位,放松复位,复位,快速送帽,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。,第十一章 机械运动方案设计 （自学）,机械原理教研组 中北大学,一、机构选型：根据每一个工艺动作选择合适的机构。,1. 原动机的选择：P314,2. 执行机构的选择：P285,表13.3,3. 机构选型的评价：P298,二、机械运动方案设计的流程和机器设计的步骤,1.机械运动方案设计的步骤 P273,2.机器设计的步骤,机械方案设计,结构设计,工艺设计,机械运动简图,*机器结构、外形草图绘制（草图） *产品总装图设计（装配图） *零部件设计（零部件图） *编写有关技术文件（说明书）,工艺文件,摩擦传动原理,气吸原理,齿轮加工方法,铣齿,插齿,拉齿,滚齿,单

7、件生产,大批量 精加工,批量生产,批量生产,绘图仪,小型绘图场合,大型绘图场合,如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理,分纸功能可采用三种工作原理 1)削纸原理：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-连杆滑块机构。 2)吸纸原理：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)摩擦分纸原理：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。,Back,工作原理的构思,实现同一机器功能有不同的工作原理。 如何寻找合适的工作原理往往决定了产品的创新性、性能和市场竞争力，从根本上决定了设计的成败与否。,例如洗衣机的工作原理的设计： 模仿人洗衣的动作，寻求可能的解决方案(揉搓、刷擦、捶打) 直接模仿行不通，则进一步往深层次分析：衣服洗干净的机理是什么衣物和脏被分离 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 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),Back,功能扩展产品创新的有效途径,产品创新除了寻求新的工作原理及其实现方式之外，还可以通过产品功能

8、的扩展来达到。,Back,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。,Back,本章教案,常见的运动形式 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,机构选型,常见的运动形式,机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式 执行构件常见的运动形式与表达符号见下表,Back,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,插齿,滚齿,批量生产,批量生产,Back,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

9、构及其组合来实现,对心滑块机构,杠杆行程机构,活动齿轮倍增行程机构,油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构,急回往复_基于曲柄摇杆机构,急回往复_基于摆动导杆机构,急回往复_基于转动导杆机构,精确直线导向机构,近似直线导向机构,移动副近似直线导向机构,转动副近似直线导向机构,Back,本章教案,周期性与非周期性运动 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,周期性与非周期性运动,无周期性循环起重运输机、建筑机械：随地点、条件而变 周期性循环包装机、自动机床、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,Back,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； 在空间上协调配合； 在速度上协调配合； 一个周期与下一个周期有一定间隔。,Back,机械运动循环图设计,粉料压片机的运动循环图 矩形运动循环图 横坐标：曲柄转角0o-360o 纵坐标：工艺动作,圆周式运动循环图 一周表示曲柄转角0o-360o 直观性强,直角坐标式运动循环图 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,Back,运动转换功能图 形态学矩阵 实例：精锻机主机构方案设计,本章教案,用形态学矩阵选择运动方案,

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