機械運動方案設(shè)計與創(chuàng)新課件

1、第五章 機械運動方案設(shè)計與創(chuàng)新開發(fā)一個新的機械產(chǎn)品一般經(jīng)歷四個階段：產(chǎn)品規(guī)劃市場需求調(diào)查；科技信息調(diào)研；論證 必要性，可行性，確定產(chǎn)品功能目標。方案設(shè)計進行系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計；工作原理構(gòu)思與設(shè)計；工藝動作構(gòu)思與設(shè)計；方案性能評價。技術(shù)設(shè)計進行系統(tǒng)中的零部件尺寸、參數(shù)、形狀、結(jié)構(gòu)、強度、剛度、精度設(shè)計；繪制相應(yīng)的工作圖，編寫說明書。施工設(shè)計加工、制造等工藝設(shè)計；安裝、調(diào)試及維護、使用說明。 在這四個設(shè)計階段過程中，方案設(shè)計對產(chǎn)品的性能、成本、使用與維護等影響很大，也是最具有可創(chuàng)新的階段。因此很有必要探索該階段的創(chuàng)新設(shè)計方法與技巧。一、 功能分析與設(shè)計 功能分析與設(shè)計的目的是從完成功能的角度而不

2、是從技術(shù)的角度分析系統(tǒng)，子系統(tǒng)。其設(shè)計過程包括裁剪、重組。即研究每一個功能是否必須，如果必須，系統(tǒng)中其它部分是否可代替1.功能的概念： 所謂功能（Function）就是用簡明的語言對產(chǎn)品對象的各種工作能力抽象化的描述。功能的描述一定要準確、合理、簡潔、抽象，不帶有任何傾向性。使得在方案構(gòu)思時不致產(chǎn)生框框，使思路開闊。它與產(chǎn)品的用途、性能等不盡相同。例如，鋼筆的用途是寫字，而功能的描述是“存送墨水”。例如：解決取出核桃仁的問題，功能描述不同，解決該問題的思路與方法就會受到影響。功能描述工作原理工藝動作砸殼外部加壓砸、壓、沖、射等壓殼外部加壓內(nèi)部加壓砸、壓、沖、射等通高壓氣，外壓驟減，內(nèi)壓破殼殼仁

3、分離外部加壓內(nèi)部加壓去殼砸、壓、沖、射等通高壓氣，外壓驟減，內(nèi)壓破殼培育薄殼品種，化學法脆皮、溶殼2.功能分類1）按機電產(chǎn)品各組成部分具體功能進行分類：驅(qū)動功能為系統(tǒng)提供能量，它接受測控部分發(fā)出的指令，驅(qū)動執(zhí)行部分工作。其功能載體為各種類型原動機。傳動功能傳遞驅(qū)動和執(zhí)行部分之間的運動和動力。包括運動形式、性質(zhì)、方向、大小的變換。其功能載體可以是機械式、液壓氣動式、電磁式等。執(zhí)行功能實現(xiàn)和完成產(chǎn)品的最終功能。簡單系統(tǒng)可用簡單的構(gòu)件實現(xiàn)特定的動作；復雜的系統(tǒng)有多個執(zhí)行功能，各動作需要協(xié)調(diào)與配合。測控功能包括檢測、傳感與控制。它把系統(tǒng)工作過程中各種參數(shù)和工作狀況檢測出來，變換成可測定和可控制的物理量

4、，傳送到信息處理部分，并發(fā)出對各部分的工作指令和控制信號。2）按系統(tǒng)中各部分的基本物理功能進行分類基本物理功能反映系統(tǒng)中三個基本要素（能量、物料、信息）變換的物理作用變換功能能量的類型，運動的形式，材料的性質(zhì)，物態(tài)，訊號類型等變換。具有類型變換特征?？s放功能三要素量的縮放，能量的縮放，物理量的縮放，訊號的縮放等。具有大小特征。聯(lián)結(jié)功能三要素同質(zhì)或不同質(zhì)的數(shù)量上的結(jié)合，物料的混合與分離等。具有數(shù)量特征。儲存功能具有時間的特征。如物料的存儲，能量的存儲等。傳導功能三要素在不同位置通過電、光、機構(gòu)、等變化傳導，具有位置特征。離合功能使系統(tǒng)時而接通、切斷。具有時間位置的特征。3）機構(gòu)的基本功能變換運動

5、的形式轉(zhuǎn)動，移動，擺動，間歇運動變換運動的速度減速，增速，變速變換運動的方向進行運動的合成與分解對運動進行操縱與控制實現(xiàn)給定的運動位置與軌跡實現(xiàn)某些特殊功能增力，增程，微動，急回，夾緊，定位等3.功能的分解將產(chǎn)品的總功能進行分解成分功能，子功能，乃至功能元，使功能分析與設(shè)計更加方便。功能分解可圖解為樹狀結(jié)構(gòu)，如下圖所示：總功能分功能1分功能2子功能21子功能22功能元221功能元222減速器功能樹減速器輸入輸出傳動支承聯(lián)軸器傳潤齒潤滑系潤支軸軸承箱體端聯(lián)鍵螺銷聯(lián)軸器密密封4.功能設(shè)計（模塊化設(shè)計）1）模塊化設(shè)計概念與特點： 其核心思想是將系統(tǒng)根據(jù)功能分解為若干模塊，通過模塊的不同組合，可以得到

6、不同品種、不同規(guī)格的產(chǎn)品。 其特點是產(chǎn)品更新?lián)Q代快，縮短了設(shè)計制造周期，降低成本，維修方便，性能穩(wěn)定可靠；但系統(tǒng)比較復雜。 2）模塊化設(shè)計方式： 橫系列模塊化設(shè)計：在基型品種上更換或添加模塊，形成新的變形品種。例如，更換端面銑床的銑頭，可以加裝立銑頭、臥銑頭、轉(zhuǎn)塔銑頭等，形成立式銑床，臥式銑床或轉(zhuǎn)塔銑床等?？v系列模塊化設(shè)計：產(chǎn)品功能及原理方案相同，結(jié)構(gòu)相似，而參數(shù)尺寸有變化，隨參數(shù)變化對系列產(chǎn)品劃分合理區(qū)段，同一區(qū)段內(nèi)模塊通用。全系列模塊化設(shè)計：包括縱系列與橫系列。跨系列模塊化設(shè)計：指具有相近動力參數(shù)的不同類型產(chǎn)品。它有兩種模塊化形式：一種是在相同的基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)上，選用不同模塊組成跨系列產(chǎn)品。如

7、德國生產(chǎn)的雙柱坐標鏜床，通過改變測量系統(tǒng)模塊，還可得到一種專門用于測量的產(chǎn)品。另一種是在基礎(chǔ)不同的跨系列產(chǎn)品中，選用相同功能的模塊。如自卸車與載重汽車，選用同樣的變速箱與制動器等通用模塊。3）模塊的劃分與組合： 劃分模塊時要注意模塊在整個系統(tǒng)中的作用及其更換的可能性與必要性；要注意保持模塊在功能及結(jié)構(gòu)方面的獨立性與完整性；模塊間的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)便于分離與聯(lián)接；模塊的劃分不能影響系統(tǒng)的主要功能。 模塊的組合有開式與閉式組合，組合的原則是以求用較少模塊組合成更多不同功能的變形產(chǎn)品。模塊化設(shè)計實例齒輪減速器系列設(shè)計 如減速器功能圖所示，分別進行了齒輪模塊，軸的模塊，箱體的模塊等設(shè)計，采用了112對斜齒圓

8、柱齒輪和70對錐齒輪模塊，代替了非模塊化設(shè)計的1252對齒輪；可組成332種平行軸和220種相交軸的傳動。只需要3種箱體。模塊化設(shè)計降低了成本，并且便于管理。下表列出了減速器模塊化系列中零部件的通用化程度。模塊名稱 箱體齒輪軸軸承端蓋通用化程度（%）9785.677.498.498.6二、工作原理的構(gòu)思與設(shè)計 工作原理是指實現(xiàn)產(chǎn)品功能最基本形式。創(chuàng)新設(shè) 計的核心是原理創(chuàng)新。按新的原理工作的機器、設(shè)備、儀器才具有競爭力。 構(gòu)思新的工作原理一般可通過以下的途徑來解決： 1.建立設(shè)計目錄 2.參考、借鑒相關(guān)產(chǎn)品的資料或?qū)＠?3.利用技術(shù)沖突解決原理 4.充分應(yīng)用可利用資源1.建立設(shè)計目錄 設(shè)計目錄是

9、一種設(shè)計信息庫，他把設(shè)計過程中所需要的大量信息有規(guī)律的加以分類、排列、儲存，以便設(shè)計者查找、調(diào)用。下表是部分物理功能的設(shè)計目錄功能原理固體分力學 機械液 氣電 磁摩擦分離浮力分離磁分離原理功能動力的產(chǎn)生靜力的產(chǎn)生電 磁力學 機械液 氣彈性能位能hh液壓能靜電壓電效應(yīng)+v離心力液體壓力效應(yīng)電流磁效應(yīng)+原理功能力-距離關(guān)系摩擦阻力的產(chǎn)生電 磁力學 機械液 氣機械摩擦毛細管電阻片簧氣墊電容p 2.參考、借鑒相關(guān)產(chǎn)品的資料或?qū)＠?例1 分紙原理：印刷、點鈔、包裝切向力摩擦力重力氣體力負壓吸力靜電吸力蒸汽液體熱輸入熱輸出襯里（金屬絲網(wǎng)）封閉熱管波紋管水泵例2 液體輸送原理：利用負壓效應(yīng)設(shè)計波紋管水泵；利

10、用毛細管效應(yīng)設(shè)計封閉熱管，用于人造衛(wèi)星和凍土層輸油管保溫等。3.利用技術(shù)沖突解決原理 沖突廣泛存在于產(chǎn)品的設(shè)計之中，解決沖突是創(chuàng)新設(shè)計的核心。沖突類型很多，這里只討論關(guān)于技術(shù)沖突的有關(guān)問題。1）技術(shù)沖突的概念： 技術(shù)沖突是指一個作用同時導致有用及有害兩種結(jié) 果，也可指有用作用的引入或有害作用的消除導致一個或幾個子系統(tǒng)變壞。技術(shù)沖突常表現(xiàn)為一個系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)之間的沖突。2）技術(shù)沖突出現(xiàn)的幾種情況：在一個子系統(tǒng)中引入一種有用功能，導致另一個子系統(tǒng)產(chǎn)生有害功能，或加強了一種已存在的有害功能。消除一種有害功能導致另一個子系統(tǒng)有用功能變壞。有用功能的加強或有害功能的減少使另一個子系統(tǒng)或系統(tǒng)變得復雜。技

11、術(shù)沖突實例 自行車的車閘，目前的設(shè)計很容易受到天氣的影響，下雨天，瓦圈表面與閘皮之間的摩擦系數(shù)降低，減少了摩擦力，降低了騎車人的安全性。一種改進設(shè)計為可更換閘皮型，即有兩類閘皮，好天氣用一類，雨天換另一類。 設(shè)計中的沖突為，將閘皮設(shè)計成可更換型，增加了騎車人的安全性，但必須備有閘皮可用，還要更換，使操作復雜。 3）技術(shù)沖突的解決原理：在對全世界專利進行分析研究的基礎(chǔ)上，有關(guān)專家提出了40條技術(shù)沖突的解決原理，實踐證明，這些原理對于指導設(shè)計人員的發(fā)明創(chuàng)造具有重要的作用。40條技術(shù)沖突的解決原理如下表所示：序號名稱序號名稱序號名稱序號名稱1分割11預補償21緊急行動31多孔材料2分離12等勢性22

12、變有害為有益32改變顏色3局部質(zhì)量13反向23反饋33同質(zhì)性4不對稱14曲面化24中介物34拋棄與修復5合并15動態(tài)化25自服務(wù)35參數(shù)變化6多用性16未達到或超過的作用26復制36狀態(tài)變化7套裝17維數(shù)變化27代替37熱膨脹8質(zhì)量補償18振動28機械系統(tǒng)的替代38加速強氧化9預加反作用19周期性作用29氣動與液壓結(jié)構(gòu)39惰性環(huán)境10預操作20有效作用的連續(xù)性30柔性殼體或薄膜40復合材料下面介紹幾個常見的原理與工程實例（1）分割原理將一個物體分成相互獨立的部分：例如一輛卡車加拖車代替一輛載重量大的卡車。使物體分成容易組裝或拆卸的部分：例如花園澆花用的軟管，可按需要用快速接頭連接成所需要的長度

13、。增加物體相互獨立部分的程度：例如挖掘機鏟斗的唇緣是容易損壞的部件，將其設(shè)計成可分割的幾部分，既可方便的將損壞部分更換，見圖。可分割部分可拆卸鏟斗（3）局部質(zhì)量原理將物體或環(huán)境的均勻結(jié)構(gòu)變成不均勻結(jié)構(gòu)。如用變化中的壓力、溫度或密度代替常定的壓力、溫度或密度。使組成物體的不同部分完成不同的功能。如餐盒被分成放放熱食、冷食、飲料等各自不同的空間。使組成物體的每一部分都最大限度的發(fā)揮作用。如帶有起釘器的榔頭。若組成機器的某個零部件沒有最大限度的發(fā)揮作用，則應(yīng)對其改進設(shè)計。例如鋸片的改進設(shè)計： 利用局部質(zhì)量原理，可使用雙列齒，將鋸齒制成高度不同，交叉排列的形狀，短齒比長齒寬，長齒用來切削，短齒用來清潔

14、切削表面。這樣既保證了表面粗糙度，又提高了切削速度。不同高度（4）不對稱原理將物體的形狀由對稱變?yōu)椴粚ΨQ。如不對稱攪拌容器，或?qū)ΨQ容器不對稱葉片。如果物體是不對稱的，則增加其不對稱程度。如不對稱共鳴器的設(shè)計，見下頁圖。 對稱是機械零件傳統(tǒng)的設(shè)計形式，但實際上，設(shè)計中很多沖突與對稱有關(guān)，將其變?yōu)椴粚ΨQ就解決了很多問題。不對稱共鳴器：將金屬筒中心線與絕緣筒的軸心線偏移一定距離，可以得到很好的調(diào)諧效果。金屬筒絕緣筒minmaxe(5)動態(tài)化原理使一個物體或其環(huán)境在操作的每一個階段自動調(diào)整，以達到優(yōu)化的性能。如可調(diào)整驅(qū)動輪，可調(diào)整座椅，可調(diào)整反光鏡等。劃分一個物體成具有相互關(guān)系的元件，元件之間可以改變

15、相對位置。如計算機蝶形鍵盤。如果一個物體是靜止的，使之變?yōu)檫\動的或可改變的。如螺旋角可變的螺桿輸送機，彈簧沿著旋轉(zhuǎn)軸的伸長/壓縮可控制螺桿的螺旋角，從而控制松散材料的輸送速度，見下頁圖。4.充分應(yīng)用可利用資源 設(shè)計中的可用資源對創(chuàng)新設(shè)計起著重要作用，合理的利用資源可使問題的解更容易接近理想解。 對資源進行分類，詳細分析，深刻理解，并充分利用資源，對設(shè)計人員十分必要。（1）資源分類序號類型意義1自然或環(huán)境資源自然界中任何存在的材料或場，例如太陽能電池2時間資源兩個循環(huán)之間的時間3空間資源位置、次序、系統(tǒng)本身及超系統(tǒng)4系統(tǒng)資源系統(tǒng)之間的資源互用5物質(zhì)資源任何有用于功能的物質(zhì)6能量/場資源系統(tǒng)中存在

16、的或能產(chǎn)生的場或能量7信息資源系統(tǒng)中任何存在的或能產(chǎn)生的信號8功能資源系統(tǒng)或環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)輔助功能的能力（2）資源分析直接應(yīng)用資源：指在當前存在的狀態(tài)下可被應(yīng)用的資源。導出資源：通過某種變換，使不能利用的資源成為可利用資源。差動資源：物質(zhì)與場的不同特性是一種可形成某種技術(shù)的資源，這種資源成為差動資源。直接可利用資源物質(zhì)資源：利用螺紋毛坯是圓柱體的特點設(shè)計搓絲機，見下頁圖。能量資源：汽車發(fā)動機既驅(qū)動車輪又驅(qū)動液壓泵，使液壓系統(tǒng)工作。場資源：地球上的重力場或電磁場。例如利用鋼的磁性原理，設(shè)計搬運鋼板的機械裝置，見下頁圖?？臻g資源：倉庫中的多層貨架。時間資源：雙向打印機。信息資源：汽車運行時所排放的廢

17、氣中的顆粒，表明發(fā)動機的性能信息。功能資源：人站在椅子上更換屋頂?shù)臒襞?，椅子的高度是一種輔助功能的利用。搓絲機磁棍利用磁性工作導出資源導出物質(zhì)資源：由直接應(yīng)用資源，變換或施加作用所得到的物質(zhì)。如鑄造所的材料毛坯。導出能量資源：變換直接能量所得，如變壓器將高壓變?yōu)榈蛪?，這種低電壓為導出能源。導出場資源：變換直接場資源所得。導出信息資源：變換不相關(guān)的信息為相關(guān)信息，如地球表面磁場的變化可用于發(fā)現(xiàn)礦藏。導出空間資源：由于幾何形狀變化所得到的額外空間。導出時間資源：由于加速或間歇運動獲得的時間間隔。導出功能資源：合理化后系統(tǒng)完成的輔助功能。結(jié)構(gòu)各項異性：光學特性；電特性；聲學特性；機械特性；化學特性；

18、幾何特性。不同材料的特性：場梯度的利用：在煙囪的幫助下，地球表面與3200米高空中的壓力差，使爐子中的空氣流動；空間不均勻場的利用：利用場的值與標準值的偏差：差動物質(zhì)資源 差動場資源差動資源（3）資源利用將所有的資源首先集中于最重要的動作或子系統(tǒng)；合理、有效的利用資源，避免資源損失、浪費；將資源集中到特定的空間或時間；利用其他過程中損失或浪費的資源；與其他子系統(tǒng)分享資源，動態(tài)調(diào)節(jié)這些子系統(tǒng)；根據(jù)子系統(tǒng)隱含的功能，利用其他資源；對資源進行變換，使其成為有用資源 ?？臻g最大限度的利用閑置空間；利用相鄰子系統(tǒng)的某些表面，或反面；利用空間中的點、線、面或體積；利用緊湊的幾何形狀，如螺旋線；利用暫時閑置的空間。 時間 材料在最有價值的工作階段，最大限度的利用時間；使過程連續(xù)，消除停頓或空行程；變換順序動作為并行動作以節(jié)省時間；利用薄膜、粉末、蒸汽，將少量物質(zhì)擴大到一個較大的空間；利用與子系統(tǒng)混合的環(huán)境中的材料；將環(huán)境中的材料，如水、空氣等，轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫牟牧稀Ｄ芰勘M可能提高核心部件能量的利用率；限制利用成本高的能量，盡可能采