機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與創(chuàng)新課件

1、第五章 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與創(chuàng)新開(kāi)發(fā)一個(gè)新的機(jī)械產(chǎn)品一般經(jīng)歷四個(gè)階段：產(chǎn)品規(guī)劃市場(chǎng)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(biāo)。方案設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計(jì)；工作原理構(gòu)思與設(shè)計(jì)；工藝動(dòng)作構(gòu)思與設(shè)計(jì)；方案性能評(píng)價(jià)。技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)中的零部件尺寸、參數(shù)、形狀、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度、精度設(shè)計(jì)；繪制相應(yīng)的工作圖，編寫說(shuō)明書。施工設(shè)計(jì)加工、制造等工藝設(shè)計(jì)；安裝、調(diào)試及維護(hù)、使用說(shuō)明。 在這四個(gè)設(shè)計(jì)階段過(guò)程中，方案設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的性能、成本、使用與維護(hù)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(jì)方法與技巧。一、 功能分析與設(shè)計(jì) 功能分析與設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程包括裁剪、重組。即研究每一個(gè)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(jiǎn)明的語(yǔ)言對(duì)產(chǎn)品對(duì)象的各種工作能力抽象化的描述。功能的描述一定要準(zhǔn)確、合理、簡(jiǎn)潔、抽象，不帶有任何傾向性。使得在方案構(gòu)思時(shí)不致產(chǎn)生框框，使思路開(kāi)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(wèn)題，功能描述不同，解決該問(wèn)題的思路與方法就會(huì)受到影響。功能描述工作原理工藝動(dòng)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(xué)法脆皮、溶殼2.功能分類1）按機(jī)電產(chǎn)品各組成部分具體功能進(jìn)行分類：驅(qū)動(dòng)功能為系統(tǒng)提供能量，它接受測(cè)控部分發(fā)出的指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分工作。其功能載體為各種類型原動(dòng)機(jī)。傳動(dòng)功能傳遞驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行部分之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。包括運(yùn)動(dòng)形式、性質(zhì)、方向、大小的變換。其功能載體可以是機(jī)械式、液壓氣動(dòng)式、電磁式等。執(zhí)行功能實(shí)現(xiàn)和完成產(chǎn)品的最終功能。簡(jiǎn)單系統(tǒng)可用簡(jiǎn)單的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)特定的動(dòng)作；復(fù)雜的系統(tǒng)有多個(gè)執(zhí)行功能，各動(dòng)作需要協(xié)調(diào)與配合。測(cè)控功能包括檢測(cè)、傳感與控制。它把系統(tǒng)工作過(guò)程中各種參數(shù)和工作狀況檢測(cè)出來(lái)，變換成可測(cè)定和可控制的物理量

4、，傳送到信息處理部分，并發(fā)出對(duì)各部分的工作指令和控制信號(hào)。2）按系統(tǒng)中各部分的基本物理功能進(jìn)行分類基本物理功能反映系統(tǒng)中三個(gè)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(yùn)動(dòng)的形式，材料的性質(zhì)，物態(tài)，訊號(hào)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(hào)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(chǔ)存功能具有時(shí)間的特征。如物料的存儲(chǔ)，能量的存儲(chǔ)等。傳導(dǎo)功能三要素在不同位置通過(guò)電、光、機(jī)構(gòu)、等變化傳導(dǎo)，具有位置特征。離合功能使系統(tǒng)時(shí)而接通、切斷。具有時(shí)間位置的特征。3）機(jī)構(gòu)的基本功能變換運(yùn)動(dòng)

5、的形式轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)，擺動(dòng)，間歇運(yùn)動(dòng)變換運(yùn)動(dòng)的速度減速，增速，變速變換運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成與分解對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操縱與控制實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)位置與軌跡實(shí)現(xiàn)某些特殊功能增力，增程，微動(dòng)，急回，夾緊，定位等3.功能的分解將產(chǎn)品的總功能進(jìn)行分解成分功能，子功能，乃至功能元，使功能分析與設(shè)計(jì)更加方便。功能分解可圖解為樹(shù)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(shù)減速器輸入輸出傳動(dòng)支承聯(lián)軸器傳潤(rùn)齒潤(rùn)滑系潤(rùn)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(jì)（模塊化設(shè)計(jì)）1）模塊化設(shè)計(jì)概念與特點(diǎn)： 其核心思想是將系統(tǒng)根據(jù)功能分解為若干模塊，通過(guò)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(diǎn)是產(chǎn)品更新?lián)Q代快，縮短了設(shè)計(jì)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(fù)雜。 2）模塊化設(shè)計(jì)方式： 橫系列模塊化設(shè)計(jì)：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(jì)：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(duì)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(jì)：包括縱系列與橫系列。跨系列模塊化設(shè)計(jì)：指具有相近動(dòng)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(guó)生產(chǎn)的雙柱坐標(biāo)鏜床，通過(guò)改變測(cè)量系統(tǒng)模塊，還可得到一種專門用于測(cè)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(dòng)器等通用模塊。3）模塊的劃分與組合： 劃分模塊時(shí)要注意模塊在整個(gè)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(dú)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(kāi)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(jì)實(shí)例齒輪減速器系列設(shè)計(jì) 如減速器功能圖所示，分別進(jìn)行了齒輪模塊，軸的模塊，箱體的模塊等設(shè)計(jì)，采用了112對(duì)斜齒圓

8、柱齒輪和70對(duì)錐齒輪模塊，代替了非模塊化設(shè)計(jì)的1252對(duì)齒輪；可組成332種平行軸和220種相交軸的傳動(dòng)。只需要3種箱體。模塊化設(shè)計(jì)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(jì) 工作原理是指實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能最基本形式。創(chuàng)新設(shè) 計(jì)的核心是原理創(chuàng)新。按新的原理工作的機(jī)器、設(shè)備、儀器才具有競(jìng)爭(zhēng)力。 構(gòu)思新的工作原理一般可通過(guò)以下的途徑來(lái)解決： 1.建立設(shè)計(jì)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(jì)目錄 設(shè)計(jì)目錄是

9、一種設(shè)計(jì)信息庫(kù)，他把設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要的大量信息有規(guī)律的加以分類、排列、儲(chǔ)存，以便設(shè)計(jì)者查找、調(diào)用。下表是部分物理功能的設(shè)計(jì)目錄功能原理固體分力學(xué) 機(jī)械液 氣電 磁摩擦分離浮力分離磁分離原理功能動(dòng)力的產(chǎn)生靜力的產(chǎn)生電 磁力學(xué) 機(jī)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(xué) 機(jī)械液 氣機(jī)械摩擦毛細(xì)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?jiān)恚河∷ⅰⅫc(diǎn)鈔、包裝切向力摩擦力重力氣體力負(fù)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(fù)壓效應(yīng)設(shè)計(jì)波紋管水泵；利

10、用毛細(xì)管效應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)之中，解決沖突是創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(wèn)題。1）技術(shù)沖突的概念： 技術(shù)沖突是指一個(gè)作用同時(shí)導(dǎo)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(dǎo)致一個(gè)或幾個(gè)子系統(tǒng)變壞。技術(shù)沖突常表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)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(gè)子系統(tǒng)中引入一種有用功能，導(dǎo)致另一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生有害功能，或加強(qiáng)了一種已存在的有害功能。消除一種有害功能導(dǎo)致另一個(gè)子系統(tǒng)有用功能變壞。有用功能的加強(qiáng)或有害功能的減少使另一個(gè)子系統(tǒng)或系統(tǒng)變得復(fù)雜。技

11、術(shù)沖突實(shí)例 自行車的車閘，目前的設(shè)計(jì)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(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)中的沖突為，將閘皮設(shè)計(jì)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(fù)雜。 3）技術(shù)沖突的解決原理：在對(duì)全世界專利進(jìn)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(shí)踐證明，這些原理對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(hào)名稱序號(hào)名稱序號(hào)名稱序號(hào)名稱1分割11預(yù)補(bǔ)償21緊急行動(dòng)31多孔材料2分離12等勢(shì)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(duì)稱14曲面化24中介物34拋棄與修復(fù)5合并15動(dòng)態(tài)化25自服務(wù)35參數(shù)變化6多用性16未達(dá)到或超過(guò)的作用26復(fù)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(bǔ)償18振動(dòng)28機(jī)械系統(tǒng)的替代38加速?gòu)?qiáng)氧化9預(yù)加反作用19周期性作用29氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)39惰性環(huán)境10預(yù)操作20有效作用的連續(xù)性30柔性殼體或薄膜40復(fù)合材料下面介紹幾個(gè)常見(jiàn)的原理與工程實(shí)例（1）分割原理將一個(gè)物體分成相互獨(dú)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(zhǎng)度

13、。增加物體相互獨(dú)立部分的程度：例如挖掘機(jī)鏟斗的唇緣是容易損壞的部件，將其設(shè)計(jì)成可分割的幾部分，既可方便的將損壞部分更換，見(jiàn)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(jī)器的某個(gè)零部件沒(méi)有最大限度的發(fā)揮作用，則應(yīng)對(duì)其改進(jìn)設(shè)計(jì)。例如鋸片的改進(jìn)設(shè)計(jì)： 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(zhǎng)齒寬，長(zhǎng)齒用來(lái)切削，短齒用來(lái)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(duì)稱原理將物體的形狀由對(duì)稱變?yōu)椴粚?duì)稱。如不對(duì)稱攪拌容器，或?qū)ΨQ容器不對(duì)稱葉片。如果物體是不對(duì)稱的，則增加其不對(duì)稱程度。如不對(duì)稱共鳴器的設(shè)計(jì)，見(jiàn)下頁(yè)圖。 對(duì)稱是機(jī)械零件傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，但實(shí)際上，設(shè)計(jì)中很多沖突與對(duì)稱有關(guān)，將其變?yōu)椴粚?duì)稱就解決了很多問(wèn)題。不對(duì)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(dòng)態(tài)化原理使一個(gè)物體或其環(huán)境在操作的每一個(gè)階段自動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化的性能。如可調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪，可調(diào)整座椅，可調(diào)整反光鏡等。劃分一個(gè)物體成具有相互關(guān)系的元件，元件之間可以改變

15、相對(duì)位置。如計(jì)算機(jī)蝶形鍵盤。如果一個(gè)物體是靜止的，使之變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的或可改變的。如螺旋角可變的螺桿輸送機(jī)，彈簧沿著旋轉(zhuǎn)軸的伸長(zhǎng)/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(jiàn)下頁(yè)圖。4.充分應(yīng)用可利用資源 設(shè)計(jì)中的可用資源對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)起著重要作用，合理的利用資源可使問(wèn)題的解更容易接近理想解。 對(duì)資源進(jìn)行分類，詳細(xì)分析，深刻理解，并充分利用資源，對(duì)設(shè)計(jì)人員十分必要。（1）資源分類序號(hào)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(chǎng)，例如太陽(yáng)能電池2時(shí)間資源兩個(gè)循環(huán)之間的時(shí)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(chǎng)資源系統(tǒng)中存在

16、的或能產(chǎn)生的場(chǎng)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(hào)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(dāng)前存在的狀態(tài)下可被應(yīng)用的資源。導(dǎo)出資源：通過(guò)某種變換，使不能利用的資源成為可利用資源。差動(dòng)資源：物質(zhì)與場(chǎng)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(dòng)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(diǎn)設(shè)計(jì)搓絲機(jī)，見(jiàn)下頁(yè)圖。能量資源：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)既驅(qū)動(dòng)車輪又驅(qū)動(dòng)液壓泵，使液壓系統(tǒng)工作。場(chǎng)資源：地球上的重力場(chǎng)或電磁場(chǎng)。例如利用鋼的磁性原理，設(shè)計(jì)搬運(yùn)鋼板的機(jī)械裝置，見(jiàn)下頁(yè)圖?？臻g資源：倉(cāng)庫(kù)中的多層貨架。時(shí)間資源：雙向打印機(jī)。信息資源：汽車運(yùn)行時(shí)所排放的廢

17、氣中的顆粒，表明發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)磁棍利用磁性工作導(dǎo)出資源導(dǎo)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(dǎo)出能量資源：變換直接能量所得，如變壓器將高壓變?yōu)榈蛪海@種低電壓為導(dǎo)出能源。導(dǎo)出場(chǎng)資源：變換直接場(chǎng)資源所得。導(dǎo)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(chǎng)的變化可用于發(fā)現(xiàn)礦藏。導(dǎo)出空間資源：由于幾何形狀變化所得到的額外空間。導(dǎo)出時(shí)間資源：由于加速或間歇運(yùn)動(dòng)獲得的時(shí)間間隔。導(dǎo)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(xiàng)異性：光學(xué)特性；電特性；聲學(xué)特性；機(jī)械特性；化學(xué)特性；

18、幾何特性。不同材料的特性：場(chǎng)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?fàn)t子中的空氣流動(dòng)；空間不均勻場(chǎng)的利用：利用場(chǎng)的值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差：差動(dòng)物質(zhì)資源 差動(dòng)場(chǎng)資源差動(dòng)資源（3）資源利用將所有的資源首先集中于最重要的動(dòng)作或子系統(tǒng)；合理、有效的利用資源，避免資源損失、浪費(fèi)；將資源集中到特定的空間或時(shí)間；利用其他過(guò)程中損失或浪費(fèi)的資源；與其他子系統(tǒng)分享資源，動(dòng)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(duì)資源進(jìn)行變換，使其成為有用資源 。空間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(diǎn)、線、面或體積；利用緊湊的幾何形狀，如螺旋線；利用暫時(shí)閑置的空間。 時(shí)間 材料在最有價(jià)值的工作階段，最大限度的利用時(shí)間；使過(guò)程連續(xù)，消除停頓或空行程；變換順序動(dòng)作為并行動(dòng)作以節(jié)省時(shí)間；利用薄膜、粉末、蒸汽，將少量物質(zhì)擴(kuò)大到一個(gè)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?。能量盡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