機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)第五章

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)第五章圖5-1外浮式自動抽水方案圖5-2單擺式自動抽水方案DABC3142ABCω1D方案設(shè)計(jì)舉例例1船在江河中長時(shí)間航行常常會在船底積水，采用人力排水是比較麻煩的。借助波浪如何隨時(shí)將積水排出？1-推2-摩擦3-離心力4-重力5-粘力6-氣吹7一氣吸8一靜電例2：取一張紙方案的方案設(shè)計(jì)例3：有急回特性的方案設(shè)計(jì)例4：爬桿機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)（a）（b）

（c）（a）（b）方案設(shè)計(jì)的第一步就是確定被設(shè)計(jì)對象的功能，對于已經(jīng)存在的產(chǎn)品就是改進(jìn)它的功能，對于將要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是細(xì)化設(shè)計(jì)它應(yīng)該具有的功能。

1947年，美國工程師麥爾斯提出的“功能”的思想，他有一句富有哲理性的名言：

“顧客購買的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”。這句話在美國經(jīng)過了三十多年才被人們理解和接受。不同的原理方案，對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)的效果也有差異。

過去的設(shè)計(jì)都是從機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、動力學(xué)、強(qiáng)度等入手，而功能分析是轉(zhuǎn)為對功能思考，從而做到不受現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的束縛，怎樣更好地實(shí)現(xiàn)功能，以便形成新的設(shè)計(jì)構(gòu)思，提出創(chuàng)造性方案。自從“功能”概念被接受以后，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引發(fā)了“功能原理”不斷翻新的新氣象。在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，可以采用各種不同原理、結(jié)構(gòu)等來實(shí)現(xiàn)功能。

70年代之前，每一種產(chǎn)品似乎都有幾十年不變的歷史，它們的原理、結(jié)構(gòu)甚至外形都沒有太大的變化，似乎只有這樣的結(jié)構(gòu)和外形才能被稱為是這種“產(chǎn)品”。例如，流行了近百年的字頭式打印機(jī)，到80年代出現(xiàn)了點(diǎn)陣式針式打印機(jī)，繼而出現(xiàn)了噴墨打印機(jī)，激光打印機(jī)，人們終于看到了“功能”思想的巨大威力。

70年代以后,“功能思想”打破了這種習(xí)慣，人們開始尋找不同的原理、結(jié)構(gòu)和外形來實(shí)現(xiàn)同一種功能，而且有可能使這種功能實(shí)現(xiàn)得更完美、更理想。

典型機(jī)器功能分析——縫紉機(jī)黃靖遠(yuǎn)等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，1999：16-201、縫紉機(jī)的功能縫紉機(jī)的總功能是將線按一定規(guī)律縫于縫料上。采用了上下兩根縫線互相交織，交織點(diǎn)位于縫料中間的雙線鎖式線跡。這種縫紉功能具有以下特點(diǎn)：

1)機(jī)縫線跡整齊美觀，縫合牢固，縫紉迅速。

2)實(shí)現(xiàn)總功能的各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動配合要求精度很高，如與機(jī)針相關(guān)構(gòu)件的運(yùn)動配合間隙必須保持在～之間，一些關(guān)鍵動作如鉤線又要求在極短時(shí)間(0.005s)內(nèi)完成。2、縫紉機(jī)的功能分析3421主要功能引線功能鉤線穿環(huán)功能挑線功能送料功能（1）1)引線功能

當(dāng)機(jī)針刺過縫料時(shí)，面線隨針下降。而當(dāng)針回升時(shí)，因引入槽長而深，面線嵌入槽內(nèi)，不和縫料接觸而隨針上升。但引出槽卻短而淺，面線則凸出槽外被縫料擠壓，形成較大摩擦阻力，因而不隨針上升，而是被槽底托起，向外擴(kuò)大，造成線環(huán)。這是實(shí)現(xiàn)雙線交織的關(guān)鍵。縫紉機(jī)針1-針尖2-針刃3-針柄4-平面5-引入槽6-引出槽7-針孔擺梭尖嘴2)鉤線穿環(huán)功能

擺梭尖嘴插入所造線環(huán)，擺梭擺動又使環(huán)擴(kuò)大，擴(kuò)大的環(huán)繞過梭心后，線環(huán)就被底線穿過。同時(shí)面線回收，使線環(huán)從擺梭尖嘴內(nèi)脫出，抽緊面線，形成底面線交織，而后擺梭組件返回。帶有尖嘴的擺梭作往復(fù)擺動是實(shí)現(xiàn)的該功能的關(guān)鍵。3)挑線功能

當(dāng)機(jī)針向下穿刺，形成線環(huán)及擴(kuò)環(huán)過程，都需要把面線供給機(jī)針和擺梭，而當(dāng)?shù)拙€穿過面線環(huán)后，又需要收回面線，以便抽緊底線，形成交織。這是靠挑線桿帶著面線上下擺動來實(shí)現(xiàn)的。4)輸送縫料的功能

為使線跡連續(xù)，當(dāng)一個(gè)線跡形成后，縫料應(yīng)相對機(jī)針移動一個(gè)線跡距離。當(dāng)機(jī)針退出縫料后，送布牙就上升并壓入縫料底面，利用摩擦力使縫料移動一個(gè)線跡。而后送布牙下降并返回原位，和縫料脫離接觸，以便進(jìn)行下一個(gè)形成線跡的功能動作。送布機(jī)構(gòu)的方案（2）輔助功能為保證主要功能的實(shí)現(xiàn)，還配置了一系列輔助功能。1)調(diào)節(jié)面線和底線的阻尼功能為保證得到美觀、整齊和牢固的線跡，面線與底線的松緊應(yīng)能使鎖式線跡的交接點(diǎn)絞合在縫料中間。

面線過緊或底線過松，則會使底線被拉到縫料上面，反之，面線又會被底線拉到縫料下面。調(diào)節(jié)面線松緊的阻尼是靠旋動夾面線螺母來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)底線松緊的阻尼則用擰動壓緊底線的螺紋來實(shí)現(xiàn)的。2)調(diào)節(jié)壓腳壓緊力的功能壓腳壓緊縫料的壓力過大，則會產(chǎn)生縫料皺縮和使縫料遭受損傷，壓力過小，又會產(chǎn)生送料呆滯和縫料溜滑現(xiàn)象。這是靠調(diào)節(jié)壓腳壓力的螺紋來實(shí)現(xiàn)的。3)調(diào)節(jié)送布針距的功能送布針距影響到線跡密度，提高線跡密度會增加縫紉牢度，但過密則會影響縫料強(qiáng)度。它由送布牙送料距離調(diào)節(jié)鈕決定。4)繞底線功能底線須繞在梭心上，才能進(jìn)行底面線交織。實(shí)現(xiàn)此功能是把梭心裝到繞線軸上，由高速轉(zhuǎn)動的手輪使上摩擦輪帶動繞線軸旋轉(zhuǎn)，而使梭心纏繞底線。（3）控制功能控制功能主要有三類，即機(jī)械、人機(jī)、電子控制功能。1)機(jī)械控制功能縫紉機(jī)中每一功能動作的協(xié)調(diào)，是由傳動機(jī)構(gòu)的巧妙配合進(jìn)行控制的，主要由凸輪和連桿機(jī)構(gòu)的配合來達(dá)到的。2)人機(jī)控制功能操作者和縫紉機(jī)構(gòu)成了人機(jī)系統(tǒng)?？p紉信息傳入操作者的感官，再用手作為執(zhí)行器來控制縫料運(yùn)動，完成縫紉要求。3)電子控制功能用微機(jī)進(jìn)行程序控制，從而實(shí)現(xiàn)可隨意調(diào)節(jié)和改變縫紉線跡，甚至可以實(shí)現(xiàn)繡花和鎖扣眼的特殊功能。主要、輔助和控制三方面功能互相配合，共同實(shí)現(xiàn)了縫紉總功能。

5.1工件傳送方案設(shè)計(jì)工件傳送是物流自動化過程中的重要環(huán)節(jié)，工件傳送的功能是實(shí)現(xiàn)工件的分類與換位。若實(shí)現(xiàn)直線位移方式的工件換位，圖5-3、圖5-4是常用的設(shè)計(jì)方案；圖5-3含直線軌跡的步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)ABC1234圖5-4直線運(yùn)動供料機(jī)構(gòu)若實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動形式的工件換位，圖5-5、圖5-6是常用的設(shè)計(jì)方案；圖5-5滑塊搖桿式圓弧軌跡運(yùn)料機(jī)構(gòu)

2ψBLω1R1R2φ02A0O1O23ψφA1圖5-6槽輪換位機(jī)構(gòu)

若實(shí)現(xiàn)雙位移的工件間歇換位，圖5-7是常用的設(shè)計(jì)方案；123456123456圖5-7兩個(gè)滑塊具有不同行程的送料機(jī)構(gòu)

若實(shí)現(xiàn)分類與傳送，圖5-8是常用的設(shè)計(jì)方案。ABCDⅠⅡⅢS1234圖5-8分送工件機(jī)構(gòu)5.2構(gòu)件變位方案設(shè)計(jì)

構(gòu)件位姿變化是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題，圖5-9、圖5-10是雙搖桿機(jī)構(gòu)在靠背換向、爐門啟閉上的應(yīng)用；圖5-11是雙搖桿機(jī)構(gòu)在翻砂脫模作業(yè)上的應(yīng)用。132A1B1OCA2B24自動上料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)自動上料機(jī)構(gòu)包括自動排列機(jī)構(gòu)、供料機(jī)構(gòu)等。圖5-12為自動排列機(jī)構(gòu)；圖5-13、圖5-14為自動供料機(jī)構(gòu)；圖5-15、圖5-16為自動上料綜合機(jī)構(gòu)。

圖5-12自動排列機(jī)構(gòu)一自動排列機(jī)構(gòu)二自動供料機(jī)構(gòu)

三自動上料綜合機(jī)構(gòu)

間歇運(yùn)料機(jī)構(gòu)舉例間歇運(yùn)料機(jī)構(gòu)舉例5.4工件抓取機(jī)構(gòu)齒輪齒條抓取機(jī)構(gòu)蝸桿蝸輪抓取機(jī)構(gòu)齒輪式自鎖性抓取機(jī)構(gòu)加緊彈簧裝于鉗口內(nèi)的機(jī)械手夾爪式機(jī)械手利用螺旋彈簧的彈性機(jī)械手開口巨大的抓取機(jī)構(gòu)加緊彈簧裝于鉗口外的機(jī)械手(a)

(b)

(c)

(d)圖5-18四種幾何形狀不確定的物料抓取機(jī)構(gòu)(a)利用鋼絲繩實(shí)現(xiàn)六瓣爪的異步動作，圖(b)、(c)、(d)利用液壓油實(shí)現(xiàn)各瓣爪的異步動作，從而實(shí)現(xiàn)對被抓取對象的自適應(yīng)抓取。

5.5泵機(jī)構(gòu)只要容積發(fā)生變化，就可以實(shí)現(xiàn)泵的功