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1、1,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。,2,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
2、何随时将积水排出？,3,1-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,4,例3：有急回特性的方案设计,5,例4：爬杆机器人的方案设计,（a）,（b）,（c）,6,（a）,（b）,7,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。,8,不同的原理方案，对应不同的结构设计，其实现的
3、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。,9,70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
4、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。,10,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，1999：16-20,11,1、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
5、.005s)内完成。,12,2、缝纫机的功能分析,13,1)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,14,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
6、摆梭作往复摆动是实现的该功能的关键。,15,3)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。,16,4)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。,17,送布机构的方案,18,19,（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
7、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。,20,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。,21,2)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。,22,3)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
8、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。,23,（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
9、功能。,24,25,5.1 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,26,图5-4直线运动供料机构,27,28,29,30,31,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,32,图5-6 槽轮换位机构,33,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,34,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
10、构,35,5.2 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；,36,图5-11是双摇杆机构在翻砂脱模作业上的应用。,37,5.3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。,38,图5-12 自动排列机构,一 自动排列机构,39,40,41,42,43,44,45,46,47,二 自动供料机构,48,三 自动上料综合机构,49,50,间歇运料机构举例,51,间歇运料机构举例,52,5.4 工件抓取
11、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,53,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,54,(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。,55,5.5 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。,56,（b） 曲柄滑块机构泵,（a） 双曲柄机构泵,1,2,3,A,B,C,D,a,4,1,57,（c） 曲柄摇杆机构泵,（d） 摆动导杆机构泵,（e）三齿齿轮泵,