华科机械原理PPT课件 机构创新设计.ppt

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1、第八章 机构创新设计,8.1 机构选型8.2 机构构型的创新设计8.3 基于功能分析的机构设计8.4 机构系统设计实例8.5 机构系统设计方案评价,8.1 机构选型,一、执行构件的运动形式 1、旋转运动：连续旋转运动，间歇旋转运动，往复摆动 2、直线运动：往复移动，间歇往复移动，单向间歇直线移动 3、曲线运动：执行构件上某一点作特定的曲线（轨迹）运动 4、刚体导引运动：指非连架杆执行构件的刚体导引运动 5、特殊功能运动：如微动、补偿、 换向等,直线运动,曲线运动,复合运动,往复摆动,每分钟转数 rpm,由两个以上单一运动合成,间歇转动,停歇往复直线运动,停歇单向直线运动,沿可变曲线运动,每分钟

2、转位次数、转角大小、运动系数,每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数,每分钟行程数、大小、行程速度变化系数,每次进给量的大小,每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度,二、机构选型的基本要求,1、满足工艺动作及其运动规律的要求。 高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、 适当设置调整环节。2、机构的运动链要短 。3、机构的传力性能要好。 传动角（压力角）、防止自锁 、惯性力平衡。4、动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量 。 电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。,实现执行构件各种运动形式的常用机构,实现执行机构某一运动形式

3、的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求，受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较，然后择优而取。,1）实现连续转动的机构,啮合传动机构,连 杆 机 构,摩擦传动机构,蜗杆传动,链传动,齿轮传动,平行四边形机构,双曲柄机构,带传动、,其 他 机 构,组合机构,非圆齿轮,万向节,柔性传动机构,摩擦轮、,双曲柄机构：平行四边形机构双转块机构转动导杆机构,定轴齿轮机构圆柱圆锥交错轴蜗轮蜗杆机构周转轮系少齿差摆线针轮谐波齿轮,摩擦轮传动柔型传动机构带传动链传动非圆齿轮传动组合机构齿轮-连杆机构链轮-连杆机构单、双万向联轴节,槽轮机构棘轮机构不完全齿轮机构凸轮式

4、间歇运动机构,2）实现间歇旋转运动的机构,曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构（包括等腰梯形机构）、由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆动的组合机构等都能够实现往复摆动。,3）实现往复摆动的机构,带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇往复摆动。此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸（或汽缸），也能实现间歇往复摆动。,4）实现间歇往复摆动的机构,利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮移动

5、导杆机构组合等都能够实现间歇往复移动。此外，棘轮棘齿条机构、槽条机构也能实现单向间歇直线移动运动。,5）实现间歇往复移动的机构,曲柄滑块机构正弦机构移动导杆机构齿轮齿条机构螺旋机构各种移动从动件凸轮机构此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇杆滑块机构的组合也能实现往复移动。,6）实现往复移动的机构,铰链四杆机构曲柄滑块机构凸轮连杆机构齿轮连杆机构,7）实现刚体导引运动的机构,利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构（如凸轮连杆机构、齿轮连杆机构）等。,8）实现给定曲线（轨迹）运动的机构,8.1.2 机构选型的基本原则,机械运动方案拟定的优劣与机

6、器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的运动形式有关，而且还与机构的输入构件（主动件）有关，而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。,1.原动机的运动形式,常用的原动机的输出运动形式可分为：（1）连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马达等等。（2）往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电动机等。（3）往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或汽缸等。（4）间歇运动：如步进电机等。机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般输入构件的运动大多数为连续运动。

7、,在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且还应该遵循下列的基本原则：（1）满足工艺动作和运动要求。选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦，而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑，优先采用低副机构。,2.机构选型的基本原则,摘棉花,例：JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件圆柱凸轮机构如图所

8、示，虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求，但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。,JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构如图所示。虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线孔轨迹满足使用要求。由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机构。,在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少，运动副数目也要少。这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且还可以减少机构的累计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。,（2）结构最简单，传动链最短,例：为了实现将回

9、转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直线运动，而且从动件的行程不要太大，可采用图示的结构。,也可采用图示的结构,目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。,（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量,例如两种摆杆机构的方案，显然，如图所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构更简单，速度比较容易控制；而如图所示的方案，因为电动机一般转速较高，

10、它必须通过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a）复杂得多。,这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。,（4）机构有尽可能好的动力性能,降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低副机构，因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。此外，在保

11、证使用条件的前提下，尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济效益的目的。,（5）加工制造方便，经济成本低,在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。,（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用,（7）具有较高的生产效率和机械效率,选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机关年纪效益的只要手段之一。在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。,此外，

12、执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。,8.2 机构构型的创新设计,构件运动副运动链机构,一. 平面机构的组成原理,8.2.1 基于组成原理的机构创新设计,机构的自由度,机构的自由度数也即是机构所具有的独立运动的数目。,运动链成为机构的条件,具有一个机架指某一选定构件，在研究机构运动时作为描述其他构件运动的参考坐标系。具有一个或少数几个作独立运动的构件主动件其余的活动构件称

13、为从动件给定主动件的运动规律后，从动件的运动规律应完全确定。,机构的组成原理,机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数,基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,1、杆组,可以再拆成更简单的自由度为零的杆组,机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。,对于全低副的杆组：n个构件、pl个低副,基本杆组的分类,根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：,n和pl为整数n=2,4,6,F= 3n -2PL = 0 或 n = (2/3 )PL,（1）n=2，PL= 3 的杆组，又叫级杆组,（2）n=4，PL= 6 的杆组，又叫 级杆组,1）常见的II级杆组,还

14、有吗？,特点总结： 2个构件 3个低副 ？,n=4, pl = 6 的杆组，又叫多杆组中最常见的为级组，其特征是杆组中具有一个3副构件，而每个内副所联接的分支构件是双副构件。,2）常见的级杆组,较级组级别更高的基本杆组有级组等。级组的特征是具有两个3副构件，其四个内副形成四边形。,3）更高级别的杆组,不同级别的杆组，不仅是构件数和运动副数不同，而且更重要的是其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。这是十分重要的本质特征。, 平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面

15、机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。,2、平面机构的高副低代, 高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,高副低代方法,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,高副：提供1个约束低副：提供2个约束,用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的中心。,曲率变化的高副-如何低代?,高副两元素之一为直线,若高副两元素之一为直线，则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。,高副两元素之一为

16、一点,若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。,齿轮副如何高副低代?,平面机构的结构分类,II级机构 指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。III级机构 指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。I级机构 只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。（杠杆机构、斜面机构）, 机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。,例：试确定图示机构的级别。,级机构,例 试确定图示平面高副机构的级别（构件1为原动件）,级机构,为了对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和力分析，通常需要对机构进行结构分析，即,将机构分解为基本杆组和驱动杆组。 结构分析的过程与

17、由杆组组成机构的过程正好相反，因此通常也称为拆杆组。,3. 机构的结构分析, 正确计算机构的自由度，以确定原动件数、机架和输出构件，并将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉。 如果机构中有高副，应将高副用低副替代。 从离原动件最远的输出构件开始（也可从原动件开始），依次进行试拆。每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整机构。试拆时，先按级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组。 按所有基本杆组中的最高级别杆组确定该机构的类别，作为对机构进行运动分析和受力分析时选择相应方法的依据。,机构结构分析的步骤:,III级机构,任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的 基础上，依次添加若干个杆

18、组所形成的。,机构的组成原理： 机构基本机构基本杆组,举例：,由分析可知，同一个运动链，当改变原动件时，机构的级别有可能改变。,例：,级机构,例：,级机构,拆分基本杆组方法,除去局部自由度、虚约束，计算机构的自由度，指定主动件。拆杆组。先试拆级杆组，如不可能，再试拆杆组。杆组的增减不应改变机构的自由度。根据所拆杆组的最高级别，确定该机构的级别。,机构的结构分析就是将已知机构分解为主动件、机架和基本杆组。,例 分析牛头刨床的结构并确定该机构的级别,级机构,例题：计算图示机构的自由度，并分析机构组成情况。画箭头的构件为原动件。,例：计算图示机构的自由度，并分析机构组成情况。画箭头的构件为原动件。,

19、解：1. 分析,2. 计算自由度,3. 高副低代,例题（续）：,4. 结构分析,级机构,求图示机构的自由度，并且画出高副低代的机构简图。并指出杆组的数目与级别以及机构级别。,齿轮的高副低代(例),4、基于组成原理的机构创新设计,根据机构组成原理，可将零自由度的杆组依次联接到原动件和机架上去，或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新的机构。,、将杆组依次联接到原动件和机架上去，设计新机构；,、将杆组联接到机构上设计新机构；,、根据机构组成原理优选出合适的机构构型。,挑线刺布机构的组成,阀门启闭机构的组成,车轮减震机构,车轮减震机构的六种方案,8.2.2 机构构型的变异创新设计,1

20、、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。,2、机构的扩展：以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的机构。,3、机构局部结构的改变,（）构件的运动结构改变,（）机构的主动构件被另一自由度F=1的机构和构件组合所置换,、机构的移植与模仿 将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，成为结构的移植。 利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。,、机构运动副类型的变换,改变机构中某个和多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。）转动副与移动副之间的变换；）高副与低副之间的变换。,A,B,C,C,B,A,O,O,8.2.3 利用机构运动特点创新机构,利用现有机构工作原理，充分

21、考虑机构运动特点、各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，可创新设计出新的机构。,、利用连架杆和连杆运动特点设计新机构,、利用两构件相对运动关系设计新机构,、用成型固定构件实现复杂动作过程。,1,2,折边式包裹包装和模板,基于组合原理的机构创新设计,步骤：（1）根据机械的工作原理确定执行构件所要完成的运动；（2）将执行构件的运动分解成机构易于实现的基本运动或动作，分别拟订能完成这些基本运动或构型的方案；（3）将上述各机构构型方案按某种组合方式组成一个新的复合机构。,如图所示的手动冲床是六杆或由两个四杆机构组成。 一个是原动件（手柄）1、连杆2、从动摇杆3和机架4组成的双摇杆机构；,组合机构,下面

22、介绍几种常见的组合机构。,一、连杆连杆,手动冲床中的复合连杆机构,另一个是由摇杆3、小连杆5、冲杆6和机架组成的摇杆滑块机构。采用六杆机构，增大了冲杆的作用力。,图所示为筛料机主题机构的运动简图。这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成。第一个是由原动曲柄1、连杆2、从动曲柄3和机架6组成的双曲柄机构；第二个是由曲柄3（原动件）、连杆4、滑块5（筛子）和机架6组成的曲柄滑块机构。,筛料机构的复合连杆机构,二、凸轮凸轮机构 图所示为由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块3上一点M准确地描绘出虚线所示预定的轨迹。,三、连杆凸轮凸轮连杆机构的形式很多，这种组合机构通常用于实现从动件的预定的运动轨迹和规律。

23、图为巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构。主动曲柄OA回转时，B点强制在凸轮凹槽中运动，从而使托杆达到图示运动规律，托包时慢进，不托包时快退，以提高生产效率。因此，只要把凸轮轮廓线设计得当，就可以使托杆达到上述要求。,巧克力包装机托包用的连杆-凸轮机构,四、连杆棘轮图所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成的组合机构。棘轮的单向步进运动是由摇杆3 的摆动通过棘爪4推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆机构ABCD来完成，从而实现了输入构件（曲柄1）的等角速度回转运动转换成输出构件（棘轮5）的步进转动。,连杆-棘轮组合,8.3 基于功能分析的机构设计,根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现

24、所需的功能要求。 采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异。 因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。 同时在满足要求的前提下尽可能多采用几个方案。,8.3.1 功能分析法, 根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。 不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。,1） 动作及运动设计,功能分析,擦黑板装置,实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。,

25、2） 执行机构型式设计,3） 执行系统的协调设计 对于由多个执行构件及执行机构组合而成的复杂机械，必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调配合，以完成预期的工作要求。4） 机构的尺度设计 对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动学尺寸，如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。 5） 运动和动力分析 对整个系统进行运动分析和动力分析，检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。,拖把 巧妙的挤水设计,1、机构动作功能分解与组合原理的表达形式形态综合法,第二次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也

26、难以获得有关技术情报。,德军对波兰发动闪击战,然而，火箭专家却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的乃是带脉冲发动机的巡航导弹。,难道火箭专家有特异功能？没有。火箭专家能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了 “形态综合法”的思考方法。形态综合法，是一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。,火箭专家运用此法时，先将导弹分解为若干相互独立的基本因素，这些基本因素的共同作用便构成任何一种导弹的效能，然后针对每种基本因素找出实现其功能要求的所有可能的技术形态。在此基础上进行排列组合，结果共得到576种不

27、同的导弹方案。经过筛选分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，火箭专家认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有法西斯德国正在研制的方案。,形态综合法,原理方案的组合可采用形态综合法，即将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解法列为横坐标，构成形态学矩阵，如下表所示。,表中，U1、U2、Um为功能元(即分功能)；t11、t12、为第一功能元的解；tm1、tm2、tmn；m为第m功能元Um的解。从每项功能元中取出一种解进行合理组合，即可得到一个系统解，最多可以组合出N种原理方案：N=n1n2ninm。式中，m为功能元数；ni为第i种功能元解的个数。,根据机构

28、形态学矩阵，组合成能完成系统总功能的不同机构系统运动方案，然后根据评价指标，优选出符合要求的最佳方案，即可完成机构系统方案的设计。,3、机构系统运动方案的组成,8.3.2 机构系统搜索法,为了求得功能元Ui的解，即得到能实现功能元的机构，可采用机构系统搜索法。机构系统搜索法，就是按照机构系统总功能分解出的各分功能(即功能元)来寻找各种可能采用的机构型式，以便组成一个机构系统。其基本思想来源于列举思考法。,绝大多数机械设备中，原动机的运动形式为转动。通过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动，而完成分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。表2-2所示为运动形式变换的基本功能及其符号和可

29、以实现该运动变换的机构，可供机构系统搜索时参考。,在机构系统运动方案设计和构思中，除了采用运动形式变换的机构外，还要采用实现某种功能的机构，如：差动机构(如差动螺旋机构)；行程放大和行程可调机构；增力及夹持机构(如杠杆机构、具有死点位置的连杆机构等)。,8.3.3 机构设计实例,洗衣机的开发也可以运用形态综合法，以求在对方案“一网打尽”中获得可行的新方案。,2-3-3机构设计实例,首先，对洗衣机进行因素分析，即确定完成洗净衣物所必备的基本功能。先确定洗衣机的总体功能，再进行功能分解，就可得到若干分功能，这些分功能就是洗衣机的基本因素。如果我们定义洗衣机的总功能有“洗净衣物”，那么以此为目的去寻

30、找其手段，便可得到“盛装衣物”，“洗涤去污”和“控制洗涤”等三项分功能。接着，对各分功能进行形态分析，即确定实现这些功能要求的各种技术手段或功能载体。为此，设计者要进行信息检索，,分析各种技术手段或方法。对一些新方法还可进行实验或试验，以了解其应用的适用性和可靠性。在上述三种分功能中，“洗涤去污”，是最核心的一项，确定其功能载体时，要针对“分离”二字广思、深思和精思，从机、电、热等技术领域去寻找具有此功能的技术手段。,经过功能分析，即可建立如下的洗衣机的形态学原理方案组合的形态学矩阵。,利用表，可以进行各功能之间的形态要素的排列组合，从理论上说，能够得到3x4x336种方案。在对36种组合的分

31、析中，可以发现：组合方案A1-B1-C2属于普通的波轮式洗衣机。这种洗衣机的工作原理是靠电动机驱动V带传动装置，使波轮旋转，产生水与衣物的机械式摩擦，配合洗涤剂的作用而使衣物与脏物分离。洗涤的时间由机械定时器控制。它的缺点是衣物磨损严重，耗电量大，洗涤效率低，易发生故障，,有没有不用波轮的新型洗衣机呢？经过分析，便可发现：组合方案A1-B2-C3、A1-B3-C2和A2-B4-C1等都属于非机械磨擦式的洗衣机方案。对这三种方案作简要的分析。由A1-B2-C3构成的洗衣机可以说是一种电磁振荡式自动洗衣机。它没有波轮，也不用电动机，而是利用电磁振荡可以分离物料的原理来洗涤去污。据国外科研人员试验，

32、按此开发的洗衣机具有洗净度高，不易损害衣物的优点。此外，如果把桶内水排干，还可直接甩干衣物，具有一机两用的特点。,由A1-B3-C2构成的洗衣机，应该叫做超声波洗衣机。它也没有拨轮和电动机。设计这种洗衣机的技术关键是要产生20KHz以上的超声波。这种超声波能产生很强的水压，使衣物纤维振动，使洗涤剂乳化，从而使脏物与衣物分离，达到洗涤去污的作用。结构上，这种洗衣机离不开气泵、风量调节、送风管道、空气分散器等基本部件。由技术分析和试验可知，超声波洗衣机也具有磨损轻、洗净度高、无噪音、节水、节电，,由A2-B4-C1构成的洗衣机，利用热水使纤维膨胀，在桶内水流作用下造成脏物脱离的原理设计，是一种简易

33、的小型手摇洗衣机。它主要由旋转桶、支架所组成，工作时要往桶内灌装热水和洗涤剂，用手旋转洗衣桶。市面上曾出现过这种热压式洗衣机，虽然结构简单且价格低廉，但因技术相对落后，很快就会被市场淘汰。对于其他的组合方案，在此就不一一分析。,应用形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方法的突出优点。但同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析和技术手段的确定这两道关。,

34、比如在对洗衣机的技术要素进行分析时，应着重从其应具备的基本功能入手，对次要的辅助功能暂可忽视。在寻找实现功能要求的技术手段时，要按照先进、可行的原则进行考虑，不必将那些根本不可能采用的技术手段填入形态分析表中，以避免组合表过于庞大。当然，一旦形态分析法能结合电子计算机的应用，从庞大的组合表中进行最佳方案的探索也是办得到的。,执行系统运动方案设计的思路与策略, 根据设计对象的用途和要求，合理表述机械的功能目标或原理。 通常表述越抽象，思路就会更宽。 要充分关注在进行功能原理设计和工艺动作分解时要考虑的影响因素，如产品加工批量、品种、规格、生产率、质量与工艺要求、材料、生产流程、工艺路线及生产方式

35、等。 确定合适的技术原理。,(一) 巧妙的构思, 找准功能原理设计的原点。 仿生法。模仿人或动物的动作，进行分解，构思出实现预定工作原理的运动和结构。 充分考虑工作对象及物料的几何特性、力学特性。,滚珠综合检测装置,1. 功能分析 功能分析法(Function analysis)是系统设计中拟定功能原理方案的主要方法。 一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能(Total function)。功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能元(Function element)，然后求解功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。,(二) 功能分析与功能求解,2. 功能求

36、解 根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。任何一个复杂的机构系统所要实现的运动，都可以认为是由一些基本的功能元按一定规律组成的，根据功能元就易于找到相应的功能载体，实现功能元的求解。,基本功能元及符号表示, 列出功能元解的目录。为了便于设计人员进行功能原理的构思，可以将有关的功能元解，按一定的分类排序原则，用矩阵表的形式列出。 注意功能求解的技巧。进行功能求解时，应注意以下几点： 确定工艺动作时要充分注意机械自身的特点 把复杂的工艺动作先进行分解再合成 分解后的运动规律要协调配合,为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。 例 1 斜面的应用螺旋压力机、

37、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等 例 2 齿轮加工方法 无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿,机械执行系统的功能原理及运动方案设计的多方案性,例 3 糖果包装机设计,例 4 自动输送料板的装置,工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。 例 5加工内孔,例 6加工平面,应用形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方

38、法的突出优点。但同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析技术手段的确定这两道关。,根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构型式来实现这些动作的工作过程，称为执行机构的型式设计，又称为机构的型综合。 执行机构型式设计的优劣，直接影响机械的工作质量、使用效果和结构的繁简程度。这是一项极具创造性的工作。,四、执行机构的型式设计与创新,(一) 执行机构型式设计的原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求。 尽量简化和缩短运动链。, 尽量减小机构尺寸,s

39、=2a, 选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式,电动机作动力源,往复式油缸作动力源,保证机械的安全运转, 使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力,(二) 执行机构的选型 按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能要求，从各种常用机构中进行分析、比较和选择。满足运动形式和功能变换的要求，是执行机构选型首先要考虑的因素。 实现运动变换功能及其对应机构举例： 实现运动合成与分解的机构(差动轮系、差动螺旋等) 实现运动轴线变换的机构(空间齿轮机构、摩擦传动、气液传动等) 实现转速变换的机构(所有非匀速变换机构) 实现运动分支、连接、离合、过载保护等其他功能的机构和装置 从

40、运动变换的角度看，任何一个复杂的执行机构，都是由一些基本机构(如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构、平面五杆机构、差动轮系等)组成。, 按功能转换形态学矩阵组合优选执行机构。总功能往往可以分解成若干分功能，即 U=(Ui) i1，2， ，m实现不同分功能的机构集合可以表示为 Tj=(ti1，ti2，tin) j=1,2, ，n 用Ui定义行，Tj定义列，以tij为元素构成功能转换形态学矩阵,方案总数为Nnm 从功能转换形态矩阵中得出多种组合方案后，先从中剔除一些明显不符合要求的方案，然后筛选出一些较合理的由基本机构组合成的方案，以供进一步评价。,例 精锻机主机构的选型 总功能：加压执行机构上下运

41、动时，能锻出精度较高的毛坯。 要求：驱动轴水平放置，加压执行构件竖直方向运动。 执行机构应具有的分功能： 运动形式变换功能 运动轴线变向功能 运动位移或速度缩小功能 根据以上分析，可以得出加压执行机构总体功能的功能转换形态学矩阵。,加压执行机构功能形态学矩阵,满足精锻机功能要求的六种基本功能结构,精锻机的四种方案,例 牛头刨床切削运动机构 基本要求：将连续回转运动转换为往复直线移动，刨头在切削过程中的移动速度应近似等速，具有急回特性，加速度的变化不应过于剧烈，有良好的传力特性，行程可调。 可供选择的基本机构：螺旋机构、齿轮齿条机构、直动从动件凸轮机构、曲柄滑块机构、移动导杆双滑块机构等。 根据

42、传力要求约束，以选择低副机构为宜。 基础机构的选择：输出运动为往复移动的曲柄滑块机构或摇杆滑块机构。前置输入基本机构的基本要求是能为基础机构的摇杆或曲柄提供一非匀速的运动，使之具有急回特性和在慢行程中滑块近似等速。而且能满足减少纵向尺寸、易于调整安装、使用维护方便的要求。,8.4 机构系统设计实例,牛头刨床的基础机构,牛头刨床切削运动机构的不同组合方案,牛头刨床切削运动机构,功能原理设计的多方案性,工作原理不同，运动方案也不同,齿轮加工,剃齿,范成原理,仿形原理,工作原理相同，运动方案不同,齿轮加工,插齿,滚齿,其它实例斜面的应用螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动

43、机构、千分尺等 齿轮加工方法 无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿,8.5 机构系统设计方案评价,一、方案评价与决策的意义,机构设计方案评价的最终目标，是寻求一种既能实现预期功能要求，又性能优良、价格低廉的设计方案。 由于功能原理、运动规律、形式设计、传动类型的多方案性，机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综合，使待选方案数目由少变多，在通过评价、决策，使待选方案数目由多变少，最后获得满意方案的过程。,二、评价指标,机械系统设计方案的优劣，通常应从技术、经济、安全可靠三方面予以评价。但是由于

44、在方案设计阶段还不可能具体涉及到机械的结构和强度设计等细节，因此评价应主要考虑技术方面的因素，即功能和工作性能方面的指标应占有较大的比例。 表列出了机械系统功能和性能的各项评价指标体系极其具体内容。,表 机械系统的性能评价指标,三、评价方法,常用的评价方法有经验评价法、数学评价法和试验评价法三大类。当方案不多、问题不太复杂时，可采用经验评价法，即根据评价者的经验，对方案做粗略的定性评价。数学分析法是使用数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数供决策者参考。常用的方法有名次计分法、评分法、技术经济评价法和模糊评价法等。 下面介绍评分法。,1.评分法 评分法根据规定的标准用分值作为衡量方案优

45、劣的尺度，对方案进行定量评价。评分标准一般为5分制和10分制（见表2），“理想状态”取为最高分，“不能用”取为0分；当设计方案的具体化程度较低，有些特征尚不清楚时，建议采用5分制评分标准；当设计方案较具体，特征较明显时，建议采用10分评分标准。,表2 评分标准,对于多评价目标的方案，其总分可按分值相加法、分值连乘法、均值法或加权计分法（有效值法）等方法进行计算（见表3）。 总分的高低可综合体现方案的优劣。获得高分的方案为优选方案。表13-3给出的几种方法中，综合考虑各评价目标分值及加权系数的有效值作为方案的评价依据较为合理，应用最多。 加权系数是反映评价目标重要程度的量化系数，又称目标重要性系数。加权系数大，则重要程度高。,加权系数的确定方法有两种： （1）经验法 根据以往或他人经验，人为地给定各评价目标的加权系数 1，并满足,（2）判别表计算法,式中 各评价目标的总分； n评价目标数；,表3 总分计分法,结 束,习题：8-2，8-6，8-8,