机械原理课件第9章.

第九章机械产品的功能分析和机构创新《综述》机械原理教研组中北大学引言机械产品的设计过程：产品规划、方案设计、结构设计。运动方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。机械运动方案设计指的是机械执行机构系统的方案设计。机械运动方案设计的目的是生成运动方案,其表现形式是机械运动简图。方案设计是产品设计的初始阶段，也是最为重要的阶段。在机械运动方案设计的前期，主要完成以下几个步骤：1、明确机器的总功能；2、提出实现总功能的工作原理；3、根据工作原理，进一步细化功能至功能元；4、由功能元确定机器最基本的动作，选择合适的机构；5、机器各机构间的协调和机器总体结构的确定；6、完成机器结构及运动示意图。功能定义功能求解功能分解功能分析基于功能分析法概念设计的基本步骤：1、总功能分析：黑箱法（1）任何产品都具有一总功能；（2）在完成设计之前,机械系统的内部结构不清楚,称为“黑箱”。2、功能分解：功能树或功能结构图总功能逐步分解（具体化）成一个个功能元,形成功能树（或功能机构图）；3、功能求解：功能元解法目录（创造性技法）对功能元求解,找出实现此功能的合适机构；§9-1功能分析法产品的功能：机械产品的用途或其所具有的工作能力。4、功能综合：形态学矩阵功能元解综合,生成多个原理方案解；5、方案评价：评价方法对所生成的多个方案解进行评价,确定最优方案。分析综合优化黑箱玻璃箱黑箱法总功能：把污物从脏衣服中分离出来功能树最基本,最简单的功能家用缝纫机的功能树形态学矩阵§9-2功能求解（步骤2，3）一、确定实现总功能的工作原理——总功能的行为描述总功能的确定后，首先要确定实现总功能的工作原理。机械产品总功能的实现取决于采用的工作原理。车制螺纹：小批量生产，效率低套螺纹：小批量生产，效率低螺纹成形：例：洗衣机---洗衣搓洗漂洗波轮滚筒搅拌滚压螺纹：大批量生产，效率高齿轮加工---切制齿轮仿形加工范成加工板料输送机---输送板料机械推拉摩擦传动气吸原理同一种功能可选用不同的工作原理机械推拉原理摩擦传动原理摩擦传动原理气吸原理齿轮加工方法铣齿插齿拉齿滚齿单件生产大批量精加工批量生产批量生产二、功能求解工作原理1、总功能功能元。3、根据功能元解法目录，选择合适的执行机构（功能载体）。或采用创造性的技法，创新、组合、更改机构（机构创新）。2、功能元的动作行为描述（工艺动作）功能定义功能求解功能分解功能综合方案评价分析综合优化机械执行机构常见的运动形式：两个圆弧，各带一个箭头1个圆弧带2个箭头机构运动转换功能图工程师的语言机构运动转换功能图（续表1）机构运动转换功能图（续表2）Back§9-3机构创新方法一、利用现有原理创新机构1、杆组叠加法:机构组成原理2、转动副扩大、高低副互代法：二、利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构三、利用两构件相对运动关系设计构思机构Back1、杆组叠加法:机构组成原理行程增大机构Back2、转动副扩大、高低副互代法：偏心轮机构曲柄滑块机构Back二、利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构反平行四边形机构双摇杆机构平行四边形机构Back单缸压气机Back三、利用两构件相对运动关系设计构思机构第十章执行机构的运动协调设计机械原理教研组中北大学§10-1工作原理设计和工艺动作设计说明：工作原理设计：也就是确定实现机器总功能的工作原理；工艺动作设计：对于执行机构，功能元=工艺动作，所谓工艺动作设计也就是通过功能分解，将总功能细化成功能元，从而建立功能树，也就确定了每一个基本的工艺动作。四工位机床运动转换功能图：描述：原动机—执行机构之间的传动链及运动转换方式BackBack机械执行机构常见的运动形式：两个圆弧，各带一个箭头1个圆弧带2个箭头机构运动转换功能图工程师的语言机构运动转换功能图（续表1）机构运动转换功能图（续表2）功能定义功能求解功能分解功能综合方案评价分析综合优化形态学矩阵§10-3执行机构的运动协调设计（重点）一、机器为什么要进行运动协调？二、协调内容：1、时间上的协调2、空间上的协调3、速度上的协调各机构在工作时，在运动时间先后上必须协调配合，不能发生干涉。举例:P290各机构在工作时，在空间位置的上必须协调配合，不能发生干涉。举例:P290各机构在工作时，必须保持严格的速比关系。三、协调方式：1、分配凸轮轴方式在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行机构的原动件。主要利用凸轮廓线及凸轮在轴上安装相位的不同,使各个机构按一定的顺序协调工作,分配轴转一周,完成一个工作循环。电阻帽电阻棒电阻Back总功能：送料夹紧送帽压帽功能元：（基本工艺动作）功能元解：（执行机构）机构Ⅰ机构Ⅱ机构Ⅲ压帽压帽的工艺动作分解：（摆动从动件）（直动从动件）（左右两个圆柱凸轮机构）显然，3个工艺动作之间存在着时间上的协调。主要对机器中的一些空行程动作进行控制，相当于分配凸轮轴方式的一种辅助控制方式。3、曲柄轴方式：4、机电结合：机械协调+电路协调2、辅助凸轮轴方式5、电子控制方式：如PLC特点：柔性好。四、协调文件：运动循环图（时间上的协调）1、定义：以某个主要执行机构中执行构件的工作起点（时间）为基准，按照同一时间比例尺，将其它执行机构中执行构件的运动循环表示出来。2、目的：（1）保证各机构协调工作，避免干涉；（2）尽可能的缩短运动循环周期，提高生产率。3、类型：（1）直线型（矩形）；（2）圆形；（3）直角坐标型4、举例：例1：设计牛头刨床运动循环图牛头刨刨工件刨头（带刨刀）工作台（带工件）轴向往复移动（切削运动）横向间歇移动（进给运动）曲柄摆动导杆机构（六杆机构）曲柄摇杆+棘轮+螺旋机构总功能执行构件功能元（工艺动作）执行机构直线型：刨头工作台工作行程空行程静止进给静止0°200°250°310°360°圆型：0°200°250°310°直角坐标型：各执行机构中执行构件的运动用位移线图表示例2：电阻压帽机运动循环图压帽工艺动作分解：线段上升：工作行程下降：空回行程水平：静止不动送料到位后静止复位复位后静止放松复位夹紧过程一直夹紧复位放松复位复位快速送帽慢速压帽送料机构Ⅰ夹紧机构Ⅱ压帽机构Ⅲ压帽机构Ⅲ5、机械运动循环图的设计步骤与方法（自学，P.293）6、机械运动循环图的功用（自学，P.298）送料到位后静止复位复位后静止放松复位夹紧过程一直夹紧复位放松复位复位快速送帽慢速压帽1）方案设计（概念设计）阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等,此外,据有关资料显示,虽然方案设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%,却决定了产品总成本的70%。2）结构设计（详细设计）阶段很难甚至不能纠正方案设计阶段的设计缺陷和错误。第十一章机械运动方案设计（自学）机械原理教研组中北大学一、机构选型：根据每一个工艺动作选择合适的机构。1.原动机的选择：P3142.执行机构的选择：P285,表13.33.机构选型的评价：P298价值工程评价方法系统工程评价法模糊评价法评价准则评价指标评价体系评价方法二、机械运动方案设计的流程和机器设计的步骤1.机械运动方案设计的步骤P2732.机器设计的步骤机械方案设计结构设计工艺设计机械运动简图*机器结构、外形草图绘制（草图）*产品总装图设计（装配图）*零部件设计（零部件图）*编写有关技术文件（说明书）工艺文件摩擦传动原理气吸原理齿轮加工方法铣齿插齿拉齿滚齿单件生产大批量精加工批量生产批量生产绘图仪小型绘图场合大型绘图场合如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理分纸功能可采用三种工作原理1)削纸原理：把纹版从库中逐张削出，可采用具有直线移动的凸轮机构或凸轮-连杆滑块机构。2)吸纸原理：把纹版从库中逐张吸出，送至递纸位置。可采用气泵、气路、吸头和连杆机构。3)摩擦分纸原理：利用摩擦力把纹版从库中逐张分离出来。可采用具有压紧摩擦力并使纹版向前推移的机构。Back工作原理的构思实现同一机器功能有不同的工作原理。如何寻找合适的工作原理往往决定了产品的创新性、性能和市场竞争力，从根本上决定了设计的成败与否。例如洗衣机的工作原理的设计：1.模仿人洗衣的动作，寻求可能的解决方案(揉搓、刷擦、捶打)2.直接模仿行不通，则进一步往深层次分析：衣服洗干净的机理是什么—衣物和脏被分离3.寻求衣物和脏物分离的方法—物理法(超声波)、化学法(利用洗衣粉)等4.在此基础上，寻求实现该洗衣机理的技术方法(化学法—洗衣粉+漂洗)Back功能扩展—产品创新的有效途径产品创新除了寻求新的工作原理及其实现方式之外，还可以通过产品功能的扩展来达到。Back功能分解过程的运动功能表示例如，四工位专用机床，其总功能分解成如下几个工艺动作：1)安置工件的工作台要求进行间歇转动n2r/min；2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作；3)刀具以n1r/min转动来切削工件。图示为四工位专用机床的运动转换功能图。它描述了原动机(电动机)至执行构件、刀具、工作台、主轴箱之间的运动转换功能。中间矩形框内表示传动机构、执行机构的运动转换基本功能图，末端平行四边形框内表示执行构件的运动形式。该机床由两个原动机通过两条传动链来实现执行构件的预期运动。Back本章教案常见的运动形式同一种工作原理可选用不同的机构同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构机构选型常见的运动形式机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式执行构件常见的运动形式与表达符号见下表Back同一种工作原理可选用不同的机构如范成原理加工圆柱齿轮，可采用滚齿、插齿进行加工插齿滚齿批量生产批量生产Back同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构工艺动作—执行构件的运动形式、规律或轨迹—选择或创造不同型式的机构及其组合来实现对心滑块机构杠杆行程机构活动齿轮倍增行程机构油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构急回往复_基于曲柄摇杆机构急回往复_基于摆动导杆机构急回往复_基于转动导杆机构精确直线导向机构近似直线导向机构移动副近似直线导向机构转动副近似直线导向机构Back本章教案周期性与非周期性运动执行机构的运动协调设计机械运动循环图设计机械运动循环图设计周期性与非周期性运动1.无周期性循环—起重运输机、建筑机械：随地点、条件而变2.周期性循环—包装机、自动机床、轻工机械：定时间间隔，其位移、速度、加速度重复一次完成一个运动循环Back执行机构的运动协调设计如图所示为粉料压片机，它由上冲头(六杆肘杆机构)、下冲头(双凸轮机构)、料筛传送机构(凸轮-连杆机构)所组成。料筛由传送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把粉料压成片状。根据生产工艺路线方案，此粉抖压片机必须要实现以下五个动作：1)移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装入型腔，同时将已经成型的药片推出；2)料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔；3)下冲头下沉至一定深度，以防止上冲头向下压制时将型腔内粉料扑出；4)上冲头向下，下冲头向上，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好；5)上冲头快速退出，下冲头随着将己成形的工件—药片推出型腔完成压片工艺过程。一个周期内完成一套工艺执行动作。该机器特点是：各执行动作是有序的、相互协调配合的，须进行协调设计。各执行机构动作在时间上协调配合；1.在空间上协调配合；2.在速度上协调配合；3.一个周期与下一个周期有一定间隔。Back机械运动循环图设计粉料压片机的运动循环图矩形运动循环图横坐标：曲柄转角0o-360o纵坐标：工艺动作圆周式运动循环图一周表示曲柄转角0o-360o直观性强直角坐标式运动循环图横坐标：定标构件曲柄转角纵坐标：各工艺动作的运动位移可清楚看出各执行机构的运动状态和运动关系优先采用Back运动转换功能图形态学矩阵实例：精锻机主机构方案设计本章教案用形态学矩阵选择运动方案运动转换功能图描述：原动机—执行机构之间的传动链及运动转换方式Back形态学矩阵纵坐标：功能元横坐标：与功能匹配的机构通过排列组合可构成多种机械运动方案Back实例：精锻机主机构方案设计功能分析与分解基本功能结构图形态学矩阵1.列出所有方案：N=6﹡63=1296