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

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)?！M(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(xiě)說(shuō)明書(shū)?！庸ぁ⒅圃斓裙に囋O(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(xiě)字，而功能的描述是“存送墨水”。2.功能分類(lèi)

1）按機(jī)電產(chǎn)品各組成部分具體功能進(jìn)行分類(lèi)：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(lèi)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，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(lèi)

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(lèi)型，運(yùn)動(dòng)的形式，材料的性質(zhì)，物態(tài)，訊號(hào)類(lèi)型等變換。具有類(lèi)型變換特征。縮放功能——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)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(xiāo)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。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(chēng)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)＠?.利用技術(shù)沖突解決原理4.充分應(yīng)用可利用資源原理功能動(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p2.參考、借鑒相關(guān)產(chǎn)品的資料或?qū)＠?/p>

例1分紙?jiān)恚河∷?、點(diǎn)鈔、包裝切向力摩擦力重力氣體力負(fù)壓吸力靜電吸力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(lèi)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。技術(shù)沖突實(shí)例

自行車(chē)的車(chē)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(chē)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(lèi)閘皮，好天氣用一類(lèi)，雨天換另一類(lèi)。

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(chē)人的安全性，但必須備有閘皮可用，還要更換，使操作復(fù)雜。序號(hào)名稱(chēng)序號(hào)名稱(chēng)序號(hào)名稱(chēng)序號(hào)名稱(chēng)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(chēng)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(chē)加拖車(chē)代替一輛載重量大的卡車(chē)。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。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。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(chēng)原理將物體的形狀由對(duì)稱(chēng)變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)。如不對(duì)稱(chēng)攪拌容器，或?qū)ΨQ(chēng)容器不對(duì)稱(chēng)葉片。如果物體是不對(duì)稱(chēng)的，則增加其不對(duì)稱(chēng)程度。如不對(duì)稱(chēng)共鳴器的設(shè)計(jì)，見(jiàn)下頁(yè)圖。

對(duì)稱(chēng)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(chēng)有關(guān)，將其變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)就解決了很多問(wèn)題。不對(duì)稱(chēng)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，元件之間可以改變相對(duì)位置。如計(jì)算機(jī)蝶形鍵盤(pán)。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(lèi)，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(lèi)序號(hào)類(lèi)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)既驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)運(yùn)行時(shí)所排放的廢氣中的顆粒，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)臒襞荩巫拥母叨仁且环N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?，這種低電壓為導(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；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?？臻g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)橛杏玫牟牧稀Ｄ芰勘M可能提高核心部件能量的利用率；限制利用成本高的能量，盡可能采用低廉的能量；利用最近的能量；利用附近系統(tǒng)浪費(fèi)的能量；利用環(huán)境提供的能量。在設(shè)計(jì)中認(rèn)真考慮各種資源，有助于開(kāi)擴(kuò)設(shè)計(jì)者的眼界，使其能跳出問(wèn)題的本身。3工藝動(dòng)作的構(gòu)思與設(shè)計(jì)工藝動(dòng)作的分解；工藝動(dòng)作