机械创新设计(第二章)

第二章机械创新设计的基础适应第一节机械的基础知识一、机械及其组成1．机械的概念1）机械首先必须是执行机械运动的装置2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功3）机械中要完成能量的转换机械的分类：原动机，工作机和信息机2．机械的组成原动机，工作机（包括传动装置），控制装置，见图2—1、2—2、2—3原动机：三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机、（电能→机械能）柴油机、汽油机、蒸汽机、燃气轮机、原子能发动机（热能→机械能）水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机（自然能→机械能）原动机的选择：有电力供应处，优先考虑使用各类电动机三相交流异步电机常作工、矿、企业等单位设备的原动机单相交流异步电动机在家用电器上广泛应用；直流电动机因其可以调速，易于实行自动控制，在机电一体化设备中广泛应用；工作机：指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载而作有用机械功的机械。信息机：也是一种工作机。只是通过各种复杂的信息来控制机械运动。在要求分度或步进运动的场合，可用步进电动机。在远离电源或要求远距离移动的地方，内燃机得到广泛应用；柴油机能提供的功率大于汽油机能提供的功率。在环保时代，利用自然能源的原动机正在逐步普及。水轮发电机二坐标机床的工作台二、机械运动系统指机械中的传动机构和工作执行机构，可以是机构的基本型，也可以是机构组合，或组合机构。1．机构的基本型：指最基本的、最常用的机构型式主要有以下几种：①全转动副四杆机构的基本型②含有一个移动副四杆机构的基本型见图2-4③含有二个移动副四杆机构的基本型（1）四杆机构（2）齿轮机构圆柱齿轮传动机构圆锥齿轮传动机构蜗杆传动机构行星齿轮传动机构见图2-5（3）凸轮机构直动从动件平面凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构直动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构见图2-6、2-7（4）挠性元件传动链传动图2-8（5）液、气传动基本型图2-9（6）螺旋传动机构图2-10(a)（7）电磁传动机构的基本型图2-10(b)（8）间歇运动机构的基本型：外棘轮机构、外槽轮机构图2-11a带传动2．机构的组合：把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称之为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。故机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各机构。串联机构并联机构3．组合机构组合机构与机构的组合有本质不同。组合机构是指若干基本机构，通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。例：图2-14三、机械的控制系统：机械的控制从手工操作向自动化、智能化发展的。控制方法：机械、电气、液压、气动综合控制1．电气控制系统的基本要求：1）满足机械的动作要求或工艺条件；2）电气、电子元件合理，工作安全可靠；3）停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电；4）有较强的抗干扰能力，避免误操作；5）便于维护与管理、经济指标好；6）使用寿命长；7）应设置紧急手动装置。电气控制应用最广泛。3．机械控制系统的发展趋势：应用计算机技术和自动控制技术，控制对象不断增加，控制系统更加复杂、准确。两类控制对象：（1）位移、速度、加速度、温度、压力……数量的大小（2）以物体的有、无、动、停……逻辑量控制方法：开环、闭环（单变量）反馈控制→现代控制理论（多变量）2．控制对象1）对原动机进行控制：可实现、开、关、停、正转、反转及调速、限位2）对电磁铁的控制：实现控制机械中执行机构的各种不同动作。将检测到的输出结果与输入指令的误差随时进行修正，此种控制方式为闭环控制。将输出结果返回输入端与输入指令比较的过程，称为反馈控制伺服电动机模拟伺服控制数字伺服控制软件伺服控制第二节机械系统及其发展一、机械系统的基本组成形式根据原动机、传动机构、执行机构的不同组合以及机械系统运动输出特性的不同，机械系统的基本组成形式见表2-1所示。线性机构：机构的输出运动与输入运动为线性关系。非线性机构：机构的输出运动与输入运动为非线性关系。类型1，2为最基本、最常见的机械系统类型5在数控机床、机器人等自动机械中得到广泛的应用二、机械系统的发展与演变1．刚性机械系统：系统的运动不具可控性，机械装置与电气装置独立组合的机械系统。2．柔性机械系统：运动具有可控性，可借助传感器，控制电路、计算机实施智能化控制。数控机床和机器人属于柔性机械系统。表2-1机械系统的基本组成形式类型编号原动机传动机构执行机构机械系统的输出运动线性原动机非线性原动性线性机构非线性机构线性机构非线性机构简单运动复杂运动1√√√√2√√√√3√√√√4√√√√5√√√√6√√√√7√√√√8√√√√3．机械系统的发展机械技术与电子技术控制技术的结合，机械系统由刚性机械向柔性机械系统演化，使机电一体化的机械系统发展很快刚性机械系统图2-18a改进的刚性机械系统图2-18b柔性机械系统图2-18c直接驱动式的机械系统图2-18d图2-18机械系统的演变过程框图第三节机械运动简图及其结构设计1．机构系统的运动简图设计：根据产品的功能目标和动作要求，设计出机械系统的运动方案，并确定传动机构、执行机构以及各种控制的参数和尺寸。2．运动简图机械的结构设计机械的结构图（装配图）一、构件的结构设计1．构件的结构设计原则1）选材料；2）选择毛坯；3）确定形状与尺寸；4）强度、刚度、安全性、可靠性的校核；5）与其它构件的关系；6）运动空间及运动干涉；6）经济性；8）维修、安装方便。2．常用构件的结构设计常用构件：齿轮、凸轮、杆状构件、块状构件、具有复杂形状的构件（1）齿轮的结构设计齿轮轴整体式：圆盘状，腹板式，轮副式图2-19图2-19外齿轮的结构示意图分体式：齿圈+轮毂内齿轮的退刀槽图2-20图2-20内齿轮的结构示意图（2）凸轮类构件的结构设计①按尺寸：凸轮轴，盘状凸轮弹簧锁合（图2-21）②按锁合方式沟槽式（图2-22a）几何锁合封闭形状结构（图2-22b、c）尖底③按从动件型式滚子平底滚子的结构型式图2-25滚动轴承、锥面、弧面、球面共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆图2-26b可调摆杆臂式从动件图2-26c（3）杆类构件的结构设计曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状图2-27图2-22形封闭凸轮结构示意图图2-23双滚子结构示意图图2-24圆柱滚子改为圆锥滚子结构示意图滚子的结构型式图2-25滚动轴承、锥面、弧面、球面共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆图2-26b可调摆杆臂式从动件图2-26c（3）杆类构件的结构设计曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状图2-27图2-25滚子结构图2-26共轭凸轮的摆动滚子从动件图2-26共轭凸轮的摆动滚子从动件图2-27曲柄的结构图2-28连杆组件图2-29转动副的结构示意图连杆、摇杆：视具体情况设计（4）块状类构件的结构设计：块状类构件大都作移动，其结构与运动副的结构有关。3．机械零件组合成构件的方法组合方法：螺纹联接、焊接、粘接、过盈配合常见的例子：较大的蜗轮（铸铁轮毂与青铜轮缘组合）内燃机连杆滑动轴承座二、运动副的结构设计运动副的结构创新设计对提高机械的性能与寿命有重大帮助1．转动副的结构设计滚动轴承：机械效率高滑动轴承：结构简单，形成动压润滑时也有较高的效率2．移动副的结构设计高副式移动副：低副式移动副重力封闭：形封闭图2-30：a.常见移动副b.重力封闭c.重力封闭与形封闭组合d.重力封闭点接触式e.柱面移动副f.带滑键的柱面移动副g.形封闭点接触式移动副h.形封闭结构i.滚子与轮轨接触形成的移动副构图j.滚子与滑槽形成的移动副3．高副的结构设计滚子导轨（滚动导轨）代替平面摩擦导轨：滚子直径、宽度、滚子的间距，定位措施等都需进行严格的结构设计。滚珠丝杠代替普通丝杠也需进行结构设计；三、机构系统的结构设计连杆机构设计较难，杆件形状千变万化，也是创新成果最多的领域同一机构—可设计出性能、用途、外形完全不同的机械。：密封，润滑所有的运动副结构设计，为了↓相对运动中的摩擦，应考虑：密封，润滑的方式。连杆机构设计时要注意的问题1）各构件的运动不能发生干涉图2-322）在机械平衡的基础上，把安装配重与结构设计一并考虑。3）机构系统的运动精度。连杆机构的杆状变化尚没有找出一定的规律，目前主要凭坚实的基础知识、丰富的实践经验。如机构简图为图示的双曲柄机构，既可设计成泵；也可设计成轴系结构。尺寸误差影响机构系统运动精度的因素运动副的间隙误差构件的弹性变形尺寸误差对机构运动位置的影响图2-30常见移动副的结构示意图图2-31低副的高副结构设计图2-32双曲柄机构结构设计示例图2-33连杆机构安装位置示意图图2-34连杆机构尺寸对其运动精度的影响图2-34所示机构中，构件3的位置误差为),,,,(4321llllf无误差时机构的封闭矢量方程为04321LLLL有误差时机构的封闭矢量方程为：044332211LLLLLLLL则：04321LLLL01niiL注意：①在保证机构位置精度的前提下精确求解iL困难②现行方法：按经验确定各构件尺寸公差计算误差最大值与最小值若超差则重新调整各构件公差第四节创新设计过程中的创新思维方法①创新设计不是简单的模仿或技术改造②创新设计应具有突破性、新颖性、创造性、实用性、社会效益③创新活动是一个复杂的思维过程一、创新活动中的注意事项1．要考虑创新产品是否有社会效益或经济效益2．是否存在你要创新设计的产品或专利1．要考虑创新产品是否有社会效益或经济效益离开社会效益的创造活动毫无意义，只会浪费宝贵的时间和精力。某发明家花费大精力研究了椭圆仪，因无经济效益而搁浅；在知识经济时代，不能转换为经济效益的发明将不被采用。2．要考查国内外是否存在你要创新设计的产品或专利进行文献检索与市场调研对创新设计是有帮助的。3．正确理解创新的含义，提倡在所熟悉的领域内进行发明创造在工程中经常出现，机械专业人员查阅大量资料设计出来一种电子线路，自认为是一种发明，而电子工程人员却认为是很普通的电路，同样，电子技术人员好不容易“创新”设计出一个机械装置，机械工程人员却认为毫无创新，工程中，出现自己认为是发明，别人不认为是发明，实际上也不是发明的现象大都是跨行业的缘故。4．创新设计是一个科学的过程，以知识为支撑点某发明家设计、制造了一种无级变速器，操作灵活简便，但受载时发热过大，效率过低，难于应用工程实际。因此，创新设计不是凭空想象，应以知识为支撑点。5．创新活动是艰苦，长期的工作积累过程6．环境、压力、事业心、兴趣是创新成功的重要因素7．善于观察，注意积累8．正确的思维方法是通向创新成功之路首先通过发散思维构思出多种方案，比较鉴别后，形成新的思路与方案，创新活动是一种复杂的思维活动，思维方式存在很大差异，但总的思维方式还是有条理的。形象思维与抽象思维发散思维与收敛思维逻辑思维与非逻辑思维直达思维与旁通思维逆向思维类比思维逆向运作法：不用常规的解决方法，而是反其道而行之。例如：某轴承厂通过管道输送轴承产品，可在管道拐弯处，轴承屡屡将管道砸坏，管道的拐弯处的频繁破坏一直无法解决，后有人想出了一个办法，在拐弯处建立一个磁场，利用磁力吸住轴承，运动的轴承不断地被吸住，不断地被后续的轴承冲走，这样既能输送轴承产品，又不致使管道破坏。又如日本诺贝尔奖获得者江崎玲于奈在研究他的得奖项目时，让其助手小姐在一旁做晶体管纯度提高实验，但因总是难以去除杂质而苦无良策，在几十次对提高晶体管纯度的努力几无进展的情况下，助手小姐忍不住说：“再这样做下去，纯度可能永远达不到理想的高度，既然杂质不易除去，还不如加些杂质试试看！”听了这话，江崎茅塞顿开，是啊，也许加些杂质，晶体管的导通性能反而更理想呢。果然试验获得了成功，根据试验中发现的晶体管“隧道效应”，使无线电技术发生革命性变化的隧道二极管诞生