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 21、22、23,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：,全转动副四杆机构的基本型 含有一个移动副四杆机构的基本型 见图2-4 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,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 按尺寸：凸轮轴，盘状凸轮,弹簧锁合 （图2-21）,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 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2-32 2）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,无误差时机构的封闭矢量方程为,有误差时机构的封闭矢量方程为：,则：,注意：在保证机构位置精度的前提下精确求解,困难,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,创新设计不是简单的模仿或技术改造 创新设计应具有突破性、新颖性、创造性、实用性、社会效益 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