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机械创新设计电子教案

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王树才 n n 华中农业大华中农业大 学学 王树才王树才 机械创新设计(MCD) Ø产品规划——市场需求调查;科技信息调研;论证 必要性,可行性,确定产品功能目标。 Ø方案设计——进行系统的功能分析与设计;工作原理构 思与设计;工艺动作构思与设计;方案性能评价。 Ø技术设计——进行系统中的零部件尺寸、参数、形状、 结构、强度、刚度、精度设计;绘制相应的工作图,编写 说明书。 Ø施工设计——加工、制造等工艺设计;安装、调试及维 护、使用说明。 5 机械运动方案设计与创新 开发一个新的机械产品一般经历四个阶段: 5.1 机械产品的开发过程 在这四个设计阶段过程中,方案设计对 产品的性能、成本、使用与维护等影响很 大,也是最具有可创新的阶段。因此很有 必要探索该阶段的创新设计方法与技巧。 5.2 功能分析与设计 功能分析与设计的目的是从完成功能的角度而 不是从技术的角度分析系统,子系统。其设计 过程包括裁剪、重组。即研究每一个功能是否 必须,如果必须,系统中其它部分是否可代替 一、功能的概念: n所谓功能(Function)就是用简明的语言 对产品对象的各种工作能力抽象化的描述 。功能的描述一定要准确、合理、简洁、 抽象,不带有任何倾向性。使得在方案构 思时不致产生框框,使思路开阔。它与产 品的用途、性能等不尽相同。例如,钢笔 的用途是写字,而功能的描述是“存送墨 水”。 例如:解决取出核桃仁的问题,功能描述不同,解 决该问题的思路与方法就会受到影响。 功能 描述 工作原理 工艺动作 砸壳外部加压 砸、压、冲、射等 压壳外部加压 内部加压 砸、压、冲、射等 通高压气,外压骤减,内压破壳 壳仁 分离 外部加压 内部加压 去壳 砸、压、冲、射等 通高压气,外压骤减,内压破壳 培育薄壳品种,化学法脆皮、溶壳 二、功能分类 o驱动功能——为系统提供能量,它接受测控部分发出 的指令,驱动执行部分工作。其功能载体为各种类型 原动机。 o传动功能——传递驱动和执行部分之间的运动和动力 。包括运动形式、性质、方向、大小的变换。其功能 载体可以是机械式、液压气动式、电磁式等。 o执行功能——实现和完成产品的最终功能。简单系统 可用简单的构件实现特定的动作;复杂的系统有多个 执行功能,各动作需要协调与配合。 o测控功能——包括检测、传感与控制。它把系统工作 过程中各种参数和工作状况检测出来,变换成可测定 和可控制的物理量,传送到信息处理部分,并发出对 各部分的工作指令和控制信号。 1)按机电产品各组成部分具体功能进行分类: 2)按系统中各部分的基本物理功能进行分类 基本物理功能反映系统中三个基本要素(能量、物 料、信息)变换的物理作用 n变换功能——能量的类型,运动的形式,材料的性质,物态,讯号 类型等变换。具有类型变换特征。 n缩放功能——三要素量的缩放,能量的缩放,物理量的缩放,讯号 的缩放等。具有大小特征。 n联结功能——三要素同质或不同质的数量上的结合,物料的混合与 分离等。具有数量特征。 n储存功能——具有时间的特征。如物料的存储,能量的存储等。 n传导功能——三要素在不同位置通过电、光、机构、等变化传导, 具有位置特征。 n离合功能——使系统时而接通、切断。具有时间位置的特征。 3)机构的基本功能 n变换运动的形式——转动,移动,摆动,间歇运动 n变换运动的速度——减速,增速,变速 n变换运动的方向 n进行运动的合成与分解 n对运动进行操纵与控制 n实现给定的运动位置与轨迹 n实现某些特殊功能——增力,增程,微动,急回,夹 紧,定位等 三、功能的分解 v将产品的总功能进行分解成分功能,子功能,乃至功 能元,使功能分析与设计更加方便。 v功能分解可图解为树状结构,如下图所示: 减速器功能树 四、功能设计(模块化设计) 1)模块化设计概念与特点: 其核心思想是将系统根据功能分解为若干 模块,通过模块的不同组合,可以得到不 同品种、不同规格的产品。 其特点是产品更新换代快,缩短了 设计制造周期,降低成本,维修方便,性 能稳定可靠;但系统比较复杂。 2)模块化设计方式: v横系列模块化设计:在基型品种上更换或添加模块,形成新 的变形品种。例如,更换端面铣床的铣头,可以加装立铣头、卧 铣头、转塔铣头等,形成立式铣床,卧式铣床或转塔铣床等。 v纵系列模块化设计:产品功能及原理方案相同,结构相似, 而参数尺寸有变化,随参数变化对系列产品划分合理区段,同一 区段内模块通用。 v全系列模块化设计:包括纵系列与横系列。 v跨系列模块化设计:指具有相近动力参数的不同类型产品。 它有两种模块化形式:一种是在在相同的基础件结构上,选用不 同模块组成跨系列产品。如德国生产的双柱坐标镗床,通过改变 测量系统模块,还可得到一种专门用于测量的产品。另一种是在 基础不同的跨系列产品中,选用相同功能的模块。如自卸车与载 重汽车,选用同样的变速箱与制动器等通用模块。 3)模块的划分与组合: 划分模块时要注意模块在整个系统中的作用 及其更换的可能性与必要性;要注意保持模块在功 能及结构方面的独立性与完整性;模块间的结构要 素应便于分离与联接;模块的划分不能影响系统的 主要功能。 模块的组合有开式与闭式组合,组合的原则 是以求用较少模块组合成更多不同功能的变形产品 。 模块化设计实例——齿轮减速器系列设计 如减速器功能图所示,分别进行了齿轮模块,轴的 模块,箱体的模块等设计,采用了112对斜齿圆 柱齿轮和70对锥齿轮模块,代替了非模块化设计 的1252对齿轮;可组成332种平行轴和220种相交 轴的传动。只需要3种箱体。模块化设计降低了 成本,并且便于管理。下表列出了减速器模块化 系列中零部件件的通用化程度。 模块名称 箱体齿轮轴轴承端盖 通用化程 度(%) 9785.677.498.498.6 5.2 工作原理的构思与设计 工作原理是指实现产品功能最基本形式。创新设计的 核心是原理创新。按新的原理工作的机器、设备、仪 器才具有竞争力。 构思新的工作原理一般可通过以下的途径来解决: 1.建立设计目录 2.参考、借鉴相关产品的资料或专利 3.利用技术冲突解决原理 4.充分应用可利用资源 一、建立设计目录 设计目录是一种设计信息库,他把设计过程中 所需要的大量信息有规律的加以分类、排列、储 存,以便设计者查找、调用。 下表是部分物理功能的设计目录 二、参考、借鉴相关产品的资料或专利 例1 分纸原理:印刷、点钞、包装 例2 液体输送原理:利用负压效应设计波纹管水泵; 利用毛细管效应设计封闭热管,用于人造卫星和 冻土层输油管保温等。 冲突广泛存在于产品的设计之中,解决冲突是创新 设计的核心。 冲突类型很多: 1)物理矛盾 TRIZ理论中,当系统要求一个参数向相反方向变化时,就构成了物理 矛盾,例如,系统要求温度既要升高,也要降低;质量既要增大, 也要减小;缝隙既要窄,也要宽等。这种矛盾的说法看起来也许会 觉得荒唐,但事实上在多数工作中都存在这样 的矛盾。 例:现在手机制造要求整体体积设计 得越小越好,便于携带,同时又 要求显示屏和键盘设计 得越大越好,便于观看和操作,所以对手机 的体积设计 要求具有大、小两个方面的趋势 ,这就是手机设计 的 物理矛盾。 2)技术冲突 技术冲突是指一个作用同时导 致有用及有害两种结果,也可指有用作 用的引入或有害作用的消除导致一个或几个子系统变 坏。技术冲突 常表现为 一个系统中两个子系统之间的冲突。 三、 利用技术冲突解决原理 3)技术冲突出现的几种情况: q在一个子系统中引入一种有用功能,导致另一个 子系统产生有害功能,或加强了一种已存在的有 害功能。 q消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变 坏。 q有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系 统或系统变得复杂。 技术冲突实例 自行车的车闸,目前的设计很容易受到天气的 影响,下雨天,瓦圈表面与闸皮之间的摩擦系数降 低,减少了摩擦力,降低了骑车人的安全性。一种 改进设计为可更换闸皮型,即有两类闸皮,好天气 用一类,雨天换另一类。 设计中的冲突为,将闸皮设计成可更换型,增加了 骑车人的安全性,但必须备有闸皮可用,还要更换 ,使操作复杂。 五、 40条技术冲突的解决原理 n在对全世界专利进行分析研究的基础上 ,有关专家提出了40条技术冲突的解决 原理,实践证明,这些原理对于指导设 计人员的发明创造具有重要的作用。 n40条技术冲突的解决原理如下表所示: 序号名称序号名称序号名称序号名称 1分割11预补偿21紧急行动31多孔材料 2分离12等势性22变有害为 有益 32改变颜色 3局部质量13反向23反馈33同质性 4不对称14曲面化24中介物34抛弃与修 复 5合并15动态化25自服务35参数变化 6多用性16未达到或超 过的作用 26复制36状态变化 7套装17维数变化27代替37热膨胀 8质量补偿18振动28机械系统 的替代 38加速强氧 化 9预加反作用19周期性作用29气动与液 压结构 39惰性环境 10预操作20有效作用的 连续性 30柔性壳体 或薄膜 40复合材料 下面介绍几个常见的原理与工程实例 (1)分割原理 v将一个物体分成相互独立的部分:例如一辆 卡车加拖车代替一辆载重量大的卡车。 v使物体分成容易组装或拆卸的部分:例如花 园浇花用的软管,可按需要用快速接头连接成所 需要的长度。 v增加物体相互独立部分的程度:例如挖掘机 铲斗的唇缘是容易损坏的部件,将其设计成可分 割的几部分,既可方便的将损坏部分更换。 活字印刷、分装食物、百叶窗 (2)局部性质原理 n将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构。如用 变化中的压力、温度或密度代替常定的压力、温度或密 度。 n使组成物体的不同部分完成不同的功能。如餐盒 被分成放放热食、冷食、饮料等各自不同的空间。 n使组成物体的每一部分都最大限度的发挥作用。 如带有起钉器的榔头。若组成机器的某个零部件没有最 大限度的发挥作用,则应对其改进设计。 n 例:为了防治矿山坑道里的粉尘,向工具(钻机和料 车的工作机构)呈锥体状喷洒小水珠。水珠愈小,除尘效 果愈好.但小水珠容易形成雾,这使工作困难.解决办 法:环绕小水珠锥体外层再造成一层大水珠。 例如锯片的改进设计:利用局部质量原理,可 使用双列齿,将锯齿制成高度不同,交叉排列的 形状,短齿比长齿宽,长齿用来切削,短齿用来 清洁切削表面。这样既保证了表面粗糙度,又提 高了切削速度。 (3)不对称原理 n将物体的形状由对称变为不对称。如不对称搅拌 容器,或对称容器不对称叶片。 n如果物体是不对称的,则增加其不对称程度。 如不对称共鸣器的设计,见下页图。 对称是机械零件传统的设计形式,但实际上,设 计中很多冲突与对称有关,将其变为不对称就 解决了很多问题。 例:防撞汽车轮胎具有一个高强度的侧缘,以抵抗人行道路缘 石的碰撞。 不对称共鸣器:将金属筒中心线与绝缘筒的轴心线 偏移一定距离,可以得到很好的调谐效果。 (3) ‘玛特廖什卡’原则(嵌套原则) a.一个物体位于另一物体之内,而后者又位于第三 个物体之内,等等。 b.一个物体通过另一个物体的空腔。 例:“弹性振动超声精选机是由两个互相夹紧的半波片 构成。其特征是,为了减小精选机的长度和增大它的稳定性 ,两个半波片制成相互套在一起的空锥体(苏联发 明证书 ~186781)。在苏联发明证书0462315中,也采用该解决方案来 缩小变压器压电元件输出部分的外形尺寸。在苏联发明证书 ~304027中, 金属拉制设备的”玩偶“是由拉摸组成. 多功能小刀、超市购物车、套椅等 (5)动态化原理 n使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调 整,以达到优化的性能。如可调整驱动轮,可调整 座椅,可调整反光镜等。 n划分一个物体成具有相互关系的元件,元件之间 可以改变相对位置。如计算机蝶形键盘、活动扳手。 n如果一个物体是静止的,使之变为运动的或可改 变的。如螺旋角可变的螺杆输送机,弹簧沿着旋转轴的 伸长/压缩可控制螺杆的螺旋角,从而控制松散材料的输 送速度,见下页图。 (1)资源分析 n直接应用资源:指在当前存在的状态下可 被应用的资源。 n导出资源:通过某种变换,使不能利用的 资源成为可利用资源。 n差动资源:物质与场的不同特性是一种可 形成某种技术的资源,这种资源成为差动 资源。 四、资源分析创新 直接可利用资源 n物质资源:利用螺纹毛坯是圆柱体的特点设计搓丝机 ,见下页图。 n能量资源:汽车发动机既驱动车轮又驱动液压泵,使 液压系统工作。 n场资源:地球上的重力场或电磁场。例如利用钢的磁 性原理,设计搬运钢板的机械装置,见下页图。 n空间资源:仓库中的多层货架。 n时间资源:双向打印机。 n信息资源:汽车运行时所排放的废气中的颗粒,表明 发动机的性能信息。 n功能资源:人站在椅子上更换屋顶的灯泡,椅子的高 度是一种辅助功能的利用。 导出资源 n导出物质资源:由直接应用资源,变换或施加作用所得 到的物质。如铸造所的材料毛坯。 n导出能量资源:变换直接能量所得,如变压器将高压变 为低压,这种低电压为导出能源。 n导出场资源:变换直接场资源所得。 n导出信息资源:变换不相关的信息为相关信息,如地球 表面磁场的变化可用于发现矿藏。 n导出空间资源:由于几何形状变化所得到的额外空间。 n导出时间资源:由于加速或间歇运动获得的时间间隔。 n导出功能资源:合理化后系统完成的辅助功能。 v结构各项异性:光学特性 ;电特性;声学特性;机 械特性;化学特性;几何 特性。 v不同材料的特性: v场梯度的利用:在烟 囱的帮助下,地球表 面与3200米高空中的 压力差,使炉子中的 空气流动; v空间不均匀场的利用 : v利用场的值与标准值 的偏差: 差动物质资源 差动场资源 差动资源 (2)资源利用 n将所有的资源首先集中于最重要的动作或子系统 ; n合理、有效的利用资源,避免资源损失、浪费; n将资源集中到特定的空间或时间; n利用其他过程中损失或浪费的资源; n与其他子系统分享资源,动态调节这些子系统; n根据子系统隐含的功能,利用其他资源; n对资源进行变换,使其成为有用资源 。 空间 n最大限度的利用闲置空间; n利用相邻子系统的某些表面,或反面; n利用空间中的点、线、面或体积; n利用紧凑的几何形状,如螺旋线; n利用暂时闲置的空间。 时间 材料 n在最有价值的工作阶 段,最大限度的利用 时间; n使过程连续,消除停 顿或空行程; n变换顺序动作为并行 动作以节省时间; n利用薄膜、粉末、蒸 汽,将少量物质扩大 到一个较大的空间; n利用与子系统混合的 环境中的材料; n将环境中的材料,如 水、空气等,转变为 有用的材料。 能量 n尽可能提高核心部件能量的利用率; n限制利用成本高的能量,尽可能采用低廉的能量 ; n利用最近的能量; n利用附近系统浪费的能量; n利用环境提供的能量。 在设计中认真考虑各种资源,有助于开扩设计者的 眼界,使其能跳出问题的本身。 5.3 工艺动作的构思与设计 n工艺动作的分解; n工艺动作的协调与配合; n机构的选型与构型。 一、工艺动作的分解和设计 (1)工艺动作设计得不相同,设计出的机构运动方 案也就不相同; (2)不同的机构可能实现同一工艺动作,满足同样 的使用要求; 例:从井中提水 1、采用往复移动的工艺动作改变容积; 2、采用往复摆动的工艺动作改变容积; 3、采用旋转工艺动作改变容积; 二、工艺动作的协调与配合 根据机器完成功能及生产工艺的不同,其运动 可分为无周期性循环和周期性循环两大类。生产产中 大部分机器都属于具有固定运动动循环环的机器。 执行机构的运动循环可表示为: T执=T工作+T空程+T停歇 1.机器运动循环图的类型 机器的运动循环图又称工作循环图,它是描述 各执行机构之间有序的、既相互制约又相互协调配 合的运动关系的示意图。 机器工作循环图 的作用: 1)核算机器的生产率、作为分析和研究提高机械生产率的依据 2)确定各个执行机构原动件在主轴上的相位,或者控制各个执 行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位 3)指导机器中各个执行机构的具体设计、装配和调试。 执行系统的运动循环 (1)直线式运动循环图 四行程内燃机的直线运 动循环图,其横坐标表示定 标构件曲轴转角φ,曲柄每 转二周为一个运动循环。 活 塞下行 (吸气) 上行 (压缩) 下行 (做功) 上行 (排气) 进气门开启关闭开启 排气门 开启 关闭开启 φ 0° 180° 360° 540° 720 ° (2)圆周式运动循环图 四行程内燃机的圆周式运动循环图 将运动 循环的 各运动 区间的 时间和 顺序按 比例绘 在圆形 坐标上 (3)直角坐标式运动循环图 将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘在直角 坐标轴上。实际上它就是执行构件的位移线图,但为了 简单起见通常将工作行程、空回行程、停歇区段分别用 上升、下降和水平的直线来表示。 活 塞 进气门 排气门 四行程内燃机的直角坐标式运动循环图 φ 0° 180° 360° 540° 720° 2.机器运动循环图的设计步骤与方法 信封自动打印机 1 3 2 4 5 6 该机构有两个执行 机构:打印头3和送 料器1。我们选择打 印机的执行构件打 印头3作为定标件, 已知自动打印机的 生产率为4500 件/班 1)确定执行机构的运动循环时间 取 2)确定组成执行机构运动循环的各个区段 根据打印工艺要求,打印头的运动循环由如下四段组成: tk1——打印头的前进运动时间 tok1——打印头在产品上停 留的时间 td1——打印头退回运动时间 to1——打印头停歇时间 打印头的运动循环 Tp1为: 相应的分配轴转角为: 3)确定打印头各区段运动的时间及转角 打印头在产品上停留的时间为: 相应的分配轴转角为: 装料、送料,取: 前进和退回的时间为 : 4)初步绘制执行机构的执行构件的运动循环图 T T Tp1 tk1 tok1 td1to1 T Tp2 tk2 td2to2 T a)b) 打印头和送料推头的运动循环图 5)进行各执行机构的协调设计 最大运动循环Tmax 最小的运动循环Tmin 经过时间同步化设计的运动循环图 打印 机构 送料 机构 三、机构的选型与构型 (1)自动洗衣机的组成: 上盖 控制面板进水口 排水管 外箱体 盛水桶 支撑拉杆 脱水桶 电动机 带传动 减速器 波轮 洗涤: A制动,B放开,运动经电动机、带传动、中心齿轮、 行星轮、行星架、带动波轮旋转。 脱水: A放开,B制动,运动经电动机、带传动、内齿圈(脱水 桶)、中心齿轮、行星架,波轮与脱水桶等速旋转。 A B 洗衣机系统简图 带传动 脱水桶 波轮 (2)自动洗衣机的工作原理: 5.4 方案的评价 一、评价目标 二、模糊评价法 评价指标: 王树才
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李振财

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