06机械系统功能原理设计

null第6章 机械系统功能原理 第6章 机械系统功能原理设计 6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 6.1 功能及其分类 6.2 功能原理设计null 机械系统功能原理设计(简称功能原理设计)的内容是构思能实现功能目标的新的解法原理。 功能原理设计首先要通过调查研究，确定符合当时技术发展的明确的功能目标，然后进行创新构思，寻求新的解法原理，并进行原理验证，确定方案及评价，最后选择一种较为合理的方案。 null6.1 功能及其分类 6.1.1 功能的描述 19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的功能。在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。 功能是对于某一机械产品工作功能的抽象化描述，它和人们常用的功用、用途、性能和能力等概念既有联系又有区别。 null 洗衣机的功用、用途、性能和功能的关系 功能的描述要准确、简洁、抓住本质，不同的功能定义会产生出完全不同的设计思想和设计方法，寻找到不同的功能载体，得出完全不同的设计方案。6.1 功能及其分类 null 如果将功能定义为“钻孔”，那么就只能联想到钻床，其思路就很狭窄。 如果述为“打孔”，那么就可能联想到激光打孔机、钻床或冲床。 如果再抽象一些，定义为“加工孔”，那么就有可能联想到激光打孔机、钻床、冲床、镗床、车床、线切割机、锻床、腐蚀设备等。 新设计“钻”床的功能下定义时，不同的功能定义会产生出不同的设计方案。6.1 功能及其分类 null 系统工程学用“黑箱法”来描述功能。对于复杂的未知系统，犹如不知其内部结构的“黑箱”，可以利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原理和结构。把待求系统看做“黑箱”，分析比较系统输入输出的能量、物料和信号，输入输出的转换关系，从而来确定系统的总功能。 黑箱与系统总功能 6.1 功能及其分类 null6.1.2 功能的分类 从不同的角度出发，功能可以有各种不同的分类。按其性质、用途、重要程度和逻辑关系可将功能作如下分类。 1. 基本功能与辅助功能 基本功能是产品所具有的用以满足用户某种需求的效能，也就是产品的用途或使用价值，如手表的基本功能是“指示时间”。 产品的基本功能根据定义的不同可以有一个或数个，如冷暖空调夏天用于制冷、冬天用于制热，具有两个功能，当然，也可以把冷暖空调理解为一个功能，即调节室温。 6.1 功能及其分类 null 辅助功能是与基本功能并存的、次要的、附带的功能。它可以使产品的功能更加完善，但如果没有它，产品并不失去基本使用价值。如自行车后面的书包架、轿车内的音响与空调、电视机的遥控装置等。 1. 基本功能与辅助功能有时却很难严格加以区分，例如洗衣机的“清洗”与“甩干”可以把甩干视为清洗的辅助功能，但在洗衣物的过程中它们是不会分离的两个动作过程，因此，在全自动洗衣机中，可以把两者视为一个统一的基本功能。 6.1 功能及其分类 null2. 目的功能和手段功能 任一功能的存在都有一定的目的，因此任何功能，不论是基本功能还是辅助功能都可视为目的功能。而该目的功能往往又是实现另一目的之手段，相对另一目的来说，它又是一种手段功能。 3. 使用功能和表观功能 (1) 使用功能是指产品的实际使用价值，如铣齿机的“加工轮齿”、手表的“指示时间”等功能都是使用功能。 (2) 表观功能是在使用功能的基础上，对产品起美化、装饰作用的功能，它是通过造型设计实现的。6.1 功能及其分类 在市场竞争激烈的情况下，在众多品牌产品使用功能都达到要求的前提下，产品的外观造型起着重要的促销作用。尤其是在现代化的环境里，产品的表观功能通常是造就文明环境的重要手段功能。而对于工艺品，其使用功能与表观功能则往往合为一体。null4. 必要功能和不必要功能 必要功能是指用户所需要的功能，包括产品的基本功能和辅助功能。由于产品的使用功能和表观功能是通过基本功能和辅助功能来实现的，因此，必要功能也包括使用功能和表观功能。 有人在风扇的扇叶保护罩上设计很多图案，希望这种设计能增加风扇的表观功能，然而这些图案饰物既容易被灰尘污染，又影响了风扇的排风效果，所以增加这种表观功能完全没有必要。 6.1 功能及其分类 6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计 基于功能原理方案设计包括原理方案的功能原理分析、功能分解、分功能求解和功能原理方案确定等5项内容，就是求取一个最佳的功能系统的解，构成一个原理方案，实现所提出的创造目标，并满足周边的各种限制条件。 1．功能原理分析 任何一个机械产品的功能目标确定后，经过功能分析和综合，就能针对产品的主要功能提出一些原理方案。 例如设计孔加工设备，总体原理方案可以是激光打孔、机械加工、腐蚀等，不同的原理和加工工艺会有不同设备。 6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计2．功能分解 产品和技术系统的总体功能称为产品的总功能。产品的用途不同，其总功能也不同。技术系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解，可利用系统工程的分解性原理将功能系统按总功能、分功能、……、功能元进行分解，化繁为简，以便通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。 功能分解可图示为树状的功能结构，称为功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能分解，其末端为功能元。功能元是可以直接求解的系统的最小组成单元。6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计数控车床的功能树 6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计 总功能确定后，功能分解可以按以下方法进行。 (1) 按照解决问题的因果关系或目的手段关系进行分解。数控车床采用功能树的方法进行分解。 功能树起源于相当于总功能的树干，实现总功能这一目的所需要采用的全部手段功能构成一级分功能，这些分功能相当树枝。实现一级分功能目的的手段功能又构成了二级分功能，构成小树枝。如此分解，直到分解到可以直接求解的位于树枝末端的功能元为止。 (2) 按照工艺过程的空间顺序或时间顺序来分解。为更好地寻求机械产品的工作原理方案，将机械产品的总功能分解为比较简单的分功能是一种行之有效的方法。通过功能分解可使每个分功能的输入量和输出量关系更为明确，因而可以较易求得各分功能的工作原理解。6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计 啤酒瓶灌装机按照生产工艺动作过程的顺序可以分解为： 实际上，瓶、瓶盖和汽水的储存与输送3个分功能是并联结构；啤酒灌装、加盖和封口、贴商标和瓶装啤酒输出这4个分功能属串联结构。 6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计3．分功能求解 分功能(功能元)求解的基本思路可以简明地描述为：分功能——作用原理——功能载体。 分功能求解的目的是寻求完成分功能的作用原理和功能载体，其主要方法有调查分析法、创造性方法和设计目录法。 调查分析法 根据当前国内外的技术发展状况，大量查阅有关文献资料，调查分析已有同类产品的优缺点，构思满足分功能要求的作用原理和功能载体。 创造性方法 指的是设计人员凭借个人的经验、智慧、灵感和创造能力，采用“智暴法”、“类比法”和“综合法”等方法，来寻求各种分功能的原理解。 设计目录法 是一种设计信息库。它把设计过程中的大量信息有规律地加以分类、排列和存储，以便于设计者查找和调用。 4．功能原理方案确定 4．功能原理方案确定 由于每个功能元的解有多个，因此组成机械的功能原理方案(也就是机械运动方案)可以有多个。功能原理方案的组合可采用形态学矩阵进行综合。 形态学矩阵法的运用步骤如下。 (1) 通过总功能分解可以求得若干分功能。 (2) 功能求解。 (3) 方案组成。 (4) 方案评价和选择。6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计运用形态学矩阵法来构思单缸洗衣机的可行方案。 ① 总功能分解。单缸洗衣机的总功能包括“盛装衣物”、“分离脏物”和“控制洗涤”3个分功能。 ② 分功能求解。 盛装衣物的功能载体有铅桶、塑料桶、玻璃钢桶、陶瓷桶等4种； 分离脏物的功能载体有机械摩擦、电磁振荡、超声波等3种； 控制洗涤的功能载体有人工手控、机械定时、计算机自动控制等3种。 ③ 列出形态学矩阵。列出形态学矩阵，见表6-2，因此，理论上可组合出4×3×3=36种方案。6.2 功能原理方案设计6.2 功能原理方案设计形态学矩阵如表所示：理论上组合出4*3*3=36种方案6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 1、设计任务 要求设计一专用自动钻床 用来加工图1-1上所示零件上的三个φ8孔，并能自动送料。 三个主要功能为： 1）钻孔 2）钻孔深度 （刀具或工作台往复直线运动） 3）送料2．功能原理分析 2．功能原理分析 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 由于设计要求为钻孔，工作原理就是利用钻头与工件间的相对回转和进给移动切除孔中的材料。 完成上述功能有三种方法： (1) 钻头既做回转切削，又做轴向进给运动，而放置工件的工作台静止不动，如图(a)所示。 (2) 钻头只作回转切削，而工作台和工件作轴向进给运动如图(b)所示。 (3) 工件作回转运动，钻头作轴向进给运动 一般钻床多采用第一种方案，但本设计因工件很小，工作台很轻，移动工作台比同时移动三根钻轴简单，故采用第二种方案。(a)(b)null6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 3．功能分解与工艺动作分解 (1) 为实现多功能专用钻床的总功能，可将功能分解为送料功能、钻孔功能。 (2) 工艺动作过程，机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要求完成某些工艺动作，所以往往把总功能分解成一系列相对独立的工艺动作，一次作为功能元，然后用树状功能来描述。要实现上述分功能，有下列工艺动作过程。 ① 送料杆做直线往复运动。 ② 刀具转动切削工件。 ③ 安装工件的工作台要求进行上下往复运动。 null6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 由所确定的运动方案可知，共有三个执行构件，即钻头、工作台和送料杆。多功能专用钻床传动系统的工作过程是：送料杆从工件料仓里推出一待加工工件，并将已加工好的工件从工作台上的夹具中顶出，使待加工工件被夹具定位并夹紧在工作台上，送料杆退出；工作台带着工件向上快速靠近回转着的钻头，然后慢速工进，钻孔结束后，又带着工件快速退回，等待更换工件并完成下一工作循环。而钻头回转与送料杆和工作台的运动间是独立的。 null多头专用钻床树状功能图6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null4．根据工作原理和运动形式选择机构 同一种功能可选择不同的工作原理，同一种工作原理可选择不同的机构。按运动转换的基本功能选择机构，由总功能分解成各功能元，确定各执行构件的运动形式，进一步要解决的问题如下。 (1) 选择原动机，分析原动机运动形式与执行构件运动形式之间的关系。 (2) 配置传动机构和执行机构。一个原动机往往要驱动几个执行构件动作，有的原动机靠近执行构件，可直接带动执行机构；有的原动机与执行构件相距较远，必须加入传动机构，并与执行机构相连接，才能把原动机的运动传递转换为执行构件的运动。 (3) 确定传动机构和执行机构的运动转换功能。 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null 任何一个复杂的机构系统都可以认为是由一些基本机构所组成的。这些机构的基本功能如图所示 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null 多功能专用钻床的运动转换功能图。它描述了原动机(电动机)与执行构件、刀具、工作台、送料机构之间的运动转换功能。中间的矩形框内表示传动机构、执行机构的运动转换基本功能，末端的平行四边形框内表示执行构件的运动形式。该机床由一个原动机通过传动链来实现执行构件的预期运动。 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null5．用形态学矩阵法选择多功能专用钻床系统运动方案 形态学矩阵：纵坐标为功能元即基本运动转换功能图列，横坐标为功能源匹配的机构列。 可综合出(N=6×4×4×4=384)384种方案。6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null 根据是否满足预定的运动要求，运动链机构顺序安排是否合理，运动精确度，成本高低，是否满足环境、动力源、生产条件等限制条件，最后选择出较好的运动方案。6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null根据上述各功能要求，选择方案1，如图所示。 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null选择方案1，原因说明如下： 1) 切削运动链设计 能实现减速的传动有齿轮传动、链传动和带传动等。考虑到传动距离较远和速度较高等因素，决定采用V形带传动来实现减速和远距离传动的功能。 能够实现变换运动轴线方向的传动有圆锥齿轮传动、相错轴斜齿轮传动和蜗杆传动等，考虑到两轴垂直相交和传动比较小，决定采用圆锥齿轮传动来实现变换运动轴线方向的功能。 为使3个钻头同向回转，可采用由一个中心齿轮带动周围3个从动齿轮的定轴轮系。由于结构尺寸的限制，3个从动齿轮轴线间的距离远大于3个钻头间的距离。为将3个从动齿轮的回转运动传递给3个钻头，可采用双万向联轴节或钢丝软轴，将上述所选机构经适当组合后，即可形成钻削运动链。 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null2) 进给运动链设计 采用直动推杆盘状凸轮机构作为执行机构较为合理。减速换向可采用蜗杆传动，为达到很大的减速比和变换空间位置，在蜗杆传动之前可串接带传动。 3) 送料运动链设计 对送料运动链的功能要求与进给运动链基本相同，只是其往复运动的方向为水平，且运动行程较大。又因其减速比与进给运动链相同，故可由进给运动链中的蜗轮轴带动。由于送料运动规律较为复杂，故宜采用凸轮机构，又因其行程大，所以要采用连杆机构等进行行程放大。 6.3 多功能专用钻床传动系统的设计 null 方案2：机电一体化系统 （机电一体化系统简单说它的头脑由计算机、信息处理及控制软件、输入和输出接口组成；它的五官由传感器、信息放大、信息变换及接口组成；它的手足动力源、执行及传动机构组成。） 由计算机、控制盒和多电机的机械系统组成null 机械系统 简化，计算机 可以控制电机 工作。 机电一体化系统null6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人1．设计任务 要求地面反恐防爆机器人能排除销毁爆炸物、侦察、抢救人质、与恐怖分子对抗等，总之机器人的总功能是代替人去做一些地面反恐防爆工作。 根据总功能要求和工作性质，地面反恐防爆机器人应由机械系统、控制技术、视音频系统、各种传感器应用、武器系统等组成。机器人的机械系统是最重要的部分，根据反恐防爆工作的需要，机器人的机械系统又分为工作部分、行走部分、驱动部分等。本例主要是机械系统设计。 null2．功能原理分析 1) 工作部分由臂杆部分和机械手组成 臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对爆炸物的抓取、搬运、放置等工作。对臂杆的要求从3个方面考虑：一是额定负载，指工作装置在工作空间范围中任意位置时机械手都能抓取搬运的最大重量；二是指工作装置伸展最长距离；三是指工作装置收缩最近距离。 机械手也称作抓取机构，用来抓住握持爆炸物等物体，设计机械手时应注意以下事项：一是手指的开闭范围，此范围是从手指张开的最大开口位置到闭合夹紧时的变动距离；二是手指的夹紧力，为使手指能夹紧物体，并保证在运动过程中不脱落，要求手指在夹紧物体时有足够的夹紧力；三是根据物体的形状和位置，选择适当的手指形状和手部结构，使手指抓持物体吻合。 2) 行走部分 行走部分不仅要像车辆一样行走、越障还可以原地转弯等。 3) 驱动部分 采用蜗轮蜗杆、减速器、行星齿轮减速器、谐波齿轮减速器等以及配套用的各种电机。 6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null3．功能分解与动作分解 (1) 为实现地面反恐防爆机器人的总功能，可将总功能分解为抓取功能、移动功能和放置功能 (2) 机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要求完成某些动作，所以往往把总功能分解成一系列相对独立的动作，依次作为功能元，然后用树状功能图来描述。 ① 臂杆可以在三维空间范围内运动。 ② 机械手可以张开和闭合。 ③ 机器人行走。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null4．根据工作原理选择运动部件 1) 臂杆的选择 根据不同的设计思想，工作装置的臂杆和关节数量是不同的 。 单连杆两关节自由度模式； 两臂杆三关节自由度模式； 三连杆多关节模式 。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null2) 机械手的选择 一般情况下，机器人的手部只有两个手指，个别的有3、4指如或多手指。手指结构的形式取决于被夹持物体的形状和特性，在反恐防爆工作中遇到的物体是不同的，因此手指的形状设计也是不同的。 两个手指4指多手指3) 行走部分的选择 根据行走装置的不同，地面反恐防爆机器人分有轮式移动机器人和履带式移动机器人。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null5．用形态学矩阵法选择地面反恐防爆机器人的机械系统 形态学矩阵：纵坐标为功能元；横坐标为功能元解。 表6-4描述了地面反恐防爆机器人传动链的形态学矩阵，可综合出(N=3×6×2=36)36种方案。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null 根据是否满足预定的运动要求、运动链机构顺序安排是否合理等，选择出较好的运动方案。 上海交通大学研制的Super-D反恐防爆机器人如图6.15所示，它是由大臂、小臂、机械手和轮式行走部分组成的。 6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null6．两臂杆三关节机器人手臂机构具体设计 根据工作原理和运动形式选择机构,两臂杆(二连杆)三关节机器人手臂机构是模仿人的手臂设计的，这种机器人有肩、肘、腕3个关节自由度，由大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成。 (1) 选择原动机，分析原动机运动形式与执行构件运动形式之间的关系。 (2) 配置传动机构和执行机构。一个原动机往往要驱动几个执行构件动作，有的原动机靠近执行构件，可直接带动执行机构；有的原动机与执行构件相距较远，必须加入传动机构，并与执行机构相连接，才能把原动机的运动传递转换为执行构件的运动。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null地面反恐防爆机器人手臂的运动转换功能图 6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null 机械手臂传动链的形态学矩阵 纵坐标为功能元即基本运动转换功能图列，横坐标为工能元匹配的原动件、机构列。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null 表6-5描述了机械手臂传动链的形态学矩阵。可综合出8064(N=2×4×3×3×2×3×3×2×3=8064)种方案。 根据是否满足预定的运动要求，运动链机构顺序安排是否合理，运动精确度，成本高低，是否满足环境、动力源、生产条件等限制条件，最后选择出较好的运动方案。 最后的传动链为：肩关节采用微型低速力矩电机驱动，经过蜗杆传动、行星传动和定轴齿轮3级减速，肘关节由双驱动电机、双谐波减速器和锥齿轮差动机构组成。腕关节由驱动电机、双谐波减速器和锥齿轮传动组成 。6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人null机械手臂传动系统6.4 设计实例——地面反恐防爆机器人