圖書信息
作 者：季林紅，閻紹澤 編 叢 書 名：機械設計基礎系列課程教材 出 版 社：清華大學出版社ISB
圖書 > 工程 > 機械工程
內容簡介
機械設計綜合實踐教程是清華大學面向新世紀教學內容和課程體系改革計畫的研究成果，是在總結近年來相關課程教學改革經驗的基礎上編寫而成的。教材對原機械原理課程設計和機械設計課程設計進行了整合和改革，以適應機械設計系列課程改革需要。教材以機械產品設計為主線，培養學生的綜合設計能力、創新能力以及獨立工作能力和團隊精神，形成了新的機械設計綜合實踐課程內容體系。
《機械設計綜合實踐》共八章，內容包括機械設計綜合實踐總論、選題與設計規劃、機械系統運動方案設計、機械系統裝配結構設計、機械零部件工作能力設計、機械零部件精度設計、機械系統裝配圖及零部件圖繪製、設計報告與答辯等。教材提供了用於機械設計綜合實踐的教學和學生訓練的電子版設計指導、機械cad平台、課件、學生設計案例以及有關標準、規範、數據、資料等。教材中還給出了結合生產實際的設計題目供學生選擇，並附有清華大學機械設計綜合實踐課程教學大綱和教學計畫等。
《機械設計綜合實踐》適於高等工科院校機械類、近機械類專業師生使用。本教材既適用於整合後的機械原理和機械設計課程設計的課程教學，也適用於分開進行的機械原理和機械設計課程設計教學。
前言
前言《機械設計綜合實踐》教程是根據2007年教育部啟動的“高等學校本科教學質量與教學改革工程”（簡稱“質量工程”) ，從加強學生素質教育和能力培養的需要出發，並結合教學改革成果編寫的。本教材力圖加強實踐教學，以達到切實提高大學生實踐能力的目的。
本書編寫的指導思想是： 在總結近年來相關課程教學改革經驗的基礎上，對原機械原理課程和機械設計課程實踐教學進行整合，系統地訓練機械製圖、機械系統運動方案設計、機械系統結構設計的能力，也包括金屬材料及熱處理、工程力學、公差與配合等知識的運用；以機械設計綜合實踐為教學內容，以培養學生的綜合設計能力和創新設計能力為目標，力求激發學生的創新潛能和工程意識。本教材通過選題報告、機械系統運動方案設計、機械系統結構化設計，使學生能從整機的角度和系統的觀點，掌握機械產品設計的基本方法和步驟，擴展機械設計知識，增強機械設計和創新設計能力。
本教材是在總結清華大學多年來機械設計綜合實踐課程教學改革、教學研究和教學實踐的基礎上編寫而成的，其主要特色如下：
(1) 將機械原理課程設計和機械設計課程設計的內容整合為一個新的綜合設計課程的教學內容體系，反映了機械設計的系統性特徵，按照機械工程設計過程安排各章節次序，以增強學生在機械設計過程中的系統化認識。
(2) 科研選題是原始性創新的起點。為了培養學生研究性閱讀和文獻綜述能力，增加了選題和設計規劃一章，彌補了一般機械設計課程設計教材對創新能力培養環節的不足。
(3) 在機械結構設計方面，除了介紹機械零部件的工作能力設計、機械系統結構設計及圖形表達外，增加了機械系統裝配結構設計和機械零部件精度設計章節，以利於學生從全局角度掌握機械設計方法及理論，培養學生的系統綜合設計能力和詳細設計能力。
(4) 除培養學生的獨立工作能力外，本教材強調培養學生的團隊合作精神。機械設計綜合實踐課程以某個機械產品設計為載體，通過團隊的組建、任務的分配與協作，培養學生的團隊合作精神。前言機械設計綜合實踐 (5) 本教材配套了電子版計算機輔助機械設計部分，提供了學生機械設計綜合訓練的平台。
(6) 本教材中所選擇的機械設計案例均從學生課程設計報告中節選，便於學生參考和學習。
本書適用於普通高等學校工科機械類各專業。全書分為選題與設計規劃、機械系統運動方案設計、機械系統裝配結構設計、機械零部件工作能力設計、機械零部件精度設計、機械系統裝配圖及零部件圖繪製、設計報告與答辯等內容，並提供了用於機械設計綜合實踐的教學和學生訓練的電子版設計指導、機械CAD平台、課件以及有關標準、規範、數據、資料等，並附有清華大學機械設計綜合實踐課程教學大綱和教學計畫等。本教材適用於不同專業的機械設計綜合實踐課程，各校可根據自身課程安排和學時情況，靈活選用各章節。本教材也可用於分開進行的機械原理和機械設計課程設計，還可以作為高年級學生學習專業課、專業課課程設計及畢業設計的參考資料。
本書由季林紅、閻紹澤擔任主編。第1章由季林紅編寫，第2章、第8章、附錄A3由王人成編寫，第3章由閻紹澤編寫，第4章、附錄A1和附錄C由高志編寫，第5章由肖麗英編寫，第6章、第7章、附錄A2由楊鐵牛和季林紅編寫，附錄B、附錄D、附錄E由閻紹澤、季林紅整理。電子版部分由高志、王人成擔任主編，計算機輔助設計程式由高志編寫，機械設計綜合實踐課程課件PPT講稿等由王人成整理。
本書承教育部高校機械學科機械基礎課程教學指導分委員會副主任委員、北京科技大學翁海珊教授精心審閱，提出了很多寶貴意見，編者在此表示衷心感謝。
清華大學機械設計與製造基礎系列課負責人、國家級教學名師申永勝教授，清華大學機械設計課程負責人劉向鋒教授，在本書編寫過程中給予了熱情指導和幫助，並提供了寶貴的修改意見和建議，對提高本書質量給予了很大幫助，在此表示誠摯的謝意。借本書出版之機，對為本書提供了各種指導和幫助的各位同行以及所參考教材的編者，也表示衷心的感謝。
作者感謝清華大學出版社的領導和本書的責任編輯，他們以全力支持教學改革為己任，早在我們進行課程教學改革試點和教材編寫醞釀階段，就對本書的編寫給予了熱情的關注和支持。
書中內容均在清華大學的課程改革試點中使用過多遍，絕大部分內容在五邑大學、中國地質大學也進行了教學實踐。儘管如此，由於按照新體系編寫此書尚屬首次嘗試，加之編者水平有限，誤漏和不妥之處在所難免，懇請廣大同仁和讀者批評指正。
編 者2011年3月於清華園
目錄
目錄1 機械設計綜合實踐總論1
1.1 機械設計綜合實踐的目的1
1.2 機械設計綜合實踐的內容2
1.3 機械設計綜合實踐的一般步驟2
1.4 機械設計綜合實踐中應注意的問題6
思考題9
主要參考文獻102 選題與設計規劃11
2.1 選題11
2.2 設計規劃12
2.3 開題調研12
2.3.1 產品檢索12
2.3.2 文獻檢索13
2.3.3 專利檢索14
2.4 文獻綜述15
2.5 開題報告17
思考題17
主要參考文獻18
文獻閱讀指南183 機械系統運動方案設計19
3.1 基本要求及設計步驟19
3.1.1 基本要求19
3.1.2 設計步驟19
3.1.3 總體參數的確定21
3.2 機械工作原理方案設計22
3.2.1 功能分析22
3.2.2 功能原理設計24
3.2.3 工藝動作設計26
3.3 執行系統設計28
目錄機械設計綜合實踐3.3.1 執行機構分類28
3.3.2 執行構件的運動形式29
3.3.3 執行機構形式設計29
3.3.4 執行系統協調設計35
3.4 原動機的選擇與傳動系統設計39
3.4.1 原動機的選擇39
3.4.2 傳動系統設計43
3.5 機械系統運動方案初步擬訂54
3.5.1 機械系統運動方案圖54
3.5.2 總體布置55
3.6 尺度設計58
3.6.1 連桿機構的尺度設計58
3.6.2 凸輪機構的尺度設計58
3.6.3 齒輪機構的尺度設計59
3.6.4 間歇運動機構的尺度設計60
3.7 運動與動力分析60
3.7.1 機械系統的運動分析60
3.7.2 機械系統的動力分析61
3.8 機械系統運動方案的評價與決策63
3.8.1 評價指標64
3.8.2 評價體系65
3.8.3 評價方法65
3.8.4 機械系統運動方案的決策67
思考題68
主要參考文獻68
文獻閱讀指南694 機械系統裝配結構設計71
4.1 機械系統裝配結構設計的基本要求及設計步驟71
4.1.1 基本要求71
4.1.2 設計步驟72
4.2 機械結構設計的原則與原理80
4.2.1 結構設計的基本原則80
4.2.2 結構設計的原理84
4.3 機械結構設計方法92
4.3.1 典型結構設計方法93
4.3.2 功能結構設計方法93
4.4 裝配草圖設計94
思考題98
主要參考文獻98
文獻閱讀指南985 機械零部件工作能力設計100
5.1 基本要求及設計步驟100
5.1.1 基本要求100
5.1.2 設計步驟100
5.2 材料選擇與熱處理101
5.2.1 機械零件的常用材料101
5.2.2 材料選擇的原則102
5.2.3 材料的熱處理103
5.3 機械零部件的工作能力設計104
5.3.1 機械零部件的強度設計104
5.3.2 機械零部件的剛度設計113
5.3.3 機械零部件的壽命設計114
思考題114
主要參考文獻115
文獻閱讀指南1156 機械零部件精度設計116
6.1 基本要求及設計步驟116
6.1.1 基本要求116
6.1.2 設計步驟116
6.2 互換性生產的基本概念117
6.2.1 互換性生產117
6.2.2 標準化 117
6.2.3 優先數和優先數系118
6.3 公差與配合的基本術語和定義119
6.4 公差與配合的選用121
6.4.1 基準制122
6.4.2 公差等級的選用123
6.4.3 配合選擇124
6.4.4 非配合尺寸精度設計129
6.5 形位公差130
6.5.1 形位公差的概念130
6.5.2 形位公差原則132
6.6 表面粗糙度136
思考題139
主要參考文獻140
文獻閱讀指南1417 機械系統裝配圖及零部件圖繪製142
7.1 裝配圖設計142
7.1.1 裝配圖的內容與功能142
7.1.2 系統結構方案分析與設計143
7.1.3 裝配圖的設計要求146
7.1.4 裝配圖的繪製147
7.1.5 尺寸標註147
7.1.6 標題欄與明細表148
7.1.7 裝配圖中的技術要求148
7.2 零件圖設計150
7.2.1 零件設計原則與設計圖的要求150
7.2.2 軸類零件設計151
7.2.3 桿類零件設計155
7.2.4 齒輪類零件設計158
7.2.5 箱體類零件設計159
7.3 常用CAD設計軟體的選用及繪圖步驟162
思考題163
主要參考文獻163
文獻閱讀指南1648 設計報告與答辯165
8.1 設計報告的撰寫要求165
8.2 設計報告的內容與結構規範166
8.3 設計報告格式要求169
8.4 準備答辯171
8.4.1 整理設計資料171
8.4.2 注意事項171
思考題172
主要參考文獻172
文獻閱讀指南172附錄A 機械設計綜合實踐案例173
A1 高桿燈提升裝置設計173
A1.1 設計任務書173
A1.2 提升裝置的功能分解及方案構思175
A1.3 提升裝置的運動方案設計177
A1.4 細節設計188
A1.5 傳動系統結構設計190
A2 網球自動撿球機設計196
A2.1 設計任務書196
A2.2 時間安排198
A2.3 開題報告200
A2.4 機械系統運動方案設計208
A2.5 結構草圖設計和參數選擇214
A3 減重步行康復訓練機器人設計217
A3.1 設計任務書217
A3.2 開題報告（節選）217
A3.3 機械系統運動方案設計221
A3.4 機械系統結構設計231
A3.5 設計總結237
主要參考文獻240附錄B 設計題目及設計指導241
B1 書本打包機設計任務書241
B2 模擬太陽電池陣實驗裝置設計任務書245
B3 自動包裝機設計任務書248
B4 全自動簡易翻書機設計任務書249
B5 堆垛式立體車庫設計任務書250
B6 管道機器人設計任務書251
B7 升降-橫移式立體車庫設計任務書252
B8 欠驅動仿生智慧型假手設計任務書253
B9 輔助老年人和殘障者上下樓梯裝置設計任務書254
B10 行走功能康復訓練機器人設計任務書254
B11 多體位行走功能康復訓練床設計任務書255
B12 960接線端子自動化裝配機設計任務書256
B13 硬幣佇列化輸送裝置設計任務書258
B14 水果分揀機設計任務書260附錄C 計算機輔助設計平台262附錄D 清華大學的教學計畫與教學大綱264
D1 課程基本情況264
D2 課程內容簡介265
D3 課程教學大綱265
D4 課程實踐環節267
D5 課程知識單元與知識點267
D6 節點考核與設計評價268附錄E 清華大學機械設計綜合實踐課程教學日曆270
部分章節
3 機械系統運動方案設計機械系統運動方案設計是機械產品創新與質量保證的首要環節。一般而言，機械產品是以機械運動為特徵的系統，機械系統運動方案設計的優劣，決定了機械系統的性能、造價和市場前景。因此，機械系統運動方案設計是機械系統設計的核心，也是最具創造性和綜合性的設計環節。本章主要介紹機械系統運動方案設計的基本要求、設計方法及設計過程。3.1 基本要求及設計步驟3.1.1 基本要求 機械系統一般由原動機、傳動系統、執行系統、操縱與控制裝置等部分組成，如圖3-1所示。此外，為保證機器的正常工作，還需要一些輔助系統，如潤滑系統、冷卻系統、故障檢測系統、安全保障系統和照明系統。“機械設計綜合實踐”課程中機械系統運動方案設計主要包括執行系統方案設計、原動機的選擇和傳動系統方案設計。其基本要求為針對某種簡單機械系統，進行功能分析、工藝動作及運動規律擬定、執行系統設計、原動機的選擇、傳動系統設計、機構尺度綜合以及運動方案的評價與決策等。3.1.2 設計步驟關於機械系統運動方案設計步驟的提法較多，但並無本質差別。本課程的機械系統運動方案設計按以下步驟進行： (1) 機械工作原理方案設計。根據機械系統預期實現的功能要求，構思機械系統功能原理，擬定工作原理和工藝動作。 (2) 執行系統設計。執行系統可以是簡單機構，更多的情況是多個機構的組合。將多個執行機構的運動按機械設計要求協調起來，繪製出機械運動循環圖。圖3-1 機械系統的結構組成3機械系統運動方案設計機械設計綜合實踐 (3) 原動機的選擇及傳動系統設計。根據各執行構件的運動參數和生產阻力，選擇合適的原動機。選擇傳動類型，擬定傳動路線，合理安排傳動鏈中各機構的順序，併合理分配各級傳動比。 (4) 機械系統運動方案初步擬定。根據機械的工作原理、機械運動循環圖、各執行機構的形式、傳動系統及原動機，進行機械系統的總體布局，擬定機械系統運動示意圖(機械系統運動方案草圖). (5) 機構尺度設計。根據各執行構件、原動件的運動參數，以及各執行構件運動的協調配合要求，同時考慮動力性能要求，確定各機構中構件的幾何尺寸(機構運動尺寸)或幾何形狀(如凸輪廓線)等，繪製由原動機-傳動機構-執行機構組成的機械運動簡圖。 (6) 運動與動力分析。對整個機械系統進行運動分析和動力分析，檢驗所設計的運動方案是否滿足運動要求和動力性能要求。 (7) 方案評價與決策。對所設計的機械系統運動方案的繁簡、尺寸大小、加工難易進行定性評價；對設計方案的運動與動力性能進行定量評價。若評價的結果為否定所設計方案，則需改變設計策略，對原設計方案進行修改。修改設計方案的途徑包括改變運動參數、改變機構形式、重新進行工藝動作分解等。上述步驟常常是不可分的，例如方案選擇、尺度設計和性能分析等設計工作，在某種程度上是並行和交叉的。3.1.3 總體參數的確定在機械系統方案設計之初必須確定總體參數。總體參數是總體方案設計和零部件設計時的依據，它反映了機械系統的概貌和特點。總體技術參數主要包括與機械系統的使用範圍、生產能力等有關的參數、結構尺寸、運動學和動力學參數。對於不同的機械系統，其總體參數包括的內容和確定方法也不相同。例如，對於工具機而言，總體參數包括規格參數、運動參數、動力參數和結構參數；對於儀器類機械系統，總體參數包括測量範圍、示值範圍、放大倍數、靈敏度等。1. 生產能力生產能力是指機械系統在單位時間內生產的產品數量，根據選用的計量和計時單位的不同而不同。例如，對於乾粉壓片機，其生產率為每分鐘加工的片數；對於書本打包機，其生產率為每小時能夠包裝書的本數。機械系統在理想狀態下單位時間內加工出的產品數量，稱為理想生產能力。它是機械系統的基本參數之一，設計者根據這個參數確定該機械系統的結構形式、執行機構的運行速度、各工序的運動速度以及與其他機械結構相銜接的相互關係。在實際生產中，生產能力與工作環境、操作水平、輔助操作時間、維護保養等因素有關。機械系統在正常運行期間單位時間內平均生產合格產品的實際數量，稱為實際生產能力。實際生產能力一般小於理論生產能力。2. 尺寸參數尺寸參數是指影響機械性能的一些重要的結構尺寸，如總體極限尺寸（長、寬、高及可移動的極限位置和尺寸）、特徵尺寸（加工範圍、中心高度）、運動零部件的工作行程，以及主要部件之間的位置關係及安裝尺寸。根據設計任務書中的原始參數、方案設計時的總體布置草圖、同類機械系統的類比或通過理論分析獲得上述尺寸參數。3. 工藝參數工藝參數包括運動參數和動力參數。運動參數一般是指執行構件的轉速、移動速度及調速範圍等，如工具機等機械設備的主軸最高和最低轉速、工作檯或刀架的移動速度、移動機械的行駛速度範圍、連續作業機械的生產拍節等。執行構件的速度一般根據工作對象的工藝過程要求和生產率等因素確定。通用機械往往需要多種工作速度，如搖臂鑽床具有鑽孔、擴孔、攻螺紋等多種加工功能，加工的孔徑、工件材料及硬度也會不同，因此，要根據不同的作業需求確定相應的主軸轉速。在確定運動參數時，必須全面分析機械系統可能出現的各種工況，計算出最高轉速和最低轉速以及變速範圍。執行構件的不同轉速可採用無級變速或有級變速傳動系統獲得。動力參數是機械系統中各零部件結構尺寸設計的依據，它影響著機械系統的工作性能和機械系統的經濟性。動力參數一般是指機械系統中使用的動力源參數，如電機、液壓馬達、內燃機的功率，液壓缸的牽引力、伺服電機的額定轉矩等。工藝參數的變化範圍受諸多因素影響。例如，牛頭刨床運動方案設計中的主要工藝參數是運動參數以及由此而確定的力參數。切削力的大小影響著機構的選取，因為某些機構無法承受大的作用力。運動參數是由機械的工藝要求決定的，應包括運動形式（直線運動、迴轉運動、曲線運動）、運動特點（連續式、間歇式、往復式）、運動範圍（極限尺寸、轉角及位移）、運動速度（等速、不等速）等。力的參數，如牛頭刨床中切削力的大小，鍛壓機械中壓頭的壓力大小等都是由機械的工藝要求決定的。3.2 機械工作原理方案設計根據機械所要實現的功能要求，擬定工作原理，構思工藝動作過程，就是機械工作原理方案的設計。它包含了功能原理設計和工藝動作設計。工作原理方案設計的優劣決定了機械的設計水平和綜合性能。因此，如何確定最優的工作原理方案，是一件十分困難而又複雜的設計和創新工作。3.2.1 功能分析機械系統的功能是對機械系統的特定工作能力進行抽象化的描述，可以理解為機械系統的功效。顯然，機械系統功能的概念與機械系統用途、能力、性能是有關聯的，但又不盡相同。機械系統對輸入的物質、能量和信息（單獨的或組合的）進行預定的交換（含加工、處理）、傳遞（含移動、輸送）和存儲（含保持、存儲、記錄），可以說功能就是機械系統所具有的傳遞和變換能量、物質和信息的特性。一台機器所能完成的功能，稱為機器的總功能。對機械總功能要進行準確、簡潔、合理的描述，這樣有利於設計目的的明確，易於開拓設計思路。執行系統的功用是用於完成機器功能要求的，執行系統中的執行構件直接實施運動和力的輸出。例如一台印表機，其總功能是將計算機的各種信息列印在紙上供人閱讀；可以利用列印頭橫向定位移動、送紙輥（摩擦輪）定距送紙完成列印。雖然機械系統的功能要求是多種多樣的，但是可以將機械系統的功能歸結為兩大類： 動作功能和工藝功能。 1. 動作功能動作功能以實現動作為目的，不對物體進行加工。動作功能又可分為簡單動作功能和複雜動作功能。簡單動作一般是一次性動作，如由鏈齒和拉頭組成的拉鏈，只實現閉合和開啟的簡單動作。實現簡單動作功能的裝置一般結構簡單，如原子筆的伸縮雙動功能、各種槍炮的擊發功能等。複雜動作功能不僅要實現連續的傳動，而且還要實現複雜的運動規律以及運動形式變換。實現這類功能的機構一般比較複雜，常採用機構的組合方式實現。2. 工藝功能工藝功能以加工對象為目的，是對物體實施某種加工工藝，如刮削器的刮削功能、工具機的切削功能、挖掘機的挖掘功能、犁的翻地功能。這些功能由執行構件實現，如工具機的刀具、挖掘機的挖斗、犁的犁頭等。工藝功能的實現也要有動作，驅動執行構件運動是由執行機構完成的。實現工藝功能要考慮兩方面的問題： 採用什麼工藝方法，以及執行構件採用什麼形狀和動作。工藝功能與動作功能的區別在於是否其執行構件對物體具有加工作用。這種作用有時可能不是純機械的，而採用其他物理效應，如採用雷射和水射流實現對物體的切割。在進行機械設計綜合實踐時，要正確區分所設計的機械系統屬於哪種功能類型，在此基礎上構思機械系統實現預定功能的工作原理和工藝動作。工程上經常出現對功能要求考慮不周，而導致機械系統設計失敗的情況。例如，初期設計的硬幣清點機發生卡幣現象。硬幣清點機構是使硬幣一枚一枚通過光電計數器，以計算硬幣數量。某設計方案如圖3-2(a)所示。將硬幣排列於承幣槽內，從後方施加推力，並用傳動帶將硬幣一枚一枚地從承幣槽端部帶走，通過光電計數器計數。帶輪與承幣槽連線埠之間的間隙?t?+Δ?t?，已經考慮了硬幣製造時的厚度偏差Δ?t?。實踐中在清點新幣時沒有發生什麼問題，當處理市場流通幣時，時而會發生卡幣現象。分析事故原因發現： 由於某些流通的硬幣材質較軟，在市場流通過程中發生了較大變形，超出了硬幣厚度公差範圍。圖3-2 硬幣清點機構 (a) 錯誤的設計； (b) 改進後的設計1-帶輪； 2-傳動帶； 3-光電計數器； 4-變形幣； 5-硬幣改進方案如圖3-2(b)所示，將承幣槽的位置移動一定距離，讓開帶輪的位置。這樣，當碰到變形較大的硬幣時，由於傳動帶的彈性可適應不同厚度的變形幣，使變形幣在推力作用下能脫開承幣槽而被傳動帶帶出，不再出現卡幣現象。3.2.2 功能原理設計根據機械預期實現的功能要求，構思出所有可能的功能原理，加以分析比較，並根據使用要求和工藝要求，選擇出既能很好地滿足功能要求，工藝動作又簡單的工作原理方案。綜合分析法是擬定功能原理方案的主要方法。所謂綜合分析法，就是將機械系統的總功能分解成若干子功能元，然後求解子功能元，再將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價與選擇。根據所要設計的機械總功能要求，擬定機械的工作原理並進行功能分解。例如，某自動包裝機（見圖3-3）的功能是將物料裝入袋中包裝。要實現這一總功能，可分解為如下分功能： 自動完成計量、填料、制袋、封合、列印生產批號、切斷、輸送等。功能分解對機械的工作性能、適應性、可靠性、先進性、工藝性、經濟性等方面起著決定性的影響。根據機械的工作原理和功能分解，就可以確定出機械所需要的執行構件的數目、運動形式以及它們之間的運動協調配合關係等要求。採用不同的工作原理和功能分解，就會有多種不同的組合方案，可以通過對各方案的綜合評價來選擇最佳方案。圖3-3 某自動包裝機的組成1-傳動箱； 2-進料輸送鏈； 3-供紙架； 4-成形器； 5-縱封機構； 6-橫封切斷機構； 7-控制箱； 8-壓料毛刷； 9-輸出機構在進行機械的功能原理設計時一定要根據具體的使用要求，對各種可能的功能原理進行分析比較，確定既能很好地滿足機械預期的功能要求，工藝動作又可簡便實現的最佳工作原理方案。為實現同一預定的功能目標，可以選擇不同的功能原理來實現。下面以包裝物品的給料裝置為例說明工作原理構思的多樣性。自動給料裝置是包裝機的一個子功能元，可以採用重力給料原理、振動輸送給料原理、帶式輸送給料原理、螺鏇輸送給料原理等實現。圖3-4為重力給料裝置原理圖，其工作原理是依靠重力使物品自料倉向轉盤上的計量容腔給料。儲存待包裝物品的料斗2位於包裝機的上部，物品3因處於高位，具有較大的勢能，在重力作用下即能向低位流送。圖3-5為振動給料裝置原理圖。它由激振器3、工作體2、主振彈簧1和減振彈簧4以及座體5等部件組成，利用振動原理，對鬆散態顆粒物品進行中短距離輸送及給料。圖3-4 重力給料裝置原理圖1-刮板； 2-料斗； 3-物品； 4-攪拌器； 5-轉盤圖3-5 振動給料裝置原理圖1-主振彈簧； 2-工作體； 3-激振器； 4-減振彈簧； 5-座體圖3-6為帶式輸送機原理圖。機架上裝有驅動輥2、從動輥6、承托輥4、轉向輥7、裝料裝置5和卸料裝置1等。撓性輸送帶3繞在各輥上，由驅動輥2驅動物品自裝料裝置5處運送到卸料裝置1處卸出。帶式輸送機一般用於散粒物品、塊狀物品及成件物品的輸送。圖3-6 帶式輸送機原理圖1-卸料裝置； 2-驅動輥； 3-撓性輸送帶； 4-承托輥； 5-裝料裝置； 6-從動輥； 7-轉向輥圖3-7為螺鏇輸送機原理圖。它由一根裝有螺鏇葉片的轉軸和輸送槽組成。螺鏇轉軸通過軸承安裝在輸送槽兩端的軸承座上，螺鏇轉軸一端的軸頭與驅動裝置相連線。輸送槽上開設有裝料口和卸料口。裝料口與送料裝置或料斗相接；卸料口則設在槽底或槽端。有的還在裝料口或卸料口上設定有物料流量控制閥。螺鏇轉軸由驅動裝置驅動，送入輸送槽中的物品由轉動的螺鏇葉片推動而沿輸送槽軸向前進，直到卸料口排出。螺鏇輸送機是一種簡單的連續式輸送機，適用於輸送鬆散狀態的乾燥物品。圖3-7 螺鏇輸送機原理圖1-料斗； 2-螺鏇軸； 3-殼體； 4-軸承； 5-排料口功能原理設計的過程是一個創造性設計的過程。如果在設計過程中沒有創造性的思維，就很難跳出傳統觀念的束縛，難以設計出具有競爭力的產品。功能原理的創造性設計方法很多，但最基本的途徑只有兩條： 全新的發現和將已知的原理進行完美的組合。優秀的組合也是一種創新的體現，這就是分析綜合法的精髓。功能原理設計除分析綜合法外，還有還原創新法和思維擴展法等。任何發明創造都有創造的原點和起點，原點是預期要實現的功能要求，起點是可能實現這一功能要求的多種方法。所謂還原創新法，是指跳出已有的創造起點，重新返回到創造的原點，緊緊圍繞機械預期實現的功能要求另闢蹊徑，構思新的功能原理。在功能原理設計中，有些功能要求用機械裝置是難以完成的，設計者切忌將思路局限在傳統機構上，一定要擴展設計思路，考慮套用氣、液、光、聲、電、新材料等新技術的可能性，儘量採用先進、簡單、廉價的技術，構思出新的功能原理。3.2.3 工藝動作設計工藝動作設計在工作原理確定後進行。同一工作原理可以採用不同的工藝動作實現，如圖3-8所示的刨削加工，若將工藝動作分解為刀具往復移動，工件進給運動，即為牛頭刨床；若將工藝動作分解為工件往復移動，刀具進給，即為龍門刨床。圖3-8 刨削加工 (a) 牛頭刨床； (b) 龍門刨床圖3-9 自動切書機工藝過程示意圖1-送料； 2-壓書； 3-兩側切書； 4-橫切； 5-書本； 6-工作檯在進行機器的工藝過程設計時應遵循以下設計原則： (1) 工序集中原則。工序集中原則是指工件在一個工位上一次定位裝夾，採用多個執行構件同時完成作業工序。例如，自動切書機(見圖3-9)就是採用了多刀、多面、多個執行構件同時完成加工工序，這樣既保證了切紙質量，又提高了生產效率。(2) 工序分散原則。工序分散原則是將工件的加工工藝過程分解為若干工序，分別在各個工位上採用不同的執行機構進行加工。例如，書本打包機的工藝過程可以分解成送書、推書、送紙、推書包三面、折側邊、折前角、折后角、推書並塗糨糊、貼封簽、烘乾等工序(見圖3-10)，每一道工序分別採用能完成簡單工藝動作的執行機構。這樣不論從設計製造、安裝、調試及維修都十分簡便，而且有利於提高機器生產效率。圖3-10 書本打包機的包、封工藝過程(3) 各工序的工藝時間相等原則。對多工位自動機工作循環的時間節拍有嚴格的要求，一般將各工位加工時間最長的一道工序的工作循環作為自動機的時間節拍。為了提高機器的生產率，應儘量設法縮短加工時間最長的一道工序的工作時間。(4) 多件同時加工原則。多件同時加工是指在同一自動機上同時加工幾個工件，也就是同時採用相同的幾套執行機構來加工多個工件。例如，某電腦多頭繡花機就是採用了多套相同的執行機構(機頭)來進行繡花工作，提高了工作效率。(5) 減少機器工作行程時間和空程時間。設計工藝過程時，在不妨礙各執行構件正常動作和相互協調配合的前提下，儘量使各執行機構的工作行程時間互相重疊、工作行程時間與空行程時間互相重疊、空行程時間互相重疊，從而縮短工件加工循環的時間，以提高機器的生產率。如某型號印表機，當送料器在送料時，列印頭就可以向下打，即送料的工作行程與列印的工作行程適當地進行重疊，只要保證列印頭在打到工件前把工件送到位，而不必等工件到位後列印頭才開始動作。而在列印頭完成列印工藝後空回時，送料器也同時退回原處，準備第二次推料，即它們的空行程時間也互相重疊，這樣使在工件上列印的循環時間大為縮短，從而提高了印表機的工作效率。以上介紹了工藝動作設計的基本原則。需要注意的是，同時滿足以上各原則往往比較困難，某些原則甚至是相互矛盾或制約的。因此，在工藝動作設計時，應綜合考慮，圖3-11 大型繪圖機運動方案1-主動輪； 2-從動輪； 3-鋼絲； 4-繪圖筆； 5-繪圖紙抓主要矛盾，有所側重。同一個工作原理，可以有多種工藝動作分解；不同的工藝動作分解，將會得到不同的執行構件運動規律。運動規律的擬定應儘可能簡單，以保證設計出來的執行機構簡單、實用、可靠。但工程中往往需要實現複雜的運動規律，通常採用的措施是將複雜的運動規律分解成轉動、擺動或移動等比較簡單的運動規律。圖3-11為某大型繪圖機的機械系統運動方案圖，其功能要求是在繪圖紙上繪製出複雜的平面曲線，所採用的方法是將複雜的運動規律分解成?x, y?兩個方向的移動，工藝動作的分解如下： 繪圖筆作?x?方向的移動，繪圖紙繞在捲筒上繞?x?軸作往復轉動，從而使繪圖機按計算機的指令繪出各種複雜的曲線。運動規律設計也是一種創造性的工作。在進行運動規律創新設計中，可以模仿人或動物的動作將工藝動作進行分解，構思新的運動規律；也可以採用思維擴展法，充分考慮工作對象的幾何特性、力學特性，並綜合考慮相關學科進展，構思奇妙的、有獨創性的運動規律設計方案。3.3 執行系統設計執行系統是直接完成機械系統預期工作任務的部分，它由一個或多個執行機構組成。執行構件是執行機構的輸出構件，其數量及運動形式、運動規律和傳動特性等要求，影響著整個執行系統結構方案的確定。3.3.1 執行機構分類執行系統由執行機構組成，執行機構是機器中最接近被作業工件一端的機構，其作用是傳遞、變換運動與動力，即將傳動系統傳遞來的運動與動力進行變換，以滿足機械系統的功
