機械創新設計第五章圖5-1外浮式自動抽水方案圖5-2單擺式自動抽水方案DABC3142ABCω1D方案設計舉例例1船在江河中長時間航行常常會在船底積水，采用人力排水是比較麻煩的。借助波浪如何隨時將積水排出？1-推2-摩擦3-離心力4-重力5-粘力6-氣吹7一氣吸8一靜電例2：取一張紙方案的方案設計例3：有急回特性的方案設計例4：爬桿機器人的方案設計（a）（b）

（c）（a）（b）方案設計的第一步就是確定被設計對象的功能，對于已經存在的產品就是改進它的功能，對于將要設計的產品是細化設計它應該具有的功能。

1947年，美國工程師麥爾斯提出的“功能”的思想，他有一句富有哲理性的名言：

“顧客購買的不是產品本身，而是產品所具有的功能”。這句話在美國經過了三十多年才被人們理解和接受。不同的原理方案，對應不同的結構設計，其實現的效果也有差異。

過去的設計都是從機構、結構、動力學、強度等入手，而功能分析是轉為對功能思考，從而做到不受現有結構的束縛，怎樣更好地實現功能，以便形成新的設計構思，提出創造性方案。自從“功能”概念被接受以后，在產品設計中引發了“功能原理”不斷翻新的新氣象。在保證實現功能的前提下，可以采用各種不同原理、結構等來實現功能。

70年代之前，每一種產品似乎都有幾十年不變的歷史，它們的原理、結構甚至外形都沒有太大的變化，似乎只有這樣的結構和外形才能被稱為是這種“產品”。例如，流行了近百年的字頭式打印機，到80年代出現了點陣式針式打印機，繼而出現了噴墨打印機，激光打印機，人們終于看到了“功能”思想的巨大威力。

70年代以后,“功能思想”打破了這種習慣，人們開始尋找不同的原理、結構和外形來實現同一種功能，而且有可能使這種功能實現得更完美、更理想。

典型機器功能分析——縫紉機黃靖遠等主編.機械設計學.機械工業出版社，1999：16-201、縫紉機的功能縫紉機的總功能是將線按一定規律縫于縫料上。采用了上下兩根縫線互相交織，交織點位于縫料中間的雙線鎖式線跡。這種縫紉功能具有以下特點：

1)機縫線跡整齊美觀，縫合牢固，縫紉迅速。

2)實現總功能的各機構間的運動配合要求精度很高，如與機針相關構件的運動配合間隙必須保持在～之間，一些關鍵動作如鉤線又要求在極短時間(0.005s)內完成。2、縫紉機的功能分析3421主要功能引線功能鉤線穿環功能挑線功能送料功能（1）1)引線功能

當機針刺過縫料時，面線隨針下降。而當針回升時，因引入槽長而深，面線嵌入槽內，不和縫料接觸而隨針上升。但引出槽卻短而淺，面線則凸出槽外被縫料擠壓，形成較大摩擦阻力，因而不隨針上升，而是被槽底托起，向外擴大，造成線環。這是實現雙線交織的關鍵。縫紉機針1-針尖2-針刃3-針柄4-平面5-引入槽6-引出槽7-針孔擺梭尖嘴2)鉤線穿環功能

擺梭尖嘴插入所造線環，擺梭擺動又使環擴大，擴大的環繞過梭心后，線環就被底線穿過。同時面線回收，使線環從擺梭尖嘴內脫出，抽緊面線，形成底面線交織，而后擺梭組件返回。帶有尖嘴的擺梭作往復擺動是實現的該功能的關鍵。3)挑線功能

當機針向下穿刺，形成線環及擴環過程，都需要把面線供給機針和擺梭，而當底線穿過面線環后，又需要收回面線，以便抽緊底線，形成交織。這是靠挑線桿帶著面線上下擺動來實現的。4)輸送縫料的功能

為使線跡連續，當一個線跡形成后，縫料應相對機針移動一個線跡距離。當機針退出縫料后，送布牙就上升并壓入縫料底面，利用摩擦力使縫料移動一個線跡。而后送布牙下降并返回原位，和縫料脫離接觸，以便進行下一個形成線跡的功能動作。送布機構的方案（2）輔助功能為保證主要功能的實現，還配置了一系列輔助功能。1)調節面線和底線的阻尼功能為保證得到美觀、整齊和牢固的線跡，面線與底線的松緊應能使鎖式線跡的交接點絞合在縫料中間。

面線過緊或底線過松，則會使底線被拉到縫料上面，反之，面線又會被底線拉到縫料下面。調節面線松緊的阻尼是靠旋動夾面線螺母來實現的。調節底線松緊的阻尼則用擰動壓緊底線的螺紋來實現的。2)調節壓腳壓緊力的功能壓腳壓緊縫料的壓力過大，則會產生縫料皺縮和使縫料遭受損傷，壓力過小，又會產生送料呆滯和縫料溜滑現象。這是靠調節壓腳壓力的螺紋來實現的。3)調節送布針距的功能送布針距影響到線跡密度，提高線跡密度會增加縫紉牢度，但過密則會影響縫料強度。它由送布牙送料距離調節鈕決定。4)繞底線功能底線須繞在梭心上，才能進行底面線交織。實現此功能是把梭心裝到繞線軸上，由高速轉動的手輪使上摩擦輪帶動繞線軸旋轉，而使梭心纏繞底線。（3）控制功能控制功能主要有三類，即機械、人機、電子控制功能。1)機械控制功能縫紉機中每一功能動作的協調，是由傳動機構的巧妙配合進行控制的，主要由凸輪和連桿機構的配合來達到的。2)人機控制功能操作者和縫紉機構成了人機系統。縫紉信息傳入操作者的感官，再用手作為執行器來控制縫料運動，完成縫紉要求。3)電子控制功能用微機進行程序控制，從而實現可隨意調節和改變縫紉線跡，甚至可以實現繡花和鎖扣眼的特殊功能。主要、輔助和控制三方面功能互相配合，共同實現了縫紉總功能。

5.1工件傳送方案設計工件傳送是物流自動化過程中的重要環節，工件傳送的功能是實現工件的分類與換位。若實現直線位移方式的工件換位，圖5-3、圖5-4是常用的設計方案；圖5-3含直線軌跡的步進輸送機構ABC1234圖5-4直線運動供料機構若實現圓弧運動形式的工件換位，圖5-5、圖5-6是常用的設計方案；圖5-5滑塊搖桿式圓弧軌跡運料機構

2ψBLω1R1R2φ02A0O1O23ψφA1圖5-6槽輪換位機構

若實現雙位移的工件間歇換位，圖5-7是常用的設計方案；123456123456圖5-7兩個滑塊具有不同行程的送料機構

若實現分類與傳送，圖5-8是常用的設計方案。ABCDⅠⅡⅢS1234圖5-8分送工件機構5.2構件變位方案設計

構件位姿變化是機構設計中的常見問題，圖5-9、圖5-10是雙搖桿機構在靠背換向、爐門啟閉上的應用；圖5-11是雙搖桿機構在翻砂脫模作業上的應用。132A1B1OCA2B24自動上料機構方案設計自動上料機構包括自動排列機構、供料機構等。圖5-12為自動排列機構；圖5-13、圖5-14為自動供料機構；圖5-15、圖5-16為自動上料綜合機構。

圖5-12自動排列機構一自動排列機構二自動供料機構

三自動上料綜合機構

間歇運料機構舉例間歇運料機構舉例5.4工件抓取機構齒輪齒條抓取機構蝸桿蝸輪抓取機構齒輪式自鎖性抓取機構加緊彈簧裝于鉗口內的機械手夾爪式機械手利用螺旋彈簧的彈性機械手開口巨大的抓取機構加緊彈簧裝于鉗口外的機械手(a)

(b)

(c)

(d)圖5-18四種幾何形狀不確定的物料抓取機構(a)利用鋼絲繩實現六瓣爪的異步動作，圖(b)、(c)、(d)利用液壓油實現各瓣爪的異步動作，從而實現對被抓取對象的自適應抓取。

5.5泵機構只要容積發生變化，就可以實現泵的功