Imbalance that arises from the uneven density of materials,manufacturing errors,etc.,cannot be predicted purely by computation during design.Therefore,experimental procedures and equipment are necessary to detect the imbalance in a given rotor even if the rotor has been designed to be balanced.In many instances,it is more economical to allow an imbalance caused by manufacture and then to balance the rotor by adding or removing material as indicated by a balancing machine.
The static balancing machine shown in Fig.10-3 has two hard horizontal parallel rails.The rigid rotor for test is laid on the rails.If the centre of mass of the system coincides with the axis of rotation,the rotor will not roll regardless of the angular position of the rotor.Simple experiments to determine whether the disk is statically unbalanced can be conducted as follows.Roll the disk gently by hand and permit it to rock under the action of gravity until it comes to rest.The rest position of the disk indicates the lowest angular location of the mass centre,but not the amount.So a trial weight (e.g.a lump of plasticine)can be attached to the highest point of the rotor.Since the amount of unbalance is unknown,these corrections must be made by trial and error until the rotor does not roll along the rails from any initial location.This will determine the amount and the location of mass-radius product required for balance.Then balancing may be achieved by drilling out material at the location of the imbalance or by adding mass to the periphery 180°from this location according to the unbalanced mass-radius product.
Since correction by the static balancing machine in Fig.10-3 must be made by trial and error,it will take much time to balance a rotor.The static balancing machine shown in Fig.10-4 can indicate both the magnitude and the location of imbalance at the same time.There is a spherical pair between the frame and the platform.The machine is essentially a pendulum which can tilt in any direction.When an unbalanced rotor is mounted on the platform of the machine,the pendulum tilts.The direction of the tilt gives the angular position of the imbalance while the tilt angle e indicates the amount of the imbalance.
In the previous chapters,we have discussed some of the most commonly used mechanisms.While some simple machines consist of only one kind of such mechanisms,in most cases,using only one simple mechanism is not enough to perform the required mechanical actions in a machine.Take the shaping machine shown in Fig.12-1 as an example.Two working links (or output links)are needed to shape a flat surface.They are the sliding block with the shaping tool (cutter)and the worktable holding the workpiece.Carrying the cutter,the sliding block moves back and forth to perform the cutting motion and the stroke of this motion is adjustable to fit the size of the workpiece.The worktable moves intermittently to provide the feeding action while the sliding block moves back.The amount of feed is also adjustable.Such a working process needs several simple mechanisms working together to fulfill the whole function.These mechanisms operate together in a machine and form a mechanism system.Another example of a mechanism system is the well-known internal combustion engine,shown in Fig.1-1,which consists of a crank and slider mechanism,cam mechanisms and a gear mechanism.The crank and slider mechanism converts the back and forth movement of the piston into rotation of the crankshaft.The gear mechanism and cam mechanisms control the movements of the valves exactly and ensure the synchronised operation of the whole engine.According to system theory,a machine can be seen as a system of mechanisms and a mechanism is a sub-system of a machine.Hence,the design of a machine is the design of a mechanism system.
The quality,performance and compatibility of a mechanical product depend mainly on its design.Any error,defect or carelessness in design may result in considerable extra cost in manufacture or even the failure of the product.The importance of design is obvious here.
There are different levels of design.When you design a machine which uses similar models,then you can design by imitation.Take one similar machine as a model.then,by keeping the main structure unchanged but changing some of the dimensions or sizes of the machine or replacing some parts with new ones,you can carry out a design quickly.Such a design is called a routine design.If you design a totally new machine or apply a new working principle in a machine,you have to create a new structure,not just imitate the existing one.This is creative design.Of course,creative design is more difficult than the routine one.Creative designs play an important part in developing new products to meet the growing demands of customers.
The kinematic function of a mechanism system is to convert the motion of a prime mover into the required motion of the output links of a mechanism system.To carry out the design of a mechanism system,an engineer should be familiar with the analysis,synthesis,and design methods of various mechanisms as discussed in the previous chapters.Furthermore,he or she should be able to choose the most suitable mechanisms and combine them into an integrated system.This requires some experience and technique about which various theories and methods are currently being developed.This chapter includes some of these theories and methods.
Generally,the design process of a mechanism system can be divided into the following four phases:
- Planning of the product
In this phase,the whole function of the product should be determined and the design task should be defined.Some investigation of the market and a feasibility analysis should be done here.
- Designing the kinematic diagram of the mechanism system
This phase can be divided further into the following steps:
-
Determination of the working p
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由材料密度不均匀、制造误差等引起的不平衡。，在设计过程中不能单纯通过计算来预测。因此，即使转子被设计成平衡的，也需要实验程序和设备来检测转子中的不平衡。在许多情况下，更经济的做法是允许由制造引起的不平衡，然后根据平衡机的指示，通过添加或删除材料来平衡转子。
如图10-3所示的静平衡机有两个坚硬的水平平行导轨。试验用刚性转子放置在轨道上。如果系统的质心与旋转轴重合，无论转子的角度位置如何，转子都不会滚转。可以进行如下简单的实验来确定磁盘是否处于静不平衡状态。用手轻轻滚动圆盘，让它在重力的作用下摇摆，直到它静止。圆盘的静止位置表示质心的最低角度位置，但不表示量。因此，一个试验重量(例如一块橡皮泥)可以附着在转子的最高点。由于不平衡的量是未知的，这些修正必须通过试验和错误，直到转子不从任何初始位置沿着轨道滚动。这将决定平衡所需的质量半径乘积的数量和位置。然后，通过在不平衡位置钻出材料，或根据不平衡质量半径乘积，将质量加到距离该位置180°的周边来实现平衡。
由于图10-3中静平衡机的校正必须通过试错的方式进行，因此平衡转子需要花费大量的时间。如图10-4所示的静平衡机可以同时显示不平衡的大小和位置。在车架和平台之间有一个球面对。这台机器本质上是一个钟摆，可以向任何方向倾斜。当不平衡转子安装在机器的平台上时，钟摆就会倾斜。倾斜的方向表示不平衡的角度位置，而倾斜角度e表示不平衡的数量。
在前几章中，我们讨论了一些最常用的机制。虽然一些简单的机器只由一种这样的机构组成，但在大多数情况下，仅使用一种简单的机构是不足以在机器中执行所需的机械动作的。以图12-1所示的成型机为例。需要两个工作环节(或输出环节)来塑造一个平面。它们是带有成型工具(刀具)的滑块和承载工件的工作台。滑块携带刀具，来回移动执行切割运动，该运动的行程可调，以适应工件的尺寸。当滑块向后移动时，工作台间歇移动以提供进给动作。进料量也可调。这样的工作过程需要几个简单的机制一起工作来完成整个功能。这些机构在机器中一起工作，形成一个机构系统。机构系统的另一个例子是众所周知的内燃机，如图1-1所示，它由曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构组成。曲柄和滑块机构将活塞的来回运动转化为曲轴的旋转。齿轮机构和凸轮机构精确地控制气门的运动，确保整个发动机的同步运行。根据系统论，机器可以看作是一个机构的系统，而机构是机器的子系统。因此，机器的设计就是机械系统的设计。
机械产品的质量、性能和兼容性主要取决于其设计。设计上的任何错误、缺陷或粗心都可能导致制造上的相当大的额外成本，甚至产品的失败。设计的重要性在这里是显而易见的。
设计有不同的层次。当你设计一台使用类似模型的机器时，你就可以通过模仿来设计。以一台类似的机器为模型。然后，通过保持主要结构不变，但改变机器的一些尺寸或尺寸，或用新的零件替换一些零件，你可以快速地进行设计。这样的设计称为常规设计。如果你设计了一台全新的机器，或者在机器上应用了一种新的工作原理，你必须创造一种新的结构，而不仅仅是模仿现有的结构。这是创造性的设计。当然，创意设计比常规设计更难。创新设计在开发新产品以满足顾客日益增长的需求方面起着重要作用。
机构系统的运动功能是将原动机的运动转化为机构系统输出连杆所需的运动。为了进行机构系统的设计，工程师应该熟悉前面章节讨论的各种机构的分析、综合和设计方法。此外，他/她应该能够选择最合适的机制，并将它们组合成一个完整的系统。这需要一些经验和技术，目前正在发展各种理论和方法。本章包括其中的一些理论和方法。
一般来说，一个机构系统的设计过程可以分为以下四个阶段:
(1)产品规划
在这个阶段，要确定产品的整体功能，确定设计任务。这里应该做一些市场调查和可行性分析。
(2)设计机构系统的运动学图
这个阶段可以进一步分为以下几个步骤:
(a)确定机器的工作原理
要求设计师具有广泛的科学技术知识。应该特别注意所谓的高技术及其最近的发展。先进的工作原理，如果应用得当，将生产出优秀的产品。此外，应规定所有工作环节的功能。
(b)机构的类型综合
应根据机器的技术要求，选择合适的机构类型并组合成一个机构系统。所选择的机构类型都应执行所需的运动。这是最有创意的一步，应该在这里集中精力。
(c)绘制工作循环图
这个图也称为机构系统的运动周期图。它实际上是所有工作环节的行动时间表。这样的图保证了机器中所有机构的同步。
(d)机构的尺寸综合
根据工作连杆的动作和机构系统的工作循环图，可以根据前几章给出的方法确定机构的运动尺寸。
(e)绘制机构系统的运动学图
这是这个阶段的最后一步。
我们将根据本书的范围主要集中在这一阶段。
(3)混凝土设计
根据机构系统的运动学图和系统的受力分析，进行结构设计。应完成所有机器部件的技术图纸和机器的装配图。
(4)改进设计
原型机制造出来后，应在其上进行一系列试验。然后可以进行修正以改进其性能。
在上面描述的设计过程中，为了获得更好的结果，可能需要一些反馈或迭代。我们将在后面更详细地讨论设计过程。
如上所述，创意设计在新产品开发中是非常重要的。创造性思维和创造性方法贯穿于整个设计过程。因此，工程师们需要学习一些创造性思维和创造性方法。
下面两两介绍一些创造性思维的方法。
(1)形象思维和抽象思维
形象思维的要素是具体形象。图像反映了一种物体的一般特征。例如，在设计一台机器的过程中，形状、颜色和其他外部特征会出现在设计者的大脑中。他/她能想象如何组装、拆卸或操作机器。这种思维活动就是形象思维。
抽象思维以概念为思维要素。推理是其主要特征。例如，当一个力要增大时，根据机械能守恒原理，工作连杆的速度应减小。
其中形象思维较为灵活，抽象思维或推理思维较为严谨。二者在创意设计上应相辅相成。
(2)发散性思维和收敛性思维
发散性思维寻求不同的方法来解决问题。来自给定问题的信息在没有常规约束的情况下在不同的方向上重新排列，以产生尽可能多的方法来解决问题。例如，为了减少机器中的摩擦损失，我们可以尝试使用摩擦系数较低的材料，以减少运动副元件之间的反应或相对速度，减少运动副的数量，润滑轴承，或以滚动代替滑动，等等。一个好的设计师应该有广泛的知识和广泛的兴趣在许多不同的领域。此外，他/她应该能够应用知识和经验产生新的想法。
另一方面，趋同思维从发散思维中产生的许多可能的想法中衍生出最好的想法。发散思维和收敛思维在创造性活动中是相辅相成的。如果发散不足，则收敛意义不大，而发散是收敛的基础。发散的目的是为收敛提供足够的选择。一个创造性的过程通常需要几个融合和分歧的循环，并最终在融合时停止。
(3)逻辑思维和非逻辑思维
逻辑思维是一种严谨的思维方式。它以科学概念为基础，反映学科的实际过程，揭示学科的本质。逻辑思维的主要形式是分析、判断、归纳和推理。逻辑思维在创作中被广泛应用。计算机的发明可以看作是逻辑思维的创造性成就。
与逻辑思维相反，非逻辑思维并不严格遵守逻辑公式。这是一种灵活自由的思维方式，可以偶然地导致一些不寻常和新奇的结果。非逻辑思维的主要形式有联想、想象、直觉和灵感。联想是一种将一件事与另一件事联系起来的心理活动。想象在联想的基础上创造一个新的形象。直觉是一种基于大量经验的快速直接判断。直觉不是那么严格，但在创造新的模型和概念方面很有价值。灵感是智力的强烈激发。它是在对一个难题进行长期艰苦的工作后突然爆发出来的。然后大脑变得非常活跃和有创造力。在这一时期，许多新的创意涌现出来，问题很快就解决了。
非逻辑思维在创造性设计中占有重要地位。我们应该尽量充分利用它。
据说世界上有上百种创意方法。事实上，每个人都可以通过一点努力创造出一些新的方法。这意味着没有神秘围绕着创造。当然，创作也不容易，因此了解一些创作方法是有帮助的。
(1)头脑风暴
一小群人(不超过10人)被召集起来举行会议。会议的主题应提前宣布。每个人都被鼓励自由地表达自己的观点，不管这些观点多么奇怪。事实上，不寻常甚至古怪的想法都是受欢迎的，不应该受到批评。在这样一个自由的氛围中，人们互相激励。新概念、新方法和新假设可以很容易地涌现出来。这是一个发散的过程，是集思广益的有效方法。
(2)调查问卷
首先列出一系列关于问题或发明的问题。然后仔细检查和讨论。这样的检查和讨论可能会产生解决方案或新的发明。常见问题如下:
(a)本发明还有其他用途吗?
(b)能否改变本发明的制造方法、形状、颜色或其他方面?
(c)现在的发明能变得更小更轻吗?
(d)现在的发明能被其他东西取代吗?
(e)能否反过来应用本发明?
(f)有没有可能把目前的一些发明结合起来?
一份好的问卷会引导人们在不同的方向上寻找更好的解决方案或做出新的发明。这可以是个人的，也可以是集体的。问题应该一个一个地检查，甚至重复检查，以确保有效性。
(3)模仿
通过模仿或模拟一些自然过程或生物，新的机器或技术可以被开发。各种各样的机器人和操作机就是一个例子。计算机科学中的一些流行技术，如模拟退火算法、遗传算法和神经网络都可以看作是模仿的成果。
(4)清单的缺点
列出一个产品的所有缺陷或弱点，我们可能会找到一些方法来改进它的性能，甚至发明一些新的东西。类似地，我们可以列出对产品的期望，并找到改进它的方法。
(5)移植
将一项先进技术从一个领域或产品移植到另一个领域或产品可能会产生一项新发明。一些军事技术已经成功地运用在民用产品上。
在文献中可以找到更有创意的方法。这里的关键点是获得他们的精神，那就是在某些地方改变和联想某些东西。
确定了机器的工作原理后，应确定工作连杆的运动形式及其运动参数。工作连杆的运动形式主要有旋转、直线平移、(点的)曲线运动和复合运动。我们现在逐一讨论这些问题。
旋转有三种类型:(a)连续旋转，其运动参数为其角速度或每分钟转数(rpm)的主轴车床、钻床和铣床等等。(b)步骤(或间歇)旋转自动机器(对于一些旋转表),运动学参数的频率步进角,运动系数等等。(c)摇摆运动,运动参数的频率、角度和旋转时间比例。
直线运动也有不同的形式。(a)往复式运动(e.g.as滑块在牛头刨床),运动参数的频率,升力和时间比例。(b)间歇式直线运动,运动参数的数量在一个周期中,序列的间隔运动和停留，升力，平均速度等等。
曲线运动(如混合器)的运动学参数涉及到工作连杆的端点应遵循的路径。它们可以表示为运动点的坐标(相对于时间)的函数，也可以表示为该点的几个离散位置的函数。路径可以是平面的或空间的，固定或可调。
复合运动是上述运动形式的组合。例如，钻头的运动是旋转(切削运动)和直线平移(进给)的组合。复合运动的运动学参数取决于它的分量及其组合。
上述工作连杆的运动参数是在某一产品的规划中确定的，需要仔细的规划和计算，以确定适当的精度。然后我们可以选择原动机和它们的运动学参数。
原动机的运动形式可以是旋转、摇动和往复运动。电动机提供旋转。液压马达和气动马达提供旋转和摇摆运动。液压缸，气瓶和电动直线电机提供往复运动。原动机的运动学参数有速度(角速度或直线速度)、摇摆角和频率、升力等。
电机中应用最广泛的原动机是不同同步速度的交流异步电动机。同步速度越高，电机的体积和重量就越小，价格就越低。但如果工作环节的速度较低，电机的速度越高，则会增大传动系统的尺寸和价格。
现代工业提供了许多新型的马达，例如。伺服电机、步进电机、调频电机。此外，弹簧和重物偶尔也可以作为原动力。不同的原动机有不同的特性，适用于不同的情况。原动机的选择是机械设计的重要步骤之一。
根据上述工作连杆和原动机的运动形式和运动参数，可以选择机构，将原动机的运动转化为工作连杆的运动。一种方法是分解和组合机器的功能。系统的功能首先分解为几个子功能或功能元素。对于每个功能元素，列出了所有可能的功能载体(执行功能的机制)。将每组功能载体的组合提供了大量的解决方案，并从中选择了一些可行的方案。对这些可行方案的进一步评价将产生最佳方案。
另一种选择机制的有效方法是模仿和重组。首先确定被设计机器的关键技术，然后寻找相应的设备作为模型。根据机器的功能和设计要求，可对模型进行改造或组合，确定机构系统。当能找到相关的参考文献时，通常采用这种方法。
现在回顾不同的机构及其运动功能是有帮助的。
这些机构用来改变旋转的速度和方向。它们可以进一步分为三种类型。
(1)摩擦机制
这种类型的机构包括带式机构和摩擦轮传动。它们结构简单，运行平稳。滑动的机构可以提供防止过载的保护。它们可以设计成无级调速装置。其缺点是传动比不准确，功率容量小，效率低。
(2)参与机制
这种类型的机构包括齿轮机构、蜗轮机构、链轮机构、轮系等。与齿轮机构相比，链传动机构常用于两根中心距离较长的平行轴之间，且精度较低。它的运行不如齿轮机构顺畅，不应该在高速下使用。齿轮机构和蜗杆机构可以在任意相对方向的两轴之间传递旋转。具有较高的功率容量和效率，运行平稳。它们被广泛应用于各种机械中。
(3)联动机制
这类机构的例子有双曲柄机构、平行曲柄机构和旋转导杆机构，这些机构只包含较低的副，并提供各种传动功能。它们易于制造，但不容易设计，以适应给定的传动功能。
步进机构的输出杆作周期性停留的单向运动。楔槽机构、棘轮机构和分度凸轮机构是典型的步进机构。正如在第8章中提到的，棘轮机构将摆动运动转换为步进(或间歇)运动。输出连杆(棘轮)的旋转角度可以调节。由于棘轮和颚板之间的冲击，这种机构
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