摘要:形态学矩阵法 设计一新机器，必须构思且拟定好运动方案，在 此过程中，可以运用多种创新设什方法，例如:系统 设计法、功能分拆法、形态学矩阵法等，但其总的步 骤及各步骤之间的相互关系，大体上可由图11.9-6 来描述。 1运动方案构思与拟定的步骤 图11.9石描
形态学矩阵法
设计一新机器，必须构思且拟定好运动方案，在
此过程中，可以运用多种创新设什方法，例如:系统
设计法、功能分拆法、形态学矩阵法等，但其总的步
骤及各步骤之间的相互关系，大体上可由图11.9-6
来描述。
1运动方案构思与拟定的步骤
图11.9石描述了设计拟定机器运动方案的全过
程:明确总功能;把总功能分解为各分功能;给各分
功能选择合适的机构形式;对机械各执行机构进行协
调设什，画出运动循环图;画出机构的运动示意图;
对各机构进行尺度综合判断所选机构是否满足功能要
求;最后画出机构运动简图。上述过程并不总是单方
向、直线式进行的，有时要经过多次反复，以便对各
种解决方案进行评价、检验和判断才能拟定出一个好
的运动方案。
2总功能分析(见表11.9-5)
3功能分解
机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要完
成某些工艺动作，仔细地剖析、确定这些独立的或相
关的工艺动作，这一过程就是把总功能分解为分功能
的过程。然后把这些工艺动作，即分功能，用树状功
能图来描迷，使机器的总的功用及各分功能一目了
然。
例如，设计一台四工位专用机床，它可分解为下
列几个工艺动作:
(1)安置工件的工作台要求进行间歇转动n2
(r/min)。
(2)安装刀具的主轴箱能实行静止、快进、进
给、快退的动作。
(3)刀具以n1(r/min)转动来切削工件。
根据上述要求可画出如图11.9-7及图11.9-8所
示的四工位专用机床的动作要求图和树状功能图。
4机构的选择
机构选型，就是创造或选择合适的机构形式，实
现机器中所要求的各种执行动作和运动形式。由于实
现同，种功能，可采用不同的技术原理，不同的技术
原理可选择不同的机构;即使同‘种技术原理，又可
选用不同的机构，这样的组合就有许多种机构选型方
案。机构选型，要求设计者具有丰富的实践经验和机
构学知识。它是机械运动方案拟定中非常重要，也最
具创造性的一个环节。
4.1按运动形式选择机构
常见的机器工艺动作所要求的运动形式列子表
11.9-6中。
另外，还有要求实现构件上一点轨迹:直线轨
迹、圆轨迹、曲线轨迹;实现构件上的运动是两种运
动的合成:移动加移动、转动加转动、转动加移动。
按上述运动形式、轨迹分类的机构有关手册中搜
寻到。如果不能满足要求，则可在已有机构形式的基
础上，采用增加辅助机构或组合成新机构的方法，来
实现构件所要求的运动要求。
4.2按运动转换基本功能选择机构
(1)传动链。机器的原动机的运动形式转换成
执行构件的运动形式，即工艺动作。必须通过传动机
构与执行机构来实现。这一运动链称为传动链。由于
一个原动机往往要驱动几个执行构件动作，或一台机
器可能有几个原动机，所以机器往往有多条传动链。
(2)运动转换基本功能。无论传动机构或执行
机构，其每一种机构都有输入运动形式转换为轴出运
动形式的功能，这种功能称为运动转换基本功能。
(3)运动转换基本功能的框图及其载体列于表
11.9-7中。表中所列出的功能载体大部分是一些基本
机构，起一个导引作用。设计者在应用时，可查阅本
手册或创新设计出所需的功能载体。
由表11.9-7可知，实现一运动转换基本功能的
机构有多种，因此，把这些机构按传动链中的顺序组
合起来构成的运动方案也有很多种。
4.3按执行机构的功能选择机构
(l)用于执行作业:分度、定位、夹紧、供给、
分离、整列、挑选、装配、检查、包装、机械手。
(2)用于控制;控制动作、联锁、制动、导向。
(3)用子检侧:测最、放大、比较、计算、显
示、记录。
设计者可根据所指定的功能，在有关机械设计手
册中去查阅、选择有关机构形式。
4.4按不同的动力源形式选择机构
常用的动力源:电动机、气液动力源、直线电动
机等。当有气、液压派时常选用气动、液压机构，尤
其对具有多个执行构件的工程机械、自动生产线和自
动机等，更应优先考虑。
4.5机构选型时应考虑的主要条件
(l)运动规律 执行构件的运动规律及其调节
范围是机构选型及机构组合的基本依据。
(2)运动精度 运动精度低则所选机构结构简
单，易于设计、制造，反之则要求高。
(3)承载能力与工作速度 各种机构的承载能
力和所能达到的最大工作速度是不同的，因而裕根据
速度的高低、载荷的大小及其特性等选用合适的机
构。
(4)总体布局 原动机与执行构件工作位皿，
以及传动机构与执行机构的布局要求是机构选型和组
合安排必须考虑的因家。要求总体布局合理、紧凑，
尽最使机械的输出端靠近输入端，这样可省掉不必要
的传动极构。
(5)使用要求与工作条件 使用单位对生产工
作要求，车何的条件、使用和维修要求等等，均对机
构选型和组合安排有很大影响。
5机械执行机构的协调设计
5.1各执行机构的动作在时间和空间上协
调配合
如图11.9-9所示为一干粉料压片机。料蹄由传
送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把
粉料压成片状。显然，只有当料筛位于上、下冲头之
间，冲头才能加压。所以送料、上、下冲头之间的运
动在时间顺序上有严格的协调配合要求。
5.2各执行机构运动速度的协调配合
例如按展成法加工齿轮时，刀具和工件的展成运
动必须保持某一预定的转速比。
5.3多个执行机构完成一个执行动作时，
执行机构运动的协调配合
例如，图11.9-10为一纸板冲孔机构，完成冲孔
这一工艺动作，要求有两个执行机构的组合运动来实
现:由曲柄摇杆机构带动冲头滑块上下摆动;由电磁
铁动作带动摇杆滑块机构中的滑块(冲头)在动导
路上移动，移至冲针上方。上述两组运动的组合，才
能使冲针完成冲孔任务。所以这两个执行机构的运动
必须协调配合，否则就会产生空冲现象。
5.4机械运动循环图
机械在一个运动循环中，各执行机构之间有序
的、制约的、相互配合的运动关系可在一个图中表述
出来，该图称为运动循环图。
如图11.9-9所示的干粉料压片机为例，可用3
种形式的运动循环图来表示，见表11.9-8。
6形态学矩阵及运动方案示意图
6.l传动链的运动转换功能图
选定原动机的形式及个数，确定原动机到执行构
件之间的传动链:通过变速、分支、运动转换，原动
机的运动形式，变成执行构件的运动形式，描述这一
过程的图称为传动链的运动转换功能图。
图11.9一11为3.3节所述四工位专用机床的运动
转换功能图。选用两个电动机，由3条传动链来实施
运动转换，以满足3种工艺动作的需要。
6.2四工位专用机床的形态学拒阵
根据传动链运动转换功能图，以每一矩形框——
基本运动转换功能作为列;以基本运动转换功能的载
体作为行，构成一个矩阵，该矩阵称为形态学矩阵。
对该形态学矩阵的行、列进行组合，可以求解得
很多方案。理论上可得到N种方案
N=5*5*5*5=625种方案
在这些方案中剔除明显不合理的，再进行综合评
价:是否满足预定的运动要求，运动链中机构安排是
否合理，制造的难易、经济性、可靠性等，然后选择
较优的方案。表11.9-9中挑选出两种方案:I为实线
所示，Ⅱ为虚线所示。
6.3四工位专用机床的运动示意图
把方案I与方案Ⅱ分别按运动传递线路及选择的
机构形式，用机构简图组合画在一起形成两个四工位
专用机床的运动示意图。图11.9-12a为方案Ⅰ;图
11.9-12b为方案Ⅱ。
形态学矩阵法仅仅是运动方案构思与拟定方法中
的一种。它的出发点是把已有的机构进行组合，构成
许多种方案，借以发现新的设计方案。在运用形态学
矩阵法的同时，设计者还可同时运用:机构演绎法、
变异法及其他一些创造技法，构思创造出好的新颖的
设计方案。
7机构的尺度综合
机械运动示意图，只是定性地描述了由原动机烈
执行构件间的运动转换功能，及执行动作的可行性:
要完全肯定所选机构能定量地实现执行构件所需的运
动参数，必须先对各机构进行尺度综合，设计出各初
构中各构件的几何尺寸或几何形状(如凸轮廓线)。
然后再对设计出的机构进行评价，如果不满足设计要
求，则根据图11.9-6所示，须回到前面的步骤:或
改变机构尺寸，或改变机构的形式，直至满足为止。
8机械运动简图
经尺度综合后，把满足运动要求的机构，按真实
尺寸的比例画出各机构简图。
机械运动简图是一个机构系统，它反映了机构各
构件间的真实运动关系。机械运动简图上的运动参
数、动力参数、构件尺寸等可作为机械详细设计
(总图、零部件设计)的依据。
(责任编辑：laugh521521)
设计一新机器，必须构思且拟定好运动方案，在
此过程中，可以运用多种创新设什方法，例如:系统
设计法、功能分拆法、形态学矩阵法等，但其总的步
骤及各步骤之间的相互关系，大体上可由图11.9-6
来描述。
1运动方案构思与拟定的步骤
图11.9石描述了设计拟定机器运动方案的全过
程:明确总功能;把总功能分解为各分功能;给各分
功能选择合适的机构形式;对机械各执行机构进行协
调设什，画出运动循环图;画出机构的运动示意图;
对各机构进行尺度综合判断所选机构是否满足功能要
求;最后画出机构运动简图。上述过程并不总是单方
向、直线式进行的，有时要经过多次反复，以便对各
种解决方案进行评价、检验和判断才能拟定出一个好
的运动方案。
2总功能分析(见表11.9-5)
3功能分解
机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要完
成某些工艺动作，仔细地剖析、确定这些独立的或相
关的工艺动作，这一过程就是把总功能分解为分功能
的过程。然后把这些工艺动作，即分功能，用树状功
能图来描迷，使机器的总的功用及各分功能一目了
然。
例如，设计一台四工位专用机床，它可分解为下
列几个工艺动作:
(1)安置工件的工作台要求进行间歇转动n2
(r/min)。
(2)安装刀具的主轴箱能实行静止、快进、进
给、快退的动作。
(3)刀具以n1(r/min)转动来切削工件。
根据上述要求可画出如图11.9-7及图11.9-8所
示的四工位专用机床的动作要求图和树状功能图。
4机构的选择
机构选型，就是创造或选择合适的机构形式，实
现机器中所要求的各种执行动作和运动形式。由于实
现同，种功能，可采用不同的技术原理，不同的技术
原理可选择不同的机构;即使同‘种技术原理，又可
选用不同的机构，这样的组合就有许多种机构选型方
案。机构选型，要求设计者具有丰富的实践经验和机
构学知识。它是机械运动方案拟定中非常重要，也最
具创造性的一个环节。
4.1按运动形式选择机构
常见的机器工艺动作所要求的运动形式列子表
11.9-6中。
另外，还有要求实现构件上一点轨迹:直线轨
迹、圆轨迹、曲线轨迹;实现构件上的运动是两种运
动的合成:移动加移动、转动加转动、转动加移动。
按上述运动形式、轨迹分类的机构有关手册中搜
寻到。如果不能满足要求，则可在已有机构形式的基
础上，采用增加辅助机构或组合成新机构的方法，来
实现构件所要求的运动要求。
4.2按运动转换基本功能选择机构
(1)传动链。机器的原动机的运动形式转换成
执行构件的运动形式，即工艺动作。必须通过传动机
构与执行机构来实现。这一运动链称为传动链。由于
一个原动机往往要驱动几个执行构件动作，或一台机
器可能有几个原动机，所以机器往往有多条传动链。
(2)运动转换基本功能。无论传动机构或执行
机构，其每一种机构都有输入运动形式转换为轴出运
动形式的功能，这种功能称为运动转换基本功能。
(3)运动转换基本功能的框图及其载体列于表
11.9-7中。表中所列出的功能载体大部分是一些基本
机构，起一个导引作用。设计者在应用时，可查阅本
手册或创新设计出所需的功能载体。
由表11.9-7可知，实现一运动转换基本功能的
机构有多种，因此，把这些机构按传动链中的顺序组
合起来构成的运动方案也有很多种。
4.3按执行机构的功能选择机构
(l)用于执行作业:分度、定位、夹紧、供给、
分离、整列、挑选、装配、检查、包装、机械手。
(2)用于控制;控制动作、联锁、制动、导向。
(3)用子检侧:测最、放大、比较、计算、显
示、记录。
设计者可根据所指定的功能，在有关机械设计手
册中去查阅、选择有关机构形式。
4.4按不同的动力源形式选择机构
常用的动力源:电动机、气液动力源、直线电动
机等。当有气、液压派时常选用气动、液压机构，尤
其对具有多个执行构件的工程机械、自动生产线和自
动机等，更应优先考虑。
4.5机构选型时应考虑的主要条件
(l)运动规律 执行构件的运动规律及其调节
范围是机构选型及机构组合的基本依据。
(2)运动精度 运动精度低则所选机构结构简
单，易于设计、制造，反之则要求高。
(3)承载能力与工作速度 各种机构的承载能
力和所能达到的最大工作速度是不同的，因而裕根据
速度的高低、载荷的大小及其特性等选用合适的机
构。
(4)总体布局 原动机与执行构件工作位皿，
以及传动机构与执行机构的布局要求是机构选型和组
合安排必须考虑的因家。要求总体布局合理、紧凑，
尽最使机械的输出端靠近输入端，这样可省掉不必要
的传动极构。
(5)使用要求与工作条件 使用单位对生产工
作要求，车何的条件、使用和维修要求等等，均对机
构选型和组合安排有很大影响。
5机械执行机构的协调设计
5.1各执行机构的动作在时间和空间上协
调配合
如图11.9-9所示为一干粉料压片机。料蹄由传
送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把
粉料压成片状。显然，只有当料筛位于上、下冲头之
间，冲头才能加压。所以送料、上、下冲头之间的运
动在时间顺序上有严格的协调配合要求。
5.2各执行机构运动速度的协调配合
例如按展成法加工齿轮时，刀具和工件的展成运
动必须保持某一预定的转速比。
5.3多个执行机构完成一个执行动作时，
执行机构运动的协调配合
例如，图11.9-10为一纸板冲孔机构，完成冲孔
这一工艺动作，要求有两个执行机构的组合运动来实
现:由曲柄摇杆机构带动冲头滑块上下摆动;由电磁
铁动作带动摇杆滑块机构中的滑块(冲头)在动导
路上移动，移至冲针上方。上述两组运动的组合，才
能使冲针完成冲孔任务。所以这两个执行机构的运动
必须协调配合，否则就会产生空冲现象。
5.4机械运动循环图
机械在一个运动循环中，各执行机构之间有序
的、制约的、相互配合的运动关系可在一个图中表述
出来，该图称为运动循环图。
如图11.9-9所示的干粉料压片机为例，可用3
种形式的运动循环图来表示，见表11.9-8。
6形态学矩阵及运动方案示意图
6.l传动链的运动转换功能图
选定原动机的形式及个数，确定原动机到执行构
件之间的传动链:通过变速、分支、运动转换，原动
机的运动形式，变成执行构件的运动形式，描述这一
过程的图称为传动链的运动转换功能图。
图11.9一11为3.3节所述四工位专用机床的运动
转换功能图。选用两个电动机，由3条传动链来实施
运动转换，以满足3种工艺动作的需要。
6.2四工位专用机床的形态学拒阵
根据传动链运动转换功能图，以每一矩形框——
基本运动转换功能作为列;以基本运动转换功能的载
体作为行，构成一个矩阵，该矩阵称为形态学矩阵。
对该形态学矩阵的行、列进行组合，可以求解得
很多方案。理论上可得到N种方案
N=5*5*5*5=625种方案
在这些方案中剔除明显不合理的，再进行综合评
价:是否满足预定的运动要求，运动链中机构安排是
否合理，制造的难易、经济性、可靠性等，然后选择
较优的方案。表11.9-9中挑选出两种方案:I为实线
所示，Ⅱ为虚线所示。
6.3四工位专用机床的运动示意图
把方案I与方案Ⅱ分别按运动传递线路及选择的
机构形式，用机构简图组合画在一起形成两个四工位
专用机床的运动示意图。图11.9-12a为方案Ⅰ;图
11.9-12b为方案Ⅱ。
形态学矩阵法仅仅是运动方案构思与拟定方法中
的一种。它的出发点是把已有的机构进行组合，构成
许多种方案，借以发现新的设计方案。在运用形态学
矩阵法的同时，设计者还可同时运用:机构演绎法、
变异法及其他一些创造技法，构思创造出好的新颖的
设计方案。
7机构的尺度综合
机械运动示意图，只是定性地描述了由原动机烈
执行构件间的运动转换功能，及执行动作的可行性:
要完全肯定所选机构能定量地实现执行构件所需的运
动参数，必须先对各机构进行尺度综合，设计出各初
构中各构件的几何尺寸或几何形状(如凸轮廓线)。
然后再对设计出的机构进行评价，如果不满足设计要
求，则根据图11.9-6所示，须回到前面的步骤:或
改变机构尺寸，或改变机构的形式，直至满足为止。
8机械运动简图
经尺度综合后，把满足运动要求的机构，按真实
尺寸的比例画出各机构简图。
机械运动简图是一个机构系统，它反映了机构各
构件间的真实运动关系。机械运动简图上的运动参
数、动力参数、构件尺寸等可作为机械详细设计
(总图、零部件设计)的依据。
(责任编辑：laugh521521)
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