机械系统设计第一章概述

1机械系统设计周红梅TEL:15938143259Email:[e-mail]2相关课程的回顾机械原理：机械设计：研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门基础技术学科。主要是研究通用机械零(部)件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法。3机械系统设计“设计”最原始的意思就是将符号记录下来产品功能的描述构思满足功能的方案设计描述（设计图纸、模型等等）“系统”整体系统是由具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体。4第一节系统与机械系统第一章概述第二节机械系统设计的任务与过程第三节本课程的主要内容5一、“系统”的含义1.1.1系统贝塔郎菲：处在一定相互联系中与环境发生关系的各组成部分的整体。2)系统与环境发生关系，不是孤立的1)系统由相互联系的要素构成现代系统论创始人美国生物学家分解后的子系统都不是独立的，它们之间的联系分别由相应的子系统的输入与输出表示，绝不是机械分割。系统子系统子系统子系统子系统...要素要素...要素61.1.1系统71)整体性系统是由各要素按一定的要求和结构组织起来的整体，这个整体获得了各个孤立的要素所不具备的新质和新功能。整体性是系统所具有的最重要和最基本的特性。1.1.1系统整体性、相关性、自组织与动态性、目的性、优化原则二、系统的特性8系统要素之间、要素与整体之间、系统与环境之间的普遍联系。掌握相关性原则，就要求注意事物之间的相互联系，防止孤立的、片面的看问题。2)相关性3)自组织与动态性充分考虑到外部环境的各种变化和干扰所带来的影响，以使系统具有良好的运行状态。为了让汽车在任何路况下都有良好的行驶状态，在汽车上运用了减震器和减震弹簧。自组织性与动态性也就是环境适应性。1.1.1系统94)目的性目的系统存在的是指系统的活动最终趋向有序和稳态即完成特定的功能。5)优化原则系统通过要素的重组、自调节活动，达到系统在一定环境下的最佳结构。系统的优化离不开一定的现实环境，只是相对的优化，它是随人的认识的深化和环境条件改变而逐步提高的。1.1.1系统101.1.2机械系统定义：由若干机械要素组成，彼此间有机联系，并能完成特定功能的系统。机械系统是一个广义的概念，其含义可根据不同的研究对象加以具体化。一般来说，机器、机构等均可以称之为机械系统。例如：机构作为机械系统，组成要素是构件；机器作为机械系统，组成要素是机构或装置；生产线作为机械系统，组成要素是机器。1.机械系统的定义11机械系统是人-机-环境这个更大系统的子系统。因此，常把机械构成的系统称作内部系统，而把人和环境构成的系统称作外部系统。内部系统与外部系统之间存在着一定的联系，即相互间的作用和影响。1.1.2机械系统部外统系部统内系输入3输入2输入1外部系统输入1输入3输入2输出2输出3输出1122.机械系统的构成从实现系统系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及控制系统等。功能角度来看，其主要包括下列一些子1.1.2机械系统13能量流系统和信息流系统从“流”的观点出发，将机械系统划分为物料流系统、1.1.2机械系统141)物料流系统(第三章)物料是机械工作的对象，是机械系统完成特定工作过程中工作的对象和载体。机械的任务就是改变物料的形状和状态，机械系统中的其他部分都是为它服务的。1.1.2机械系统152)能量流系统（第四章）任何机器的工作都需要能量，要使物料的形状和状态发生变化更需要大量的能量。因此，机械系统中用于提供能量、转换能量和传递能量的部分就构成了能量流系统。能源可分为和人工能源和自然能源两类。产生能量的资源1.1.2机械系统163)信息流系统（第六章）机械系统中用于系统内的信息和指令进行处理的部分就称之为信息流系统。信息流系统由控制部件及被控对象组成，在其间传递的主要是信息。4)机械运动系统（第五章）1.1.2机械系统机械运动系统传动系统执行系统操纵系统171.1.2机械系统传动系统的作用是把动力系统提供的动力和运动传递给执行系统。增速或减速变速改变运动规律或形式传递动力功能18执行系统位于机械系统末端，直接与作业对象接触。1.1.2机械系统手爪平行开闭式机械手结构示意图执行机构：1、8—滑动齿条9—滑动齿条导轨10—压缩弹簧传动机构：4—双面齿条2、3—齿轮动力装置：5—气缸6—活塞组成及运动关系执行末端件：11—可换夹爪19操纵系统是用于将人和机械联系起来，即把操作者施加于机械的信号，经转换传递到执行部件，以实现机械系统的起停、换向、变速、变力等目的。电梯操作板行车操控板三坐标操作板数控机床控制面板等1.1.2机械系统201.1.2机械系统21现代机械系统的功能要求非常广泛，不同的机械系统因其工作要求、追求目标和使用环境的不同，其具体功能的要求也有很大的差异。1.1.3现代机械的功能要求用途——切去毛坯余量，将其加工成符合规定尺寸、形状、精度要求的零件精度性能——定位精度、分度精度、分辨率与脉冲当量、加工精度联动轴数运动性能——主轴转速、进给速度和加速度、坐标行程、刀库容量和换刀时间22物品提升物品移动卸下物品提升机构回转机构吊车、挖掘机运行机构龙门吊、叉车、装载机变幅机构起重机（鹤式、桥式）提升机构例:起重机的工作过程对起重机的基本功能要求：起重量、起升高度、运行速度、生产率、作业范围、经济性、安全性、可靠性、稳定性、操纵性以及对周围环境的适应性等。23加热装置模具及闭合机构注射机构冷却装置，锁紧保压装置颗粒状塑料塑化熔融成型模闭合熔料注入模具模具闭合状态下冷却固化开模取出制品开模及取出装置例:塑料注塑机的工作过程塑料注塑机的主要功能：计量原料并使其熔融；将物料以所需要的速度和压力射出；成型模具的开、合、锁紧与保压；工艺参数（压力、速度、温度、时间等）须根据不同制品和原料进行调整和控制；保证制品的尺寸精度和稳定性；提高塑化能力、冷却速度与生产率；工作过程的安全性、可靠性及热稳定性等。241)运动要求2)动力要求3)可靠性和寿命要求4)安全性5)体积和重量6)精度7)经济性8)环境保护要求9)产品造型要求10)其他特殊要求速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及运动的精确性传递的功率、转矩、力、压力机械和零部件执行功能时的可靠性和寿命，零部件的强度、硬度、耐磨性包括强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全性运动精度、定位精度噪声、振动、防尘、工业三废的处理与排放机械的设计、制造及使用、维修的经济性外观、色彩、装饰、人-机-环境的协调性1.1.3现代机械的功能要求25第一节系统与机械系统第一章概述第二节机械系统设计的任务与过程第三节本课程的主要内容261.机械系统设计的基本思想机械系统(热机)设计时，不应追求局部最优(燃料的经济性)，而应该追求整体的最优(燃料的经济性加上可靠性、强度、寿命、尺寸等综合性能)。1.2.1机械系统设计的基本思想与特点卡诺《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》271)特别强调系统的观点2.机械系统设计的特点3)内部系统设计与外部系统设计相结合a.外部环境对机械系统的作用和影响b.机械系统对外部环境的作用和影响不只考虑各零部件的工作状态和性能，不能追求局部的最好，而应该在满足系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间协调和统一。使设计尽量做到周密、合理、少走弯路，避免不必要的返工和浪费，达到少投资大效益。1.2.1机械系统设计的基本思想与特点2)机械系统与外部环境相互的作用和影响281.合理地确定系统功能2.增强可靠性3.提高经济性4.保证安全性1.2.2机械系统设计的任务机械系统设计的任务是为市场提供优质、高效、价廉物美的产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得良好的经济效益。291.合理确定系统功能一项产品的推出总是以社会需求确立市场观念。以社会需求和为用户服务作为最基本出发点。为前提，设计师必须对功能的需求，用户购买产品实际就是购买产品的功能。1.2.2机械系统设计的任务需求30按功能的性质可分为基本功能辅助功能1.2.2机械系统设计的任务用户直接要求的功能，体现了产品存在的基本价值。为了实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。和价值工程中常用价值来评价功能与成本的统一程度，及产品的物美价廉程度。合理确定系统功能遵循的原则保证基本功能、满足使用功能、增添新颖功能、剔除多余功能、利用外观功能、降低现实成本312.增强可靠性可靠性可定义为：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定的功能的能力。规定的条件指使用条件与环境条件含运输、保管条件。规定的功能指产品所实现的使用任务的预期功能。例如汽车的规定功能是运输，机床的规定功能是加工零件。规定的时间是指产品的功能只有同使用时间相联系才能有实际意义，不同的产品应作不同的规定。零件、部件、设备、系统1.2.2机械系统设计的任务增强可靠性的最有效方法是进行可靠性设计，或概率设计32机械系统的经济性表现在设计、制造、使用、维修乃至回收的全过程中。3.提高经济性1)提高设计和制造的经济性a合理的确定可靠性要求和安全系数b贯彻标准化c采用新技术d改善零部件的结构工艺性1.2.2机械系统设计的任务332)提高使用和维修的经济性a提高产品的效率b合理地确定经济寿命c提高维修保养的经济性传动系统和执行系统的效率，设计人员应在方案设计和结构设计时，充分考虑提高效率的措施。功能寿命技术寿命——技术改造经济寿命——根据产品使用费用最低、经济效益最高所确定的寿命维修能延长设备的使用寿命，是保持设备良好技术状况及正常运行的技术措施，以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益1.2.2机械系统设计的任务344.保证安全性从机械系统设计的角度讨论安全性问题就是要考察以下这两个方面的内容：人-机安全与机对环境的影响。1)机械系统执行预期功能的安全性机械系统的安全性包括机械系统执行与预期功能的安全性和人-机-环境系统的安全性。机械运行时系统本身的安全性，如满足强度、刚度、稳定性、耐磨性、耐腐蚀等。配置过载保护、安全互锁装置。1.2.2机械系统设计的任务2)人-机-环境的安全性351.2.3机械系统设计的一般过程1.产品规划根据产品发展规划和市场需要提出设计任务书调查研究可行性研究系统计划技术研究和费用预测、市场前景，投资环境、生产条件、生产规模，生产组织、成本与效益全面的分析研究2.系统技术设计3.制造销售1.产品规划362.系统技术设计1）总体设计2）技术设计3）工作图设计4）鉴定和评审分析和确定系统目的与要求，选择工作原理、设计总体方案，对可行的各候选方案进行分析比较，确定最佳系统方案，并进行总体布置设计，必要时可进行前期试验。分系统进行子系统的选型和设计，计算和确定主要尺寸，绘制部件装配图和总图，必要时进行中期试验绘制全部零件工作图，编写各种技术文件和说明书对设计进行全面的技术、经济评价，分析内部系统对周围环境的作用和影响1.2.3机械系统设计的一般过程373.制造销售1）样机试制2）样机鉴定和评审3）改进设计样机试制及后期试验对不能满足系统要求的技术，经济指标进行分析，根据样机鉴定和评审意见修改和完善4）小批试制1.2.3机械系统设计的一般过程5）定型设计完善全部工作图，技术文件和工艺文件6）销售38第一节系统与机械系统第一章概述第二节机械系统设计的任务与过程第三节本课程的主要内容39本课程的主要内容阐述现代机械的基本组成，以及这些和组成部分如何构成一个完整、彼此协调的复杂系统的机械工程类专业的主干课程。从系统的观点出发，以机、电、液、气结合的机械系统为对象，阐述机械系统设计的一般规律和特点，介绍机械系统设计的设计原理、设计过程和设计方法，结构和零部件的造型，系统的设计计算以及大型复杂机械系统设计的一些最新研究成果。401.机械系统的定义及构成2.机械系统的方案设计和总体设计的过程与方法3.机械系统的物料流系统分析与设计4.机械系统的能量流分析，并介绍载荷确定方法及动力机选择问题5.机械运动系统设计问题，介绍