第二章机械产品原理方案与创新设计

第二章机械产品原理方案设计2第一节机械总体方案设计重要性直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企业效益。核心内容机械运动方案设计，最具创造性和综合性。3一、机械产品的设计过程五个阶段产品规划、总体方案设计(概念设计)、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)、改进设计。4阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学机械产品设计一般进程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求5阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案6阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型7阶段步骤方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产计算机辅助制造销售反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问8二、机械总体方案设计的目的和内容目的产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。9内容执行系统的方案设计执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行机构型式设计运动规律设计系统功能原理设计机构尺度设计运动和动力分析10原动机类型的选择和传动系统的方案设计各级传动比的分配传动链中机构顺序的安排传动路线选择传动类型选择控制系统的方案设计其它辅助系统的设计照明系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计冷却系统设计润滑系统设计11第二节机械执行系统运动方案设计重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。12一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作。运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理。执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律。执行系统协调设计执行机构尺度设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图。确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图。运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求。方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案。13二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。确定功能指标的考虑因素先进性可行性经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。14功能原理设计的多方案性工作原理不同，运动方案也不同。齿轮加工剃齿范成原理仿形原理工作原理相同，运动方案不同。齿轮加工插齿滚齿15其它实例斜面的应用螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等齿轮加工方法无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(仿形法、范成法)、仿形法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、范成法的滚齿和插齿。16确定方案时应注意两点⑴用最简单的方法实现同一功能。⑵注意光、机、电、流体等知识的综合运用。设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度0.8mm。100.8功能分解送料冲制退回17用最简单的方法实现功能举例按摩轮图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮，同时实现三维方向的按摩作用—径向振动挤压、向下推拉和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。Br18光、机、电、流体等知识的综合运用举例指针玛瑙支撑K向刀口活动游标图示分析天平，要求精度达到0.01g，但靠目测读指针的微小偏角已不可能。活动游标光源透镜读数窗增加了一级光学放大镜，将读数放大。19总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元2.功能分析与功能求解功能分析法(Functionanalysis)，将机械产品的总功能(Totalfunction)分解成若干功能元(Functionelement)，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。20三、执行系统的运动规律设计1.工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具与工作台分别运动运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解21直线运动曲线运动复合运动执行构件运动形式回转运动由两个以上单一运动合成沿可变曲线运动沿固定曲线运动往复摆动每分钟转数rpm间歇转动连续转动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数间歇往复直线运动间歇单向直线运动往复直线运动每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度22四、执行机构的型式设计1.设计原则●满足执行构件的工艺动作和运动要求●尽量简化和缩短运动链●尽量减小机构尺寸●选择合适的运动副形式●考虑动力源的形式●使执行系统具有良好的传力和动力特性●使机械具有调节某些运动参数的能力●保证机械的安全运转232.机构的选型目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。⑴传递连续转动的机构啮合传动机构连杆机构传递连续转动机构摩擦传动机构摩擦轮传动蜗杆传动链传动齿轮传动双曲柄机构带传动2412摩擦轮传动摩擦传动机构的优缺点结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。传动比不准确、传递功率小、效率低。平面盘式无级变速器123圆锥式无级变速器12325⑵实现单向间歇转动的机构棘轮机构齿轮--连杆机构单向间歇转动机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇运动机构适用于转角固定的转位运动每次转角小，或转角大小可调的低速场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合特殊要求的输送机构26⑶实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构组合机构往复运动机构连杆机构螺旋机构齿轮齿条机构液压缸、气缸正弦机构正切机构多杆机构曲柄滑块机构连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。27螺旋机构特点可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。齿轮齿条机构特点适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。凸轮机构连杆机构⑶实现往复移动往复摆动运动的机构组合机构往复运动机构螺旋机构齿轮齿条机构液压缸、气缸正弦机构正切机构多杆机构曲柄滑块机构28⑷再现轨迹的机构齿轮—连杆组合机构联动凸轮机构再现轨迹机构连杆机构凸轮—连杆组合机构一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。29齿轮—连杆组合机构搅拌机构CBADE30联动凸轮机构凸轮—连杆组合机构31此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。323.机构的组合、变异目的当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。33串联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。输入输出子机构II子机构I后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。后一级机构的子主动件为前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM34并联组合直线电机襟翼直线电机某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构35复合式组合在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。输入输出4凸轮机构2自由度蜗杆蜗轮机构机床校正机构输入414213K236复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式。5杆机构输入输出凸轮机构37运动倒置摆动凸轮机构123123连杆—凸轮机构罐头封口机构A1BCO23438改变构件结构形状将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。改变构件运动尺寸槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构39五、执行系统的协调设计⑴执行系统协调设计原则●满足各执行机构动作先后的顺序性要求●满足各执行机构动作在时间上的同步性要求●满足各执行机构在空间布置上的协调性要求●满足各执行机构在操作上的协同性要求●各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率●各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高40某航空发动机附件传动系统主动轴IVIIIVVIIII各子机构间无严格的运动协调配合关系41各子机构在动作的先后次序上有严格的要求自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。工件(铆钉)外圆车刀棒料切断刀倒角刀凸轮轴挡板IIIIII主轴凸轮I凸轮II凸轮III凸轮转角090˚180˚270˚360˚放松(送料)切断夹紧车外圆倒角挡料42各子机构有运动形式配合要求磨床中的主轴运动、砂轮运动和工件运动在运动形式上有配合要求。砂轮砂轮架工件43饼干1342执行构件动作的协调配合●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件左折边构件MBA44让刀运动执行构件运动速度的协调配合0范成运动切削运动i00让刀运动范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。45⑵执行系统协调设计方法●确定机械的工作循环周期●确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间●确定各执行构件动作间的配合关系⑶机械运动循环图用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。46运动循环图形式直线式圆周式直角坐标式退回停止冲制进给冲头送料器曲柄转角0º90º180º270º360º直线式工作循环图主轴作为参考构件47圆周式工作循环图图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，转动2转为一个工作循环。启排气门开启进气门开进气排气压缩膨胀闭进气门关火点曲轴0º540º360º180º排门闭关气48直角坐标式工作循环图