机械系统的方案设计.

第十四章机械系统的方案设计第一节概述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。一、机械产品的设计过程五个阶段产品规划(概念设计)、总体方案设计、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)、改进设计。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二、机械系统的方案设计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执行构件运动设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定执行机构的数目、运动形式、运动参数等原动机选择选定原动机的类型和运动参数机构的选型、变异与组合机构的尺寸综合根据运动及动力等功能要求，选择机构类型、必要时变异和组合确定构件的运动尺寸，绘制出机械系统的机构运动简图方案分析对机械系统进行运动和动力分析方案评审对众多方案进行评价，并从中选出最佳方案第二节执行系统的功能原理设计一.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。工作原理不同，运动方案不同齿轮加工剃齿范成原理仿形原理工作原理相同，运动方案也不同齿轮加工插齿滚齿自动输送料板的装置机械推拉平板摩擦工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能时，应尽可能采用动作简单、工序少的动作过程。加工内孔摩擦轮底部气吸顶部气吸车床镗床钻床拉床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B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。r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，但靠目力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。第三节执行构件的运动设计和原动机的选择1.执行构件的运动设计（1）执行构件的数目刀具作复合运动刀具与工作台分别运动立式钻床工艺动作分解执行构件的数目取决于机械分功能或分动作的数目的多少。直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、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(2)执行构件的运动形式和运动参数常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点三相异步电动机结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般机械系统中应用最多。同步电动机能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网吸收无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于大功率离心式水泵和通风机等。直流电动机能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速范围宽，启动转矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格较高；机械特性较软、需直流电源。二、原动机的选择常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点控制电动机能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速特性均为直线。广泛用于工业控制、军事、航空航天等领域。内燃机功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求高、排气污染环境、噪声大、结构复杂。多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。液压马达可获得很大的动力和转矩，运动速度和输出动力、转矩调整控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密封不良时，污染工作环境；液压系统制造装配要求高。气动马达工作介质为空气，易远距离输送、无污染，能适应恶劣环境、动作速度快；但工作稳定性较差，噪声大；输出转矩不大，传动时速度较难控制。适用于小型轻载的工作机械。三、各执行构件间运动的协调配合某些机械，各执行构件运动彼此独立，无需协调配合。磨床中的主轴运动、砂轮运动和工件运动在运动形式上无配合要求。砂轮砂轮架工件●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合饼干13421.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合饼干21左折边构件3包装纸4右折边构件折叠包装机构的两个执行构件的协调配合1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合饼干21344折叠包装机构的两个执行构件的协调配合1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合134饼干2折叠包装机构的两个执行构件的协调配合1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合饼干2134折叠包装机构的两个执行构件的协调配合1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合饼干1342MBA两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。折叠包装机构的两个执行构件的协调配合1.执行构件动作的协调配合三、各执行构件间运动的协调配合0范成运动i002.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合0范成运动i002.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合0切削运动2.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合0让刀运动2.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合02.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合02.执行构件运动速度的协调配合范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。三、各执行构件间运动的协调配合四、机械的工作循环图用于描述机械在一个工作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。机械工作循环图形式1.直线式2.圆周式3.直角坐标式直线式工作循环图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单缸四冲程内燃机的工作循环图：曲轴为参考构件，转动2周为一个工作循环。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排门闭关气圆周式工作循环图直角坐标式工作循环图饼干包装机工作循环图中，横坐标表示参考构件的转角，纵坐标表示执行构件的转角。进退静止静止静止进退MM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饼干1342包装纸右折边构件右折边构件MBA左执行机构1左执行机构2分配轴转角0º90º180º270º360º第四节机构的选型和变异一、机构的选型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平行四边形机构双曲柄机构带传动⑵实现单向间歇转动的机构棘轮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⑶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。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⑷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。齿轮—连杆组合机构搅拌机构CBADE联动凸轮机构凸轮—连杆组合机构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。二、机构的变异1.改变构件的形状和运动尺寸2.选用不同的构件为机架3.运动副变换运动副是机构运动变换的主要元素，通过运动副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之一。常用的变换方式低副变高副高副变低副转动副变移动副低副变异为高副一、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。后一级子机构的主动件为前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM第五节机构的组合并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。子机构n1子机构III子机构I子机构II子机构n输