第14章机械执行系统方案设计1-136502690

执行系统的方案设计执行系统的功能原理设计运动规律设计执行机构的型式设计执行系统的协调设计执行系统的方案评价与决策原动机类型的选择机械总体方案设计的内容控制系统的方案设计传动系统的方案设计•传动类型的选择•传动路线的选择•传动链中机构顺序的安排•各级传动比的分配•润滑系统•冷却系统•故障监测系统•安全保护系统•照明系统其它辅助系统的设计机械总体方案设计的内容第14章机械执行系统方案设计第14章机械执行系统方案设计14.1执行系统方案设计的过程和内容14.2执行系统的功能原理设计14.3执行系统的运动规律设计14.4执行机构的型式设计14.5执行系统的协调设计14.6方案评价与决策14.1执行系统方案设计的过程和内容含义：根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。1、功能原理的构思与选择根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。14.2执行系统的功能原理设计举例：自动送料板装置的功能原理设计摩擦传动原理(摩擦板)14.2执行系统的功能原理设计机械推拉原理气吸原理摩擦传动原理(摩擦轮)气吸原理(底吸法)气吸原理(顶吸法)14.2执行系统的功能原理设计举例：取纸器的功能原理设计摩擦原理静电原理切向力原理14.2执行系统的功能原理设计糖果的包装14.2执行系统的功能原理设计2、功能原理的创造性设计：分析综合、思维扩展、还原创新（缝纫机）总结实现某种预期的要求，可以采用多种不同的工作原理；不同的工作原理需要不同的工艺动作，这样所设计出的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。14.2执行系统的功能原理设计14.3.1工艺动作分解和运动方案选择工艺动作分解是运动规律设计的基础，工艺动作分解的方法不同，形成的运动方案也不相同。14.3执行系统的运动规律设计举例：内孔加工内孔加工车床拉床钻床镗床总结同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运动方案也不相同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最佳方案。运动规律的设计是一种创造性的工作仿真法:模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，构思出实现某一工作原理的运动规律。吊车：模仿人手拿东西的动作14.3.2运动规律设计的创造性搓元宵机整个装置由旋转圆盘1、连杆2和3、转动构件4和机架5所组成的空间五杆机构。运动由圆盘1输入，通过装在圆盘外圈上的球形铰链带动连杆3、2和转动构件4运动，从而使工作箱做空间振摆运动，工作箱中的元宵馅在些许湿润的元宵粉末中多方向滚动，即可制成元宵。14.3.2运动规律设计的创造性“行星式轧压法”技术员把面板上擀荞麦面的规律利用到轧制钢材上，发明了“行星式轧压法”。“每朵花上都长有许多很小的钩子，它能紧紧钩住布料的纤维”的规律，并第一次把这一规律利用到衣服纽扣开合处，发明了搭扣。从传统的定式思维方式转向发散思维，拓展思路，尽可能采用简单易行的运动规律。利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格。钢球综合检测的装置思维扩展法:14.3.2运动规律设计的创造性分选不同直径钢珠的装置钢珠沿着两个斜放的不等距棒条滚动，实现钢珠尺寸分级的目的。14.3.2运动规律设计的创造性例：绘图机14.3.2运动规律设计的创造性14.4.1执行机构型式设计的原则14.4执行机构的型式设计1、满足执行构件的工艺动作和运动要求2、尽量简化和缩短运动链3、尽量减小机构的尺寸4、选择合适的运动副形式5、考虑动力源的形式6、使执行系统具有良好的传力条件和动力特性7、使机械具有调节某些运动参数的能力8、保证机械的安全运转14.4.1执行机构型式设计的原则14.4执行机构的型式设计1、满足执行构件的工艺动作和运动要求运动形式、运动规律或运动轨迹精确直线导向机构近似直线导向机构2.尽量简化和缩短运动链目的：①降低成本，减轻重量；②减少摩擦损耗，提高效率；③减少运动链累积误差，提高传动精度和可靠性；④提高系统刚性实践表明，同一制造精度下，左图的实际传动误差为右图的2-3倍。设计中不仅要考虑设计精度还要考虑制造精度对机构的影响简化结构减轻重量冲压机：保证曲柄转速不变2.尽量简化和缩短运动链3.尽量减小机构的尺寸保证滑块行程不变利用杠杆行程放大原理利用活动齿轮倍增行程原理14.4.1执行机构型式设计的原则4.选择合适的运动副形式运动副直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度等转动副易于制造，易于保证运动副元素的配合精度，且效率较高；移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率低且易自锁或楔紧，故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合。14.4.1执行机构型式设计的原则转动副代替移动副实例近似直线导向机构14.4.1执行机构型式设计的原则5.考虑动力源的形式选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善机械性能。例：执行构件作等速往复直线运动需要单独的电动机和传动机构驱动原动件，且采用连杆机构把转动变为执行机构的等速往复直线运动，结构复杂。不仅省去了传动机构，机构简单紧凑，反向时运转平稳，易于调节移动速度。14.4.1执行机构型式设计的原则6.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性设计时，应注意选用具有最大传动角、最大增力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计等。14.4.1执行机构型式设计的原则7.使机械具有调节某些运动参数的能力具有调节滑块最大行程功能的机构摆杆1可绕铰链转动，它所处的位置不同，滑块的最大行程也随之变化。摆杆1调到合适的位置后锁紧，则机构只有一个自由度。此时滑块2在1上滑动。14.4.1执行机构型式设计的原则8.保证机械的安全运转必须考虑防止出现机械意外损坏或生产、人身事故。例如可以采取具有过载保护功能的带传动、设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构等。14.4.1执行机构型式设计的原则14.4.1执行机构型式设计的原则14.4执行机构的型式设计1、满足执行构件的工艺动作和运动要求2、尽量简化和缩短运动链3、尽量减小机构的尺寸4、选择合适的运动副形式5、考虑动力源的形式6、使执行系统具有良好的传力条件和动力特性7、使机械具有调节某些运动参数的能力8、保证机械的安全运转利用发散思维的方法，将前人创造发明的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。1．按照执行构件所需的运动特性进行机构选型从具有相同运动特性的机构中，按照执行构件所需的运动特性进行搜寻。当有多种机构均可满足所需要求时，则可根据上节所述原则，对初选的机构形式进行分析和比较，从中选择出较优的机构。14.4.2机构的选型14.4.2机构的选型2．按照动作功能分解与组合原理进行机构选型任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的，这些基本机构具有如下基本功能：14.4.2机构的选型动作功能分解组合原理总体功能可以分解成若干分功能：U=(Ui)i=1,2,…,m每一个分功能又可以用不同的机构来实现：Tj=(ti1,ti2,…,tin)j=1,2,…,n功能-技术矩阵：14.4.2机构的选型分解的功能选型机构方案组合，可能的方案总数：N=nm剔除与筛选方案分解的功能选型机构14.4.2机构的选型精锻机主机构选型举例总体功能当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。14.4.2机构的选型动作功能分解1.运动形式变换功能：将驱动轴的转动变换为冲头的移动；2.运动轴线变向功能：将水平轴运动变换为铅垂方向运动；3.增力功能：运动位移或速度缩小功能：减小位移量（或速度），以实现增力要求。功能-技术矩阵图将各分功能进行组合，得出可行方案将三个分功能按不同的顺序排列，得到各种方案的示例几种典型方案示例方案1先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用斜面机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。特点：采用斜面机构增强了系统刚度，经过两次运动大小变换增加了锻压力。方案2先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。特点：经过两次运动大小变换，可见有较大的锻压力。方案3先由曲柄摇杆机构实现运动大小变换功能，再采用摆杆滑块机构将水平轴运动变换为铅垂方向的移动并实现运动大小变换功能。特点：经过两次运动大小变换，具有较大的力。缺点：系统刚度较差。方案4先由摩擦轮机构将水平轴转动变换为铅垂轴转动，再采用螺旋机构将转动变换为往复移动并实现运动大小变换功能。特点：螺旋机构具有很好的运动大小变换功能，可产生很大的锻压力。14.4.3机构的构型1.选择对现有的数千种机构进行分析、研究，通过类比选择出基本机构的雏形。2.突破以选择的雏形作为创新构型的生长点，通过扩展、组合和变异等方法去尝试突破，以获得新构思。3.重新构型在突破的基础上，重新构筑能完成预期功能且性能优良的新机构。1.扩展法用类比法选择的基本机构雏形在满足运动特性或功能上有欠缺时，可以以此机构为生长点，在其上联接若干基本杆组构筑出新的机构形式。优点：是在不改变机构自由度的情况下，能增加或改善机构的功能。例：设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大的执行机构以摆动导杆机构ABC为基本机构，在其导杆CB的延长线上D点处连接一个双杆组，形成六杆机构，满足急回、扩大行程等工作要求。2.组合法将几种基本机构用适当的方式组合起来，实现基本机构不易实现的运动或功能。常用组合方式复合式组合反馈式组合并联式组合串联式组合组合法实例要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特性和较大摆动行程，当不能完全满足要求时，可将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合，这样，固结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性，且可获得较大的摆动行程。3.变异法通过运动副形状、尺寸和位置安排上的变化生成新的机构型式。常用的方法有运动倒置和运动副变换等。运动倒置运动倒置就是机架变换。利用机架变换发现现有机构的内在联系使机构发生变异。例：人类正常步行时，脚跟相对于腰部的轨迹以六杆机构来模拟人脚的运动，以不同构件为机架可得到不同的方案。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典型例题干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压成圆型片坯。根据生产条件和粉料的特性，决定选用电动机作为动力源，选择刚体推压传动原理。其工作过程如下：加入粉料→下冲头下沉→上下冲头加压→上冲头退回，下冲头上顶→推走片坯。试对上冲头主加压机构进行机构型式设计。根据动作功能分解与组合原理进行机构选型基本功能运动形式变换功能（将驱动轴的转动变为冲头的移动）运动方向交替变换功能（冲头往复运动）、运动缩小功能（减小速度，以获得较大压力）运动停歇功能（冲头加压）。功能技术矩阵方案1方案2方案3方案5方案4方案4由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附加要求，而初选方案均不具备这种功能，故需进行机构创新构型，以达到设计要求。选择方案4作为原型进行机构创新构型(1)扩展法在四杆机构连杆BC的延长线上找一点H，该点的运动轨迹中有一段直线或近似直线。在该点加一个RPR双杆组，且使GH与此直线轨迹段平行，则当H点运动在直线段上时，导杆GH将处于停歇状态，即使冲头F有了停歇功能。(2)组合法采用四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合，将两机构于极限位置时串联，则该位置时滑块F的速