机械系统设计第一章概述.pptx

机械系统设计周红梅TEL:15938143259TEL:15938143259Email:Email:1机械原理：机械原理：机械设计：机械设计：研究机构和机器的研究机构和机器的运动及动力特性运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门基础技以及机械运动方案设计的一门基础技术学科。术学科。 主要是研究通用机械零主要是研究通用机械零(部部)件设计和选用件设计和选用方面的方面的基本知识、基本理论和基本方法基本知识、基本理论和基本方法 。2机械机械系统系统设计设计n “设计设计”最原始的意思就是将符号记录下来最原始的意思就是将符号记录下来产品功能的描述产品功能的描述构思满足功能的方案构思满足功能的方案设计描述（设计图纸、模型等等）设计描述（设计图纸、模型等等）n “系统系统”整体整体系统是由具有特定功能的、相互间具有有机联系的许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。多要素所构成的一个整体。3第一章第一章 概述概述4一、一、 “系统系统”的含的含义义 贝塔郎菲：处在一定相互联系中与环境发生关系的各贝塔郎菲：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。组成部分的整体。2) 系统与环境发生关系，不是孤立的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，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，绝不是系统的输入与输出表示，绝不是机械分割。机械分割。561) 整体性整体性 系统是由各要素按一定的要求和结构组织起来的系统是由各要素按一定的要求和结构组织起来的整体整体，这个整体获得了各个孤立的要素所不具备的这个整体获得了各个孤立的要素所不具备的新质新质和和新功新功能能。整体性是系统所具有的整体性是系统所具有的最重要和最基本最重要和最基本的特性的特性。整体性整体性、相关性、自组织与动态性、目的性、优化原则、相关性、自组织与动态性、目的性、优化原则 二、系统的特性二、系统的特性7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，掌握相关性原则，就要求注意事物之间的相互联系，防止防止孤立的、片面的看问题孤立的、片面的看问题。2) 相关性相关性3)自组织与动态性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，在汽车上运用了好的行驶状态，在汽车上运用了减震器减震器和和减震弹簧。减震弹簧。自组织性与动态性也就是环境适应性。自组织性与动态性也就是环境适应性。84)4)目的性目的性目的目的系统存在的系统存在的是指系统的活动最终趋向有序和是指系统的活动最终趋向有序和稳态即完成特定的功能。稳态即完成特定的功能。5)5) 优化原则优化原则 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。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，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它是随人的认识的深化和环境条件改变而逐步提高逐步提高的。的。9 定义：由若干机械要素组成，彼此间有机联系，并能定义：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：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. 机械系统的定义机械系统的定义10机械系统是人机械系统是人-机机-环境这个更大系统的子系统。因此，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常把机械构成的系统称作内部系统内部系统，而把人和环境构成，而把人和环境构成的系统称作的系统称作外部系统外部系统。内部系统与外部系统之间存在着。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。一定的联系，即相互间的作用和影响。部部外外统统系系部部统统内内系系输入输入3 3输入输入2 2输入输入1 1输出输出2 2输出输出3 3输出输出1 1内内部部系系统统外外部部系系统统输入输入1 1输入输入3 3输入输入2 2输出输出2 2输出输出3 3输出输出1 1112. 机械系统的构成机械系统的构成从实现系统从实现系统系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及控制系统等。控制系统等。功能角度功能角度来看，其主要包括下列一些子来看，其主要包括下列一些子12能量流系统和信息流系统能量流系统和信息流系统从从“流流”的观点的观点出发出发，将机械系统划分为物料流系统、，将机械系统划分为物料流系统、131) 1) 物料流系统物料流系统( (第三章第三章) )物料是机械工作的对象对象，是机械系统完成特定工作过程中工作的对象和载体对象和载体。机械的任务就是改变物料的形状和状态形状和状态，机械系统中的其他部分都是为它服务的。142)2)能量流系统能量流系统（第四章）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，生变化更需要大量的能量。因此，机械系统中用于提供能量、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。转换能量和传递能量的部分就构成了能量流系统。能源能源可分为和人工能源人工能源 和自然能源和自然能源两类。产生能量的资源153)3)信息流系统信息流系统（第六章）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。之为信息流系统。 信息流系统由信息流系统由控制部件控制部件及及被控对象被控对象组成，在其间传递的主组成，在其间传递的主要是信息。要是信息。4) 机械运动系统（第五章）机械运动系统（第五章）机械运动系统机械运动系统传动系统传动系统执行系统执行系统操纵系统操纵系统16传动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的作用是把动力系统提供的动力和运动传递给执行系统。执行系统。u 增速或减速增速或减速u 变速变速u 改变运动规律改变运动规律或形式或形式u 传递动力传递动力功能功能17执行系统执行系统位于机械系统末端，直接与作业对象接触。手爪平行开闭式机械手结构示意图手爪平行开闭式机械手结构示意图执行机构：执行机构： 1 1、88滑动齿条滑动齿条 99滑动齿条导轨滑动齿条导轨 1010压缩弹簧压缩弹簧 传动机构：传动机构： 4 4双面齿条双面齿条 2 2、33齿轮齿轮动力装置：动力装置： 5 5气缸气缸 6 6活塞活塞组成及运动关系组成及运动关系执行末端件：执行末端件： 11 11可换夹爪可换夹爪 18操纵系统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起停、换向换向、变速变速、变力变力等目的。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1920 现代机械系统的功能要求非现代机械系统的功能要求非常广泛，不同的机械系统因常广泛，不同的机械系统因其工作要求、追求目标和使其工作要求、追求目标和使用环境的不同，其具体功能用环境的不同，其具体功能的要求也有很大的差异。的要求也有很大的差异。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21物品提升物品提升物品移动物品移动卸下物品卸下物品提升机构提升机构回转机构回转机构吊车、挖掘机吊车、挖掘机运行机构运行机构龙门吊、叉车、装载机龙门吊、叉车、装载机变幅机构变幅机构起重机（鹤式、桥式）起重机（鹤式、桥式）提升机构提升机构例例:起重机的工作过程起重机的工作过程 对起重机的基本功能要求：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性等。等。22加热装置加热装置模具及闭合机构模具及闭合机构注射机构注射机构冷却装置，锁紧保压装置冷却装置，锁紧保压装置颗粒状塑料颗粒状塑料塑化熔融塑化熔融成型模闭合成型模闭合熔料注入模具熔料注入模具模具闭合状态下冷模具闭合状态下冷却固化却固化开模取出制品开模取出制品开模及取出装置开模及取出装置例例:塑料注塑机的工作过程塑料注塑机的工作过程 塑料注塑机的主要功能：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、可靠性及热稳定性及热稳定性等。等。 231)运动要求运动要求2)动力要求动力要求3)可靠性和寿命要求可靠性和寿命要求4)安全性安全性5)体积和重量体积和重量6)精度精度7)经济性经济性8)环境保护要求环境保护要求9)产品造型要求产品造型要求10)其他特殊要求其他特殊要求速度、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24第一章第一章 概述概述251. 机械系统设计的基本思想机械系统设计的基本思想 机械系统机械系统 (热机热机) 设计时，不应追求设计时，不应追求局部最优局部最优 (燃料的经济燃料的经济性性) ，而应该追求，而应该追求整体的最优整体的最优 (燃料的经济性加上可靠性、燃料的经济性加上可靠性、强度、寿命、尺寸等综合性能强度、寿命、尺寸等综合性能) 。卡诺谈谈火的动力和能发动这种动力的机器谈谈火的动力和能发动这种动力的机器 261) 特别强调系统的观点特别强调系统的观点2. 机械系统设计的特点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不能追求局部的最好，而应该在满足系系统整体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协调和统一调和统一。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。2) 机械系统与外部环境相互的作用和影响机械系统与外部环境相互的作用和影响271. 合理合理地地确定系统功能确定系统功能2. 增强可靠性增强可靠性3. 提高经济性提高经济性4. 保证安全性保证安全性 机械系统设计的任务是为市场提供机械系统设计的任务是为市场提供优质、高效、价廉物优质、高效、价廉物美美的产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得良的产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得良好的经济效益。好的经济效益。281.合理确定系统功能合理确定系统功能一项产品的推出总是以社会一项产品的推出总是以社会需求需求确立市场观念。确立市场观念。以社会需求和为用户服务以社会需求和为用户服务作为最基本出发作为最基本出发点点。为前提，设计师必须为前提，设计师必须对功能的需求功能的需求，用户购买产品实际就是购买产品的功能。需求需求29按功能的性质可分为按功能的性质可分为基本功能基本功能辅助功能辅助功能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。和和价值工程中常用价值工程中常用价值价值来评价功能与成本的统一程度，来评价功能与成本的统一程度，及产品的物美价廉程度。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、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、降低现实成本剔除多余功能、利用外观功能、降低现实成本302. 增强可靠性增强可靠性可靠性可定义为：可靠性可定义为：产品产品在在规定的条件规定的条件和和规定的时间规定的时间内完成内完成规定的功能规定的功能的能力的能力。规定的条件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、系统增强可靠性的最有效方法是进行可靠性设计，或概率设计31 机械系统的经济性表现在设计、制造、使用、维修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。乃至回收的全过程中。3. 提高经济性提高经济性1)提高设计和制造的经济性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合理的确定可靠性要求和安全系数b 贯彻标准化贯彻标准化c 采用新技术采用新技术d 改善零部件的结构工艺性改善零部件的结构工艺性322) 提高使用和维修的经济性提高使用和维修的经济性a 提高产品的效率提高产品的效率b 合理地确定合理地确定经济寿命经济寿命c 提高维修保养的经济性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，充分考虑提高效率方案设计和结构设计时，充分考虑提高效率的措施。的措施。功能寿命功能寿命技术寿命技术寿命技术改造技术改造经济寿命经济寿命根据产品使用费用最低、经济效益最根据产品使用费用最低、经济效益最高所确定的寿命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的维修费用换取尽可能多的使用经济效益334. 4. 保证安全性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：人这两个方面的内容：人- -机安全与机对环境的影响。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性和人-机机-环境系统的安全性。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。2)人人-机机-环境的安全性环境的安全性341. 产品规划产品规划p 根据产品发展规划和市场需要提出设计任务书p 调查研究p 可行性研究p 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. 系统技术设计系统技术设计3. 制造销售制造销售1.产产品品规规划划352. 系统技术设计系统技术设计1）总体设计）总体设计2）技术设计）技术设计3）工作图设计）工作图设计4）鉴定和评审）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363. 制造销售制造销售1）样机试制）样机试制2）样机鉴定和评审）样机鉴定和评审3）改进设计）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）小批试制5）定型设计）定型设计完善全部工作图，技术文件和工艺文件6）销售）销售37第一章第一章 概述概述38阐述现代机械的阐述现代机械的基本组成基本组成，以及这些和组，以及这些和组成部分如何构成一个成部分如何构成一个完整、彼此协调完整、彼此协调的复的复杂系统的机械工程类专业的主干课程。杂系统的机械工程类专业的主干课程。从系统的观点出发，以从系统的观点出发，以机、电、液、气机、电、液、气结结合的机械系统为对象，阐述机械系统设计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的一般规律和特点，介绍机械系统设计的设计原理设计原理、设计过程设计过程和和设计方法设计方法，结构和，结构和零部件的造型，系统的设计计算以及大型零部件的造型，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。复杂机械系统设计的一些最新研究成果。391. 机械系统的定义及构成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，介绍传动系统、执行系统和操纵系统机械运动系统设计问题，介绍传动系统、执行系统和操纵系统6. 机械系统设计中的信息流的分析，讨论控制系统设计机械系统设计中的信息流的分析，讨论控制系统设计7. 人机工程学及降噪与减震问题人机工程学及降噪与减震问题8. 设计型专家系统及机械系统仿真设计型专家系统及机械系统仿真401. 系统的概念及特性系统的概念及特性2. 机械系统的构成以及各个子系统的基本组成及功用机械系统的构成以及各个子系统的基本组成及功用了解机械系统设计的一般过程了解机械系统设计的一般过程重点掌握：重点掌握：41