第十七章机械系统的总体方案设计教案.doc

黑龙江科技学院 备课笔记 第 1 页第 27 次课 授课时间： 年 月 日章、节及主要内容：第十七章 机械系统的总体方案设计 §17-1§17-6 机械总体方案设计；机械执行系统的运动方案设计；机械传动系统的方案设计和原动机选择；机械控制系统简介；机械系统方案评价与决策；机械系统运动方案设计举例。教学目标：了解机械系统总体方案设计的目的和内容；掌握机械执行系统的运动方案设计过程与方法；了解传动系统的功能、类型和组成及常用原动机的类型、主要特点；了解机械控制系统的组成及分类；了解机械系统方案评价的意义及方法。重点内容：机器执行系统运动方案的选择；机械传动类型选择。难点内容：机械系统方案评价。 扩展内容：教学方法：课堂讲授教学环节及手段；课程导入：轴承是支持心轴或转轴的部件 参考资料；机械原理 华大年编 机械设计基础 李天声编 机械设计基础李继庆编教学后记：黑龙江科技学院 备课笔记 第 2 页第十七章 机械系统的总体方案设计§17-1 机械总体方案设计一、机械总体方案设计的目的机械总体方案设计的目的，就是通过调查研究进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计要求和条件，在此基础上寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能原理方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，也为最终进行评价、选优、决策提供可行性、先行性等相关技术原理方面详尽的科学依据。二、机械总体方案设计的内容 机械系统主要由驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统所组成。因此，总体方案设计的主要内容就是围绕这几部分的方案设计。1） 执行系统的方案设计2） 原动机类型的选择和传动系统的方案设计3） 控制系统的方案设计4） 其他辅助系统的设计§17-2 机械执行系统的运动方案设计机械执行系统的方案设计是机械总体方案设计的核心，也是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的方案设计应满足以下基本要求：1） 保证设计时提出的功能目标2） 足够的使用寿命和强度、刚度要求3） 各执行机构应结构合理、配合协调本节主要讨论执行结构的型式设计与执行系统的协调设计。一、执行机构的型式设计执行机构的型式设计即根据机械系统的运动方案设计要求，针对不同的执行构件运动形式和运动规律，选择合适的执行机构。1、执行机构型式设计的原则（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，选择较简单的机构黑龙江科技学院 备课笔记 第 3 页（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）保证机构的安全运转2、执行机构的选型按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能的要求，从各种常用机构中进行选择、分析和比较，满足运动形式的变换和功能的实现，是执行机构选型时首先要考虑的因素。3、执行机构型式设计实例试进行1.5t压片机上冲头主加压机构的型式设计。压片机由电动机驱动，上冲头加压动作如图13-5所示，图中h为冲头下移行程，h为冲头冲压阶段行程。黑龙江科技学院 备课笔记 第 4 页（1）分析上冲头加压工艺过程对主加压机构的要求。经分析，上冲头加压工艺过程加压机构的功能要求可概括为：1） 动形式变换功能2） 运动方向交替变换功能3） 运动缩小功能4） 运动停歇功能（2）提出并初选机构方案二、执行系统的协调设计1、执行系统协调设计的原则（1）满足各执行机构动作先后顺序的要求（2）满足各执行机构动作在时间上的同步性要求（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求（4）满足各执行机构操作上的协同性要求（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率（6）各执行机构的布置有利于系统的能量协调和效率的提高2、执行系统协调设计的方法根据生产工艺的不同，机构的运动循环可分为两大类。（1）可变运动循环（2）固定运动循环3、机械运动循环图机械运动循环图描述了各执行构件运动间相互协调配合关系。在编制机械运动循环图时，必须选取机构中某一主要的执行构件作为参考件，取其有代表性的特征位置为起始位置，作为确定其他执行构件相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系的基准。机械运动循环图是设计机器的控制系统和进行机器调试的依据。§17-3 机械传动系统的方案设计和原动机选择机械传动系统的方案设计是机械系统方案设计中至关重要的一个环节。传动系统方案设计的好坏，在很大程度上决定了所设计机械产品是否先进合理、质高价廉及具有市场竞争力。一、传动系统方案设计过程1）确定传动系统的总传动比。黑龙江科技学院 备课笔记 第 5 页2）选择传动类型。3）拟定传动链的布置方案。4）分配传动比。5）确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动装置的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。6）传动系统运动简图。二、传动类型的选择1、传动的类型和特点（1）机械传动（2）液压、液力传动（3）气压传动（4）电气传动2、传动类型的选择（1）机械传动类型选择的依据1）执行系统的性能参数和工况要求。2）原动机的机械特性和调速性能。3）对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置的要求。4）工作环境（例如高温、低温、潮湿、粉尘、腐蚀、易燃、防爆等）的要求。5）造工艺性和经济性（例如制造和维修费用、使用寿命、传动效率等）的要求。（2）机械传动系统选择的原则1）简化传动环节a.当原动机的功率、转速或运动方式完全符合执行系统的工况和工作要求时，可将原动机的输出轴与执行机构的输入轴用联轴器直接联接。b.在固定传动比的机械传动系统中，若原动机可调速而执行系统的工作载荷又变化不大，或执行系统有调速要求并与原动机的调速范围相适应，则可采用固定传动比的机械传动装置。c.当执行系统要求的调速范围较大，或用原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。2）高机械传动效率a.对高速、大功率、长期工作的工况，应选用承载能力高、传动平稳、传动黑龙江科技学院 备课笔记 第 6 页效率高的传动类型。b.对速度较低、中小功率、要求传动比较大的工况，可采用单级蜗杆传动、多级齿轮传动、带-齿轮传动、带-齿轮-链传动等多种方案，并进行分析比较，从中选择综合性能较好的方案。c.传动比较大时，应优先选用结构 紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动，原动机输出轴和执行机构输入轴平行时，可采用圆柱齿轮传动；中心距较大时，可采用带传动或链传动。3）确保机械系统安全运转。三、传动链的方案设计1、传动机构顺序的合理安排1）带传动为摩擦传动，承载能力较小，传递相同转矩时，结构尺寸较其他传动形式大。2）传动由于瞬时传动比不断变化，致使运动不均匀，有冲击，故不宜用于高速级，应布置在低速级。3）蜗杆传动的传动比大，传动平稳，效率较低，适用于中、小功率和间歇运转的场合。4）锥齿轮的加工困难，特别是大模数锥齿轮，因此只在需要改变轴的方向时才采用，且应尽量布置在高速级，并限制其传动比，以减小其直径和模数。5）斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。6）开式齿轮传动的工作环境较差，润滑条件不好，磨损较严重，寿命短，应布置在低速级。2、各级传动比的分配1）各级传动的传动比都应在各自允许的合理范围内，以保证符合各种传动形式的工作特点并使其结构紧凑。2）配各种形式的传动比时，应注意使各传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会造成互相干涉碰撞。3）当传动链较长、传动功率较大时，应使大多数传动在较高速度下工作，然后在进行较大的减速，使较少数量的传动在低速下工作。4）对于两级或多级齿轮减速器，传动比的合理分配直接影响减速器外廓尺寸的大小、承载能力能否充分发挥，以及各级传动零件润滑是否方便等。四、原动机的选择黑龙江科技学院 备课笔记 第 7 页原动机的选择，主要根据机械系统的工作环境（温度、湿度、粉尘、酸碱等）、工作特点（起动频繁程度、起动载荷大小等），并考虑各种电动机的特点及供应情况等来确定。§17-4 机械控制系统简介机械系统中的控制系统是指采用电气、电子、液压、气动等技术，以传感器件和检测诊断手段对机械的传动系统、执行系统进行自动控制的信息处理系统，它由控制装置和被控对象两部分组成。控制对象通常分为两类。第一类是以位移、速度、加速度、温度、压力等参数的数值大小为控制对象，并根据表示数量信号的种类分为模拟控制与数字控制。第二类是以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，成为逻辑控制。逻辑控制可用“0”、“1”两个逻辑控制信号来表示。§17-5 机械系统方案评价与决策一、方案评价与决策的意义 机械系统方案设计的最终目标，是寻求一种既能实现预期功能要求，又性能优良、价格低廉的设计方案。由于功能原理、运动规律、形式设计、传动类型的多方案性，机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综合，使待选方案数目由少变多，在通过评价、决策，使待选方案数目由多变少，最后获得满意方案的过程。二、评价指标机械系统设计方案的优劣，通常应从技术、经济、安全可靠三方面予以评价。但是由于在方案设计阶段还不可能具体涉及到机械的结构和强度设计等细节，因此评价应主要考虑技术方面的因素，即功能和工作性能方面的指标应占有较大的比例。三、评价方法常用的评价方法有经验评价法、数学评价法和试验评价法三大类。数学分析法是使用数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数供决策者参考。常黑龙江科技学院 黑龙江科技学院 备课笔记 第 8 页用的方法有名次计分法、评分法、技术经济评价法和模糊评价法等。表13-3 机械系统的性能评价指标序号评价指标具体内容1系统功能实现运动规律或运动轨迹，实现工艺动作的准确性，实现特定功能2运动性能运转速度、行程可调性，运动精度等3动力性能承载能力、增力特性、传力特性、振动噪声等4工作性能效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性、适用范围等5经济性加工难易、 能耗大小、制造成本等6结构紧凑性尺寸、重量、结构复杂性等下面介绍评分法和技术经济评价法1.评分法评分法根据规定的标准用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。 对于多评价目标的方案，其总分可按分值相加法、分值连乘法、均值法或加权计分法（有效值法）等方法进行计算（见表13-5）。方法公式特点分值相加法将个评价目标评分值简单相加，计算简单、直观分值连乘法将个评价目标评分值相乘，使各方案总分差拉开，便于比较均值法将相加所得结果除以评价目标数，结果直观相对值法将均值法所得结果除以理想值，使1，可看出与理想值的差距加权计分法（有效值法）将各项评分值乘以加权系数后相加，考虑了各评价目标的重要程度加权系数是反映评价目标重要程度的量化系数，又称目标重要性系数。加权黑龙江科技学院 备课笔记 第 9 页系数大，则重要程度高。加权系数的确定方法有两种：（1）经验法 根据以往或他人经验，人为地给定各评价目标的加权系数 <1，并满足  。（2）判别表计算法式中各评价目标的总分； n评价目标数；。2、技术经济评价法技术经济评价法的特点是，对方案进行评价时不但考虑各评价目标的加权系数，而且所取的技术价和经济价都是相对于理想状态的值，更便于决策时进行判断和选择，也有利于改进方案。其做法是，分别求出被评价方案的技术价和经济价，然后进行综合评价。（1）技术评价式中 各技术评价指标的评分值；各技术评价指标的加权系数；最高分值（10分制为10分，5分制为5分）。技术价时，x值越大，则技术性能越好。理想方案的技术价为1。在一般情况下，x>0.8，则方案的技术性能很好；x为0.7左右，则方案良好；x<0.6则方案不能令人满意，需要改进。（2）经济评价 经济价y由下式求得黑龙江科技学院 备课笔记 第 10 页 式中 允许制造费用；实际制造费用理想制造费用，建议取=0.7。（3）技术经济综合评价 综合价值K由下式求得 K值越大，表示被评价方案的技术经济性能好。一般取K0.65，该方案即可采用的较好方案。§176 机械系统运动方案设计举例题目：设计冲压式蜂窝煤成型机的运动方案1. 机器的功能目标型煤的直径×高度=120mm×80mm。为提高生产率，要求将机器作成多工位的，把上料、成型、卸煤、送煤等工序集中在一台机器上连续完成。2. 工艺动作分解为了实现蜂窝煤冲压成型的功能目标，冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个工艺动作。（1）粉煤加料 （2）冲压成型及脱模 （3）模筒转盘（多工位工作盘）的间歇运动 （4）卸煤及运输 （5）扫屑 3. 执行系统运动方案设计 （1）各执行构件的运动 1） 上料盘搅拌器的运动取n1=120r/min 2） 冲头的运动取n2=60r/min 3） 转盘的间歇运动n3=n2=60r/min ， 黑龙江科技学院 备课笔记 第 11 页4） 输送煤的传动带速度 5）扫屑的运动为平面复杂运动。 （2）三个主要执行机构的运动循环图 4. 机构选型 5. 机械执行系统运动方案的选择和评价 6. 传动系统设计及原动机选择电动机型号为 Y160M-4额定功率P=11kW，满载转速n=1460r/min此机构系统的传动比为传动比的分配初选二级圆柱齿轮减速器的传动比i1=8（每级平均传动比为2.8），开式齿轮传动比为7. 画出机械运动方案简图8. 对机械传动系统和执行系统的尺度计算9. 进行冲压式蜂窝煤成型机的飞轮设计