机械系统的方案设计.ppt

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1、一、概述一、概述二、机械工作原理的拟定二、机械工作原理的拟定三、执行构件的运动设计和原动机的选择三、执行构件的运动设计和原动机的选择四、机构的选型和变异四、机构的选型和变异五、机构的组合五、机构的组合六、机械系统方案的拟定六、机械系统方案的拟定第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计14.1 14.1 概述概述计划计划方案设计方案设计技术设计技术设计试制实验试制实验投产以后投产以后 上述设计过程一般不是一帆风顺的，也不会一次就上述设计过程一般不是一帆风顺的，也不会一次就能依次进行到底，而是不断出现反复和交叉。能依次进行到底，而是不断出现反复和交叉。1.1.机械设计的一般过程机械设

2、计的一般过程2.2.机械系统的方案设计机械系统的方案设计步骤步骤拟定机械的工作原理拟定机械的工作原理执行构件和原动机的运动设计执行构件和原动机的运动设计机构的选型、变异与组合机构的选型、变异与组合机构的尺寸综合机构的尺寸综合方案分析方案分析方案评审方案评审机械系统是机械的重要组成部分，是机械的主体。机械系统是机械的重要组成部分，是机械的主体。机械系统设计是机械设计中极其重要的一环，设计得正确机械系统设计是机械设计中极其重要的一环，设计得正确和合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与和合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与维护费用等影响很大。维护费用等影响很大。14.2 14.

3、2 机械工作原理的拟定机械工作原理的拟定 设计机械产品时，首先应根据使用要求，技术条设计机械产品时，首先应根据使用要求，技术条件及工作环境等情况，明确提出机械所要表达到的总件及工作环境等情况，明确提出机械所要表达到的总功能；然后拟定实现这些功能的工作原理及技术手段；功能；然后拟定实现这些功能的工作原理及技术手段；最后设计出系统方案。最后设计出系统方案。机械产品的功能，即其用途、性能、使用价值等，机械产品的功能，即其用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出来的。根据人们生产或生活需要提出来的。在确定机械产品的功能指标时应进行科学分析，在确定机械产品的功能指标时应进行科学分析，以保证产品

4、的先进性、可行性和经济性。以保证产品的先进性、可行性和经济性。实现机械功能的工作原理，决定着机械产品的技术实现机械功能的工作原理，决定着机械产品的技术水平、工作质量、系统方案、结构形式和成本等，所水平、工作质量、系统方案、结构形式和成本等，所以应利用各种以应利用各种“创造技法创造技法”，并借鉴同类产品成功的，并借鉴同类产品成功的经验和最新科技成果，以便拟定出合理的工作原理。经验和最新科技成果，以便拟定出合理的工作原理。实现同一种功能，可以采用不同的工作原理。实现同一种功能，可以采用不同的工作原理。采用同一种工作原理，可以拟定出几种不同的机采用同一种工作原理，可以拟定出几种不同的机械运动方案。械

5、运动方案。机械的工作原理确定后，为了便于设计，应将机机械的工作原理确定后，为了便于设计，应将机械的总功能分解为许多分功能，并形成机械的工械的总功能分解为许多分功能，并形成机械的工艺动作过程。艺动作过程。注意：注意：1 1、拟定机械的工作原理方案时，思路要开阔，要、拟定机械的工作原理方案时，思路要开阔，要利用发散思维，考虑各种完成机械功能的可能性，利用发散思维，考虑各种完成机械功能的可能性，能用最简单的方法实现同一种功能的方案一般才能用最简单的方法实现同一种功能的方案一般才是最佳方案。是最佳方案。2 2、在拟定原理方案时，不要把思路局限在某一领、在拟定原理方案时，不要把思路局限在某一领域，要拓宽

6、到光、机、电、液各相关领域。域，要拓宽到光、机、电、液各相关领域。14.3 14.3 执行构件的运动设计和原动机的执行构件的运动设计和原动机的选择选择 根据拟定的工作原理和工艺过程，确定执行构根据拟定的工作原理和工艺过程，确定执行构件的数目、运动形式、运动参数及运动协调关系，件的数目、运动形式、运动参数及运动协调关系，并选择恰当的原动机的类型和运动参数与之匹配。并选择恰当的原动机的类型和运动参数与之匹配。1.1.执行构件的运动设计执行构件的运动设计 （1 1）执行构件的数目）执行构件的数目 执行构件的数目取决于机械分功能或分动作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，但两者不一定相

7、等。的数目的多少，但两者不一定相等。（2 2）执行构件的运动形式和运动参数）执行构件的运动形式和运动参数 执行构件的运动形式取决于要实现的分功能执行构件的运动形式取决于要实现的分功能的运动要求。的运动要求。常见的运动形式有回转（摆动）运动、直线常见的运动形式有回转（摆动）运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。运动、曲线运动及复合运动等四种。当执行构件的运动形式确定后，还要确定其当执行构件的运动形式确定后，还要确定其运动参数。运动参数。2.2.原动机的类型及其运动参数的选择原动机的类型及其运动参数的选择 原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线

8、运动等。动和往复直线运动等。原动机选择是否恰当，对整个机械的性能及原动机选择是否恰当，对整个机械的性能及成本，对机械传动系统的组成及其繁简程度将有成本，对机械传动系统的组成及其繁简程度将有直接影响。直接影响。2.2.原动机的类型及其运动参数的选择原动机的类型及其运动参数的选择 电动机是机械中使用最广泛的一种原动机。电动机是机械中使用最广泛的一种原动机。一般用的最多的是交流异步电动机。一般用的最多的是交流异步电动机。当执行构件需无级变速时，可考虑用直流电当执行构件需无级变速时，可考虑用直流电动机或交流变频电动机。动机或交流变频电动机。若采用气动原动机时，需要气压源。若采用气动原动机时，需要气压源

9、。若采用液压原动机时，一般一台设备就需要若采用液压原动机时，一般一台设备就需要一台液压源，成本较高。一台液压源，成本较高。3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图环图(1)(1)各执行构件运动的协调配合关系各执行构件运动的协调配合关系 在某些机械中，其各执行构件间的运动在某些机械中，其各执行构件间的运动是彼此独立的，不需要协调配合。是彼此独立的，不需要协调配合。而在另外一些机械中，要求各执行构件而在另外一些机械中，要求各执行构件的运动必须准确协调配合才能保证其工作的的运动必须准确协调配合才能保证其工作的完成。完成。1 1）各执行构件动作的协调

10、配合）各执行构件动作的协调配合 2 2）各执行构件运动速度的协调配合）各执行构件运动速度的协调配合 对于有运动协调配合要求的执行对于有运动协调配合要求的执行构件，往往采用一个原动机，通过运构件，往往采用一个原动机，通过运动链将运动分配到各执行构件上去，动链将运动分配到各执行构件上去，借助机械传动系统实现运动的协调配借助机械传动系统实现运动的协调配合。但在一些现代机械中，常用多个合。但在一些现代机械中，常用多个原动机分别驱动，借助数控系统实现原动机分别驱动，借助数控系统实现运动的协调配合。运动的协调配合。（2 2）机械的工作循环图机械的工作循环图 用来描述机械在一个工作循环中各执行构件用来描述机

11、械在一个工作循环中各执行构件运动配合关系的图称为机械的运动配合关系的图称为机械的工作循环图工作循环图。它是机械协调设计的重要技术文件。它是机械协调设计的重要技术文件。若有分配轴，运动循环图常以分配轴的转角为若有分配轴，运动循环图常以分配轴的转角为坐标来编制；坐标来编制；若没有分配轴，常选取执行系统中某一主要的若没有分配轴，常选取执行系统中某一主要的执行构件为参考件。取具有代表性的特征位置执行构件为参考件。取具有代表性的特征位置作为起始位置，如以生产工艺的起始点作为运作为起始位置，如以生产工艺的起始点作为运动循环的起点，由此来确定其它执行构件的运动循环的起点，由此来确定其它执行构件的运动相对于该

12、主要执行构件的先后次序和配合关动相对于该主要执行构件的先后次序和配合关系。系。工作循环图的形式工作循环图的形式（1 1）直线式运动循环图）直线式运动循环图 （2 2）圆周式运动循环图）圆周式运动循环图 （3 3）直角坐标式运动循环图）直角坐标式运动循环图执行系统协调设计的步骤：执行系统协调设计的步骤：1 1确定机械工作循环的周期确定机械工作循环的周期 2 2确定各执行构件在一个运动循环中的各个确定各执行构件在一个运动循环中的各个行程段及其所需的时间行程段及其所需的时间 3 3确定各个执行构件动作间的协调配合关系确定各个执行构件动作间的协调配合关系 （1 1）直线式工作循环图）直线式工作循环图（

13、2 2）圆周式工作循环图）圆周式工作循环图 （3 3）直角坐标式工作循环图）直角坐标式工作循环图14.4 14.4 机构的选型和变异机构的选型和变异1.1.机构的选型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。选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。（1 1）传递连续回转运动的机构）传递连续回转运动的机构1 1）摩擦传动机构）摩擦传动机构2 2）啮合传动机构）啮合传动机构3 3）连杆传动机构）连杆传动机构（2 2）实现单向间歇回转运动的机构）实现单向间歇回转运动的机构槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇机构及齿轮歇机构及齿

14、轮-连杆组合机构等。连杆组合机构等。（3 3）实现往复移动和往复摆动的机构）实现往复移动和往复摆动的机构连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、齿轮齿条机构及连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、齿轮齿条机构及组合机构等。组合机构等。此外，往复移动和往复摆动页常用液压缸和汽缸来此外，往复移动和往复摆动页常用液压缸和汽缸来实现。实现。（4 4）再现轨迹的机构）再现轨迹的机构连杆机构、齿轮连杆机构、凸轮连杆机构、联连杆机构、齿轮连杆机构、凸轮连杆机构、联动凸轮机构等。动凸轮机构等。2.2.机构的变异机构的变异 当所选机构不能全面满足对机械提出当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善所选机的运动

15、和动力要求时，或为了改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变机构中构的性能或结构时，可以通过改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、变换机某些构件的结构形状、运动尺寸、变换机架或原动件、增加辅助构件等方法获得新架或原动件、增加辅助构件等方法获得新的机构或特性，称为机构的变异。的机构或特性，称为机构的变异。（1 1）改变构件的结构形状）改变构件的结构形状单侧单侧停歇停歇导杆导杆机构机构（2 2）改变构件的运动尺寸）改变构件的运动尺寸 如在棘轮机构中，若棘轮的直径变为无穷如在棘轮机构中，若棘轮的直径变为无穷大，就变成作直线运动的棘条机构了。大，就变成作直线运动的棘条机构了。（3 3）选不同的构件为

16、机架）选不同的构件为机架 又称为机构的倒置。又称为机构的倒置。摆动摆动推杆推杆盘形盘形凸轮凸轮机构机构（4 4）选不同的构件为原动件）选不同的构件为原动件 在一般的机构中，常选取连架杆为原动件，在一般的机构中，常选取连架杆为原动件，但有的选取连杆为原动件。但有的选取连杆为原动件。（5 5）增加辅助构件）增加辅助构件14.5 14.5 机构的组合机构的组合 为了实现执行构件的运动型式、运动为了实现执行构件的运动型式、运动参数及运动协调关系，或者为了改善机械参数及运动协调关系，或者为了改善机械的动力特性，常常需要将选定的机构以适的动力特性，常常需要将选定的机构以适当的方式组合起来，才能满足机械的设

17、计当的方式组合起来，才能满足机械的设计要求。要求。1.1.机构的串联组合机构的串联组合 前后几种机构依次连接的组合方式。前后几种机构依次连接的组合方式。（1 1）一般串联组合）一般串联组合 后一级机构的主动件固接在前一后一级机构的主动件固接在前一级机构的一个连架杆上的组合方式。级机构的一个连架杆上的组合方式。（2 2）特殊串联组合）特殊串联组合 后一级机构串接在前一级机构不后一级机构串接在前一级机构不与机架相连的浮动件上的组合方式。与机架相连的浮动件上的组合方式。2.2.机构的并联组合机构的并联组合 一个机构产生若干个分支后续机一个机构产生若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合于一个后构，或

18、若干个分支机构汇合于一个后续机构的组合方式。续机构的组合方式。（1 1）一般并联组合）一般并联组合 各分支机构间无任何严格的运动各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系的并联组合方式。协调配合关系的并联组合方式。各分支机构可根据各自的工作需各分支机构可根据各自的工作需要独立进行设计。要独立进行设计。（2 2）特殊并联组合）特殊并联组合 各分支机构间有运动协调要求的各分支机构间有运动协调要求的并联组合方式。并联组合方式。1 1）有速比要求者）有速比要求者 各分支机构间有严格的速比要求各分支机构间有严格的速比要求时，各分支机构常用一台原动机驱动时，各分支机构常用一台原动机驱动（或集中数控）。（或集

19、中数控）。2 2）有轨迹配合要求者）有轨迹配合要求者 各分支机构共同驱动一个从动件，各分支机构共同驱动一个从动件，沿特定轨迹运动。沿特定轨迹运动。3 3）有时序要求者）有时序要求者 各分支机构在动作的先后次序上各分支机构在动作的先后次序上有严格要求。有严格要求。（3 3）汇集式并联组合）汇集式并联组合 若干分支机构汇集一道共同驱动若干分支机构汇集一道共同驱动后续机构的组合方式。后续机构的组合方式。襟翼襟翼操纵操纵机构机构3.3.机构的封闭式组合机构的封闭式组合 将一个多自由度的机构中的某两将一个多自由度的机构中的某两个构件的运动用另一机构将其联系起个构件的运动用另一机构将其联系起来，使整个机构

20、成为一个单自由度机来，使整个机构成为一个单自由度机构的组合方式。构的组合方式。（1 1）一般封闭式组合）一般封闭式组合 将基础机构的两个主动件或两个从动将基础机构的两个主动件或两个从动件用约束机构封闭起来的组合方式。件用约束机构封闭起来的组合方式。（2 2）返馈封闭式组合）返馈封闭式组合 通过约束机构使从动件的运动返馈回通过约束机构使从动件的运动返馈回基础机构的组合方式。基础机构的组合方式。常用在闭环控制、校正装置中。常用在闭环控制、校正装置中。4.4.机构的装载式组合机构的装载式组合 将一机构装载在另一机构的某一活动将一机构装载在另一机构的某一活动构件上的组合方式。构件上的组合方式。14.6

21、 14.6 机械系统方案的拟定机械系统方案的拟定 在已确定机械所要完成的总功能之后在已确定机械所要完成的总功能之后需要进行的工作，包括：需要进行的工作，包括：确定机械的工作原理和工艺动作确定机械的工作原理和工艺动作 选定机械执行构件的数量及其运动参数选定机械执行构件的数量及其运动参数 选择与之匹配的原动机类型及运动参数选择与之匹配的原动机类型及运动参数 设计机械传动系统把前两者联系起来，设计机械传动系统把前两者联系起来，使各执行构件能在原动机的驱动下实现预使各执行构件能在原动机的驱动下实现预期的工艺动作，完成总功能。期的工艺动作，完成总功能。分析评比机械系统方案，选取最优。分析评比机械系统方案

22、，选取最优。1 1、拟定机械系统方案的方法、拟定机械系统方案的方法（1 1）模仿创造法）模仿创造法 经过对设计任务的认真分析，先找到经过对设计任务的认真分析，先找到完成任务的核心技术，然后寻找具有类似完成任务的核心技术，然后寻找具有类似技术的设备装置，分析利用原装置来完成技术的设备装置，分析利用原装置来完成现设计任务时有哪些有利条件，哪些不利现设计任务时有哪些有利条件，哪些不利条件，缺少哪些条件。保留原装置的有利条件，缺少哪些条件。保留原装置的有利条件，消除其不利条件，增设缺少的条件，条件，消除其不利条件，增设缺少的条件，将原装置加以改造，从而使之能满足现设将原装置加以改造，从而使之能满足现设

23、计的需要。计的需要。（2 2）功能分解组合法）功能分解组合法 首先对设计任务进行深入分析，将机首先对设计任务进行深入分析，将机械要实现的总功能分解为若干个分功能，械要实现的总功能分解为若干个分功能，再将各分功能细分为若干个元功能，然后再将各分功能细分为若干个元功能，然后为每一个元功能选择几种合适的功能载体为每一个元功能选择几种合适的功能载体来完成该功能，最后将各元功能载体加以来完成该功能，最后将各元功能载体加以适当的组合和变异，就可以构成机械系统适当的组合和变异，就可以构成机械系统的一个运动方案。的一个运动方案。由于一个元功能往往存在多个可用的由于一个元功能往往存在多个可用的功能载体，所以用这

24、个方法经过适当排列功能载体，所以用这个方法经过适当排列组合可获得很多的机械系统方案。组合可获得很多的机械系统方案。2.2.机械传动系统方案拟定的一般原则机械传动系统方案拟定的一般原则（1 1）采用尽可能简短的运动链）采用尽可能简短的运动链（2 2）优先选用基本结构）优先选用基本结构（3 3）应使机械有较高的机械效率）应使机械有较高的机械效率（4 4）合理安排不同类型传动机构的顺序）合理安排不同类型传动机构的顺序（5 5）合理分配传动比）合理分配传动比（6 6）保证机械的安全运转）保证机械的安全运转3.3.机械系统方案的评价机械系统方案的评价 实现机械功能可采用不同的工作原理，实现机械功能可采用

25、不同的工作原理，而且同一个工作原理页可有许多不同的实施而且同一个工作原理页可有许多不同的实施方案，因此需要对所拟定的机械系统方案进方案，因此需要对所拟定的机械系统方案进行评价，以便从中选出最佳的方案。行评价，以便从中选出最佳的方案。（1 1）评价指标）评价指标1 1）机械功能的实现质量）机械功能的实现质量2 2）机械的工作性能）机械的工作性能3 3）机械的动力性能）机械的动力性能4 4）机械的经济性）机械的经济性5 5）机械结构的合理性）机械结构的合理性6 6）社会性）社会性（2 2）评价方法）评价方法专家记分评价法：专家记分评价法：首先，建立评价质量指标体系，即根据首先，建立评价质量指标体系，即根据被评价对象的特点，确定用哪些指标来衡量被评价对象的特点，确定用哪些指标来衡量各方案的优劣。各方案的优劣。其次，为每个指标确定评分的分值，各其次，为每个指标确定评分的分值，各分值是根据所设计机械的具体要求和各指标分值是根据所设计机械的具体要求和各指标的重要程度来确定的，各指标分值和为的重要程度来确定的，各指标分值和为100100。然后，专家评分，一般采用五级相对评然后，专家评分，一般采用五级相对评分制。分制。最后，计算各方案得分。最后，计算各方案得分。