《机械运动方案》PPT课件.ppt

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1、第九十一章 机械运动方案创新设计主讲：主讲：张青张青 副教授副教授上海交通大学上海交通大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院Nov.2006Tel:62933054(o);64192664(h)第第九九十十一一章章 机机械械运运动动方方案案创创新新设设计计|内容提要内容提要z基本要求z基本概念|本章教案本章教案z概述z机械的总功能z功能分解z机构选型z机械运动循环图设计z用形态学矩阵选择运动方案z机构尺度综合及机械运动简图z机械传动系统方案设计目录内容提要z基本了解机械运动方案设计的概念、过程z基本了解机构创新的方法z结合课程设计，进行机械运动方案的拟定和机械运动简图设计 基本要求内容提要

2、z功能分析z功能求解z机构创新方法z工作原理设计和工艺动作设计z执行机构的协调设计和运动循环图z机构选型z机械运动方案的构思与拟定z机械运动方案的评价z机械运动简图 基本概念本章教案|现代机器的组成现代机器的组成|机器设计过程机器设计过程|机器运动方案的设计过程机器运动方案的设计过程概述现代机器的组成1.五块论-德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。将机电一体化系统通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、四肢及躯体。2.三环论-丹麦理工大学的Jacob Baur等人提出机械、电子、软件三个相关

3、圆环，以此表示机电一体化系统的组成和相互关联。三环论 3.两子系统论-挪威科技大学的Bassam A Hussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。现代机器的组成现代机器的组成几种观点几种观点针对机电运动产品，我们的观点：针对机电运动产品，我们的观点：针对机电运动产品，我们的观点：针对机电运动产品，我们的观点：BackBack模块化自模块化自模块化自模块化自相似结构相似结构相似结构相似结构机器设计过程BackBack据统计，机器方案设计阶段仅占整个产品开发过程总成本的25%，但却决定了50%的产品特征（

4、包括产品的性能、可制造性和生产成本）和75%的产品总成本。机器运动方案的设计过程1.1.1.1.机械运动方案机械运动方案机械运动方案机械运动方案(机械运动简图机械运动简图机械运动简图机械运动简图)设计就是设计就是设计就是设计就是按机械的工作过程按机械的工作过程按机械的工作过程按机械的工作过程和动作要求设计出若干机构组成的机构运动系统的运动简和动作要求设计出若干机构组成的机构运动系统的运动简和动作要求设计出若干机构组成的机构运动系统的运动简和动作要求设计出若干机构组成的机构运动系统的运动简图图图图。2.2.2.2.机械运动方案机械运动方案机械运动方案机械运动方案(机械运动简图机械运动简图机械运动

5、简图机械运动简图)的设计过程，是一个复杂的的设计过程，是一个复杂的的设计过程，是一个复杂的的设计过程，是一个复杂的创造性思维过程。设计者不仅创造性思维过程。设计者不仅创造性思维过程。设计者不仅创造性思维过程。设计者不仅需要掌握深入的机械设计理需要掌握深入的机械设计理需要掌握深入的机械设计理需要掌握深入的机械设计理论和方法论和方法论和方法论和方法，而且，而且，而且，而且要具备丰富的实践经验要具备丰富的实践经验要具备丰富的实践经验要具备丰富的实践经验，尤其需要，尤其需要，尤其需要，尤其需要创造技创造技创造技创造技法法法法，充分发挥创造力充分发挥创造力充分发挥创造力充分发挥创造力，使机械运动方案设计

6、达到创新的高，使机械运动方案设计达到创新的高，使机械运动方案设计达到创新的高，使机械运动方案设计达到创新的高度。度。度。度。机构机构 组合组合机械运动功能结构图产品功能结构图市场 需求总功能(设计任务)功能元(运动)逻辑关系运动行为(工艺动作)运动行为逻辑关系(工艺动作配合时序)结构元(广义机构)机械运动循环图(运动循环关系)机电运动方案(机械运动示意图)机电产品运动简图提取分解与综合：工艺动作构思抽象进化映射丰富完善进化空间组合尺度综合完善时序组合产品层次机构学层次专用模块通用模块由运动实现的功能(运动子系统设计任务)分解与运动实现无关的功能(非运动子系统设计任务)控制系统BackBack机

7、械运动方案的设计机械运动方案的设计流程包括：流程包括：功能分析求解功能分析求解各机构的型数综合各机构的型数综合机械运动示意图的选机械运动示意图的选定定各机构尺度综合各机构尺度综合根据功能要求对机械根据功能要求对机械运动示意图进行分析运动示意图进行分析评价评价机械运动简图的绘制机械运动简图的绘制|总功能的确立总功能的确立|机械功能分析需求表机械功能分析需求表本章教案机械的总功能总功能的确立功能分析是设计的前提和基础选择机械的工作原理构思出工艺动作过程确定机构型式拟定机械的运动方案设计者接受任务-明确功用-写出任务书1.搜集有关技术资料、设计需求和用户要求；2.列出机械功能分析需求表；3.对列出的

8、功能要求，作综合分析研究。BackBack机械功能分析需求表BackBack在这些功能中，要分清主功能(核心功能)、次功能，运动相关的功能、运动无关的功能|功能分解过程功能分解过程|同一种功能可选用不同的工作原理同一种功能可选用不同的工作原理|工作原理的构思工作原理的构思|功能扩展功能扩展产品创新的有效途径产品创新的有效途径|功能分解过程的运动功能表示功能分解过程的运动功能表示功能分解本章教案功能分解过程机器功能多种多样，我们研究其中需要采用机械运动的方式实现的功能需要采用机械运动的方式实现的功能需要采用机械运动的方式实现的功能需要采用机械运动的方式实现的功能。功能分解过程功能分解过程功能分解

9、过程功能分解过程：把总功能分解成一系列相对独立的工艺动作，以此作为功能元，然后用树状功能图来描述。例如，设计一四工位专用机床，其总功能可以分解成如下几个工艺动作：1)安置工件的工作台要求进行间歇转动 n2 r/min；2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作；3)刀具以 n1 r/min 转动来切削工件。BackBack同一种功能可选用不同的工作原理机械推拉原理摩擦传动原理气吸原理齿轮加工方法齿轮加工方法齿轮加工方法齿轮加工方法铣齿铣齿铣齿铣齿插齿插齿插齿插齿拉齿拉齿拉齿拉齿滚齿滚齿滚齿滚齿单件生产单件生产单件生产单件生产大批量大批量大批量大批量精加工精加工精加工精加工批量生

10、产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产绘图仪绘图仪绘图仪绘图仪小型绘图场合小型绘图场合小型绘图场合小型绘图场合大型绘图场合大型绘图场合大型绘图场合大型绘图场合如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理分纸功能可采用三种工作原理 1)削纸原理削纸原理削纸原理削纸原理：把纹版从库中逐张削出，可采用具有直线移动的凸轮机构或凸轮-连杆滑块机构。2)吸纸原理吸纸原理吸纸原理吸纸原理

11、：把纹版从库中逐张吸出，送至递纸位置。可采用气泵、气路、吸头和连杆机构。3)摩擦分纸原理摩擦分纸原理摩擦分纸原理摩擦分纸原理：利用摩擦力把纹版从库中逐张分离出来。可采用具有压紧摩擦力并使纹版向前推移的机构。BackBack工作原理的构思实现同一机器功能有不同的工作原理实现同一机器功能有不同的工作原理实现同一机器功能有不同的工作原理实现同一机器功能有不同的工作原理。如何寻找合适的工作原理往往决定了产品的创新性、性能和创新性、性能和创新性、性能和创新性、性能和市场竞争力市场竞争力市场竞争力市场竞争力，从根本上决定了设计的成败与否。例如洗衣机的工作原理的设计例如洗衣机的工作原理的设计例如洗衣机的工作

12、原理的设计例如洗衣机的工作原理的设计：1.模仿人洗衣的动作，寻求可能的解决方案(揉搓、刷擦、捶打)2.直接模仿行不通，则进一步往深层次分析：衣服洗干净的机理机理机理机理是什么衣物和脏被分离3.寻求衣物和脏物分离的方法物理法(超声波)、化学法(利用洗衣粉)等4.在此基础上，寻求实现该洗衣机理的技术方法(化学法洗衣粉+漂洗)BackBack功能扩展产品创新的有效途径产品创新产品创新产品创新产品创新除了寻求新的工作原理及其实现方式之外，还可以通过产品功能的扩展来达到。BackBack功能分解过程的运动功能表示例如，四工位专用机床，其总功能分解成如下几个工艺动作：1)安置工件的工作台要求进行间歇转动

13、n2 r/min；2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作；3)刀具以 n1 r/min 转动来切削工件。图示为四工位专用机床的运动转换功能图。它描述了原动机(电动机)至执行构件、刀具、工作台、主轴箱之间的运动转换功能。中间矩形框内表示传动机构、执行机构的运动转换基本功能图，末端平行四边形框内表示执行构件的运动形式。该机床由两个原动机通过两条传动链来实现执行构件的预期运动。BackBack本章教案|常见的运动形式常见的运动形式|同一种工作原理可选用不同的机构同一种工作原理可选用不同的机构|同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构机构选型常见的运

14、动形式机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式 执行构件常见的运动形式与表达符号见下表BackBack同一种工作原理可选用不同的机构如范成原理加工圆柱齿轮，可采用滚齿、插齿进行加工插齿插齿插齿插齿滚齿滚齿滚齿滚齿批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产批量生产BackBack同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构工艺动作执行构件的运动形式、规律或轨迹选择或创造不同型式的机构及其组合来实现对心滑块机构对心滑块机构对心滑块机构对心滑块机构杠杆行程机构杠杆行程机构杠杆行程机构

15、杠杆行程机构活动齿轮倍增行程机构活动齿轮倍增行程机构活动齿轮倍增行程机构活动齿轮倍增行程机构油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构急回往复急回往复急回往复急回往复_ _基于曲柄摇杆机构基于曲柄摇杆机构基于曲柄摇杆机构基于曲柄摇杆机构急回往复急回往复急回往复急回往复_ _基于摆动导杆机构基于摆动导杆机构基于摆动导杆机构基于摆动导杆机构急回往复急回往复急回往复急回往复_ _基于转动导杆机构基于转动导杆机构基于转动导杆机构基于转动导杆机构精确直线导向机构精确直线导向机构精确直线导向机构精确直线导向机构近似直线导向机构近

16、似直线导向机构近似直线导向机构近似直线导向机构移动副近似直线导向机构移动副近似直线导向机构移动副近似直线导向机构移动副近似直线导向机构用转动副代替移动副的近似直线导向机构用转动副代替移动副的近似直线导向机构用转动副代替移动副的近似直线导向机构用转动副代替移动副的近似直线导向机构BackBack本章教案|周期性与非周期性运动周期性与非周期性运动|执行机构的运动协调设计执行机构的运动协调设计|机械运动循环图设计机械运动循环图设计机械运动循环图设计周期性与非周期性运动1.无周期性循环起重运输机、建筑机械：随地点、条件而变2.周期性循环包装机、自动机床、轻工机械：定时间间隔，其位移、速度、加速度重复一

17、次完成一个运动循环BackBack执行机构的运动协调设计如图所示为粉料压片机，它由上冲头(六杆肘杆机构)、下冲头(双凸轮机构)、料筛传送机构(凸轮-连杆机构)所组成。料筛由传送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把粉料压成片状。根据生产工艺路线方案，此粉料压片机必须要实现以下五个动作：1)移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装入型腔，同时将已经成型的药片推出；2)料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔；3)下冲头下沉至一定深度，以防止上冲头向下压制时将型腔内粉料扑出；4)上冲头向下，下冲头向上，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好；5)上冲头快速退出，下冲头随着将己成形的工件药片推出型腔完成压

18、片工艺过程。一个周期内完成一套工艺执行动作。该机器特点是：各执行动作是有序的、相互协调配合的，须进行协调设计。各执行机构动作在时间上协调配合；1.在空间上协调配合；2.在速度上协调配合；3.一个周期与下一个周期有一定间隔。BackBack机械运动循环图设计粉料压片机的运动循环图矩形运动循环图矩形运动循环图矩形运动循环图矩形运动循环图横坐标：曲柄转角0o-360o纵坐标：工艺动作圆周式运动循环图圆周式运动循环图圆周式运动循环图圆周式运动循环图一周表示曲柄转角0o-360o直观性强直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图横坐标：定标构件曲柄转角纵坐标：各工艺

19、动作的运动位移可清楚看出各执行机构的运动状态和运动关系优先采用BackBack|运动转换功能图运动转换功能图|形态学矩阵形态学矩阵|实例：精锻机主机构方案设计实例：精锻机主机构方案设计本章教案用形态学矩阵选择运动方案运动转换功能图描述：原动机执行机构之间的传动链及运动转换方式BackBack形态学矩阵纵坐标：功能元横坐标：与功能匹配的机构通过排列组合可构成多种机械运动方案BackBack 设计者把系统分解成几个独立因素，并列出每个因素所包含的几种可能状态(作为列元素)构成形态学矩阵，通过组合找出可实施的方案。实例：精锻机主机构方案设计功能分析与分解基本功能结构图形态学矩阵1.列出所有方案：N=

20、6 63=1296 种2.评价：剔除明显不合理的，再进行综合评价：是否满足预定的运动要求是否满足预定的运动要求；运动链安排是否合运动链安排是否合理理；运动精确度运动精确度；制造难易制造难易；成本高低成本高低；是否是否满足环境、动力源、生产条件等限制条件满足环境、动力源、生产条件等限制条件。3.选择几个方案。几种运动方案讨论：讨论：讨论：讨论：形态学矩阵法的出发点是，认为许多发明创造并不是发明一种完全新的东西，而只不过是已有东西的新型组合。形态学矩阵法可以组合成许多方案，目的是借以发现新的设计方案。所以这种方法仅仅是运动方案拟定、构思方法中的一种，还可以运用其他创造性技法构思、创造其它新颖的机械

21、运动方案。用形态学矩阵法选定的机械运动方案，还不能完全确定所选机构一定能定量地实现执行机构所需的运动参数，所以必须对各机构进行尺度综合。如果经尺度综合的机构不能满足预定的运动要求，则必须重新进行机构选型，重新或部分改变机械的运动方案。BackBack|各机构的尺度综合各机构的尺度综合|绘制机械运动简图绘制机械运动简图本章教案机构尺度综合及机械运动简图各机构的尺度综合1.运动方案确定了机构的型及其相关联的情况2.由选择的机构，确定其尺寸：构件的几何尺寸、几何形状（如凸轮廓线等），验证是否满足了预定的位移、速度、加速度、轨迹等要求3.机构尺度综合不满足重新选型重构方案BackBack绘制机械运动简图机械运动简图：机构系统的机构尺寸是按比例画出的。反映了机构各构件间真实的运动关系。BackBack|传动方案设计过程传动方案设计过程|原动机的选择原动机的选择|传动类型选择传动类型选择|传动链的方案选择传动链的方案选择|机械传动系统方案设计实例机械传动系统方案设计实例本章教案机械传动系统方案设计传动方案设计过程BackBack原动机的选择控制电动机液压马达气动马达BackBack传动类型选择BackBack传动链的方案选择BackBack机械传动系统方案设计实例BackBack