机械原理Ch14 Scheme design方案设计讲解

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1、Chapter 14 Scheme Design of Mechanical Systems 第十四章 机械系统的方案设计 教学时数：4学时 教学内容： 14-1 概述 14-2 机械执行系统运动方案设计 14-3 机械传动系统方案设计和原动机选择14- 4 机械系统方案设计举例 Chapter 14 Scheme Design of Mechanical Systems 第十四章 机械系统的方案设计 基本要求： 明确机械系统方案设计的目的及内容。 了解机械执行系统方案设计的过程和具体设 计内容，学会根据机械预期实现的功能要求，进 行功能原理设计，并构思出合适的运动规律。掌 握执行机构型式设计

2、的原则。 了解执行系统协调设计的目的和原则，掌握 机械运动循环图的绘制方法。 了解机械传动系统方案设计和原动机选择的 原理。 14-1 概述 机械设计的重要性 直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞 争力和企业效益。 机械设计的核心内容 机械运动方案设计，最具创造性和综合性。 14-1 概述 一、机械设计的一般过程一、机械设计的一般过程 产品规划 方案设计（概念设计） 技术设计（技术方案设计） 改进设计 阶 段 步 骤阶段目标 主 要 指 导 理 论 产 品 规 划 设计任务书 可行性研究 报告 任务要求明 细表 设计方法学 技术预测理论 市场学 信息学 市场需求信息 可行性报告、设计要求项

3、目表 产品设计任务 预测调研 可行性分析 明确任务要求 机械产品设计一般过程 阶 段 步 骤阶段目标 主 要 指 导 理 论 方 案 设 计 机械系统总体 方案设计说明 书 系统工程学 形态学 创造学 思维心理学 决策论 模糊数学 总功能分析 总体方案参数表、原理图 功能分解 功能载体组合 功能原理方案(多个) 功能元求解 原理试验 评价决策 最优总体方案 阶 段 步 骤阶段目标主要指导理论 技 术 设 计 总 体 总体布置图 装配草图 联系尺寸图 总体效果图 价值工程学 最优化方法、工程 遗传算法 可靠性理论与实验 人机工程学 工业美学 模块化设计、 相似理论 有限元法、动态设 计、摩擦学设

4、计、 高等机构学 机械设计的工艺基 础 控制理论、智能工 程、人工神经元计 算方法、专家系统 结构方案(多个) 结构价值分析 试验模型试验 总体布局设计 结构设计造型设计 造型价值分析 外观方案(多个) 评价决策评价决策 最优结构方案最优造型方案 最优技术设计方案 总体布置图、装配 草图、技术文件 总体效果图、 外观效果模型 阶 段 步 骤阶段目标 主要指导 理论 技 术 设 计 施 工 零件图、装配 图、设计说明 书、使用说明 书、图样目录 、标准件汇总 表 机械设计理 论，材料学 ，工艺学 零件工作图外观件加工工艺、 面饰工艺规程 部件装配图效果图、检验标准 技术文件造型工艺文件 阶 段

5、步 骤阶段目标 主要指导 理论 改 进 设 计 研制报告、用 户试用报告、 性能测试报告 、改进设计图 纸 计算机辅助 制造、几何 量检验理论 、动态测试 技术、反馈 控制法 试 制 修 改 批量生产 技术服务 用户访问 修 改 14-1 概述 二、机械系统的方案设计二、机械系统的方案设计 作用 产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益 是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构 思和方案拟定时的设计思想。 步骤 拟定机械的工作原理 执行构件、传动构件运动设计和原动机的选择 机构的选型、变异与组合 机构的尺寸综合 运动和动力分析 方案评价 执行系统的方案设计 执行系统方案评价与决策 执行系统

6、协调设计 执行机构型式设计 运动规律设计 系统功能原理设计 机构尺度设计 运动和动力分析 内容 原动机类型的选择和 传动系统的方案设计 各级传动比的分配 传动链中机构 顺序的安排 传动路线选择 传动类型选择 控制系统的方案设计 其它辅助系统的设计 照明系统设计 安全保障系统设计 故障检测系统设计 冷却系统设计 润滑系统设计 重要性 机械执行系统的组成 一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和 过程 二、执行系统的功能原理设计 三、执行系统的运动规律设计 四、执行机构的型式设计 五、执行系统的协调设计 六、方案评价与决策 14-2 机械执行系统运动方案设计 重要性 执行系统是机械系统中的重要组成

7、部分，直接完成机械 系统预期工作任务。 机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核 心，是整个机械设计工作的基础。 机械执行系统的组成 由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输 出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求， 决定了整个执行系统的结构方案。 14-2 机械执行系统运动方案设计 功能原理设计 根据需要制定机械的总功能，拟 定实现总功能的工作原理和技术 手段，确定机械所要实现的工艺 动作 运动规律设计 通过对工作原理所提出的工 艺动作进行分解，决定采用 何种运动规律来实现工作原 理 执行机构型式设计 决定选择何 种机构实现 给定的运动 规律 执行系统协调设计执行

8、机构型式设计 根据工艺过程对各动 作的要求，分析各执 行机构应当如何协调 配合，设计出机械运 动循环图 确定各执行机 构的运动尺寸 ，绘制出各执 行机构的运动 简图 运动和动力分析 检验执行系 统是否满足 运动要求和 动力性能方 面的要求 方案评价与决策 对方案进行定性 评价和定量评价 并从中选出最佳 设计方案 一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程 1. 功能原理的选择与构思 产品的功能 产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活 需要提出。 确定功能指标的考虑因素 先进性 可行性 经济性 功能原理设计的重要性 决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式 、制造成本等。 二

9、、执行系统的功能原理设计 工作原理不同，运动方案也不同 齿轮加工 剃齿 范成原理 仿形原理 工作原理相同，运动方案不同 齿轮加工插齿 滚齿 功能原理设计的多方案性 斜面的应用 螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、 螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等 齿轮加工方法 无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削 加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状 齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿 其它实例 确定方案时应注意两点 用最简单的方法实现 同一功能。 注意光、机、电、流 体等知识的综合运用。 设计一台彩色电视机阴极盘用的金属 片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度 0.8mm。

10、 10 0.8 功能分解 送料 冲制 退回 B 按摩轮 图示按摩椅中的按摩轮利用一 个偏心空间凸轮，同时实现三维方 向的按摩作用径向振动挤压、向 下推拉和横向推拉，构思巧妙，结 构非常简单。 r 用最简单的方法实现功能举例 指针 玛瑙 支撑 K 刀口 活动游标 图示分析天平，要求 精度达到0.01g，但靠目力 读指针的微小偏角已不可 能。 活动游标 光源 透镜 读数窗 增加了一级光学放 大镜，将读数放大。 K向 光、机、电、流体等知识的综合运用举例 总功能 功能元解 功能原理方案 最佳功能原理方案 明确任务 黑箱法 功能树 创造技法 形态学矩阵 评价法 功能元 功能分析法(Function a

11、nalysis)，将机械产品的总功能(Total function)分解成若干功能元(Function element)，求解功能元， 将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。 2. 功能分析与功能求解 1. 工艺动作分解和运动方案选择 刀具作复合运动刀具与工作台分别运动 运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析， 把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所 形成的运动方案也不同。 立式钻床工艺动作分解 三、执行系统的运动规律设计 直线运动 曲线运动 复合运动 往复摆动 执 行 构 件 运 动 形 式 回转运动 每分钟转数 r/min 由两个以上单一运动合成 间歇

12、转动 停歇往复直线运动 停歇单向直线运动 沿可变曲线运动 连续转动 沿固定曲线运动 往复直线运动 每分钟转位次数、转角大小、运动系数 每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变 化系数 每分钟行程数、大小、行程 速度变化系数 每次进给量的大小 每循环停歇次数、位置、时 间、行程大小和工作速度 执行构件运动形式 1. 设计原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求 尽量简化和缩短运动链 尽量减小机构尺寸 选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式 使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转 四、执行机构的型式设计 2. 机构的选型 目的 选择或创造出满足执行构件运

13、动和动力要求的机构。 传递连续转动的机构 啮合传动机构 连杆机构 传递连续 转动机构 摩擦传动机构 摩擦轮传动 蜗杆传动 链传动 齿轮传动 平行四边形机构 双曲柄机构 带传动 1 2 摩擦轮传动 摩擦传动机构的优缺点 结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。 传动比不准确、传递功率小、效率低。 1 23 平面盘式无级变速器 1 2 3 圆锥式无级变速器 实现单向间歇转动的机构 棘轮机构 齿轮-连杆机构 单向间歇 转动机构 槽轮机构 不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构 适用于转角固定的转位运动 每次转角小，或转角大小可调的低速场合 大转角而速度不高的场合 运动平稳、分度、定位准确， 但制

14、造困难、高精度定位、高 速场合 特殊要求的输送机构 实现往复移动往复摆动运动的机构 凸轮机构 组合机构 往复运动 机构 连杆机构 螺旋机构 齿轮齿条机构 液压缸、气缸 正弦机构 正切机构 多杆机构 曲柄滑块机构 螺旋机构特点 可获得大的减速比和较高的运动精度，常用 作低速进给和精密微调机构。 齿轮齿条机构特点 适用于移动速度较高的场合，精密齿 条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。 连杆机构特点 制造容易、承载能力大，但难以实现精确运 动，适用于无严格运动规律的场合。 凸轮机构特点 能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动 协调，承载能力不大。 再现轨迹的机构 齿轮连杆组合机构 联动凸轮机构

15、 再现轨迹 机构 连杆机构 凸轮连杆组合机构 一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外， 其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。 齿轮连杆组合机构 搅拌机构 C BA D E 联动凸轮机构凸轮连杆组合机构 此抓片机构采用了联动凸轮 机构，通过两凸轮的联动作用， 使抓片爪按矩形轨迹运动，从而 达到间歇抓片的目的。 此装配线采用了联动凸轮机 构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运 动，从而达到使圆珠笔芯步进式 地向前送进的目的。 目的 选择的机构型式不能完全实现预期要求， 或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、 或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机 构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机 构，

16、在此基础上重新构筑机构的型式。 3. 机构的构型 组合法 串联组合 前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构 件，依次串联的组合方式。 输入输出 子机构II子机构I 后一级子机构的主动件 为前一级子机构的一个连架 杆。 后一级子机构的主动件 为前一级子机构的连杆。 II I 5 1 2 3 4 1 1 2 3 A 5 4 D C B F E M 并联组合 几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又 同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1 的机构系统的组合方式。 子机构n1 子机构III 子机构I 子机构II 子 机 构 n 输入输出 直线电机 襟翼 直线电机 某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构 某航空发动机附件传动系统 主动轴 IV III VVI II I 各子机构间无严格 的运动协调配合关系 各子机构在动 作的先后次序上有 严格的要求 自动车床上 三个并联凸轮的 工作顺序有先后 要求。 工件(铆钉) 外圆车刀