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1、机械系统设计原理 第一章机械系统概论 第一节机械系统的概念 机械系统定义 由若干机械装置组成的一个特定系统 称为机械系统 机械系统的目的 是产生确定运动 传递和变换机械能 完成特定的工作 机械系统的基本要素 机械零件和构件是组成 它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统 如图1 1所示小型甘蔗收割机都是由若干装置 部件和零件组成的机械系统 它们是一个由确定的质量 刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统 小型甘蔗收获机 整体性机械系统是由若干个子系统构成的统 体 虽然各子系统具有各自不同的性能 但它们在结合时必须服从整体功能的要求 相互间须协调和适应 系统是不能分割的 即不能把一个
2、系统分割成相互独立的子系统 因为机械系统的整体性反映在于系统之间的有机联系上系统是可以分解的 但分解系统与分割系统是完全不同的 为了研究的方便 可以根据需要把一个系统分解成若干个子系统 第二节机械系统的特性 2 相关性系统内部各子系统之间是有机联系的 它们之间相互作用 相互影响 形成了特定的关系 如系统的输入与输出之间的关系 各子系统之间的层次联系 各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等 都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系 某一子系统性能的改变 将对整个系统的性能产生影响 第二节机械系统的特性 3 层次性系统可以分解为一系列子系统 并存在一定的层次结构 在系统层次结
3、构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系 层次本身就是系统构成的部分 每个层次反映了系统某种功能的实现方式 第二节机械系统的特性 4 目的性系统的价值体现在其功能上 完成特定的功能是系统存在的目的 因此 系统的功能就是系统的目的 它主要取决于要素 结构 环境 为了实现系统的目的 系统必须具有控制 调节和管理的功能 这些功能使系统进入与它的目的相适应的状态 实现要求的功能并排除或减少有害的干扰 第二节机械系统的特性 第三节机械系统的组成 1 动力系统包括动力机及其配套装置 是机械系统工作的动力源2 传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置3 执行系统包括机械的执行机构
4、和执行构件 它是利用机械能来改变作业对象的性质 状态 形状或位置 达到预定要求 4 操纵系统和控制系统都是为了使动力系统 传动系统 执行系统彼此协调运行 并准确可靠地完成整机功能的装置 二者区别是 操纵系统一般是指通过人工操作来实现 控制系统是经获得的控制信号 经由控制器 使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置 如伺服机构 自动控制装置等 第四节机械系统设计类型 机械系统设计有以下三类不同的设计 1 开发性设计在工作原理 结构等完全未知的情况下 应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术 设计以往没有过的新型机械 2 适应性设计在原理方案基本保持不变的前提下 对产品作局部的
5、变更或设计一个新部件 使机械产品在质和量方面更朗满足使用要求 3 变型设计在工作原理和功能结构都不变的情况下 变更现有产品的结构配置和尺寸 使之适应于更多的容量要求 在机械产品设计中 开发性设计十分重要 创新 可以使开发性设计 适应性设计和变型设计别具一格 从而提高产品的工作性能 第五节机械系统设计的关键内容 原理方案设计是机械系统设计的关键内容 在原理方案设计过程中应解决下列问题 确定系统的总功能对设计任务抽象化 通过抽象化确定系统的总功能 优点 设计者容易认清系统设计目标 开阔设计思路 2 进行总功能的分解将总功能分解为若干分功能 是实现功能工作原理方案的最好办法 3 选择分功能的功能载体
6、分功能的功能载体的选择 是原理方案设计的一个关键步骤 建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段 第五节机械系统设计的关键内容 4 构思功能载体的组合将各功能载体按系统总功能要求加以组合 可以得到多个工作原理方案 供设计者选择决策 5 方案的评价与决策针对不同的机械 确定评价指标体系和评价方法 对多个方案进行综合评价和决策 第二章机械系统设计原理 第一节机械系统设计的一般程序和方法 四个阶段产品规划 概念设计 功能原理设计 结构技术设计 生产施工设计 工艺设计 结构方案 结构价值分析 试验模型 试验 总体设计 结构设计 造型设计 造型价值分析 外观方案 评价决策 评价决策 最优结构方案
7、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 目的产品功能是否齐全 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 内容 执行系统的方案设计 执行系统方案评价与决策 执行系统协调设计 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 第二节 机械系统方案设计的目的和内容 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
8、 润滑系统设计 重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分 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 第三节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
9、统协调设计 执行机构型式设计 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 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 执行系统的功能原理设计1 功能原理的选择与构思 工作原理不同
10、 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 其它实例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 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 电视机阴极盘用金属片冲裁机器 图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空
11、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 用最简单的方法实现功能举例 指针 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 增加了一级光学放大镜 将读数放大 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 功能元 功能分析法 Functionanalysis 将机械产品的总功能 Totalfunction 分解成若干功能元 Functionelement 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 黑箱法是将实现给定功能的机
12、械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的 黑箱 通过对它的输入输出量的全面分析 逐步掌握输入输出的基本特征和转换关系 寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的求解过程 黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑设计方案 而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方案 1 黑箱法 信息 机械产品 黑箱 物料 能量 信息 能量 物料 黑箱法的表达 黑箱法求解方法 详细表述输入和输出量建立输入输出之间的关系寻找合适的实例设定系统的总功能寻找系统的功能解评价与决策 机械产品的总功能分解成若干分功能后 我们可以 穷尽法 将各分功能的解全部列出 即可得功能 功能解的形态学矩阵 形态学矩
13、阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法 举例 运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案 2 形态学矩阵法 理论上可组合出4 3 3 36从先进性 新颖性和实用性看 一般选用A1 A2 B1 B2 C1 C2 因此主要有8个方案 三 执行系统的运动规律设计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 直线运动 曲线运动 复合运动 往复摆动 每分钟转数rpm 由两个以上单一运动合成 间歇转动 停歇往复直线运动 停歇单向直
14、线运动 沿可变曲线运动 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 四 执行机构的型式设计 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 2 机构的选型目的选择或创造出满足执行构件运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 摩擦轮传动 蜗杆传动 链传动 平行四边形机
15、构 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 实现单向间歇转动的机构 棘轮机构 齿轮 连杆机构 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 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
16、 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 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 再现轨迹的机构 齿轮 连杆组合机构 联动凸轮机构 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 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 3 机构的构型目的当所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 在此基础上重新构筑机构的型式 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 后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架
