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1、第七章 机械系统运动方案设计,第一节机械总体方案设计,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。 核心内容 机械运动方案设计，最具创造性和综合性。 一、机械产品的设计过程 五个阶段 产品规划(概念设计)、总体方案设计、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)、改进设计。,机械产品设计一般进程,二、机械总体方案设计的目的和内容 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
2、动和动力分析,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,第二节 现代设计观念与创新设计简介,一、现代设计观念 (一) 机械设计的历史,人类设计 经历的阶段,直觉设计阶段,凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往带有一定的盲目性,经验设计阶段,依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等方法进行设计,半理论半经验设计阶段,充分利用数据、图表和手册等进行设计，减少了设计的盲目性，增加了合理性,
3、(二) 现代设计方法的主要分支 设计方法学(Design methodology) 优化设计(Optimal design) 价值工程(Value engineering) 计算机辅助设计(CAD) 可靠性设计(Reliability design) 工业艺术造型设计(Visual design) 模块化设计(Modular design) 反求工程(Inverse engineering) 有限元法(Finite element method) 机械动态设计(Dynamic design) 相似性设计(Similarity design) 系统化设计(Systematization desi
4、gn),并行设计(Concurrent design) 人机工程学(Man-machine engineering，ergonomics) 模态设计(Modal design),现代设计方法的核心 机械创新设计(Innovative design),传统设计与现代设计的比较,传统设计与现代设计的比较,(三)机械现代设计和创新设计的特点 从经验积累上升到系统理论，更具科学性。 由漫长的相对稳定到充满活力的快速飞跃发展，更具创造性。 从较单一的应用力学体系发展到多学科融合的系统工程，更具多元性。 从设计的指导思想、理论体系以及设计技法、设计的物质手段都充分体现了最新的科学技术成就，更具完美性。 设
5、计“绿色机器”成了现代机械设计追求的目标。,二、创造性设计与创造性思维 创造性思维的主要特点 独特性； 多向发散性； 非逻辑性； 连动性； 综合性。,部分创造技法,第三节 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。,一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程,功能原理设计,根据需要制定机械的总功能，拟定实现
6、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,二、执行系统的功能原理设计 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
7、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。,功能原理设计的多方案性,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,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
8、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。,功能分解送料 冲制 退回,B,用最简单的方法实现功能举例,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,光、机、电、流体等知识的综合运用举例,指针,玛瑙 支撑,K向,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。,增加了一级光学放大镜，将读数放大。,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
9、法,形态学矩阵,评价法,功能元,2. 功能分析与功能求解 功能分析法(Function analysis)，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。,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
10、运动合成,间歇转动,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,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
11、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,齿轮传动,平行四边形机构,双曲柄机构,带传动,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。, 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
12、,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。,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
13、,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杆。,后一级子机构的主动件为前一级子机
14、构的连杆。,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。,大型船舶主传动机构,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。,各子机构有运动形式配合要求,磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式上有配合要求。,反馈式组合 在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。,校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差
15、动机构K使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。,机床校正机构,输入,4,1,4,2,1,3,K,2,复合式组合 由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式, 变异法,更换原动件,双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。,运动倒置,改变构件结构形状,将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。,改变构件运动尺寸,槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构,五、执行系统的协调设计 执行系统协调设计原则 满足各执行机构动作先后的顺序性要求 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求
16、 满足各执行机构在操作上的协同性要求 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高,执行构件动作的协调配合, 送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压, 冲头上移一段距离后，进行下次送料动作,折叠包装机构的两个执行构件,两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。,让刀运动,执行构件运动速度的协调配合,切削运动,i0,齿轮插刀加工,让刀运动,范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。, 执行系统协调设计方法 确定机械的工作循环周期 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间 确定各执行构件动作间的配合关系, 机械运动循环图 用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。 通常
