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1、第十四章 机械系统的方案设计,第一节 概述,第二节 机械工作原理的拟定,第四节 机构的选择和变异,第三节 执行构件的运动设计和 原动机的选择,机械原理,第五节 机构的组合,第六节 机械系统方案的拟定,第一节 概述,第十四章 机械系统的方案设计,机械传动系统是指将原动机的运动和动力传递到执行构件的中间环节，它是机械的重要组成部分。 机械传动系统的作用不仅是转换运动形式，改变运动大小和保证各执行构件的协调配合工作等，而且还要将原动机的功率和转矩传递给执行构件，以克服生产阻力。除此之外，现代完善的机械传动系统，还具有运动操纵和控制功能，将光、机、电、液有机地组合，借助微机控制，自动实现机械所需要的完
2、整工作过程。,机械传动系统的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，降低制造成本与维护费用等影响很大，应认真对待。机械传动系统方案设计是一项创造性活动，要求设计者善于运用已有知识和实践经验，认真总结过去的有关工作，广泛收集、了解国内外的有关信息，充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法和技巧，以便设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。,第一节 概述,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,一、机械设计的一般过程:,第十四章 机械系统的方案设计,二、机械系统的方案设计,机械系统方案设计的一般步骤： 1.拟定机械的工作原理。制定机械的总
3、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。 2.执行构件和原动件的运动设计。确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调配合关系，并选定原动机的类型和运动参数。 3.机构的选型、变异与组合。根据机械的运动以及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统方案，绘制系统的示意图。,第十四章 机械系统的方案设计,二、机械系统的方案设计,4.机构的尺寸综合。确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。 5.方案分析。对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能的要求，进行适当的调整。以便为机械的工作能力和结构设计提供必要的依据。
4、6.方案评审。通过对众多方案的评比，选出最佳的机械系统方案。,第十四章 机械系统的方案设计,第二节 机械工作原理的拟定,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、传动方案、结构形式和成本等。所以需利用各种“创造技法”，并借鉴同类产品的经验和最新科技成果，以便拟定出合理的工作原理。 实现同一功能要求，不同的工作原理和许多不同的运 动方案。则其中必有好坏优劣之分。因此，在设计机械时，要其工作原理和运动方案进行综合评价，从中选出最佳设计方案。,车床,拉床,钻床,镗床,内螺纹孔加工,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,洗衣机,揉搓原理,刷擦原理,捶打原理,设计
5、模仿人手的机械手，难度大,很难把衣物各处都刷洗到,易损坏衣物,洗衣机,第十四章 机械系统的方案设计,(1) 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的数目的多少，但两者不一定相等，要针对机械的工艺过程及结构复杂性等进行具体分析。 (2) 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的运动要求。常见的运动形式有回转运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。前两种运动形式是最基本的。,1.执行构件的运动设计,第十四章 机械系统的方案设计,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,间歇旋转运动,往复摆动,旋转运动,连续旋转运动,缝纫机轴,步进滚轮的步进运动,铣床主轴
6、,电风扇的摆头,第十四章 机械系统的方案设计,执行构件上某点特定的曲线轨迹运动,间歇往复移动,单向间歇直线移动,直线运动,往复移动,冲床冲头的冲压运动,压缩机活塞的往复运动,供料机构的间歇供料运动,自动机床刀架的进退刀运动,缝纫机的送布牙运动,刨床工作台的进给运动,曲线运动,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,电影放映机抓片机构中的抓片爪运动,第十四章 机械系统的方案设计,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,啮合传动机构,连杆机构,实现连续旋转运动的机构,摩擦传动机构,摩擦轮传动,蜗杆传动,链传动,平行四边形机构,棘轮机构,齿轮-连杆机构,实现间歇旋转运动的机构,槽轮机构,不完全齿轮机构,
7、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,第十四章 机械系统的方案设计,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,第十四章 机械系统的方案设计,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,凸轮机构,组合机构,实现往复移动往复摆动运动的机构,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,六连杆机构,第十四章 机械系统的方案设计,(2) 执行构件的运动形式和运动参数,曲线运动又可分为如下两种：即沿固定不变的曲线运动，沿可变的曲线运动。 复合运
8、动是由上述几种单一运动组合而成的，复合运动的参数根据各单一运动形式及它们的协调配合关系而定。,1.执行构件的运动设计,第十四章 机械系统的方案设计,原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线运动等。当采用电动机、液压马达、气动马达和内燃机等原动机时，原动件作连续回转运动；液压马达和气动马达也可作往复摆动；当采用油缸、气缸或直线电动机等原动机时，原动件作往复直线运动。有时也用重锤、发条、电磁铁等作原动机。,2.原动机的类型及其运动参数的选择,第十四章 机械系统的方案设计,往复摆动,电 动 机,活塞式气缸,原动件运动形式,连续运动,往复移动,原动件的类型及其运动参数：,液压马达,气动马达,
9、气动马达,直线电机,柴油机,燃气轮机,汽油机,步进电机,使用最广泛的是交流异步电动机，其运动参数同步转速： 3000、1500、1000、750、600 r/mim,间歇运动,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,(1).动力电动机,主要优点为：驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启动、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为一般传动，电动机的功率范围很广。,主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。,根据使用电源的不同，又分为交流电动机和直流电动机两大类。,第十四章 机械系统的方案设计,(2).控制电动机（伺服电动机）,伺服电动机是指能精密控制系统
10、位置和角度的一类电动机。,特点： 它体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调节特性均为直线。,应用: 伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系统中。,第十四章 机械系统的方案设计,（3）.内燃机,按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机,按工作循环中的冲程数分:四冲程和二冲程内燃机,按汽缸数目分:单缸和多缸内燃机,按主要机构的运动形式分:往复活塞式和旋转活塞式,特点及应用,优点：功率范围宽、操作简便、启动迅速；适用于工作环境无电源的场合，多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。,缺点：对燃油的要求高，排气污染环境、噪音
11、大、结构复杂。,第十四章 机械系统的方案设计,液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能的动力装置。其主要优点是可获得很大的动力或转矩，可通过改变油量来调节执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工艺过程的动作要求。缺点是要求有高压油的供给系统，液压系统的制造装配要求高，否则易影响效率和运动精度。,（4）.液压马达,第十四章 机械系统的方案设计,气动马达是以压缩空气为动力，将气压能转变为机械能的动力装置。常用的有叶片式和活塞式。其主要优点为：工作介质为空气，故容易获取且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作迅速、反应快。缺点为：工作稳定性差
12、、噪音大，输出转矩不大，只适用于小型轻载的工作机械。,(5).气动马达,第十四章 机械系统的方案设计,(1).选择原则,原动机的选择, 考虑工作机械的负载特性、工作制度、启动和制动的频繁程度。, 考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特性(包括功率、转矩、转速等)相匹配，能否与工作机械的调速范围、工作的平稳性等相适应。,考虑机械系统整体结构布置的需要。,考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。,第十四章 机械系统的方案设计,原动机类型的选择, 若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度，应选用电动机。电动机的类型和型号较多，并具有各种特性，可满足不同类型工作机械的
13、要求。, 在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选用液压马达。,要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采用液压马达或气动马达。,要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采用气动马达。,要求对工作环境不造成污染，宜选用电动机或气动马达。,要求启动迅速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选用内燃机。,要求负载转矩大，转速低的工作机械或要求简化传动系统的减速装置，需要原动机与执行机构直接联接时，宜选用低速液压马达。,第十四章 机械系统的方案设计,（3）.原动机转速的选择,原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的。但需考虑：, 原动机本身的综合因素。例如，对于电动机
14、来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。, 传动系统的结构。若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。,（4）.原动机容量的选择,原动机的容量主要指功率。它是由负载所需的功率、转矩及工作制来决定的。负载的工作情况大致可分为连续恒负载；连续周期性变化负载；短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负载情况下所需的原动机容量的计算方法，可查阅有关手册。,冷霜自动灌装机完整的执行系统,第十四章 机械系统的方案设计,3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,定量泵活塞的往复运动,顶杆的往复运动
15、,轮盘的间歇转动,输送带的连续运动,第十四章 机械系统的方案设计,第十四章 机械系统的方案设计,当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定的次序协调工作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程，这就需要进行执行系统的协调设计。,1)各执行构件运动的协调配合关系：,对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此独立的机械，可分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独的原动机驱动。但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协调
16、关系。,3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,第十四章 机械系统的方案设计,3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图, 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；, 满足各执行机构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；, 各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。,协调设计的原则：,第十四章 机械系统的方案设计,3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图,协调设计的步骤：, 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协调配合关系。,例：冷霜自动灌装机。,根据设计任务书中给定的理论生产率Q=30 盒/min，计算出该机械运动的循环周期T=60/30=2s,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,基本动作
