12-1_机械总体方案设计概述12-2_机械执行系统的方案设计12-3_原动...
12-1 机械总体方案设计概述 12-2 机械执行系统的方案设计 12-3 原动机的选择 12-4 机械传动系统的方案设计,第十四章 机械系统方案设计,Design of Mechanism Systems,一、机械产品的设计过程,初期规划设计阶段 总体方案设计阶段 结构技术设计阶段 生产施工设计阶段,机械产品设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。,§14-1 机械总体方案设计概述,机械新产品的开发设计过程一般可以分为四个阶段：,1. 初期规划设计阶段,选题,调研和预测,可行性论证,确定设计任务,阶段成果：,2. 总体方案设计阶段,目标分析,创新构思,方案拟定,方案评价,方案决策,总体方案示意图 机械系统运动简图 方案设计计算说明书,阶段成果：,一、机械产品的设计过程（续）,3. 结构技术设计阶段,结构方案拟定,造型设计,结构设计,材料选择与尺寸设计,设计图绘制,阶段成果 全套设计图纸 设计计算说明书,4. 生产施工设计阶段,工艺设计,工装设计,施工设计,阶段成果 工艺流程卡片、工装设计图 基础安装图、技术文件 使用说明书、备件明细表,一、机械产品的设计过程（续）,二、机械总体方案设计的目的,总体方案设计阶段的工作是实现机械产品初期规划阶段所提出的设计目标的关键。 产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、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阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。,机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。,三、机械系统的组成,四、机械总体方案设计的内容, 执行系统的方案设计。主要包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。, 原动机类型的选择和传动系统的方案设计。其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。, 控制系统的方案设计., 其它辅助系统的设计。主要包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等的设计。,§14-2执行系统的功能原理设计,1、功能原理的构思与选择 功能原理设计：根据机械预期实现的功能要求，构思出所可能的功能原理，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，从中选出即能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。实现同一功能要求，可以有许多不同的工作原理可选择，选择的工作原理不同，执行系统的方案也必然不同。,例1 螺纹加工功能原理选择。 为了加工出螺栓上的螺纹，可以采用车削原理，也可以采用套丝工作原理，还可以采用滚压工作原理。这几种不同的加工原理适用于不同的场合，满足不同的加工需要，其执行系统的运动方案也各不相同。,例2 糖果包装机功能原理选择 要求设计包装糖果的糖果包装机，如图117所示。,图117,图（a）所示为扭结式包装原理，图（b）所示的折叠式包装原理，图（c）所示的接缝式包装原理。三种方法的工作原理不同，工艺动作显然不同，所设计的机械的运动方案也完全不同,§14-2机构选型,1、实现执行构件各种运动形式的常用机构 实现执行机构某一运动形式的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求，受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较，然后择优而取。实现执行构件各种运动形式的常用机构有：,1）实现连续旋转运动的机构： 双曲柄机构（包括平行四边形机构、双滑块机构），转动导杆机构，定轴齿轮传动机构（包括圆柱、圆锥、交错轴斜齿轮传动机构等），蜗杆传动机构，周转轮系机构（包括少齿差、摆线针轮、谐波齿轮传动机构等），各种摩擦轮传动机构，各种柔型传动机构（如带传动，链传动等），非圆齿轮传动，齿轮连杆机构，链轮连杆机构，单、双万向联轴节等都能实现连续旋转运动。,2）实现间歇旋转运动的机构： 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等都能实现间歇旋转运动。,3）实现往复摆动的机构： 曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构（包括等腰梯形机构）、由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆动的组合机构等都能够实现往复摆动。,4）实现间歇往复摆动的机构： 带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇往复摆动。此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸（或汽缸），也能实现间歇往复摆动。,5）实现往复移动的机构： 曲柄滑块机构，正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、各种移动从动件凸轮机构等都能够实现往复移动。此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇杆滑块机构的组合也能实现往复移动。,6）实现间歇往复移动的机构： 利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮移动导杆机构组合等都能够实现间歇往复移动。此外，棘轮棘齿条机构还能实现单向间歇直线移动运动。,7）实现刚体导引引动的机构： 铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮连杆机构、齿轮连杆机构等的连杆机构都能实现刚体导引运动。,8）实现给定曲线（轨迹）运动的机构： 利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构，如凸轮连杆机构、齿轮连杆机构等。,2、机构选型的基本原则 1）原动机的运动形式,2）机构选型的基本原则 在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且还应该遵循下列的基本原则：,（1）满足工艺动作和运动要求。 选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦，而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑，优先采用低副机构。,（2）结构最简单，传动链最短 在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少，运动副数目也要少。这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且还可以减少机构的累计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。,例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直线运动，而且从动件的行程不要太大，可采用如图119（a）或（b）所示的结构。为实现直线运动，也可采用如图119（c）或（d）所示的结构。,（a） （b）,（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量 目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。,例如两种摆杆机构的方案，显然，如图1110（a）所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构更简单，速度比较容易控制；而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a）复杂得多。,（4）机构有尽可能好的动力性能 这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。,（5）加工制造方便，经济成本低 降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低副机构，因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。此外，在保证使用条件的前提下，尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济效益的目的。,（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用 在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。,（7）具有较高的生产效率和机械效率 选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机关年纪效益的只要手段之一。在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。,此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。,§14-3执行机构运动协调设计,当根据生产工艺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，形成一个完整的运动系统，使这些机构以一定的次序协调动作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程的设计。,并满足以下要求： 1）执行机构中的执行构件的动作必须满足工艺要求。通常以工艺过程某一执行动作开始点作为运动循环（即工作循环）的起点，各执行机构动作按一定顺序进行，保证各执行机构执行动作的时间同步。 2）各执行机构中执行构件的动作必须保证空间同步，它们之间不应产生空间干涉。,3）在保证时间、空间同步化，运动轨迹不干涉的前提下，应使各执行机构的动作时间尽量重合，工作循环周期尽可能短，以提高机器的生产率。 4）一个执行机构动作结束到另一个执行机构动作起始点之间应有适当的间隔，以避免这两个机构在动作衔接处发生干涉。,1、执行机构的动作在时间上协调配合,2、各执行机构的动作在空间上协调配合,3、各执行构件运动速度的协调配合,实例1,实例2,有些机械要求各个执行构件之间必须保持严格的速比关系，例如滚齿或插齿机按范成法加工齿轮时，刀具和齿坯间的范成运动必须保证预定的传动比，以便刀具的渐开线齿廓在被加工轮坯上包络出与刀具齿廓共轭的渐开线齿廓，如图1114所示。,5、多个机构完成一个执行动作时各执行机构运动的协调配合,6、执行机构的协调动作和机器的程序控制,1.机器的运动循环是指机器完成其功能所需的总时间，用字母表示。机器的运动循环（又称工作循环）往往与各执行机构的运动循环相一致，因为一般来说执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏,执行机构的运动循环可表示为： T执=T工作+T空程+T停歇,§14-4 机器的运动循环,2、机器运动循环图的类型,机器的运动循环图又称工作循环图，它是描述各执行机构之间有序的、既相互制约又相互协调配合的运动关系示意图。,通常运动循环图有如下几种： 1）直线式运动循环图,2）圆周式运动循环图,3）直角坐标式运动循环图,在上述三种类型的运动循环中，直角坐标式运动循环图不仅能表示出这些执行机构中构件动作的先后，而且还能描述它们的运动规律及运动上的配合关系，直观性强，比其他两种运动循环图更能反映执行机构的运动特征，所以在设计机器时，通常优先采用直角坐标式运动循环图。,执行系统方案设计的过程和内容,机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的运动形式有关，而且还与机构的输入构件（主动件）有关，而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。,§ 14-5 原动机的选择,常用的原动机的输出运动形式可分为： （1）连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马达等
