《机械运动方案》PPT课件.ppt

第九十一章 机械运动方案创新设计,主讲： 张青 副教授 上海交通大学 机械与动力工程学院 Nov. 2006 Tel: 62933054(o); 64192664(h) E-mail: ,第九十一章 机械运动方案创新设计,内容提要 基本要求 基本概念 本章教案 概述 机械的总功能 功能分解 机构选型 机械运动循环图设计 用形态学矩阵选择运动方案 机构尺度综合及机械运动简图 机械传动系统方案设计,目录,内容提要,基本了解机械运动方案设计的概念、过程 基本了解机构创新的方法 结合课程设计，进行机械运动方案的拟定和机械运动简图设计,基本要求,内容提要,功能分析 功能求解 机构创新方法 工作原理设计和工艺动作设计 执行机构的协调设计和运动循环图 机构选型 机械运动方案的构思与拟定 机械运动方案的评价 机械运动简图,基本概念,本章教案,现代机器的组成 机器设计过程 机器运动方案的设计过程,概述,现代机器的组成,五块论-德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。将机电一体化系统通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、四肢及躯体。 三环论-丹麦理工大学的Jacob Baur等人提出机械、电子、软件三个相关圆环，以此表示机电一体化系统的组成和相互关联。三环论 两子系统论-挪威科技大学的Bassam A Hussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。,现代机器的组成 几种观点,针对机电运动产品，我们的观点：,Back,模块化自相似结构,机器设计过程,Back,据统计，机器方案设计阶段仅占整个产品开发过程总成本的25%，但却决定了50%的产品特征（包括产品的性能、可制造性和生产成本）和75%的产品总成本。,机器运动方案的设计过程,机械运动方案(机械运动简图)设计就是按机械的工作过程和动作要求设计出若干机构组成的机构运动系统的运动简图。 机械运动方案(机械运动简图)的设计过程，是一个复杂的创造性思维过程。设计者不仅需要掌握深入的机械设计理论和方法，而且要具备丰富的实践经验，尤其需要创造技法，充分发挥创造力，使机械运动方案设计达到创新的高度。,Back,机械运动方案的设计流程包括： 功能分析求解 各机构的型数综合 机械运动示意图的选定 各机构尺度综合 根据功能要求对机械运动示意图进行分析评价 机械运动简图的绘制,总功能的确立 机械功能分析需求表,机械的总功能,总功能的确立,功能分析是设计的前提和基础选择机械的工作原理构思出工艺动作过程确定机构型式拟定机械的运动方案,设计者接受任务-明确功用-写出任务书 搜集有关技术资料、设计需求和用户要求； 列出机械功能分析需求表； 对列出的功能要求，作综合分析研究。,Back,机械功能分析需求表,Back,在这些功能中，要分清主功能(核心功能)、次功能，运动相关的功能、运动无关的功能,功能分解过程 同一种功能可选用不同的工作原理 工作原理的构思 功能扩展产品创新的有效途径 功能分解过程的运动功能表示,功能分解,本章教案,功能分解过程,机器功能多种多样，我们研究其中需要采用机械运动的方式实现的功能。 功能分解过程：把总功能分解成一系列相对独立的工艺动作，以此作为功能元，然后用树状功能图来描述。,例如，设计一四工位专用机床，其总功能可以分解成如下几个工艺动作： 1)安置工件的工作台要求进行间歇转动 n2 r/min； 2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作； 3)刀具以 n1 r/min 转动来切削工件。,Back,同一种功能可选用不同的工作原理,机械推拉原理,摩擦传动原理,气吸原理,齿轮加工方法,铣齿,插齿,拉齿,滚齿,单件生产,大批量 精加工,批量生产,批量生产,绘图仪,小型绘图场合,大型绘图场合,如转动转换成移动等，可采用推拉原理、摩擦传动原理或流体传动原理,分纸功能可采用三种工作原理 1)削纸原理：把纹版从库中逐张削出，可采用具有直线移动的凸轮机构或凸轮-连杆滑块机构。 2)吸纸原理：把纹版从库中逐张吸出，送至递纸位置。可采用气泵、气路、吸头和连杆机构。 3)摩擦分纸原理：利用摩擦力把纹版从库中逐张分离出来。可采用具有压紧摩擦力并使纹版向前推移的机构。,Back,工作原理的构思,实现同一机器功能有不同的工作原理。 如何寻找合适的工作原理往往决定了产品的创新性、性能和市场竞争力，从根本上决定了设计的成败与否。,例如洗衣机的工作原理的设计： 模仿人洗衣的动作，寻求可能的解决方案(揉搓、刷擦、捶打) 直接模仿行不通，则进一步往深层次分析：衣服洗干净的机理是什么衣物和脏被分离 寻求衣物和脏物分离的方法物理法(超声波)、化学法(利用洗衣粉)等 在此基础上，寻求实现该洗衣机理的技术方法(化学法洗衣粉+漂洗),Back,功能扩展产品创新的有效途径,产品创新除了寻求新的工作原理及其实现方式之外，还可以通过产品功能的扩展来达到。,Back,功能分解过程的运动功能表示,例如，四工位专用机床，其总功能分解成如下几个工艺动作： 1)安置工件的工作台要求进行间歇转动 n2 r/min； 2)装置刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作； 3)刀具以 n1 r/min 转动来切削工件。,图示为四工位专用机床的运动转换功能图。 它描述了原动机(电动机)至执行构件、刀具、工作台、主轴箱之间的运动转换功能。 中间矩形框内表示传动机构、执行机构的运动转换基本功能图，末端平行四边形框内表示执行构件的运动形式。 该机床由两个原动机通过两条传动链来实现执行构件的预期运动。,Back,本章教案,常见的运动形式 同一种工作原理可选用不同的机构 同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构,机构选型,常见的运动形式,机器的某种工艺动作都对应着某种运动形式 执行构件常见的运动形式与表达符号见下表,Back,同一种工作原理可选用不同的机构,如范成原理加工圆柱齿轮，可采用滚齿、插齿进行加工,插齿,滚齿,批量生产,批量生产,Back,同一种运动形式或轨迹可选择不同的机构,工艺动作执行构件的运动形式、规律或轨迹选择或创造不同型式的机构及其组合来实现,对心滑块机构,杠杆行程机构,活动齿轮倍增行程机构,油缸驱动的活动齿轮倍增行程机构,急回往复_基于曲柄摇杆机构,急回往复_基于摆动导杆机构,急回往复_基于转动导杆机构,精确直线导向机构,近似直线导向机构,移动副近似直线导向机构,用转动副代替移动副的近似直线导向机构,Back,本章教案,周期性与非周期性运动 执行机构的运动协调设计 机械运动循环图设计,机械运动循环图设计,周期性与非周期性运动,无周期性循环起重运输机、建筑机械：随地点、条件而变 周期性循环包装机、自动机床、轻工机械：定时间间隔，其位移、速度、加速度重复一次完成一个运动循环,Back,执行机构的运动协调设计,如图所示为粉料压片机，它由上冲头(六杆肘杆机构)、下冲头(双凸轮机构)、料筛传送机构(凸轮-连杆机构)所组成。 料筛由传送机构送至上、下冲头之间，通过上、下冲头加压把粉料压成片状。,根据生产工艺路线方案，此粉料压片机必须要实现以下五个动作： 1)移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装入型腔，同时将已经成型的药片推出； 2)料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔； 3)下冲头下沉至一定深度，以防止上冲头向下压制时将型腔内粉料扑出； 4)上冲头向下，下冲头向上，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好； 5)上冲头快速退出，下冲头随着将己成形的工件药片推出型腔完成压片工艺过程。 一个周期内完成一套工艺执行动作。,该机器特点是： 各执行动作是有序的、相互协调配合的，须进行协调设计。 各执行机构动作在时间上协调配合； 在空间上协调配合； 在速度上协调配合； 一个周期与下一个周期有一定间隔。,Back,机械运动循环图设计,粉料压片机的运动循环图 矩形运动循环图 横坐标：曲柄转角0o-360o 纵坐标：工艺动作,圆周式运动循环图 一周表示曲柄转角0o-360o 直观性强,直角坐标式运动循环图 横坐标：定标构件曲柄转角 纵坐标：各工艺动作的运动位移 可清楚看出各执行机构的运动状态和运动关系 优先采用,Back,运动转换功能图 形态学矩阵 实例：精锻机主机构方案设计,本章教案,用形态学矩阵选择运动方案,运动转换功能图,描述：原动机执行机构之间的传动链及运动转换方式,Back,形态学矩阵,纵坐标：功能元 横坐标：与功能匹配的机构 通过排列组合可构成多种机械运动方案,Back,设计者把系统分解成几个独立因素，并列出每个因素所包含的几种可能状态(作为列元素)构成形态学矩阵，通过组合找出可实施的方案。,实例：精锻机主机构方案设计,功能分析与分解,基本功能结构图,形态学矩阵,列出所有方案：N =6 63 = 1296 种 评价：剔除明显不合理的，再进行综合评价：是否满足预定的运动要求；运动链安排是否合理；运动精确度；制造难易；成本高低；是否满足环境、动力源、生产条件等限制条件。 选择几个方案。,几种运动方案,讨论： 形态学矩阵法的出发点是，认为许多发明创造并不是发明一种完全新的东西，而只不过是已有东西的新型组合。形态学矩阵法可以组合成许多方案，目的是借以发现新的设计方案。所以这种方法仅仅是运动方案拟定、构思方法中的一种，还可以运用其他创造性技法构思、创造其它新颖的机械运动方案。 用形态学矩阵法选定的机械运动方案，还不能完全确定所选机构一定能定量地实现执行机构所需的运动参数，所以必须对各机构进行尺度综合。如果经尺度综合的机构不能满足预定的运动要求，则必须重新进行机构选型，重新或部分改变机械的运动方案。,Back,各机构的尺度综合 绘制机械运动简图,本章教案,机构尺度综合及机械运动简图,各机构的尺度综合,运动方案确定了机构的型及其相关联的情况 由选择的机构，确定其尺寸：构件的几何尺寸、几何形状（如凸轮廓线等），验证是否满足了预定的位移、速度、加速度、轨迹等要求 机构尺度综合