机械原理ppt课件 (4).ppt

第七章机械系统运动方案设计,第一节机械总体方案设计机械系统方案设计是机械产品创新与质量保证的首要环节。一般而言，机械产品是以机械运动为特征的技术系统，所以机械系统方案设计的核心是机械运动方案设计，它在机械系统设计的总体中，占有十分重要的地位，也是最具创造性和综合性的内容。一、机械产品的设计过程机械设计的一般进程，可以分为五个阶段，即：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)和改进设计。二、机械总体方案设计的目的和内容(一)总体方案设计的目的进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计的要求和条件，进行功能原理设计，拟定机械功能结构方案，选择机构类型，得出若干机械系统运动方案，为详细的结构设计及设计方案的评价、优选、决策做好准备工作。,(二)总体方案设计的内容1.执行系统的方案设计主要有功能原理设计、动作及运动设计、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。2.原动机类型的选择和传动系统的方案设计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。3.控制系统的方案设计4.其它辅助系统的设计包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保障系统和照明系统等的设计。,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的设计工作大致经历了以下几个阶段：1.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。2.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、模拟和试凑等设计方法进行设计。3.半理论半经验设计阶段加强了设计基础理论、各种专业机械产品设计机理以及关键零部件的设计研究，使设计者能够充分利用数据、图表和手册等进行设计，减少了设计的盲目性，增加合理性。,(二)现代设计方法的产生由于电子计算机日渐广泛的应用，设计方法学(Designmethodology)和创造方法学(Creationmethodology)的迅速发展以及科学技术的进步，使机械产品的设计工作发生了质的变化，出现了一系列新兴学科分支，主要有设计方法学、优化设计(Optimaldesign)、价值工程(Valueengineering)、计算机辅助设计(CAD)、可靠性设计(Reliabilitydesign)、工业艺术造型设计(Visualdesign)、模块化设计(Modulardesign)、反求工程(Inverseengineering)、有限元法(Finiteelementmethod)、机械动态设计(Dynamicdesign)等等。还有其它新的设计方法，如相似性设计(Similaritydesign)、系统化设计(Systematizationdesign)、并行设计(Concurrentdesign)、人机工程学(Man-machineengineering，ergonomics)、模态设计(Modaldesign)等等。现代设计在设计指导思想、设计对象、设计方法和设计手段上都有着显著特点和先进性。机械创新设计(Creativedesign)是现代机械设计的核心，机械系统运动方案设计的每一个环节，都包含有创新设计的内容，都离不开创造性思维。,(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设计是现代设计的基石。在工程设计中，无论是确定技术原理、还是确定系统的功能结构，乃至具体零件的尺寸、形状、制造方法等，充分发挥人的创造力，就能创造出各种原理独特、结构新颖的机械产品。创造性思维具有独立性、连动性、多向性、跨越性和综合性的特点。,第三节机械执行系统运动方案设计执行系统是机械系统中的重要组成部分，是直接完成机械系统预期工作任务的部分。执行系统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。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。一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程执行系统运动方案设计，是在产品规划明确拟定了其功能目标后进行的。其过程表示在图中。,功能原理设计根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现所需的功能要求。采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异，因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时在满足要求的前提下尽可能多采用几个方案。动作及运动设计根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。执行机构型式设计实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。,执行系统的协调设计对于由多个执行构件及执行机构组合而成的复杂机械，必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调配合，以完成预期的工作要求。机构的尺度设计对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构的运动学尺寸，如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸等等。运动和动力分析对整个系统进行运动分析和动力分析，检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价。实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理；实现同一种工作原理，可以选择不同的运动规律；实现同一种运动规律，可以采用不同型式的机构。因此，为了实现同一种预期的功能要求，可以有多种不同的方案。机械执行系统方案设计所要研究的课题，就是如何合理地利用设计者的专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能的方案，并从中选出最佳方案。,二、执行系统运动方案设计的思路与策略(一)巧妙的构思根据设计对象的用途和要求，合理表述机械的功能目标或原理。通常表述越抽象，思路就会更宽。要充分关注在进行功能原理设计和工艺动作分解时要考虑的影响因素，如产品加工批量、品种、规格、生产率、质量与工艺要求、材料、生产流程、工艺路线及生产方式等。确定合适的技术原理。,找准功能原理设计的原点。仿生法。模仿人或动物的动作，进行分解，构思出实现预定工作原理的运动和结构。,搓元宵机,滚珠综合检测装置,充分考虑工作对象及物料的几何特性、力学特性。,(二)功能分析与功能求解1.功能分析功能分析法(Functionanalysis)是系统设计中拟定功能原理方案的主要方法。一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能(Totalfunction)。功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能元(Functionelement)，然后求解功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。,2.功能求解根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。任何一个复杂的机构系统所要实现的运动，都可以认为是由一些基本的功能元按一定规律组成的，根据功能元就易于找到相应的功能载体，实现功能元的求解。,基本功能元及符号表示,列出功能元解的目录。为了便于设计人员进行功能原理的构思，可以将有关的功能元解，按一定的分类排序原则，用矩阵表的形式列出。注意功能求解的技巧。进行功能求解时，应注意以下几点：确定工艺动作时要充分注意机械自身的特点把复杂的工艺动作先进行分解再合成分解后的运动规律要协调配合三、机械执行系统的功能原理及运动方案设计的多方案性为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现，选用不同的技术原理来完成。例1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、千分尺等例2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,例3糖果包装机设计,例4自动输送料板的装置,工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能时，应尽可能采用动作简单、工序少数的动作过程。例5加工内孔,例6加工平面,四、执行机构的型式设计与创新根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构型式来实现这些动作的工作过程，称为执行机构的型式设计，又称为机构的型综合。执行机构型式设计的优劣，直接影响机械的工作质量、使用效果和结构的繁简程度。这是一项极具创造性的工作。,(一)执行机构型式设计的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,s=2a,选择合适的运动副形式考虑动力源的形式,电动机作动力源,往复式油缸作动力源,保证机械的安全运转,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,(二)执行机构的选型按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能要求，从各种常用机构中进行分析、比较和选择。满足运动形式和功能变换的要求，是执行机构选型首先要考虑的因素。实现运动变换功能及其对应机构举例：实现运动合成与分解的机构(差动轮系、差动螺旋等)实现运动轴线变换的机构(空间齿轮机构、摩擦传动、气液传动等)实现转速变换的机构(所有非匀速变换机构)实现运动分支、连接、离合、过载保护等其他功能的机构和装置从运动变换的角度看，任何一个复杂的执行机构，都是由一些基本机构(如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构、平面五杆机构、差动轮系等)组成。,按功能转换形态学矩阵组合优选执行机构。总功能往往可以分解成若干分功能，即U=(Ui)i1，2，m实现不同分功能的机构集合可以表示为Tj=(ti1，ti2，tin)j=1,2,，n用Ui定义行，Tj定义列，以tij为元素构成功能转换形态学矩阵,方案总数为Nnm从功能转换形态矩阵中得出多种组合方案后，先从中剔除一些明显不符合要求的方案，然后筛选出一些较合理的由基本机构组合成的方案，以供进一步评价。,例7精锻机主机构的选型总功能：加压执行机构上下运动时，能锻出精度较高的毛坯。要求：驱动轴水平放置，加压执行构件竖直方向运动。执行机构应具有的分功能：运动形式变换功能运动轴线变向功能运动位移或速度缩小功能根据以上分析，可以得出加压执行机构总体功能的功能转换形态学矩阵。,加压执行机构功能形态学矩阵,满足精锻机功能要求的六种基本功能结构,精锻机的四种方案,(三)机构构型的创新设计从常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构造机构的型式，称为机构构型的创新设计。机构的构型创新设计主要由以下常用方法：1.充分利用现有机构的运动特点创新机构,利用连杆和摇杆的摆动特性构成的风扇摇头机构,利用连杆的导引运动特性构成的罩壳启闭机构,应用简单的周转轮系，将齿轮和转臂的构形和功能加以扩展的新型抓斗机构,应用摇杆滑块机构的传统抓斗机构,2.利用基本机构构型的变异设计新机构改变机构局部结构。,变换机构运动副的类型例如转动副与移动副的互换，高副和低副的转换。利用运动链形成机构的原理进行机构创新。,例8车轮减震机构的创新设计,有停歇特征的导杆机构,车轮减震机构的六种方案,(四)机构组合创新单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的要求。为了满足了生产发展所提出的许多新的更高的要求，人们尝试将各种基本机构进行适当的组合，使各基本机构既能发挥其特长，又能避免其本身固有的局限性，从而形成结构简单、设计方便、性能优良的机构系统，以满足生产中所提出的多种要求和提高生产自动化的程度。将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构或机械系统，称为机构的组合(Combinationofmechanisms)。机构的组合，其实质就是通过各种基本机构间以一定形式的相互联接，实现前置输出运动的变换、叠加和组调，得到输入输出不同于任何基本机构的运动学、动力学特征的新的机构或机械系统。基本机构主要是指连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。通过不同的组合方式将各种基本机构进行组合得到的新的机构或机械系统称为组合机构(Combinedmechanism)。组合机构的组成及特点,组合机构的类型及应用1.联动凸轮组合机构(Coupledcamcombinedmechanism)联动凸轮组合机构,放映机的抓片机构,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。,笔芯装配线送进机构,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。,2.凸轮齿轮组合机构(Cam-gearcombinedmechanism)凸轮齿轮组合机构3.凸轮连杆组合机构(Cam-linkagecombinedmechanism)凸轮连杆组合机构4.齿轮连杆组合机构(Gear-linkagecombinedmechanism)齿轮连杆组合机构,(五)执行机构型式设计实例例9牛头刨床切削运动机构基本要求：将连续回转运动转换为往复直线移动，刨头在切削过程中的移动速度应近似等速，具有急回特性，加速度的变化不