《机械运动方案设计》PPT课件.ppt

了解产品设计过程和机械总体方案设计的内容；了解机械执行系统方案设计的过程和内容了解常用原动机的类型和特点及其选取原则；了解拟定简单机械传动系统方案的过程。,教学目标,第五章机械运动方案设计,5-1概述5-2机械执行系统的方案设计5-3原动机的选择5-4机械传动系统的方案设计5-5控制系统设计简介,第五章机械运动方案设计,一、机械产品的设计过程,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。,5-1概述,机械新产品的开发设计过程一般分为四个阶段：,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：,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,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,二、机械总体方案设计的目的,本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)。,机械产品市场上的竞争力？,质量好,价格低,有新意的产品,产品开发：,机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统(工作机)和控制系统所组成。,三、机械系统的组成,机械系统中的驱动部分，它为系统提供能量或动力，并将能量转化为系统所需要的运动形式。,机械系统中的执行部分，系统通过这部分中某些构件的运动实现系统的功能。,保证系统正常工作，改善操作条件，延长使用寿命等，如系统中使用的冷却装置、润滑装置、消声装置、安全保险和防尘装置等。,把原动机和工作机有机联系起来，实现能量传递和运动形式的转换。,通过控制元件或控制装置对系统进行控制。,四、机械总体方案设计,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。,(一)设计的内容,1.现代设计理念,（1）社会性（2）创造性（3）广义性（4）宜人性,（5）最优化（6）动态化（7）智能化（8）数字化,(二)设计思想与设计过程,设计思想,2.系统工程理念,现代机械产品不论大小都可以看作是一个系统。按照系统工程的理念，组成机械系统的子系统在产品的整合运行中充分发挥各自的特定功能，并最终体现系统的整体功能。按照系统工程理念进行的设计无论是局部还是整体，其功能和性能都应该是成功的。,3.工程设计的理念,工程设计是一种讲究应用性的“发明与创新”活动，除包括技术成分外，还包括了许多非技术的成分。因此，在机械设计总体方案的拟定中，既要充分运用自然科学中的科学原理，还要考虑一些非自然科学的因素，如考虑当时当地的自然环境、社会、人文艺术、经济、技术等众多因素的制约和影响。,设计过程:总体方案设计的步骤,(三)总体方案创新设计,1发明新工作原理:突破常规惯例发明新工作原理；也可融合不同学科知识和综合技术，结合不同层次、不同类型的机构组合等,形成新工作原理。,2机构创新:对完成各工艺动作和功能的机构运动方案进行构思,对各机构的结构尺寸参数等进行综合与变异，重新构筑机构的型式。,3多方案优选:创新设计从多方面和多视角寻求多种解决问题的途径,众多设计方案中搜索并不断优化，通过综合指标对总体方案的评价,确定出最佳总体设计方案。,常用机构系统创新设计方法有:机构系统搜索法逻辑积木法形态学矩阵法广义机构综合法。机械系统总体方案设计中的创新设计可体现在：,经济影响分析,为降低产品成本，在设计产品时应着重考虑：(1)正确区分产品的必要功能和不必要功能,去掉不必要功能以节省生产费用。(2)提高设计效率、缩短设计周期,尽可能减少产品的设计费用。(3)尽可能减少材料的费用(4)尽量减少加工费用(5)认真做好市场调查研究。,(四)经济与环境的影响,社会环境影响分析,设计时应考虑的社会环境影响主要有：(1)设计的产品应符合国家科技政策和科技发展规划的目标(2)设计的产品应符合环境保护的要求(3)设计的产品应符合人机系统安全可靠的要求(4)设计的产品应符合有利于提高生产力(5)设计的产品应符合有益于综合利用,设计人员必须通过分析、比较各方案的功能、性能、价值，经过科学的评价和决策，以获得最满意的设计方案。,评价准则包含设计目标和设计指标两方面内容。,设计目标是指从哪些方面、用什么原则来评价设计方案，一般为定性评价，也可以作定量评价。设计指标(功能/技术/经济/绿色指标)是指具体的约束与限制，可以进行定量评价.,(五)方案评价与决策,1方案评价与决策的意义,2评价准则、评价指标和评价体系,3评价方法,4方案决策,1)经验性的概略评价法(评分法)；2)计算性的数学分析评价法(价值工程法/系统工程评价法/关联矩阵法/模糊评价法);3)实践性的试验评价法。当工程问题不太复杂、方案不多时，可采用经验性的概略评价法。,一般情况，方案决策时所选定的方案应该是总价值最高的方案，但实际操作中往往会得出几个价值相接近的方案。选用总价值略低但各分价值均衡性好的方案是较明智的选择。,一、执行系统方案设计的过程,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这一功能要求。,运动规律设计：指为实现上述工作原理而决定选择何种运动规律(最常用方法是仿真法和思维扩展法)。,执行机构型式设计：指究竟选择何种机构来实现上述运动规律(选型构型构思方案,组成功能技术矩阵图)。,框图表示,二、执行系统方案设计的内容,执行机构的协调设计：就是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和配合,设计出协调配合图。,5-2机械执行系统的方案设计,机构尺度设计：是指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尺寸，绘制出各执行机构的运动简图。,运动和动力分析：即对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验其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。前者是指对结构的繁简、尺寸的大小、加工的难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的具体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较，从而对设计方案作出评价。,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，可以选择不同型式的机构。,获得多种不同的方案,给定某种预期功能要求,机械执行系统方案设计所要研究的问题，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。,机械执行系统方案设计流程图,工艺动作分解方法1,工艺动作分解方法2,工艺动作分解方法3,机构型式,工艺动作分解方法n,连杆机构,凸轮机构,其它机构,机构组合,结构变异,一、原动机的类型和特点,电动机的类型很多，不同类型的电动机具有不同的结构型式和特性，可满足不同的工作环境和机械不同的负载特性要求。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。,1.动力电动机,5-3原动机的选择,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。,伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。,2.控制电动机(伺服电动机),特点：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。,(1)分类按燃料种类分：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运动形式分:往复活塞式和旋转活塞式(2)特点及应用,3.内燃机,缺点为对燃油的要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。,优点是功率范围宽、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。,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。,4.液压马达,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。,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、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,步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速，它主要用在精度不高，工作阻力不大的开环控制中。步进电机有三相和五相输入形式，输入频率一般小于10K，步距角一般有0.75度，一般运用转速较低。,6.步进电机,1.选择原则,二、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。,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。,2.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。,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,液压马达,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、600r/mim,间歇运动,3.原动机转速的选择,原动机本身的综合因素。例如,对于电动机来说,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。,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(主要考虑执行系统的调速范围要求和传动系统的结构和性能要求)。还需考虑：,一般原动机的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的总传动比得到。,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。,原动机的容量通常用功率表示,选择原动机的容量需留有一定的裕量，以适应负载波动、起动和瞬时过载等情况。,一、传动系统的作用及其设计过程,传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机的运动和动力传递给执行系统。除进行功率传递，使执行机构能克服阻力作功外，它还起着如下重要作用：实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动；实现某些操纵控制功能(如启动、离合、制动、换向)等。,传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计了。,5-4机械传动系统的方案设计,3.拟定传动链的布置方案。即根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置的传动特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。,4.分配传动比。即根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配至各级传动机构。,5.确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动机构的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。,6.绘制传动系统运动简图。,2.选择传动类型。即根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。,1.确定传动系统的总传动比。,传动系统设计过程：,二、传动类型的选择,1.传动的类型和特点,按传动的方式分：,机械传动：利用机构所实现的传动称为机械传动。其优点是工作稳定、可靠，对环境的干扰不敏感。缺点是响应速度较慢、控制欠灵活。,液压、液力传动：利用液压泵、阀、执行器等液压元器件实现的传动称为液压传动；液力传动则是利用叶轮通过液体的动能变化来传递能量的。液压液力传动的主要优点是速度、扭矩和功率均可连续调节；调速范围大，能迅速换向和变速；传递功率大；结构简单，易实现系列化、标准化，使用寿命长；易实现远距离控制、动作快速；能实现过载保护。缺点主要是传动效率低，不如机械传动精确；制造、安装精度要求高；对油液质量和密封性要求高。,气压传动以压缩空气为工作介质的传动。优点:易快速实现往复移动、摆动和高速转动，调速方便；气压元件结构简单、适合标准化、系列化，易制造、易操纵向应速度快、可直接用气压信号实现系统控制，完成复杂动作；管路压力损失小，适于远距离输送；与液压传动相比，经济且不易污染环境，安全、能适应恶劣的工作环境。缺点：传动效率低；因压力不能太高，故不能传递大功率，因空气的可压缩性，故载荷变化时，传递运动不太平稳，排气噪音大。,电气传动:利用电动机和电气装置实现的传动。电气传动的特点是传动效率高、控制灵活、易于实现自动化。,按传动比和输出速度的变化情况分：,定传动比传动。输入与输出转速对应，适用于执行机构的工况固定、或其工况与原动机对应变化的场合。,变传动比有级变速传动。一个输入转速可对应于若干个输出转速，适用于原动机工况固定，而执行机构有若干种工况的场合，或用于扩大原动机的调速范围。,变传动比无级变速传动。一个输入转速对应于某一范围内无限多个输出转速，适用于执行机构工况很多或最佳工况不明确的情况。,变传动比周期性变速传动。输出角速度是输入角速度的周期性函数，以实现函数传动或改善动力特性。,2.选择传动类型的原则,执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配。,考虑工作要求传递的功率和运转速度。,有利于提高传动效率。在满足系统功能要求的前提下，优先选用效率高的传动类型；在满足传动比、功率等技术指标的条件下，尽可能选用单级传动，以缩短传动链，提高传动效率。,尽可能选择结构简单的单级传动装置,考虑结构布置根据原动机输出轴与执行系统输入轴的相对位置和距离来考虑系统结构布置，并选择传动类型。,考虑经济性首先考虑选择寿命长的传动类型，其次考虑费用问题。,考虑机械安全运转和环境条件。要根据现场条件,包括场地大小、能源条件、工作环境，来选择传动类型。,串联式单路传动路线图,并联式分路传动路线图,(一)传动路线的选择,三、传动链的方案设计,混合式传动路线图,并联式多路联合传动路线图,(二)传动链顺序的布置,传动链顺序的布置应遵循如下原则：,1传动链应尽可能短2尽量提高机械效率3合理分配传动比4合理安排传动机构的顺序5保证机械安全运转,(三)各级传动比的分配,传动系统的总传动比确定后，需进行各级传动比分配。,传动比分配通常需要考虑：,(1)每一级传动比应在各类传动机构传动比的合理范围内选取。(2)中间轴有较高转速和较小扭矩时,轴及轴上的零件可取较小的尺寸,从而使整个结构较为紧凑。若为增速传动,应增速比逐渐减少;若为减速传动,则应减速比逐级增大,且相邻两级传动比之差不要太大。(3)对要求传动平稳、启停频繁和动态性能好的减速齿轮传动链，按最小转动惯量原则设计。(4)对变载荷的齿轮传动装置，各级传动比应尽可能采用不可约分的分数，且相啮合两轮的齿数最好为质数。各传动件间不要干涉、碰撞。(5)对提高传动精度、减小误差为主的减速传动链，输入端到输出端的传动比应按“前小后大”的原则来选取。同时应提高齿轮的制造精度。,4.机械传动系统的评价,一、控制系统及其组成,控制系统主要由控制和被控制两部分组成。,人工控制示意图,接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控制运动。,1控制装置2测速发电机3直流电动机4丝杠5工作台6角位移测量装置,数控机床进给控制系统,5-5控制系统设计简介,接受指令信号和被控制部分的反馈信号，向被控制部分发出控制信号。,控制系统由以下几个基本环节(元件/控制装置)组成：,1给定环节2测量环节3比较环节4校正及放大环节5执行环节,二、自动控制系统的分类,(一)按自动控制的方式分