第20章--机械系统的组成及方案设计

第四篇机械系统设计概论,第十九章机械系统的组成及方案设计,本章主要内容,机械系统的组成,机械系统总体方案设计,执行系统的方案设计,传动系统的方案设计,辅助控制系统设计,本章学习要求,1、了解组成机械系统的四个子系统。2、了解机械系统总体方案设计的设计思想、过程、内容、创新设计、影响因素及方案评价与决策。3、了解执行系统功能原理和运动规律设计；掌握执行系统的选型与构型的方法；掌握执行系统的协调设计及运动循环图的绘制。4、掌握传动类型的选择、传动路线与传动链顺序的安排、各级传动比的分配传动、原动机的选择计算，机械传动系统方案的拟定。5、了解控制系统设计的组成、分类及微机控制系统简介。,本章重点难点,2、传动系统方案设计中，传动类型的选择、传动路线与传动链顺序的安排、各级传动比的分配。,1、执行系统型式设计的方法（选型与构型）；执行系统的协调设计及运动循环图的绘制。,本章重点,本章难点,执行系统的型式设计（选型与构型）,第一节概述,机械系统是由若干零部件根据一定的功能要求和结构形式组成的有机整体。,机械系统方案设计是根据客观需求，确定预定目标，经过规划、构思、设想、分析和决策，建立能满足预定目标的技术系统的活动。,机械系统的优劣最终体现在整体功能上。因此，设计时应考虑整个系统的布局和运行，确定各子系统的性能和它们之间的联系，使整个系统获得理想的功能效果。,第二节机械系统的组成,现代机械系统的组成：,一、动力系统为机械系统正常工作提供动力源、实现能量转换的原动机（或动力机）及其配套装置。,大多数原动机采用电动机。,第二节机械系统的组成,二、传动系统,传动系统将原动机输出的动力和运动传递给执行系统的中间装置。,分类（按工作原理）：机械传动、液压传动、气压传动和电磁传动四类。,主要功能：1.传递运动2.变速3.按工作要求改变运动规律4.传递动力5.实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的驱动装置等,第二节机械系统的组成,三、执行系统,执行系统直接用来完成各种工艺动作或生产过程的装置，也称为工作机。,机械执行系统根据加工工艺要求进行设计，直接体现机械系统的功能要求。执行系统的运动设计是机械系统设计的关键之一。,执行系统一般置于机械系统末端，直接与作业对象接触，是整个机械系统的输出部分。,第二节机械系统的组成,四、辅助控制系统,辅助控制系统保证机械系统各组成部分协调运行，准确可靠地完成整机功能的装置。,辅助控制系统常由各种机械、液压、气动、电气、工业微机等控制装置组成。,第三节机械系统总体方案设计,一、设计思想与设计过程（一）设计思想,机械系统总体方案设计是整个设计工作中的重要组成部分和基础。总体方案设计是否合理，对机械系统的设计质量、工作性能、技术经济指标、市场竞争力等有重大影响。,1.现代设计理念,现代设计的理念主要体现以下几个方面：,（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,第三节机械系统总体方案设计,一、设计思想与设计过程（一）设计思想（续1）,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。,第三节机械系统总体方案设计,一、设计思想与设计过程（一）设计思想（续2）,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。,第三节机械系统总体方案设计,一、设计思想与设计过程（二）设计过程表191总体方案设计的步骤,第三节机械系统总体方案设计,一、设计思想与设计过程（三）设计内容,机械系统总体方案的主要设计内容：,1执行系统的方案设计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。,4确定总体设计方案包括对总体设计方案的评价决策，确定最优总体设计方案，并绘制机械系统运动简图、运动循环图，编制设计说明书。,3辅助控制系统的方案设计包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统、操作控制等的设计。,2原动机类型的选择和传动系统的方案设计包括原动机类型的选择，传动类型的选择和传动路线的拟定，传动链中机构顺序安排和各级传动比的分配，方案评价与决策。,第三节机械系统总体方案设计,二、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。,机械系统总体方案设计中的创新设计可体现在：,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，在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。,第三节机械系统总体方案设计,三、经济与环境的影响（一）经济影响分析,（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。,为降低产品成本，在设计产品时应着重考虑：,（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。,第三节机械系统总体方案设计,三、经济与环境的影响（二）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,第三节机械系统总体方案设计,四、方案评价与决策,（一）方案评价与决策的意义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。,（二）评价准则、评价指标和评价体系评价准则包含设计目标和设计指标两方面内容；,（三）评价方法,（四）方案决策,设计指标是指具体的约束与限制，可以进行定量评价.,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。,第三节机械系统总体方案设计,四、方案评价与决策(续1）表192机械系统的性能评价指标,第三节机械系统总体方案设计,四、方案评价与决策(续2）,第四节执行系统的方案设计,一、执行系统的功原理和运动规律设计,根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，然后根据使用要求或工艺要求，经分析比较，选择出能满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。,（一）执系统的功能原理设计,1执行系统运动方案的选择将一个工艺动作，分解成若干种简单运动。工艺动作分解的方法不同，所得到的运动方案也不同.应根据实际情况对各种运动方案认真分析比较，综合考虑各方面因素，从中选择出最佳运动方案。,2执行系统运动规律的设计执行系统运动规律设计常采用的方法是仿真法和思维扩展法。,（二）执行系统的运动规律设计,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（一）执行系统型式设计的原则,（1）满足执行机构的工艺动作要求和运动要求；（2）尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构；（3）尽量减小机构的尺寸；（4）选择合适的运动副形式；（5）选择合适的动力源形式；（6）具有良好的传递力性能和动力特性；（7）具有调节某些运动参数的能力；（8）保证机械的安全运转。,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（二）机构的选型,将各种机构按照其运动特性或动作功能进行分类，然后根据具体设计对象中执行构件所需的运动特性或动作功能，进行搜索、选择、比较和综合评价，优选出执行机构的理想型式的设计过程。,常见运动特性及相对应的机构见表183,第四节执行系统的方案设计,表183常见运动特性及相对应的机构,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（三）机构的构型,（参考十二章的内容）,以粉料压片机的主加压机构为例。,图126机构的时序式组合实例1、4、6凸轮2摆杆3料斗5下冲头7、8曲柄9上冲头10工件11模具,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续1）,构思方案，组成功能技术矩阵图,图192功能技术矩阵图,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续2）,图193初选方案,方案一,方案二,方案三,方案四,方案五,第四节执行系统的方案设计,二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续3）,以图所示的方案四为原型进行机构创新构型,(3)变异法创新构型,图195铰链四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合,（2）组合法创新构型,图194滑块机构与导杆机构的串联组合,（1）扩展法创新构型,图196摆动导杆机构与摆杆滑块机构串联组合,第四节执行系统的方案设计,三、执行系统的协调设计（一）执行系统协调设计的原则,（1）满足各执行机构动作先后的顺序性要求；,（2）满足各执行机构时间同步性要求；,（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；,（4）满足各执行机构操作上的协同性要求；,（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率；,（6）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。,第四节执行系统的方案设计,三、执行系统的协调设计（二）执行系统协调设计的方法,机械的运动循环（根据生产工艺）分为非周期性的可变运动循环和周期性的固定运动循环（生产中大多数机械都属于这类运动循环）。,执行系统协调设计的步骤如下：,3、确定各执行构件动作间的协调配合关系。,1、确定机械的工作循环周期；,2、确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程及其所需时间；,固定运动循环的机械，采用机械方式集中控制时，通常用分配轴或主轴与各执行机构的主动件联接起来，或者用分配轴上的凸轮控制各执行机构的主动件来达到系统协调的。,第四节执行系统的方案设计,三、执行系统的协调设计（三）机械运动循环图,直观描述在一个运动周期内，各执行构件各阶段所对应的位置和时间相互协调关系的图表，称机械运动循环图。,运动循环图的主要功能:,运动循环图的设计步骤：,第四节执行系统的方案设计,三、执行系统的协调设计（三）机械运动循环图（续）,运动循环图的形式、绘制方法和特点详见表194,圆周式,直角坐标式,直线式,第五节传动系统的方案设计,一、传动系统的方案设计过程,1确定传动系统的总传动比2选择传动类型3拟定总体布置4分配传动比5确定各级传动的基本参数和主要几何尺寸6运动学和动力学计算7绘制传动系统运动简图,第五节传动系统的方案设计,二、传动类型与选择,传动类型的选择与机械的传动方案设计相关联，选择的传动类型不同，得到的传动系统的方案也不同。,1系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配2满足工作要求传递的功率和运转速度3有利于提高效率4尽可能选择结构简单的传动装置5满足对传动尺寸、重量和布置方面的要求6符合经济性和标准化7考虑机械安全运转和环境条件8考虑操作和控制方式,选择原则：,第五节传动系统的方案设计,三、传动链的方案设计（一）传动路线的选择,图197串联式单路传动路线图,图198并联式分路传动路线图,第五节传动系统的方案设计,三、传动链的方案设计（一）传动路线的选择（续）,图1910混合式传动路线图,图199并联式多路联合传动路线图,第五节传动系统的方案设计,三、传动链的方案设计（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,第五节传动系统的方案设计,三、传动链的方案设计（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。,第五节传动系统的方案设计,四、原动机的选择,常用原动机的类型：1电动机2液压马达3气动马达4内燃机5伺服电动机,（一）原动机的类型及特点,（二）原动机的选择,1原动机的选择原则,2原动机类型的选择,影响原动机类型选择的因素主