第九章 机械系统运动方案与创新设计

1、第九章第九章 机械系统运动方案与创新设计机械系统运动方案与创新设计 第一节第一节 机械系统概述机械系统概述 第二节第二节 机械系统运动方案的基本知识机械系统运动方案的基本知识 第三节第三节 机械系统运动方案设计的构思机械系统运动方案设计的构思 第四节第四节 机械系统的运动协调设计机械系统的运动协调设计 第五节第五节 机械系统运动方案设计的过程与机械系统运动方案设计的过程与 评估评估 第一节第一节 机械系统概述机械系统概述 机械系统可分为三大类：机械系统可分为三大类： 一、简单机械一、简单机械 仅由单一的基本机构组成的机械系统，这仅由单一的基本机构组成的机械系统，这 是最简单的机械系统。这些基本

2、机构可能是齿是最简单的机械系统。这些基本机构可能是齿 轮机构、凸轮机构、连杆机构或其他常用机构，轮机构、凸轮机构、连杆机构或其他常用机构， 其设计方法在机械原理和机械设计课程中已经其设计方法在机械原理和机械设计课程中已经 学过。学过。 简单机械示例简单机械示例 二、互不连接的简单机械组成的机械系统二、互不连接的简单机械组成的机械系统 这类是由若干个独立的基本机构组成的机这类是由若干个独立的基本机构组成的机 械系统，但各独立工作的机构运动必须满足运械系统，但各独立工作的机构运动必须满足运 动协调的条件。动协调的条件。 液压缸液压缸1 1 液压缸液压缸2 2 物料物料 输送带输送带1 1 输送带输

3、送带2 2 三、由基本机构连接组成的机械系统三、由基本机构连接组成的机械系统 这类是由若干个单一的基本机构经过串联、这类是由若干个单一的基本机构经过串联、 并联、叠加等组合方式连接到一起的机械系统。并联、叠加等组合方式连接到一起的机械系统。 第二节第二节 机械系统运动方案的基本知识机械系统运动方案的基本知识 原动机原动机+ +机械运动系统机械运动系统+ +控制系统控制系统 = = 机器机器 机械运动系统运动方案的设计指机器中的机械运动系统运动方案的设计指机器中的 运动系统，是机械设计的重点内容。运动系统，是机械设计的重点内容。 第三节第三节 机械系统运动方案设计的构思机械系统运动方案设计的构思

4、 一、传动机构系统的组成一、传动机构系统的组成 1 1、齿轮机构传动系统、齿轮机构传动系统 2 2、带传动与齿轮传动的组合系统、带传动与齿轮传动的组合系统 3 3、齿轮传动与螺旋传动的组合系统、齿轮传动与螺旋传动的组合系统 4 4、齿轮机构与万向联节机构的组合、齿轮机构与万向联节机构的组合 典型的传动方式典型的传动方式 二、典型传动装置的应用场合二、典型传动装置的应用场合 1 1、带传动：中心距大、传动比的精度要求低、带传动：中心距大、传动比的精度要求低 2 2、链传动：中心距大、传动比的精度要求低、链传动：中心距大、传动比的精度要求低 3 3、齿轮传动：传动效率高、体积小，传动比、齿轮传动：

5、传动效率高、体积小，传动比 准确准确 上述传动已经标准化。齿轮传动还分：圆上述传动已经标准化。齿轮传动还分：圆 柱齿轮、锥齿轮、蜗杆传动柱齿轮、锥齿轮、蜗杆传动 4 4、其他传动：液压传动、螺旋传动等，传动、其他传动：液压传动、螺旋传动等，传动 装置的设计通常比较容易。装置的设计通常比较容易。 典型传动装置的设计准则典型传动装置的设计准则 （1 1）在满足传动要求的前提下，尽量使机）在满足传动要求的前提下，尽量使机 构数目少，使传动链短。这样可提高机械效率，构数目少，使传动链短。这样可提高机械效率， 降低生产成本。降低生产成本。 （2 2）合理分配各级传动机构的传动比。传）合理分配各级传动机构

6、的传动比。传 动比的分配原则是：带传动的传动比小于动比的分配原则是：带传动的传动比小于3 3， 单级齿轮传动比小于单级齿轮传动比小于5 5。 （3 3）合理安排传动机构的次序。当总传）合理安排传动机构的次序。当总传 动比大于动比大于8 8时，要考虑多级传动。如有带传动时，要考虑多级传动。如有带传动 时一般将带传动放置到高速级，如采用不同类时一般将带传动放置到高速级，如采用不同类 型的齿轮机构组合，圆锥齿轮传动或蜗杆传动型的齿轮机构组合，圆锥齿轮传动或蜗杆传动 一般在高速级。链传动一般不宜在高速级。一般在高速级。链传动一般不宜在高速级。 （4 4）在满足要求的前提下，尽量采用平）在满足要求的前提

7、下，尽量采用平 面传动机构。使制造、组装与维修更加方便。面传动机构。使制造、组装与维修更加方便。 （5 5）在对尺寸要求较小时，可采用行星）在对尺寸要求较小时，可采用行星 轮系机构。轮系机构。 三、执行机构的设计原则三、执行机构的设计原则 1 1、按功能要求选择机构类型或机构组合形式、按功能要求选择机构类型或机构组合形式 2 2、确定最佳方案、确定最佳方案 3 3、整体运动方案评估。确定最佳方案、整体运动方案评估。确定最佳方案 运动变换与对应机构运动变换与对应机构 运运 动动 形形 态态机机 构构 类类 型型 1、转动转换为连续、转动转换为连续 转动转动 齿轮机构；带传动机构；链传动机构；平行

8、四边形机构；齿轮机构；带传动机构；链传动机构；平行四边形机构； 转动导杆机构；双转块机构等转动导杆机构；双转块机构等 2、转动转换为往复、转动转换为往复 摆动摆动 曲柄摇杆机构；摆动导杆机构；摆动凸轮机构等曲柄摇杆机构；摆动导杆机构；摆动凸轮机构等 3、转动转换为间歇、转动转换为间歇 转动转动 棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；分度凸轮机构棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；分度凸轮机构 等等 4、转动转换为往复、转动转换为往复 移动移动 齿轮齿条机构；曲柄滑块机构；正弦机构；凸轮机构；齿轮齿条机构；曲柄滑块机构；正弦机构；凸轮机构； 螺旋传动机构等螺旋传动机构等 5、转动转换为平面、转动转

9、换为平面 运动运动 平面连杆机构；行星轮系机构平面连杆机构；行星轮系机构 6、移动转换为连续、移动转换为连续 转动转动 齿轮齿条机构（齿条主动）；曲柄滑块机构齿轮齿条机构（齿条主动）；曲柄滑块机构(滑块主动滑块主动)； 反凸轮机构反凸轮机构 7、移动转换为往复、移动转换为往复 摆动摆动 反凸轮机构；滑块机构（滑块主动）反凸轮机构；滑块机构（滑块主动） 8、移动转换为移动、移动转换为移动反凸轮机构；双滑块机构反凸轮机构；双滑块机构 四、机械运动系统的总体设计原则四、机械运动系统的总体设计原则 1 1、完成即定功能目标、完成即定功能目标 2 2、性能可靠、性能可靠 3 3、制造成本低廉、制造成本低

10、廉 4 4、维修方便、维修方便 第四节第四节 机构系统的运动协调设计机构系统的运动协调设计 一、机构系统的运动协调一、机构系统的运动协调 有些机械是由几个简单的基本机构组成的，有些机械是由几个简单的基本机构组成的， 他们之间没有进行任何连接，而是独立存在，他们之间没有进行任何连接，而是独立存在， 但它们之间的运动却要求互相配合、协调动作。但它们之间的运动却要求互相配合、协调动作。 称此类设计问题为机构系统的运动协调设计。称此类设计问题为机构系统的运动协调设计。 上冲头加压机构上冲头加压机构 送料机构送料机构 下冲头加压机构下冲头加压机构 以压片机为例以压片机为例 上冲头上冲头 片状制品片状制品

11、 料桶料桶 料斗料斗 模具型腔模具型腔 下冲头下冲头 压片过程的工艺流程压片过程的工艺流程 二、运动协调设计二、运动协调设计 2020 80 40 10060 160200120180240220360260140280320 340300 上上 冲冲 头头 机机 构构 2020 80 40 10060 160200120180240220360260140280320 340300 下下 冲冲 头头 机机 构构 2020 80 40 10060 160200120180240220360260140280320 340300 送送 料料 机机 构构 压片机工作过程动画演示压片机工作过程动画演

12、示 第五节第五节 机械系统运动方案设计的过程与机械系统运动方案设计的过程与 评估评估 一、机械设计的一般步骤一、机械设计的一般步骤 1 1、市场调查；、市场调查； 2 2、提出产品的功能目标，明确设计任务；、提出产品的功能目标，明确设计任务； 3 3、选择机器的工作原理，确定工艺动作过程；、选择机器的工作原理，确定工艺动作过程； 4 4、按机器的动作要求确定所选择的机构数目、按机器的动作要求确定所选择的机构数目 与机构类型；与机构类型； 5 5、确定机器的工作执行机构与传动机构，进行、确定机器的工作执行机构与传动机构，进行 机械运动方案的总体设计；机械运动方案的总体设计； 6 6、进行运动协调

13、设计；、进行运动协调设计； 7 7、进行机构的尺度综合和传动机构的设计、进行机构的尺度综合和传动机构的设计 ； 8 8、进行机械结构设计，编写设计说明书；、进行机械结构设计，编写设计说明书； 9 9、制造样机并进行测试；、制造样机并进行测试； 1010、批量生产。、批量生产。 二、机械系统运动方案设计的内容二、机械系统运动方案设计的内容 1 1、根据机器的功能目标确定机器的工作原理、根据机器的功能目标确定机器的工作原理 2 2、按机器的工作原理确定机器的基本动作选、按机器的工作原理确定机器的基本动作选 执行机构执行机构 3 3、确定传动机构类型与原动机类型、确定传动机构类型与原动机类型 4 4

14、、按机器的基本动作选择实现对应动作的执、按机器的基本动作选择实现对应动作的执 行机构行机构 5 5、进行运动协调设计，完成机械运动方案的总、进行运动协调设计，完成机械运动方案的总 体设计体设计 6 6、对机械运动方案进行评估，选择最优方案、对机械运动方案进行评估，选择最优方案 7 7、进行尺度综合，设计机构系统的机构运动简、进行尺度综合，设计机构系统的机构运动简 图图 三、三、 机械系统运动方案的评价指标机械系统运动方案的评价指标 功能指标：功能指标：指实现预期设计目标的优劣程度指实现预期设计目标的优劣程度 技术指标：技术指标：主要指产品的位移、速度、加速度、主要指产品的位移、速度、加速度、

15、运动精度、力学特性、强度、刚度、可靠性、寿运动精度、力学特性、强度、刚度、可靠性、寿 命等指标。命等指标。 经济指标经济指标：主要指材料、制作与维修、能耗大：主要指材料、制作与维修、能耗大 小等指标。小等指标。 绿色指标：绿色指标：主要指产品的在制造、使用、维护主要指产品的在制造、使用、维护 等过程污染以及报废产品的可回收性等指标。等过程污染以及报废产品的可回收性等指标。 在方案的评价过程中，上述指标还要细化。在方案的评价过程中，上述指标还要细化。 四、机械系统运动方案的评价方法四、机械系统运动方案的评价方法 1 1、机械系统运动方案评价的指标、机械系统运动方案评价的指标 （1 1）完成实现功

16、能目标情况：）完成实现功能目标情况： （2 2）工作原理的先进程度：）工作原理的先进程度： （3 3）工作效率的高低：）工作效率的高低： （4 4）运转精度的高低：）运转精度的高低： （5 5）方案的复杂程度：）方案的复杂程度： （6 6）方案的实用性：）方案的实用性： （7 7）方案的可靠性：）方案的可靠性： （8 8）方案的新颖性：指方案的创造性。）方案的新颖性：指方案的创造性。 （9 9）方案的经济性：）方案的经济性： （1010）方案的绿色性：）方案的绿色性： 2 2、机械系统运动方案的评价方法、机械系统运动方案的评价方法 目前流行的评价方法有：关联矩阵法、模目前流行的评价方法有：关联

17、矩阵法、模 糊评价法和评分，其中评分法最为简单。糊评价法和评分，其中评分法最为简单。 评分法又分为加法评分法、连乘评分法和评分法又分为加法评分法、连乘评分法和 加乘评分法。这里介绍最简单的加法评分法。加乘评分法。这里介绍最简单的加法评分法。 表9-3 机械运动方案的评估 序号序号评评 价价 项项 目目评评 价价 等等 级级评价分数评价分数 1 完成实现功能目标情完成实现功能目标情 况况 优10 良8 中4 差3 2 工作原理的先进程度工作原理的先进程度 优10 良8 中4 差0 3 工作效率的高低工作效率的高低 优10 良8 中4 差0 4 运转精度的高低运转精度的高低 优10 良8 中4 差

18、0 5 方案的复杂程度方案的复杂程度 简单10 较复杂5 复杂0 6 方案的实用性方案的实用性 实用10 一般5 不实用0 7 方案的可靠性方案的可靠性 优10 良8 中4 差0 8 方案的新颖性方案的新颖性 优10 良8 中4 差0 9 方案的经济性方案的经济性 优10 良8 中4 差0 10 方案的绿色性方案的绿色性 优10 良5 中0 累计评价分数累计评价分数 五、机械系统运动方案设计实例分析五、机械系统运动方案设计实例分析 设计题目：电动大门的设计设计题目：电动大门的设计 1 1、电动大门的功能目标：实现大门的自动启、电动大门的功能目标：实现大门的自动启 闭闭 2 2、设计要求：门宽为、设计要求：门宽为4 4 6 6米，门高为米，门高为1.51.5 2 2米，米， 启闭时间为启闭时间为1010秒左右。秒左右。 3 3、设计方案的构思：、设计方案的构思： 运用发散思维方式，电动大门可分为平开门、运用发散思维方式，电动大门可分为平开门、 推拉门和升降门。平开门可分为双扇平开门和四推拉门和升降门。平开门可分