《机械原理与设计（下册） 第3版》 第三篇 机械产品的方案设计与分析 课件 第二章 机械产品的运动方案设计与分析

第二章机械产品的运动方案设计与分析第一节机械产品运动方案的设计程序第二节机械产品运动方案的设计内容第三节机械产品运动方案的设计原则第四节机械产品运动方案的设计与评价第一节机械产品运动方案的设计程序机械产品运动方案设计的过程可用图3.2.1所示的机械运动简图设计的流程示意图来表示。包括以下几个主要内容：（一）功能原理设计所谓功能原理设计，就是根据机械预期实现的功能，考虑选用何种工作原理来实现这一功能要求。实现某种预期的功能要求，可以采用多种不同的工作原理，不同的工作原理需要不同的工艺动作。（二）运动规律设计所谓运动规律设计，是指为实现上述工作原理而决定选择何种运动规律。而实现同一工作原理，可以采用不同的运动规律。机械运动简图设计流程示意图（三）执行机构的型、数综合所谓机构的型、数综合，是指选择何种类型的机构以及确定有多少种机构可以实现上述运动规律。实现同一种运动规律，可以选用不同型式的机构。（四）执行系统的协调设计一部复杂的机械，通常由多个执行机构组合而成，各个执行机构中执行构件的运动必须按一定的时间和空间顺序进行。所谓执行系统的协调设计，就是根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构在时间及空间上如何协调和配合，设计出协调配合图，通常又称机械的运动循环图，它具有指导各执行机构的设计、安装和调试的作用。粉料压片机械系统（五）机构的尺度设计所谓机构的尺度设计，是指根据各执行构件、原动件的运动参数，以及各执行构件的协调配合要求、动力性能要求，确定各执行机构中构件的几何尺寸（指机构的运动尺寸）或几何形状（如凸轮轮廓）等，绘制出各执行机构的运动简图。（六）运动和动力分析对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验是否满足运动要求和动力性能要求。（七）方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价。定性评价是指对结构的繁简、尺寸的大小、加工的难易等进行评价。定量评价是指将运动和动力分析后所得的执行机构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第二节机械产品运动方案的设计内容机械产品的运动方案设计主要内容：（1）功能原理方案的设计与构思根据机械所要实现的功能（功用）采用有关的工作原理，由工作原理出发设计和构思出工艺动作（即机械执行构件的运动）过程。（2）机械系统运动方案设计机械运动方案就是机构运动简图设计中的型综合，其示意图是进行机构运动简图尺度设计的依据。（3）机械运动简图的尺度综合根据工艺动作运动规律和机械运动循环图的要求进行运动学尺度综合。同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。（4）机械系统运动方案的评价如何建立合理的评价体系，采用正确的评价方法，从诸多方案中找出较优方案是机械系统运动方案设计的重要内容。第三节机械产品运动方案的设计原则一、机械系统尽可能简单在构思机械系统运动方案时，除了满足基本的功能要求外，还应遵循以下几项原则：（一）尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构在保证实现功能要求的前提下（包括通过自由度计算，保证机构具有确定运动），应尽量采用构件数和运动副数较少的机构（二）选择合适的运动副形式运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要作用，它直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度等。（三）选择合适的动力源选择合适的动力源，有利于简化机械结构和改善机械性能。随着控制技术的发展，多原动机驱动形式将广泛应用于机械系统中。二、尽量缩小机构尺寸设计机械时，在满足功能要求的前提下，总希望机构结构紧凑、尺寸小、重量轻。而机构的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。三、机构具有较好的动力特性应注意选用具有最大传动角、最大增力系数和效率较高的机构，这样可减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸与重量。四、机构具有调节某些运动参数的能力机构运动参数的调节，在不同情况下有不同的办法。一般来说，可通过选择和设计具有两个自由度的机构来实现。五、保证机械的安全运转在进行执行机构设计时，必须考虑机械的安全运转问题，以防发生机械的损坏，出现生产和人身事故的可能性。如机械中的过载保护装置，起重机的自锁机构等。六、机械系统应具有良好的人—机性能基于这种思想，在进行机械系统方案设计时，要考虑如下因素：1）设计的机器应能适合90%以上的工人操作，即应以人体测量参数为工作岗位设计的依据。2）机器的工作频率会影响工人的劳动强度和作业负荷，设计时应使工人的劳动强度和作业负荷符合劳动卫生原则，确保职工的身心健康。3）机器的信号显示和操纵部分的设计应便于观察和操作，操纵器的用力方向和大小要适合人体生理特点。4）设计的机械系统应符合环保的要求。第四节机械产品运动方案的设计与评价一、机械产品运动方案的构思与拟定机械产品运动方案的构思与拟定一般按照机械运动简图设计的流程（见图3-2-1）进行，主要步骤如下：（1）功能原理的构思与选择功能原理设计的任务，就是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，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，从中选出既满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。因此，功能原理设计的过程是一个创造性的过程。（2）执行系统的运动规律设计运动规律设计的目的，是根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，然后从中选取最为简单实用的运动规律，作为机械的运动方案。而一个复杂的工艺过程，往往需要多种动作，一个复杂的动作又可以由一些最基本的运动合成。因此，运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作，工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不相同。（3）执行机构的型式设计一般来说，一个执行构件的运动形式可由几种不同形式的机构来实现，机构型式的优劣，将直接影响到机械的工作质量、使用效果和结构的繁简程度。它是机械系统运动方案设计中极具创造性的工作。执行机构型式设计的方法有两类，即机构的选型和构型。1）机构的选型利用发散思维方法，将前人创造发明的数以千计的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适型式。为了便于按机械构件的运动形式选择机构，表3-2-1列出了常见运动特性及其所对应的机构举例。在机械系统中，驱动执行构件的执行机构都需要由原动机驱动，有的执行机构可以由原动机直接驱动，但大部分执行构件则由于运动形式、速度、位置等原因，不能由原动机直接驱动，而需要在原动机与执行机构之间加入传动机构，表3.2.2列出了常用运动转换基本功能及其相匹配的机构，以供设计者考虑运动转换时参考。2）机构的构型先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，然后在此基础上重新构筑机构的型式，这一工作称为机构的构型。它是一项比机构选型更具创造性的工作。机构构型方法有多种，如：扩展法、组合法、变异法等。（4）机构的尺度综合及其运动学、动力学分析与计算机械系统运动方案中各个执行机构的型式确定后，根据输出构件的运动要求（如行程大小，运动规律的情况等），确定机械运动简图中各机构的运动学尺寸。初步的机构尺度综合后，必须对机构进行运动学和动力学分析，全面检验机构的运动性能和动力性能。运动学分析的主要内容包括机构的位置、速度、加速度等的正反解分析，可以通过图解法或解析法进行。机构动力学主要研究机构的运动和受力之间的关系，有正逆两类问题：动力学正问题研究驱动力随时间或主动件位置变化时，执行构件的位置、速度、加速度以及克服阻力或阻力矩的变化情况；动力学逆问题研究给定执行构件的位置、速度、加速度以及所需克服的阻力或阻力矩，求解驱动器必需提供的驱动力情况。二、机械产品运动方案的评价（一）方案评价的意义如何建立合理的评价体系，采用正确的评价方法，从诸多方案中找出最优方案是机械系统设计阶段的一个重要任务。（二）方案评价的原则1）保证评价的客观性。尽力做到：评价资料具有全面性和可行性，评价人员组成要有代表性。2）保证方案的可比性。即各备选方案只有在能实现系统所需功能的情形下进行比较，否则就没有可比性。3）有合理的评价项目和指标体系。评价项目和指标要包括机械系统方案所涉及到的各方面的要求和指标，评价项目必须与机械系统方案有关，且能确切反映评价系统的价值，评价项目要全面，且项目总数应尽可能少。评价指标要进行量化，建立的评价指标体系要有合理性、科学性和全面性。（三）方案评价的步骤1）对各评价方案做出简要说明，使方案的特点、优缺点清晰明了，便于评价人员掌握。2）选择评价项目，并确定各评价项目的相对重要性，即权重。3）确定各评价项目的评价尺度。4）选用合适的评价方法进行评价。5）选出最优方案。（四）评价准则、评价指标和评价体系评价准则即为评价一个设计方案优劣的依据。它包括两方面内容：一是设计目标，二是设计指标。在方案设计阶段，评价指标应主要考虑技术方面的因素，即功能和工作性能等方面的指标应占有较大的比例。表3.2.5列出了机械系统功能和性能的各项评价指标及其具体内容。根据评价指标，即可着手建立一个评价体系。所谓评价体系，就是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。（五）评价方法（1）经验性的概略评价法该方法一般适用于对创新方法进行初步评价。当设计问题不很复杂或评价指标十分具体时，可使用这种方法。具体做法是：请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排除法直接评价。（2）计