机械系统运动方案设计(PPT 91页).ppt

1、第七章 机械系统运动方案设计,第一节机械总体方案设计,重要性 直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企业效益。 核心内容 机械运动方案设计，最具创造性和综合性。 一、机械产品的设计过程 五个阶段 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)、改进设计。,机械产品设计一般进程,二、机械总体方案设计的目的和内容 目的 产品功能是否齐全、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的构思和方案拟定时的设计思想。,内容,执行系统的方案设计,执行系统方案评价与决策,执行系统协调设计,执行机构型式设计,运动规律设计,系统功能原理设计,机构尺度设计,运

2、动和动力分析,原动机类型的选择和传动系统的方案设计,各级传动比的分配,传动链中机构 顺序的安排,传动路线选择,传动类型选择,控制系统的方案设计,其它辅助系统的设计,照明系统设计,安全保障系统设计,故障检测系统设计,冷却系统设计,润滑系统设计,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,人类设计 经历的阶段,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,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、模拟和试凑等方法进行设计,半理论半经验设计阶段,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，增加了合理性,

3、(二) 现代设计方法的主要分支 设计方法学(Design methodology) 优化设计(Optimal design) 价值工程(Value engineering) 计算机辅助设计(CAD) 可靠性设计(Reliability design) 工业艺术造型设计(Visual design) 模块化设计(Modular design) 反求工程(Inverse engineering) 有限元法(Finite element method) 机械动态设计(Dynamic design) 相似性设计(Similarity design) 系统化设计(Systematization desi

4、gn),并行设计(Concurrent design) 人机工程学(Man-machine engineering，ergonomics) 模态设计(Modal design),现代设计方法的核心 机械创新设计(Innovative design),传统设计与现代设计的比较,传统设计与现代设计的比较,(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

5、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 创造性思维的主要特点 独特性； 多向发散性； 非逻辑性； 连动性； 综合性。,部分创造技法,第三节 机械执行系统运动方案设计,重要性 执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。 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。 机械执行系统的组成 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。,一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程,功能原理设计,根据需要制定机械的总功能，拟定实现

6、总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作,运动规律设计,通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理,执行机构型式设计,决定选择何种机构实现给定的运动规律,执行系统协调设计,执行机构型式设计,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配合，设计出机械运动循环图,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,检验执行系统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,对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案,二、执行系统的功能原理设计 1. 功能原理的选择与构思 产品的功能 产品的用途、性能、使用价值

7、等，根据人们生产或生活需要提出。 确定功能指标的考虑因素 先进性 可行性 经济性 功能原理设计的重要性 决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。,功能原理设计的多方案性,工作原理不同，运动方案也不同,齿轮加工,剃齿,范成原理,仿形原理,工作原理相同，运动方案不同,齿轮加工,插齿,滚齿,其它实例 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 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,确定方案时应注意两点 用最简单的方法实现同

8、一功能。 注意光、机、电、流体等知识的综合运用。,设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度0.8mm。,用最简单的方法实现功能举例,图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮，同时实现三维方向的按摩作用径向振动挤压、向下推拉和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。,光、机、电、流体等知识的综合运用举例,指针,图示分析天平，要求精度达到0.01g，但靠目力读指针的微小偏角已不可能。,增加了一级光学放大镜，将读数放大。,总功能,功能元解,功能原理方案,最佳功能原理方案,明确任务,功能元,2. 功能分析与功能求解 功能分析法(Function analysis)，将机械产品的总

9、功能(Total function)分解成若干功能元(Function element)，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。,三、执行系统的运动规律设计 1. 工艺动作分解和运动方案选择,刀具作复合运动,刀具与工作台分别运动,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同。,立式钻床工艺动作分解,直线运动,曲线运动,复合运动,往复摆动,每分钟转数 rpm,由两个以上单一运动合成,间歇转动,停歇往复直线运动,停歇单向直线运动,沿可变曲线运动,每分钟转位次数、转角大小、运动系数,每分钟摆动次数

10、、转角大小、行程速度变化系数,每分钟行程数、大小、行程速度变化系数,每次进给量的大小,每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度,四、执行机构的型式设计,1. 设计原则 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 选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式 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 保证机械的安全运转,2. 机构的选型 目的 选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。, 传递连续转动的机构,啮合传动机构,连杆机构,摩擦轮传动,蜗杆传动,链传动,平行四边形机构,摩擦传动机构的优缺点,结构简单、传动平稳、易于实现无级变速

11、、过载保护。,传动比不准确、传递功率小、效率低。, 实现单向间歇转动的机构,棘轮机构,齿轮-连杆机构,不完全齿轮机构,凸轮式间歇运动机构,适用于转角固定的转位运动,每次转角小，或转角大小可调的低速场合,大转角而速度不高的场合,运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合,特殊要求的输送机构, 实现往复移动往复摆动运动的机构,凸轮机构,组合机构,往复运动 机构,连杆机构,螺旋机构,齿轮齿条机构,液压缸、气缸,正弦机构,正切机构,多杆机构,曲柄滑块机构,连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。,凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运

12、动协调，承载能力不大。,螺旋机构特点可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。,齿轮齿条机构特点适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。, 再现轨迹的机构,齿轮连杆组合机构,联动凸轮机构,凸轮连杆组合机构,一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。,齿轮连杆组合机构,搅拌机构,联动凸轮机构,凸轮连杆组合机构,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。,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

13、进的目的。,3. 机构的构型 目的 当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。, 组合法,串联组合 前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。,后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。,后一级子机构的主动件为前一级子机构的连杆。,并联组合 几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。,各子机构间无严格的运动协调配合关系,各子机构

14、在动作的先后次序上有严格的要求,自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。,各子机构有运动形式配合要求,磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式上有配合要求。,反馈式组合 在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。,校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。,机床校正机构,输入,4,1,4,2,1,3,K,2,复合式组合 由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式, 变异法,更换原动件,双摇

15、杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。,运动倒置,改变构件结构形状,将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。,改变构件运动尺寸,槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构,五、执行系统的协调设计 执行系统协调设计原则 满足各执行机构动作先后的顺序性要求 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 满足各执行机构在操作上的协同性要求 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高,执行构件动作的协调配合, 送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压

16、, 冲头上移一段距离后，进行下次送料动作,折叠包装机构的两个执行构件,两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。,执行构件运动速度的协调配合,i0,齿轮插刀加工,范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。, 执行系统协调设计方法 确定机械的工作循环周期 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间 确定各执行构件动作间的配合关系, 机械运动循环图 用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。 通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。,运动循环图形式

17、 直线式 圆周式 直角坐标式,直线式工作循环图,主轴作为参考构件,圆周式工作循环图,图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，转动2转为一个工作循环。,直角坐标式工作循环图,饼干包装机工作循环图中，横坐标表示参考构件的转角，纵坐标表示执行构件的转角。,六、方案评价与决策 评价指标 系统功能实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的准确性 运动性能运转速度、行程可调性、运动精度等 动力性能承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等 工作性能效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性适用范围等 经济性加工难易、能耗大小、制造成本等 结构紧凑性 尺寸、重量、结构复杂性等,评价方法 评分法 针对评

18、价目标中各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行评价。,建立评价体系,选择评分方法,选择评分标准,对各个项目进行评分,选择总分计分法，计算总分,选取高分者为优选方案,评价结果的处理,一、机械传动系统方案设计 1. 设计过程 确定传动系统总传动比 选择传动类型 拟定传动链布置方案 分配传动比 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 绘制传动系统运动简图,第四节 机械传动系统方案设计 和原动机选择,2. 传动类型选择 类型与特点,挠性(件)传动,摩擦轮传动,绳传动,圆形齿轮传动,挠性啮合传动,带传动,啮合传动,机械 传动,摩擦传动,单级齿轮传

19、动,齿轮系传动,同步齿形带传动,螺旋齿轮传动,蜗杆蜗轮传动,圆锥齿轮传动,圆柱齿轮传动,定轴轮系传动,周转轮系传动,链传动,非圆齿轮传动,行星轮系传动,差动轮系传动,液压、液力传动 利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。 气压传动 以压缩空气为工作介质的传动 电气传动 利用电动机和电气装置实现的传动,选择原则 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 有利于提高传递效率 尽可能结构简单的单级传动装置 考虑结构布置 考虑经济性 考虑机械安全运转条件,二、原动机的选择,第五节机械系统运动方案设计举例,1. C1325自动车床刀架系统的分析,功能要求 自动

20、换刀 轴向进给,功能分解, 让刀转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉, 转位转塔刀架每次转过60, 定位转位之前拔出保证加工精度的定位销, 进、退刀不转时，精确实现预定的进退刀运动。,刀架系统的工作过程,退刀 压簧12推杆13回程齿轮6齿条7活动支架8向右完成退刀,让刀 退刀的同时，齿轮1 的离合器结合并开始转动宽齿轮2 圆锥齿轮3圆柱凸轮机构4拔出销10；同时，曲柄5转动支架8快速向右让刀,转位 让刀快结束时，槽轮开始转位曲柄5的后半圈支架8向左移动完成复位,定位 转位结束时，凸轮机构4的从动件推杆摆动插入定位销10，齿轮1离合器脱开并停止运转,刀架系统的工作过程,进给 从动件13推程齿轮6

21、 齿条7 活动支架8向左运动完成进给,刀架系统的工作过程,刀架系统的工作循环图,刀架系统各机构的组合方式及特点,组合方式分析 组合方式主要以串联方式为主，但在I、II处采用了特殊的并联方式。,机构功能分析 进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工件需要更换不同的凸轮, 后续串联的齿轮齿条机构用于转换运动形式并将运动放大, 后续再串联一曲柄滑块机构，以增大让刀距离, 并联槽轮机构用于实现转位, 并联曲柄滑块机构用于实现让位, 并联圆柱凸轮机构再串联连杆机构用于实现定位，且容易满足时序要求, 圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构用于改变运动方向,刀架系统各机构的组合方式及特点,一般的钻床多采用第一种方案

22、，但本例是三轴专用钻床，因工件小，工作台轻，移动工作台比移动三轴容易。故采用第二种方案。,2. 多头专用钻床机械传动系统设计,设计任务 设计一台自动钻床，用来同时加工图示零件上的三个孔，并能自动送料。, 运动方案选择,工艺动作钻头一边旋转，同时相对于工件作移动,三种运动方案, 钻头旋转，同时轴向进给，工作台静止, 钻头旋转，工作台带动工件进给, 工作台旋转，钻头作轴向进给,送料机构采取从料仓推送工件的方式, 执行系统运动规律设计,三个执行构件 钻头、工作台、送料杆,工艺过程 送料杆往右推出零件，并顶出加工好的零件, 夹具将工件定位并夹紧, 送料杆返回，工作台带动工件快速上移接近钻头, 工作台慢

23、速工进；, 钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环,钻头的转速 nc1000v(d),d钻头直径，d8 mm v 切削速度，查手册45钢，可选v12.5mmin nc 500 rpm,工作台为往复运动 钻孔工艺要求 工作台带动工件快速上移接近钻头 工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔，待钻到 一定深度时，三个钻头才同时钻进，因工作阻力增加，故进给速度应减小 钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环,工作台一个工作循环总时间 T1 t1 t2 t3 t4 t5 24.6 s,工作台每分钟工作循环数 n1 60 T1 2.44,送料杆的运动为往复直动，运动循环时间与工作台相同 Ts 24

24、.6 s,工作台的行程 Hf h0 h1 h2,h1 单孔钻削深度，取h1 13 mm,h2 三孔同时钻削深度，取h2 13 mm,送料杆的行程取工件的两倍 Hs 100 mm,h0 工作台快速趋近钻头的运动距离，取h0 15 mm,工作循环图, 原动机的选择,类型交流异步感应电动机 由机床的工作要求确定,为了减少原动机的数量，三个钻头共用一个原动机。, 计算运动链的总传动比,切削运动链的总传动比 ic nnnc 1440500 2.88,进给运动链的总传动比 if is nnnf 14402.44 563,转速额定转速 nn 1440 rpm, 机构选型,钻削运动链的设计, 钻头作连续回转运动，运动链的总传动比为2.88，无需运动转换，但需要减速, 三个钻头应同向旋转，且各钻头之间的距离很小，即要求具有运动分解功能，其尺寸受到限制, 电动机轴一般为水平放置，与钻头的方向不一致，即要求具有改变运动轴线方向的功能, 电