机械执行系统的方案设计.ppt

第14章 机械执行系统的方案设计,方案设计的过程框图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方案评价与决策,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，也是整个机械设计工作的基础。,功能原理设计,运动规律设计（工艺动作分解与运动方案选择）,执行机构型式设计（机构的型综合）,执行系统协调设计（运动循环图设计）,机构尺度设计（运动和动力设计）,运动分析和动力分析,方案评价,绘制执行系统运动简图,是否满足要求,改变机构型式,改变设计策略,否,改变机构参数,否,14.1机械执行系统方案设计过程,机械预期实现的功能要求（使用要求或工艺要求）,重新构思功能原理,构思新的运动规律,14.1 机械执行系统方案设计的过程和内容,1.功能原理设计 所谓功能原理设计是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。,例如：要求设计一个齿轮加工设备,工艺动作,实现同一功能要求，可以选择不同的工作原理；选择的工作原理不同，所设计的机械在工作性能、工作品质和适用场合等会有很大的差异。,2.运动规律设计 所谓运动规律设计指究竟选择何种运动规律来实现上述的工作原理。工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律也各不相同。,例如：要求设计一个齿轮加工设备，选择范成原理,工艺动作分解,插齿机床方案,滚齿机床方案,工艺动作分解,实现同一工作原理，可以选择不同的运动规律；选择的运动规律不同，设计出的机械也大相径庭。,3.执行机构型式设计 所谓机构型式设计，是指究竟选择何种机构来实现上述运动规律。,例如：要求实现刀具的上下往复运动，可采用：,齿轮齿条机构、螺旋机构 曲柄滑块机构、凸轮机构 组合机构或结构变异创造发明新的机构,究竟选用哪种机构，还需考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本、外形尺寸等因素，根据所设计的机械的特点进行综合考虑，选择出合适的机构。,机构型式设计又称为机构的型综合。,4.执行系统的协调设计 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，分析各执行机构应当如何协调和配合，设计出协调配合图，即通常所称的机械运动循环图。,5.机构尺度设计 所谓机构的尺度设计，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。6.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 其是否满足运动要求和动力性能方面的要求。,7.方案评价与选优,综上所述：实现同一功能要求，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，可以采用不同型式的机构。,结构、尺寸、加工等,将运动和动力分析后的具体性能与使用要求所规定的预期性能比较。,方案评价,机械预期实现的功能,功能原理,运动规律,机构型式,执行机构系统方案构思的方法,14.2.1 功能原理的构思与选择,14.2 执行系统的功能原理设计,功能原理设计的任务根据机械预期实现功能要求，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，从中选择出既能很好地满足机械预期的功能要求、工艺动作，又简单的工作原理。,例1 设计一自动输送料板,采用：机械推拉 摩擦传动 气吸 磁吸,原理,例2 设计加工出螺栓上的螺纹,例3 设计包装颗粒糖果的糖果包装机,1.分析综合法 分析综合法是指把机械预期实现的功能要求分解为各种分功能，然后分别加以研究，分析其本质进行各分功能原理设计，最后把这些分功能原理合起来，组成一个新的系统。,14.2.2 功能原理设计的创造性,2.思维扩展法 即从传统的定式思维方式转向发散思维。,3.还原创新法 还原创新法是指跳出已有的创造起点，重新返回到创造的原点，紧紧围绕机械预期实现的功能预期，另辟途径，构思新的功能原理。,14.3.1 工艺动作分解和运动方案选择,14.3 运动规律设计,例如设计：一台加工平面或成型表面的机床 一个计算机的绘图仪 一台加工内孔的机床,实现一个复杂的工艺过程，往往需要多种动作，而任何复杂的动作总是由一些最基本的运动合成的。运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成如干个基本动作，工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不相同。,工作原理,工艺过程分解,选择刀具与工件之间相对往复移动的工作原理,设计一台加工平面或成型表面的机床,工作原理,工艺动作分解,按照计算机发出的指令绘制出各种平面曲线,设计一台计算机的绘图机,设计一台加工内孔的机床,14.3.2 运动规律设计的创造性,14.3 运动规律设计,仿真法，是模仿人和动物将工艺动作进行分解，构思出实现某一种预定工作原理的运动规律。,例如：建筑工地上使用的挖土机，其运动规律就是模仿人挖土的工艺动作，它由上臂、肘、挖斗等组成。,例如：搓元宵机，其运动规律也是模仿人搓元宵的动作设计的。这是一个构思巧妙、结构简单的设计。,工作原理：运动由旋转圆盘1输入，通过装在圆盘外圈上的球铰带动连杆2、3和转动构件4运动，使与连杆2固结的工作箱做空间振摆运动，工作箱内的圆宵馅在稍许湿润的元宵粉中径多方向滚动即可制成元宵。,14.3.2 运动规律设计的创造性,组成：整个装置是由旋转圆盘1、连杆2和3、转动构件4和5所组成的空间五杆机构。,14.3.2 运动规律设计的创造性,思维扩展法仍是一个重要的创新方法。,例如：设计一台分选不同直径的装置。,采用思维扩展法在设计运动规律时，同时考虑到被分选对象的运动，使钢球沿着两个斜放的不等距棒条滚动，当钢球沿棒条移动时，小一些的钢球由于棒条夹不住靠自重落下，大一些的钢球可多移动一段距离。钢球落下的先后次序与直径大小成正比。,采用仿生法模仿人手分选钢球的动作，则要考虑滚珠的送料动作、直径的测量动作、钢球的分装动作等，设计的运动规律势必复杂。,14.4 执行机构的型式设计,实例,执行机构型式设计的原则,机构的选型,机构的构型,1.满足执行构件的工艺动作和运动要求。2.尽量简化和缩短运动链，尽量选择较简单的机构。,14.4.1 执行机构型式设计的原则,精确直线导向机构型 近似直线导向机构型,实例一：,实例2：两种完成冲压工作机构型式方案,3.尽量减小机构的尺寸。,在相同的参数下，行星轮系的尺寸较定轴轮系显著减小。,在移动从动件行程较大时，采用圆柱凸轮比盘型凸轮尺寸更为紧凑。,减少曲柄长的方法,设滑块长度为S，曲柄长度=S/2,杠杆行程放大原理，DC=CE，曲柄长度=S/4,利用活动齿轮倍增行程原理，曲柄长度=S/4,4.选择合适的运动副形式,5.选择合适的动力源。,采用往复油缸作为动力源,采用电动机作为动力源,近似直线导向机构,7.使机械具有调节某些运动参数的能力。,8.保证机械的安全运转。,改变构件b的位置，摇杆的摆角和极限位置就会发生改变。,6.使机械具有有利的传力条件和良好的动力特性。,曲柄摇杆机构运动参数的调节设计,14.4.2 执行机构选型,所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出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。,按照执行机构所需要的运动特性,按照动作功能分解与组合原理,进行机构的选型,1.按照执行机构所需的运动特性进行机构选型,实现曲线轨迹实例,三星轮换向机构,2.按照动作功能分解与组合原理进行机构选型,复杂的执行机构,基本机构,一般情况下，总体功能可分解成若干分功能，,即,功能技术矩阵,即总体功能 是由若干个分功能 组成的。而每一个分功能又可用不同的机构来实现，,实例 实现精锻机主机构的总体功能,要求当加压执行机构(冲头)上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。,该执行机构 三个基本功能（1）运动形式变换功能（2）运动轴线变向功能（3）运动位移或速度缩小功能,方案总数,实现分功能的机构数目,分功能的数目,方案总数：,加压执行机构的功能技术矩阵图,加压执行机构的六种基本功能结构,1、2、3三种结构是先将转动变为移动，在移动状态下改变运动方向。,4，5，6三种结构是在转动状态下改变运动方向后才变换为移动。,1、2、6是在移动状态中增力。,3、4、5则是在转动状态中增力。,I,III,II,V,IV,VI,加压执行机构的4种方案,方案A 采用曲柄滑块机构实现运动形式变换功能和运动大小变换功能，采用刚性很高的斜面机构实现运动轴线变向功能和运动大小变换功能，该方案由于采用斜面机构增强了系统的刚性，经过两次运动大小变换而增加了锻压力。,I,基本功能结构,方案A,加压执行机构的4种方案,基本功能结构,方案B,II,方案B采用曲柄滑块机构实现运动形式变换功能，采用液压机构实现运动轴线变向功能和运动大小变换功能，具有较大的锻造力。,加压执行机构的4种方案,基本功能结构,方案C,III,方案C采用曲柄摇杆机构实现运动大小变换功能，采用摇杆滑块机构实现运动形式变换、运动轴线变向和运动大小变换3种功能，由于该方案经过两次运动大小变换具有较大的压力，但系统刚性差。,加压执行机构的4种方案,方案D采用摩擦轮机构实现运动轴线变向功能，采用螺旋机构实现运动形式变换和运动大小变换功能，由于螺旋机构有很好的运动大小变换功能，故该方案可产生很大的锻压力。,VI,基本功能结构,方案D,机构创新构型的过程三个阶段:1.选择 2.突破 3.重新构型,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。,14.4.3 机构的选型,机构创新构型的方法主要有以下几种：1.扩展法 2.组合法 3.变异法,1.扩展法,使机构的急回特性显著增强，同时执行机构的行程也扩大，满足设计要求。,扩展法是根据机构组成原理创新机构的一种方法。以选型法选择的基本机构为生长点，在其上连接若干基本杆组构筑出新的机构型式。,增加执行构件的行程，且具有工作行程近似等速的优点。,该机构具有更大的行程和更显著的急回特性。,牛头刨床的主体机构（II级机构）,摆动导杆机构（传力特性最佳基本机构）+RRP杆组,摆动导杆机构（传力特性最佳基本机构）+RPP杆组,移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率较低，两滑块容易发生干涉等，所以这种方案较好。,采用III级机构可实现更大的行程，切削速度更加平稳。且由于III级机构设计，分析均比较复杂。故只在一些行程要求较大的牛头刨床中采用。,牛头刨床的主体机构（III级机构）,移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率较低，两滑块容易发生干涉等，所以这种方案较好。,2.组合法,机构的组合是发明创造新机构的重要途径之一。常用的组合方式有串联、并联、反馈和复合式组合等。,实例：将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合，当原动件等角速度转动时，执行构件4可获得较大的往复摆动行程，具有显著急回特性。,3.变异法,（1）运动倒置(机架变换）,定轴轮系机构 行星齿轮机构,运动倒置,四杆机构,运动倒置,2.运动副变换,常见运动副变换,转动副变异为移动副高副变异为低副低副变异为高副,实例 干粉压片机的主加压机构,以干粉压片机的主加压机构为例，具体说明执行机构型式设计的过程。,干粉压片机的功能将不加粘结剂的干粉料制成圆型片坯，要求其生产率为25片/min。,采用大压力压制。由于主加压机构所加压力甚大，用摩擦传动原理不合适；用液压传动原理，系统漏油会污染产品，也不宜采用，故决定用电动机作为动力源，选择刚体推压传动原理。,工艺动作分解如下：,将粉料筛 入型腔,下冲头下沉，以防止冲头加压时粉料溢出型腔。,上、下冲头 同时冲压,上冲头退回下冲头顶出片剂,料筛推走 片剂,现以上冲头主加压机构为例 说明选型和构型过程,上冲头主加压机构的基本功能：,（1）运动形式变换功能,（2）运动方向交替变换功能,（3）运动缩小功能,由工艺动作分解过程知，该机构共需3个执行构件，即上冲头、下冲头和料筛。,（4)运动停歇功能,主加压机构的初选方案,（a)方案一,（b)方案二,（c)方案三,（d)方案四,（e)方案五,以方案4为原型进行机构创新构型。,（1）扩展法,（d)方案四,（2）组合法,铰链四杆机构ABCD的从动件CD和曲柄滑块机构的从动件滑块F都处在速度为零的位置，而在该位置前后两者的速度都比较小，滑块的速度在较长时间内可近似看着为零，即滑块实现了近似停歇功能。,方案四,机构创新构型,（3）变异法,14.5 执行系统的协调设计,协调设计的原则,协调设计的方法,机械运动循环图,14.5.1 执行系统协调设计的原则,满足各执行机构,各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率,各执行机构的布置要有利于 系统的能量协调和效率的提高,14.5.2 执行系统协调设计的方法,执行系统协调设计步骤：,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 各个行程段及其时间,3.确定各执行构件动作间的协调配合关系,不仅要考虑动作的先后顺序，还应考虑各执行机构在时间和空间上的协调性，即不仅要保证各执行机构在时间上按一定顺序协调配合，而且要保证在运动过程中不会产生空间位置上的相互干涉。,实例 冷霜自动灌装机,完成几个基本动作：,（1）空盒在输出带上排成行且空腔向上，由输出带送至转盘上的位置A中。,（2）轮盘间歇转动，每次转，把空盒间断地由A 位置送至B位置。,（3）顶杆1把停在B位置上的空盒2向上顶起，使空盒紧贴出料管4上的刮料板3。,（4）定量泵把冷霜注入空盒的动作。,工艺动作需要4个基本运动来完成。,（1）链传动机构I实现带的连续运动；（2）径向槽数为6的外槽轮机构II实现转盘的间歇分度运动；（3）凸轮、连杆串联机构III实现顶杆带有停歇的上下往复运动；（4）行程可调的连杆机构IV实现定量泵活塞杆的上下往复运动，活塞杆的上下移动量可通过调节丝杆调节，以控制灌装不同规格冷霜时冷霜的供给量。,机构形式设计,冷霜自动灌装机的执行机构,各执行机构的协调设计,根据设计任务书规定的理论生产率 盒/min，计算出机械运动循环的周期。,确定各执行构件的行程区段：输送带有一个行程区段连续运动；转盘有两个行程区段转位和停歇，动停比,即在1个循环中，1/3时间转动，2/3时间停歇；,顶杆有6个行程区段上顶、停歇、下降、停歇、下降、停歇；定量泵活塞杆有2个行程区段上升和下降。,14.5.3 机械运动循环图,1.运动循环图的形式：A.直线式,绘制方法：主轴作为参考构件特点：直观性较差，不能显示各执行构件运动规律。,实例：冷霜自动灌装机,B.圆周式,特点：直观性较好，便于个机构设计、安装和调试。无法显示各执行构件运动规律。,C.直角坐标式,特点：表示出各执行构件动作的先后顺序，表示出各执行构件在各区段的运动规律，对各执行机构的几何尺寸设计非常便利。,冷霜自动灌装机运动循环图,2.运动循环图的功能,（1）保证各执行构件的动作相互协调,使机械顺利实现预期的工艺动作。,（2）运动循环图为进一步设计各机构 的运动尺寸提供了重要依据。,（3）为机械系统的安装、调试提供了依据。,例如：从冷霜自动灌装机的运动循环图中可以看出：当分配轴转过40时，顶杆上升10 mm；当分配轴再转过120 时，顶杆在最上端静止不动；当分配轴再转20 时，顶杆下降8 mm；当分配轴从180 转至250 时，顶杆静止不动；当分配轴从250 转过270 时，顶杆下降2 mm至最底部；在分配轴转动1个周期中最后90 时，顶杆又静止不动。有了这些数据，就不难对安装在分配轴上的凸轮的廓线进行设计了。,14.6 方案评价与决策,方案评价的意义,评价指标和评价体系,评价方法简介,评价结果的处理,14.6.1 方案评价的意义,机械系统方案设计的最终目标，是寻求一种既能实现预期功能要求，又性能优良、价格低廉的设计方案。,实现同一种功能，可以采用不同的工作原理，从而构思出不同的设计方案；,采用同一工作原理，工艺动作分解的方法不同，也会产生出不同的设计方案；,采用相同的工艺动作分解方法，选用的机构型式不同，又会形成不同的设计方案。,机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综合使待选方案数目由少变多，再通过评价、决策，使待选方案数目由多变少，最后获得满意方案设计的过程。,通过创造性构思产生多个待选方案，再以科学的评价和决策优选出最佳的设计方案，通过校核来确定其可行性，是现代设计方法与传统设计方法的重要区别之一。如何通过科学评价和决策来确定最满意的方案，是机械系统方案设计阶段的一个重要任务。,14.6.2 评价指标和评价体系,1.评价指标 评价指保包括两个方面：定性的评价指标，常指设计的目标。例如结构越简单越好、尺寸越小越好、效率越容易越好、成本越低越好等。定量的评价指标，常指设计的定量指标。例如机构的运动学、动力学参数等。由于在执行机构的型式设计和协调设计完成后，又初步进行了各执行机构的运动设计和动力设计及运动分析和动力分析，故初步可以对这些指标进行定量评价。,系统功能,运动性能,动力性能,工作性能,经济性,结构紧凑性,评价指标,表14.4 机械系统的性能评价指标,2.评价体系 所谓评价体系，就是通过一定范围内的专家咨询，对评价指标中的各具体项目赋予评定分数值。这些分数值是按各项目的重要程度来确定的。,需要指出的是：,例如，对于重载的机械，应对其承载能力一项给予较大的重视；对于加速度较大的机械，应对其振动、噪声和可靠性给予较大的重视。至于适用范围这一项，对于通用机械适用范围广些为好，对于某些专用机械只需完成设计目标所要求的功能即可。,对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。,需要指出的是：,虽然评价指标包括定性和定量两个方面，但在建立评价体系时，所有评价指标都应进行定量化。,对于难以定量的评价指标，可以按优劣程度分成区段，进行分级量化。例如，可以分为5级，其评价值分别为：“很好”为4分，“好”为3分，“较好”为2分，“不太好”为1分，“不好”为0分。,针对具体设计任务，科学地选取评价指标和建立评价体系是一项十分细致和复杂的工作，也是设计者面临的重要问题。只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。,1.经验性的概略评价法 2.计算性的教学分析评价法 A.评分法 B.技术-经济评价法 C.模糊评价法3.实践性的实验评价法,14.6.3 评价方法,1.经验性的概略评价法,该方法是请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排出法直接评价。,排队法就是请一组专家对n个待选方案进行排队。每个专家按方案的优劣排出这n个方案的名次，名次最高者为1分，最低者为1分。然后将各名专家对每个方案的评价分相加，总分最高者为最佳方案。,对于设计目标和技术要求均很具体的方案群，可采用排除法进行评价。根据设计要求请专家逐个方案、逐项进行评价，又一项基本要求不满足就予以排除。未遭淘汰的待选方案即可进行下一轮设计。,2.计算性的数学分析评价法,1）评分法,评分法是针对评价指标中的各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行定量评价。,选择评分方法,选择评分标准,建立评价体系,对各个项目进行评分,确定评价指标,选择总分计分法，计算总分,选取高分者为优选方案,评分法的步骤,2）技术经济评价法,这是一种综合考虑技术类指标评价值和经济类指标评价值的评价法。所取的技术和经济评价值都是相对于理想状态的相对值。这种方法既考虑技术与经济指标的综合效应，又分别就技术类和经济类指标进行评价，若有一方评价值偏低，就可以有针对性地消除引起技术评价（或经济评价值）偏低的设计中的薄弱环节，从而使改进后二次设计的技术-经济综合评价值大大提高。,3）模糊评价法,评分法采用的评分标准是将评价项目按优劣程度分成区段，用代表其区段的离散数值来表达评价值。而模糊评价法的评分标准是将定性评价中使用的模糊概念，如：“不好”、“不太好”、“较好”、“好”、“很好”等用0，1区间内的连续数值来表达评价值，使得评价值更趋精确、合理，评价结果更为准确。,3.实践性的实验评价法,对于一些重要的方案设计问题，当采用计算性的数学分析评价法仍无十分把握时，可通过模型试验或计算机模拟实验对方案进行评价。由于这种方法是依据试验结果而不是凭专家的经验，故可获得更为准确的评价结果，但其花费的代价较高。,若以理想的评价值为1相对评价值小于 0.6 的方案，应予以剔除。相对评价值大于 0.8 的方案，只要其各项评价指标都较为均衡，则认为可以采用。相对评价值在 0.60.8 之间的方案则需具体分析。,14.6.4 评价结果的处理,本章基本要求,了解机械执行系统方案设计的过程和具体的设计内容；掌握给出要实现的功能，构思出多种设计方案，能进行方案初步评价与决策；掌握机构的形式设计、协调设计方法。了解方案评价的意义、评价指标和评价方法。,