机械系统设计原理(讲课用).ppt

机械系统设计 原理,第一章 机械系统概论,第一节机械系统的概念,机械系统定义：由若干机械装置组成的一个特定系统，称 为机械系统。机械系统的目的：是产生确定运动、传递和变换机械能，完成特定的工作。机械系统的基本要素：机械零件和构件是组成，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。如图1-1所示小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和零件组成的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。,小型甘蔗收获机,整体性机械系统是由若干个子系统构成的统体。虽然各子系统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体功能的要求，相互间须协调和适应。系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立的子系统，因为机械系统的整体性反映在于系统之间的有机联系上 系统是可以分解的，但分解系统与分割系统是完全不同的。为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成若干个子系统，,第二节机械系统的特性,2.相关性 系统内部各子系统之间是有机联系的，它们之间相互作用、相互影响，形成了特定的关系。如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整个系统的性能产生影响。,第二节机械系统的特性,3.层次性 系统可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。层次本身就是系统构成的部分，每个层次反映了系统某种功能的实现方式,第二节机械系统的特性,4.目的性 系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统的功能就是系统的目的，它主要取决于要素、结构、环境。为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理的功能。这些功能使系统进入与它的目的相适应的状态，实现要求的功能并排除或减少有害的干扰。,第二节机械系统的特性,第三节机械系统的组成,1动力系统 包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源 2传动系统 是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置 3执行系统 包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，达到预定要求。4操纵系统和控制系统 都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现；控制系统是经获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。,第四节机械系统设计类型,机械系统设计有以下三类不同的设计：(1)开发性设计 在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计以往没有过的新型机械。(2)适应性设计 在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量方面更朗满足使用要求。(3)变型设计 在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要求。在机械产品设计中，开发性设计十分重要。“创新”可以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提高产品的工作性能。,第五节 机械系统设计的关键内容,原理方案设计是机械系统设计的关键内容。在原理方案设计过程中应解决下列问题：确定系统的总功能 对设计任务抽象化，通过抽象化确定系统的总功能。优点：设计者容易认清系统设计目标，开阔设计思路。2.进行总功能的分解 将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案的最好办法。3.选择分功能的功能载体 分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段,第五节 机械系统设计的关键内容,4.构思功能载体的组合 将各功能载体按系统总功能要求加以组合，可以得到多个工作原理方案，供设计者选择决策。5.方案的评价与决策 针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多个方案进行综合评价和决策。,第二章 机械系统设计原理,第一节 机械系统设计的一般程序和方法,四个阶段产品规划（概念设计）、功能原理设计、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)。,结构方案,结构价值分析,试验模型,试验,总体设计,结构设计,造型设计,造型价值分析,外观方案,评价决策,评价决策,最优结构方案,最优造型方案,最优技术设计方案,总体布置图、装配草图、技术文件,总体效果图、外观效果模型,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,运动和动力分析,第二节、机械系统方案设计的目的和内容,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,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。,第三节 机械执行系统运动方案设计,功能原理设计,根据需要制定机械的总功能，拟定实现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,一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程,产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，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。,二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思,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,功能原理设计的多方案性,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。,电视机阴极盘用金属片冲裁机器,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。,用最简单的方法实现功能举例,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。,光、机、电、流体等知识的综合运用举例,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,功能分析法(Function analysis)，将机械产品的总功能(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。,2.功能分析与功能求解,黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的“黑箱”，通过对它的输入输出量的全面分析，逐步掌握输入输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的求解过程。黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑设计方案，而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方案。,1.黑箱法,信息,机械产品（黑箱）,物料,能量,信息,能量,物料,黑箱法的表达,黑箱法求解方法,详细表述输入和输出量建立输入输出之间的关系寻找合适的实例设定系统的总功能寻找系统的功能解评价与决策,机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以“穷尽法”将各分功能的解全部列出，即可得功能-功能解的形态学矩阵。形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。举例：运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案,2.形态学矩阵法,理论上可组合出433=36从先进性、新颖性和实用性看，一般选用A1、A2，B1、B2，C1、C2，因此主要有8个方案,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、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、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,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 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，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v12.5mminnc 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 24.6 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,电动机与钻头之间有较大的传动距离，即要求运动链作远距离传动,机构选型,具有减速功能的传动有：齿轮传动、带传动、链传 动。考虑到速度较高，距离较远等因素，选用 V带传动,能变换运动轴线方向的传动有：圆锥齿轮传动、交错轴斜传动、蜗杆传动。考虑到两轴线垂直相交且传动比较小，选择圆锥齿轮传动,三个钻头应同向旋转，选择一个中心齿轮带动周围三个从动齿轮的定轴轮系,选用万向联轴节或钢丝软轴将运动传递给钻头,将以上所选机构经适当组合，就得到钻削运动链。,进给运动链的设计,工作台作往复直线运动，且运动规律较复杂，但行程不大，选用凸轮机构,进给运动链应实现很大的传动比563，但进给力不需要太大，选用带传动与蜗杆传动实现二级减速,进给运动的方向和位置与电动机不一致，选用蜗杆传动实现回转轴线方向的变化,送料运动链的设计,送料运动链减速比与进给运动链相同，故直接由蜗杆轴带动,送料运动规律较复杂，故选用凸轮机构,送料杆行程较大，采用连杆机构将行程放大,机构的组合,将以上所选机构组合，得到图示自动钻床的机械传动系统。,机构组合示意框图,基本要求 了解机械系统设计的整个过程，明确机械系统总体方案设计阶段的设计目的及工作内容。了解机械系统总体方案设计中应具有的现代设计观念以及机械现代设计和创新设计的特点，逐步学会在机械执行系统、传动系统的方案设计和原动机选择过程中，正确灵活运用这些设计思想。了解机械执行系统方案设计的过程和具体设计内容，学会根据机械预期实现的功能要求，进行功能原理设计的创新构思；学会根据工作原理提出的工艺动作要求，创造性地构思出合适的运动规律。,