[工学]第12章 机械执行系统方案设计2.ppt

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1、机械总体方案的设计,1 机械产品的设计过程2 机械总体方案设计的目的和内容3 机械总体方案设计中的设计思想,1 机械产品的设计过程,机械产品设计:,分析 综合 创新,1 机械产品的设计过程,机械新产品的开发设计过程：,1）初期规划设计阶段,2）总体方案设计阶段,3）结构技术设计阶段,4）生产施工设计阶段,1 机械产品的设计过程,1 机械产品的设计过程,1 机械产品的设计过程,1 机械产品的设计过程,1 机械产品的设计过程,工艺设计,2 机械总体方案设计的目的和内容2.1 机械总体方案设计的目的,机械产品市场上的竞争力？,质量好,价格低,有新意的产品,2.1 机械总体方案设计的目的,仿照设计：,

2、往往忽略初期规划设计阶段的作用,往往忽略总体方案设计阶段的作用,初期规划设计,调研,可行性论证,生命力,竞争力,开发什么产品？,产品开发：,2 机械总体方案设计的目的和内容2.2 机械总体方案设计的内容,（1）执行系统的方案设计,执行系统的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执行系统的方案评价与决策,（2）原动机类型的选择,2.2 机械总体方案设计的内容,（4）控制系统的方案设计,（3）传动系统的方案设计,传动类型的选择传动路线的选择传动链中机构顺序的安排各级传动比的分配,润滑系统冷却系统故障监测系统安全保护系统照明系统,（5）其它辅助系统的设计,第12章 机械执行系统

3、方案设计,12.1 执行系统方案设计的过程和内容,12.2 执行系统的功能原理设计 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。12.2.1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者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。,举例：自动送料板装置的功能原理设计机械推拉原理,摩擦传动原理(摩擦板),摩擦传动原理(摩擦轮),气吸原理(底吸法),气吸原理(顶吸法),总结实现某种预期的要求，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，这样所设计出的机

4、械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。,12.2.2 功能原理的创造性 分析综合法 将机械预期实现的功能分解为各种分功能，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把分功能原理组合起来，组成一个新的系统。美国阿波罗登月,思维扩展法 在进行机械功能原理设计时，设计者一定要拓宽自己的思路，广泛采用气、液、光、声。电、新材料等新技术，构思出新的功能原理。挖土机,还原创新法 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要求另劈新径，构思新的功能原理。,设计模仿人手的机械手，难度大,易损坏衣物,很难把衣物各处都刷洗到,波轮洗衣机 滚筒洗衣机,工艺动作十分简单，针杆做

5、往复移动，拉线杆和摆梭做往复摆动，送布牙的轨迹由复合运动实现，这几个动作的协调配合，便实现了缝联布料的功能要求。,家用缝纫机的发明,采用摆梭使底线绕过面线将布料夹紧的原理,12.3 执行系统的运动规律设计12.3.1 工艺动作分解和运动方案选择 工艺动作分解是运动规律设计的基础，工艺动作分解的方法不同，形成的运动方案也相同。,典型例题绘图机,内孔加工,车床,拉床,钻床,镗床,总结同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运动方案也不同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合考虑各方面的因素，根据实际情况

6、对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最佳方案。,12.3.2 运动规律设计的创造性 运动规律的设计是一种创造性的工作。仿真法 模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，构思出实现某一工作原理的运动规律。吊车：,模仿人手拿东西的动作,搓元宵机,整个装置由旋转圆盘1、连杆2和3、转动构件4和机架5所组成的空间五杆机构。运动由圆盘1输入，通过装在圆盘外圈上的球形铰链带动连杆3、2和转动构件4运动，从而使工作箱做空间振摆运动，工作箱中的元宵馅在些许湿润的元宵粉末中多方向滚动，即可制成元宵。,思维扩展法 从传统的定式思维方式转向发散思维，拓展思路，尽可能采用简单易行的运动规律。钢球综合检测

7、的装置,利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格。,分选不同直径钢珠的装置,钢珠沿着两个斜放的不等距棒条滚动，实现钢珠尺寸分级的目的。,12.4 执行机构的型式设计 12.4.1 执行机构型式设计的原则1.满足执行构件的工艺动作和运动要求 运动形式、运动规律和运动轨迹2.尽量简化和缩短运动链,精确直线导向机构 近似直线导向机构,简化结构减轻重量,冲压机：保证曲柄转速不变,3.尽量减小机构的尺寸,保证滑块行程不变,利用杠杆行程放大原理,利用活动齿轮倍增行程原理,4.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。一

8、般来说，转动副易于制造，易于保证运动副元素的配合精度，且效率较高；移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率低且易自锁或楔紧，故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合。,转动副代替移动副实例近似直线导向机构,5.考虑动力源的形式 选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善机械性能。例：执行构件作等速往复直线运动,需要单独的电动机和传动机构驱动原动件，且采用连杆机构把转动变为执行机构的等速往复直线运动，结构复杂。,不仅省去了传动机构，而且一个动力源可以驱动多个执行机构，机构简单紧凑，反向时运转平稳，易于调节移动速度。,6.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性 设计时，应注意选用具有最大传动

9、角、最大增力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计等。,12.4.2 机构的选型 利用发散思维的方法，将前人创造发明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形式。1按照执行构件所需的运动特性进行机构选型 从具有相同运动特性的机构中，按照执行构件所需的运动特性进行搜寻。当有多种机构均可满足所需要求时，则可根据上节所述原则，对初选的机构形式进行分析和比较，从中选择出较优的机构。,2按照动作功能分解与组合原理进

10、行机构选型 任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的，这些基本机构具有如下基本功能：,动作功能分解组合原理总体功能可以分解成若干分功能：U=(Ui)i=1,2,m 每一个分功能又可以用不同的机构来实现：Tj=(ti1,ti2,tin)j=1,2,n功能-技术矩阵：,只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能的方案。在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为：N=nm得到各种方案后，先剔除一些明显不成立的、不符合要求的方案，然后按照上节所述的原则，筛选出一些较合理的方案，以供进一步评价。这种方法有利于利用计算机存储、分析和选择，具有广阔前景。,

11、精锻机主机构选型举例 总体功能 当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。,动作功能分解运动形式变换功能：将驱动轴的转动变换为冲头的移动；运动轴线变向功能 将水平轴运动变换为铅垂方向运动；运动位移或速度缩小功能 减小位移量（或速度），以实现增力要求。,功能-技术矩阵图,将各分功能进行组合，得出可行方案将三个分功能按不同顺序排列，得到各种方案的示例,在移动状态下改变运动方向：1、2、3,在转动状态下改变运动方向：4、5、6,在转动状态下增力：3、4、5,在移动状态下增力：1、2、6,几种典型方

12、案示例方案 1,先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用斜面机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。,特点：采用斜面机构增强了系统刚度，经过两次运动大小变换增加了锻压力。,方案 2,先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。,特点：经过两次运动大小变换，可见有较大的锻压力。,方案 3,先由曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，再采用摆杆滑块机构将水平轴运动变换为铅垂方向的移动并实现运动大小变换功能。,特点：经过两次运动大小变换，具有较大的力。缺点：系统刚度较差。,方案 4,先由

13、摩擦轮机构将水平轴转动变换为铅垂轴转动，再采用螺旋机构将转动变换为往复移动并实现运动大小变换功能。,特点：螺旋机构具有很好的运动大小变换功能，可产生很大的锻压力。,12.5 执行系统的协调设计 12.5.1 执行系统协调设计的原则 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定的次序协调工作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程执行系统的协调设计。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；

14、满足各执行机构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；各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。,12.5.2 执行系统协调设计的方法 工程实际中的大多数机械的工作都是周期性的，即经过一定的时间间隔后，各执行构件的位移、速度和加速度等运动参数就周期性的重复。协调设计的步骤 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协调配合关系。,12.5.3 机械运动循环图 描述各执行构件运动间相互协调配合的图机械运动循环图 由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个运动循环，故运动循环图常以主轴或分配轴的

15、转角为坐标来编制。,以牛头刨床为例：有两个执行构件刨头和工作台，以牛头刨床主体机构-曲柄导杆机构中的曲柄为定标件。,1.直线式 以曲柄的转角为横坐标，曲柄每转一转为一个工作循环,它的优点是：绘制方法简单，能比较清楚地表示出一个循环内各执行构件行程之间的相互顺序和时间关系。缺点是：无法显示出各执行构件的运动规律，因而直观性较差。,2.圆盘式,其优点是直观性强。因为一般机械的一个运动循环对应分配轴转一周，所以通过这种循环图能直接看出各执行机构的主动件在分配轴上所处的位置。便于各执行机构的设计、安装和调试。这种运动循环图的缺点是当执行机构的数目较多时，由于同心圆环太多不能一目了然，也不能显示各执行构件的运动规律。,3.直角坐标式,以上两种循环图只表示了各执行构件先后次序和动作持续时间的长短，而不能显示出各执行构件在工作时间的运动规律和各执行构件在位置上的协调配合关系。,这种运动循环图不仅能表示出两执行构件动作的先后，而且能表示出两执行构件的工作行程和空回行程的运动规律以及它们在运动上的配合关系，是一种较完善的工作循环图。,三种运动循环图间的关系：画一个圆，将直线式运动循环图以执行构件为层绕到该圆上便得圆周式运动循环图；将直线式运动循环图中各执行构件的位移图画上便得直角坐标式运动循环图。,机械传动系统设计举例,多头钻床传动系统,