机械执行系统的方案设计.ppt
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1、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
2、,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
3、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
4、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
5、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
6、。,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
7、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
8、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.
9、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
10、,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
11、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
12、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
13、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
14、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
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