第十三章機械系統(tǒng)的方案設計-課程中心

1、鋼鐵冶煉—設計—制造—裝配—使用—再制造—報廢處理—鋼鐵冶煉,,第14章 機械系統(tǒng)的方案設計,14.1 概述 機械系統(tǒng)的方案設計就是要完成從原動機、傳動機構(gòu)到執(zhí)行機構(gòu)的設計。其中傳遞動力和實現(xiàn)預期運動是機械系統(tǒng)的兩個基本任務。機械系統(tǒng)設計是否合理直接影響到機械的功能實現(xiàn)，性能質(zhì)量的好壞、成本（制造成本和使用成本）的高低等。,設計的四個階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段，2.方案設計階段，3.詳細設計階段，4.改進設計階段,1.產(chǎn)品規(guī)劃階

2、段 本階段主要是通過市場調(diào)查了解市場需求，作出市場預測，對產(chǎn)品開發(fā)的可能性作綜合研究并提出可行性報告，本階段最終目的是確定任務并給出詳細的設計任務書。2.方案設計階段 通過規(guī)劃階段明確了設計任務，確定了系統(tǒng)的功能。當然能實現(xiàn)同一功能的系統(tǒng)可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的運動方案。通過功能分析并確定了工作原理的基礎上進行工藝動作構(gòu)思，初步擬定出從原動機經(jīng)傳動機構(gòu)到執(zhí)行機構(gòu)的運動方案，并畫出各執(zhí)行構(gòu)件動作相互協(xié)調(diào)配合的運動循環(huán)

3、圖，設計各執(zhí)行機構(gòu)，畫出機構(gòu)運動簡圖并作機構(gòu)的運動學分析和動力學分析計算，這是機械產(chǎn)品方案設計階段的主要內(nèi)容。3.詳細設計階段 該階段是將機械運動簡圖具體化為機器及零部件的合理結(jié)構(gòu)。完成機械產(chǎn)品的總體設計、部件和零件設計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設計說明書等技術(shù)文件。4.改進設計階段 本階段的主要任務是根據(jù)試驗、使用、鑒定所暴露的問題，進一步做出相應的技術(shù)完善工作，以確保產(chǎn)品的設計質(zhì)量。,方案設計的必備知識1、充分了解并掌握各種常用

4、機構(gòu)的基本知識；2、必須了解和掌握各種動力源的性能和使用要求；3、熟悉對設計方案的選擇有重要影響的周圍環(huán)境的信息；4、充分重視其他學科的技術(shù)應用；5、應有創(chuàng)新意識并掌握常用的創(chuàng)新設計方法。,方案設計的主要步驟：1、目標分析：根據(jù)任務書給定的總功能作功能分解，直至分解到可以直接求解的功能元 ；,2、創(chuàng)新構(gòu)思：求各功能元的解，同一功能元的解可以運用不同的原理，同一原理又可以有若干不同方案，將方案評價選優(yōu)；3、方案擬定：擬定總體方

5、案，動力源的選擇、傳動系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)的確定，并將各執(zhí)行機構(gòu)作協(xié)調(diào)設計即設計繪制運動循環(huán)圖；,4、機構(gòu)設計：設計各執(zhí)行機構(gòu)，初步確定機構(gòu)尺寸，畫機構(gòu)運動簡圖；5、參數(shù)計算：對各初選方案進行運動學分析、動力學分析及有關(guān)計算；6、方案評價與決策：對各方案作技術(shù)、經(jīng)濟及社會評價，必要時作反饋修改，最后從中選擇最優(yōu)方案，繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫總體方案設計計算說明書。,14.2 機械系統(tǒng)的方案擬定14.2.1 原動機的類型及應用( Type

6、 and Application of Priming Mover)原動機的動力源主要有電、熱、液及氣四種。電動機是最常用的原動機，交流異步電動機、直流電動機、交流伺服電動機、直流伺服電動機、步進電動機及直線電機等均有廣泛的應用。熱機是指內(nèi)燃機、汽輪機、蒸汽機、燃氣輪機等液壓馬達及液壓油缸是主要的液壓原動機。氣馬達及氣缸則是主要的氣壓原動機。,14.2.2 傳動機構(gòu)的類型及功用(Type and Application of

7、 Transmission Mechanism )常用的傳動機構(gòu)有：,1、齒輪機構(gòu) 齒輪機構(gòu)應用在中心距較小，傳動精度較高，各種不同傳遞動力范圍的場合。2、螺旋機構(gòu) 在許多機械設備中大量應用著螺旋機構(gòu)（又稱絲杠傳動），它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，具有增力效果。,3、帶傳動與鏈傳動帶傳動及鏈傳動多用于中心距較大的傳動。4、連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)在機械設備及日常生活中有大量應用。5、凸輪機構(gòu)。由于凸輪機構(gòu)是高

8、副接觸，決定了這種機構(gòu)主要用于傳遞運動。,14.2.3 執(zhí)行機構(gòu)的運動類型及典型機構(gòu)(Motion Type of Executive Mechanism and Its Typical Mechanisms)機器中最接近被作業(yè)工件一端的機構(gòu)稱為執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)中接觸工件或執(zhí)行終端運動的構(gòu)件稱為執(zhí)行構(gòu)件。機器通過執(zhí)行構(gòu)件完成作業(yè)任務。執(zhí)行機構(gòu)的運動分為直線運動、回轉(zhuǎn)運動、任意軌跡運動、點到點的運動及位到位的運動等主要五種運動形

9、式。實現(xiàn)不同運動形式的典型機構(gòu)主要有：,1、實現(xiàn)直線運動的機構(gòu)(Mechanism to Gain Straight Line Path)1) 齒輪-齒條機構(gòu)(Pinion-Rack)齒輪的正、反向回轉(zhuǎn)可以使齒條做往復直線運動,2) 螺旋機構(gòu)(Screw Mechanism)絲杠的回轉(zhuǎn)可以使螺母實現(xiàn)往復直線運動,3) 曲柄滑塊機構(gòu)(Crank-Slider)當曲柄連續(xù)回轉(zhuǎn)時，滑塊可做往復直線運動,4)雙搖桿機構(gòu)起重機的變幅機構(gòu)

10、,5) 鏈傳動（直線段部分的運動）(Chain Drive Mechanism)帶有翼片的鏈傳動，可以拖動被作業(yè)件在兩鏈輪間的直線段做直線運動。,2、實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)(Mechanism to Realize Rotary Motion)1) 齒輪傳動機構(gòu)(Gear Transmmision Mechanism,2) 雙曲柄機構(gòu)（含平行四邊形機構(gòu)）(Double Crank Mechanism)一曲柄回轉(zhuǎn)可帶動另一曲柄做等速或

11、不等速回轉(zhuǎn)運動,3) 鏈傳動及帶傳動(Train and Belt Transmissions)可以實現(xiàn)較長距離的回轉(zhuǎn)運動,3、實現(xiàn)運動軌跡的機構(gòu)(Mechanism to realize any motion path)1) 四桿機構(gòu)（連桿曲線）(Four-bar Linkage)四桿機構(gòu)的連桿上的每一點均可以實現(xiàn)一定的封閉運動軌跡,2) 開式鏈機構(gòu)(Open Chain Mechanism),任何開式鏈機構(gòu)上的端點都可以實現(xiàn)一

12、定的運動軌跡，工業(yè)機器人操作機大多是由開鏈機構(gòu)組成的。,4、點到點的運動機構(gòu)(Mechanism to Realize Point-to-point Motion )1)曲柄滑塊機構(gòu)(Crank-sliding Mechanism)合理的設計曲柄滑塊機構(gòu)的尺寸，可以實現(xiàn)滑塊的點到點的運動,2)凸輪機構(gòu)(Cam )擺動從動件凸輪機構(gòu)及直動從動件凸輪機構(gòu)均可實現(xiàn)點到點的運動,5、位到位的運動機構(gòu)(Mechanism to Realiz

13、e Motion Between Positions),在四桿機構(gòu)應用中，連桿及搖桿占據(jù)空間兩個及兩個以上位置的情況隨處可見，如：,1)熱處理爐爐門開閉機構(gòu)( Closing and Opening Mechanism of Door of Furnace for Heat Treatment)爐門可以占據(jù)開啟和閉合兩個位置,2)飛機起落架機構(gòu)(Plane Undercarriage Mechanism)起落架可以使輪子占據(jù)收起和放

14、下兩個位置,14.2.4 執(zhí)行機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)與運動循環(huán)圖(Motion Adjustment to Excutive Mechanism and Its Motion Circulation Chart) 多數(shù)機器不只有一個執(zhí)行構(gòu)件，往往是許多執(zhí)行構(gòu)件協(xié)調(diào)工作以完成同一任務。運動循環(huán)圖即可表示出各執(zhí)行機構(gòu)間的時序協(xié)調(diào)關(guān)系。另一種情況是，某些機械的多個執(zhí)行構(gòu)件在完成同一任務時，需有準確而協(xié)調(diào)的運動時間和運動順序的安排，以防止出現(xiàn)

15、某一執(zhí)行構(gòu)件工作不到位或兩個以上執(zhí)行構(gòu)件在同一空間發(fā)生干涉。運動循環(huán)圖分為：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。,,在編制運動循環(huán)圖時，要選擇一個構(gòu)件為定標件，用它的運動位置（轉(zhuǎn)角或位移）作為確定其他執(zhí)行構(gòu)件運動先后次序的基準。有如下三種形式：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。,14.2.5 機械方案設計準則(General Rule for Scheme Design)1、傳動鏈應盡

16、可能短；2、機械效率應盡可能高；3、傳動比的分配應盡可能合理；4、傳動機構(gòu)的順序安排應盡可能恰當；5、機械的安全運轉(zhuǎn)必須保證。,14.2.6 機械方案的評價(Evaluation of Mechanical Scheme) 實現(xiàn)同一工作任務，且滿足工藝要求和性能指標時，可以設計出多種機械運動方案來。必須再經(jīng)過充分的、細致的分析比較，以決定取舍。最后保留的設計方案應是最優(yōu)方案。,每一部機器都是由原動機，執(zhí)行機構(gòu)及傳動機構(gòu)組成的

17、，因此需分別對原動機及各機構(gòu)進行評價，然后經(jīng)綜合可獲得對一部機器整機的評價。建立評價體系是量化評價的方法之一。機械系統(tǒng)設計方案的優(yōu)劣主要是技術(shù)、經(jīng)濟、安全可靠三方面。但作為方案設計階段主要考慮功能、性能等技術(shù)方面因素。評價體系可將系統(tǒng)評價指標劃分為六方面：它們是(1)系統(tǒng)功能、(2)運動性能、(3) 動力性能、(4)工作性能、（5）經(jīng)濟性、 (6)結(jié)構(gòu)緊湊性等。評價時根據(jù)具體情況分別對六大類型及更為細致的子項給出分值，然后對整機進行比

18、較。,1、系統(tǒng)功能：實現(xiàn)運動規(guī)律或運動軌跡、實現(xiàn)工藝動作的準確性、特定功能等。2、運動性能：運轉(zhuǎn)速度、行程可調(diào)性、運動精度等。3、動力性能：承載能力、增力特性、振動噪音等。4、工作性能：效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性、適應范圍等。5、經(jīng)濟性：加工難易、能耗大小、制造成本等。6、機構(gòu)緊湊性：尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復雜性。,假定設計方案均滿足(1)、(2)兩大類型要求，則應對不同方案重點進行(3)、(4)、(5)（6）的比

19、較。運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、加速度小、無沖擊和噪聲，這對大型機械是十分重要的評價指標，尤其對未獲得在基座上平衡的連桿機構(gòu)更是如此。機械的結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、傳動鏈短、工作可靠是又一重要的評價指標。制造難易，調(diào)整的方便性，維修的方便性直接影響著機構(gòu)及機械的經(jīng)濟性，這是不可忽視的第三方面的評價指標。 綜合考慮各方面評價指標，才能在諸多機械運動方案的設計中選出最優(yōu)者。,14.3 機構(gòu)的創(chuàng)新設計14.3.1 機構(gòu)的創(chuàng)新應用(Creat

20、ive Application for Knowing Mechanism )即：使用常見機構(gòu)，經(jīng)過巧妙的構(gòu)思，賦予機構(gòu)以新的應用。14.3.2 新機構(gòu)的構(gòu)思與創(chuàng)造(Conception and Creation for New Mechanism )1、原有機構(gòu)的發(fā)展(Development of Original Mechanism)針對原有機構(gòu)應用中某些性能方面的不足，而發(fā)展出現(xiàn)的一些新機構(gòu)。,2、新機構(gòu)的創(chuàng)造(Crea