机械原理第八章机械系统的方案设计

1、第一节概述第一节概述 四个阶段四个阶段 初期规划设计初期规划设计( (概念设计概念设计) ) 总体方案设计总体方案设计 结构技术设计结构技术设计 生产施工设计生产施工设计( (工艺设计工艺设计) ) 重要性重要性 总体方案设计直接决定机械产品的性能、质量及其在市总体方案设计直接决定机械产品的性能、质量及其在市 场上的竞争力和企业效益。场上的竞争力和企业效益。 核心内容核心内容 机械执行系统的方案设计，极富创造性和综合性。机械执行系统的方案设计，极富创造性和综合性。 第八章第八章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 总体方案设计内容总体方案设计内容 根据初期规划设计阶段提出的设计任务书，通过对

2、系统根据初期规划设计阶段提出的设计任务书，通过对系统 的功能分析和工艺动作分解，明确各个工艺动作的工作原的功能分析和工艺动作分解，明确各个工艺动作的工作原 理，构思出满足功能要求的总体方案，并通过对方案的评价理，构思出满足功能要求的总体方案，并通过对方案的评价 和决策，确定出既能实现系统预期功能要求，又性能优良、和决策，确定出既能实现系统预期功能要求，又性能优良、 价格低廉的总体设计方案，完成总体方案示意图、机械系统价格低廉的总体设计方案，完成总体方案示意图、机械系统 运动简图、运动循环图和方案设计计算说明书。运动简图、运动循环图和方案设计计算说明书。 第二节机械执行系统的方案设计第二节机械执

3、行系统的方案设计 一、执行系统的功能与设计要求一、执行系统的功能与设计要求 执行系统实现的功能执行系统实现的功能 ( (1) )夹持例如自动生产线或自动机械中夹持工件或重夹持例如自动生产线或自动机械中夹持工件或重 物的工业机械手等。物的工业机械手等。 ( (2) )运送例如自动机床的上下料机构和加工中心几个运送例如自动机床的上下料机构和加工中心几个 工位的工件传递系统等。工位的工件传递系统等。 ( (3) )分度与转位例如加工齿轮时的分度机构、六角车分度与转位例如加工齿轮时的分度机构、六角车 床的刀架转位机构等。床的刀架转位机构等。 ( (4) )测量与检测例如对工件尺寸、形状及性能进行检测量

4、与检测例如对工件尺寸、形状及性能进行检 验和测量的机构等。验和测量的机构等。 ( (5) )表面处理例如对工作对象表面进行喷涂、洗刷的表面处理例如对工作对象表面进行喷涂、洗刷的 机构等。机构等。 ( (6) )施力通过对工作对象施加力或力矩以改变工作对施力通过对工作对象施加力或力矩以改变工作对 象的形状和尺寸，例如锻压机、剪切机、碎石机和加工机床象的形状和尺寸，例如锻压机、剪切机、碎石机和加工机床 中的机构等。中的机构等。 执行系统方案设计应满足的要求执行系统方案设计应满足的要求 ( (1) )实现预期的运动和动作实现预期的运动和动作 ( (2) )各构件具有足够的强度和刚度各构件具有足够的强

5、度和刚度 ( (3) ) 各执行机构之间应动作协调各执行机构之间应动作协调 ( (4) ) 机构结构合理，造型美观，便于加工与安装机构结构合理，造型美观，便于加工与安装 ( (5) ) 工作安全可靠，具有足够的使用寿命工作安全可靠，具有足够的使用寿命 二、执行系统二、执行系统方案设计的主要内容方案设计的主要内容 执行系统的功能原理设计执行系统的功能原理设计 执行系统的运动规律设计执行系统的运动规律设计 执行机构的型式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协调设计 执行机构的尺度设计执行机构的尺度设计 执行系统运动和动力分析执行系统运动和动力分析 执行系统的方案评价与决策执行系统的

6、方案评价与决策 N 机械执行系统方案设计过程机械执行系统方案设计过程 Y N 改变设计策略改变设计策略 机械预期实现机械预期实现 的功能要求的功能要求 功能原理设计功能原理设计运动规律设计运动规律设计 绘制执行系统运绘制执行系统运 动简图动简图 构思新的构思新的 运动规律运动规律 改变机构参数改变机构参数 执行机构型式设计执行机构型式设计 执行系统协调设计执行系统协调设计 机构尺度设计机构尺度设计 运动分析和动力分析运动分析和动力分析 方案评价方案评价 是否满足是否满足 要求要求 改变机构改变机构 型式型式 重新构思功能原理重新构思功能原理 三、执行系统三、执行系统的功能原理设计的功能原理设计

7、 任务任务 根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能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，并根据使用要求或工艺要求，选择出原理，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，选择出 既能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。既能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。 功能原理设计的多方案性功能原理设计的多方案性 实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理，不同实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理，不同 的工作原理，需要不同的工艺动作。的工作原理，需要不同的工艺动作。 切削运动切削运动 分度运动分度运动 范成运动范成运动 切削运动切削运动

8、范成原理范成原理 进给运动进给运动 进给运动进给运动 齿齿 轮轮 加加 工工 设设 备备 仿形原理仿形原理 1. 功能原理设计的特点功能原理设计的特点 ( (1) )功能原理方案构思阶段是机械设计中最能充分发挥功能原理方案构思阶段是机械设计中最能充分发挥 创造性的阶段。构思出一种崭新的工作原理就可以创造出一创造性的阶段。构思出一种崭新的工作原理就可以创造出一 类新颖的机械产品，创造出新的价值。类新颖的机械产品，创造出新的价值。 ( (2) )功能功能原理设计是否合理对产品的成败具有决定性作原理设计是否合理对产品的成败具有决定性作 用，它从质的方面决定了机械的设计水平和综合性能状况用，它从质的方

9、面决定了机械的设计水平和综合性能状况。 2. 功能原理设计的创造性功能原理设计的创造性 功能原理设计是一个极富创造性的构思过程，涉及的知功能原理设计是一个极富创造性的构思过程，涉及的知 识领域十分广泛，也没有某种固定的模式可以遵循。识领域十分广泛，也没有某种固定的模式可以遵循。 功能原理设计的几种常用的方法功能原理设计的几种常用的方法 ( (1) ) 分析综合法分析综合法 应用组合原理进行创造性设计，把机械系统预期实现的应用组合原理进行创造性设计，把机械系统预期实现的 功能要求作为总功能，将其分解为一系列分功能，通过研究、功能要求作为总功能，将其分解为一系列分功能，通过研究、 分析分功能的本质

10、，进行各分功能原理设计，然后把这些分分析分功能的本质，进行各分功能原理设计，然后把这些分 功能原理进行综合，形成机械系统的功能原理设计方案。功能原理进行综合，形成机械系统的功能原理设计方案。 ( (2) )思维扩展法思维扩展法 利用发散思维进行机械系统功能原理设计。在机械系统利用发散思维进行机械系统功能原理设计。在机械系统 功能原理设计中，设计者的思路不应局限于机械学范围，电功能原理设计中，设计者的思路不应局限于机械学范围，电 子学、磁学、光学、热学、仿生学等科学工作原理都应在考子学、磁学、光学、热学、仿生学等科学工作原理都应在考 虑之列虑之列 ( (3) )还原创新法还原创新法 机械的发明创

11、造的原点是机械预期实现的功能，它是惟机械的发明创造的原点是机械预期实现的功能，它是惟 一的，而创造的起点是实现这一功能要求的方法，它有许多一的，而创造的起点是实现这一功能要求的方法，它有许多 种。创造的原点可以作为创造的起点，但创造的起点却不能种。创造的原点可以作为创造的起点，但创造的起点却不能 作为创造的原点。还原创新法是指跳出已有的创造起点，追作为创造的原点。还原创新法是指跳出已有的创造起点，追 根溯源到它的创造原点，紧紧围绕机械预期实现的功能预期，根溯源到它的创造原点，紧紧围绕机械预期实现的功能预期， 从创造原点出发，另辟新路，构思新的功能原理。从创造原点出发，另辟新路，构思新的功能原理

12、。 四、执行系统的运动规律设计四、执行系统的运动规律设计 根据工作原理所提出的工艺动作要求，构思出能实现该根据工作原理所提出的工艺动作要求，构思出能实现该 要求的各种运动规律，并从中选出最简单适用的运动规律，要求的各种运动规律，并从中选出最简单适用的运动规律， 作为机械的运动方案，这一工作通常是通过对工作原理所提作为机械的运动方案，这一工作通常是通过对工作原理所提 出的工艺动作进行分解来进行的。出的工艺动作进行分解来进行的。 运动规律设计是机械执行系统方案设计中十分关键的一运动规律设计是机械执行系统方案设计中十分关键的一 步，它直接关系到机械运动实现的可能性、整机的复杂程度步，它直接关系到机械

13、运动实现的可能性、整机的复杂程度 以及机械的工作性能，对机械的设计质量具有非常重要的影以及机械的工作性能，对机械的设计质量具有非常重要的影 响。在设计运动规律时，应同时考虑机械的工作特性、适应响。在设计运动规律时，应同时考虑机械的工作特性、适应 性、可靠性、经济性和先进性等多方面的要求。性、可靠性、经济性和先进性等多方面的要求。 机械工艺动作过程分解的注意事项机械工艺动作过程分解的注意事项 ( (1) )动作最简化动作最简化 ( (2) )动作可实现性动作可实现性 ( (3) )动作数最小动作数最小 ( (4) )动作的变化规律动作的变化规律 ( (5) )动作的控制和协调配合动作的控制和协调

14、配合 加工内孔工艺动作不同分解方案加工内孔工艺动作不同分解方案 镗内孔车床镗内孔车床镗内孔镗床镗内孔镗床 钻床钻床 拉床拉床 五、执行机构的型式设计五、执行机构的型式设计 根据各执行构件所要完成的运动形式和运动规律，通过根据各执行构件所要完成的运动形式和运动规律，通过 从现有的机构中进行选择、比较、组合或创造新机构来确定从现有的机构中进行选择、比较、组合或创造新机构来确定 执行机构的型式。执行机构的型式。 究竟选择哪种机构，需要考虑机构的动力特性、机械效究竟选择哪种机构，需要考虑机构的动力特性、机械效 率、制造成本、外形尺寸等因素。率、制造成本、外形尺寸等因素。 执行机构型式设计所要解决的关键

15、问题是：选择或创造执行机构型式设计所要解决的关键问题是：选择或创造 什么样的机构来实现给定的运动。这是机械系统方案设计中什么样的机构来实现给定的运动。这是机械系统方案设计中 最富有创造性的重要环节，直接影响到机械的工作质量、使最富有创造性的重要环节，直接影响到机械的工作质量、使 用效果、使用寿命、结构的繁简程度和经济效益等。用效果、使用寿命、结构的繁简程度和经济效益等。 ( (一一) )执行机构型式设计的基本原则执行机构型式设计的基本原则 1. 满足执行构件的运动要求满足执行构件的运动要求 2. 结构简单，运动链短结构简单，运动链短 精确直线导向机构精确直线导向机构近似直线导向机构近似直线导向

16、机构 3. 机构尺寸应尽可能小机构尺寸应尽可能小 滑块行程为曲柄长度的滑块行程为曲柄长度的4倍倍 4. 注意运动副的选择注意运动副的选择 用滚动摩擦代替滑动摩擦用滚动摩擦代替滑动摩擦 电动机电动机内燃机内燃机 液压马达液压马达气动马达气动马达 5. 充分考虑动力源的形式充分考虑动力源的形式 6. 使执行系统有良好的传力特性和动力性能使执行系统有良好的传力特性和动力性能 F P Md R32 3 R12 1 2 2 3 R12 F R32 F R32 R42 4 Md F R42 4 1 P R32 F C e F C F M 摩擦力较大摩擦力较大 摩擦力较小摩擦力较小 7. 使机械操作方便，调

17、整容易，安全可靠使机械操作方便，调整容易，安全可靠 过载保护装置过载保护装置 起动装置起动装置 离合器离合器 误差补偿机构误差补偿机构 摩擦传动机构摩擦传动机构 自锁机构自锁机构 可调机构可调机构 换向装置换向装置 制动装置制动装置 ( (二二) )执行机构型式设计的方法执行机构型式设计的方法 1. 机构的选型机构的选型 ( (1) )按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能进行按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能进行 机构选型机构选型 从具有相同运动形式和运动变换的机构中，按照执行构从具有相同运动形式和运动变换的机构中，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要求时，件

18、所需的运动特性进行搜寻。当有多种机构均可满足要求时， 则可根据执行机构型式设计的基本原则，对初选的机构型式则可根据执行机构型式设计的基本原则，对初选的机构型式 进行分析和比较，从中选出较优的机构。进行分析和比较，从中选出较优的机构。 非圆齿轮机构、双曲柄机构、转动导杆机构、单万向联轴非圆齿轮机构、双曲柄机构、转动导杆机构、单万向联轴 节机构、齿轮节机构、齿轮连杆组合机构等连杆组合机构等 非匀速非匀速 轴向滑移圆柱齿轮机构、混合轮系变速机构、摩擦传动机轴向滑移圆柱齿轮机构、混合轮系变速机构、摩擦传动机 构、行星无级变速机构、构、行星无级变速机构、挠性无级变速机构等挠性无级变速机构等 变传动比匀速

19、变传动比匀速 交错轴斜齿圆柱齿轮机构、准双曲面齿轮机构、交错轴斜齿圆柱齿轮机构、准双曲面齿轮机构、 蜗杆蜗轮机构蜗杆蜗轮机构 交错轴交错轴 双万向联轴节机构、锥齿轮机构等双万向联轴节机构、锥齿轮机构等相交轴相交轴 圆柱齿轮机构、圆柱齿轮机构、平行四杆机构、同步齿形带机构、平行四杆机构、同步齿形带机构、 周转轮系、双万向联轴节机构、摩擦传动机构、周转轮系、双万向联轴节机构、摩擦传动机构、 摆线针轮机构、挠性传动机构、谐波传动机构等摆线针轮机构、挠性传动机构、谐波传动机构等 平行轴平行轴 定传动比匀速定传动比匀速 连连 续续 转转 动动 机构示例机构示例运动形式运动形式 常见运动形式及其对应机构常

20、见运动形式及其对应机构 特殊形式的连杆机构、摆动从动件凸轮机构、齿轮连杆特殊形式的连杆机构、摆动从动件凸轮机构、齿轮连杆 组合机构、利用连杆曲线的圆弧段或直线段组成的多杆机组合机构、利用连杆曲线的圆弧段或直线段组成的多杆机 构等构等 间歇摆动间歇摆动 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机 构、某些组合机构等构、某些组合机构等 间歇转动间歇转动 曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、移曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、移 动导杆机构、正弦机构、楔块机构、螺旋机构、气动、液动动导杆机构、正弦机构、楔块机构、

21、螺旋机构、气动、液动 机构、挠性机构等机构、挠性机构等 往复移动往复移动 往往 复复 运运 动动 运动形式运动形式 常见运动形式及其对应机构常见运动形式及其对应机构 往复摆动往复摆动 曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构、双曲柄摇杆机构、曲柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构、双 摇杆机构、摆动导杆机构、空间连杆机构、某些组合机构、摇杆机构、摆动导杆机构、空间连杆机构、某些组合机构、 摇杆滑块机构等摇杆滑块机构等 间间 歇歇 运运 动动 间歇移动间歇移动 棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件做间歇往复运动的凸轮棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件做间歇往复运动的凸轮 机构、反凸轮机构、气动、液压机

22、构、移动杆有停歇的斜面机构、反凸轮机构、气动、液压机构、移动杆有停歇的斜面 机构等机构等 机构示例机构示例 带传动机构、摩擦传动机构等带传动机构、摩擦传动机构等 微动、补偿微动、补偿 双向式棘轮机构、三星轮换向机构、离合器、滑移齿轮换双向式棘轮机构、三星轮换向机构、离合器、滑移齿轮换 向机构等向机构等 换向换向 连杆近似直线机构、八杆精确直线机构、某些组合机构等连杆近似直线机构、八杆精确直线机构、某些组合机构等 直线轨迹直线轨迹 预预 定定 轨轨 迹迹 运动形式运动形式 常见运动形式及其对应机构常见运动形式及其对应机构 曲线轨迹曲线轨迹 利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮连杆组合利用连杆

23、曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮连杆组合 机构、齿轮连杆组合机构、行星轮系与连杆的组合机构机构、齿轮连杆组合机构、行星轮系与连杆的组合机构 等等 特特 殊殊 运运 动动 要要 求求 齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构等齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构等 机构示例机构示例 超越超越 过载保护过载保护 螺旋差动机构、谐波传动机构、差动轮系、杠杆式差动机螺旋差动机构、谐波传动机构、差动轮系、杠杆式差动机 构等构等 具体项目具体项目 评价评价 指标指标 常用机构的性能和特点常用机构的性能和特点 1. 运动规律和轨迹运动规律和轨迹 评价评价 连杆机构连杆机构组合机构组合机构齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构 运动运

24、动 性能性能 工作工作 性能性能 任意性较任意性较 差，只能实差，只能实 现有限个精现有限个精 确位置确位置 基本上任意基本上任意 一般为定一般为定 传动比转动传动比转动 或移动或移动 基本上任意基本上任意 2. 运动精度运动精度 较低较低较高较高高高较高较高 3. 运动速度运动速度 很高很高较高较高一般一般较高较高 1. 应用范围应用范围 2. 效率效率 一般一般一般一般 广广较广较广一般一般较广较广 高高较高较高 3. 可调性可调性 4. 运转速度运转速度 5. 承载能力承载能力 6. 耐磨性耐磨性 较好较好较差较差较差较差较好较好 较高较高很高很高较高较高高高 较大较大较大较大大大较小较

25、小 好好较好较好较好较好差差 7. 可靠性可靠性可靠可靠可靠可靠可靠可靠可靠可靠 具体项目具体项目 评价评价 指标指标 常用机构的性能和特点常用机构的性能和特点 1. 加速度峰值加速度峰值 评价评价 连杆机构连杆机构组合机构组合机构齿轮机构齿轮机构凸轮机构凸轮机构 动力动力 性能性能 经济经济 性性 2. 噪声噪声 较小较小较小较小小小较大较大 3. 平稳性平稳性 好好较差较差较差较差较好较好 1. 制造难易程度制造难易程度 2. 制造误差敏感制造误差敏感 敏感敏感不敏感不敏感 较易较易较难较难较难较难容易容易 敏感敏感敏感敏感 3. 调整方便性调整方便性 4. 能耗大小能耗大小 1. 尺寸尺

26、寸 2. 重量重量 较方便较方便较麻烦较麻烦较方便较方便方便方便 一般一般一般一般一般一般一般一般 较大较大较小较小较小较小较小较小 较轻较轻较重较重较重较重较重较重 3. 结构复杂性结构复杂性简单简单复杂复杂一般一般复杂复杂 较大较大较小较小小小较小较小 结构结构 紧凑紧凑 运动特性运动特性性能特点性能特点 单向单向 双向双向 转动转动 移动移动 螺旋螺旋 轨迹轨迹 连续连续 不连不连 续续 匀速匀速 非匀非匀 速速 平行平行 相交相交 交叉交叉 运动运动 类型类型 运动运动 方向方向 运动运动 连续连续 运动运动 速率速率 轴线轴线 位置位置 机机 构构 特特 征征 应应 用用 机构功能机

27、构功能 一种机构表达方法一种机构表达方法 主要用于空气压缩机、机床等工作机上主要用于空气压缩机、机床等工作机上应用应用 具有急回特性，制造容易、强度高、具有急回特性，制造容易、强度高、 承载能力强承载能力强 机构特性机构特性 性性 能能 交叉成交叉成90 非匀速非匀速匀速匀速 非连续非连续连续连续 双向双向单向单向运动方向运动方向 移动移动转动转动运动类型运动类型 偏置曲柄偏置曲柄 滑块机构滑块机构 输出输出 输入关系输入关系输出状态输出状态输入状态输入状态机构描述机构描述机构名称机构名称 曲柄滑块机构的表达曲柄滑块机构的表达 e 运运 动动 特特 性性 运动连续性运动连续性 运动速率运动速率

28、 轴线位置轴线位置 ( (2) )按照动作功能分解与组合原理进行机构选型按照动作功能分解与组合原理进行机构选型 运动变换和力变换的基本功能表示符号运动变换和力变换的基本功能表示符号 基本功能基本功能表示符号表示符号表示符号表示符号基本功能基本功能 运动形式变换运动形式变换 运动运动( (位移位移或或 速度速度) )缩小缩小 运动运动( (位移或位移或 速度速度) )放大放大 运动方向交替变换运动方向交替变换 运动轴线变向运动轴线变向 运动合成运动合成 运动分解运动分解 运动脱离运动脱离 运动连接运动连接 实现执行机构总功能的功能实现执行机构总功能的功能技术矩阵技术矩阵 分功能分功能 实现分功能

29、的对应机构实现分功能的对应机构 U1 Um Ui t11 t1j tm1 ti1tij tmj m mn t 1 1n t i in t 总功能的分解总功能的分解 U (Ui ) i 1，2，m 实现总功能的最多方案数实现总功能的最多方案数 N n1n2ninm i 1，2，m 有些机构具有多种分功能有些机构具有多种分功能( (如曲柄滑块机构既有运动形如曲柄滑块机构既有运动形 式变换功能，又有运动轴线变向功能式变换功能，又有运动轴线变向功能) )，所以，可能会出现，所以，可能会出现 重复方案。重复方案。 这种方法可提供数目众多的方案，使设计人员有广泛的这种方法可提供数目众多的方案，使设计人员有

30、广泛的 选择范围。设计时，一般可先从中剔出一些明显不符合要求选择范围。设计时，一般可先从中剔出一些明显不符合要求 的方案，然后根据执行机构型式设计的基本原则，选取几个的方案，然后根据执行机构型式设计的基本原则，选取几个 比较满意的方案。最后，采用科学的评价方法对初选方案进比较满意的方案。最后，采用科学的评价方法对初选方案进 行评价，从中选出符合设计要求的最优方案。行评价，从中选出符合设计要求的最优方案。 举例举例 设计题目设计题目 精锻机主机构精锻机主机构 总功能总功能 当加压执行构件当加压执行构件( (冲头冲头) )上下运动时，能锻出较高精度的上下运动时，能锻出较高精度的 毛坯。毛坯。 空间

31、约束条件空间约束条件 驱动轴必须水平布置。驱动轴必须水平布置。 分功能分功能 运动形式变换运动形式变换 运动轴线变向运动轴线变向 运动位移或速度缩小运动位移或速度缩小 功能功能技术矩阵技术矩阵 流体流体 机构机构 摩擦轮摩擦轮 机构机构 齿轮机构齿轮机构 螺旋、斜面螺旋、斜面 机构机构 凸轮机构凸轮机构连杆机构连杆机构 流体传动流体传动 原理原理 摩擦传动摩擦传动 原理原理 啮合传动啮合传动 原理原理 推拉传动原理推拉传动原理传动原理传动原理 功能功能 机构机构 基本功能结构基本功能结构 组合机构方案总数组合机构方案总数 N 63 216 冲头压力大，安全冲头压力大，安全 可靠，但传动精度差，

32、可靠，但传动精度差， 适用于一般的锻压设适用于一般的锻压设 备备 机构的综合刚度较机构的综合刚度较 差，但冲头具有较大差，但冲头具有较大 压力，且可在冲压位压力，且可在冲压位 置保持短时间停歇，置保持短时间停歇， 适用于压印机适用于压印机 生产效率较低，适生产效率较低，适 合用于一般大型锻压合用于一般大型锻压 机械设备机械设备 刚度好，具有较好刚度好，具有较好 的增力功能，能完全的增力功能，能完全 满足精锻机各方面的满足精锻机各方面的 技术要求技术要求 特特 点点 D C B A 方方 案案基本功能结构基本功能结构序号序号 2. 机构构型的创新设计机构构型的创新设计 机构的构型，即先从常用机构

33、中选择一种功能和原理与机构的构型，即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造机构型式的工作要求相近的机构，然后在此基础上重新构造机构型式的 工作。这项工作比机构的选型更具有创造性。工作。这项工作比机构的选型更具有创造性。 常用方法常用方法 ( (1) )变异法以现有机构为基础，通过对构成机构的结变异法以现有机构为基础，通过对构成机构的结 构元素进行变化或改造，生成新的机构型式。常用的方法有构元素进行变化或改造，生成新的机构型式。常用的方法有 运动倒置法、运动副变换法、局部变异法等。运动倒置法、运动副变换法、局部变异法等。 运动倒置运动倒置 O1 1 O2

34、3 1 2 O1 3 O2 3 2 1 1 3 2 11 3 2 3 改变运动副元素的形状改变运动副元素的形状 低副变异为高副低副变异为高副 局部变异局部变异 ( (2) )扩展法根据机构组成原理，在选择的基本机构上扩展法根据机构组成原理，在选择的基本机构上 连接若干基本杆组构造出新机构的方法。利用扩展法能在不连接若干基本杆组构造出新机构的方法。利用扩展法能在不 改变机构自由度的情况下，增加或改善机构的功能。改变机构自由度的情况下，增加或改善机构的功能。 要求要求 设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大的设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大的 急回机构，带动执行构件做往复移动。急回机构，

35、带动执行构件做往复移动。 EF D H B B2 A D B1 基本机构基本机构ABC RPPII级组级组 ( (3) )组合法基本机构由于其固有的局限性只能实现有组合法基本机构由于其固有的局限性只能实现有 限的运动功能和要求，对于更复杂的功能和运动要求，则常限的运动功能和要求，对于更复杂的功能和运动要求，则常 采用将几种基本机构用适当的方式组合起来，构成一个较复采用将几种基本机构用适当的方式组合起来，构成一个较复 杂的机构，来实现基本机构很难实现的运动或动力特性。机杂的机构，来实现基本机构很难实现的运动或动力特性。机 构的组合是发明创造新机构的重要途径之一。常用的组合方构的组合是发明创造新机

36、构的重要途径之一。常用的组合方 式有串联组合、并联组合、反馈组合和复合组合等。式有串联组合、并联组合、反馈组合和复合组合等。 串联组合串联组合 若干个单自由度的基本机构，以前一机构的输出构件作若干个单自由度的基本机构，以前一机构的输出构件作 为后一机构的输入构件的方式组合。为后一机构的输入构件的方式组合。 固结式串联固结式串联前一机构的输出构件与后一机构的输入构前一机构的输出构件与后一机构的输入构 件固结成一个构件。机构的固结式串联组合常用于改善输出件固结成一个构件。机构的固结式串联组合常用于改善输出 构件的运动和动力特性，或用来实现运动或力的放大。构件的运动和动力特性，或用来实现运动或力的放

37、大。 1 2 v4 1 2 v4 机构机构 II机构机构 I 轨迹点串联轨迹点串联以前一机构做平面运动构件上某一点的轨以前一机构做平面运动构件上某一点的轨 迹作为输出，通过该轨迹点与后一机构的构件连接。机构的迹作为输出，通过该轨迹点与后一机构的构件连接。机构的 轨迹点串联组合常利用前一机构连接点的特殊运动轨迹来实轨迹点串联组合常利用前一机构连接点的特殊运动轨迹来实 现后一机构输出构件的特殊运动要求。现后一机构输出构件的特殊运动要求。 1 v5 1Mv5 机构机构 I机构机构 II 并联组合并联组合 以一个多自由度机构作为基础机构，一个或几个单自由以一个多自由度机构作为基础机构，一个或几个单自由

38、 度基本机构度基本机构( (附加机构附加机构) )的的输出构件接入基础机构，实现运动输出构件接入基础机构，实现运动 的合成。并联组合机构既可以实现复杂的运动函数，也可以的合成。并联组合机构既可以实现复杂的运动函数，也可以 用于实现特殊的轨迹。用于实现特殊的轨迹。 基础机构基础机构III差动轮系差动轮系( (2、3、4、H) ) 附加机构附加机构 I 定轴轮系定轴轮系( (1、2) ) 附加机构附加机构 II 四杆机构四杆机构( (ABCD) ) H 4 机构机构 I 机构机构II 1 机机 构构 III 2 1 3 4 B 1 C A 5 H E D 2 4 适当选择机构参数，可以使从动轮适当

39、选择机构参数，可以使从动轮4 4做具有近似瞬时停做具有近似瞬时停 歇的单向转动。歇的单向转动。 1 机构机构 I 机机 构构 II v4 vC 5 1 1 A B C D 2 4 3 S v4 基础机构基础机构II五杆机构五杆机构 附加机构附加机构 I 凸轮机构凸轮机构 只要适当设计附加机构凸轮只要适当设计附加机构凸轮1的轮廓曲线，就可以使连杆的轮廓曲线，就可以使连杆 2上点上点C精确实现给定轨迹精确实现给定轨迹S。 反馈组合反馈组合 以一个多自由度机构为基础机构，基础机构中有一个输以一个多自由度机构为基础机构，基础机构中有一个输 入运动是通过一个单自由度附加机构从该多自由度机构的输入运动是通

40、过一个单自由度附加机构从该多自由度机构的输 出构件反馈得到的。反馈式组合机构常用于实现一些复杂运出构件反馈得到的。反馈式组合机构常用于实现一些复杂运 动和对运动有特殊要求的场合。动和对运动有特殊要求的场合。 1( (t) ) 机构机构II 机构机构 I 2( (t) ) s3( (t) ) v3( (s3) ) 2 3 1 2 4 1( ( 1) ) 2( ( 2) ) 基础机构基础机构II双自由度蜗杆机构双自由度蜗杆机构 附加机构附加机构 I 凸轮机构凸轮机构 校正原理校正原理测出蜗轮副一个周期的运动误差，并以此作测出蜗轮副一个周期的运动误差，并以此作 为设计凸轮轮廓曲线的依据。通过反馈组合

41、后的为设计凸轮轮廓曲线的依据。通过反馈组合后的附加运动，附加运动， 可以使运动误差得到相应补偿。可以使运动误差得到相应补偿。 运载组合运载组合 一个机构安装在另一个机构的某一运动构件上，两机构一个机构安装在另一个机构的某一运动构件上，两机构 各自完成自己的运动，其运动的叠加即为所要求的输出运动。各自完成自己的运动，其运动的叠加即为所要求的输出运动。 机构机构 I 曲柄摇块机构曲柄摇块机构1、2、3、4 机构机构 II 双杆机构双杆机构4、5 M 4 3 2 1 5 1 4 1 机构机构II 机构机构 I vM 4 六、执行系统的协调设计六、执行系统的协调设计 执行系统协调设计原则执行系统协调设

42、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 提高提高 执行构件动作的协调配合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送料机

43、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，进行下次送料动作冲头上移一段距离后，进行下次送料动作 执行构件动作的协调配合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，进行下次送料动作冲头上移一段距离后，进行下次送料动作 执行构件动作的协调配合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，进行下次送料动作冲头上移一段距离后，进行下次送料动作 执行构件动作的协调配合执行构件动作的

44、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送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压 折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 饼干饼干 1 3 4 2 饼干饼干 2 1 左折边构件左折边构件 3 包装纸包装纸 4 右折边构件右折边构件 折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 饼干饼干 2 1 3 4 4 折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 1 3 4 饼干饼干 2 折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 饼干饼干 2 1 3 4

45、折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 饼干饼干 1 3 4 2 M BA 两个构件不能同时位于区域两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。中，以免干涉。 折叠包装机构的两个执行构件的协调配合折叠包装机构的两个执行构件的协调配合 0 范成运动范成运动 i 0 0 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 0 范成运动范成运动 i 0 0 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成

46、法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 0 切切 削削 运运 动动 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 0 让刀运动让刀运动 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 0 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 0 执行构件运动速度的协调配合

47、执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。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 其所需时间其所需时间 确定各执行构件动作间的配合关系确定各执行构件动作间的配合关系 机械运动循环图机械运动循环图 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。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

48、，以生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。构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。 机械运动循环图形式机械运动循环图形式 直线式直线式 圆周式圆周式 直角坐标式直角坐标式 退回退回 停停 止止 冲冲 制制 直线式机械运动循环图直线式机械运动循环图 进给进给 冲头冲头 送料器送料器 曲柄转角曲柄转角 0 90 180 270 360 圆周式工作循环图圆周式工作循环图 图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，图示单缸四

49、冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件， 转动两转为一个工作循环。转动两转为一个工作循环。 启启 排排 气气 门门 开开 启启 进进 气气 门门 开开 进进 气气 排排 气气 压压 缩缩 膨膨 胀胀 闭闭 进进 气气 门门 关关 火火点点 曲轴曲轴 0 540 360 180 排排 门门 闭闭 关关 气气 直角坐标式工作循环图直角坐标式工作循环图 饼干包装机工作循环图中，饼干包装机工作循环图中， 横坐标表示参考构件的转角，横坐标表示参考构件的转角， 纵坐标表示执行构件的转角。纵坐标表示执行构件的转角。 进进 退退 静止静止 静止静止 静止静止 进进 退退 M M 左执行机构左执行机构1 右执行

50、机构右执行机构2 分配轴转角分配轴转角 0 90 180 270 360 饼干饼干 1 3 4 2 M BA 七、机械系统运动方案评价与决策七、机械系统运动方案评价与决策 评价指标评价指标 系统功能系统功能实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的 准确性准确性 运动性能运动性能运转速度、行程可调性、运动精度等运转速度、行程可调性、运动精度等 动力性能动力性能承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音 等等 工作性能工作性能效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、 可靠性适用范围等可靠性适用

51、范围等 经济性经济性加工难易、能耗大小、制造成本等加工难易、能耗大小、制造成本等 结构紧凑性结构紧凑性 尺寸、重量、结构复杂性等尺寸、重量、结构复杂性等 评价方法评价方法 评分法评分法 针对评价目标中各针对评价目标中各 个项目，选择一定的评个项目，选择一定的评 分标准和总分计分法对分标准和总分计分法对 方案的优劣进行评价。方案的优劣进行评价。 建立评价体系建立评价体系 选择评分方法选择评分方法 选择评分标准选择评分标准 对各个项目进行评分对各个项目进行评分 选择总分计分法，计算总分选择总分计分法，计算总分 选取高分者为优选方案选取高分者为优选方案 总分计分法总分计分法 方法方法公式公式特点特点

52、 分值相加法分值相加法 将将n个评价目标评分个评价目标评分 值简单相加，计算简单、值简单相加，计算简单、 直观直观 分值连乘法分值连乘法 将将n个评价目标评个评价目标评 分值相乘，使各方案总分值相乘，使各方案总 分差拉开，便于比较分差拉开，便于比较 均值法均值法 将相加所得结果除将相加所得结果除 以评价目标系数，结果以评价目标系数，结果 直观直观 相对值法相对值法 将均值法所得结果将均值法所得结果 除以理想值，使除以理想值，使Qi 1， 可看出与理想值的差距可看出与理想值的差距 加权计分法加权计分法 ( (有效值法有效值法) ) 将各项评分值乘以将各项评分值乘以 加权系数后相加，考虑加权系数后

53、相加，考虑 了各评价目标的重要程了各评价目标的重要程 度度 n j iji PQ 1 n j iji PQ 1 n j iji P n Q 1 1 n j iji nQPQ 1 0 )( n j jiji gPQ 1 评价结果的处理评价结果的处理 入选入选 方案数方案数 设计阶段设计阶段 评价准评价准 则则 结果处理结果处理 1 最后阶段最后阶段 合理合理已得到最佳方案，设计结束已得到最佳方案，设计结束 可改进可改进重新决定评价准则，再作评价重新决定评价准则，再作评价 中间阶段中间阶段 合理合理评价结束，转入下一阶段评价结束，转入下一阶段 多于多于1 最后阶段最后阶段合理合理增加评价项目或提高

54、评价要求再作评价增加评价项目或提高评价要求再作评价 中间阶段中间阶段 需改进需改进 若入选数太多，按上述方案改进准则再作若入选数太多，按上述方案改进准则再作 评价评价 合理合理将入选方案排序，转入下一设计阶段将入选方案排序，转入下一设计阶段 0任何阶段任何阶段 可改进可改进放宽评价要求，再作评价放宽评价要求，再作评价 合理合理待评设计方案质量不高需再设计待评设计方案质量不高需再设计 一、机械传动系统方案设计一、机械传动系统方案设计 1. 设计过程设计过程 确定传动系统总传动比确定传动系统总传动比 选择传动类型选择传动类型 拟定传动链布置方案拟定传动链布置方案 分配传动比分配传动比 确定各级传动

55、机构的基本参数和主要几何尺寸，计算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绘制传动系统运动简图 第三节第三节 机械传动系统的方案设计机械传动系统的方案设计 和原动机选择和原动机选择 2. 传动类型选择传动类型选择 类型与特点类型与特点 挠性挠性( (件件) )传动传动 摩擦轮传动摩擦轮传动 绳传动绳传动 圆形齿轮传动圆形齿轮传动 挠性啮合传动挠性啮合传动 带传动带传动 啮合传动啮合传动 机械机械 传动传动 摩擦传动摩擦传动 单级齿轮传动单级齿轮传动 齿轮系传动齿轮系传动 同步齿形带传动同步齿形带传动

56、螺旋齿轮传动螺旋齿轮传动 蜗杆蜗轮传动蜗杆蜗轮传动 圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动 圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动 定轴轮系传动定轴轮系传动 周转轮系传动周转轮系传动 链传动链传动 非圆齿轮传动非圆齿轮传动 行星轮系传动行星轮系传动 差动轮系传动差动轮系传动 液压、液力传动液压、液力传动 利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。 气压传动气压传动 以压缩空气为工作介质的传动以压缩空气为工作介质的传动 电气传动电气传动 利用电动机和电气装置实现的传动利用电动机和电气装置实现的传动 按速度变化情况划分的传动类型按速度变化情况划分的传动类型 传动类型传动类型 原动机原动机

57、 输出速度输出速度 传动类型举例传动类型举例 定传动比传动定传动比传动恒定恒定 齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调速齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调速 的电力，液压及气压传动的电力，液压及气压传动 变传变传 动比动比 传动传动 有级变有级变 速速 恒定恒定带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱 可调可调电力、液压传动中的有级调速传动电力、液压传动中的有级调速传动 无级变无级变 速速 恒定恒定 机械无级变速器，液力耦合器及变矩器，电机械无级变速器，液力耦合器及变矩器，电 磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性传动磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性传动 可调可调 内燃机

58、调速传动，电力、液压及气压无级调内燃机调速传动，电力、液压及气压无级调 速传动速传动 周期性周期性 变速变速 恒定恒定 非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合 机构机构 可调可调数控的电力传动数控的电力传动 选择原则选择原则 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有利于提高传递效率 尽可能结构简单的单级传动装置尽可能结构简单的单级传动装置 考虑结构布置考虑结构布置 考虑经济性考虑经济性 考虑机械安全运转条件考虑机械

59、安全运转条件 传动比的合理分配传动比的合理分配 传动机构传动机构 种类种类 平带平带V带带摩擦轮摩擦轮 齿轮齿轮蜗杆蜗杆链链 圆周速度圆周速度 m s 5 255 3015 2515 12015 3515 40 减速比减速比 5 8 157 10 4 8 80 6 10 最大功率最大功率 kW 200750 1200150 250500005503750 常用原动机的类型及主要特点常用原动机的类型及主要特点 原动机类型原动机类型主要特点主要特点 三相异步电动机三相异步电动机 结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方 便、坚固耐用；能保持恒速运行及

60、经受较频繁的启便、坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启 动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般 机械系统中应用最多。机械系统中应用最多。 同步电动机同步电动机 能在功率因子能在功率因子cos 1的状态下运行，不从电网吸收的状态下运行，不从电网吸收 无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异 步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于 大功率离心式水泵和通风机等。大功率离心式水泵和通风机等。 直流电动机直流电动机 能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速