机械系统方案设计课件

1、机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.1112.1 12.1 概述概述12.2 12.2 功能原理设计功能原理设计12.3 12.3 执行系统运动规律设计执行系统运动规律设计12.4 12.4 执行机构类型设计执行机构类型设计12.5 12.5 执行系统协调设计执行系统协调设计12.6 12.6 总体方案评价与决策总体方案评价与决策12.7 12.7 机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计主主 要要 内内 容容机械设计基础A2013.11l1)1)从机构学观点看从机构学观点看： 机器是由各种基本机构组成的；机器是由各种基本机构组成的；l2)2)从结构学观点看：从结构学观点看：

2、机器是由一系列基本零件组成的；机器是由一系列基本零件组成的；l3)3)从专业角度看：从专业角度看： 如汽车是由底盘、发动机、车身组成的；如汽车是由底盘、发动机、车身组成的；二次细分的结果是？二次细分的结果是？。l4)4)从功能角度看：从功能角度看：n12.1.112.1.1、从不同角度看机器的组成、从不同角度看机器的组成 12.1 12.1 概概 述述 机械设计基础A2013.11 原动机原动机 传动系统传动系统 执行机构执行机构 控制系统控制系统 辅助系统辅助系统给给工作头工作头产生产生工作力，带动工作力，带动其工作其工作. P=Fv=TP=Fv=T提供运动和提供运动和动力动力将原动机提供的

3、将原动机提供的运动和动力传递运动和动力传递到执行机构到执行机构机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.1112.1.2 12.1.2 机械设计的一般程序机械设计的一般程序设设计计计计划划阶阶段段方方案案设设计计阶阶段段技技术术设设计计阶阶段段施施工工设设计计阶阶段段试试制制投投产产阶阶段段设计任务设计任务需求分析需求分析确定任务要求确定任务要求功能分析功能分析搜寻解法搜寻解法方案综合方案综合评价评价确定最佳原理方案确定最佳原理方案构型设计构型设计确定材料、尺寸确定材料、尺寸评价评价最佳结构最佳结构图样和技术文件图样和技术文件试制试制生产销售生产销售装配草图装配草图装配图、部件图装配

4、图、部件图零件图零件图技术文件技术文件原理方案图原理方案图设计任务书设计任务书机械设计基础A2013.1112.1.3 12.1.3 机械运动方案设计的一般程序机械运动方案设计的一般程序1. 1. 功能原理设计功能原理设计2. 2. 执行系统的运动设计执行系统的运动设计3. 3. 执行机构的类型设计执行机构的类型设计4. 4. 执行系统的协调设计执行系统的协调设计5. 5. 执行系统的方案评价与决策执行系统的方案评价与决策6. 6. 机械传动系统设计机械传动系统设计机械设计基础A2013.11机机械械运运动动方方案案设设计计的的过过程程和和内内容容机械设计基础A2013.1112.2 功能原理

5、设计n12.2.1 12.2.1 功能原理的创造性设计功能原理的创造性设计 1.1.分析综合法分析综合法 2.2.还原创新法还原创新法 3.3.思维扩展法思维扩展法n12.2.2 12.2.2 功能原理设计的步骤功能原理设计的步骤 明确任务明确任务 功能分解功能分解 功能元功能元 功能元解功能元解机械设计基础A2013.1121433124曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 明确任务明确任务机械设计基础A2013.112. 功能分解功能分解机械设计基础A2013.111)1)引面线造环功能；引面线造环功能；2)2)钩面线扩环，使底钩面线扩环，使底面线交织的功能；面线交织的功能；3)3)收回面线的功能；收

6、回面线的功能；4)4)送布的功能送布的功能v家用缝纫机家用缝纫机n主要功能主要功能: :功能分解功能分解机械设计基础A2013.11点钞机点钞机n1) )进钞输入进钞输入功能；功能；n2)2)分钞功能；分钞功能；n3)3)计数功能；计数功能；n4)4)整理功能；整理功能；n5)5)防伪功能。防伪功能。n主要功能主要功能: :功能分解功能分解机械设计基础A2013.11黑黑 箱箱 信息信息 能量能量物料物料 信息信息 能量能量物料物料约束约束对外影响对外影响输入输入输出输出黑箱分析法黑箱分析法功能分解功能分解能量能量人力人力黑箱黑箱输入输入输出输出能量能量行走行走输入输入输出输出控制控制驱动驱动

7、支架支架变速变速转向转向制动制动转转动动功能结构图功能结构图自行车总功能的黑箱描述自行车总功能的黑箱描述功能分解功能分解机械设计基础A2013.11硬币计数包卷机硬币计数包卷机输入（硬币）输入（硬币）输出（经过包卷的硬币）输出（经过包卷的硬币）功能分解功能分解机械设计基础A2013.11（1）物料）物料用双线箭头表示用双线箭头表示可以是可以是固体固体、液体液体、气体气体、混合物混合物 金属机床金属机床水泵水泵天然气管道天然气管道汽车汽车机械设计基础A2013.11 包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核包括机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等能、生物能等 机械能的描述：力和运动机

8、械能的描述：力和运动平移：力、线速度平移：力、线速度旋转：转矩、角速度旋转：转矩、角速度振动：振幅、频率振动：振幅、频率（2）能量）能量 用实线箭头表示用实线箭头表示机械设计基础A2013.11 输入信号输入信号 一般为控制信号一般为控制信号 开关控制、大小开关控制、大小/ /速度速度/ /流量流量/ /强度控制强度控制 输出信号输出信号 一般为状态信号，可以是测量值、指示值一般为状态信号，可以是测量值、指示值 温度、压力、粗糙度、位置、报警信号温度、压力、粗糙度、位置、报警信号（3）信号）信号 用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号用虚线箭头表示，可以是数字信号、模拟信号 机械设计基础A2

9、013.11举例举例 冲床冲床机械设计基础A2013.11 在功能原理设计中，用黑箱描述产品在功能原理设计中，用黑箱描述产品的功能。的功能。 黑箱是系统工程用于分析和描述系统黑箱是系统工程用于分析和描述系统的一种方法。的一种方法。黑箱黑箱机械设计基础A2013.11黑黑 箱箱黑箱的黑箱的内部结构内部结构功能单元：功能单元：硬币堆放、输送功能单元硬币堆放、输送功能单元 ； 2. 硬币排列、分选、挑残功能单元硬币排列、分选、挑残功能单元3. 硬币分选计数功能单元；硬币分选计数功能单元； 4. 硬币堆码、整理功能单元硬币堆码、整理功能单元5. 送纸、撕纸功能单元；送纸、撕纸功能单元； 6. 硬币包卷

10、功能单元硬币包卷功能单元7. 卷边功能单元卷边功能单元机械设计基础A2013.113、功能元、功能元 从系统论的观点看，一个系统可以分解从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，那么一个系统的总功能也应为一些子系统，那么一个系统的总功能也应该可以分解为一些该可以分解为一些“子功能子功能”或者或者“分功分功能能”。机械设计基础A2013.11硬币计数包卷机的功能分解硬币计数包卷机的功能分解 例总功能总功能一级分解子功能一级分解子功能二级分解次子功能二级分解次子功能机械设计基础A2013.11功能分解到什么情况下结束？功能分解到什么情况下结束？ 分解到分解到“功能元功能元”层次层次 功能元功

11、能元 功能基本单位功能基本单位基本机构所基本机构所完成的基本功能。完成的基本功能。常见执行机构能实现运动功能转换及符号常见执行机构能实现运动功能转换及符号机械设计基础A2013.11基本功能基本功能 表示符号表示符号 运动放大和缩小运动放大和缩小运动形式转换运动形式转换方向交替变化方向交替变化运动轴线换向运动轴线换向运动合成、分解运动合成、分解运动脱离、连接运动脱离、连接 机构基本功能符号机构基本功能符号机械设计基础A2013.11常见运动功能及表达符常见运动功能及表达符号号 机械设计基础A2013.11常见执行机构能实现运动功能转换符常见执行机构能实现运动功能转换符号号机械设计基础A2013

12、.11机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11分功能分功能分功能分功能二级分功能二级分功能二级分功能二级分功能二级分功能二级分功能功能元功能元功能元功能元功能元功能元总总 功功 能能功能分解功能分解功能结构功能结构F1F2F3串联串联F1F2F3并联并联F1F2F3循环循环功能元功能元机械设计基础A2013.11 设计一台点钞设计一台点钞机，首先构思将机，首先构思将钞票逐张分离的钞票逐张分离的工作原理。工作原理。 确定功能原理方案确定功能原理方案机械设计基础A2013.11 确定功能原理方案确定功能原理方案切削切削螺纹螺纹

13、板式搓丝机，但板式搓丝机，但生产效率低！生产效率低！辊式搓辊式搓丝机丝机行星搓丝机行星搓丝机实现同样的功能，可以采用完全不同的作用原理！实现同样的功能，可以采用完全不同的作用原理！对应于不同作用原理的设备，不仅其结构不同，而且其产对应于不同作用原理的设备，不仅其结构不同，而且其产品质量、生产能力和生产成本间也都存在着很大的差异！品质量、生产能力和生产成本间也都存在着很大的差异！机械设计基础A2013.11功能原理的功能原理的决策决策应综合考虑以下问题应综合考虑以下问题: :1)原理方案的先进性及成熟程度原理方案的先进性及成熟程度采用的新技术应该是成熟的、被使用采用的新技术应该是成熟的、被使用或

14、已研究证明是可靠的技术。或已研究证明是可靠的技术。低故障率，长的无故障时间，合理工作寿命，低故障率，长的无故障时间，合理工作寿命，良好的人、机、环境适应性等。良好的人、机、环境适应性等。要具备高的动力学可靠与稳定性要具备高的动力学可靠与稳定性3)合理的运动设计合理的运动设计4)工作效率与设计要求相适应，经济上合理工作效率与设计要求相适应，经济上合理2)实现功能的可能性与可靠性实现功能的可能性与可靠性机械设计基础A2013.11理论上可以获得理论上可以获得654431440个组合个组合 理论上可以获得理论上可以获得 44348个组合个组合 机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11

15、四四工工位位专专用用机机床床工作台工作台（间歇转动）（间歇转动）主轴箱主轴箱进、退刀运动进、退刀运动刀具刀具转动转动快进快进静止静止进给进给快退快退功能分解功能分解运动转换功能图运动转换功能图轮机构机构间歇机构间歇机构工作台速B速A5方案方案1功能原理解功能原理解形态学矩阵形态学矩阵机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11 原动机原动机 传动系统传动系统 执行机构执行机构 控制系统控制系统 辅助系统辅助系统给给工作头工作头产生产生工作力，带动工作力，带动其工作其工作. P=Fv=TP=Fv=T12.4 12.4 执行机构类型设计执行机构类型设计提供运动和提供运动和动力动力将原动

16、机提供的将原动机提供的运动和动力传递运动和动力传递到执行机构到执行机构机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11机械设计基础A2013.11一、工作头一、工作头1.1.什么是工作头？什么是工作头？ l定义：定义：工作头是工作头是直接接触直接接触并并携带工作对象携带工作对象完成一定的完成一定的工作，或是在其上完成一定的工作，或是在其上完成一定的工艺动作工艺动作的机构的机构。2.2.工作头的作用工作头的作用（1 1）夹持）夹持; ;例如，机床要加工零件，必须先将零件加紧，然后才能进刀加工例如，机床要加工零件，必须先将零件加紧，然后才能进刀加工（2 2）搬运、输送及转换工位）搬运、输送

17、及转换工位; ;起重吊钩起重吊钩（3 3）施力）施力. .重物起吊与搬运等重物起吊与搬运等 挖掘机的挖掘机的铲斗铲斗，起重机的，起重机的吊钩吊钩，铣床的，铣床的铣刀铣刀，缝纫，缝纫机的机的机针机针，工业机器人的，工业机器人的手爪手爪，。机械设计基础A2013.11 原动机原动机 传动系统传动系统 执行机构执行机构 控制系统控制系统 辅助系统辅助系统给给工作头工作头产生产生工作力，带动工作力，带动其工作其工作. P=Fv=TP=Fv=T提供运动和提供运动和动力动力将原动机提供的将原动机提供的运动和动力传递运动和动力传递到执行机构到执行机构1）速度或力大小的变换；）速度或力大小的变换；2）运动形式

18、或传力方式的变换）运动形式或传力方式的变换机械设计基础A2013.11 常见的用于常见的用于运动速度或力的大小变换运动速度或力的大小变换的传动机构，主要有以的传动机构，主要有以下几种型式：下几种型式：（1 1）通过啮合方式）通过啮合方式，如齿轮、蜗轮蜗杆、链、同步齿形带等。，如齿轮、蜗轮蜗杆、链、同步齿形带等。（2 2）通过摩擦方式）通过摩擦方式，如摩擦轮、带传动，如摩擦轮、带传动（3 3）利用楔块原理）利用楔块原理，如螺杆传动。，如螺杆传动。（4 4）利用流体作用原理）利用流体作用原理，如液压、气动装置，如液压、气动装置1. 运动速度或力的大小变换运动速度或力的大小变换2.运动形式或传力方式

19、的变换运动形式或传力方式的变换 机械传动机构中常见的运动形式主要有：转动、机械传动机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等平动、摆动等。连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、以及其组合机构楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、以及其组合机构。二、传动机构二、传动机构机械设计基础A2013.1121433124曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构机械设计基础A2013.11 原动机原动机 传动系统传动系统 执行机构执行机构 控制系统控制系统 辅助系统辅助系统给给工作头工作头产生产生工作力，带动工作力，带动其工作其工作. P=Fv=TP=Fv=T执行机构执行机

20、构 提供运动和提供运动和动力动力将原动机提供的将原动机提供的运动和动力传递运动和动力传递到执行机构到执行机构1）运动规律）运动规律2）运动轨迹）运动轨迹3) 信息传递信息传递1）速度或力大小的变换；）速度或力大小的变换；2）运动形式或传力方式的变换）运动形式或传力方式的变换机械设计基础A2013.11三、执行机构三、执行机构 执行机构的主要作用：执行机构的主要作用：是给工作头产生工作力，同时带动工作是给工作头产生工作力，同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。v1.实现特定运动规律实现特定运动规律 v2.实现特定的运动轨迹实现特定的运动轨迹v

21、3.实现某种特殊的信息传递实现某种特殊的信息传递 特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床机械设计基础A2013.11v曲柄导杆机构曲柄导杆机构：1）刨刀往复直）刨刀往复直线运动；线运动；2）工作行程近似等速；）工作行程近似等速；3）具有急回功能；）具有急回功能；4）螺旋机构）螺旋机构调节刨刀行程调节刨刀行程工作台进给运动工作台进给运动：齿轮机构、曲柄齿轮机构、曲柄摇杆

22、机构、棘轮摇杆机构、棘轮机构机构1 1）工作台的间歇）工作台的间歇进给；进给；2 2）螺旋机）螺旋机构调节进给量构调节进给量机械设计基础A2013.11三、执行机构三、执行机构 执行机构的主要作用：执行机构的主要作用：是给工作头产生工作力，同时带动工作是给工作头产生工作力，同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。v1.实现特定运动规律实现特定运动规律 v2.实现特定的运动轨迹实现特定的运动轨迹v3.实现某种特殊的信息传递实现某种特殊的信息传递 特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要求，如有

23、等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床组合机构连杆机构轨迹、任意轨迹复杂轨迹：不规则形状圆弧等直线简单轨迹机械设计基础A2013.11v2.2.实现特定的运动轨迹实现特定的运动轨迹双凸轮组合写双凸轮组合写R字机构字机构机械设计基础A2013.11三、执行机构三、执行机构 执行机构的主要作用：执行机构的主要作用：是给工作头产生工作力，同时带动工作是给工作头产生工作力，同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。v1.实现

24、特定运动规律实现特定运动规律 v2.实现特定的运动轨迹实现特定的运动轨迹v3.实现某种特殊的信息传递实现某种特殊的信息传递 特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性，周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床周期性转位和步进分度动作等。例：牛头刨床组合机构连杆机构轨迹、任意轨迹复杂轨迹：不规则形状圆弧等直线简单轨迹机械设计基础A2013.11 利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、

25、显示或控制等还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。功能。 v3.3.实现某种特殊的信息传递实现某种特殊的信息传递 如杠杆千分尺、家如杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的用水表、电表等使用的机械式计数器；家用洗机械式计数器；家用洗衣机、电风扇等使用机衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用械式定时器。还可以用机构来实现速度、加速机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆度等的测量和数据记忆等功能。等功能。机械设计基础A2013.11 通常机械产品要实现某一功能，可以选用不通常机械产品要实现某一功能，可以选用不同形式的机构来完成，究竟选用哪种形式为好，同形式的机构来完成，究竟选用哪种形式为好

26、，就存在着机构选型的问题。选型时除应满足工艺就存在着机构选型的问题。选型时除应满足工艺性能的动作和运动的基本要求外，还应注意以下性能的动作和运动的基本要求外，还应注意以下几个问题：几个问题：n1 1 使机构最简单，传动链最短使机构最简单，传动链最短n2 2 使机构具备有利的传力条件使机构具备有利的传力条件n3 3 使机构有尽可能好的动力性能使机构有尽可能好的动力性能n4 4 使机构操纵方便，调整容易，安全耐用使机构操纵方便，调整容易，安全耐用四、选择机构类型时应注意的几个问题四、选择机构类型时应注意的几个问题机械设计基础A2013.111.使机构最简单，传动链最短使机构最简单，传动链最短 从原

27、动机到执行机构之间，机构数量应尽量少从原动机到执行机构之间，机构数量应尽量少；从主动件；从主动件到从动件之间，运动链应尽量短；到从动件之间，运动链应尽量短；运动副数目要尽量少。运动副数目要尽量少。 减少制造和装配的困难、减轻质量、缩小尺寸、降低成本；减少制造和装配的困难、减轻质量、缩小尺寸、降低成本；而且还可以减少机构的积累误差，提高效率和工作可靠性。而且还可以减少机构的积累误差，提高效率和工作可靠性。机械设计基础A2013.111 1）运动链应尽量短；）运动链应尽量短；近似直线近似直线运动运动精确直线精确直线运动运动 使机构最简单可采取以下措施：使机构最简单可采取以下措施：机械设计基础A20

28、13.11(2) (2) 适当选择运动副适当选择运动副 ； 从减少构件数和运动副数，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。应优先采用高副机构。但从低副机构的运动副元素加工方但从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构应优先采用低副机构 究竟选择何种机构，应根据具体设计要究竟选择何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到求全面衡量得失，尽可能做到 扬长避短扬长避短 机械设计基础A2013.112.使机构具备有利的传力条件使机构具备有利的传力条件 增力机构，使其在近于死点位置工作。增力机构，使其在近于死点位置工作。BCBC为二力杆：为二力杆：MA=0MD=0机械设计基础A2013.11 在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用时在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用时要尽量考虑其对称性。要尽量考虑其对称性。 对机构或回转构件进行平衡，使其质量分布合理。对机构或回转构件进行平衡，使其质量分布合理。 对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角，减对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角，减小机构的传动角，以增大机器的传动效率。小机构的传动角，以增大机器的传动效率。3使机构有尽可能好的动力性能使机构有尽可能好的动力性