机械系统的设计

1、第十六章第十六章 机械系统的设计机械系统的设计第一节第一节 机械系统的组成机械系统的组成 第二节第二节 机构系统设计的构思机构系统设计的构思第三节第三节 机构系统设计的方法机构系统设计的方法第四节第四节 机械系统的设计机械系统的设计 第一节第一节 机械系统的组成机械系统的组成机器组成示意图机器组成示意图 电动大门示意图电动大门示意图原动机原动机传动装置传动装置工作执行装置工作执行装置控制系统控制系统原动机原动机机械运动系统机械运动系统机械控制系统机械控制系统组成组成1.1.电动机电动机 2.2.内燃机内燃机 3.3.一次能源型原动机一次能源型原动机 机械的控制系统机械的控制系统控制方法：控制方

2、法： 机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制 控制对象：控制对象： 1. 1. 以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象，可分为模拟控制与数字控制。为控制对象，可分为模拟控制与数字控制。 2. 2. 以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，称为逻辑控制。称为逻辑控制。 控制方式：控制方式： 闭环控制、开环控制闭环控制、开环控制电动大门示意图电动大门示意图门柱减速器电动机连杆机构大门围墙组成组成：电动机（原动机）：电动机（原动机） 减

3、速器（传动系统）减速器（传动系统） 连杆机构连杆机构ABCDABCD（工作执行系统）（工作执行系统） 电气控制系统电气控制系统第二节第二节 机构系统设计的构思机构系统设计的构思一、一、机构与机构系统机构与机构系统二、二、机构组合的构思机构组合的构思 一、机构与机构系统一、机构与机构系统 运动形态和运动轨迹的变换运动形态和运动轨迹的变换： 曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇块机构、双曲柄机构、双摇杆机构、正弦机构、正切杆机曲柄摇块机构、双曲柄机构、双摇杆机构、正弦机构、正切杆机构、转动导杆机构、摆动导杆机构、平行四边形机构等构、转动导杆机构、摆动导杆机构、平行四边形机

4、构等 运动速度的变换运动速度的变换：圆柱齿轮机构、圆锥齿轮机构、蜗杆蜗轮：圆柱齿轮机构、圆锥齿轮机构、蜗杆蜗轮机构等齿轮机构、带传动机构、链传动机构等机构等齿轮机构、带传动机构、链传动机构等 运动规律的变换运动规律的变换：凸轮机构：凸轮机构 运动中动、停的运动变换运动中动、停的运动变换：棘轮机构、槽轮机构：棘轮机构、槽轮机构 转动到移动的运动变换转动到移动的运动变换：螺旋机构：螺旋机构 基本机构基本机构实现不同功能目标的单一机构。实现不同功能目标的单一机构。 机构系统机构系统机械运动系统中，把单一的机构（或基本机构）机械运动系统中，把单一的机构（或基本机构）组合在一起形成的机构系统，或两个以上

5、的基本机构的组合，称组合在一起形成的机构系统，或两个以上的基本机构的组合，称为机构系统。为机构系统。 二、机构组合的构思二、机构组合的构思1.1.传动系统（以调速为主）中的机构组合传动系统（以调速为主）中的机构组合2.2.工作执行机构系统的组合设计工作执行机构系统的组合设计(电机带传动机构螺旋传动机构齿轮机构的组合齿轮机构的组合带传动、螺旋传动机构与齿轮机构的组合带传动、螺旋传动机构与齿轮机构的组合 1.1.传动系统（以调速为主）中的机构组合传动系统（以调速为主）中的机构组合牛头刨床的机械运动简图牛头刨床的机械运动简图 平压模切机的机构运动简图平压模切机的机构运动简图2.2.工作执行机构系统的

6、组合设计工作执行机构系统的组合设计第三节第三节 机构系统设计的方法机构系统设计的方法 组合方法分类组合方法分类：串行联接、并行联接、封闭式联接、叠加联接四种。串行联接、并行联接、封闭式联接、叠加联接四种。 不同的联接方式所产生的机构系统不同。不同的联接方式所产生的机构系统不同。 机构组合系统机构组合系统：串行联接、并行联接、叠加联接所组成的机构系统串行联接、并行联接、叠加联接所组成的机构系统 组合机构系统组合机构系统：封闭式联接所组成的机构系统封闭式联接所组成的机构系统 一、一、机构的串联组合机构的串联组合 二、二、机构的并联组合机构的并联组合三、三、机构的封闭式联接组合机构的封闭式联接组合

7、四、四、机构叠加组合原理机构叠加组合原理一、机构的串联组合一、机构的串联组合 前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件联接在一起，称之前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件联接在一起，称之为为串联组合串联组合。起主要作用的机构称为。起主要作用的机构称为基础机构基础机构，另一个机构称为，另一个机构称为附加机附加机构构。其。其特征特征是基础机构和附加机构都是单自由度机构，组合后各机构的是基础机构和附加机构都是单自由度机构，组合后各机构的特征保持不变。特征保持不变。 机构机构1机构机构2基础机构基础机构 附加机构附加机构 串联机构示意图串联机构示意图 连杆机构的组合连杆机构的组合 二、二、 机

8、构的并联组合机构的并联组合概念概念：若干个单自由度基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出：若干个单自由度基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；或若干个单自由度机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运运动；或若干个单自由度机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；或有共同的输入构件与输出构件的联接，称为并行联接。动；或有共同的输入构件与输出构件的联接，称为并行联接。特征特征：各基本机构具有相同的自由度，且各机构特征不变。：各基本机构具有相同的自由度，且各机构特征不变。分类分类：I I型并联型并联：各机构有共同的输入件，保留各自输出运动：各机构有共同的输入件，保留各自输出运

9、动 IIII型并联型并联：各机构有不同的输入件，保留相同输出运动：各机构有不同的输入件，保留相同输出运动 IIIIII型并联型并联：各机构有共同的输入运动和共同的输出运动：各机构有共同的输入运动和共同的输出运动 （a a） I I型并联；型并联； （b b） IIII型并联型并联 ；（；（c c） IIIIII型并联型并联 并联组合示意图并联组合示意图 I I型并联型并联 IIII型并联型并联 IIIIII型并联型并联 并联组合示意图并联组合示意图三、机构的封闭式联接组合三、机构的封闭式联接组合 概念概念：一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件用单自由：一个两自由度机构中的两个输入构件

10、或两个输出构件用单自由度的机构联接起来，形成一个单自由度的机构系统，称为度的机构联接起来，形成一个单自由度的机构系统，称为封闭式联接封闭式联接。将两自由度的机构称为将两自由度的机构称为基础机构基础机构，单自由度机构称为，单自由度机构称为附加机构附加机构（或称或称封闭机构封闭机构）。）。分类分类：I I型封闭机构型封闭机构：一个单自由度的附加机构：一个单自由度的附加机构封闭基础机构的两个输入或输出运动。封闭基础机构的两个输入或输出运动。IIII型封闭机构型封闭机构：两个单自由度的附加机构：两个单自由度的附加机构封闭基础机构的两个输入或输出运动。封闭基础机构的两个输入或输出运动。IIIIII型封闭

11、组合机构型封闭组合机构：一个单自由度的附加：一个单自由度的附加机构封闭基础机构的一个输入和输出运动。机构封闭基础机构的一个输入和输出运动。封闭组合机构示意图封闭组合机构示意图封闭组合机构示意图封闭组合机构示意图 （a a） （b b） （c c） (a) I(a) I型齿轮连杆封闭组合机构；型齿轮连杆封闭组合机构； (b) II(b) II型齿轮连杆封闭组合机构；型齿轮连杆封闭组合机构； (c) I(c) I型凸轮连杆封闭组合机构。型凸轮连杆封闭组合机构。四、机构叠加组合原理四、机构叠加组合原理 机构叠加组合机构叠加组合是指在一个机构的可动构件上再安装一个以是指在一个机构的可动构件上再安装一个

12、以上的机构的组合方式。把支撑其它机构的机构称为上的机构的组合方式。把支撑其它机构的机构称为基础机构基础机构，安装在基础机构可动构件上面的机构称为安装在基础机构可动构件上面的机构称为附加机构附加机构。 机构叠加组合方法有三种：机构叠加组合方法有三种： I I型叠加机构型叠加机构 IIII型叠加机构型叠加机构 IIIIII型叠加机构型叠加机构机构叠加组合原理图机构叠加组合原理图电机扇叶 机构叠加组合原理图机构叠加组合原理图I I型叠加机构型叠加机构IIII型叠加机构型叠加机构 IIIIII型叠加机构型叠加机构第四节第四节 机械系统的设计机械系统的设计一、一、概概 述述 二、二、运动副的结构设计运动

13、副的结构设计三、三、活动构件的结构设计活动构件的结构设计 四、四、机架的结构设计机架的结构设计 一、概述一、概述任务任务 将原理方案设计结构化，即把描述机构组成和运动情况的机构系将原理方案设计结构化，即把描述机构组成和运动情况的机构系统转化为描述机械实体尺寸与装配关系机械系统。统转化为描述机械实体尺寸与装配关系机械系统。内容内容 主要包括机构系统中的构件、运动副以及机架的结构化设计，即主要包括机构系统中的构件、运动副以及机架的结构化设计，即机械总体、各零部件布置、构形和尺寸、参数的校核、计算、优化。机械总体、各零部件布置、构形和尺寸、参数的校核、计算、优化。设计结果是按比例绘制的总图、部件图、

14、零件图和设计计算说明书等。设计结果是按比例绘制的总图、部件图、零件图和设计计算说明书等。过程过程 原则上是按照从质到量、从抽象到具体以及从粗略构形到精确构形原则上是按照从质到量、从抽象到具体以及从粗略构形到精确构形的顺序进行，并且紧接着进行检查和修改完善。的顺序进行，并且紧接着进行检查和修改完善。主要目标主要目标 满足功能要求；满足功能要求；经济地实现设计目标；经济地实现设计目标；对人和环境均是安对人和环境均是安全的；全的； 满足使用寿命；满足使用寿命； 安装与维修方便等。安装与维修方便等。二、运动副的结构设计二、运动副的结构设计转动副的结构设计转动副的结构设计 移动副的结构设计移动副的结构设

15、计 平面高副的结构设计平面高副的结构设计虚约束在结构设计中的应用虚约束在结构设计中的应用 三、活动构件的结构设计三、活动构件的结构设计杆件类构件的结构设计杆件类构件的结构设计 盘状构件的结构盘状构件的结构 执行机构的执行构件的结构执行机构的执行构件的结构结构设计举例结构设计举例结构设计举例结构设计举例斜楔杠杆式夹持器斜楔杠杆式夹持器油泵机构油泵机构颚式破碎机颚式破碎机四、机架的结构设计四、机架的结构设计 机架机架是机构中不动的构件，与其他活动构件以运动副相连。在实际的是机构中不动的构件，与其他活动构件以运动副相连。在实际的机械系统中机架往往表现为支承件，如支架、箱体、工作台、立柱、底座机械系统

16、中机架往往表现为支承件，如支架、箱体、工作台、立柱、底座等，其作用是合理布置运动副，满足机构的运动要求；起支承和固定其他等，其作用是合理布置运动副，满足机构的运动要求；起支承和固定其他零件的作用，并承受各种力和力矩。零件的作用，并承受各种力和力矩。 1.1.支承件的类型和基本要求支承件的类型和基本要求类型类型：梁型（某一方向尺寸比其它两方向尺寸大很多）梁型（某一方向尺寸比其它两方向尺寸大很多） 板型（某一方向尺寸比其它两方向尺寸小得多）板型（某一方向尺寸比其它两方向尺寸小得多） 箱型箱型 （三个方向的尺寸差不多）（三个方向的尺寸差不多）设计要求设计要求：足够的强度和刚度，足够的精度，较好的工艺

17、性，较好足够的强度和刚度，足够的精度，较好的工艺性，较好的尺寸稳定性和抗振性，外形美观。要考虑到吊装，安放水平，电的尺寸稳定性和抗振性，外形美观。要考虑到吊装，安放水平，电器部件安装器部件安装/ /固定等问题。固定等问题。 2.2.保证支承件功能的结构措施保证支承件功能的结构措施 合理确定截面的形状和尺寸合理确定截面的形状和尺寸 合理布置隔板和加强肋合理布置隔板和加强肋 提高局部刚度和接触刚度提高局部刚度和接触刚度 材料的选择和时效处理材料的选择和时效处理 结构工艺性结构工艺性第五节第五节 机械运动系统设计实例机械运动系统设计实例 一、齿轮减速器的设计一、齿轮减速器的设计 二级圆柱齿轮减速器二

18、级圆柱齿轮减速器 圆锥圆锥圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器 蜗杆减速器蜗杆减速器 蜗杆蜗杆齿轮减速器齿轮减速器二、二、电磁馈源系统的设计电磁馈源系统的设计 三、三、小结小结 二级圆柱齿轮减速器二级圆柱齿轮减速器圆锥圆锥- -圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器蜗杆减速器蜗杆减速器蜗杆蜗杆- -齿轮减速器齿轮减速器二、电磁馈源系统的设计二、电磁馈源系统的设计设计要求设计要求：为了接收空间的电磁波，为了接收空间的电磁波，锅形天线必须完成绕竖锅形天线必须完成绕竖直轴直轴A A的转动和绕水平轴的转动和绕水平轴B B 的转动。整个天线系的转动。整个天线系统安装在三角支撑架上。统安装在三角支撑架上。 电机馈源螺旋机构齿轮机构减速器电机电磁馈源系统电磁馈源系统的装配图的装配图电磁馈源系统的装配图电磁馈源系统的装配图小小 结结 把机构或机构系统简图转化为机械装配图，是机械设计中的把机构或机构系统简图转化为机械装配图，是机械设计中的重要工作。它涉及到机械原理、机械设计、机械制图、公差与配重要工作。它涉及到机械原理、机械设计、机械制图、公差与配合、机械制造工艺、金属材料与热处理等许多门课程的知识。其合、机械制造工艺、金属材料与热处理等许多门课程的知识。其中，机构系统的方案设计具有很大的创新空间。在学习此类问题中，机构系统的方案设计具有很大