机械系统的总体方案设计

机械系统的总体方案设计

§1机械总体方案设计

机械总体方案设计的目的，就是通过调查研究进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计要求和条件，在此基础上寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能原理方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，也为最终进行评价、选优、决策提供可行性、先行性等相关技术原理方面详尽的科学依据。

一、机械总体方案设计的目的二、机械总体方案设计的内容

机械系统主要由驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统所组成。因此，总体方案设计的主要内容就是围绕这几部分的方案设计。1）执行系统的方案设计

2）原动机类型的选择和传动系统的方案设计

3）控制系统的方案设计

4）其他辅助系统的设计

§2机械执行系统的运动方案设计

机械执行系统的方案设计是机械总体方案设计的核心，也是整个机械设计工作的基础。执行系统方案设计的好坏，对机械能否完成预期的功能目标，起着决定性的作用。机械执行系统的方案设计应满足以下基本要求：1）保证设计时提出的功能目标

2）足够的使用寿命和强度、刚度要求

3）各执行机构应结构合理、配合协调

本节主要讨论执行结构的型式设计与执行系统的协调设计。

一、执行机构的型式设计

执行机构的型式设计即根据机械系统的运动方案设计要求，针对不同的执行构件运动形式和运动规律，选择合适的执行机构。

（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，选择较简单的机构。（3）尽量减小机构的尺寸（4）选择合适的运动副形式（5）考虑动力源的形式（6）使执行系统具有良好的传力条件和动力特性（7）使机械具有调节某些运动参数的能力

（8）保证机构的安全运转

上图a、b所示分别为精确和近似直线导向机构的简图。由于在同一制造精度条件下前者的实际传动误差约为后者的2-3倍，因此人们宁愿选用后者。图13-1直线机构

2、执行机构的选型所谓机构的选型，就是将前人创造发明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和动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能的要求，从各种常用机构中进行选择、分析和比较，满足运动形式的变换和功能的实现，是执行机构选型时首先要考虑的因素。3、执行机构型式设计实例试进行1.5t压片机上冲头主加压机构的型式设计。压片机由电动机驱动，上冲头加压动作如图13-2所示，图中h为冲头下移行程，h’为冲头冲压阶段行程。

图13-2压片机上冲头加压动作示意图（1）分析上冲头加压工艺过程对主加压机构的要求。经分析，上冲头加压工艺过程加压机构的功能要求可概括为：1）运动形式变换功能

2）运动方向交替变换功能

3）运动缩小功能4）运动停歇功能

（2）提出并初选机构方案

二、执行系统的协调设计

为了完成机械系统的预定功能和生产过程，各执行机构不仅要完成各自的执行动作，而且相互之间必须协调一致。1、执行系统协调设计的原则（1）满足各执行机构动作先后顺序的要求；（2）满足各执行机构动作在时间上的同步性要求；（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；（4）满足各执行机构操作上的协同性要求；（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率；（6）各执行机构的布置有利于系统的能量协调和效率的提高。2、执行系统协调设计的方法根据生产工艺的不同，机构的运动循环可分为两大类。（1）可变运动循环（2）固定运动循环3、机械运动循环图机械运动循环图描述了各执行构件运动间相互协调配合关系。在编制机械运动循环图时，必须选取机构中某一主要的执行构件作为参考件，取其有代表性的特征位置为起始位置，作为确定其他执行构件相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系的基准。机械运动循环图是设计机器的控制系统和进行机器调试的依据。§3机械传动系系统的方案案设计和原原动机选择择机械传动系系统的方案案设计是机机械系统方方案设计中中至关重要要的一个环环节。传动动系统方案案设计的好好坏，在很很大程度上上决定了所所设计机械械产品是否否先进合理理、质高价价廉及具有有市场竞争争力。在完完成了执行行系统的方方案设计和和原动机的的预选型后后，即可根根据执行机机构所需要要的运动和和动力条件件及原动机机的类型和和性能参数数，进行传传动系统的的方案设计计。一、传动系系统方案设设计过程1）确定传动系系统的总传传动比。2）选择传动类类型。3）拟定传动链链的布置方方案。4）分配传动比比。5）确定各级传传动机构的的基本参数数和主要几几何尺寸，，计算传动动系统的各各项运动学学和动力学学参数，为为各级传动动装置的结结构设计、、强度计算算和传动系系统方方案评价提提供依据和和指标。6）绘制制传动系统统运动简图图。二、传动类类型的选择择1、传动的的类型和特特点（1）机械械传动（2）液压压、液力传传动（3）气压压传动（4）电气气传动2、传动类类型的选择择机械传动类类型的选择择关系到传传动系统的的方案设计计和工作性性能参数。。技术经济济指标是确确定传动方方案的主要要因素，只只有通过对对多种传动动方案的技技术经济指指标作细致致的综合分分析和对比比，才能比比较合理地地选用机构构传动的类类型。（1）机械械传动类型型选择的依依据1）执行系系统的性能能参数和工工况要求。。2）原动机机的机械特特性和调速速性能。3）对机械械传动系统统的性能、、尺寸、重重量和安装装布置的要要求。4）工作环环境（例如如高温、低低温、潮湿湿、粉尘、、腐蚀、易易燃、防爆爆等）的要要求。5）制造工工艺性和经经济性（例例如制造和和维修费用用、使用寿寿命、传动动效率等））的要求。。（2）机械械传动系统统选择的原原则1）简化传传动环节a.当原动机的的功率、转转速或运动动方式完全全符合执行行系统的工工况和工作作要求时，，可将原动动机的输出出轴与执行行机构的输输入轴用联联轴器直接接联接。b.在固定传动动比的机械械传动系统统中，若原原动机可调调速而执行行系统的工工作载荷又又变化不大大，或执行行系统有调调速要求并并与原动机机的调速范范围相适应应，则可采采用固定传传动比的机机械传动装装置。c.当执行系统统要求的调调速范围较较大，或用用原动机调调速的机械械特性不能能满足要求求时，可采采用可调传传动比的机机械传动装装置。2）提高机械传传动效率a.对高速、大大功率、长长期工作的的工况，应应选用承载载能力高、、传动平稳稳、传动效效率高的传传动类型。。b.对速度较低低、中小功功率、要求求传动比较较大的工况况，可采用用单级蜗杆杆传动、多多级齿轮传传动、带-齿轮传动动、带-齿齿轮-链传传动等多种种方案，并并进行分析析比较，从从中选择综综合性能较较好的方案案。c.传动比较大大时，应优优先选用结结构紧凑凑的蜗杆传传动和行星星齿轮传动动，原动机机输出轴和和执行机构构输入轴平平行时，可可采用圆柱柱齿轮传动动；中心距距较大时，，可采用带带传动或链链传动。3）确保机机械系统安安全运转。。三、传动链链的方案设设计1、传动机机构顺序的的合理安排排1）带传动动为摩擦传传动，承载载能力较小小，传递相相同转矩时时，结构尺尺寸较其他他传动形式式大。2）链传动动由于瞬时时传动比不不断变化，，致使运动动不均匀，，有冲击，，故不宜用用于高速级级，应布置置在低速级级。3）蜗杆传传动的传动动比大，传传动平稳，，效率较低低，适用于于中、小功功率和间歇歇运转的场场合。4）锥齿轮轮的加工困困难，特别别是大模数数锥齿轮，，因此只在在需要改变变轴的方向向时才采用用，且应尽尽量布置在在高速级，，并限制其其传动比，，以减小其其直径和模模数。5）斜齿轮轮传动的平平稳性较直直齿轮传动动好，常用用在高速级级或要求传传动平稳的的场合。6）开式齿齿轮传动的的工作环境境较差，润润滑条件不不好，磨损损较严重，，寿命短，，应布置在在低速级。。2、各级级传动比比的分配配1）各级级传动的的传动比比都应在在各自允允许的合合理范围围内，以以保证符符合各种种传动形形式的工工作特点点并使其其结构紧紧凑。2）分配配各种形形式的传传动比时时，应注注意使各各传动零零件尺寸寸协调，，结构匀匀称合理理，不会会造成互互相干涉涉碰撞。。3）当传传动链较较长、传传动功率率较大时时，应使使大多数数传动在在较高速速度下工工作，然然后在进进行较大大的减速速，使较较少数量量的传动动在低速速下工作作。4））对对于于两两级级或或多多级级齿齿轮轮减减速速器器，，传传动动比比的的合合理理分分配配直直接接影影响响减减速速器器外外廓廓尺尺寸寸的的大大小小、、承承载载能能力力能能否否充充分分发发挥挥，，以以及及各各级级传传动动零零件件润润滑滑是是否否方方便便等等。。四、、原原动动机机的的选选择择原动动机机的的选选择择，，主主要要根根据据机机械械系系统统的的工工作作环环境境（（温温度度、、湿湿度度、、粉粉尘尘、、酸酸碱碱等等））、、工工作作特特点点（（起起动动频频繁繁程程度度、、起起动动载载荷荷大大小小等等）），，并并考考虑虑各各种种电电动动机机的的特特点点及及供供应应情情况况等等来来确确定定。。§4机械械控控制制系系统统简简介介机械械系系统统中中的的控控制制系系统统是是指指采采用用电电气气、、电电子子、、液液压压、、气气动动等等技技术术，，以以传传感感器器件件和和检检测测诊诊断断手手段段对对机机械械的的传传动动系系统统、、执执行行系系统统进进行行自自动动控控制制的的信信息息处处理理系系统统，，它它由由控控制制装装置置和和被被控控对对象象两两部部分分组组成成。。控控制制对对象象通通常常分分为为两两类类。。第一一类类是是以以位位移移、、速速度度、、加加速速度度、、温温度度、、压压力力等等参参数数的的数数值值大大小小为为控控制制对对象象，，并并根根据据表表示示数数量量信信号号的的种种类类分分为为模模拟拟控控制制与与数数字字控控制制。。第二二类类是是以以物物体体的的有有、、无无、、动动、、停停等等逻逻辑辑状状态态为为控控制制对对象象，，成成为为逻逻辑辑控控制制。。逻逻辑辑控控制制可可用用““0”、、““1”两两个个逻逻辑辑控控制制信信号号来来表表示示。。§5机械械系系统统方方案案评评价价与与决决策策一、、方方案案评评价价与与决决策策的的意意义义机械械系系统统方方案案设设计计的的最最终终目目标标，，是是寻寻求求一一种种既既能能实实现现预预期期功功能能要要求求，，又又性性能能优优良良、、价价格格低低廉廉的的设设计计方方案案。。由于于功功能能原原理理、、运运动动规规律律、、形形式式设设计计、、传传动动类类型型的的多多方方案案性性，，机机械械系系统统方方案案设设计计的的过过程程，，就就是是一一个个先先通通过过分分析析、、综综合合，，使使待待选选方方案案数数目目由由少少变变多多，，在在通通过过评评价价、、决决策策，，使使待待选选方方案案数数目目由由多多变变少少，，最最后后获获得得满满意意方方案案的的过过程程。。二、、评评价价指指标标机械械系系统统设设计计方方案案的的优优劣劣，，通通常常应应从从技技术术、、经经济济、、安安全全可可靠靠三三方方面面予予以以评评价价。。但但是是由由于于在在方方案案设设计计阶阶段段还还不不可可能能具具体体涉涉及及到到机机械械的的结结构构和和强强度度设设计计等等细细节节，，因因此此评评价价应应主主要要考考虑虑技技术术方方面面的的因因素素，，即即功功能能和和工工作作性性能能方方面面的的指指标标应应占占有有较较大大的的比比例例。。表13-1列列出出了了机机械械系系统统功功能能和和性性能能的的各各项项评评价价指指标标体体系系极极其其具具体体内内容容。。序号

评价指标

具体内容

1系统功能

实现运动规律或运动轨迹，实现工艺动作的准确性，实现特定功能

2运动性能

运转速度、行程可调性，运动精度等

3动力性能

承载能力、增力特性、传力特性、振动噪声等

4工作性能

效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性、适用范围等

5经济性

加工难易、

能耗大小、制造成本等

6结构紧凑性

尺寸、重量、结构复杂性等

表13-1机械械系系统统的的性性能能评评价价指指标标三、、评评价价方方法法常用用的的评评价价方方法法有有经经验验评评价价法法、、数数学学评评价价法法和和试试验验评评价价法法三三大大类类。。当当方方案案不不多多、、问问题题不不太太复复杂杂时时，，可可采采用用经经验验评评价价法法，，即即根根据据评评价价者者的的经经验验，，对对方方案案做做粗粗略略的的定定性性评评价价。。数数学学分分析析法法是是使使用用数数学学工工具具进进行行分分析析、、推推导导和和计计算算得得到到定定量量的的评评价价参参数数供供决决策策者者参参考考。。常常用用的的方方法法有有名名次次计计分分法法、、评评分分法法、、技技术术经经济济评评价价法法和和模模糊糊评评价价法法等等。。下面介介绍评评分法法和技技术经经济评评价法法。1.评评分法法评分法法根据据规定定的标标准用用分值值作为为衡量量方案案优劣劣的尺尺度，，对方方案进进行定定量评评价。。评分分标准准一般般为5分制制和10分分制（（见表表13-2），，“理理想状状态””取为为最高高分，，“不不能用用”取取为0分；；当设设计方方案的的具体体化程程度较较低，，有些些特征征尚不不清楚楚时，，建议议采用用5分分制评评分标标准；；当设设计方方案较较具体体，特特征较较明显显时，，建议议采用用10分评评分标标准。。10分制

012345678910不能用缺陷多较差勉强可用可用基本满意良好很好超目标理想5分制

012345不能用勉强可用可用良好很好理想表13-2评分标标准对于多多评价价目标标的方方案，，其总总分可可按分分值相相加法法、分分值连连乘法法、均均值法法或加加权计计分法法（有有效值值法））等方方法进进行计计算（（见表表13-3）。。总分的的高低低可综综合体体现方方案的的优劣劣。获获得高高分的的方案案为优优选方方案。。表13-3给给出的的几种种方法法中，，综合合考虑虑各评评价目目标分分值及及加权权系数数的有有效值值作为为方案案的评评价依依据较较为合合理，，应用用最多多。加权系系数是是反映映评价价目标标重要要程度度的量量化系系数，，又称称目标标重要要性系系数。。加权权系数数大，，则重重要程程度高高。加权系系数的的确定定方法法有两两种：：（1））经验验法根根据据以往往或他他人经经验，，人为为地给给定各各评价价目标标的加加权系系数<1，，并满足足（2））判别别表计计算法法式中————各评评价目目标的的总分分；n——评价目目标数数；方法

公式

特点分值相加法

将个评价目标评分值简单相加，计算简单、直观

分值连乘法

将个评价目标评分值相乘，使各方案总分差拉开，便于比较

均值法

将相加所得结果除以评价目标数，结果直观

相对值法

将均值法所得结果除以理想值，使Qi<1,，可看出与理想值的差距加权计分法（有效值法）

将各项评分值乘以加权系数后相加，考虑了各评价目标的重要程度

表13-3总