第十三章机械系统的方案设计-课程中心.ppt

1、钢铁冶炼设计制造装配使用再制造报废处理钢铁冶炼,第14章 机械系统的方案设计,14.1 概述 机械系统的方案设计就是要完成从原动机、传动机构到执行机构的设计。其中传递动力和实现预期运动是机械系统的两个基本任务。机械系统设计是否合理直接影响到机械的功能实现，性能质量的好坏、成本（制造成本和使用成本）的高低等。,设计的四个阶段：1.产品规划阶段，2.方案设计阶段，3.详细设计阶段，4.改进设计阶段,1.产品规划阶段 本阶段主要是通过市场调查了解市场需求，作出市场预测，对产品开发的可能性作综合研究并提出可行性报告，本阶段最终目的是确定任务并给出详细的设计任务书。2.方案设计阶段 通过规划阶段明确了设

2、计任务，确定了系统的功能。当然能实现同一功能的系统可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的运动方案。通过功能分析并确定了工作原理的基础上进行工艺动作构思，初步拟定出从原动机经传动机构到执行机构的运动方案，并画出各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，设计各执行机构，画出机构运动简图并作机构的运动学分析和动力学分析计算，这是机械产品方案设计阶段的主要内容。3.详细设计阶段 该阶段是将机械运动简图具体化为机器及零部件的合理结构。完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等技术文件。4.改进设计阶段 本阶段的主要任务是根据试验、使用、鉴定所暴露的问题，进一步做出相应

3、的技术完善工作，以确保产品的设计质量。,方案设计的必备知识1、充分了解并掌握各种常用机构的基本知识；2、必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求；3、熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息；4、充分重视其他学科的技术应用；5、应有创新意识并掌握常用的创新设计方法。,方案设计的主要步骤：1、目标分析：根据任务书给定的总功能作功能分解，直至分解到可以直接求解的功能元 ；,2、创新构思：求各功能元的解，同一功能元的解可以运用不同的原理，同一原理又可以有若干不同方案，将方案评价选优；3、方案拟定：拟定总体方案，动力源的选择、传动系统及执行机构的确定，并将各执行机构作协调设计即设计绘制运动循环图

4、；,4、机构设计：设计各执行机构，初步确定机构尺寸，画机构运动简图；5、参数计算：对各初选方案进行运动学分析、动力学分析及有关计算；6、方案评价与决策：对各方案作技术、经济及社会评价，必要时作反馈修改，最后从中选择最优方案，绘制系统运动简图、编写总体方案设计计算说明书。,14.2 机械系统的方案拟定14.2.1 原动机的类型及应用( Type and Application of Priming Mover)原动机的动力源主要有电、热、液及气四种。电动机是最常用的原动机，交流异步电动机、直流电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机、步进电动机及直线电机等均有广泛的应用。热机是指内燃机、汽轮机、蒸

5、汽机、燃气轮机等液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。气马达及气缸则是主要的气压原动机。,14.2.2 传动机构的类型及功用(Type and Application of Transmission Mechanism )常用的传动机构有：,1、齿轮机构 齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不同传递动力范围的场合。2、螺旋机构 在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传动），它主要用于将回转运动转变为直线运动，具有增力效果。,3、带传动与链传动带传动及链传动多用于中心距较大的传动。4、连杆机构连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。5、凸轮机构。由于凸轮机构是高副接触，决定了这种

6、机构主要用于传递运动。,14.2.3 执行机构的运动类型及典型机构(Motion Type of Executive Mechanism and Its Typical Mechanisms)机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构。执行机构中接触工件或执行终端运动的构件称为执行构件。机器通过执行构件完成作业任务。执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任意轨迹运动、点到点的运动及位到位的运动等主要五种运动形式。实现不同运动形式的典型机构主要有：,1、实现直线运动的机构(Mechanism to Gain Straight Line Path)1) 齿轮-齿条机构(Pinion-Rack)齿

7、轮的正、反向回转可以使齿条做往复直线运动,2) 螺旋机构(Screw Mechanism)丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动,3) 曲柄滑块机构(Crank-Slider)当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线运动,4)双摇杆机构起重机的变幅机构,5) 链传动（直线段部分的运动）(Chain Drive Mechanism)带有翼片的链传动，可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动。,2、实现回转运动的机构(Mechanism to Realize Rotary Motion)1) 齿轮传动机构(Gear Transmmision Mechanism,2) 双曲柄机构（含平行四边形机构）(D

8、ouble Crank Mechanism)一曲柄回转可带动另一曲柄做等速或不等速回转运动,3) 链传动及带传动(Train and Belt Transmissions)可以实现较长距离的回转运动,3、实现运动轨迹的机构(Mechanism to realize any motion path)1) 四杆机构（连杆曲线）(Four-bar Linkage)四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动轨迹,2) 开式链机构(Open Chain Mechanism),任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹，工业机器人操作机大多是由开链机构组成的。,4、点到点的运动机构(Mechan

9、ism to Realize Point-to-point Motion )1)曲柄滑块机构(Crank-sliding Mechanism)合理的设计曲柄滑块机构的尺寸，可以实现滑块的点到点的运动,2)凸轮机构(Cam )摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到点的运动,5、位到位的运动机构(Mechanism to Realize Motion Between Positions),在四杆机构应用中，连杆及摇杆占据空间两个及两个以上位置的情况随处可见，如：,1)热处理炉炉门开闭机构( Closing and Opening Mechanism of Door of Furnace

10、 for Heat Treatment)炉门可以占据开启和闭合两个位置,2)飞机起落架机构(Plane Undercarriage Mechanism)起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置,14.2.4 执行机构的运动协调与运动循环图(Motion Adjustment to Excutive Mechanism and Its Motion Circulation Chart) 多数机器不只有一个执行构件，往往是许多执行构件协调工作以完成同一任务。运动循环图即可表示出各执行机构间的时序协调关系。另一种情况是，某些机械的多个执行构件在完成同一任务时，需有准确而协调的运动时间和运动顺序的安排，

11、以防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉。运动循环图分为：直线式运动循环图，圆周式运动循环图及直角坐标式运动循环图。,在编制运动循环图时，要选择一个构件为定标件，用它的运动位置（转角或位移）作为确定其他执行构件运动先后次序的基准。有如下三种形式：直线式运动循环图，圆周式运动循环图及直角坐标式运动循环图。,14.2.5 机械方案设计准则(General Rule for Scheme Design)1、传动链应尽可能短；2、机械效率应尽可能高；3、传动比的分配应尽可能合理；4、传动机构的顺序安排应尽可能恰当；5、机械的安全运转必须保证。,14.2.6 机械方案的评价(

12、Evaluation of Mechanical Scheme) 实现同一工作任务，且满足工艺要求和性能指标时，可以设计出多种机械运动方案来。必须再经过充分的、细致的分析比较，以决定取舍。最后保留的设计方案应是最优方案。,每一部机器都是由原动机，执行机构及传动机构组成的，因此需分别对原动机及各机构进行评价，然后经综合可获得对一部机器整机的评价。建立评价体系是量化评价的方法之一。机械系统设计方案的优劣主要是技术、经济、安全可靠三方面。但作为方案设计阶段主要考虑功能、性能等技术方面因素。评价体系可将系统评价指标划分为六方面：它们是(1)系统功能、(2)运动性能、(3) 动力性能、(4)工作性能、（

13、5）经济性、 (6)结构紧凑性等。评价时根据具体情况分别对六大类型及更为细致的子项给出分值，然后对整机进行比较。,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、特定功能等。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、振动噪音等。4、工作性能：效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、可靠性、适应范围等。5、经济性：加工难易、能耗大小、制造成本等。6、机构紧凑性：尺寸、重量、结构复杂性。,假定设计方案均满足(1)、(2)两大类型要求，则应对不同方案重点进行(3)、(4)、(5)（6）的比较。运转平稳、加速度小、无冲击和噪声，这对大型机械是十分重要的

14、评价指标，尤其对未获得在基座上平衡的连杆机构更是如此。机械的结构简单、尺寸紧凑、重量轻、传动链短、工作可靠是又一重要的评价指标。制造难易，调整的方便性，维修的方便性直接影响着机构及机械的经济性，这是不可忽视的第三方面的评价指标。 综合考虑各方面评价指标，才能在诸多机械运动方案的设计中选出最优者。,14.3 机构的创新设计14.3.1 机构的创新应用(Creative Application for Knowing Mechanism )即：使用常见机构，经过巧妙的构思，赋予机构以新的应用。14.3.2 新机构的构思与创造(Conception and Creation for New Mechanism )1、原有机构的发展(Development of Original Mechanism)针对原有机构应用中某些性能方面的不足，而发展出现的一些新机构。,2、新机构的创造(Creation of New Mechanism)3、组合机构(Combination Mechanism),感谢大家对课程的支持和配合！,