機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第二版）課件 5.1 機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述

模塊五機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用及發(fā)展項(xiàng)目一機(jī)械設(shè)計(jì)方案制定任務(wù)一機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)任務(wù)二機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)實(shí)例

任務(wù)一機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

一、目的

機(jī)械產(chǎn)品的市場競爭力如何，關(guān)鍵在于產(chǎn)品的質(zhì)量、創(chuàng)意和價(jià)格是否具有競爭力，而這主要取于機(jī)械系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。二、內(nèi)容

1）按照設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的機(jī)器的功能要求，本著簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的原則，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理和機(jī)構(gòu)型式；

2）選擇原動(dòng)機(jī)的類型；

3）分析比較各種可能的傳動(dòng)方案，進(jìn)行具體機(jī)構(gòu)的選擇和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

4）畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。三、機(jī)構(gòu)的組合系統(tǒng)1、基本機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)以獨(dú)立的形式出現(xiàn)，能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，稱為基本機(jī)構(gòu)。如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、帶輪機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)等。

2、組合機(jī)構(gòu)

把各種基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使各基本機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢互補(bǔ)，從而形成結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、性能良好的機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)，稱之為組合機(jī)構(gòu)。書籍打包機(jī)送書機(jī)構(gòu)

在機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)中，若前一級子機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件即為后一級子機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，則這種組合方式稱為串聯(lián)式。機(jī)構(gòu)的組合系統(tǒng)1）串聯(lián)式組合２）并聯(lián)式組合在機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)中，若干個(gè)子機(jī)構(gòu)共用同一個(gè)輸入構(gòu)件，而它們的輸出運(yùn)動(dòng)又同時(shí)輸入給一個(gè)多自由度的子機(jī)構(gòu)，從而形成一個(gè)自由度為1的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。這種組合方式稱為并聯(lián)式組合。雙色膠版印刷機(jī)接紙機(jī)構(gòu)３）封閉式組合

用一個(gè)單自由度的機(jī)構(gòu)去約束或封閉一個(gè)二自由度的機(jī)構(gòu)，使其不但具有確定的運(yùn)動(dòng)，而且可使從動(dòng)件具有多樣的運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為封閉式組合。

４）反饋式組合

一個(gè)二自由度的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，除自身有輸入構(gòu)件和輸出構(gòu)件外，還通過一個(gè)子機(jī)構(gòu)將其輸出運(yùn)動(dòng)反饋到基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)中，稱為封閉式組合。

５）裝載式組合

在一個(gè)單自由度基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件上，裝載一個(gè)單自由度附加機(jī)構(gòu)，稱為裝載式組合。四、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般步驟1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案擬定

（一）選定工作原理設(shè)計(jì)一部機(jī)器，首先要根據(jù)功能要求選擇其工作原理。其工作原理不同，設(shè)計(jì)出的機(jī)器完全不同。例如加工齒輪，可以用仿形原理，也可用范成原理。不僅如此，即使是同一工作原理，也可以擬訂出不同的機(jī)械系統(tǒng)方案。辟如同樣是用范成原理加工齒輪，可以在滾齒機(jī)上用滾刀加工，也可以在插齒機(jī)上用插齒刀加工。由于所使用的刀具運(yùn)動(dòng)不同，兩種切齒機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)方案也不一樣。（二）選擇工作機(jī)構(gòu)類型工作原理選定后，就需要正確的選擇和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)它的機(jī)構(gòu)組合。運(yùn)動(dòng)形式不同，機(jī)構(gòu)類型的選擇就不同。事實(shí)上，即使是同一種運(yùn)動(dòng)形式，也可由不同的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。例如直線移動(dòng)，可以用齒條齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可用螺旋機(jī)構(gòu)或直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。所以在具體的機(jī)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種要求，對各種常用機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較，以便合理地選擇應(yīng)用。

原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式比較單一，一般是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。在各種原動(dòng)機(jī)中，由于交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、效率高和使用控制方便等優(yōu)勢，因而在一般機(jī)械中廣泛選用。在工作環(huán)境無電源的場合，可選用內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。原動(dòng)機(jī)的選擇是否恰當(dāng)，對整個(gè)機(jī)械的性能、機(jī)械系統(tǒng)的組成及繁簡程度將有直接的影響。在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的選擇主要應(yīng)考慮以下幾方面的因素：1）工作機(jī)械的負(fù)載特性（功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等），要使原動(dòng)機(jī)能與之相匹配。

2）機(jī)械系統(tǒng)總體布局的需要。

3）經(jīng)濟(jì)性。

4）工作環(huán)境對原動(dòng)機(jī)的要求。

2、選擇原動(dòng)機(jī)

3、傳動(dòng)系統(tǒng)方案擬定

執(zhí)行機(jī)構(gòu)和原動(dòng)機(jī)方案確定之后，即可進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)方案擬定。傳動(dòng)系統(tǒng)位于原動(dòng)機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中起著實(shí)現(xiàn)變速、變換運(yùn)動(dòng)形式和傳遞功率等作用。擬定傳動(dòng)方案時(shí)，要根據(jù)機(jī)械的功能要求和工作特性及原動(dòng)機(jī)類型，選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型，擬定出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的排列順序和布置方案。在某些機(jī)器的設(shè)計(jì)方案中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮它們之間的協(xié)調(diào)問題。但在另一些機(jī)器的設(shè)計(jì)方案中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)必須協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的職能，如牛頭刨床的滑枕與工作臺(tái)的動(dòng)作就必須協(xié)調(diào)配合，工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)必須在非切削時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。

4、繪制機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)、原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)方案擬定之后，便可進(jìn)行總體布局，繪制機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，完成機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的全過程。

在這種情況下，機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)往往要與傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)交叉進(jìn)行，以使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能夠協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的預(yù)定功能，這就是執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的有關(guān)詳細(xì)情況，可參閱有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)書籍。五、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本要點(diǎn)（1）盡量簡化和縮短運(yùn)動(dòng)鏈

機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)采用盡可能簡單的結(jié)構(gòu)，不可因片面追求可有可無的功能而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。機(jī)械系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)鏈越短，機(jī)構(gòu)和零件的數(shù)目就越少，這不但可降低制造成本，而且可提高機(jī)械效率。此外，還可減少誤差積累，提高精度。（2）原動(dòng)機(jī)數(shù)目的確定應(yīng)盡可能使運(yùn)動(dòng)鏈簡化

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，有時(shí)必須用同一原動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)幾個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。除此而外，還可考慮用幾個(gè)原動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，這樣常能使運(yùn)動(dòng)鏈簡化。（3）機(jī)構(gòu)選型應(yīng)力求簡單

當(dāng)有幾種機(jī)構(gòu)可供選用時(shí)，應(yīng)盡可能選用結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求。（4）注意提高機(jī)械效率

機(jī)械系統(tǒng)的總效率是各個(gè)機(jī)構(gòu)效率的連乘積。因此，機(jī)械系統(tǒng)中任何一個(gè)機(jī)構(gòu)具有低效率時(shí)，都會(huì)使總效率降低。（5）合理安排功率傳遞順序

設(shè)計(jì)傳動(dòng)路線時(shí)應(yīng)盡可能使原動(dòng)機(jī)先傳動(dòng)消耗功率大的工作機(jī)構(gòu)，后傳動(dòng)消耗功率較小的機(jī)構(gòu)，即功率傳遞按“前大后小”的原則進(jìn)行。這樣可減少功率損耗，更可減小傳動(dòng)尺寸。（6）合理安排機(jī)構(gòu)的順序

變換轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量安排在與原動(dòng)機(jī)相聯(lián)的部分。轉(zhuǎn)變運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)應(yīng)安排在運(yùn)動(dòng)鏈的末端，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)靠近。（7）合理分配傳動(dòng)比

機(jī)械中相鄰的兩級傳動(dòng)比相差不宜太大，并應(yīng)使高速級傳動(dòng)比略低于低速級的傳動(dòng)比，即傳動(dòng)比分配按“前小后大”。

以牛頭刨床為例，說明機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的一般思路和方法一、根據(jù)牛頭刨床的功能要求確定其工作原理

牛頭刨床的功能是加工長度較大的平面。其工作原理是：刨刀作往復(fù)縱向刨削和退刀運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，夾持工件的工作臺(tái)作間歇橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)刨刀刨削時(shí)工作臺(tái)靜止不動(dòng)，而退刀時(shí)工作臺(tái)作橫向進(jìn)給。牛頭刨床的刀架和工作臺(tái)即是機(jī)械系統(tǒng)中的兩個(gè)執(zhí)行構(gòu)件。任務(wù)二機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)實(shí)例二、根據(jù)工作原理選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型（一）刀架切削運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型選擇刨刀是安裝在刀架上的切削刀具，刀架的運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?？杀贿x作實(shí)現(xiàn)刀架運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有以下幾種。

（1）螺旋機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)中，以螺桿為原動(dòng)件，螺母為從動(dòng)件。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是刀頭工作行程速度均勻，傳力性能好。其缺點(diǎn)是必須有換向和變速機(jī)構(gòu)，才能使螺桿反轉(zhuǎn)和刀架空程急回移動(dòng)。顯然，這會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜且行程兩端沖擊較大。故不是理想的刀架執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2）直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)

這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是很容易滿足工作行程勻速和空程急回的運(yùn)動(dòng)要求。其缺點(diǎn)是凸輪為高副機(jī)構(gòu)，力的傳遞能力差、易磨損；當(dāng)?shù)都艿男谐蹋赐馆啅膭?dòng)件推程）需求較大時(shí)，則凸輪的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)很大，使機(jī)床的縱向尺寸過大。所以這種機(jī)構(gòu)不適于牛頭刨床。（3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)

這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是工作行程為勻速移動(dòng)。其缺點(diǎn)是必須有換向和變速機(jī)構(gòu)才能使刀架空程具有急回特性，且行程兩端沖擊大。也不是牛頭刨床選擇的理想機(jī)構(gòu)。（4）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)這種機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)，力的傳遞能力好、易制造、成本低、工作可靠、偏置有急回特性。缺點(diǎn)是工作行程速度不均勻；若行程較大時(shí)，機(jī)構(gòu)沿滑塊移動(dòng)方向占據(jù)范圍大。故不適宜作刀架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。（5）擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的組合機(jī)構(gòu)。

當(dāng)曲柄2等速回轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)桿4往復(fù)擺動(dòng)，滑塊1繞O1擺動(dòng)，滑塊5則作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)，傳力能力好，工作可靠；無須反向機(jī)構(gòu)，且空程具有急回特性，工作行程刨刀速度較為均勻。當(dāng)?shù)额^工作行程較大時(shí)，此機(jī)構(gòu)沿移動(dòng)方向尺寸比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)小的多。綜合以上分析比較，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)優(yōu)勢最明顯，故可選定為刀架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（二）工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為：刨削時(shí)工作臺(tái)靜止不動(dòng)，刨刀空程急回時(shí)工作臺(tái)作等量直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要求工作臺(tái)可作反向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。螺旋機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)都可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的等量直線進(jìn)給和反向進(jìn)給。但螺旋機(jī)構(gòu)具有自鎖特性，故不進(jìn)給時(shí)工作臺(tái)會(huì)自行鎖定不動(dòng)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)沒有自鎖特性，要使不進(jìn)給時(shí)工作臺(tái)固定不動(dòng)，必須另設(shè)定位機(jī)構(gòu)。這樣，會(huì)使機(jī)構(gòu)本身變得復(fù)雜，相比之下，螺旋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，所以應(yīng)優(yōu)先選用。

螺旋機(jī)構(gòu)雖可直線進(jìn)給并自鎖，但要做到間歇進(jìn)給、正反向進(jìn)給和進(jìn)給量可調(diào)整，必須選擇能滿足以上要求的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)?？晒┻x擇的間歇機(jī)構(gòu)有槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)等。槽輪機(jī)構(gòu)雖能實(shí)現(xiàn)間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但槽輪機(jī)構(gòu)每次轉(zhuǎn)過的角度不能調(diào)節(jié)，故不宜采用。棘輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)角大小可根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)，雙向式棘輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，因而棘輪機(jī)構(gòu)是可供選用的理想機(jī)構(gòu)。

棘輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)停時(shí)間之比，可以通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來改變。凡是能使帶棘爪的擺桿實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)都可做為棘輪機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置。故可選用一曲柄長度可調(diào)節(jié)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與雙向式棘輪機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來，組成一組合機(jī)構(gòu)

通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿1改變曲柄的長度r來改變搖桿З的擺角大小，從而達(dá)到棘輪轉(zhuǎn)角的改變。當(dāng)棘爪4翻到雙點(diǎn)劃線位置時(shí)，棘輪將作反向簡歇運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)即反向進(jìn)給。最后的進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案應(yīng)是一個(gè)螺旋機(jī)構(gòu)——雙向式棘輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的串聯(lián)式組合機(jī)構(gòu)。三、原動(dòng)機(jī)選擇按照擬定的牛頭刨床工作原理，在可選擇的原動(dòng)機(jī)中，交流異步電動(dòng)機(jī)最為適宜，可滿足回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的要求，且價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便。如前所述，牛頭刨床的刨刀運(yùn)動(dòng)需與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合，故原動(dòng)機(jī)應(yīng)為同一臺(tái)電機(jī)。四、傳動(dòng)系統(tǒng)方案擬定如何把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給工作機(jī)構(gòu)，這需要根據(jù)牛頭刨床的工作特性和原動(dòng)機(jī)的特性來選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)類型。顯然，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，而刨刀運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件曲柄和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件曲柄所要求的轉(zhuǎn)速較低。因而，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比較大。根據(jù)所需要的傳動(dòng)比初估值，并考慮各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單級傳動(dòng)比值，傳動(dòng)系統(tǒng)選用帶輪機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的齒輪機(jī)構(gòu)組成