【重慶大學機械原理本科生教學課件】第七章 機械系統(tǒng)運動方案設計

1、第七章 機械系統(tǒng)運動方案設計,第一節(jié)機械總體方案設計,重要性 直接決定產(chǎn)品的性能、質量及其在市場上的競爭力和企業(yè)效益。 核心內容 機械運動方案設計，最具創(chuàng)造性和綜合性。 一、機械產(chǎn)品的設計過程 五個階段 產(chǎn)品規(guī)劃(概念設計)、總體方案設計、結構技術設計、生產(chǎn)施工設計(工藝設計)、改進設計。,機械產(chǎn)品設計一般進程,二、機械總體方案設計的目的和內容 目的 產(chǎn)品功能是否齊全、性能是否優(yōu)良、經(jīng)濟效益是否顯著，在很大程度上取決于總體方案設計的構思和方案擬定時的設計思想。,內容,執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計,執(zhí)行系統(tǒng)方案評價與決策,執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計,執(zhí)行機構型式設計,運動規(guī)律設計,系統(tǒng)功能原理設計,機構尺度設計,運

2、動和動力分析,原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計,各級傳動比的分配,傳動鏈中機構 順序的安排,傳動路線選擇,傳動類型選擇,控制系統(tǒng)的方案設計,其它輔助系統(tǒng)的設計,照明系統(tǒng)設計,安全保障系統(tǒng)設計,故障檢測系統(tǒng)設計,冷卻系統(tǒng)設計,潤滑系統(tǒng)設計,第二節(jié) 現(xiàn)代設計觀念與創(chuàng)新設計簡介,一、現(xiàn)代設計觀念 (一) 機械設計的歷史,人類設計 經(jīng)歷的階段,直覺設計階段,憑直觀感覺來設計制作工具和機械，往往帶有一定的盲目性,經(jīng)驗設計階段,依靠個人的才能和經(jīng)驗，運用一些基本設計計算理論，借助類比、模擬和試湊等方法進行設計,半理論半經(jīng)驗設計階段,充分利用數(shù)據(jù)、圖表和手冊等進行設計，減少了設計的盲目性，增加了合理性,

3、(二) 現(xiàn)代設計方法的主要分支 設計方法學(Design methodology) 優(yōu)化設計(Optimal design) 價值工程(Value engineering) 計算機輔助設計(CAD) 可靠性設計(Reliability design) 工業(yè)藝術造型設計(Visual design) 模塊化設計(Modular design) 反求工程(Inverse engineering) 有限元法(Finite element method) 機械動態(tài)設計(Dynamic design) 相似性設計(Similarity design) 系統(tǒng)化設計(Systematization desi

4、gn),并行設計(Concurrent design) 人機工程學(Man-machine engineering，ergonomics) 模態(tài)設計(Modal design),現(xiàn)代設計方法的核心 機械創(chuàng)新設計(Innovative design),傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計的比較,傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計的比較,(三)機械現(xiàn)代設計和創(chuàng)新設計的特點 從經(jīng)驗積累上升到系統(tǒng)理論，更具科學性。 由漫長的相對穩(wěn)定到充滿活力的快速飛躍發(fā)展，更具創(chuàng)造性。 從較單一的應用力學體系發(fā)展到多學科融合的系統(tǒng)工程，更具多元性。 從設計的指導思想、理論體系以及設計技法、設計的物質手段都充分體現(xiàn)了最新的科學技術成就，更具完美性。 設

5、計“綠色機器”成了現(xiàn)代機械設計追求的目標。,二、創(chuàng)造性設計與創(chuàng)造性思維 創(chuàng)造性思維的主要特點 獨特性； 多向發(fā)散性； 非邏輯性； 連動性； 綜合性。,部分創(chuàng)造技法,第三節(jié) 機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計,重要性 執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，直接完成機械系統(tǒng)預期工作任務。 機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計是機械系統(tǒng)總體方案設計的核心，是整個機械設計工作的基礎。 機械執(zhí)行系統(tǒng)的組成 由一個或多個執(zhí)行機構組成。執(zhí)行構件是執(zhí)行機構的輸出構件，其數(shù)量及運動形式、運動規(guī)律和傳動特性等要求，決定了整個執(zhí)行系統(tǒng)的結構方案。,一、機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計的主要內容和過程,功能原理設計,根據(jù)需要制定機械的總功能，擬定實現(xiàn)

6、總功能的工作原理和技術手段，確定機械所要實現(xiàn)的工藝動作,運動規(guī)律設計,通過對工作原理所提出的工藝動作進行分解，決定采用何種運動規(guī)律來實現(xiàn)工作原理,執(zhí)行機構型式設計,決定選擇何種機構實現(xiàn)給定的運動規(guī)律,執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計,執(zhí)行機構型式設計,根據(jù)工藝過程對各動作的要求，分析各執(zhí)行機構應當如何協(xié)調配合，設計出機械運動循環(huán)圖,確定各執(zhí)行機構的運動尺寸，繪制出各執(zhí)行機構的運動簡圖,運動和動力分析,檢驗執(zhí)行系統(tǒng)是否滿足運動要求和動力性能方面的要求,方案評價與決策,對方案進行定性評價和定量評價并從中選出最佳設計方案,二、執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設計 1. 功能原理的選擇與構思 產(chǎn)品的功能 產(chǎn)品的用途、性能、使用價值

7、等，根據(jù)人們生產(chǎn)或生活需要提出。 確定功能指標的考慮因素 先進性 可行性 經(jīng)濟性 功能原理設計的重要性 決定產(chǎn)品的技術水平、工作質量、傳動方案、結構型式、制造成本等。,功能原理設計的多方案性,工作原理不同，運動方案也不同,齒輪加工,剃齒,范成原理,仿形原理,工作原理相同，運動方案不同,齒輪加工,插齒,滾齒,其它實例 斜面的應用 螺旋壓力機、螺旋千斤頂、螺紋聯(lián)接件、螺旋輸送機、螺桿泵、螺旋微動機構、千分尺等 齒輪加工方法 無屑加工(精密鑄造、粉末冶金成型、滾壓成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盤狀齒輪銑刀和指狀齒輪銑刀、展成法的滾齒和插齒,確定方案時應注意兩點 用最簡單的方法實現(xiàn)同

8、一功能。 注意光、機、電、流體等知識的綜合運用。,設計一臺彩色電視機陰極盤用的金屬片的沖裁機器，圓片直徑10mm，厚度0.8mm。,用最簡單的方法實現(xiàn)功能舉例,圖示按摩椅中的按摩輪利用一個偏心空間凸輪，同時實現(xiàn)三維方向的按摩作用徑向振動擠壓、向下推拉和橫向推拉，構思巧妙，結構非常簡單。,光、機、電、流體等知識的綜合運用舉例,指針,圖示分析天平，要求精度達到0.01g，但靠目力讀指針的微小偏角已不可能。,增加了一級光學放大鏡，將讀數(shù)放大。,總功能,功能元解,功能原理方案,最佳功能原理方案,明確任務,功能元,2. 功能分析與功能求解 功能分析法(Function analysis)，將機械產(chǎn)品的總

9、功能(Total function)分解成若干功能元(Function element)，求解功能元，將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案供評價選擇。,三、執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律設計 1. 工藝動作分解和運動方案選擇,刀具作復合運動,刀具與工作臺分別運動,運動規(guī)律設計通常是對工藝方法和工藝動作進行分析，把其分解成若干個基本動作。工藝動作分解的方法不同，所形成的運動方案也不同。,立式鉆床工藝動作分解,直線運動,曲線運動,復合運動,往復擺動,每分鐘轉數(shù) rpm,由兩個以上單一運動合成,間歇轉動,停歇往復直線運動,停歇單向直線運動,沿可變曲線運動,每分鐘轉位次數(shù)、轉角大小、運動系數(shù),每分鐘擺動次數(shù)

10、、轉角大小、行程速度變化系數(shù),每分鐘行程數(shù)、大小、行程速度變化系數(shù),每次進給量的大小,每循環(huán)停歇次數(shù)、位置、時間、行程大小和工作速度,四、執(zhí)行機構的型式設計,1. 設計原則 滿足執(zhí)行構件的工藝動作和運動要求 盡量簡化和縮短運動鏈 盡量減小機構尺寸 選擇合適的運動副形式 考慮動力源的形式 使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性 使機械具有調節(jié)某些運動參數(shù)的能力 保證機械的安全運轉,2. 機構的選型 目的 選擇或創(chuàng)造出滿足執(zhí)行構件運動和動力要求的機構。, 傳遞連續(xù)轉動的機構,嚙合傳動機構,連桿機構,摩擦輪傳動,蝸桿傳動,鏈傳動,平行四邊形機構,摩擦傳動機構的優(yōu)缺點,結構簡單、傳動平穩(wěn)、易于實現(xiàn)無級變速

11、、過載保護。,傳動比不準確、傳遞功率小、效率低。, 實現(xiàn)單向間歇轉動的機構,棘輪機構,齒輪-連桿機構,不完全齒輪機構,凸輪式間歇運動機構,適用于轉角固定的轉位運動,每次轉角小，或轉角大小可調的低速場合,大轉角而速度不高的場合,運動平穩(wěn)、分度、定位準確，但制造困難、高精度定位、高速場合,特殊要求的輸送機構, 實現(xiàn)往復移動往復擺動運動的機構,凸輪機構,組合機構,往復運動 機構,連桿機構,螺旋機構,齒輪齒條機構,液壓缸、氣缸,正弦機構,正切機構,多桿機構,曲柄滑塊機構,連桿機構特點制造容易、承載能力大，但難以實現(xiàn)精確運動，適用于無嚴格運動規(guī)律的場合。,凸輪機構特點能實現(xiàn)任意復雜的運動和各構件之間的運

12、動協(xié)調，承載能力不大。,螺旋機構特點可獲得大的減速比和較高的運動精度，常用作低速進給和精密微調機構。,齒輪齒條機構特點適用于移動速度較高的場合，精密齒條制造困難，傳動精度及平穩(wěn)性不及螺旋機構。, 再現(xiàn)軌跡的機構,齒輪連桿組合機構,聯(lián)動凸輪機構,凸輪連桿組合機構,一般而言，除了凸輪機構能實現(xiàn)精確的曲線軌跡之外，其它機構都只能近似實現(xiàn)預定的曲線軌跡。,齒輪連桿組合機構,攪拌機構,聯(lián)動凸輪機構,凸輪連桿組合機構,此抓片機構采用了聯(lián)動凸輪機構，通過兩凸輪的聯(lián)動作用，使抓片爪按矩形軌跡運動，從而達到間歇抓片的目的。,此裝配線采用了聯(lián)動凸輪機構，使筆芯托架沿著矩形軌跡運動，從而達到使圓珠筆芯步進式地向前送

13、進的目的。,3. 機構的構型 目的 當所選擇的機構型式不能完全實現(xiàn)預期要求，或雖能實現(xiàn)功能要求但存在著或結構較復雜、或運動精度不當和動力性能欠佳，可在常用機構中選擇一種功能和原理與工作要求相近的機構，在此基礎上重新構筑機構的型式。, 組合法,串聯(lián)組合 前一級子機構的輸出構件，作為后一級子機構的輸入構件，依次串聯(lián)的組合方式。,后一級子機構的主動件為前一級子機構的一個連架桿。,后一級子機構的主動件為前一級子機構的連桿。,并聯(lián)組合 幾個子機構共用同一個輸入構件，而它們的輸出運動又同時輸入給一個多自由度的子機構，從而形成一個自由度為1的機構系統(tǒng)的組合方式。,各子機構間無嚴格的運動協(xié)調配合關系,各子機構

14、在動作的先后次序上有嚴格的要求,自動車床上三個并聯(lián)凸輪的工作順序有先后要求。,各子機構有運動形式配合要求,磨床中的主軸運動、砂輪運動和、工件運動在運動形式上有配合要求。,反饋式組合 在機構組合系統(tǒng)中，其多自由度子機構的一個輸入運動，是通過單自由度子機構從該多自由度子機構的輸出構件回授的組合方式。,校正原理蝸桿主動，因制造誤差使蝸輪運動精度達不到要求，由誤差設計一凸輪機構，經(jīng)齒輪齒條、差動機構K使蝸桿得到一附加運動，以校正誤差。,機床校正機構,輸入,4,1,4,2,1,3,K,2,復合式組合 由一個或幾個串聯(lián)的基本機構去封閉一個具有兩個或多個自由度的基本機構的組合方式, 變異法,更換原動件,雙搖

15、桿機構中，選連桿作為原動件，可把風扇轉子的旋轉轉化為連架桿的搖動。,運動倒置,改變構件結構形狀,將擺動導桿機構中的直線導槽改為圓弧導槽，可獲得較長時間的停歇。,改變構件運動尺寸,槽輪直徑變?yōu)闊o窮大，槽數(shù)無窮多時，演變?yōu)椴蹢l機構,五、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調設計 執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計原則 滿足各執(zhí)行機構動作先后的順序性要求 滿足各執(zhí)行機構動作在時間上的同步性要求 滿足各執(zhí)行機構在空間布置上的協(xié)調性要求 滿足各執(zhí)行機構在操作上的協(xié)同性要求 各執(zhí)行機構的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率 各執(zhí)行機構的的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調和效率的提高,執(zhí)行構件動作的協(xié)調配合, 送料機構將原料送入?？咨戏胶?，沖頭進入?？走M行沖壓

16、, 沖頭上移一段距離后，進行下次送料動作,折疊包裝機構的兩個執(zhí)行構件,兩個構件不能同時位于區(qū)域MAB中，以免干涉。,執(zhí)行構件運動速度的協(xié)調配合,i0,齒輪插刀加工,范成法加工時，刀具與齒坯之間必須保持精確的傳動比。, 執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計方法 確定機械的工作循環(huán)周期 確定機械在一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構件的各個行程段及其所需時間 確定各執(zhí)行構件動作間的配合關系, 機械運動循環(huán)圖 用于描述機械在一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構件運動間相互協(xié)調配合的圖。 通常選取機械中某一主要的執(zhí)行構件為參考構件，以生產(chǎn)工藝的起始點作為運動循環(huán)的起始點，據(jù)此確定其它執(zhí)行構件的運動相對于參考構件的先后次序和配合關系。,運動循環(huán)圖形式

17、 直線式 圓周式 直角坐標式,直線式工作循環(huán)圖,主軸作為參考構件,圓周式工作循環(huán)圖,圖示單缸四沖程內燃機的工作循環(huán)圖。曲軸為參考構件，轉動2轉為一個工作循環(huán)。,直角坐標式工作循環(huán)圖,餅干包裝機工作循環(huán)圖中，橫坐標表示參考構件的轉角，縱坐標表示執(zhí)行構件的轉角。,六、方案評價與決策 評價指標 系統(tǒng)功能實現(xiàn)運動規(guī)律或運動軌跡、實現(xiàn)工藝動作的準確性 運動性能運轉速度、行程可調性、運動精度等 動力性能承載能力、增力特性、傳力特性、振動噪音等 工作性能效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性適用范圍等 經(jīng)濟性加工難易、能耗大小、制造成本等 結構緊湊性 尺寸、重量、結構復雜性等,評價方法 評分法 針對評

18、價目標中各個項目，選擇一定的評分標準和總分計分法對方案的優(yōu)劣進行評價。,建立評價體系,選擇評分方法,選擇評分標準,對各個項目進行評分,選擇總分計分法，計算總分,選取高分者為優(yōu)選方案,評價結果的處理,一、機械傳動系統(tǒng)方案設計 1. 設計過程 確定傳動系統(tǒng)總傳動比 選擇傳動類型 擬定傳動鏈布置方案 分配傳動比 確定各級傳動機構的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，計算傳動系統(tǒng)的各項運動學和動力學參數(shù) 繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖,第四節(jié) 機械傳動系統(tǒng)方案設計 和原動機選擇,2. 傳動類型選擇 類型與特點,撓性(件)傳動,摩擦輪傳動,繩傳動,圓形齒輪傳動,撓性嚙合傳動,帶傳動,嚙合傳動,機械 傳動,摩擦傳動,單級齒輪傳

19、動,齒輪系傳動,同步齒形帶傳動,螺旋齒輪傳動,蝸桿蝸輪傳動,圓錐齒輪傳動,圓柱齒輪傳動,定軸輪系傳動,周轉輪系傳動,鏈傳動,非圓齒輪傳動,行星輪系傳動,差動輪系傳動,液壓、液力傳動 利用液壓泵、閥、執(zhí)行器等元件實現(xiàn)的傳動。 氣壓傳動 以壓縮空氣為工作介質的傳動 電氣傳動 利用電動機和電氣裝置實現(xiàn)的傳動,選擇原則 執(zhí)行系統(tǒng)的工況和工作要求與原動機的機械特性相匹配 考慮工作要求傳遞的功率和運轉速度 有利于提高傳遞效率 盡可能結構簡單的單級傳動裝置 考慮結構布置 考慮經(jīng)濟性 考慮機械安全運轉條件,二、原動機的選擇,第五節(jié)機械系統(tǒng)運動方案設計舉例,1. C1325自動車床刀架系統(tǒng)的分析,功能要求 自動

20、換刀 軸向進給,功能分解, 讓刀轉位前刀架先右退，以免刀具與工件干涉, 轉位轉塔刀架每次轉過60, 定位轉位之前拔出保證加工精度的定位銷, 進、退刀不轉時，精確實現(xiàn)預定的進退刀運動。,刀架系統(tǒng)的工作過程,退刀 壓簧12推桿13回程齒輪6齒條7活動支架8向右完成退刀,讓刀 退刀的同時，齒輪1 的離合器結合并開始轉動寬齒輪2 圓錐齒輪3圓柱凸輪機構4拔出銷10；同時，曲柄5轉動支架8快速向右讓刀,轉位 讓刀快結束時，槽輪開始轉位曲柄5的后半圈支架8向左移動完成復位,定位 轉位結束時，凸輪機構4的從動件推桿擺動插入定位銷10，齒輪1離合器脫開并停止運轉,刀架系統(tǒng)的工作過程,進給 從動件13推程齒輪6

21、 齒條7 活動支架8向左運動完成進給,刀架系統(tǒng)的工作過程,刀架系統(tǒng)的工作循環(huán)圖,刀架系統(tǒng)各機構的組合方式及特點,組合方式分析 組合方式主要以串聯(lián)方式為主，但在I、II處采用了特殊的并聯(lián)方式。,機構功能分析 進刀凸輪機構控制整個工件的加工過程，不同的工件需要更換不同的凸輪, 后續(xù)串聯(lián)的齒輪齒條機構用于轉換運動形式并將運動放大, 后續(xù)再串聯(lián)一曲柄滑塊機構，以增大讓刀距離, 并聯(lián)槽輪機構用于實現(xiàn)轉位, 并聯(lián)曲柄滑塊機構用于實現(xiàn)讓位, 并聯(lián)圓柱凸輪機構再串聯(lián)連桿機構用于實現(xiàn)定位，且容易滿足時序要求, 圓柱齒輪后串接圓錐齒輪機構用于改變運動方向,刀架系統(tǒng)各機構的組合方式及特點,一般的鉆床多采用第一種方案

22、，但本例是三軸專用鉆床，因工件小，工作臺輕，移動工作臺比移動三軸容易。故采用第二種方案。,2. 多頭專用鉆床機械傳動系統(tǒng)設計,設計任務 設計一臺自動鉆床，用來同時加工圖示零件上的三個孔，并能自動送料。, 運動方案選擇,工藝動作鉆頭一邊旋轉，同時相對于工件作移動,三種運動方案, 鉆頭旋轉，同時軸向進給，工作臺靜止, 鉆頭旋轉，工作臺帶動工件進給, 工作臺旋轉，鉆頭作軸向進給,送料機構采取從料倉推送工件的方式, 執(zhí)行系統(tǒng)運動規(guī)律設計,三個執(zhí)行構件 鉆頭、工作臺、送料桿,工藝過程 送料桿往右推出零件，并頂出加工好的零件, 夾具將工件定位并夾緊, 送料桿返回，工作臺帶動工件快速上移接近鉆頭, 工作臺慢

23、速工進；, 鉆孔結束后，工作臺快速退回，完成一個工作循環(huán),鉆頭的轉速 nc1000v(d),d鉆頭直徑，d8 mm v 切削速度，查手冊45鋼，可選v12.5mmin nc 500 rpm,工作臺為往復運動 鉆孔工藝要求 工作臺帶動工件快速上移接近鉆頭 工作臺改用工作進給速度先鉆凸臺上的孔，待鉆到 一定深度時，三個鉆頭才同時鉆進，因工作阻力增加，故進給速度應減小 鉆孔結束后，工作臺快速退回，完成一個工作循環(huán),工作臺一個工作循環(huán)總時間 T1 t1 t2 t3 t4 t5 24.6 s,工作臺每分鐘工作循環(huán)數(shù) n1 60 T1 2.44,送料桿的運動為往復直動，運動循環(huán)時間與工作臺相同 Ts 24

24、.6 s,工作臺的行程 Hf h0 h1 h2,h1 單孔鉆削深度，取h1 13 mm,h2 三孔同時鉆削深度，取h2 13 mm,送料桿的行程取工件的兩倍 Hs 100 mm,h0 工作臺快速趨近鉆頭的運動距離，取h0 15 mm,工作循環(huán)圖, 原動機的選擇,類型交流異步感應電動機 由機床的工作要求確定,為了減少原動機的數(shù)量，三個鉆頭共用一個原動機。, 計算運動鏈的總傳動比,切削運動鏈的總傳動比 ic nnnc 1440500 2.88,進給運動鏈的總傳動比 if is nnnf 14402.44 563,轉速額定轉速 nn 1440 rpm, 機構選型,鉆削運動鏈的設計, 鉆頭作連續(xù)回轉運動，運動鏈的總傳動比為2.88，無需運動轉換，但需要減速, 三個鉆頭應同向旋轉，且各鉆頭之間的距離很小，即要求具有運動分解功能，其尺寸受到限制, 電動機軸一般為水平放置，與鉆頭的方向不一致，即要求具有改變運動軸線方向的功能, 電