清华大学机械设计基础讲义机械执行系统方案设计.ppt

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1、 乐考无忧，考研我有！,第14章 机械执行系统方案设计,乐考无忧，考研我有！,14.1 执行系统方案设计的过程和内容,乐考无忧，考研我有！,14.2 执行系统的功能原理设计 根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。14.2.1功能原理的构思与选择 功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。,乐考无忧，考研我有！,举例：自动送料板装置的功能原理设计机械推拉原理,摩擦传动原理(摩擦板),乐考无忧，考研我有！,摩擦传动原理(摩擦轮),气吸原理

2、(底吸法),气吸原理(顶吸法),乐考无忧，考研我有！,总结实现某种预期的要求，可以采用多种不同的工作原理；不同的工作原理需要不同的工艺动作，这样所设计出的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。,乐考无忧，考研我有！,14.2.2 功能原理的创造性 分析综合法 将机械预期实现的功能分解为各种分功能，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把分功能原理组合起来，组成一个新的系统。美国阿波罗登月,乐考无忧，考研我有！,思维扩展法 在进行机械功能原理设计时，设计者一定要拓宽自己的思路，广泛采用气、液、光、声。电、新材料等新技术，构思出新的功能原理。挖土机,乐考无忧，考研我有！,还原创

3、新法 跳出已有的创造起点，重新返回到创造的原点，紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径，构思新的功能原理。,设计模仿人手的机械手，难度大,易损坏衣物,很难把衣物各处都刷洗到,乐考无忧，考研我有！,波轮洗衣机 滚筒洗衣机,乐考无忧，考研我有！,工艺动作十分简单，针杆做往复移动，拉线杆和摆梭做往复摆动，送布牙的轨迹由复合运动实现，这几个动作的协调配合，便实现了缝联布料的功能要求。,家用缝纫机的发明,采用摆梭使底线绕过面线将布料加紧的原理,乐考无忧，考研我有！,14.3 执行系统的运动规律设计14.3.1 工艺动作分解和运动方案选择 工艺动作分解是运动规律设计的基础，工艺动作分解的方法不同，形成的运

4、动方案也相同。,乐考无忧，考研我有！,内孔加工,车床,拉床,钻床,镗床,乐考无忧，考研我有！,总结同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运动方案也相同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最佳方案。,乐考无忧，考研我有！,14.3.2 运动规律设计的创造性 运动规律的设计是一种创造性的工作。仿真法 模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，构思出实现某一工作原理的运动规律。吊车：,模仿人手拿东西的动作,乐考无忧，考研我

5、有！,搓元宵机,整个装置由旋转圆盘1、连杆2和3、转动构件4和机架5所组成的空间五杆机构。运动由圆盘1输入，通过装在圆盘外圈上的球形铰链带动连杆3、2和转动构件4运动，从而使工作箱做空间振摆运动，工作箱中的元宵馅在些许湿润的元宵粉末中多方向滚动，即可制成元宵。,乐考无忧，考研我有！,思维扩展法 从传统的定式思维方式转向发散思维，拓展思路，尽可能采用简单易行的运动规律。钢球综合检测的装置,利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格。,乐考无忧，考研我有！,分选不同直径钢珠的装置,钢珠沿着两个斜放的不等距棒条滚动，实现钢珠尺寸分级的目的。,乐考无忧，考研我有！,典型例题绘图机,乐考无忧，考研我

6、有！,14.4 执行机构的型式设计 14.4.1 执行机构型式设计的原则1.满足执行构件的工艺动作和运动要求 运动形式、运动规律和运动轨迹2.尽量简化和缩短运动链,乐考无忧，考研我有！,精确直线导向机构 近似直线导向机构,乐考无忧，考研我有！,简化结构减轻重量,冲压机：保证曲柄转速不变,乐考无忧，考研我有！,3.尽量减小机构的尺寸,保证滑块行程不变,利用杠杆行程放大原理,利用活动齿轮倍增行程原理,乐考无忧，考研我有！,4.选择合适的运动副形式 运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要作用，它直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度等。一般来说，转动副易于制造，易于保证运动副元素的配合

7、精度，且效率较高；移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率低且易自锁或楔紧，故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合。,乐考无忧，考研我有！,转动副代替移动副实例近似直线导向机构,乐考无忧，考研我有！,5.考虑动力源的形式 选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善机械性能。例：执行构件作等速往复直线运动,需要单独的电动机和传动机构驱动原动件，且采用连杆机构把转动变为执行机构的等速往复直线运动，结构复杂。,不仅省去了传动机构，而且一个动力源可以驱动多个执行机构，机构简单紧凑，反向时运转平稳，易于调节移动速度。,乐考无忧，考研我有！,6.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性 设计时，应注

8、意选用具有最大传动角、最大增力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计等。,乐考无忧，考研我有！,7.使机械具有调节某些运动参数的能力 具有调节滑块最大行程功能的机构,摆杆1可绕铰链转动，它所处的位置不同，滑块的最大行程也随之变化。摆杆1调到合适的位置后锁紧，则机构只有一个自由度。此时滑块2在1上上下滑动。,乐考无忧，考研我有！,8.保证机械的安全运转 必须考虑防止出现机械意外损坏或生产、人身事故。例如可以采取具有过载保护功能的带传动、设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构等。,乐考无忧，考研我有！,14.4.2

9、 机构的选型 利用发散思维的方法，将前人创造发明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或动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。1按照执行构件所需的运动特性进行机构选型 从具有相同运动特性的机构中，按照执行构件所需的运动特性进行搜寻。当有多种机构均可满足所需要求时，则可根据上节所述原则，对初选的机构形式进行分析和比较，从中选择出较优的机构。,乐考无忧，考研我有！,乐考无忧，考研我有！,2按照动作功能分解与组合原理及型机构选型 任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的，这些基本机构具有如下基本功能：,乐考无忧，考研我

10、有！,动作功能分解组合原理总体功能可以分解成若干分功能：U=(Ui)i=1,2,m 每一个分功能又可以用不同的机构来实现：Tj=(ti1,ti2,tin)j=1,2,n功能-技术矩阵：,乐考无忧，考研我有！,只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能的方案。在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为：N=nm得到各种方案后，先剔除一些明显不成立的、不符合要求的方案，然后按照上节所述的原则，筛选出一些较合理的方案，以供进一步评价。这种方法有利于利用计算机存储、分析和选择，具有广阔前景。,乐考无忧，考研我有！,精锻机主机构选型举例 总体功能 当加压执行构件（冲

11、头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。,乐考无忧，考研我有！,动作功能分解运动形式变换功能：将驱动轴的转动变换为冲头的移动；运动轴线变向功能 将水平轴运动变换为铅垂方向运动；运动位移或速度缩小功能 减小位移量（或速度），以实现增力要求。,乐考无忧，考研我有！,功能-技术矩阵图,乐考无忧，考研我有！,将各分功能进行组合，得出可行方案 将三个分功能按不同的顺序排列，得到各种方案的示例,乐考无忧，考研我有！,几种典型方案示例方案 1,先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用斜面机构将水平轴

12、运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。,特点：采用斜面机构增强了系统刚度，经过两次运动大小变换增加了锻压力。,乐考无忧，考研我有！,方案 2,先由曲柄滑块机构将转动变换成移动并实现运动大小变换功能，再采用液压机构将水平轴运动变换为铅垂方向运动并实现运动大小变换功能。,特点：经过两次运动大小变换，可见有较大的锻压力。,乐考无忧，考研我有！,方案 3,先由曲柄滑块机构实现运动大小变换功能，再采用摆杆滑块机构将水平轴运动变换为铅垂方向的移动并实现运动大小变换功能。,特点：经过两次运动大小变换，具有较大的力。缺点：系统刚度较差。,乐考无忧，考研我有！,方案 4,先由摩擦轮机构将水平轴转动变换为

13、铅垂轴转动，再采用螺旋机构将转动变换为往复移动并实现运动大小变换功能。,特点：螺旋机构具有很好的运动大小变换功能，可产生很大的锻压力。,乐考无忧，考研我有！,14.4.3 机构的构型,乐考无忧，考研我有！,1.选择 对现有的数千种机构进行分析、研究，通过类比选择出基本机构的雏形。2.突破 以选择的雏形作为创新构型的生长点，通过扩展、组合和变异等方法去尝试突破，以获得新构思。3.重新构型 在突破的基础上，重新构筑能完成预期功能且性能优良的新机构。,乐考无忧，考研我有！,扩展法 用类比法选择的基本机构雏形在满足运动特性或功能上有欠缺时，可以以此机构为生长点，在其上联接若干基本杆组构筑出新的机构形式

14、。优点：是在不改变机构自由度的情况下，能增加或改善机构的功能。,乐考无忧，考研我有！,例：设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大的执行机构,以摆动导杆机构ABC为基本机构，在其导杆CB的延长线上D点处连接一个双杆组，形成六杆机构，满足急回、扩大行程等工作要求。,乐考无忧，考研我有！,(2)组合法 将几种基本机构用适当的方式组合起来，实现基本机构不易实现的运动或功能。常用组合方式,乐考无忧，考研我有！,组合法实例,要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特性和较大摆动行程，当不能完全满足要求时，可将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合，这样，固结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性，且可获得较大的摆

15、动行程。,乐考无忧，考研我有！,(3)变异法 通过运动副形状、尺寸和位置安排上的变化生成新的机构型式。常用的方法有运动倒置和运动副变换等。运动倒置,运动倒置就是机架变换。利用机架变换发现现有机构的内在联系是机构发生变异。例：人类正常步行时，脚跟相对于腰部的轨迹,乐考无忧，考研我有！,以六杆机构来模拟人脚的运动，以不同构件为机架可得到不同的方案。,乐考无忧，考研我有！,运动副变换 运动副是机构运动变换的主要元素，通过运动副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之一。常用的变换方式,乐考无忧，考研我有！,低副变异为高副,乐考无忧，考研我有！,典型例题 干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压成圆

16、型片坯。根据生产条件和粉料的特性，决定选用电动机作为动力源，选择刚体推压传动原理。其工作过程如下：加入粉料下冲头下沉上下冲头加压上冲头退回，下冲头上顶推走片坯。,试对上冲头主加压机构进行机构型式设计。,乐考无忧，考研我有！,根据动作功能分解与组合原理进行机构选型基本功能运动形式变换功能（将驱动轴的转动变为冲头的移动）运动方向交替变换功能（冲头往复运动）、运动缩小功能（减小速度，以获得较大压力）运动停歇功能（冲头加压）。,乐考无忧，考研我有！,功能技术矩阵,乐考无忧，考研我有！,初选方案,方案1,方案2,方案3,方案5,方案4,乐考无忧，考研我有！,由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附加要求，

17、而初选方案均不具备这种功能，故需进行机构创新构型，以达到设计要求。选择 方案4 作为原型进行机构创新构型(1)扩展法,乐考无忧，考研我有！,在四杆机构连杆BC的延长线上找一点H，该点的运动轨迹中有一段直线或近似直线。在该点加一个RPR双杆组，且使GH与此直线轨迹段平行，则当H点运动在直线段上时，导杆GH将处于停歇状态，即使冲头F有了停歇功能。,乐考无忧，考研我有！,(2)组合法,采用四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合，将两机构于极限位置时串联，则该位置时滑块F的速度为零，即滑块实现了近似的停歇。,乐考无忧，考研我有！,(3)变异法,将铰链四杆机构变为摆杆机构，得到摆动导杆机构与摆杆滑块机构的串联

18、组合方案。再将导杆槽改为曲线槽，则可使冲头F获得准确的停歇功能。,乐考无忧，考研我有！,14.5 执行系统的协调设计 14.5.1 执行系统协调设计的原则 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定的次序协调工作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程执行系统的协调设计。满足各执行机构动作先后的顺序性要求；,乐考无忧，考研我有！,满足各执行机构动作在时间上的同步性要求；满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；满足各执行机构操作上的协同性要求；各执行机构的动作安排

19、要有利于提高劳动生产率；各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。,乐考无忧，考研我有！,14.5.2 执行系统协调设计的方法 工程实际中的大多数机械的工作都是周期性的，即经过一定的时间间隔后，各执行构件的位移、速度和加速度等运动参数就周期性的重复。协调设计的步骤 确定机械的工作循环周期；确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间；确定各执行构件动作间的协调配合关系。,乐考无忧，考研我有！,例：冷霜自动灌装机 确定机械的工作循环周期 根据设计任务书中给定的理论生产率Q=30 盒/min，计算出该机械运动的循环周期T=60/30=2s 确定机械在一个运动循环中各执行构件

20、的各个行程段及其所需时间 基本动作,乐考无忧，考研我有！,1输送带的连续运动 2轮盘的间歇转动,3顶杆的往复运动 4定量泵活塞的往复运动,乐考无忧，考研我有！,各行程区段所需时间的计算详见14.5.3机械运动循环图。确定各执行构件动作间的协调配合关系,乐考无忧，考研我有！,冷霜自动灌装机各执行机构协调配合的完整的执行系统,乐考无忧，考研我有！,14.5.3 机械运动循环图 描述各执行构件运动间相互协调配合的图机械运动循环图 由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个运动循环，故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制。,乐考无忧，考研我有！,乐考无忧，考研我有！,例：冷霜自动灌装机的

21、运动循环图 直线式,乐考无忧，考研我有！,圆周式,直角坐标式,乐考无忧，考研我有！,14.6 方案评价与决策1.方案评价的意义 寻求一种既能实现预期功能要求，又性能优良、价格低廉的设计方案。由于工作原理、工艺动作分解方法及机构型式的不同，会形成多种设计方案。方案评价的目的在于通过科学的评价、决策来优选出最佳的方案。,乐考无忧，考研我有！,2.评价准则、评价指标和评价体系评价准则 设计目标 从哪些方面、以什么原则、达到什么标准为优；设计指标 具体的约束限制。,乐考无忧，考研我有！,评价指标系统功能：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；运动性能：运转速度、行程可调性、运动精度

22、等；动力性能：承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等；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；经济性：加工难易、能耗大小、制造成本等；结构紧凑性：尺寸、重量、结构复杂性等。,乐考无忧，考研我有！,评价体系 通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。建立评价体系，要注意其针对性和科学性。3.评价方法(1)经验性的概略评价法 请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排除法直接评价。(2)计算性的数学分析评价法,乐考无忧，考研我有！,评分法 建立评价体系选择评分方法选择评分标准对各个项目进行评分选择总分计分法，计算总分选取高分者为优选方案。评分方法有直接评分法和

23、加权系数法。后者按各评价项目的重要程度确定其权重，每项打分都乘以相应的加权系数。评分标准,乐考无忧，考研我有！,总分计算,乐考无忧，考研我有！,技术-经济评价法 综合考虑了技术类指标和经济类指标，评价值一般为相对于理想状态的相对值。模糊评价法 用0，1区间内的连续数值代替评分法中的离散数值来表达评价值，使评价结果更为准确。(3)实践性的试验评价法 对重要的方案设计问题，可通过模型试验或计算机模拟实验来进行评价。,乐考无忧，考研我有！,4.评价结果的处理-再设计 设计的过程是一个设计-评价-再设计-再评价的过程，直到达到最优方案。典型例题,推纸机构的功能是将纸库中的纸一张一张推出，主运动为往复直

24、线运动。,乐考无忧，考研我有！,现有三个方案：,凸轮摆杆机构,曲柄摆杆机构,施蒂芬森机构,试用评分法进行评价。,乐考无忧，考研我有！,P1系统功能；p2 运动性能；p3动力性能；p4 工作性能；p5结构紧凑性解：选用直接评分法、相加法，则有凸轮摆杆机构：Q=1+0.75+0.75+0.75+0.75=4曲柄摆杆机构：Q=0.75+0.75+0.75+0.75+0.6=3.6施蒂芬森机构：Q=0.75+0.75+0.75+0.6+0.6=3.45故凸轮摆杆机构较优,乐考无忧，考研我有！,参考文献曾惟庆，徐增荫主编.机构设计.北京：机械工业出版社，1993孟宪源主编.现代机构手册.北京：机械工业出版社，1994邹惠军编著.机械系统设计.上海：上海科学技术出版社，1996,