机械系统的方案设计课件

Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计第一节第一节 概述概述第二节第二节 机械工作原理的拟定机械工作原理的拟定第四节第四节 机构的选择和变异机构的选择和变异第三节第三节 执行构件的运动设计和执行构件的运动设计和 原动机的选择原动机的选择机械原理机械原理第五节第五节 机构的组合机构的组合第六节第六节 机械系统方案的拟定机械系统方案的拟定Northwest A&F University第一节第一节 概述概述第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 机械传动系统机械传动系统是指将原动机的运动和动力传递到执行构件的中间环节，它是机械的重要组成部分。机械传动系统的作用不仅是转换运动形式，改变运动大小和保证各执行构件的协调配合工作等，而且还要将原动机的功率和转矩传递给执行构件，以克服生产阻力。除此之外，现代完善的机械传动系统，还具有运动操纵和控制功能，将光、机、电、液有机地组合，借助微机控制，自动实现机械所需要的完整工作过程。Northwest A&F University 机械传动系统的设计是机械设计中极其重要的一环，设计得正确和合理与否，对提高机械的性能和质量，降低制造成本与维护费用等影响很大，应认真对待。机械传动系统方案设计是一项创造性活动，要求设计者善于运用已有知识和实践经验，认真总结过去的有关工作，广泛收集、了解国内外的有关信息，充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设计方法和技巧，以便设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。第一节第一节 概述概述第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计一、机械设计的一般过程一、机械设计的一般过程:阶段阶段内容内容应完成的工作应完成的工作计划计划1.提出设计任务提出设计任务2.进行可行性研究进行可行性研究3.编制设计任务书编制设计任务书1.提出可行性报告提出可行性报告2.提出设计任务书提出设计任务书3.签订技术经济合同签订技术经济合同方案设计方案设计1.提出若干个可行方案提出若干个可行方案2.确定最佳方案确定最佳方案提出最佳方案的原理图和机构运提出最佳方案的原理图和机构运动简图动简图技术设计技术设计1.绘制总装图和部件装配图绘制总装图和部件装配图2.绘制零件工作图绘制零件工作图3.绘制电路系统图、润滑系统图等绘制电路系统图、润滑系统图等4.编制各种技术文件编制各种技术文件1.提出整个设备的全套图纸提出整个设备的全套图纸2.提出设计计算说明书、使用维提出设计计算说明书、使用维护说明书、外购件明细表护说明书、外购件明细表试制试验试制试验通过试制、试验发现问题，加以改进通过试制、试验发现问题，加以改进1.提出试制、试验报告提出试制、试验报告2.提出改进措施提出改进措施投产以后投产以后根据用户意见、发现的问题及市场变根据用户意见、发现的问题及市场变化改进设计化改进设计收集问题，发现问题，改进问题收集问题，发现问题，改进问题Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计二、机械系统的方案设计二、机械系统的方案设计 机械系统方案设计的一般步骤：机械系统方案设计的一般步骤：1.拟定机械的工作原理。拟定机械的工作原理。制定机械的总功能，拟定实现总功能的制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作。工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作。2.执行构件和原动件的运动设计。执行构件和原动件的运动设计。确定执行构件的数目、运动形确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调配合关系，并选定原动机的类型和式、运动参数以及运动协调配合关系，并选定原动机的类型和运动参数。运动参数。3.机构的选型、变异与组合。机构的选型、变异与组合。根据机械的运动以及动力的要求，根据机械的运动以及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统方选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统方案，绘制系统的示意图。案，绘制系统的示意图。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计二、机械系统的方案设计二、机械系统的方案设计4.机构的尺寸综合。机构的尺寸综合。确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。的机构运动简图。5.方案分析。方案分析。对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能的要求，进行适当的调整。以便为机械运动和动力的功能的要求，进行适当的调整。以便为机械的工作能力和结构设计提供必要的依据。的工作能力和结构设计提供必要的依据。6.方案评审。方案评审。通过对众多方案的评比，选出最佳的机械系统通过对众多方案的评比，选出最佳的机械系统方案。方案。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计第二节第二节 机械工作原理的拟定机械工作原理的拟定 实现机械功能的工作原理，决定着机械产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构形式和成本等。所以需利用各种“创造技法”，并借鉴同类产品的经验和最新科技成果，以便拟定出合理的工作原理。实现同一功能要求，不同的工作原理和许多不同的运 动方案。则其中必有好坏优劣之分。因此，在设计机械时，要其工作原理和运动方案进行综合评价，从中选出最佳设计方案。Northwest A&F University车床 拉床 钻床 镗床 内螺纹孔加工内螺纹孔加工第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计洗衣机洗衣机揉搓原理揉搓原理 刷擦原理刷擦原理 捶打原理捶打原理 设计模仿人手的机设计模仿人手的机械手，难度大械手，难度大 很很难难把把衣衣物物各各处都刷洗到处都刷洗到 易损坏衣物易损坏衣物 洗衣机洗衣机Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(1)执行构件的数目执行构件的数目取决于机械分功能或分动作的数目的多少，但两者不一定相等，要针对机械的工艺过程及结构复杂性等进行具体分析。(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式取决于要实现的分功能的运动要求。常见的运动形式有回转运动、直线运动、曲线运动及复合运动等四种。前两种运动形式是最基本的。1.1.执行构件的运动设计执行构件的运动设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数间歇旋转运动间歇旋转运动往复摆动往复摆动 旋转运动旋转运动连续旋转运动连续旋转运动缝纫机轴缝纫机轴 自动机床工作台的转位自动机床工作台的转位 步进滚轮的步进运动步进滚轮的步进运动 铣床主轴铣床主轴车床主轴车床主轴 电风扇的摆头电风扇的摆头 腭式碎石机的动腭板的打击运动腭式碎石机的动腭板的打击运动 Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计执行构件上某点执行构件上某点特定的曲线轨迹特定的曲线轨迹运动运动 间歇往复移动间歇往复移动 单向间歇直线移动单向间歇直线移动 直线运动直线运动往复移动往复移动 冲床冲头的冲压运动冲床冲头的冲压运动 压缩机活塞的往复运动压缩机活塞的往复运动 供料机构的间歇供料运动供料机构的间歇供料运动 自动机床刀架的进退刀运动自动机床刀架的进退刀运动 缝纫机的送布牙运动缝纫机的送布牙运动 刨床工作台的进给运动刨床工作台的进给运动 曲线运动曲线运动(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数电影放映机抓片机构中的抓片爪运动电影放映机抓片机构中的抓片爪运动Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数啮合传动机构啮合传动机构 连杆机构连杆机构 实现连续旋实现连续旋转运动的机构转运动的机构摩擦传动机构摩擦传动机构 带传动带传动 齿轮传动齿轮传动 双曲柄机构双曲柄机构 摩擦轮传动摩擦轮传动 蜗杆传动蜗杆传动 链传动链传动 平行四边形机构平行四边形机构 Northwest A&F University棘轮机构棘轮机构 齿轮齿轮-连杆机构连杆机构 实现间歇旋实现间歇旋转运动的机构转运动的机构槽轮机构槽轮机构 不完全齿轮机构不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构 适用于转角固定的转位运动适用于转角固定的转位运动 每次转角小，或转角大小可调的低每次转角小，或转角大小可调的低速场合速场合大转角而速度不高的场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，但运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合制造困难、高精度定位、高速场合特殊要求的输送机构特殊要求的输送机构第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数凸轮机构凸轮机构 组合机构组合机构 实现往复移实现往复移动往复摆动运动往复摆动运动的机构动的机构连杆机构连杆机构 螺旋机构螺旋机构 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 液压缸、气缸液压缸、气缸 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构 六连杆机构六连杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2)(2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数图图14-4 联动凸轮机构联动凸轮机构 图图14-3 齿轮齿轮-连杆组合机构连杆组合机构图图14-1 搅拌机构搅拌机构ABCDE图图14-2 凸轮凸轮-连杆组合机构连杆组合机构Northwest A&F University 曲线运动又可分为如下两种：即沿固定不变的曲线运动，沿可变的曲线运动。复合运动是由上述几种单一运动组合而成的，复合运动的参数根据各单一运动形式及它们的协调配合关系而定。1.1.执行构件的运动设计执行构件的运动设计第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University原动机的运动形式主要是回转运动、往复摆动和往复直线运动等。当采用电动机、液压马达、气动马达和内燃机等原动机时，原动件作连续回转运动；液压马达和气动马达也可作往复摆动；当采用油缸、气缸或直线电动机等原动机时，原动件作往复直线运动。有时也用重锤、发条、电磁铁等作原动机。2.2.原动机的类型及其运动参数的选择原动机的类型及其运动参数的选择第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University往复摆动往复摆动电电 动动 机机活塞式气缸活塞式气缸原原动动件件运运动动形形式式连续运动连续运动往复移动往复移动原动件的类型及其运动参数：原动件的类型及其运动参数：液压马达液压马达气动马达气动马达内内 燃燃 机机液压马达液压马达气动马达气动马达直线电机直线电机液压缸液压缸柴油机柴油机燃气轮机燃气轮机汽油机汽油机步进电机步进电机使用最广泛的是交流异步电动机，其运动参数使用最广泛的是交流异步电动机，其运动参数同步转速：同步转速：3000、1500、1000、750、600 r/mim间歇运动间歇运动直流电动机直流电动机交流变频变速电动机交流变频变速电动机伺服电机伺服电机力矩电机力矩电机交流异步电动机交流异步电动机第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(1).(1).动力电动机动力电动机 主要优点为：驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启主要优点为：驱动效率高、有良好的调速性能、可远距离控制，启动、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为动、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为一般传动，电动机的功率范围很广。一般传动，电动机的功率范围很广。主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。根据使用电源的不同，又分为根据使用电源的不同，又分为交流电动机交流电动机和和直流电动机直流电动机两大类。两大类。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(2).(2).控制电动机（伺服电动机）控制电动机（伺服电动机）伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度的一类电动机。特点：特点：它它体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调节特性均为直线。其理想的机械特性和调节特性均为直线。应用应用:伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系统中。机床、工业机器人、火炮随动系统中。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计（3 3）.内燃机内燃机按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机按工作循环中的冲程数分按工作循环中的冲程数分:四冲程和二冲四冲程和二冲程内燃机程内燃机按汽缸数目分按汽缸数目分:单缸和多缸内燃机单缸和多缸内燃机按主要机构的运动形式分按主要机构的运动形式分:往复活塞式和往复活塞式和旋转活塞式旋转活塞式特点及应用特点及应用优点：优点：功率范围宽、操作简便、启动迅速；适用于工作环境无电源的场合功率范围宽、操作简便、启动迅速；适用于工作环境无电源的场合，多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。缺点：对燃油的要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。缺点：对燃油的要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能的动力装置。液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能的动力装置。其主要优点是其主要优点是可获得很大的动力或转矩，可通过改变油量来调节执行机可获得很大的动力或转矩，可通过改变油量来调节执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工艺过程的动作要求艺过程的动作要求。缺点是要求有高压油的供给系统，液压系统的制造。缺点是要求有高压油的供给系统，液压系统的制造装配要求高，否则易影响效率和运动精度。装配要求高，否则易影响效率和运动精度。（4 4）.液压马达液压马达Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 气动马达是以压缩空气为动力，将气压能转变为机械能的动力装置。气动马达是以压缩空气为动力，将气压能转变为机械能的动力装置。常用的有叶片式和活塞式。其主要优点为：常用的有叶片式和活塞式。其主要优点为：工作介质为空气，故容易获取工作介质为空气，故容易获取且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作迅速、反应快迅速、反应快。缺点为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适用。缺点为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适用于小型轻载的工作机械。于小型轻载的工作机械。(5).(5).气动马达气动马达Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计(1).(1).选择原则选择原则原动机的选择原动机的选择 考虑工作机械的负载特性、工作制度、启动和制动的频繁程度。考虑工作机械的负载特性、工作制度、启动和制动的频繁程度。考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特性考虑原动机本身的机械特性能否与工作机械的负载特性(包括功率、包括功率、转矩、转速等转矩、转速等)相匹配，能否与工作机械的调速范围、工作的平稳性等相相匹配，能否与工作机械的调速范围、工作的平稳性等相适应。适应。考虑机械系统整体结构布置的需要。考虑机械系统整体结构布置的需要。考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。考虑经济性，包括原动机的原始购置费用、运行费用和维修费用等。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计原动机类型的选择原动机类型的选择 若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度，应选用电若工作机械要求有较高的驱动效率和较高的运动精度，应选用电动机。电动机的类型和型号较多，并具有各种特性，可满足不同类动机。电动机的类型和型号较多，并具有各种特性，可满足不同类型工作机械的要求。型工作机械的要求。在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选用液在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选用液压马达。压马达。要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采用液压马达或气动马达。要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采用液压马达或气动马达。要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采用气动要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采用气动马达。马达。要求对工作环境不造成污染，宜选用电动机或气动马达。要求对工作环境不造成污染，宜选用电动机或气动马达。要求启动迅速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选用内燃机。要求启动迅速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选用内燃机。要求负载转矩大，转速低的工作机械或要求简化传动系统的减速装置，要求负载转矩大，转速低的工作机械或要求简化传动系统的减速装置，需要原动机与执行机构直接联接时，宜选用低速液压马达。需要原动机与执行机构直接联接时，宜选用低速液压马达。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计（3 3）.原动机转速的选择原动机转速的选择原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的。但需考虑：原动机的额定转速一般是直接根据工作机械的要求而选择的。但需考虑：原动机本身的综合因素。例如，对于电动机来说，在额定功率相同原动机本身的综合因素。例如，对于电动机来说，在额定功率相同的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速的情况下，额定转速越高的电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。电动机反而经济。传动系统的结构。若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动系统的结构。若原动机的转速选得过高，势必增加传动系统的传动比，从而导致传动系统的结构复杂。传动比，从而导致传动系统的结构复杂。（4 4）.原动机容量的选择原动机容量的选择 原动机的容量主要指功率。它是由负载所需的原动机的容量主要指功率。它是由负载所需的功率功率、转矩转矩及及工作工作制制来决定的。负载的工作情况大致可分为连续恒负载；连续周期性变来决定的。负载的工作情况大致可分为连续恒负载；连续周期性变化负载；短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负化负载；短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负载情况下所需的原动机容量的计算方法，可查阅有关手册。载情况下所需的原动机容量的计算方法，可查阅有关手册。Northwest A&F University冷霜自动灌装机完整的执行系统冷霜自动灌装机完整的执行系统 第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图Northwest A&F University定量泵活塞的往复运动定量泵活塞的往复运动顶杆的往复运动顶杆的往复运动轮盘的间歇转动轮盘的间歇转动输送带的连续运动输送带的连续运动第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机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，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，这就需要进行成机械预定的功能和生产过程，这就需要进行执行系统的协执行系统的协调设计调设计。1)各执行构件运动的协调配合关系：各执行构件运动的协调配合关系：对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此独立的机械，可分别为每一种运动设计一个独立的运动链，独立的机械，可分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独的原动机驱动。但是对于只有依靠各执行构件的协并有单独的原动机驱动。但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协调关调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协调关系。系。3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图 满足各执行机构动作先后的顺序性要求；满足各执行机构动作先后的顺序性要求；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；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要有利于提高劳动生产率；各执行机构的动作安排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。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。协调设计的原则：协调设计的原则：Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图协调设计协调设计的步骤：的步骤：确定机械的工作循环周期；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。确定各执行构件动作间的协调配合关系。例：冷霜自动灌装机。例：冷霜自动灌装机。根据设计任务书中给定的理论生产率根据设计任务书中给定的理论生产率Q=30 盒盒/min，计算出该机械运，计算出该机械运动的循环周期动的循环周期T=60/30=2s确定机械的工作循环周期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Northwest A&F University基本动作基本动作各行程区段所需时间的计算详见机械运动循环图。各行程区段所需时间的计算详见机械运动循环图。第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图Northwest A&F University确定各执行构件动作间的协调配合关系确定各执行构件动作间的协调配合关系第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计3.3.各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2)2)机械的工作循环图机械的工作循环图描述各执行构件运动间相互协调配合的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，故运动循环图常以动循环图常以主轴主轴或或分配轴的转角分配轴的转角为坐标来编制。为坐标来编制。机械运动循环图的功能：机械运动循环图的功能：保证各执行构件的动作相互协调、紧密配合，使机械顺利实现预期的工艺保证各执行构件的动作相互协调、紧密配合，使机械顺利实现预期的工艺动作。动作。为进一步设计执行机构的运动尺寸提供了重要的依据。为进一步设计执行机构的运动尺寸提供了重要的依据。为机械系统的安装调试提供了依据。为机械系统的安装调试提供了依据。(2).(2).机械运动循环图的种类及绘制方法：机械运动循环图的种类及绘制方法：(1).(1).机械运动循环图的定义：机械运动循环图的定义：直线式直线式圆周式圆周式直角坐标式直角坐标式Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计形式形式绘制方法制方法特点特点直直线式式将机械在一个运将机械在一个运动循循环中各中各个个执行构件各行程区段的起行构件各行程区段的起止止时间和先后和先后顺序，按比例序，按比例绘制在直制在直线坐坐标上。上。绘制方法制方法简单，能清楚表示一个，能清楚表示一个运运动循循环中各中各执行构件运行构件运动的的顺序和序和时间关系；直关系；直观性差，不能性差，不能显示各示各执行构件的运行构件的运动规律。律。2)2)机械的工作循环图机械的工作循环图Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2)2)机械的工作循环图机械的工作循环图形式形式绘制方法制方法特点特点圆周式周式以极坐以极坐标系原点系原点为圆心作若干心作若干个同心个同心圆，每个，每个圆环代表一个代表一个执行构件，由各相行构件，由各相应圆环引径引径向直向直线表示各表示各执行构件不同运行构件不同运动状状态的起始和的起始和终止位置。止位置。能比能比较直直观地看出各地看出各执行机构主行机构主动件在主件在主轴或分配或分配轴上的相位；上的相位；当当执行机构多行机构多时，同心，同心圆环太多太多不能一目了然，无法不能一目了然，无法显示各构件示各构件的运的运动规律。律。Northwest A&F University形式形式绘制方法制方法特点特点直角坐直角坐标式式用横坐用横坐标表示机械主表示机械主轴或者分或者分配配轴转角，角，纵坐坐标表示各表示各执行行构件的角位移或者构件的角位移或者线位移，各位移，各区段之区段之间用直用直线相相连。不不仅能清楚地表示各能清楚地表示各执行构行构件件动作的先后作的先后顺序，而且能序，而且能表示各表示各执行构件在各区段的行构件在各区段的运运动规律。律。2)2)机械的工作循环图机械的工作循环图Northwest A&F University运运动循循环图形形式式形式形式绘制方法制方法特点特点直直线式式将机械在一个运将机械在一个运动循循环中各中各个个执行构件各行程区段的起行构件各行程区段的起止止时间和先后和先后顺序，按比例序，按比例绘制在直制在直线坐坐标上上绘制方法制方法简单，能清楚表示一个运，能清楚表示一个运动循循环中各中各执行构件运行构件运动的的顺序和序和时间关系；直关系；直观性差，不能性差，不能显示各示各执行构件的运行构件的运动规律律圆周式周式以极坐以极坐标系原点系原点为圆心作若心作若干个同心干个同心圆，每个，每个圆环代表代表一个一个执行构件，由各相行构件，由各相应圆环引径向直引径向直线表示各表示各执行构行构件不同运件不同运动状状态的起始和的起始和终止位置止位置能比能比较直直观地看出各地看出各执行机构主行机构主动件在主件在主轴或分配或分配轴上的相位；当上的相位；当执行机构多行机构多时，同心，同心圆环太多不能一太多不能一目了然，无法目了然，无法显示各构件的运示各构件的运动规律律直角坐直角坐标式式用横坐用横坐标表示机械主表示机械主轴或者或者分配分配轴转角，角，纵坐坐标表示各表示各执行构件的角位移或者行构件的角位移或者线位位移，各区段之移，各区段之间用直用直线相相连不不仅能清楚地表示各能清楚地表示各执行构件行构件动作作的先后的先后顺序，而且能表示各序，而且能表示各执行构行构件在各区段的运件在各区段的运动规律律2)2)机械的工作循环图机械的工作循环图第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计第四节第四节 机构的选型和变异机构的选型和变异 1.1.机构的选型机构的选型 首先根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动首先根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在功能要求，先在基本机构基本机构中进行类比选择，当基本机构不能满中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方足运动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机构，或选用组合机构。有时很难找到满足工作要法形成新的机构，或选用组合机构。有时很难找到满足工作要求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作，或求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作，或创造新型机构。创造新型机构。选型分为选出与选定。选型分为选出与选定。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计1.1.机构的选型机构的选型机构选型时应注意原则机构选型时应注意原则 1 1）按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或）按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或接近运动形式要求；接近运动形式要求；2 2）机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置）机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑；上占的空间小，达到布局紧凑；3 3）机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证）机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证较高的配合精度的机构；较高的配合精度的机构；4 4）机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性；）机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性；5 5）机构选型时应考虑机械效率等问题；）机构选型时应考虑机械效率等问题；6 6）机构选型时还要考虑动力源的形式。）机构选型时还要考虑动力源的形式。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计各种运动与实现对应运动要求的机构类型各种运动与实现对应运动要求的机构类型 运运 动 形形 态机机 构构 类 型型1.转动转换为连续转动齿轮机构；机构；带传动机构；机构；链传动机构；平行四机构；平行四边形机构；形机构；转动导杆机构；双杆机构；双转块机构等机构等2.转动转换为往复往复摆动曲柄曲柄摇杆机构；杆机构；摆动导杆机构；杆机构；摆动凸凸轮机构等机构等3.转动转换为间歇歇转动棘棘轮机构；槽机构；槽轮机构；不完全机构；不完全齿轮机构；分度凸机构；分度凸轮机构等机构等4.转动转换为往复移往复移动齿轮齿条机构；曲柄滑条机构；曲柄滑块机构；正弦机构；凸机构；正弦机构；凸轮机构；螺旋机构；螺旋传动机构等机构等5.转动转换为平面运平面运动平面平面连杆机构；行星杆机构；行星轮系机构系机构6.移移动转换为连续转动齿轮齿条机构（条机构（齿条主条主动）；曲柄滑）；曲柄滑块机构机构(滑滑块主主动)；反凸；反凸轮机构机构7.移移动转换为往复往复摆动反凸反凸轮机构；滑机构；滑块机构（滑机构（滑块主主动）8.移移动转换为移移动反凸反凸轮机构；双滑机构；双滑块机构机构Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计各种功能要求与对应该要求的机构类型各种功能要求与对应该要求的机构类型功能要求功能要求机机 构构 类 型型1.1.轨迹要求迹要求平面平面连杆机构；行星杆机构；行星轮系机构系机构2.2.自自锁要求要求蜗杆杆蜗轮机构；螺旋机构机构；螺旋机构3.3.微位移要求微位移要求差差动螺旋机构螺旋机构4.4.运运动放大要求放大要求平面平面连杆机构杆机构5.5.力的放大要求力的放大要求平面平面连杆机构杆机构6.6.运运动合成或分解合成或分解差差动轮系与而自由度的其他机构系与而自由度的其他机构Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计1.1.机构的选型机构的选型摩擦传动机构的优缺点：摩擦传动机构的优缺点：优点：结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。优点：结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。缺点：传动比不准确、传递功率小、效率低。缺点：传动比不准确、传递功率小、效率低。连杆机构的特点：制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于连杆机构的特点：制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于 无严格运动规律的场合。无严格运动规律的场合。连杆机构可以获得较大行程，但不能太大，否则机构尺寸会过于庞大。连杆机构可以获得较大行程，但不能太大，否则机构尺寸会过于庞大。凸轮机构的特点：能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载凸轮机构的特点：能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载 能力不大。能力不大。凸轮机构的推杆行程一般较小，否则会使压力角过大或尺寸过大。凸轮机构的推杆行程一般较小，否则会使压力角过大或尺寸过大。齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求。齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求。一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其他机构都只一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其他机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。能近似实现预定的曲线轨迹。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、更换机架或原动件、增加辅助构件等方法以获得新的机构或特性，此称为机构的变异。2.2.机构的变异机构的变异 构件结构形状构件结构形状运动尺寸运动尺寸更换机架或原动件更换机架或原动件增加辅助构件增加辅助构件机构的变异机构的变异Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计1）改变构件结构形状）改变构件结构形状 若将摆动导杆机构中的直线导若将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽（如槽改为圆弧导槽（如图图14-5所示所示），运动到左侧时，可获得较长时间的运动到左侧时，可获得较长时间的停歇。停歇。图图14-5 单侧停歇导杆机构单侧停歇导杆机构2.2.机构的变异机构的变异 2）改变构件运动尺寸）改变构件运动尺寸 槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时,槽条机构，如槽条机构，如图图14-6所示所示。图图14-6 槽条机构槽条机构Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2.2.机构的变异机构的变异 3）选不同的构件作为机架）选不同的构件作为机架 机构的倒置机构的倒置，如如图图14-7所示。所示。摆动凸轮机构摆动凸轮机构123123 连杆连杆-凸轮机构凸轮机构A1BCO234 罐头封口机构罐头封口机构要求C点沿接合缝运动。图图14-7Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2.2.机构的变异机构的变异 4）选不同的构件作为原动件）选不同的构件作为原动件双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动，如风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动，如图图14-8所示所示。作者：潘存云教授ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆图图14-8 风扇风扇5）增加辅助构件作为原动件）增加辅助构件作为原动件图示手动插秧机分秧、插秧机构图示手动插秧机分秧、插秧机构中增加了一个辅助构件中增加了一个辅助构件活活舌舌3，从而使，从而使M点实现预定轨迹，如点实现预定轨迹，如图图14-9所示所示。123B654M3图图14-9 手动插秧机分秧、插秧机构手动插秧机分秧、插秧机构Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2.2.机构的变异机构的变异 6)6)利用最小阻力原理实现机构的变异利用最小阻力原理实现机构的变异 最小阻力定律最小阻力定律在自由状态下，刚体总是沿阻力最小的方向运动。在自由状态下，刚体总是沿阻力最小的方向运动。当原动件数目小于机构自由度数目时，机构遵循最小阻力定律，用此可当原动件数目小于机构自由度数目时，机构遵循最小阻力定律，用此可以简化机构。以简化机构。231453 aa送料机构送料机构工作原理：送料机构的自由度为工作原理：送料机构的自由度为2，推程时因转动摩擦力比滑动摩，推程时因转动摩擦力比滑动摩擦力小而构件擦力小而构件3先逆时针转动，碰先逆时针转动，碰到下挡销时止。这一过程使推爪到下挡销时止。这一过程使推爪向下运动，并插入工件的凹槽中。向下运动，并插入工件的凹槽中。此后推杆、工件、滑块三者为一此后推杆、工件、滑块三者为一体，向左推送工件。回程时，推体，向左推送工件。回程时，推杆先顺时针转动，推杆与工件脱杆先顺时针转动，推杆与工件脱离，碰到上挡销时，推杆与滑块离，碰到上挡销时，推杆与滑块一起返回。一起返回。理论上机构运动不确定理论上机构运动不确定自由度：自由度：F=2Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计第五节第五节 机构的组合机构的组合 为了实现执行机构的运动形式、运动参数以及运动协调关系，或者为了为了实现执行机构的运动形式、运动参数以及运动协调关系，或者为了改善机械的动力特性，需要将选定的各种机构组合在一起。改善机械的动力特性，需要将选定的各种机构组合在一起。在以下几个方面常在以下几个方面常常需机构组合：常需机构组合：3）由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才）由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作。能实现所要求的工艺动作。机构组合是指机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几机构组合是指机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统。个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统。1）机构的工艺动作较复杂）机构的工艺动作较复杂 若若采采用用简简单单的的、单单一一的的基基本本机机构构无无法法实实现现复复杂杂的的工工艺艺动动作作，这这种种情情况况下下减减小小机机构构组组合合常常采采用用并并联联式式、复复合合式式或或叠叠加加式式的的组组合合方方式式，组组合合时时应应注注意意各各个子工艺动作协调配合问题。个子工艺动作协调配合问题。2）所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选 这这种种情情况况下下常常用用串串联联组组合合方方式式来来改改善善机机构构的的性性能能，如如增增程程、增增力力，实实现现各种特殊运动要求等。各种特殊运动要求等。机构的组合方式可划分为以下四种：机构的组合方式可划分为以下四种：Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计第五节第五节 机构的组合机构的组合 1.机构的串联组合机构的串联组合 前后几种机构依次联接的组合方式称为机构的前后几种机构依次联接的组合方式称为机构的串联组合串联组合。一般串联组合：后一级机构的主动件固一般串联组合：后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架杆上。连在前一级机构的一个连架杆上。512341III1s3s4III 一般串联组合一般串联组合 123A54DCBFEM特殊串联组合特殊串联组合特殊串联组合特殊串联组合：后一级机构的主动件串：后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上。接在前一级机构的一个连杆上。Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计2.2.机构的并联组合机构的并联组合 一个机构产生若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合后于一一个机构产生若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合后于一个后续机构的组合方式。个后续机构的组合方式。一般并联组合：各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系。各分一般并联组合：各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系。各分支部分可独立设计。如支部分可独立设计。如图图14-11所示所示某航空发动机附件传动系统。某航空发动机附件传动系统。(b)表示框图表示框图(a)某航空发动机附件传动系统某航空发动机附件传动系统主动轴主动轴VI图图14-11Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计特殊并联组合：各分支机构间有严格的运动协调配合关系。特殊并联组合：各分支机构间有严格的运动协调配合关系。各分支部分常共用一台原动机（或集中数控），各部分严格按速比设计。各分支部分常共用一台原动机（或集中数控），各部分严格按速比设计。有轨迹配合要求：有轨迹配合要求：如如图图14-12所示所示联动凸轮联动凸轮机构中，两个分支凸轮共同驱机构中，两个分支凸轮共同驱动一个从动件，实现矩形轨迹动一个从动件，实现矩形轨迹完成送料。完成送料。图图14-12 圆珠笔芯自动送料机构圆珠笔芯自动送料机构15432611有速比要求：有速比要求：2.2.机构的并联组合机构的并联组合Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计有时序要求：有时序要求：各分支机构在动作的各分支机构在动作的先后次序上有严格的要求。先后次序上有严格的要求。如如图图14-13所示所示自动车自动车床上三个并联凸轮的工作床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。顺序有先后要求。凸轮凸轮I凸轮凸轮II凸轮凸轮III凸轮凸轮转角转角0 90 180 270 360 放松放松(送料送料)车外圆道角车外圆道角挡料挡料切断切断夹夹 紧紧工件（铆钉）工件（铆钉）外圆车刀外圆车刀棒料棒料切断刀切断刀倒角刀倒角刀凸轮轴凸轮轴挡挡板板IIIIII主轴主轴图图14-132.2.机构的并联组合机构的并联组合Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计有运动形式配合要求：有运动形式配合要求：如如图图14-14所示所示搅拌机除了搅拌机除了E点按曲线运动外，还要求搅拌釜作自旋点按曲线运动外，还要求搅拌釜作自旋运动，但两者无速比要求。运动，但两者无速比要求。砂轮砂轮工件工件砂轮架砂轮架 如如图图14-15所示所示磨床中的主轴回转、砂轮回转、工件进给也属于运动磨床中的主轴回转、砂轮回转、工件进给也属于运动形式上的配合。形式上的配合。图图14-15 磨床磨床图图14-14 搅拌机构搅拌机构ABCDE2.2.机构的并联组合机构的并联组合Northwest A&F University汇集式并联组合：若干分支机构汇集一道共同驱动一后续机构。常用于重型汇集式并联组合：若干分支机构汇集一道共同驱动一后续机构。常用于重型机械传动。机械传动。直线电机直线电机禁翼禁翼直线电机直线电机图图14-15 大型船舶主传动机构大型船舶主传动机构图图14-16 某型飞机的禁翼操纵机构某型飞机的禁翼操纵机构一个直线电机失灵后，另外一个仍能工作一个直线电机失灵后，另外一个仍能工作图图14-17 汇集式并联组合的符号框图汇集式并联组合的符号框图第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计将一个多自由度将一个多自由度(通常为二自由度通常为二自由度)的机构的机构(称为基础机构称为基础机构)中中的某两个构件的运动用另一机构的某两个构件的运动用另一机构(称为约束机构称为约束机构)将其联系起来，将其联系起来，使整个机构成为一个单自由度机构的组合方式称为使整个机构成为一个单自由度机构的组合方式称为封闭式组合封闭式组合。根据被封闭构件的不同，又可分为如下两种。根据被封闭构件的不同，又可分为如下两种。（1）一般封闭式组合）一般封闭式组合将基础机构的两个主动件或两个从动件用约束机构封闭起来将基础机构的两个主动件或两个从动件用约束机构封闭起来的组合方式称为机构的一般封闭式组合。的组合方式称为机构的一般封闭式组合。（2）反馈封闭式组合）反馈封闭式组合通过约束机构使从动件的运动反馈回基础机构的组合方式，通过约束机构使从动件的运动反馈回基础机构的组合方式，称为反馈封闭式组合。称为反馈封闭式组合。3.3.机构的封闭式组合机构的封闭式组合 Northwest A&F University第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计将一机构装载在另一机构的某一活动构件上的组合方式称为机构的装载式组合。它又可根据自由度的多少而分为如下两种：（1）单自由度的装载式组合（2）双自由度的装载式组合4.4.机构的装载式组合机构的装载式组合 Northwest A&F University第六节第六节 机械传动系统方案的拟定机械传动系统方案的拟定 第十四章第十四章 机械系统的方案设计机械系统的方案设计 在确定了机械的工作原理，并完成了执行机构构件和原动在确定了机械的工作原理，并完成了执行机构构件和原动机的运动设计之后，通过进行机构的选型、变异及组合，即可机的运动设计之后，通过进行机构的选型、变异及组合，即可形成机械传动系统方案。最后通过分析与评价，从众多的方案形成机械传动系统方案。最后通过分析与评价，从众多的方案中选出最佳方案。中选出最佳方案。一、拟定机械传动方案的一般原则一、拟定机械传动方案的一般原则1 1、采用尽可能短的运动链、采用尽可能短的运动链理由：降低重量和制造成本、提高效率、减少累计误差理由：降低重量和制造成本、提高效率、减少累计误差方法：在无严格速比要求时，各分支选用独立原动机。方法：在无严格速比要求时，各分支选用独立原动机。Northwest A&F University2 2、优先选用基本机构、优先选用基本机构 理由：基本机构结构简单、设计方便、技术成熟。在不满足理由：基本机构结构简单、设计方便、技术成熟。在不满足要求时，才考虑变异或组合。要求时，才考虑变异或组合。3 3、应使机械有较高的机械效率、应使机械有较高的机械效率4 4、合理安排不同类型传动机构的顺序、合理安排不同类型传动机构的顺序 1)1)转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）转变运动形式的机构（如凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等）通常安排运动