机械设计学-课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械设计学,主讲：杨化动,华北电力大学机械工程学院,本课程的主要内容,功能原理设计,实用化设计,商品化设计,本课程的教学安排,讲课,: 36,学时,观看录像,: 2,学时,考试,: 2,学时,考核方式,平时成绩*,20%+,考试成绩*,80%,平时成绩,:,到课情况,+,大作业,第一章绪论,1-1,机械设计的地位与作用,1-2,机械设计的任务,1-3,机械设计中的功能原理设计、实用 化设计和商品化设计的特点,1-4,近代设计科学的重大发展,1-1,机械设计的地位与作用,一、机械设计的概念,二、,机械设计与其他学科和科技的关系,三、,作用,机械设计,根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方式等进行构思、分析和计算并将之转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。,努力目标,在各种限定的条件下设计出较好的机械优化设计。,机械设计学,将机械设计的共性技术与理性化的设计方法有机的结合在一起而形成的一门独立的、综合性的学科。研究机械设计的规律、过程、原理、方法、设计原则以及其他机械设计的共性技术。,一、机械设计的概念,二、,机械设计与其他学科和科技的关系,1. 新兴技术的应用，使产品的功能和结构产生很大的变化。正向着机械-电子-信息一体化的技术方向发展。,2. 科学技术的发展促使设计方法和技术的现代化。,CAD、CAM、CE（,并行工程）。,三、,作用,1,是联接需求到满足需求这一链条上的最基本的环节,2 机械产品的质量、性能和成本，在很大程度上是由设计阶段的工作决定的,3. 设计水平与工业发展水平是相互影响的。,返回,1-2机械设计的任务,一、机械设计的一般过程（模式）,二、设计阶段的具体任务,三、三种不同类型的设计任务,提出需求,调查研究掌握信息,提出明确详细设计要求,原理性方案构思评价和初选,选择模型确定参数,详细设计,制造加工,样机测试设计鉴定,批量生产销售使用,一、机械设计过程,二、设计阶段的具体任务,可分为四个阶段：可行性研究、初步设计、详细设计和改进设计,1可行性研究：从分析需求出发，经过信息交流、寻找问题的解法、进行原理性方案构思，最终得到一组可行的原理性方案；,2初步设计：选出最优的方案，建立相应的数学模型并进行设计参数的分析，将设计参数定量并加以优化；,3详细设计：总体设计（零部件的形状、数量和相互配置关系，绘制总装图以及技术文件）；,4.改进设计：对反馈环节所反映的问题进行技术处理,。,三种不同类型的设计任务,1,开发性设计：零-原型的创新开发,2,适应性设计：产品局部的变更或设计,3. 变型设计：变更产品的结构配置和尺寸,1-3,机械设计中的功能原理设计、实用化设 计和商品化设计的特点,一、,功能原理设计,1产品开发的三阶段：功能原理设计、实用化设计和商品化设计,2,实质：原理方案的构思和拟定的过程,3. 设计方法：以简图或示意图来进行方案构思（例：船用抽水机,）,二、,实用化设计,1工作：设计结构、选择材料、确定尺寸,2特点：从初步设计到详细设计再到设计完善的由粗到细的过程,3. 要求：明确、简单、安全可靠、掌握和遵循其内在规律和一般原理。,三、,商品化设计（技术、经济、社会）,1,技术方面的评价：软件质量（设计原理、技术参数的选取、实现功能目标的技术先进性等）；硬件质量（材质、工艺精度、性能、寿命、可靠性）,2 经济方面的评价：成本与效益的比较,3 社会方面的评价：产品可能产生的社会效益,4 V=F/C C=,生产成本+使用成本,1-4,近代设计科学的重大发展,一、“设计学”从古代到现代的三个发展阶段,1,从古代人类发明工具开始算起：有了原始的功能思想（力学尚未成熟）,2 1854年德国劳莱克斯作为起点：建立了机械设计的基本体系，把设计学分为“机构学”和“机械零件”两门课程。这一阶段的“设计学”其实只是“机械学”，忽略了设计学的核心功能，而一心一意去研究运动学、动力学和强度、断裂、摩擦等问题。,3 1947年麦尔斯提出的功能的概念算起：三个方面：“功能”思想的提出和被接受、“人机工程”学科的兴起以及“工业设计”学科的成熟,二、近代“设计学”的重大发展：,二战以后，机构设计取得进一步的发展，,CAD、CAM、CE,1“,功能”思想的提出和发展,名言：顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能,功能思想的提出，人们开始打破传统习惯，寻找不同的原理、结构和外形来实现同一种功能。,2“人机学”(,ergonomics),思想的形成和发展：“宜人”的宗旨已经成为现代机械设计不能疏忽的观念。,3“工业设计”(,industrial design),学科体系的发展和成熟,第二章 机器的组成及典型机器分析,2-1,机器的定义,2-2,机器的组成,2-3,机器的分类,2-4,典型机器功能分析家用缝纫机,一、,机器（现代机器）,：,机器是由两个或两个以上的相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作和控制下，实现为之设计的某种或某几种功能。,注意：1）两个或两个以上的构件,2）联系：联接方式,3）功能和控制,二、,包含了两个新的概念：,功能（设计学的核心）和控制（可以由某种智能体来实现）,三、,构件（广义）,：,构件之间的联系（机械联接，电、磁、气、液等各种联系方式）,构件：机器中每一个独立的单元体,2-2机器的组成,一、传统,机器,原动机,传动机,工作机,科技发展,机器,原动机,传动机,工作机,控制器,机械装置,电子装置,二、不同角度下的组成,1机构学：由各种基本机构组合而成，能动度应等于原动机数,2结构学：由各种基本构件组装而成,3专业的角度：常以主要部件来看机器的组成,4. 对于机械设计来说，更强调从功能的观点来看机器的组成,三、从功能的观点看机器的组成,1.功能：设计学的基本概念。通过观察和认识机器，人们的思维才能从旧的结构和形式中解放出来。,2.机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成；他们的协调工作实现了机器的总功能；每个主要分功能系统可由原动机、传动机、工作机和控制器组成；其中的工作机则多由执行机构和工作头构成。,如图所示,（例：车床的总功能：利用移动刀具对旋转工件进行切削。两个分功能：工件旋转、刀具进给）,3.机器的功能（主要功能和辅助功能）,机器（总功能）,分功能系统1,分功能系统,i,分功能系统,n,工作机,传动机,原动机,控制机,工作头,执行机构,.,.,机器的组成（功能角度）图解,2-3机器的分类,机器,工艺类机器,非工艺类机器,加工机床,食品机械,纺织机械,印刷机械,动力机械,其中运输机械,精密机械,医疗机械,通用机械,2-4典型机器的功能分析(家用缝纫机,),企图模仿人工缝纫的方式-针尾引线,1.采用了针尖引线代替针尾引线,2.采用了双线互锁交织以代替线的反复穿刺,一、家用缝纫机的总功能,1.将线按一定规律缝于缝料上,2.特点：,1）机缝线迹整齐美观，缝合牢固，缝纫迅速。,2）由于缝纫质量的要求，实现总功能的各机构间的运动配合要求精度很高，因此，家用缝纫机属于精密的工艺类机器,。,二、家用缝纫机的功能分析,1.主要功能,1）引面线造环功能,2）钩面线扩环，使底面线交织的功能,3）供给和收回面线的功能,4）输送缝料的功能,2.辅助功能,（1）调节面线和底线的阻尼功能,（2）调节压脚压紧力的功能,（3）调节送布针距的功能,（4）绕底线功能,3.控制功能,（1）,机械控制功能：每一功能动作必须按规定的时间和速度进行，由传动机构的巧妙配合进行控制的。凸轮和连杆机构。,（2）人机控制功能,人机接口共4个：缝针工作区、手轮、机针前方布面、脚踏板,（3）电子控制功能：实现绣花和锁扣眼,第三章机械产品的功能原理设计,3-1,功能原理设计的工作特点和工作内容,3-2,功能、功能单元和功能结构,3-3,功能原理的发展历史及其基本类型,3-4,两种动作功能及其对应的求解思路,3-5,工艺功能及其对应的求解思路,3-6,关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路,第三章绪论,1.功能原理设计：针对主要,功能的原理性设计,2.例：点钞机,3.重点：提出创新构思,3-1,功能原理设计的工作特点和工作内容,一、工作特点,1功能原理设计往往使用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。,2功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、工艺），首先要求设计人员有一种新的想法和构思。,3功能原理设计使机器品质发生质的变化。,满足以上三点的功能原理设计是一个高品位的功能原理设计,二、任务和主要内容,1任务：针对某一确定的功能目标，寻求一些物理效应，并借助某些作用原理，来求得一些实现该功能目标的解法原理。,解释：1）功能目标：最后要达到的功能,2）物理效应：摩擦、离心力、气吹、液化、压 电变形等,3）作用原理：摩擦轮、气嘴、压电晶体等,4） 解法原理：物理效应+作用原理,2主要工作内容：构思能实现功能目标的新的解法原理,3功能原理方案设计步骤：,设计任务,求总功能,总功能分解,寻求子功能解,原理解组合,评价与决策,最佳原理方案,黑箱法,功能逐级分解,创造性方法、目录法、调查分析法,形态学矩阵法,各种评价方法,分析,综合,评价与决策,3-2功能、功能单元和功能结构,一、功能的含义,1传统的定义,功能：是对于某一产品的特定的工作能力的抽象化的描述，是指某一机器（或装置）所具有的转化能量、运动或其他物理量的特性。,注意：区分这样的几个概念（功用、用途、性能、能力）,例： 功用作原动机,电动机 用途驱动电扇、机床,性能效率、耐用性、振动,能力功率、转速,功能将电能转变为旋转运动的动能,2从系统工程学的角度来看功能的含义,在系统工程学上，我们用“黑箱”来描述功能,黑箱：知识描述了系统的功能目标，而内部结构是未知的,白箱：内部结构完全已知,灰箱：内部结构部分已知,用黑箱来描述功能：任何一个技术系统都有输入和输出，把技术系统看成一个黑箱，起输入用物料流,M、,信息流,S,和能量流,E,来描述；其输出用相应的,M,、S 、E ,来描述。,我们根据所学过的传递函数的定义，可以得出功能的含义：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间相互转换的关系,注意：1）功能抽象的描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系,2）黑箱只是描述了从系统外部观察到的功能特点，而内部结构是需要设计师去进行具体构思和设计的。,技 术 系 统,信息流,S,（,进行能量流,E,的转换）,物料流,M,信息,S,能量,E,物料,M,S,E,M,金属切削机床,毛坯,冷却剂,润滑剂,驱动能,信号能,启动信号,零件,耗损的冷却剂,耗损的润滑剂,切削,切削功率,自动开动,热量,振动,噪声,灰尘,环境的温度、湿度,地基的振动,机床黑箱示意图,二、功能元素和功能单元,1、,功能元素,从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，相应的总功能也可以分为一些分功能。因此，有些学者提出，将这些复杂动作分解为一些基本动作，把这些基本的动作称为“功能元素”，也称功能元,转变复原、放大缩小、连 接分离,物理功能元,总功能分功能功能元,传导-绝缘、存贮-提取,数学功能元：加和减等,逻辑功能元：与、或、非,2.功能单元,功能元划分过细，在机械实践中并不很有效，尚有待进一步的研究。 另外一种分解方式：只是分解到功能单元的水平上，这样的功能单元是既有一定的独立性，又有一定复杂程度的技术单元。,例：硬币计数包卷机的功能单元：1）硬币堆放、输送2）硬币排列、分选、挑残3）硬币分选计数4）硬币堆码、整理5）送纸、撕纸6）硬币包卷7）卷边,三、功能分析法,（一）、确定总功能,1.设计问题抽象化:从抽象到具体，从定性到定量是产品设计的战略思想方法,（1）台钳功能表述对解法的影响,(2),砸开核桃壳取出果仁的功能描述,适,度,抽,象,化,功能表达,解法,螺旋加压,螺旋丝杠,机械加压,偏心机构,形成压力,气动、液压机构,功能分析,解法构思,砸壳,适,度,抽,象,化,分离壳与桃仁,砸：利用重力,夹：杠杆作用（核桃夹子）,压：螺旋压力机,冲击：水力冲压,射击：把核桃作为“枪弹”射向硬靶,使壳变脆：让壳变脆易碎,把壳溶解：溶解壳而不溶解桃仁,钻孔：向壳内充气撑破外壳,整体加压：外压骤减，内压撑破外壳（专利发明）,外部加压,逆向思维,侧向思维,2.黑箱法,（,二）、功能结构,1. 3种基本的结构形式,F1,F2,F3,串联,F1,F2,F3,并联,条件,F1,F2,并联,安全离合器的离与合取决于传递载荷的数值,F1,F2,F3,条件,F1,F2,环行,环行,串联结构又称为链式结构，它表示各分功能之间是按顺序（因果、时间或空间关系）依次进行的；并联结构（选择结构）的几个分功能处于并联关系，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能,举例：,并联（车床加工物料）,串联（虎钳的施力与夹紧）,2.建立功能结构图（表示分功能关系的图）的要求,（1）体现功能元或分功能之间的顺序关系,（2）各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据（物理作用原理）或经验支持（以确保分功能或功能元有明确解答）,（3）不能漏掉必要的分功能或功能元,（4）尽可能简单明了，但要便于实体解答方案的求取,在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主要流，初步建立功能结构图，然后，再解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构,夹紧工件,旋转工件,夹紧刀具,送进刀具,3.建立功能结构图的步骤,（1）通过技术过程分析，划定技术系统的边界，定出其总功能,（2）划分分功能及功能元（通常首先考虑所应完成的主要工作过程的动作和作用）,（3）建立功能结构图，根据其物理作用原理、经验或参照已有的类似系统，首先排定主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序，通常先提出一个粗略方案，然后检验并完善其相互关系，补充其它部分。,（4）评比，选出最佳的功能结构方案,例2：建立材料拉伸试验机的功能结构图,解,（1）用黑箱法求总功能。通过分析输入和输出关系，得到材料拉伸试验机的总功能：测量试件受力与变形。,（3）建立功能结构图,有了总功能图后，接着建立一级分功能结构图，最后建立二级分功能结构图。,(三)功能元（分功能）求解,1,直觉法,2 调查分析法,3 设计目录法,（四）原理方案综合形态学矩阵法,1.形态学矩阵,建立在形态学矩阵的基础上，通过系统的分解和组合寻找各种答案。形态学是用集合代数的表达方法描述系统形态和分类问题的学科。,形态学矩阵采用矩阵的形式，第一列,A,B,N,为分功能，对应每个分功能的横行为其解答，如,A1,A2,A3,由每个分功能解中挑选一个解，经过组合可以形成一个包括全部分功能的整体方案。从理论上说，可以组成整体方案的数量，为各行解法个数的连乘积。,分功能,可能的解法,1,2,3,I,J,K,A,A1,A2,A3,AI,AJ,AK,B,B1,B2,B3,BI,BJ,BK,C,C1,C2,C3,CI,CJ,CK,N,N1,N2,N3,NI,NJ,NK,设计参数,可能的解答,1,2,3,4,A,墨库,刚性管,可折叠的笔,纤维物质,-,B,装填机构,部分真空,毛细作用,可更换的储液器,把墨注入储液器,C,笔尖墨液输 出,裂缝笔尖毛细供液,圆珠-粘性墨,纤维物质的笔尖毛细供液,-,液墨书写器的形态学矩阵,这个矩阵中的分功能可以形成3*4*3=36个整体方案。形态学矩阵组成的方案数目过大，难以进行评选。一般通过以下要点组成少数几个整体方案供评价决策使用，以便确定1-2个进一步设计的方案。,（1）相容性。分功能之间必须相容，否则不能组合。,（2）优先选用主要分功能的较佳解，由该解法出发，选择与它相容的其他分功能解。,（3）提出对设计要求、约束条件不满足，或不令人满意的解答，如成本过高、效率低、污染严重、不安全、加工困难等。,例：试设计进行露天矿开采的挖掘机的原理方案,解：1.用黑箱法寻找总功能和转换关系,2.总功能分解,（1）总功能分解的依据,机器一般都由5部分组成：原动机、传动部分、工作机构、控制和支承。其技术过程通常是：原动机-传动-控制-工作机构，而这4部分都安装在支承部件上。工作机构就是每台机器的执行机构，为了表示这种技术过程和周围环境关系，用技术过程流程图来表示。,图中几点说明：,a.,环境系统：是根据设计要求明细中提出的，如爬坡、作业范围等等要求,b.”,人”是指操作人员对机器的要求，即考虑人机工程学设计,c.,相邻技术系统是指运输机的种类，设计要求中已提出为汽车，这实质是提出卸煤的高度要求；能源的种类为柴油机。,d.,虚线方框内表示机械内部结构，而机械与外界联系用实线大方框表示,通过上面的技术流程图粗线条地看清楚了机器的技术轮廓，其技术系统是很复杂的，能直接求得总功能的解，同时流程图还为总功能的分解提供了可靠的依据。,（）总功能分解,将总功能分解为一级、二级分功能,二级分功能还找不到解，还可以接着往下分解，直到可找到相应的原理解为止。,.建立功能结构图,第一步：首先建立总功能与一级分功能的功能结构图,（）做出总功能输入、输出转换关系图，然后再建立一级分功能的结构图,（）先画出最基本的功能即执行功能，然后画它的输入和输出,（）画出行走、辅助、控制、驱动功能，画每个功能的输入和输出,（）各个功能的输入、输出关系的连接,（）支承和联接功能与上述每个功能相关，故用多个箭头表示,第二步：建立二级功能结构图,接着往下，还可以逐步的建立更加详细的完善的功能结构图,.寻找原理解法和原理解组合,功能结构图建立后，就可寻找各功能的原理解，然后用形态学矩阵进行原理解组合，可得到设计方案的多种解。,组合方案数：,方案为履带式正铲机械挖掘机（,A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）,方案为轮胎式正铲液压挖掘机（,A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）,根据设计要求中功率的要求，在能量传递与分配中，采用链传动和皮带传动，显然不相容的，应去掉。故组合方案数=3*3*2*2*3*1*2*4*3*4=5184。在众多的方案中，进行定性筛选，然后进行详细评价，最后决策最佳方案。,大作业,1。汽车举升机原理方案设计：汽车举升机主要用于汽车的举升维修和保养，它可以根据不同的修理部位，将汽车举升到适宜的高度，以改变地沟工作地点窄小，潮湿阴暗、工作效率低等劳动环境。,2。瓶盖整列装置的原理方案设计,设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸如图。瓶盖质量为,M=10G，,整列速度100个/分钟。能量为220,V,交流和高压气（压力为0.6,MPA）,25mm,30mm,7,mm,3-3,功能原理的发展历史及其基本类型,一、,功能原理的特点,1,综合，不可能有任何定法可循的：对应于分析,2有多解的问题，而且很难得到绝对理想的解,二、,分类,1,工艺功能：以完成对对象物的加工为目的的功能（例：机床、绞肉机、犁）,2.动作功能：以实现动作为目的的功能,（简单动作功能：完成简单的一次性动作，例：拉链、圆珠笔；,复杂动作功能：实现连续的传动，例：六种基本机构的组合）,共性：用纯机械或主要靠机械完成的动作功能,3,综合技术功能：不再局限于用纯机械的方式，而是综合运用机、光、电、磁、热、化各种广义物理效应去实现动作功能和工艺功能,（例：高速平面电机式自动绘图机、精密定位工作台）,4.关键技术功能：作为某个企业或部门独有的技术，暂时还没被别人掌握（动作功能、工艺功能、综合技术功能）,（例：在数控机床发展的初期，滚珠丝杠和静压导轨成了关键技术）,简单动作功能 关键技术功能,动作类,复杂动作功能,功能类型,工艺类工艺功能 综合技术功能,3-4两种动作功能及其对应的求解思路,一、简单动作功能,1特点：由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作。,举例：带轴的轮子、拉链、魔方、鼠标、弹子锁,2求解思路：几何形体组合法,1）明确“功能目标”,2）针对功能目标，对几个构件上的几何形体进行构思。,二、复杂动作功能,1特点：这类功能以采用常用基本机构为主，其设计已有很成熟的理论和经验。尽管这类功能原理要实现相当复杂的功能目标，设计起来并非毫无困难，但是比起简单动作功能的设计来，还是要容易的多，因为它毕竟被人们研究的相当透彻了。,2.求解思路：基本机构组合法,齿轮、齿条、连杆、凸轮、螺旋,3-5,工艺功能及其对应的求解思路,一、工艺功能（由于作为,S1,的工作头和起媒介作用的,F,的变换是有很大自由度的，因此工艺功能是一种最具灵活性的功能）,1定义：1）工作头和工作对象互相配合所实现的功能,2）以完成对对象物的加工为目的的功能,2两个重要因素：,1）采用那种工艺方法,2）工作头采用什么形状和动作确定工作头的形状和动作,3特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个重要因素,分析：1）工艺方法不能完全模仿手工的工艺方法,2）工作头对物体的作用有可能不是纯机械的，而加入其他广义的作用,3）比动作功能更易改进和革新（工作头的变革可能性大）,二、求解思路物-场分析法（,S-FIELD）,1.最小技术系统：主体（,S1）、,客体（,S2）,和场（,F）,2.标准的,S-FIELD,模型,分析：,1）,S1,主体，是对客体发出作用的物体，也就是所说的工作头（或工具）,2）,S2,客体，是被加工的物体，也就是工艺动作的对象物体,3) F,场，不单指物理场，而是广义的指,S1,向,S2,作用时发出的力、运动、光一切作用场,3.求解的方法,1）,F、S1,搜索,例：构思剪草机的工作原理,(1),S2：,草 拉力：无法保证草地整齐,(2)选择合适的,F,割断力：镰刀、需要握住草的上部,剪断力：理发推子,(3)根据选用的力,F,为剪断力，那么,S1,肯定是剪刀了,2）完善,方法：针对原设计中出现的缺少,F,或,S1,的情况，补全,F,或,S1,例：制造平板玻璃,原设计（垂直引上法），用,S-FIELD,分析后发现，,S2,在凝固前大部分时间内缺少,F,和,S1。,改进后的设计（浮法）：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上。,S1：,低熔点合金的液面，,F：,表面张力,F,S1,S2,标准,S-FIELD,模式,3）增加：,S1、S2,和,F，,有时还应辅以,S1,和,F1，,才能实现更好的功能,例：金属切削过程：,S2：,钢工件，,S1：,刀具，,F：,切削力,加入,S1（,切削液）切削工艺过程更好，工件的表面粗糙度较低，切削速度提高。,F（,分子吸附膜）刀具和工件表面之间的摩擦得到改善，同时还起冷却作用。,F,S1 S2,F1 S1,S-F,模型的变型,4）变换：对已有功能解法中的,S1,和,F,进行分析后，常常发现他们并非是不可替换的。有时通过变换可能产生意想不到的效果。,例：,S1,尼龙线,F,高速抽打的抽击力,总结：由于作为,S1,的工作头和起媒介作用的,F,的变换是有很大自由度的，因此工艺功能是一种最具灵活性的功能,3-6,关键技术功能、综合技术功能及其对应的求解思路,一、关键技术功能,1关键技术的几个因素,1）材料：高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料、特殊的物理性能要求等,2）制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求,3）设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。,2. 功能特点：由于特殊的工作条件（约束）或特殊的使用要求，用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度，总的来说他的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。,3求解思路：技术矛盾分析法,技术矛盾：约束条件和期望达到的较高要求,由于空间的限制，只能用直径仅,20mm,左右的微型直流电动机（额定输出,n=5000r/min，M=0.3N.cm）。,经过减速比,i1=900,的降速后，驱动一套连杆机构，使手指得到约0.5,rad/s,的抓握运动速度。但是在这样的运动速度下，指端的捏紧力只有5,N,左右。若使捏紧力达到50,N，,一般的方法是降速比增大10倍，手指的运动速度降低10倍。存在运动与力的矛盾。,1)主要矛盾是电动机体积和输出力矩之间的矛盾。研制一种大力矩的微型电动机就是一种求解的途径。,2）,从动力学的角度来看，若有足够大的存储能量的飞轮，也可达到增大指端捏紧力的目的。,二、综合技术功能,1特点：在某些特定的条件下，采用广义物理效应，有可能实现比纯机械方法更好的动作或工艺功能。显然这里我们并不强调全部可以代替纯机械功能，因为有许多场合纯机械的动作和工艺功能还是特别简单可靠的，没有必要用更复杂的广义物理效应去代替。,2求解思路：物理效应引入法,第四章 机械功能原理的实现机械运动系统的方案设计,4-1机构能实现的动作功能,4-2传动机构和执行机构,4-3按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计,4-4 发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,4-5机械运动的协调设计和运动循环图,4-1机构能实现的动作功能,一、机构能实现那些动作功能,1利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能,输入：转动 输出,1）匀速运动（平动、转动）与非匀速运动（平动、转动或摆动）的变换,2）连续转动与间歇式的转动或摆动的变换,3）实现预期的运动轨迹运动,2利用机构实现开关、联锁或检测等的动作功能,检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序，以自动校正与规定标准间的差异。控制连锁机构的用途，则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作。例如：,1）用来实现运动离合或开停,2）用来换向、超越和反向止动,3）用来实现连锁、过载保护、安全制动,4）实现锁止、定位、夹压等,5）实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等,3利用机构实现程序控制或手动控制的功能,1）利用时间的序列进行控制（凸轮程序装置）,2)利用动作的序列进行控制（电磁阀控制液压缸）,3)利用运动的变化等进行控制,二、选择机构来实现功能原理的原则和范围（探讨在什么情况下选用机构来完成这些功能）,原则：工作可靠、运行安全、操作方便、制造和运行的经济性,1.实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能,交直流变速电动机各种转速要求运动特性不理想，会受到载荷的变化而变化或转换的效率较低使用运动特性号，交换效率高的鼠笼型异步电动机各种减速、变速机构,非功率性的微小摆动或移动，除了机构之外，还可以用电磁原理来获得；2002年高维技术公司推出了国内首台直线电动机驱动电火花成型机床,2.实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能,各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序上需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成，对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分也还必须使用机构,3.在特定条件下能优质的实现开关、联锁和检测等功能,这些功能一般用电或机械均能实现，但究竟用那一种好，需要设计者仔细分析研究,4.实现简单的固定程序或可变程序的控制功能,以上几种均适宜用机构实现，但究竟如何选择，要注意科技的发展动向,直线电动机-直线运动（超导的出现）,电视机的频道-机械式转变为遥控式的。,4-2传动机构和执行机构,一、传动机构,1作用：将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能,2常用的传动机构：齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。,3目的：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求,4运动速度或力的大小变换,由,p=fv,可以看出，在,p,一定的情况下，若想得到一个大的,f，,则可以降低,v，,若要,f,按一定规律变化，则可通过调整输出速度按某一种规律变化来得以实现。,常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：,1）通过啮合方式进行传动（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）其中，齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑、传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用,2）通过摩擦方式进行传动（例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等）这类机构结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。,3）利用楔块原理进行传动（例如：螺旋机构等）。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转距得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。,4）利用流体作用原理进行传动（例如：液压、气动传动等）。液体可以看作是一种不可压缩物体，因而液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确，但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢。例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度快。,5 运动形式或传力方式的变换：将原动机输出的匀速转动变换成工作机的需求的输出。,1）常见的运动形式：转动、平动、摆动。,2）常见的变换机构：凸轮、螺旋、连杆、齿轮、挠性体、摩擦轮、流体机构 。,二、执行机构,1 定义：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力距的机构。,2 作用：给工作头产生工作力同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。,1） 满足特定的运动规律,特定的运动规律是指那些输出中有速度变化要求，如有等速输出、瞬时或长时间停歇、有急回特性，周期性转位和步进分度动作等（例：牛头刨床）。,2）满足特定的运动轨迹 。,3）,满足某种特殊的信息传递 。,此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。,此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。,三.工作头,1 定义：工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作（例如：夹持、搬运、转位等），或是在其上完成一定的工艺动作（例如喷涂、洗涤、锻压等）,2 工作头的作用,1）夹持,2）搬运、输送及转换工位,3）施力,四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题,1 在满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构最简单，传动链最短,2使机构有有利的传力条件,3使机构有尽可能好的动力性能,4使机器操纵方便，调整容易、安全耐用,4-3按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计,一、功能原理解与机械运动系统的方案设计,功能结构图各个分功能以及它们之间的关系（分析分功能，那些可以适用机械功能完成；那些属于传动类型还是执行类型）选择实现分功能的最佳机构,需注意的问题：,1）分功能较复杂时，不可能用一个已知的机构来完成。这里就需要根据分功能的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作，这就是所谓的“机械运动系统的方案设计”或称为“机构的创新涉及” 。,2）当个机械分功能选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动系统的方案设计”，也称为“机械运动系统的协调设计” 。,二、功能原理的分解和机构的选择,当分功能比较复杂时，需要将这些分功能分解，其分解的原则：所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成（例：工厂备料车间用的锯床）,三、机械运动系统方案设计举例家用缝纫机的送布机构设计,4-4 发挥机构固有潜力的方法 机构的创新设计,一、改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一种新的功能,例：六杆增力机构,二、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性例：拉延压力机,三、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹例：送布机构,四、利用机构组成原理发现新的机构,五、引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到新的生命,8,4,机构的创新设计,机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计，它包括对原有机构的创新应用、新机构的构思和原动机的创新发展三个方面。,一、机构的创新应用,机构的创新应用是仍然使用常见的机构，经过巧妙的构思，赋予机构以新的应用。如无脚蹬自行车即是将自行车后轮安装成偏心轮，恰似曲柄的形式，使后轮转动,二、新机构的构思,1.,原有机构的发展,在对原有机构的应用中，由于其某些性能方面的不足，所以会出现一些新的机构。如齿轮传动的传动比较小，因而有蜗轮,-,蜗杆机构的出现，此后又有摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等。,2.,新机构的创造,如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于假手的研制中。,3.,组合机构,将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构。组合机构是机构创新设计的一个重要方面。,1),齿轮,-,连杆组合机构,图,8-24,是包装机械中常用的一种齿轮,-,连杆组合机构，它可以实现复杂的运动规律，使齿轮,5,单向变速转动，瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变速转动等。,图,8-27,为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮,-,连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动比及,M,点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。,图,8-27,为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮,-,连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动比及,M,点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。,2),凸轮,连杆组合机构,图,8-29,为一凸轮,-,连杆滑块组合机构，这实质上是一个可变曲柄长度的对心曲柄滑块机构。,3),其他形式机构的组合,引进了非刚性构件或气体、液体等中间介质，使机构更适于控制。,4-5机械运动的协调设计和运动循环图,一、机械运动协调设计,控制方法设计：怎样使各执行机构严格按规定的时间运动,1集中驱动、分散控制,在比较小型的机器上，一般均采用本方法，它由一个总驱动原（一般是电动机），经过变速后达到合适的工作转速，作为机器的总传动轴，即称为分配轴。执行机构均分散在其应完成分功能的位置上，其主动构件的运动经分配轴引入，因此各执行机构应何时动作，就由分配轴控制。,2集中控制、分散驱动,常用在比较大的机器中，用分配轴传送到各处不方便时采用。驱动原一般是电动机或液（气）压缸，在这种设计中，各分功能均由自己单独的驱动系统。但什么时间动作，是根据集中控制处发出的指令进行。集中控制的方法，简单的在控制台上由许多按钮或阀门。操作者可根据总功能的要求进行操作，较复杂的，则由控制集资动的操作。更复杂的则可由计算机根据编程进行控制。,二、运动循环图,1作用：,1）可清楚的了解各执行机构在完成总功能中的作用和次序,2）表明各种机构的配合关系,3）可得出某种机构设计的原始参数,2工作周期：在运动循环时间内，机器的各执行机构要完成一定的周期运动，执行机构周期性回到初始位置之间的时间间隔,3表示形式：极坐标式和直角坐标式,4绘制运动循环图需注意的几点：,1）以工艺过程开始点作为运动循环图的起始点，并定出最先开始工作的那个机构在循环图上的位置，其他机构则按工艺程序的先后一次列出。,2）不再分配轴上的凸轮，应将其动作所对中心角，换算成分配轴相应的转角 。,3）尽可能使各机构的动作重合，以便缩短运动周期，提高生产率,4)执行机构的动作作用在同一构件上时，当某个机构作用在该构件上动作结束到另一机构开始作用在该构件上之间，硬件各2-3，以补偿凸轮制造及装配误差，避免两机构在动作衔接处发生干涉。,5）在不影响工艺要求和生产率的情况下，应尽可能使动作所对应的中心角增大些，以便减小压力角。,第五章机械产品的实用化设计,5-1产品设计的核心和外围问题,5-2实用化设计的任务和主要内容,5-3总体设计的基本任务和内容,5-4确定工艺方案,5-5整机总体参数确定,5-6机器总体布置设计,5-7机械驱动系统设计,5-8机械的总体设计实例粒状巧克力糖包装机设计,5-1产品设计的核心和外围问题,一、产品设计的核心,1）产品设计活动主要经过的阶段：了解市场需求、拟定设计任务和技术要求、功能原理设计、实用化设计、商品化设计、制造和销售。,2）核心工作：内部空间为设计应遵循的主要阶段，其任务是使设计要求转化为“硬件”以满足需求，这也是设计的最终目的。,3）外围问题：外部空间所列举的问题为对设计的各种要求和应用的技术方法。,4）要区别的两个概念：,（1）核心技术：实现总功能和主要要求的技术（2）关键技术：实现某种功能过程中需要解决的技术难题。,二、设计的外围问题-各种设计要求,1主要设计要求,（1）功能要求：在满足主要功能情况下，还应满足用户附加功能要求，尽可能做到功能齐全、一机多用。,（2）适应性要求：应明确指出产品的适用范围。所谓适应性，是指工况发生变化时，产品的适应程度。,（3）性能要求：性能是产品的技术特征，包括动力、载荷、运动参数、可靠度等。,（4）生产能力要求：生产能力是产品的重要技术指标，应对理论生产能力做出规定。,（5）可靠性要求：是一项重要的技术质量指标，关系到设备系统或产品能否持续正常工作、故障率的多少，甚至关系到设备和人身安全问题。,（6）使用寿命要求：指产品的耐用性。要找出提高整体寿命的综合方法。,（7）效率要求：指一个系统输入两转换为输出量的有效利用程度,。,（8)成本要求：产品质量提高，成本下降才有竞争能力。,(9)人机工程要求：要根据人-机-环境系统要求进行产品设计。,(10)安全性要求：必须认真考虑工作安全性。,(11)包装、运输要求：考虑产品的运输方法、交通工具等。,2其它设计要求,(1) 强度刚度要求：强度是保证产品安全可靠，具有良好的使用寿命必须得到满足的；刚度是保证系统各种精度及使用寿命所必需的。,（2）制造工艺要求：产品结构要符合工艺原则，有好的工艺性，尽量减少专用件，增加标准件。批量生产的产品，要求有较高的互换性。,（3)零件加工技术要求：为保证系统良好的技术性能和技术经济指标而对零件加工提出的技术要求 。,(4),工作循环图要求：自动线、自动机设计中所特有的要求，以确保各作业动作间协调配合。,5-2实用化设计的任务和主要内容,任务：完成产品的总体设计、部件、零件设计、完成交付制造的和施工的图样资料，同时编制全套技术文件。,主要内容：要处理大量的机构设计等方面的问题（零件的形状、装配关系、材料选择、尺寸大小、加工要求、表面处理、总体布置、安装等） 。,步骤：绘制总体布置和总装草图，由总装草图画出部件、零件草图。经审核再由零件工作图、部件装配图画出总装图和总图。最后编制技术文件如设计说明书、使用说明书、标准件、外购件明细表等等。,5-3总体设计的基本任务和内容,一、总体设计的基本任务,1设计任务的基本类型,1）开发新产品以满足一种明确或已形成的需要,2）改善产品质量和可靠性以扩大销售市,3）开发较廉价产品已增加竞争能力：总体设计（功能设计和结构设计） .,2总体设计的任务：,1）完善和扩大方案设计和结构设计内容。,2）使各部件、零件得到合理的组合 。,3）综合人-机器-环境三者关系，使之协调和适应，以保证全面满足机械产品的技术性能、经济性能和美学性能的要求。,二、总体设计的内容,工艺方案的确定：分析不同类型的工艺方案，选择符合实际情况的具有先进性的工艺方案。,确定机器的总体参数（功能参数：指生产率、载荷（力、力矩）、速度、功率和重量等；结构参数：主要结构尺寸） 。,机械运动系统方案设计和确定机械运动简图：机械运动方案就是机械系统的总和。将机械运动方案中各个机构运动尺寸计算确定之后就得到机械运动见图。,4. 机械总体布置：机械设备和辅助设备的相互位置和连接方式。,5. 机械驱动系统设计：根据所需的载荷，从直接承载零件开始，设计机器的工作构件，然后按驱动链的顺序向上，对机构和零件逐个进行设计，直到选择原动机。,6. 计算整机的平衡和稳定：平衡是指整机处于不同工作状态时，所有机构作用力和重力的合力不超出规定范围。平衡问题的实质是确定平衡重的问题。稳定性是指整机的平衡。,7. 动力源特性分析：应首先确定动力源种类，然后再作动力源特性分析。,8.人机学设计：主要是操纵系统设计、显示和控制装置的设计。,9. 附属装置设计。,10.机器造型设计。,11.,产品故障分析和对策。,12.画出机器总装配图、零件施工图 。,13.编写全部设计技术文件 。,14.明确易损件、产品包装和运输要求 。,5-4确定工艺方案,选择工艺方案时应考虑以下的问题：,1工艺方案的先进性,2合理的运动规律,3工艺方案实现的可能性和稳定性,4. 与生产率要求相适应，经济上合理,5-5整机总体参数确定,一、理论计算法：根据拟定的产品原理方案，在理论分析与实验数据基础上进行分析计算，确定总体参数,1机械设备的理论生产率,Q,设循环时间,T=T,G,+T,F,，,则,Q=1/T=1/(T,G,+T,F,),2功率参数,（1）运动参数：移动速度、加速度和调速范围等,（2）功能参数：承载力和原动机功率,4,重量参数,5, 总体结构参数,二、经验公式法,5-6机器总体布置设计,一、机械化生产线的布置,1机械设备的类型,1）主要工艺设备,2）辅助工艺设备,3）物料储运装置,4）控制装置,二、生产作业机械的总体布置,1任务：合理布置各部件、零件在整机上的位置，按照简单、合理和安全的原则，使其实现了工作要求，确定机器重心坐标、确定总体尺寸。,2. 生产作业机械：完成作业操作的单体机械 。,3. 布置原则：1）功能合理2）结构紧凑3）动力传递路线力求简短、直接4）再装配合使用中，其位置调整、拆装和维修等，力求简单、方便、保护要安全可靠。,4布置类型,1）按主要工作机构的空间几何位置：平面式、空间式。,2）按主要工作机械的布置方向：水平式、倾斜式、直立式和圆弧式。,3）按原动机与机架相对位置：前置式、后置式、中置式。,4）按工件或机械内部工作机构的运动方式：回转式、直线式、振动式。,5）按机架或机壳的形式：整体式、剖分式、组合式、龙门式和悬臂式。,6）按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点：开式、闭式等。,三、机械总体布置示例,1轮式装载机,2轧钢机,3食品机械,5-7机械驱动系统设计,一、选择机构的类型和拟定机构简图,1机械传动系统：定传动比机构、变速机构、运动转换和操纵控制机构,1）单流传动,定义：指动力输出能量依次经过每一个传动件的传动形式,用途：小功率、传动链短的机器,框图：,2）分流传动,定义：指动力输出的能量分成多个分支传到各执行机构的传动形式。,特点：有利于灵活安排传动路线、提高传动效率、缩小传动件的结构尺寸。,用途：适合于执行件较多的机器,框图：,3）汇流传动,定义：动力源经几条线路汇交于执行机构,特点：将低速、重载、大功率机器的动力源配备为多台中小型动力机，以减小传动机构，提高传动效率,框图：,4）混流传动,定义：传动系统中既有分流传动又有汇流传动，是前述三中传动形式组合的传动系统,2机械传动链的类型,1）外联传动链：联系动力源和执行件的传动链，是运动与（外部）动力源的联系,2）内联传动链：复合运动的内部联系,3）设计时的注意事项,（1）设计外联传动链时，主要应保证要求的,速度和传递的功率,（2）设计内联传动链时，主要应保证要求的,传动比精度,5-8机械的总体设计实例粒状巧克力糖包装机设计,一、原始资料,1产品,2包装材料,:,厚为,0.008mm,的金色铝箔卷筒纸,.,3关于自动机生产能力的要求,120,块,/,分钟,二、包装工艺的确定,1,、不能采用料斗式的上料机构,解决自动上料的问题,2,、刚性还是弹性的夹紧机构？原因？,三、包装机总体设计,1机型选择,属于大批量生产，选择全自动的机型,回转式的多工位自动机型,2自动机的执行机构,送糖、供纸、接糖、顶糖、抄纸、拨糖、钳糖、转盘步进,3总体布置,4传动系统设计,5工作循环图,第六章机械结构设计（总体结构设计和零部件的结构设计）,6-1机构件的功用和基本类型,6-2结构方案设计的基本原则和原理,6-3结构设计中的强度和刚度问题,6-4支承件的结构设计,6-5结构设计中的工艺问题,6-6材料选择,6-1机构件的功用和基本类型,一、结构件的功用,1承受载荷：以普通车床为例,2传递运动和动力：牛头刨床,3保持有关零部件之间的相对位,置或运动轨迹,4其它功用,二、结构件的分类,为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分为盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等,从毛坯工艺角度分：铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等,三、零件的相关,1定义：每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系， 可以称这种关系为相关，称有这种关系的两个零件互为相关零件,2分类,直接相关：两零件有直接装配关系,间接相关：没有直接装配关系,间接相关又分为两大类：,1,）位置相关：两零件在相互位置上有要求,2,）运动相关：一零件的运动轨迹与另一零件有关,主轴与导轨之间为位置相关，刀架与主轴之间为运