机械原理课程设计

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,*,第十章 机械系统的运动,方案及机构的创新设计,设计概述总体方案设计执行系统设计传动系统设计机构创新,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,*,单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械原理课程设计,课程类别：必修 学时：,2,周,课程性质：集中实践教学 学分：,2,分,青岛农业大学海都学院工程系机电教研室,一、基本目的,机械原理课程设计是工科院校学生在大学期间利用已学过的知识第一次比较全面的、具有实际内容和意义的课程设计，也是机械原理课程的一个重要的实践教学环节，是将知识转化为能力的桥梁。,进一步巩固和加深所学的理论知识，并将其系统化；,培养综合运用所学知识独立解决实际问题的能力和初步培养进行创新设计的能力；,初步掌握机械运动方案设计，并在机构分析与综合方面受到一次比较全面的训练。,二、基本教学内容,对某种需要设计的机器进行方案设计，包括机器总体方案设计、执行系统的运动方案设计、传动系统的方案设计、原动机的选择等内容。,制定机构运动循环图；,画出机构运动简图。,针对要设计的机器，进行机器的功能分析、工艺动作过程确定、执行机构设计与选择、机械运动方案评价与选择、机构尺度综合、绘制机构运动简图、计算自由度、对机构进行运动、动力分析等。,按照给定的机械总功能要求，分解成子功能进行机构的选型和组合；,设计该机械系统的几种运动方案，对各运动方案进行对比和选择；,对选定方案中的机构,连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、其他常用机构及组合机构进行分析和设计；,机构运动和动力分析。,利用各种典型机构的工作原理、结构特点、设计方法和应用场合等知识；,考虑如何选择巧妙的工艺动作过程来达到预定的机械功能要求；,如何选用或创新机构型式并组合成机械运动方案完成上述选定的工艺过程,新机械设备的创新设计要求,:,各种机械设备一般均需实现,生产和操作过程的自动化,，或者实现,某一工艺动作过程,。,机械设备设计首先需要进行,机械运动方案的设计和构思,，,各种传动机构和执行机构的选用和创新设计,。,3,、设计说明书一份（不少于,3000,字）：,每个学生应完成的设计工作量：,1,、机构运动简图、机构运动循环图一张（,A1,或,A2,图纸）,2,、主要机构设计与分析图一张（,A2,或,A3,图纸）、零件工作图两张（,A3,或,A4,图纸）,包括目录（标题、页次）、设计题目、机器功能分析与分解、执行系统方案设计、传动系统方案设计、原动机类型的选择、控制系统的方案设计、其它辅助系统（主要包括润滑系统、冷却系统故障监测系统、安全保护系统和照明系统等）的设计。,运动方案设计图,凸轮机构,1,、自行设计升程和转角的关系,2,、求,r,0,。按,max,对移动从动件,=30,o,对摆动从动件,=40,o,45,o,对于,max,，等速：,s=0,；,=0,；,余，正，等加：,V,max,/,max,3,、,r,0,50mm,凸轮轴半径,4,、必须校核,max,5,、起始点为升程起始点。,变位齿轮设计,1,、内容全部写在说明书上,2,、采用角度变位传动（取主减速器中的一对齿轮）即,3,、,z,1,、,z,2,自选，,m=2,4mm,为标准模数。,(z,1,=1722),4,、计算,3,高（,h,a,、,h,f,、,h,），,4,圆（,d,、,d,a,、,d,f,、,d,b,），,3,弧长（,s,、,e,、,p,），节圆直径（,d,1,、,d,2,）。,5,、对于一对齿轮要计算,a,保证,1.2,小齿轮齿顶厚,S,a,(0.250.4)m,6,、必须计算最小变位系数，选择的变位系数,xx,min,；,7,、保证中心距为,2,或,5,的倍数或整数；,8,、一对,齿轮变位系数和,要计算得出，由书,213,页图找出,x,1,。,根切限制线,选择变位系数界限图,曲柄滑块机构,注意：画一个一般位置代表各杆长。画,S,时，,30,度一个间隔，,两个极限位置必须标出，,a,图不画。,第十章 机械系统的运动方案及机构的创新设计,第六节 机构的创新设计,第一节 机械系统的设计过程,第二节 机械系统的总体方案设计,第三节 机械执行系统的运动方案设计,第四节 机械传动系统的方案设计,第五节 原动机及其选择,要求：初步掌握机构系统的设计能力。,难点：功能分解组合法、模仿改造法,。,知识点：,创新思维和创新设计的常见方法。,机构选型的一般方法,执行构件的协调,机械的工作循环图,功能分解组合法,模仿改造法,机构的组合和变异,常用机构的类型、特点和选用,重点：机械的工作循环图、机构的组合和变异。,第一节 机械系统的设计过程,一、系统、机械系统的概念,系统本身还可以作为更大系统的一个子系统。,1,、系统,指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。,系统本身可分成若干个子系统。子系统里有时还可以分出更小的小子系统。,2,、机械系统,任何,机械产品,都是由若干个零部件及装置组成的一个特定系统。即：由确定的质量、刚度及阻尼的若干个物质所组成，彼此间有机联系，并能完成特定的功能，称之为,机械系统,。,机器,机构,构件,零件,机械,机械产品设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。,动力系统,传动系统,执行系统,操纵系统和控制系统,支 承 系 统,安全系统,-,润滑系统,-,冷却系统,-,密封系统等,二、机械系统的组成,1.,机械系统（机械产品）,设计的任务和类型,机械产品设计三种类型：,开发性设计,适应性设计,变型设计,三、机械系统设计,机械系统（机械产品）设计的任务是开发新产品和改造老产品，为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，以取得较好的经济效益。,在工作原理和结构完全未知的情况下，针对新任务提出新方案，开发设计出以往没有过的新产品。,在工作原理和功能结构不变的情况下，对已有产品结构参数、尺寸等方面变异，设计出适用范围更广的系列化产品。,针对已有的产品设计，在消化、吸收的基础上，对产品作局部变更或设计一个新部件，使产品更能满足使用要求。,2.,机械系统,设计过程,初期规划设计阶段,总体方,案设计阶段,结构技术设计阶段,生产施,工设计,阶段,产品开发一般是这个过程，但在实际中，常常需要反复改进甚至推翻原设计方案，进行再设计，在每个设计阶段或各设计阶段之间存在反复循环的设计流程。,机械设计各阶段紧密相连，是一个不断改进、创新的过程。,选题,调研预测,可行性,论证,确定设计任务,选择设计对象，提出设计题目,市场调查：,预测销售量及市场占有率,技术调查：,预测技术可行性、产品成本,同行调查：,预测领先的可能性,论证产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性,明确设计目标及需达到的功能和性能指标,调研报告,论证报告,设计任务书,初期规划设计阶段,目标分析,根据设计任务，进行功能分析、工艺动作分解，明确各工艺动作的工作原理。,创新构思,构思执行机构的运动方案并进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计,方案拟定,拟定总体方案，进行执行系统、传动系统、原动机的选择和基本参数设计,方案评价,对方案进行有关计算，做模拟试验，进行功能、性能评价和技术、经济评价,方案,决策,选最优，确认总体设计方案，绘制系统运动简图，编写总体方案设计计算说明书,总体方案示意图、,机械系统,运动简图、运动循环图、,方案设计,计算说明书,总体方,案设计阶段,机械系统,设计过程,（续）,结构,设计,尺寸,设计,图纸,绘制,工艺,设计,工装,设计,施工,设计,结构技术,设计阶段,生产施,工设计,阶段,从加工工艺、装配工艺性等因素出发，设计零部件的结构形式及连接方法,选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的尺寸、公差、精度及制造安装的技术条件,绘制总装配图、各类系统图、部件装配图和零件图。编制设计计算说明书,进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件检验标准,进行加工、装配时必要的工具、卡具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计,制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标,全套设,计图纸、设计计算说明书,工艺流程卡、,工装设计图、,基础安装图、使用说明书等,机械系统设计、产生过程的另一种表达方式,连接,机构创新设计,机械系统运动方案设计步骤,总体方案设计,执行机构,设计,功能原理设计,运动规律设计,选型构型设计,运动协调设计,传动系统设计,原动机选择,第二节 机械系统的总体方案设计,一、机械总体方案设计的目的和内容,1,、总体方案设计的目的,全面考虑产品全生命周期各阶段的具体要求,目标分析,创新构思,方案拟定,方案评价,方案决策,设计产品,，功能齐全、性能先进、质量优良、成本低廉、经济效益显著，同时又易于制造，能迅速占领市场，提高市场竞争力和生命力。,据初期规划阶段所确定的设计任务,运用现代设计思想与方法,初期规划设计阶段进行的调研和可行性论证，将为所开发产品是否具有生命力和市场竞争力提供准确信息，而要实现初期规划阶段所提出的产品设计目标，关键在于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和设计思想。,2,、总体方案设计的内容,1,）执行系统的方案设计,2,）传动系统的方案设计,3,）原动机类型的选择,4,）控制系统的方案设计,主要有润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等。,设计结果：给出满足运动性能要求的运动简图。,5,）其它辅助系统的设计,执行系统的方案评价与决策,执行系统的功能原理设计,执行机构的形式设计,执行系统的协调设计,传动类型的选择,传动链中机构顺序的安排,各级传动比的分配,传动路线的选择,执行系统的运动规律设计,从原动机到传动机构再到执行机构的整个系统的设计一般称为,机械系统的运动方案设计,。,现代设计、系统工程和工程设计的观念,二、机械总体方案设计的现代设计思想与方法,现代机械设计已不再纯属于工程技术范畴，而是自然科学、人文科学和社会科学相互交叉，科学理论与工程技术高度融合的一门现代设计科学。,随着信息论、控制论、系统论、决策理论、智能理论等现代理论发展和应用，以及优化设计、可靠性设计、工业造型设计、计算机辅助设计、价值工程、反求工程等现代设计理论和方法的引入，机械设计正在摆脱传统设计模式的束缚，克服传统设计的种种弊端，越来越明显地凸显现代设计的特点，使,机械产品的设计过程、设计手段、设计结果都在发生着深刻的变化,。,虚拟产品开发技术,利用存储在计算机内的数字化模型,虚拟产品来代替机械实物模型，对机械产品进行构思、设计、装配、测试和分析，提高了机械产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，可以达到全局优化和一次性开发成功的目的。,虚拟产品开发技术体现了面向产品生命周期的设计思想：,包括面向性能设计、面向装配设计、面向制造设计、面向测试设计、面向质量设计、面向成本设计、面向服务和维修设计等。,它以并行的、集成的方式设计产品及相关过程，力图在设计一开始就考虑产品生命周期所有要素。,不仅可以减少新产品开发的投资，而且可以大大缩短产品开发周期，从而对难以预测、持续变化的市场需求作出快速响应。,串行设计,并行设计,（减少了设计过程的循环重复。）,三、机械系统总体方案设计准则,1,、,执行机构必须满足工艺动作和运动规律的要求,这是确定机械运动方案的首要原则。,高副机构,容易满足所要求的运动规律或轨迹，但制造比较麻烦，且高副元素容易磨损而造成运动失真。,低副机构,往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目多时，累积误差大，设计也比较困难，但低副机构较易加工，能承受较大载荷。,应优先采用低副机构，高副机构（如凸轮机构）往往只用于运动控制与补偿。,虚约束,引入虚约束，可以增加机构的刚性或强度或消除运动的不确定性或促使受力平衡。,引入虚约束，往往会提高生产成本，增加装配上的困难，尤其是当尺寸不合理或加工精度不高时，还会引起构件的内力，出现楔紧、卡死等现象。,所选机构有调整环节,选用能调节、补偿误差的机构,或,在制造安装中，机构不可避免地会产生误差，使其不能达到设计要求；,在生产过程中，有时为了使所选用的机构适应范围更广泛，必须根据实际情况需要调整某些参数。,2,、,动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量,现代原动机的输出运动形式：,转动,各种电动机、内燃机、液压马达、气动马达等。,往复移动,活塞式气缸、液压缸或直流电动机。,往复摆动,双向电动机、摆动式液压缸或气缸等,步进运动,步进电机,电动机,转动,电动机,内燃机,液压马达,气动马达,活塞式气缸,液压缸,往复移动,空压机,往复摆动,双向电动机,摆动式液压缸,摆动式气缸,步进运动,步进电机,3,、,机构的传力性能要好,高速机械,传力大的机构,要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构的自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。,利用飞轮调速，也可以减小载荷变化大机构的输入功率，跨越死点位置。,机构选型尽量要对称，利用机构平衡的原理平衡惯性力，减小动载荷。,高速冲床,平衡机构,4,、,机器操纵方便；调整容易、安全耐用,拟定机械运动方案时，应适当选用一些开、停、离合、正反转、刹车、手动控制等装置，方便操作，易于调整。,为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。,丝攻夹,正反转气钻,5,、,机器的重量轻，结构紧凑,在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单、紧凑，构件的数量和运动副的数目也要尽量少，使运动链尽可能短。,减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且可以减少机构的累积运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。,6,、,加工制造方便，经济成本低,7,、,具有较高的生产效率与机械效率,尽可能选用低副机构，并尽可能选用以转动副为主构成的低副机构。转动副元素比移动副元素容易加工，更易达到要求精度。,尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，最大限度地降低成本，提高经济效益。,选用机构时尽量减少中间环节，缩短传动链，并尽量少用移动副，避免楔紧或自锁。,完成机械的不同功能，一般需要不同的执行构件，不同执行构件功能的实现往往需要不同的机构来完成。,机械的各种执行功能之间的动作相互协调。,为完成机械整体执行功能而组成的构件系统，称为,机械执行系统,机械执行系统是一种机械区别于其他机械的主要标志，是一个机械系统的核心组成部分。,机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心。,机械执行系统：,第三节 机械执行系统的运动方案设计,功能：,系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特性。“功能”是产品的核心和本质。,每个机械系统都有自己的功能，如运输工具的功能是运货或运客；电动机的功能是能量转换等。,用户对产品功能的需求是有条件的，即功能的使用地点及环境条件、功能的定量与定性参数、实现功能的具体结构与手段、功能的经济性等。,设计的最主要工作并不只是选用某种机械或设计某种结构，更重要的是要进行功能原理的构思。,“,顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能,”,。,功能的分类：,功能,必要功能,非必要功能,基本功能,附加功能,工艺要求或使用要求必须保证的功能，在设计中不能改变。,随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变而附加的功能。,设计者主观加上去的，可有可无的功能。,由于系统的功能总是以成本作为代价的，所以，设计时应对一个系统需具有哪些必要功能，去掉哪些非必要功能做出明确的决定。,牛头刨床,牛头刨床为了完成刨削平面的任务，需要两个执行构件：,装有刨刀的刨头,和,夹持工件的工作台,。,功能分析：,切削运动,工作台的横向进给运动,刨头带着刨刀作纵向的往复直线切削运动，而且刨头每分钟往复运动的次数是可调的。,工作台作横向间歇进给运动，每次进给量的大小能在一定范围内调整。,工作台的进给运动必须在非切削时间内进行。,机械执行系统的运动方案设计,功能原理设计,运动规律设计及工艺参数确定,机构选型与构型设计,执行机构的运动协调设计（运动循环图）,运动方案的评价,机械执行系统的运动方案设计的依据是,机械的工艺要求或使用要求,。具体内容包括：,一个好的功能原理设计应既有创新构思，同时又能满足用户的需求。,针对产品主要功能而进行的功能原理设计这一步，在整个设计中是非常重要的一环。,一、功能原理设计,“,功能原理设计,”,针对所设计产品的主要功能提出一些原理性的构思，亦即针对产品的主要功能进行原理性设计。,根据机械预期的工艺要求或使用要求，构思出所有可能实现给定要求的功能原理，加以分析比较，从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。,功能原理设计的任务,例,10-1,要求设计一自动送料板的装置。,a,）采用机构推拉原理,b,）采用摩擦传动原理,c,）采用气吸原理（底吸法）,d,）采用气吸原理（顶吸法）,当材料为钢板时，还可以采用磁吸原理。,实现预期的工艺要求，不同功能原理执行构件的工艺动作与运动规律不同，使用条件也不一样。,a,）只需推板和夹料板的往复运动，运动规律简单，此原理适用于一定厚度的刚性料板。,b,）有摩擦轮接近料板的运动和退回运动，运动规律较复杂。,c,），,d,）必须具有附加的气源，,d,）吸头作,L,形轨迹的运动。,例,10-2,加工螺栓螺纹,滚丝头滚丝,搓丝,车削加工,冷滚压,板牙,磨削,螺纹加工机床,例,10-3,设计一台加工内孔的机床。,车床 镗床 钻床 拉床,功能原理不同，工艺动作（运动规律） 也就不同，执行机构的运动方案自然也不一样。,例,10-4,设计草地剪草机。,显然，选择剪断是较合理的方案，并且将剪刀做成像理发推子那样，这就是传统的剪草机的解法原理。,分析：对杂草进行剪修通常的办法有：,拉,可以拉断杂草，但无法控制被拉断草的高度，即无法使草地整齐。,割断,像割麦一样，需要握住杂草的上部才能割断。,剪断,利用剪刀刃的合拢可以剪断杂草。,于,是一种新型的割草机诞生了：用一根直径约,2mm,的高速旋转的尼龙绳，去抽打被修剪的草，其结果是又快又好地将草坪修剪出来，如下图所,示。,设计人员受到杂技演员用鞭子把纸抽断这一现象的启发，可以用具有足够高速度的软物体代替刀、剪去切断某些物体。,例,10-5,平板玻璃制,造。,传统制造平板玻璃都是采用“垂直引上法”，见图,a,。,此法是把半流体的玻璃从熔池中不断向上引，开始时通过轧辊控制厚度，然后边向上引边凝固。这样加工出来的玻璃表面总是有波纹，且厚度不匀。近年来，出现了用“浮法”制造平面玻璃的新工艺，用此方法生产出来的玻璃克服了厚薄不均且有波纹的缺点。图,b,是“浮法”加工的示意图：让液态玻璃飘浮在低熔点金属的液面上，边向前流动边凝固。,通过上述例子可知，功能原理设计具有如下特,点：,功能原理设计的好与坏将对产品的成败起决定性作用，设计人员必须给予高度重视。,功能原理设计使所设计的系统发生质的变化。,功能原理设计中往往要引入某种新技术、新材料、新工艺,，但首先要求设计人员要有一种新想法、新构思。,功能原理方案设计就是针对某一确定的功能要求，构思并求得能实现功能目标的新的解法原理。,功能原理方案设计步骤,功能原理设计的设计方法,“,黑箱法,”,一个设计任务往往有许多差异很大的方案。许多设计人员一般习惯于先画出几个总结构图或方案图，然后从中选择一个，再进行更详细的设计。这种设计方法的弊端是带有很大的盲目性，同时，由于设计人员的知识和经验有一定的局限性，很容易使其在原理方案构思之前就形成了某种框框，因而妨碍了思维，束缚了创造力。,随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们在对系统功能原理设计时，常采用一种,“,抽象化,”,的方法,“,黑箱法,”,。此方法是暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式,(,如输入量和输出量,),加以表达。这样，通过抽象化可清晰地掌握所设计系统,(,产品,),的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。,例如自行车的功能原理设计。,自行车,（黑箱）,输入,输出,蹬力或推力,车的行走,自行车功能原理系统图,又如机床设计。,“黑箱法”示意图,“,黑箱法,”,的特点是通过,“,黑箱,”,与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统,(,产品,),的功能、特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使,“,黑箱,”,透亮，直至方案拟定。,它摆脱了具体设计对象，而按系统,(,产品,),的功能和对三大流进行定性描述来进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案。,黑箱,由于一个系统可以分解成一些子系统，所以，一个系统的总功能也以分解为一些分功能。,如果有些分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位为止，这个基本功能单位就叫,功能元,。,功能元是能直接从技术效应,(,如物理效应、化学效应等,),及逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位。,机械设计中常用的基本功能元有,物理功能元,、数学功能元和逻辑功能元。,功能分解与功能元,常用的五种物理功能元,包括各种类型能量之间的转变、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及信号种类的转换等,指各种物理量,(,如位移、速度、力,),的放大或缩小等,包括能量流、物料流、信息流的结合或分离（如运动的合成或分解）,体现三大流在一定时间范围内保存的功能，如弹簧、电池、录音带、光盘等的储存,反映能量流、物料流、信息流的位置变化。如离合器、开关、阀门等,功能元（分功能）的求解,一个功能元（分功能）都要找出相应的技术、物理效应来实现，有时一个功能元（分功能）可以相应地提出几个技术、物理效应。,功能元的求解方法主要有：,参考有关资料、专刊或产品求解法；,利用各种创造性方法以开阔思想去探讨求解法；,利用设计目录求解法。,设计目录是把能实现某种功能元的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。,部分功能元解法目录,连杆,机械一次增力功能元解法目录,四杆机构运动转换解法目录,第六步：,订书打孔机的四种原理方案解见图。,设计举例：设计手动订书打孔机。,设计要求：,操作手柄旋转运动； 打孔针作直线往复运动；,杆件数目为,4,个； 省力。,解题步骤：,第一步：,确定总功能,(,打孔,),。,第二步：,总功能分解,(,输入的旋转运动变为输出的直线运动；,力增大,),。,第三步：,由于是一个由旋转运动变为移动的四杆机构，故可,查,四杆机构运动转换解法目录,，,以寻求解法。,第四步：,选取,2,、,4,、,7,、,9,四个方案。,第五步：,增力机构选取杠杆机构。,订书打孔机原理方案解,二、运动规律设计及工艺参数的确定,实现一个复杂的工艺过程，其运动规律（工艺动作）一般也比较复杂，但,任何复杂的运动,过程总是由,一些基本的运动,合成的，总可以将执行构件所要完成的运动分解为机构易于实现的基本运动。,机构所能实现的基本运动形式有：单向转动，单向移动，往复摆动，往复移动及间歇运动等。,功能原理确定后，即可根据功能原理设计工艺动作以及完成这些动作的执行机构的运动规律。,绘图机,a,）图纸不动,b,）图纸运动,运动规律设计,通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作，对这些动作的实现方式进行设计。,工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不相同。,绘图机,a,）图纸不动,b,）图纸运动,牛头刨床,龙门刨床,实现间歇转动的机构,某些周期性运动（包括间歇运动与非匀速运动）一般可分解为一个匀速运动与一个附加的往复运动，并可分别用比较简单的机构予以实现，然后进行合成。附加运动一般可由凸轮机构或连杆机构实现。,右图，凸轮机构产生一个附加的往复运动，可带动蜗杆轴向移动，在电机带动下蜗杆可实现匀速转动。蜗杆往复运动与沿轴向移动运动的合成，满足一定的条件，能实现蜗轮有瞬时停歇的周期运动。,齿轮,-,连杆组合机构可以实现变角速度的运动规律。,运动规律设计与执行机构中执行构件的工艺参数的确定是同步进行的。,执行构件的工艺参数,工艺参数,1,）设计任务明确提出的。,2,）分析后确定的。,运动参数,力参数,运动形式,（直线运动、回转运动、曲线运动）,运动特点,（连续式、间歇式、往复式）,运动范围,（极限尺寸、转角及位移）,运动速度,（等速、不等速）,运动参数和力的参数（如牛头刨床切削力、锻压机械压头压力）都是由机械的工艺要求决定的。,机构形式主要由运动参数来确定，但力的参数大小对机构的选取也有一定影响，高副机构一般无法承受大的作用力。,三、机构选型与构型设计,执行机构的运动规律确定后，执行机构中执行构件的运动类型也就确定下来。这将是选择机构类型的重要依据。,执行机构的运动,直线运动,回转运动,任意轨迹运动,点到点的运动,位到位的运动,单程运动,往复式运动,连续运动,间歇运动,不同的运动应由不同的机构或多种机构的组合乃至整个机器来实现。,执行机构的运动类型及典型机构,1.,实现直线运动的机构,2.,实现回转运动的机构,3.,实现运动轨迹的机构,4.,点到点的运动机构,5.,位到位的运动机构,1.,实现直线运动的机构,齿轮齿条机构,螺旋机构,曲柄滑块机构,凸轮机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,2.,实现回转运动的机构,齿轮传动机构,双曲柄机构,带传动,链传动,摆动液压缸,摆动气缸,双曲柄机构驱动的惯性筛,连杆机构也可以实现从动杆的非匀速转动。,在要求输出运动规律要求不严格的情况下，由于连杆机构结构简单，应用十分广泛。,3.,实现运动轨迹的机构,任意运动轨迹通常由连杆机构中的连杆曲线来实现,。,同一机构从不同角度去研究，将会具有不同的功能。,焊接机器人,在机器人中，任意轨迹运动称之为,连续轨迹运动,。,通过运动学逆运算，求出对应机器人对应关节的转角，通过转角的连续变化获得空间连续运动轨迹。,4.,点到点的运动机构,曲柄滑块机构,凸轮机构,执行机构点到点的运动是一种只对起点和终点某些运动参数有严格限制和要求，而中间过程可随意的运动。,曲柄,摇杆,机构,棘轮,机构,机器人末端执行器的运动,5.,位到位的运动机构,对于执行构件的位置要求不是仅考虑其上的一个点，而是考虑一条线或一个体，我们则称其从一个位置到另一个位置为位到位的运动。,夹紧机构,在死点位置工件被夹紧，在其余位置时处于放松状态。,飞机起落架,加热炉门的开闭机构设计,实线炉门为关闭位置；虚线炉门为开启位置。,炉门本身作为连杆，设计一个双摇杆机构。,除了上述,各种运动形式,需要通过不同的,机构,予以满足外，还有,许多其他的功能要求,，也要利用各种,机构,予以满足。,功能技术矩阵图,四、,执行机构的运动协调,设计,与运动循环图,多个执行构件,需有准确而协调的运动时间和运动顺序,的安排以,防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉,。我们称这种协调为,执行构件间时序的协调,。,多数机器不只有一个执行构件，往往是许多执行构件协调工作以完成同一任务。,各执行构件间的时序协调关系可用机械运动循环图（也称工作循环图）来表示和解决。,运动循环图,的,表达方式：,直线式运动循环图,圆周式运动循环图,直角坐标式运动循环图,其他方式,运动循环图,标明机械在一个运动循环中各执行构件间的运动配合和时序关系的图。,运动循环图,的绘制基准,为机械中的原动件或其他有特征的定标件，依其动作时间、转角或位移为划分依据，确定其他执行构件的动作顺序。,右图是牛头刨床的运动循环图,直线式运动循环图,，在机械执行构件较少时，动作时序清晰明了。,圆周式运动循环图,容易清楚地看出各执行构件的运动与机械原动件或定标件的相位关系。,工作台的横向进给是在刨头空回行程开始一段时间以后开始，在空回行程结束以前完成。这种安排考虑了刨刀与移动的工件不发生干涉，也考虑了设计中容易实现此时序关系。,直角坐标式运动循环图,是用执行机构的位移线图表示其运动时序的。,其他方式,只要能更清楚地表示出所要求的运动时序关系，可以自己创造运动循环图。,多执行构件的,复杂机械的运动循环图可以拆分，不同执行构件可以分别组合,，也可以分别采用不同的形式,。,在机械运动方案设计中，运动循环图常常需要反复修改。,运动循环图标志着机械动作节奏的快慢。一部复杂的机械，由于动作节拍相当多，所以对时间的要求相当严格，这使某些执行机构的动作同时发生，但它们又不能在空间上干涉，因此需要反复调整与反复设计，恰切的运动循环图可以大大提高机器的生产率。,在同一部机器，如自动机械中，运动循环图是传动系统设计的重要依据，在较复杂的自动机和多部机器参与工作的自动线上，运动循环图又是电控设计的重要依据。,运动循环图的设计在机械运动方案的设计中十分重要。,五、运动方案的评价,实现同一工作任务，且满足工艺要求和性能指标时，可以设计出多种机械运动方案来。必须再经过充分、细致的分析比较，选取最优设计方案。,对一部机器进行评价，就要分别对原动机、执行机构、传动机构等进行评价，然后再进行综合而获得一个综合评价。,为了便于比较,量化评价,为了量化评价,建立量化评价体系,量化评价体系中机构评价,5,大指标类型,1,）机构的功能。,2,）机构的工作性能。,3,）机构的动力性能。,4,）经济性。,5,）机构紧凑性。,评价时分别对每个方案所含机构的,5,大类型及更为细致的子项给出分值，然后对各个方案计算整机的分值，作为考虑各方面的综合评价指标，通过比较整机的分值选择出最优的机械运动方案。,假定设计方案均满足,1,）、,2,）两大类型指标，则应对不同方案重点比较,3,）、,4,）、,5,）项类型指标量化分值。,若以高分为优胜，对大型机械，运动平稳性、加速度、冲击和噪声是重要的评价指标，不同性能机械评分差别较大，对于未在机座上平衡的连杆机构尤其如此。,分值计算注意事项：,机械的结构简单性、尺寸紧凑性、轻重、传动链长短、工作可靠性是重要的评价指标，不同性能机械评分差别较大。,制造难易性、调整的方便性、维修的方便性直接影响着机构实现的难易性及机械的经济性，在评分时应根据情况区别对待。,第四节 机械传动系,统的方案设,计,使机械执行系统实现预期的动作和功能，还要有相应的原动机、传动系统和控制系统。,传动系统位于原动机和执行系统之间，其主要作用是将原动机的运动和动力传递给执行机构，使其有能力完成特定的作业要求。,传动系统实现的功能：,1,）运动速度、运动方向或运动形式的改变；,2,）进行运动的合成与分解；,3,）实现分路传动和远距离传动；,4,）实现某些操纵控制功能；,5,）吸振、减振等。,一、机械传动系统方案设计的内容与步骤,当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据,执行机构所需要的运动和动力条件,以及,原动机的类型和性能参数,，进行传动系统的方案设计。,一般设计的内容与步骤：,1,）确定传动系统的总传动比。,2,）选择传动类型。,3,）拟定传动链的布置方案。,4,）分配传动比。,5,）确定各级传动机构的基本参数和主要尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数。,6,）绘制传动系统运动简图。,为各级传动机构的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。,传动装置类型选择依据：,设计任务书中所规定的功能要求；,执行系统对动力、传动比或速度变化的要求；,原动机的工作特性。,拟定传动链的布置方案的依据：,空间位置。,运动和动力传递路线。,所选传动装置的传动特点和适用条件。,拟定传动链布置方案的内容,合理拟定传动路线。,安排各传动机构的先后顺序。,完成从原动件到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。,合理分配传动比,根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配至各级传动机构。,根据,P=FV,，提高速度，可以减小构件受力。,当运动链为减速传动时，按照“前小后大” （即由高速级向低速级逐渐增大）的原则分配传动比较有利。,可以有较的减小系统廓尺寸,重量,使系统的结构更加合理,.,可以使润滑更为均匀,使高低速级都能达到良好的润滑效果,.,可以提高系统的传动效率,传动稳定性,提高系统的使用寿命,.,可以降低系统的惯性,使系统变速更加,平顺,使系统有良好的起动,变速,停止的性能,.,作为影响整个传动系统的一个重因素,应参考,机械设计,表,并考虑实际情况,合理的进行选择认证,应从,重量轻,级数优,效率高等方面合理考虑分配,.,合理地分配传动比的好处：,二、机械传动类型的选择,传动装置的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动方案。,合理选择传动类型,理想传动方案,1,、机械传动,利用机构实现的传动。,2,、液压、液力传动,液压传动,利用液压泵、阀、执行器等液压元器件实现的传动。,3,、气压传动,4,、电气传动,液力传动,利用叶轮通过液体的动能变化来传递能量。,以压缩空气为工作介质的传动。,利用电动机和电气装置实现的传动,。,1,、机械传动,优点：,工作稳定、可靠，对环境干扰不敏感。,缺点：,响应速度慢，控制欠灵活。,常用传动机构,齿轮机构,凸轮机构,连杆机构,螺旋机构,带传动机构,链传动机构,直齿圆柱齿轮,斜齿圆柱齿轮,锥齿齿轮,齿轮,-,齿条,蜗杆传动,机械设计,学习内容,（,1,）齿轮机构,直齿圆柱齿轮,斜齿圆柱齿轮,锥齿齿轮,齿轮,-,齿条,蜗杆传动,应用最广泛。,易实现齿轮变速中的换挡。,传递运动更平稳。,较大传动比、传递动力,改变运动方向，但装配精度调整困难。,回转运动与直线运动变换。,大的减速比，反向驱动自锁。（电动葫芦）,圆弧齿轮传动,重载齿轮传动。,（,2,）螺旋机构,（又称丝杠传动）,主要用于将回转运动变为直线运动，能实现大的减速比。,用于传动的丝杠齿形一般为梯形。,滚珠丝杠传动,摩擦小，效率高，正反转时传动精度高。,一般用于高精度机械设备中。,可以具有大的减速比，正确选择螺距可以达到设计所要求的减速目的。,（,3,）带传动机构,链传动机构,电动机与减速装置之间，本身可实现较小的减速比或只用于传动而不减速。,整个传动链中的高速段。,平带传动,V,带传动,同步带传动,可传递较大功率，应用十分广泛。,近年来发展迅速。,有多边形效应，瞬时传动比不稳定，常用于运动速度和运动精度不很高的场合。,普通滚子链,齿形链,大中心距传动,应用最多,平稳无噪声。,（,4,）连杆机构,机械设备及生活用品中均有大量运用。,特点：,结构简单、制造容易、能实现多种运动规律，还可以增力、增大行程，有丰富的连杆曲线可以选用。各构件以低副连接，传递动力范围大。,既可作传动机构，又可作执行机构。,低副机构对传动精度有影响。,（,5,）凸轮机构,高副机构，主要用于传递运动。,最大优点：可以实现从动件的任意运动规律。,凸轮机构不宜传递远距离运动。,常用的传动机构有：,齿轮机构,连杆机构,凸轮机构,螺旋机构,机构的创新设计包括：,对原有机构的创新应用,新机构的构思,机械的发展需要机构的创新。机构的创新是机构学发展的源泉。机构的创新设计不是简单地在现有机构中选择合适的机构类型，而应当在创造性基本原理和法则的指导下，运用机构学原理及其他学科知识，进行创造性思维，设计出结构新颖、功能独特、性能优良、简单灵巧的新机构。,创新设计机构，需要基础扎实、思路开阔、知识广博、创新意识强、掌握科学的方法。,第五节 机构的创新设计,机构的创新设计方法,1,机构的变异创新设计,为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构。称此种演变为,变异,，变异得到的新机构称之为,变异机构,。,（,l,）机构的倒置,机构内活动构件与机架的转换，称为机构的,倒置,。,（,2,）机构的扩展,以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，称为机构的,扩展,。,双滑块,+,曲柄滑快,曲柄转动一周，滑块两次往复行程,（,3,）机构局部结构的改变,改变机构局部结构,(,包括构件运动结构和机构组成结构,),，可以获得具有特殊运动性能的机构。,（,4,）机构结构的移植,将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为机构的,移植,。,（,5,）机构运动副类型的变换,改变机构中的某个或多个运动副的型式，可创新设计出不同运动性能的机构。通常的变换方式有三种：,一种是转动副与移动副之间的变换（略）,;,一种是高副与低副之间的变换（略）,;,一种是同性移动副的变换，如下图：,2.,利用机构运动特点创新机构,利用现有机构的工作原理，充分考虑机构运动特点、各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，可创新设计出新的机构。,（,1,） 利用连架杆或连杆运动特点设计新机构,6,倍率肘杆式虎钳,钢锭供料机构,（,1,） 利用连架杆或连杆运动特点设计新机构（续）,（,2,）利用两构件相对运动关系设计新机构,巧妙利用两构件相对运动关系来完成独特的动作过程，可使设计的机构简单实用。,（,3,） 用成型固定构件实现复杂动作过程,3,基于组成原理的机构创新设计,根据机构组成原理，可将零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上，或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新的机构。,（,l,） 将杆组依次连接到原动件和机架上去设计新机构,（,2,）将杆组连接到机构上设计新机构,为改变现有机构，可将杆组搭接到此机构上，设计出新机构。,（,3,） 根据机构组成原理优选出合适的机构构型。,4,基于组合原理的机构创新设计,在实际工程中，对机构的运动形式、运动规律及动力性能等的要求各不相同，其中有些要求用基本机构及其变异机构难以满足，而要把一些基本机构按照某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。实践表明，采用机构组合原理可以设计出功能新颖的机构，不失为一种简便易行的机构创新设计方法。,机构组合的方式较多，常见的有：,串联组合、并联组合、混接式组合等。,1),构件固接式串联,(1),机构的串联组合,2),轨迹点串联,(2),机构的并联组合,以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为,1,的机构,(,可称为附加机构,),的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。,(3),机构的混接式组合,平台印刷机版台传动机构,5.,基于运动链类型综合的创新机构设计,例：缝纫机送料七杆机构的创新设计,原始机构,一般化运动链,设计约束,(1),连杆总数和运动副总数保持不变；,(2),必须有一杆件作为固定杆即机架：,(3),送料摇杆和抬牙摇杆均应与固定杆相邻接；,(4),送料牙杆件不能作固定杆，也不能与固定杆连接；,(5),送料牙杆件不能直接与送料曲柄或抬牙曲柄相连接；,(6),送料摇杆与抬牙摇杆必须能各具一个自由度。,一般化运动链的多种形式：,共,8,种,n,=7-1,P,=8,F,=2,一般化运动链的特殊化,倒置,各种新机构,G:,机架,B:,送料牙杆,L:,抬牙摇杆,F:,送料摇杆,一般化运动链的特殊化,倒置,各种新机构,(,续）,一般化运动链的特殊化,倒置,各种新机构,(,续）,共计,48,种新机构,我发明了一项新专利！,6.,基于多种驱动元件的创新机构设计,弹性元件驱动,步进间歇移动机构,活塞式发动机的四个冲程,7.,基于机构替代方法的机构创新设计,无曲轴式活塞发动机,二冲程单缸无曲轴式活塞发动机：它用圆柱凸轮机构取代原曲柄滑块机构作为动力传输装置。一般圆柱凸轮机构是将凸轮的回转运动变为从动杆的往复运动，而此处利用反动作，即活塞往复运动时，通过连杆端部的滑块在凸轮槽中滑动而推动凸轮转动，经输出轴输出转矩。活塞往复两次，凸轮旋转,360,。,（,1,）发展原理,（,2,）发散原理,（,3,）触发原理,2,创造性思维活动方式,3,创造法则,创新设计的原理与方法,1,创造性基本原理,(2),模仿移植法则,(3),离散组合法则,(4),分析综合法则,(1),还原抽象法则,(2),收敛思维,(3),侧向思维,(4),逆向思维,(5),理想思维,(1),发散思维,1,） 试设计一定量、间歇供水机构,2,） 试设计一滚珠综合检测（圆度、粗糙度、,材料均匀度）装置,3,） 试设计一分选不同直径钢珠的装置,其他创新设计例子：,4,） 请帮赵本山把,“,拐,”,进行改造设计。,5,） 试（参照蠕虫爬树）仿生设计一爬竿机器人。,6,） 试设计一取纸器。,