鋼鐵冶煉—設計—制造—裝配—使用—再制造—報廢處理—鋼鐵冶煉方案設計零件設計機械原理機械設計鋼鐵冶煉—設計—制造—裝配—使用—再制造—報廢處理—鋼鐵冶煉1第14章機械系統(tǒng)的方案設計14.1概述

機械系統(tǒng)的方案設計就是要完成從原動機、傳動機構到執(zhí)行機構的設計。其中傳遞動力和實現(xiàn)預期運動是機械系統(tǒng)的兩個基本任務。機械系統(tǒng)設計是否合理直接影響到機械的功能實現(xiàn)，性能質量的好壞、成本（制造成本和使用成本）的高低等。第14章機械系統(tǒng)的方案設計14.1概述2設計的四個階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段，2.方案設計階段，3.詳細設計階段，4.改進設計階段1.產(chǎn)品規(guī)劃階段本階段主要是通過市場調查了解市場需求，作出市場預測，對產(chǎn)品開發(fā)的可能性作綜合研究并提出可行性報告，本階段最終目的是確定任務并給出詳細的設計任務書。2.方案設計階段通過規(guī)劃階段明確了設計任務，確定了系統(tǒng)的功能。當然能實現(xiàn)同一功能的系統(tǒng)可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的運動方案。通過功能分析并確定了工作原理的基礎上進行工藝動作構思，初步擬定出從原動機經(jīng)傳動機構到執(zhí)行機構的運動方案，并畫出各執(zhí)行構件動作相互協(xié)調配合的運動循環(huán)圖，設計各執(zhí)行機構，畫出機構運動簡圖并作機構的運動學分析和動力學分析計算，這是機械產(chǎn)品方案設計階段的主要內(nèi)容。3.詳細設計階段該階段是將機械運動簡圖具體化為機器及零部件的合理結構。完成機械產(chǎn)品的總體設計、部件和零件設計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設計說明書等技術文件。4.改進設計階段本階段的主要任務是根據(jù)試驗、使用、鑒定所暴露的問題，進一步做出相應的技術完善工作，以確保產(chǎn)品的設計質量。設計的四個階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段本階段主要是通過市場調查了3方案設計的必備知識1、充分了解并掌握各種常用機構的基本知識；2、必須了解和掌握各種動力源的性能和使用要求；3、熟悉對設計方案的選擇有重要影響的周圍環(huán)境的信息；4、充分重視其他學科的技術應用；5、應有創(chuàng)新意識并掌握常用的創(chuàng)新設計方法。方案設計的必備知識4方案設計的主要步驟：1、目標分析：根據(jù)任務書給定的總功能作功能分解，直至分解到可以直接求解的功能元；2、創(chuàng)新構思：求各功能元的解，同一功能元的解可以運用不同的原理，同一原理又可以有若干不同方案，將方案評價選優(yōu)；3、方案擬定：擬定總體方案，動力源的選擇、傳動系統(tǒng)及執(zhí)行機構的確定，并將各執(zhí)行機構作協(xié)調設計即設計繪制運動循環(huán)圖；方案設計的主要步驟：2、創(chuàng)新構思：求各功能元的解，同一功能元54、機構設計：設計各執(zhí)行機構，初步確定機構尺寸，畫機構運動簡圖；5、參數(shù)計算：對各初選方案進行運動學分析、動力學分析及有關計算；6、方案評價與決策：對各方案作技術、經(jīng)濟及社會評價，必要時作反饋修改，最后從中選擇最優(yōu)方案，繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫總體方案設計計算說明書。機械系統(tǒng)的方案設計-課程中心課件614.2機械系統(tǒng)的方案擬定14.2.1原動機的類型及應用(TypeandApplicationofPrimingMover)原動機的動力源主要有電、熱、液及氣四種。電動機是最常用的原動機，交流異步電動機、直流電動機、交流伺服電動機、直流伺服電動機、步進電動機及直線電機等均有廣泛的應用。熱機是指內(nèi)燃機、汽輪機、蒸汽機、燃氣輪機等液壓馬達及液壓油缸是主要的液壓原動機。氣馬達及氣缸則是主要的氣壓原動機。14.2機械系統(tǒng)的方案擬定714.2.2傳動機構的類型及功用(TypeandApplicationofTransmissionMechanism)常用的傳動機構有：1、齒輪機構齒輪機構應用在中心距較小，傳動精度較高，各種不同傳遞動力范圍的場合。2、螺旋機構在許多機械設備中大量應用著螺旋機構（又稱絲杠傳動），它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，具有增力效果。14.2.2傳動機構的類型及功用(TypeandAp83、帶傳動與鏈傳動帶傳動及鏈傳動多用于中心距較大的傳動。4、連桿機構連桿機構在機械設備及日常生活中有大量應用。5、凸輪機構。由于凸輪機構是高副接觸，決定了這種機構主要用于傳遞運動。

3、帶傳動與鏈傳動914.2.3執(zhí)行機構的運動類型及典型機構(MotionTypeofExecutiveMechanismandItsTypicalMechanisms)機器中最接近被作業(yè)工件一端的機構稱為執(zhí)行機構。執(zhí)行機構中接觸工件或執(zhí)行終端運動的構件稱為執(zhí)行構件。機器通過執(zhí)行構件完成作業(yè)任務。執(zhí)行機構的運動分為直線運動、回轉運動、任意軌跡運動、點到點的運動及位到位的運動等主要五種運動形式。實現(xiàn)不同運動形式的典型機構主要有：1、實現(xiàn)直線運動的機構(MechanismtoGainStraightLinePath)1)齒輪-齒條機構(Pinion-Rack)齒輪的正、反向回轉可以使齒條做往復直線運動14.2.3執(zhí)行機構的運動類型及典型機構(Motion102)螺旋機構(ScrewMechanism)絲杠的回轉可以使螺母實現(xiàn)往復直線運動3)曲柄滑塊機構(Crank-Slider)當曲柄連續(xù)回轉時，滑塊可做往復直線運動2)螺旋機構(ScrewMechanism)3)曲柄滑114)雙搖桿機構起重機的變幅機構5)鏈傳動（直線段部分的運動）(ChainDriveMechanism)帶有翼片的鏈傳動，可以拖動被作業(yè)件在兩鏈輪間的直線段做直線運動。4)雙搖桿機構5)鏈傳動（直線段部分的運動）(Chain122、實現(xiàn)回轉運動的機構(MechanismtoRealizeRotaryMotion)1)齒輪傳動機構(GearTransmmisionMechanism2)雙曲柄機構（含平行四邊形機構）(DoubleCrankMechanism)一曲柄回轉可帶動另一曲柄做等速或不等速回轉運動3)鏈傳動及帶傳動(TrainandBeltTransmissions)可以實現(xiàn)較長距離的回轉運動2、實現(xiàn)回轉運動的機構(MechanismtoReali133、實現(xiàn)運動軌跡的機構(Mechanismtorealizeanymotionpath)1)四桿機構（連桿曲線）(Four-barLinkage)

四桿機構的連桿上的每一點均可以實現(xiàn)一定的封閉運動軌跡3、實現(xiàn)運動軌跡的機構(Mechanismtoreali142)開式鏈機構(OpenChainMechanism)任何開式鏈機構上的端點都可以實現(xiàn)一定的運動軌跡，工業(yè)機器人操作機大多是由開鏈機構組成的。2)開式鏈機構(OpenChainMechanism)154、點到點的運動機構(MechanismtoRealizePoint-to-pointMotion)1)曲柄滑塊機構(Crank-slidingMechanism)合理的設計曲柄滑塊機構的尺寸，可以實現(xiàn)滑塊的點到點的運動2)凸輪機構(Cam)

擺動從動件凸輪機構及直動從動件凸輪機構均可實現(xiàn)點到點的運動5、位到位的運動機構(MechanismtoRealizeMotionBetweenPositions)在四桿機構應用中，連桿及搖桿占據(jù)空間兩個及兩個以上位置的情況隨處可見，如：4、點到點的運動機構(MechanismtoRealiz161)熱處理爐爐門開閉機構(ClosingandOpeningMechanismofDoorofFurnaceforHeatTreatment)

爐門可以占據(jù)開啟和閉合兩個位置2)飛機起落架機構(PlaneUndercarriageMechanism)起落架可以使輪子占據(jù)收起和放下兩個位置1)熱處理爐爐門開閉機構(ClosingandOpen1714.2.4執(zhí)行機構的運動協(xié)調與運動循環(huán)圖(MotionAdjustmenttoExcutiveMechanismandItsMotionCirculationChart)多數(shù)機器不只有一個執(zhí)行構件，往往是許多執(zhí)行構件協(xié)調工作以完成同一任務。運動循環(huán)圖即可表示出各執(zhí)行機構間的時序協(xié)調關系。另一種情況是，某些機械的多個執(zhí)行構件在完成同一任務時，需有準確而協(xié)調的運動時間和運動順序的安排，以防止出現(xiàn)某一執(zhí)行構件工作不到位或兩個以上執(zhí)行構件在同一空間發(fā)生干涉。運動循環(huán)圖分為：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。14.2.4執(zhí)行機構的運動協(xié)調與運動循環(huán)圖(Motion18

在編制運動循環(huán)圖時，要選擇一個構件為定標件，用它的運動位置（轉角或位移）作為確定其他執(zhí)行構件運動先后次序的基準。有如下三種形式：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。在編制運動循環(huán)圖時，要選擇一個構件為定標件，用它1914.2.5機械方案設計準則(GeneralRuleforSchemeDesign)1、傳動鏈應盡可能短；

2、機械效率應盡可能高；

3、傳動比的分配應盡可能合理；

4、傳動機構的順序安排應盡可能恰當；

5、機械的安全運轉必須保證。14.2.6機械方案的評價(EvaluationofMechanicalScheme)

實現(xiàn)同一工作任務，且滿足工藝要求和性能指標時，可以設計出多種機械運動方案來。必須再經(jīng)過充分的、細致的分析比較，以決定取舍。最后保留的設計方案應是最優(yōu)方案。14.2.5機械方案設計準則(GeneralRule20每一部機器都是由原動機，執(zhí)行機構及傳動機構組成的，因此需分別對原動機及各機構進行評價，然后經(jīng)綜合可獲得對一部機器整機的評價。建立評價體系是量化評價的方法之一。機械系統(tǒng)設計方案的優(yōu)劣主要是技術、經(jīng)濟、安全可靠三方面。但作為方案設計階段主要考慮功能、性能等技術方面因素。評價體系可將系統(tǒng)評價指標劃分為六方面：它們是(1)系統(tǒng)功能、(2)運動性能、(3)動力性能、(4)工作性能、（5）經(jīng)濟性、(6)結構緊湊性等。評價時根據(jù)具體情況分別對六大類型及更為細致的子項給出分值，然后對整機進行比較。每一部機器都是由原動機，執(zhí)行機構及傳動機構組成的，因此需分別211、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、特定功能等。2、運動性能：運轉速度、行程可調性、運動精度等。3、動力性能：承載能力、增力特性、振動噪音等。4、工作性能：效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性、適應范圍等。5、經(jīng)濟性：加工難易、能耗大小、制造成本等。6、機構緊湊性：尺寸、重量、結構復雜性。1、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、22假定設計方案均滿足(1)、(2)兩大類型要求，則應對不同方案重點進行(3)、(4)、(5)（6）的比較。運轉平穩(wěn)、加速度小、無沖擊和噪聲，這對大型機械是十分重要的評價指標，尤其對未獲得在基座上平衡的連桿機構更是如此。機械的結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、傳動鏈短、工作可靠是又一重要的評價指標。制造難易，調整的方便性，維修的方便性直接影響著機構及機械的經(jīng)濟性，這是不可忽視的第三方面的評價指標。綜合考慮各方面評價指標，才能在諸多機械運動方案的設計中選出最優(yōu)者。假定設計方案均滿足(1)、(2)兩大類型要求，則應對2314.3機構的創(chuàng)新設計14.3.1機構的創(chuàng)新應用(CreativeApplicationforKnowingMechanism)即：使用常見機構，經(jīng)過巧妙的構思，賦予機構以新的應用。14.3.2新機構的構思與創(chuàng)造(ConceptionandCreationforNewMechanism)1、原有機構的發(fā)展(DevelopmentofOriginalMechanism)針對原有機構應用中某些性能方面的不足，而發(fā)展出現(xiàn)的一些新機構。14.3機構的創(chuàng)新設計242、新機構的創(chuàng)造(CreationofNewMechanism)3、組合機構(CombinationMechanism)2、新機構的創(chuàng)造(CreationofNewMecha25感謝大家對課程的支持和配合！感謝大家對課程的支持和配合！26鋼鐵冶煉—設計—制造—裝配—使用—再制造—報廢處理—鋼鐵冶煉方案設計零件設計機械原理機械設計鋼鐵冶煉—設計—制造—裝配—使用—再制造—報廢處理—鋼鐵冶煉27第14章機械系統(tǒng)的方案設計14.1概述

機械系統(tǒng)的方案設計就是要完成從原動機、傳動機構到執(zhí)行機構的設計。其中傳遞動力和實現(xiàn)預期運動是機械系統(tǒng)的兩個基本任務。機械系統(tǒng)設計是否合理直接影響到機械的功能實現(xiàn)，性能質量的好壞、成本（制造成本和使用成本）的高低等。第14章機械系統(tǒng)的方案設計14.1概述28設計的四個階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段，2.方案設計階段，3.詳細設計階段，4.改進設計階段1.產(chǎn)品規(guī)劃階段本階段主要是通過市場調查了解市場需求，作出市場預測，對產(chǎn)品開發(fā)的可能性作綜合研究并提出可行性報告，本階段最終目的是確定任務并給出詳細的設計任務書。2.方案設計階段通過規(guī)劃階段明確了設計任務，確定了系統(tǒng)的功能。當然能實現(xiàn)同一功能的系統(tǒng)可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的運動方案。通過功能分析并確定了工作原理的基礎上進行工藝動作構思，初步擬定出從原動機經(jīng)傳動機構到執(zhí)行機構的運動方案，并畫出各執(zhí)行構件動作相互協(xié)調配合的運動循環(huán)圖，設計各執(zhí)行機構，畫出機構運動簡圖并作機構的運動學分析和動力學分析計算，這是機械產(chǎn)品方案設計階段的主要內(nèi)容。3.詳細設計階段該階段是將機械運動簡圖具體化為機器及零部件的合理結構。完成機械產(chǎn)品的總體設計、部件和零件設計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設計說明書等技術文件。4.改進設計階段本階段的主要任務是根據(jù)試驗、使用、鑒定所暴露的問題，進一步做出相應的技術完善工作，以確保產(chǎn)品的設計質量。設計的四個階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段本階段主要是通過市場調查了29方案設計的必備知識1、充分了解并掌握各種常用機構的基本知識；2、必須了解和掌握各種動力源的性能和使用要求；3、熟悉對設計方案的選擇有重要影響的周圍環(huán)境的信息；4、充分重視其他學科的技術應用；5、應有創(chuàng)新意識并掌握常用的創(chuàng)新設計方法。方案設計的必備知識30方案設計的主要步驟：1、目標分析：根據(jù)任務書給定的總功能作功能分解，直至分解到可以直接求解的功能元；2、創(chuàng)新構思：求各功能元的解，同一功能元的解可以運用不同的原理，同一原理又可以有若干不同方案，將方案評價選優(yōu)；3、方案擬定：擬定總體方案，動力源的選擇、傳動系統(tǒng)及執(zhí)行機構的確定，并將各執(zhí)行機構作協(xié)調設計即設計繪制運動循環(huán)圖；方案設計的主要步驟：2、創(chuàng)新構思：求各功能元的解，同一功能元314、機構設計：設計各執(zhí)行機構，初步確定機構尺寸，畫機構運動簡圖；5、參數(shù)計算：對各初選方案進行運動學分析、動力學分析及有關計算；6、方案評價與決策：對各方案作技術、經(jīng)濟及社會評價，必要時作反饋修改，最后從中選擇最優(yōu)方案，繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫總體方案設計計算說明書。機械系統(tǒng)的方案設計-課程中心課件3214.2機械系統(tǒng)的方案擬定14.2.1原動機的類型及應用(TypeandApplicationofPrimingMover)原動機的動力源主要有電、熱、液及氣四種。電動機是最常用的原動機，交流異步電動機、直流電動機、交流伺服電動機、直流伺服電動機、步進電動機及直線電機等均有廣泛的應用。熱機是指內(nèi)燃機、汽輪機、蒸汽機、燃氣輪機等液壓馬達及液壓油缸是主要的液壓原動機。氣馬達及氣缸則是主要的氣壓原動機。14.2機械系統(tǒng)的方案擬定3314.2.2傳動機構的類型及功用(TypeandApplicationofTransmissionMechanism)常用的傳動機構有：1、齒輪機構齒輪機構應用在中心距較小，傳動精度較高，各種不同傳遞動力范圍的場合。2、螺旋機構在許多機械設備中大量應用著螺旋機構（又稱絲杠傳動），它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，具有增力效果。14.2.2傳動機構的類型及功用(TypeandAp343、帶傳動與鏈傳動帶傳動及鏈傳動多用于中心距較大的傳動。4、連桿機構連桿機構在機械設備及日常生活中有大量應用。5、凸輪機構。由于凸輪機構是高副接觸，決定了這種機構主要用于傳遞運動。

3、帶傳動與鏈傳動3514.2.3執(zhí)行機構的運動類型及典型機構(MotionTypeofExecutiveMechanismandItsTypicalMechanisms)機器中最接近被作業(yè)工件一端的機構稱為執(zhí)行機構。執(zhí)行機構中接觸工件或執(zhí)行終端運動的構件稱為執(zhí)行構件。機器通過執(zhí)行構件完成作業(yè)任務。執(zhí)行機構的運動分為直線運動、回轉運動、任意軌跡運動、點到點的運動及位到位的運動等主要五種運動形式。實現(xiàn)不同運動形式的典型機構主要有：1、實現(xiàn)直線運動的機構(MechanismtoGainStraightLinePath)1)齒輪-齒條機構(Pinion-Rack)齒輪的正、反向回轉可以使齒條做往復直線運動14.2.3執(zhí)行機構的運動類型及典型機構(Motion362)螺旋機構(ScrewMechanism)絲杠的回轉可以使螺母實現(xiàn)往復直線運動3)曲柄滑塊機構(Crank-Slider)當曲柄連續(xù)回轉時，滑塊可做往復直線運動2)螺旋機構(ScrewMechanism)3)曲柄滑374)雙搖桿機構起重機的變幅機構5)鏈傳動（直線段部分的運動）(ChainDriveMechanism)帶有翼片的鏈傳動，可以拖動被作業(yè)件在兩鏈輪間的直線段做直線運動。4)雙搖桿機構5)鏈傳動（直線段部分的運動）(Chain382、實現(xiàn)回轉運動的機構(MechanismtoRealizeRotaryMotion)1)齒輪傳動機構(GearTransmmisionMechanism2)雙曲柄機構（含平行四邊形機構）(DoubleCrankMechanism)一曲柄回轉可帶動另一曲柄做等速或不等速回轉運動3)鏈傳動及帶傳動(TrainandBeltTransmissions)可以實現(xiàn)較長距離的回轉運動2、實現(xiàn)回轉運動的機構(MechanismtoReali393、實現(xiàn)運動軌跡的機構(Mechanismtorealizeanymotionpath)1)四桿機構（連桿曲線）(Four-barLinkage)

四桿機構的連桿上的每一點均可以實現(xiàn)一定的封閉運動軌跡3、實現(xiàn)運動軌跡的機構(Mechanismtoreali402)開式鏈機構(OpenChainMechanism)任何開式鏈機構上的端點都可以實現(xiàn)一定的運動軌跡，工業(yè)機器人操作機大多是由開鏈機構組成的。2)開式鏈機構(OpenChainMechanism)414、點到點的運動機構(MechanismtoRealizePoint-to-pointMotion)1)曲柄滑塊機構(Crank-slidingMechanism)合理的設計曲柄滑塊機構的尺寸，可以實現(xiàn)滑塊的點到點的運動2)凸輪機構(Cam)

擺動從動件凸輪機構及直動從動件凸輪機構均可實現(xiàn)點到點的運動5、位到位的運動機構(MechanismtoRealizeMotionBetweenPositions)在四桿機構應用中，連桿及搖桿占據(jù)空間兩個及兩個以上位置的情況隨處可見，如：4、點到點的運動機構(MechanismtoRealiz421)熱處理爐爐門開閉機構(ClosingandOpeningMechanismofDoorofFurnaceforHeatTreatment)

爐門可以占據(jù)開啟和閉合兩個位置2)飛機起落架機構(PlaneUndercarriageMechanism)起落架可以使輪子占據(jù)收起和放下兩個位置1)熱處理爐爐門開閉機構(ClosingandOpen4314.2.4執(zhí)行機構的運動協(xié)調與運動循環(huán)圖(MotionAdjustmenttoExcutiveMechanismandItsMotionCirculationChart)多數(shù)機器不只有一個執(zhí)行構件，往往是許多執(zhí)行構件協(xié)調工作以完成同一任務。運動循環(huán)圖即可表示出各執(zhí)行機構間的時序協(xié)調關系。另一種情況是，某些機械的多個執(zhí)行構件在完成同一任務時，需有準確而協(xié)調的運動時間和運動順序的安排，以防止出現(xiàn)某一執(zhí)行構件工作不到位或兩個以上執(zhí)行構件在同一空間發(fā)生干涉。運動循環(huán)圖分為：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。14.2.4執(zhí)行機構的運動協(xié)調與運動循環(huán)圖(Motion44

在編制運動循環(huán)圖時，要選擇一個構件為定標件，用它的運動位置（轉角或位移）作為確定其他執(zhí)行構件運動先后次序的基準。有如下三種形式：直線式運動循環(huán)圖，圓周式運動循環(huán)圖及直角坐標式運動循環(huán)圖。在編制運動循環(huán)圖時，要選擇一個構件為定標件，用它4514.2.5機械方案設計準則(GeneralRuleforSchemeDesign)1、傳動鏈應盡可能短；

2、機械效率應盡可能高；

3、傳動比的分配應盡可能合理；

4、傳動機構的順序安排應盡可能恰當；

5、機械的安全運轉必須保證。14.2.6機械方案的評價(EvaluationofMechanicalScheme)

實現(xiàn)同一工作任務，且滿足工藝要求和性能指標時，可以設計出多種機械運動方案來。必須再經(jīng)過充分的、細致的分析比較，以決定取舍。最后保留的設計方案應是最優(yōu)方案。14.2.5機械方案設計準則(GeneralRule46每一部機器都是由原動機，執(zhí)行機構及傳動機構組成的，因此需分別對原動機及各機構進行評價，然后經(jīng)綜合可獲得對一部機器整機的評價。建立評價體系是量化評價的方法之一。機械系統(tǒng)設計方案的