1、第14章 機械系統(tǒng)運動方案設計,第一節(jié)機械總體方案設計 機械系統(tǒng)方案設計是機械產(chǎn)品創(chuàng)新與質(zhì)量保證的首要環(huán)節(jié)。 一般而言，機械產(chǎn)品是以機械運動為特征的技術系統(tǒng)，所以機械系統(tǒng)方案設計的核心是機械運動方案設計，它在機械系統(tǒng)設計的總體中，占有十分重要的地位，也是最具創(chuàng)造性和綜合性的內(nèi)容。 一、機械產(chǎn)品的設計過程 機械設計的一般進程，可以分為五個階段，即：產(chǎn)品規(guī)劃(概念設計)、總體方案設計、結構技術設計、生產(chǎn)施工設計(工藝設計)和改進設計。 二、機械總體方案設計的目的和內(nèi)容 (一) 總體方案設計的目的 進行機械產(chǎn)品規(guī)劃、確定設計任務、明確設計的要求和條件，進行功能原理設計，擬定機械功能結構方案，選擇機構

2、類型，得出若干機械系統(tǒng)運動方案，為詳細的結構設計及設計方案的評價、優(yōu)選、決策做好準備工作。,(二)總體方案設計的內(nèi)容 1. 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 主要有功能原理設計、動作及運動設計、執(zhí)行機構的型式設計、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計和執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價與決策。 2. 原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計 包括傳動類型和傳動路線的選擇，傳動鏈中機構順序的安排和各級傳動比的分配。 3. 控制系統(tǒng)的方案設計 4. 其它輔助系統(tǒng)的設計 包括潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等的設計。,第二節(jié) 現(xiàn)代設計觀念與創(chuàng)新設計簡介,一、現(xiàn)代設計觀念 (一) 機械設計的歷史 人類的設計工作大致經(jīng)歷了以下幾個

3、階段： 1. 直覺設計階段 憑直觀感覺來設計制作工具和機械，往往帶有一定的盲目性。 2. 經(jīng)驗設計階段 依靠個人的才能和經(jīng)驗，運用一些基本設計計算理論，借助類比、模擬和試湊等設計方法進行設計。 3. 半理論半經(jīng)驗設計階段 加強了設計基礎理論、各種專業(yè)機械產(chǎn)品設計機理以及關鍵零部件的設計研究，使設計者能夠充分利用數(shù)據(jù)、圖表和手冊等進行設計，減少了設計的盲目性，增加合理性。,(二) 現(xiàn)代設計方法的產(chǎn)生 由于電子計算機日漸廣泛的應用，設計方法學(Design methodology)和創(chuàng)造方法學(Creation methodology)的迅速發(fā)展以及科學技術的進步，使機械產(chǎn)品的設計工作發(fā)生了質(zhì)的變

4、化，出現(xiàn)了一系列新興學科分支，主要有設計方法學、優(yōu)化設計(Optimal design)、價值工程(Value engineering)、計算機輔助設計(CAD)、可靠性設計(Reliability design)、工業(yè)藝術造型設計(Visual design)、模塊化設計(Modular design)、反求工程(Inverse engineering)、有限元法(Finite element method)、機械動態(tài)設計(Dynamic design)等等。還有其它新的設計方法，如相似性設計(Similarity design)、系統(tǒng)化設計(Systematization design)、

5、并行設計(Concurrent design)、人機工程學(Man-machine engineering，ergonomics)、模態(tài)設計(Modal design)等等?，F(xiàn)代設計在設計指導思想、設計對象、設計方法和設計手段上都有著顯著特點和先進性。 機械創(chuàng)新設計(Creative design)是現(xiàn)代機械設計的核心，機械系統(tǒng)運動方案設計的每一個環(huán)節(jié)，都包含有創(chuàng)新設計的內(nèi)容，都離不開創(chuàng)造性思維。,(三)機械現(xiàn)代設計和創(chuàng)新設計的特點 從經(jīng)驗積累上升到系統(tǒng)理論，更具科學性。 由漫長的相對穩(wěn)定到充滿活力的快速飛躍發(fā)展，更具創(chuàng)造性。 從較單一的應用力學體系發(fā)展到多學科融合的系統(tǒng)工程，更具 多元性。

6、從設計的指導思想、理論體系以及設計技法、設計的物質(zhì)手段都充分體現(xiàn)了最新的科學技術成就，更具完美性。 設計“綠色機器”成了現(xiàn)代機械設計追求的目標。 二、創(chuàng)造性設計與創(chuàng)造性思維 創(chuàng)造性設計是現(xiàn)代設計的基石。在工程設計中，無論是確定技術原理、還是確定系統(tǒng)的功能結構，乃至具體零件的尺寸、形狀、制造方法等，充分發(fā)揮人的創(chuàng)造力，就能創(chuàng)造出各種原理獨特、結構新穎的機械產(chǎn)品。 創(chuàng)造性思維具有獨立性、連動性、多向性、跨越性和綜合性的特點。,執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(tǒng)中的重要組成部分，是直接完成機械系統(tǒng)預期工作任務的部分。 執(zhí)行系統(tǒng)由一個或多個執(zhí)行機構組成。執(zhí)行構件是執(zhí)行機構的輸出構件，其數(shù)量及運動形式、運動規(guī)律和傳動特

7、性等要求，決定了整個執(zhí)行系統(tǒng)的結構方案。 機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計是機械系統(tǒng)總體方案設計的核心，是整個機械設計工作的基礎。,第三節(jié) 機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計,一、機械執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計的主要內(nèi)容和過程,執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計，是在產(chǎn)品規(guī)劃明確擬定了其功能目標后進行的。其過程表示在圖中。, 功能原理設計 根據(jù)機械預期實現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來實現(xiàn)所需的功能要求。采用不同的工作原理設計出的機械，其性能、結構、工作品質(zhì)、適用場合等都會有很大的差異，因此必須根據(jù)機械的具體工作要求，如強度、精度、壽命、效率、產(chǎn)量、成本、環(huán)保等諸多因素綜合考慮確定。同時在滿足要求的前提下盡可能多采用幾個方案。 動作

8、及運動設計 根據(jù)工藝要求進行工藝動作的分解及執(zhí)行運動的確定。同一個工作原理，可以有多種工藝動作分解。不同的工藝動作分解，將會得到不同的設計結果。 執(zhí)行機構型式設計 實現(xiàn)同一種運動，可以選擇不同型式的機構。執(zhí)行機構的型式設計，即選用何種機構來實現(xiàn)所需運動，這需要考慮機構的動力特性、機械效率、制造成本等因素。, 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計 對于由多個執(zhí)行構件及執(zhí)行機構組合而成的復雜機械，必須使這些執(zhí)行構件的運動以一定的次序協(xié)調(diào)配合，以完成預期的工作要求。 機構的尺度設計 對所選擇的各個執(zhí)行機構進行運動和動力設計，確定各執(zhí)行機構的運動學尺寸，如轉(zhuǎn)動副間的相對位置尺寸、移動副的導路位置、高副運動副元素的幾何形

9、狀及尺寸等等。 運動和動力分析 對整個系統(tǒng)進行運動分析和動力分析，檢驗是否滿足運動要求和動力性能方面的要求。 方案評價與決策 方案評價包括定性評價和定量評價。實現(xiàn)同一種功能要求，可以采用不同的工作原理；實現(xiàn)同一種工作原理，可以選擇不同的運動規(guī)律；實現(xiàn)同一種運動規(guī)律，可以采用不同型式的機構。因此，為了實現(xiàn)同一種預期的功能要求，可以有多種不同的方案。機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設計所要研究的課題，就是如何合理地利用設計者的專業(yè)知識和分析能力，創(chuàng)造性地構思出各種可能的方案，并從中選出最佳方案。,(一) 巧妙的構思 根據(jù)設計對象的用途和要求，合理表述機械的功能目標或原理。 通常表述越抽象，思路就會更寬。 要充分關

10、注在進行功能原理設計和工藝動作分解時要考慮的影響因素，如產(chǎn)品加工批量、品種、規(guī)格、生產(chǎn)率、質(zhì)量與工藝要求、材料、生產(chǎn)流程、工藝路線及生產(chǎn)方式等。 確定合適的技術原理。,二、執(zhí)行系統(tǒng)運動方案設計的思路與策略, 找準功能原理設計的原點。 仿生法。模仿人或動物的動作，進行分解，構思出實現(xiàn)預定工作原理的運動和結構。,搓元宵機,滾珠綜合檢測裝置,充分考慮工作對象及物料的幾何特性、力學特性。,(二) 功能分析與功能求解 1. 功能分析 功能分析法(Function analysis)是系統(tǒng)設計中擬定功能原理方案的主要方法。 一臺機器所能完成的功能，稱為機器的總功能(Total function)。功能分析

11、法就是將機械產(chǎn)品的總功能分解成若干功能元(Function element)，然后求解功能元，再將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價選擇。,2. 功能求解 根據(jù)機構的基本功能，歸納整理為功能元。任何一個復雜的機構系統(tǒng)所要實現(xiàn)的運動，都可以認為是由一些基本的功能元按一定規(guī)律組成的，根據(jù)功能元就易于找到相應的功能載體，實現(xiàn)功能元的求解。,基本功能元及符號表示, 列出功能元解的目錄。為了便于設計人員進行功能原理的構思，可以將有關的功能元解，按一定的分類排序原則，用矩陣表的形式列出。 注意功能求解的技巧。進行功能求解時，應注意以下幾點： 確定工藝動作時要充分注意機械自身的特點 把復雜的

12、工藝動作先進行分解再合成 分解后的運動規(guī)律要協(xié)調(diào)配合,三、機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理及運動方案設計的多方案性,為實現(xiàn)同一預定的功能目標，可以選擇不同的功能原理來實現(xiàn)，選用不同的技術原理來完成。 例 1 斜面的應用螺旋壓力機、螺旋千斤頂、螺紋聯(lián)接件、螺旋輸送機、螺桿泵、螺旋微動機構、千分尺等 例 2 齒輪加工方法 無屑加工(精密鑄造、粉末冶金成型、滾壓成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盤狀齒輪銑刀和指狀齒輪銑刀、展成法的滾齒和插齒,例 3 糖果包裝機設計,例 4 自動輸送料板的裝置,工藝動作分解與運動方案選擇有著密切關系。實現(xiàn)同一機器功能時，應盡可能采用動作簡單、工序少數(shù)的動作過程。

13、例 5加工內(nèi)孔,例 6加工平面,四、執(zhí)行機構的型式設計與創(chuàng)新 根據(jù)各基本動作或功能的要求，選擇或創(chuàng)造合適的機構型式來實現(xiàn)這些動作的工作過程，稱為執(zhí)行機構的型式設計，又稱為機構的型綜合。 執(zhí)行機構型式設計的優(yōu)劣，直接影響機械的工作質(zhì)量、使用效果和結構的繁簡程度。這是一項極具創(chuàng)造性的工作。,(一) 執(zhí)行機構型式設計的原則 滿足執(zhí)行構件的工藝動作和運動要求。 盡量簡化和縮短運動鏈。, 盡量減小機構尺寸,s=2a, 選擇合適的運動副形式 考慮動力源的形式,電動機作動力源,往復式油缸作動力源,保證機械的安全運轉(zhuǎn), 使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力和動力特性 使機械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力,(二) 執(zhí)行機構的選

14、型 按照執(zhí)行構件所需的運動形式和運動變換功能要求，從各種常用機構中進行分析、比較和選擇。滿足運動形式和功能變換的要求，是執(zhí)行機構選型首先要考慮的因素。 實現(xiàn)運動變換功能及其對應機構舉例： 實現(xiàn)運動合成與分解的機構(差動輪系、差動螺旋等) 實現(xiàn)運動軸線變換的機構(空間齒輪機構、摩擦傳動、氣液傳動等) 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變換的機構(所有非勻速變換機構) 實現(xiàn)運動分支、連接、離合、過載保護等其他功能的機構和裝置 從運動變換的角度看，任何一個復雜的執(zhí)行機構，都是由一些基本機構(如平面四桿機構、凸輪機構、齒輪機構、平面五桿機構、差動輪系等)組成。,(三) 機構構型的創(chuàng)新設計 從常用機構中選擇一種功能和原理與工作要

15、求相近的機構，在此基礎上重新構造機構的型式，稱為機構構型的創(chuàng)新設計。 機構的構型創(chuàng)新設計主要由以下常用方法： 1. 充分利用現(xiàn)有機構的運動特點創(chuàng)新機構,利用連桿和搖桿的擺動特性構成的風扇搖頭機構,利用連桿的導引運動特性構成的罩殼啟閉機構,應用簡單的周轉(zhuǎn)輪系，將齒輪和轉(zhuǎn)臂的構形和功能加以擴展的新型抓斗機構,應用搖桿滑塊機構的傳統(tǒng)抓斗機構,2.利用基本機構構型的變異設計新機構 改變機構局部結構。,變換機構運動副的類型 例如轉(zhuǎn)動副與移動副的互換，高副和低副的轉(zhuǎn)換。 利用運動鏈形成機構的原理進行機構創(chuàng)新。,例 8 車輪減震機構的創(chuàng)新設計,有停歇特征的導桿機構,車輪減震機構的六種方案,(四) 機構組合創(chuàng)

16、新 單一的基本機構往往由于其本身所固有的局限性而無法滿足多方面的要求。為了滿足了生產(chǎn)發(fā)展所提出的許多新的更高的要求，人們嘗試將各種基本機構進行適當?shù)慕M合，使各基本機構既能發(fā)揮其特長，又能避免其本身固有的局限性，從而形成結構簡單、設計方便、性能優(yōu)良的機構系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)中所提出的多種要求和提高生產(chǎn)自動化的程度。 將幾個基本機構按一定的原則或規(guī)律組合成一個復雜的機構或機械系統(tǒng)，稱為機構的組合(Combination of mechanisms)。機構的組合，其實質(zhì)就是通過各種基本機構間以一定形式的相互聯(lián)接，實現(xiàn)前置輸出運動的變換、疊加和組調(diào)，得到輸入輸出不同于任何基本機構的運動學、動力學特征的新的

17、機構或機械系統(tǒng)。 基本機構主要是指連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間歇運動機構等。通過不同的組合方式將各種基本機構進行組合得到的新的機構或機械系統(tǒng)稱為組合機構(Combined mechanism)。 組合機構的組成及特點,組合機構的類型及應用 1. 聯(lián)動凸輪組合機構(Coupled cam combined mechanism) 聯(lián)動凸輪組合機構,放映機的抓片機構,此抓片機構采用了聯(lián)動凸輪機構，通過兩凸輪的聯(lián)動作用，使抓片爪按矩形軌跡運動，從而達到間歇抓片的目的。,筆芯裝配線送進機構,此裝配線采用了聯(lián)動凸輪機構，使筆芯托架沿著矩形軌跡運動，從而達到使圓珠筆芯步進式地向前送進的目的。,2. 凸輪

18、齒輪組合機構(Cam-gear combined mechanism) 凸輪齒輪組合機構 3. 凸輪連桿組合機構(Cam-linkage combined mechanism) 凸輪連桿組合機構 4. 齒輪連桿組合機構(Gear-linkage combined mechanism) 齒輪連桿組合機構,(五) 執(zhí)行機構型式設計實例 例 9 牛頭刨床切削運動機構 基本要求：將連續(xù)回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復直線移動，刨頭在切削過程中的移動速度應近似等速，具有急回特性，加速度的變化不應過于劇烈，有良好的傳力特性，行程可調(diào)。 可供選擇的基本機構：螺旋機構、齒輪齒條機構、直動從動件凸輪機構、曲柄滑塊機構、移動導

19、桿雙滑塊機構等。 根據(jù)傳力要求約束，以選擇低副機構為宜。 基礎機構的選擇：輸出運動為往復移動的曲柄滑塊機構或搖桿滑塊機構。前置輸入基本機構的基本要求是能為基礎機構的搖桿或曲柄提供一非勻速的運動，使之具有急回特性和在慢行程中滑塊近似等速。而且能滿足減少縱向尺寸、易于調(diào)整安裝、使用維護方便的要求。,牛頭刨床的基礎機構,牛頭刨床切削運動機構的不同組合方案,牛頭刨床切削運動機構的工作過程,基本要求 了解機械系統(tǒng)設計的整個過程，明確機械系統(tǒng)總體方案設計階段的設計目的及工作內(nèi)容。 了解機械系統(tǒng)總體方案設計中應具有的現(xiàn)代設計觀念以及機械現(xiàn)代設計和創(chuàng)新設計的特點，逐步學會在機械執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的方案設計和原

20、動機選擇過程中，正確靈活運用這些設計思想。 了解機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的過程和具體設計內(nèi)容，學會根據(jù)機械預期實現(xiàn)的功能要求，進行功能原理設計的創(chuàng)新構思；學會根據(jù)工作原理提出的工藝動作要求，創(chuàng)造性地構思出合適的運動規(guī)律。 掌握執(zhí)行機構型式設計的原則，學會運用選型和構型的方法進行執(zhí)行機構型式的創(chuàng)新設計。 了解執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計的目的和原則，掌握機械運動循環(huán)圖的繪制方法。 了解方案評價的意義、評價準則、評價指標和評價方法。,課程設計說明書,課程設計說明書是技術說明書中的一種，每個學生畢業(yè)后都要接觸實際的技術工作，都要會寫技術報告、產(chǎn)品說明書等文件。因此學生在校期間應受到這方面的訓練，掌握這一必須的基本技能。 編寫課程設計說明書，是對課程設計的總結。,課程設計說明書的內(nèi)容,一、機構簡介（包括設計條件和要求） 二、執(zhí)行機構的選擇與比較 三、主要機構設計（包括計算編程及機構幾何尺寸的選取） 四、機構的運動分析 五、原動機的選擇 六、傳動機構的選擇與比較 七、制定機械系統(tǒng)的運動循環(huán)圖 八、對結果的分析和設