1、機械設計,第二十二章,機 械 系 統(tǒng) 設 計,第一節(jié) 機械系統(tǒng)的組成 第二節(jié) 機械系統(tǒng)方案設計概述 第三節(jié) 原動機的選擇 第四節(jié) 機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 第五節(jié) 機械傳動系統(tǒng)的方案設計 第六節(jié) 機械控制系統(tǒng)簡介,返回章目錄,第一節(jié) 機械系統(tǒng)的組成,一、機械系統(tǒng)的組成,原動機,傳動系統(tǒng),執(zhí)行機構,控制系統(tǒng),機械系統(tǒng)的組成,機械系統(tǒng)通常由原動機、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機構（又稱工作機）和控制系統(tǒng)及其他輔助零部件組成。,輔助系統(tǒng),輔助系統(tǒng),原動機是機械系統(tǒng)中的驅動部分，它為系統(tǒng)提供能量或動力，并將能量轉化為系統(tǒng)所需要的運動形式。,工作機是機械系統(tǒng)中的執(zhí)行部分，系統(tǒng)通過這部分中某些構件的運動實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。,

2、傳動裝置則是把原動機和工作機有機聯(lián)系起來，實現(xiàn)能量傳遞和運動形式的轉換。,控制系統(tǒng)的功能是通過控制元件或控制裝置對系統(tǒng)進行控制。,輔助系統(tǒng)的作用是保證系統(tǒng)正常工作，改善操作條件，延長使用壽命等，如系統(tǒng)中使用的冷卻裝置、潤滑裝置、消聲裝置、安全保險和防塵裝置等。,電動大門的組成,第二節(jié) 機械系統(tǒng)方案設計概述,機械系統(tǒng)方案設計的主要內(nèi)容 原動機的選擇 傳動系統(tǒng)的方案設計 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計 控制系統(tǒng)的方案設計,機械系統(tǒng)方案設計的目的,就是通過調(diào)查研究進行機械產(chǎn)品規(guī)劃，確定設計任務、明確設計的要求和條件，在此基礎上尋求問題的解法及原理方案構思，進行功能原理設計，擬定機械功能原理方案，選擇機構類型，得

3、出一組可行的機械系統(tǒng)運動方案，為下一步進行詳細的結構設計作好原理方案方面的準備，也為最終進行評價、優(yōu)選、決策提供諸如可行性、先進性等等相關技術原理方面詳盡的科學依據(jù)。,機械系統(tǒng)方案設計的設計思想,機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)的方案設計除了需要豐富的實踐經(jīng)驗和扎實的理論知識，更需要科學的設計思想和方法，需要設計者具有現(xiàn)代設計的觀念、系統(tǒng)工程的觀念和工程設計的觀念。其主要思想如下：,（1）現(xiàn)代設計的觀念是指在確定機械系統(tǒng)方案時以信息論、控制論、智能理論等現(xiàn)代科學理論為基礎，并適當引入優(yōu)化設計、可靠性設計、工業(yè)造型設計、計算機輔助設計和反求設計等現(xiàn)代設計方法，使設計具有理論性、創(chuàng)造性和廣義性等特點。,（2）系統(tǒng)

4、工程的觀念是指在確定機械系統(tǒng)方案時應把開發(fā)設計的機械產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)來對待，首先從系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，將總體功能分解成若干功能單元，然后尋找出能完成各個功能的技術方案，再把這些方案有機地結合起來，綜合進行分析、評價和優(yōu)選，進而實現(xiàn)給定環(huán)境條件下的整體優(yōu)化。,（3）工程設計的觀念是指在確定機械系統(tǒng)方案時還要考慮人文、經(jīng)濟、藝術等非自然科學因素。因此在評價機械系統(tǒng)方案的優(yōu)劣時，還應考察其市場適應性、生產(chǎn)經(jīng)濟性、造型藝術性、操作安全性和維修方便性等方面是否達到要求。,第三節(jié) 原動機的選擇,一、原動機的類型及性能,原動機的選擇是機械系統(tǒng)方案設計中的重要內(nèi)容。,原動機按其輸入能量的不同可以分為兩種類型。

5、第一種類型叫做一次原動機，即把自然界的能源直接轉變?yōu)闄C械能,此類原動機主要有燃汽輪機和內(nèi)燃機等。,第二種類型叫做二次原動機，即將發(fā)電機等變能機所產(chǎn)生的各種形態(tài)的能量轉變?yōu)闄C械能,此類原動機有電動機、液壓馬達、氣動馬達、汽缸和液壓缸等。,1. 內(nèi)燃機,內(nèi)燃機是將燃料中的化學能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置。按燃料種類分, 可分為柴油機、汽油機和煤油機等；按主要機構的運動形式分,可分為往復活塞式和旋轉活塞式內(nèi)燃機；按一個工作循環(huán)中的沖程數(shù)分,可分為四沖程和二沖程內(nèi)燃機；按氣缸數(shù)目分,可分為單缸和多缸內(nèi)燃機。內(nèi)燃機的優(yōu)點是功率范圍寬、操作簡便、啟動迅速，適用于工作環(huán)境無電源的場合, 多用于船舶、車輛、工程機

6、械和農(nóng)業(yè)機械等。缺點為對燃油的要求高、排氣污染環(huán)境、噪音大、結構復雜。,2. 電動機,電動機是將電能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置。常用的電動機有直流電動機、交流電動機、交流和直流伺服電動機等。,直流電動機使用直流電源,其主要優(yōu)點是調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、啟動轉矩大，缺點為結構較復雜、維護工作量較大,且價格較高。,交流電動機分同步電動機和三相異步電動機。,伺服電動機是指能精密控制系統(tǒng)位置和角度的一類電動機。它體積小、重量輕，具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍和快速響應能力，其理想的機械特性和調(diào)節(jié)特性均為直線。,3. 液壓馬達,4. 氣動馬達,液壓馬達是把液壓能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置，常用的有齒輪式、葉片式和柱塞

7、式。主要優(yōu)點是可獲得很大的動力或轉矩, 通過改變油量來進行無級調(diào)速,能快速響應,操作控制簡單,易實現(xiàn)復雜工藝過程的動作要求。缺點是要求有高壓油的供給系統(tǒng),液壓系統(tǒng)的制造裝配要求高,否則易影響效率和運動精度。,氣動馬達是以壓縮空氣為動力,將氣壓能轉變?yōu)闄C械能的動力裝置，常用的有葉片式和活塞式。主要優(yōu)點是工作介質為空氣, 容易獲取且成本低廉；易遠距離輸送, 無污染； 能適應惡劣環(huán)境；動作迅速、反應快。其缺點是工作穩(wěn)定性差、噪音大, 輸出轉矩較小,只適用于小型輕載的工作機械。,二、原動機的選擇,原動機的選擇應考慮以下幾個方面的因素。,（1）考慮現(xiàn)場能源供應情況。在有電源的條件下盡可能選擇電力驅動，因

8、為其成本低，操作控制方便，機械活動范圍廣，離電源遠或無電源時可考慮選擇柴油機或汽油機。當有現(xiàn)成氣源時可選用氣動馬達和汽缸。,（2）考慮工作機械的負載特性、調(diào)速范圍、工作的平穩(wěn)性、啟動和制動的頻繁程度。,（3）考慮機械系統(tǒng)整體結構外形的需要。如在相同功率下,要求外形尺寸盡可能小、重量盡可能輕時 , 宜選用液壓馬達。,（4）考慮工作環(huán)境的因素，如防爆、防塵、防腐蝕等。對于易燃、易爆、多塵、振動大等惡劣環(huán)境中,宜采用氣動馬達。對于食品機械等要求對工作環(huán)境不能造成污染、且便于清洗時, 宜選用電動機或氣動馬達，如選擇油缸，則會因漏油而污染食品。,（5）考慮機械系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，如初始成本和運轉維護成本。此

9、外，所選原動機的額定功率雖必須滿足負載需要，但也不宜過大。對電動機來說，如所選的電動機功率過大，會造成功率因素過低而浪費；在額定功率相同的情況下,額定轉速越高的電動機尺寸越小,重量和價格也越低,所以高速電動機反而經(jīng)濟。,第四節(jié) 機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計,1. 功能原理設計,是根據(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。例如要求設計一個齒輪成形設備, 成形的原理既可選擇基于材料彈塑性變形原理的沖壓、滾扎等方法，也可選擇基于熔融成形原理的、化學腐蝕的或電化學的方法，還可以采用基于材料切削的仿形法和展成法等等。,2. 動作及運動設計,是在工作原理選定之后，根據(jù)工藝要求進行工藝動

10、作的分解及執(zhí)行運動的確定。例如齒輪成形選擇用展成法進行加工，則根據(jù)展成工藝，可以分解為切削、展成、進刀三個工藝動作，由此確定了該齒輪加工機床要具有三個獨立的執(zhí)行運動，即往復直線運動（切削）、對滾運動（展成）和徑向進刀（直線）運動。執(zhí)行運動確定之后，也就確定了執(zhí)行構件的數(shù)目。一個執(zhí)行構件可以完成一個執(zhí)行運動，也可完成幾個執(zhí)行運動。例如在齒輪加工機床中，刀具可以完成切削和進刀兩個動作。,3. 執(zhí)行機構型式設計,4. 執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計,所謂機構型式設計，是指究競選擇何種機構來實現(xiàn)上述運動。例如，為了實現(xiàn)刀具的上下往復運動，既可以采用曲柄滑塊機構和齒輪齒條機構，也可采用螺旋機構或凸輪機構，還可以采用

11、組合機構。,機械通常由多個執(zhí)行構件及執(zhí)行機構組合而成，這些執(zhí)行構件在運動時應互相配合，按一定的次序協(xié)調(diào)動作，否則就會破壞機械的整個工作過程。因此執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計就是根據(jù)工藝過程對各動作的要求, 分析各執(zhí)行構件應如何協(xié)調(diào)和配合。,5. 機構的尺度設計,6. 運動和動力分析,7. 方案評價與決策,是對所選擇的各個執(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狀及尺寸、螺旋機構的螺紋頭數(shù)與螺距等，然后繪制出各執(zhí)行機構的運動簡圖。,對整個執(zhí)行系統(tǒng)進行運動分析和動力分析，以檢驗是否滿足運動要求和動力性能方面的要求。,評價包括定

12、性評價和定量評價。從而對設計做出決策。,第五節(jié) 機械傳動系統(tǒng)的方案設計,一、傳動類型的選擇,傳動系統(tǒng)根據(jù)其結構、運動及動力傳遞與變換等特征，可劃分成多種型式。為了獲得理想的設計方案，需要合理選擇傳動類型。,1、按傳動的結構及工作原理分,機械傳動,流體傳動,電氣傳動,一、傳動類型的選擇, 機 械 傳 動,嚙合 傳動,摩擦 傳動,單級齒輪傳動,(圓柱齒輪、圓錐齒輪、 蝸桿蝸輪、螺旋齒輪),齒輪系傳動,(定軸輪系、周轉輪系),撓性嚙合傳動,(鏈傳動、同步齒形帶傳動),螺旋傳動,(滑動螺旋、滾動螺旋),撓性摩擦傳動,摩擦輪傳動,(帶傳動),一、傳動類型的選擇, 流 體 傳 動,液壓傳動,氣壓傳動,液力

13、傳動, 電 氣 傳 動,利用電動機和電氣裝置實現(xiàn)的傳動。,液體黏性傳動,2、按傳動比和輸出速度的變化情況分,定傳動比,變 傳 動 比,恒定,齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、 蝸桿傳動、螺旋傳動， 不調(diào)速的電力、液壓及氣壓傳動,有級變速,無級變速,周期性變速,可調(diào),恒定,可調(diào),恒定,可調(diào),恒定,數(shù)控的電力傳動,非圓齒輪傳動，凸輪機構， 連桿機構及組合機構,內(nèi)燃機調(diào)速傳動， 電力、液壓及氣壓無級調(diào)速傳動,機械無級變速器，磁粉離合器 液力耦合器及變矩器， 電磁滑塊離合器，流體粘性傳動,電力、液壓傳動中的有級調(diào)速傳動,帶塔輪的帶傳動,滑移齒輪變速箱,二、傳動鏈的方案設計,在根據(jù)系統(tǒng)的設計要求及各項技術、經(jīng)濟

14、指標選擇了傳動類型后, 若對選擇的傳動機構作不同的順序布置或作不同的傳動比分配, 則會產(chǎn)生出不同效果的傳動方案。只有合理安排傳動路線、恰當布置傳動機構和合理分配各級傳動比, 才能使整個傳動系統(tǒng)獲得滿意的性能，這是傳動鏈方案設計的主要任務。,1. 傳動路線的選擇,串聯(lián)式傳動路線,原動機,傳動機構1,執(zhí)行機構,傳動機構n,傳動機構2,全部能量流過每一個傳動機構，故所選的傳動機構必須都具有較高的效率，以保證傳動系統(tǒng)具有較高的總效率。,串聯(lián)式傳動路線,并聯(lián)式分路傳動路線,原 動 機,傳動機構11,傳動機構21,傳動機構m1,傳動機構1n,傳動機構2n,傳動機構mn,N 自 由 度 執(zhí) 行 機 構,特點

15、是系統(tǒng)中只有一個原動機，但需多個傳動機構。,并聯(lián)式分路傳動路線,連桿-齒輪機構的并聯(lián)組合,2. 傳動鏈中傳動機構的順序,傳動鏈中傳動機構的先后順序關系到對整個機械的工作性能和結構尺寸。當采用幾種傳動形式組成多級傳動時，應合理安排各機構在傳動鏈中的順序。 通常應注意以下幾點。,（1）帶傳動一般宜布置在高速級。帶傳動的承載能力較低，傳遞相同轉矩時，結構尺寸較其它傳動機構大，但其傳動平穩(wěn)，能緩沖減振，且過載時容易打滑，可防止后續(xù)傳動機構中其它零件損壞。,（2）鏈傳動一般宜布置在中、低速級。鏈傳動沖擊振動較大, 運轉不均勻，不宜布置在高速級。,（3）斜齒輪傳動宜布置在高速級上。斜齒輪傳動較平穩(wěn)、結構緊

16、湊且承載力高，當與直齒圓柱齒輪機構組成兩級傳動時應安排在高速級。,（4）蝸桿蝸輪機構宜安排在高速級。蝸桿蝸輪機構傳動平穩(wěn)，但效率較低，不適合用于長期連續(xù)運轉或傳遞較大功率的機械。當與齒輪機構組成兩級傳動時，將蝸桿蝸輪機構安排在高速級可以減小蝸輪尺寸，節(jié)約有色金屬，并且在高速下蝸輪與蝸桿能形成較高的相對滑動速度, 有利于形成潤滑油膜而提高傳動效率。,（6）開式齒輪傳動機構宜布置在低速級。開式齒輪傳動機構工作環(huán)境較差，不利于潤滑，磨損嚴重。,（5）錐齒輪傳動機構宜布置在高速級。大直徑、大模數(shù)的錐齒輪加工較困難，應盡量安排在高速級，并限制傳動比的大小，以減小錐齒輪的直徑和模數(shù)。,3. 傳動比的分配,

17、傳動系統(tǒng)各級傳動比分配得是否合理，關系到傳動系統(tǒng)的外廓尺寸是否緊湊，零件之間是否會干涉以及安裝是否方便等。每一級傳動比應在各類傳動機構的合理范圍內(nèi)選取，當齒輪傳動鏈的傳動比比較大時，通常應采用多級齒輪傳動。,各種傳動的傳動比常用值,平帶傳動 i =24，最大5,V帶傳動 i =24，最大7,圓柱摩擦輪傳動 i =24，最大5,鏈傳動 i =25，最大6,圓柱齒輪傳動 i =35，最大8,蝸桿傳動 i =1040，最大80,圓錐齒輪傳動 i =23，最大5,二級圓柱齒輪傳動i =240，最大60,二級錐柱齒輪傳動i =815，最大40,齒輪蝸桿傳動i =6090，最大320,三、應用舉例,如圖為

18、半自動三軸鉆床，它需要完成兩個動作：一是3個鉆頭同時同速進行鉆削運動，二是工件垂直向上的進給運動，因此需要兩個執(zhí)行機構。,由于兩路傳動的功率都不大且均需減速，可采用一個原動機，共用第一級減速，然后再分路傳動。,故采用了混合式傳動路線。,第六節(jié) 機械控制系統(tǒng)簡介,一、機械控制系統(tǒng)的組成,比 較環(huán) 節(jié),給定 環(huán)節(jié),校正及 放大環(huán)節(jié),執(zhí)行 環(huán)節(jié),被控 對象,測量 環(huán)節(jié),（開環(huán)系統(tǒng)沒有測量和比較環(huán)節(jié)）,給定環(huán)節(jié),校正及放大環(huán)節(jié),給定環(huán)節(jié)的功能是給出與反饋信號同樣形式和因次的控制信號，用于確定被控對象“目標值”的環(huán)節(jié)。給定環(huán)節(jié)的物理特性決定了給出的信號可以是電量、非電量，也可以是數(shù)字量或模擬量。,校正及放大環(huán)節(jié)的功能是將偏差信號作必要的校正，然后進行功率放大以便推動執(zhí)行環(huán)節(jié)。常用的放大類型有電流放大、電壓與液壓放大等。,執(zhí)行環(huán)節(jié),測量環(huán)節(jié),執(zhí)行環(huán)節(jié)的功能是接收放大環(huán)節(jié)的控制信號, 驅動被控對象按照預期的規(guī)律運行。執(zhí)行環(huán)節(jié)一般能將外部能量傳送給被控對象, 工作中要進行能量轉換 , 如把電能通過電機轉換成機械能, 驅動被控對象作機械運