重庆大学机械原理.ppt

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第七章 机械系统运动方案设计 第一节　机械总体方案设计 　　 重要性 　　直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企 业效益。 核心内容 　　机械运动方案设计，最具创造性和综合性。 一、机械产品的设计过程 五个阶段 　　产品规划(概念设计)、总体方案设计、结构技术设计、　　 生产施工设计(工艺设计)、改进设计。 阶 段 步　骤 方　法 主 要 指 导 理 论 产 品 规 划 设计方法 预测技术 设计方法学 技术预测理论 市场学 信息学 机械产品设计一般进程 信息集约 可行性报告、设计要求项目表 产品设计任务 预测调研 可行性分析 明确任务要求 阶 段 步　骤 方　法 主 要 指 导 理 论 原 理 方 案 设 计 系统化设计法 创造技法 评价决策方法 系统工程学 形态学 创造学 思维心理学 决策论 模糊数学 总功能分析 原理参数表、方案原理图 功能分解 功能载体组合 功能原理方案(多个) 功能元求解 原理试验 评价决策 最优原理方案 阶 段 步　骤 方　法 主要指导理论 技 术 设 计 价值设计 优化设计 可靠性设计 宜人性设计 产品造型设 计 系列化设计 机械性能设 计 工艺性设计 自动化设计 价值工程学 最优化方法、工程 遗传算法 可靠性理论与实验 人机工程学 工业美学 模块化设计、 相似理论 有限元法、动态设 计、摩擦学设计、 高等机构学 机械设计的工艺基 础 控制理论、智能工 程、人工神经元计 算方法、专家系统 结构方案(多个) 结构价值分析 试验模型试验 总体设计 结构设计 造型设计 造型价值分析 外观方案(多个) 评价决策评价决策 最优结构方案 最优造型方案 最优技术设计方案 总体布置图、装配 草图、技术文件 总体效果图、 外观效果模型 阶 段 步　骤 方　法 主要指导 理论 施 工 设 计 各种制造、装 配、造型、装 饰、检验等方 法 各种工艺学 批 量 生 产 计算机辅助制 造 销 售 反馈控制法 零件工作图 外观件加工工艺、 面饰工艺规程 部件装配图 效果图、检验标准 技术文件 造型工艺文件 试　制 修　改 批量生产 技术服务 用户访问 　　 二、机械总体方案设计的目的和内容 　　目的 产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著， 在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设 计思想。　　 　内容　　 执行系统的方案设计 执行系统方案评价与决策 执行系统协调设计 执行机构型式设计 运动规律设计 系统功能原理设计 机构尺度设计 运动和动力分析 原动机类型的选择和 传动系统的方案设计 各级传动比的分配 传动链中机构 顺序的安排 传动路线选择 传动类型选择 控制系统的方案设计 其它辅助系统的设计 照明系统设计 安全保障系统设计 故障检测系统设计 冷却系统设计 润滑系统设计 第二节 现代设计观念与创新设计简介 　　 一、现代设计观念 (一) 机械设计的历 史 人类设计 经历的阶段 直觉设计阶段 凭直观感觉来设计制 作工具和机械，往往 带有一定的盲目性 经验设计阶段 依靠个人的才能和经验， 运用一些基本设计计算理 论，借助类比、模拟和试 凑等方法进行设计 半理论半经验 设计阶段 充分利用数据、图表和手册等 进行设计，减少了设计的盲目 性，增加了合理性 (二) 现代设计方法的主要分支 　　设计方法学(Design methodology) 　　优化设计(Optimal design) 　　价值工程(Value engineering) 　　计算机辅助设计(CAD) 　　可靠性设计(Reliability design) 　　工业艺术造型设计(Visual design) 　　模块化设计(Modular design) 　　反求工程(Inverse engineering) 　　有限元法(Finite element method) 　　机械动态设计(Dynamic design) 　　相似性设计(Similarity design) 　　系统化设计(Systematization design)　　 　　 并行设计(Concurrent design) 　　人机工程学(Man-machine engineering，ergonomics) 　　模态设计(Modal design)　　 　　 现代设计方法的核心 　　机械创新设计(Innovative design) 比较内容 传统设计 现代设计 设计性质 侧重技术 面向功能，将技术、经济和社会 环境因素结合在一起统筹考虑 设计进程 在战略进程和战术步骤上有 随意性 强调设计进程及其步序的模式化 设计手段 计算器、图板加手册的个体 手工作业 充分利用电子计算机进行计算、 自动绘图和数据库管理，集团分 工协作 设计方式 以经验总结、规范依据为主 强调预测与信号分析及创造性的 相互配合 设计部署 只限于从方案到工作图这个 阶段 贯穿开发的全过程，考虑全寿命 周期的质量信息反馈 设计思维 朝向结构方案的“收敛性思 维” 面向总体功能目标的“发散性” 思维 传统设计与现代设计的比较 比较内容 传统设计 现代设计 设计方法 采用少数的验证性分析以满 足限定的约束条件 多元性方法学直接综合使其在各 种条件下实现方案与全域优化目 标 设计目标 局限在微观和结构 注重全局构成及协调，包括造型 设计、宜人设计 设计考虑 的工况 按确定工况与静态考虑 研究动态的随机工况、模糊性及 随机性 设计评估 采用单项与人为准则 采用科学的模糊综合评判 传统设计与现代设计的比较 (三)机械现代设计和创新设计的特点 ● 从经验积累上升到系统理论，更具科学性。 ● 由漫长的相对稳定到充满活力的快速飞跃发展，更具创 造性。 ● 从较单一的应用力学体系发展到多学科融合的系统工程， 更具多元性。 ● 从设计的指导思想、理论体系以及设计技法、设计的物 质手段都充分体现了最新的科学技术成就，更具完美性。 ● 设计“绿色机器”成了现代机械设计追求的目标。 　　 二、创造性设计与创造性思维 　　创造性思维的主要特点 ● 独特性； ● 多向发散性； ● 非逻辑性； ● 连动性； ● 综合性。 部分创造技法 方法名称 方法的主要特点 方法的主要目的 特性列举法 将事物按名词、形容词、动词分 解为三方面特性，将每类特性加 以改变或延拓 化整为零，逐个研究改 进 希望点列举 法 根据社会需求或个人愿望，通过 列举希望来形成创新目标 将思维收敛于某“目标 ”，侧重自由联想，思 路更宽 缺点列举法 挑事物的毛病，提出改进设想 追求完满，追求卓越 智爆法 集合3~5人，根据议题自由畅谈， 不准批评，寻求创意 以量求质 设问探求法 根据多项创造性的提问，进行分 项检核，寻求创意 帮助人们广思，思考方 向和目标明确 联想类比法 通过比较，借助原有知识，在异 中求同，在同中求异 分析两事物的相同或相 似点，由此及彼 方法名称 方法的主要特点 方法的主要目的 组合法 按一定技术原理，将两个或多个 功能元素合并，形成新产品、新 工艺、新材料 产生新功能 功能分析法 紧紧围绕功能分析、求解、组合 寻找方案 满足产品的功能要求是 设计的核心 综摄法 把初次接触的事物或发现，联系 到熟悉的事物中，用新眼光变熟 悉为陌生，以新观点、新方式思 考问题 将毫无关联、完全不同 的知识要素结合起来形 成新方案 转向法 在求解问题中变换求解因素，采 用其他原理、改变思索方向 完善计划、修改方案、 修正观点 仿生法 模仿人或生物的生理原理、结构、 外形、感觉机理 向人或生物索取启迪 函询集智法 借助反复函求多名专家的书面意 见形成创意 具有匿名性，便于充分 发表看法 方法名称 方法的主要特点 方法的主要目的 635法 6人参加，每次每人写3个设想， 5分钟后交换，看过别人的设想 后，再修正和补充3个设想… 以笔代口，相互激励， 短时间内可产生较多的 设想方案 设计目录法 通过完备的设计信息库进行系统 搜索 有利于计算机辅助自动 化设计 评价法 通过评价寻找弱点加以改进完善 寻求最优解决方案 价值分析法 从经济效益出发分析和改进方案 追求高价值的产品 物场分析法 任何主体总是通过“场”作用于 客体，根据客体寻找合理的“场 ”和主体 使物场三要素相互作用 更有效，功能更完善、 可靠 分解法 把事物分解或离散，使问题暴露 出来，改进后重组 便于抓住主要矛盾，寻 求特色创意 形态综合法 对创造对象进行因素分解，列出 每个因素的全部形态(手段)，按 组合原理形成众多方案 寻找尽可能多的解，从 中选优 方法名称 方法的主要特点 方法的主要目的 专利利用法 利用专利文献寻求改进、完善设 想 防止盲目，避免重复劳 动 移植法 把一个对象的原理、方法运用于 另一个对象中 使已有技术在新领域中 延续和拓展 黑箱法 根据输入、输出内容，探求黑箱 内部的原理和结构 用因果逻辑关系寻求输 入与输出的最佳联系方 式 假拟设计 通过计算机模拟或虚拟现实完善 设计 高效、快速、低成本、 高质量 优化设计 建立研究对象的优化数学模型及 目标函数，用计算机对计算结果 进行分析、判断、寻优 高效、降低成本、提高 质量、适于各种复杂设 计 反求设计 利用现有科技成果引进先进技术， 消化吸收后创新 吃透原设计，创造更优 的设计 第三节 机械执行系统运动方案设计 　　 重要性 　　执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械 系统预期工作任务。 　　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，是整个机械设计工作的基础。 　　机械执行系统的组成 　　由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输 出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求， 决定了整个执行系统的结构方案。 　一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程 功能原理设计 根据需要制定机械的总功能，拟 定实现总功能的工作原理和技术 手段，确定机械所要实现的工艺 动作 运动规律设计 通过对工作原理所提出的工 艺动作进行分解，决定采用 何种运动规律来实现工作原 理 执行机构型式设计 决定选择何 种机构实现 给定的运动 规律 执行系统协调设计执行机构型式设计 根据工艺过程对各动 作的要求，分析各执 行机构应当如何协调 配合，设计出机械运 动循环图 确定各执行机 构的运动尺寸， 绘制出各执行 机构的运动简 图 运动和动力分析 检验执行系 统是否满足 运动要求和 动力性能方 面的要求 方案评价与决策 对方案进行定性 评价和定量评价 并从中选出最佳 设计方案 二、执行系统的功能原理设计 　　1. 功能原理的选择与构思 　　产品的功能 　　产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活 需要提出。 　　确定功能指标的考虑因素 　　先进性 　　可行性 　　经济性 　　功能原理设计的重要性 　　决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、 制造成本等。 　　功能原理设计的多方案性 　　工作原理不同，运动方案也不同 齿轮加工 剃齿 范成原理 仿形原理 　　工作原理相同，运动方案不同 齿轮加工 插齿 滚齿 　　 其它实例 　　斜面的应用　 　　螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、 螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等 　　齿轮加工方法 　　无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削 加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状 齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿 　　 确定方案时应注意两点 　　⑴ 用最简单的方法实现 同一功能。 　　⑵ 注意光、机、电、流 体等知识的综合运用。 　　 设计一台彩色电视机阴极盘用的金属 片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度 。 10 0. 8 功能分解　送料 冲制 退回 B 用最简单的方法实现功能举例 按摩轮 　　 图示按摩椅中的按摩轮利用一 个偏心空间凸轮，同时实现三维方 向的按摩作用—径向振动挤压、向 下推拉和横向推拉，构思巧妙，结 构非常简单。 r 光、机、电、流体等知识的综 合运用举例 指针 玛瑙 支撑 K向 刀口 活动游标 　　 图示分析天平，要求 精度达到，但靠目力 读指针的微小偏角已不可 能。 活动游标 光源 透镜 读数窗 　　 增加了一级光学放 大镜，将读数放大。 总功能 功能元解 功能原理方案 最佳功能原理方案 明确任务 黑箱法 功能树 创造技法 形态学矩阵 评价法 功能元 2. 功能分析与功能求解 功能分析法(Function analysis)，将机械产品的总功能 (Total function)分解成若干功能元(Function element)，求 解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案 供评价选择。 三、执行系统的运动规律设计 1. 工艺动作分解和运动方案选择 刀具作复合运动 刀具与工作台分别运动 　　 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。工艺动作分解的方法不同，所 形成的运动方案也不同。 立式钻床工艺动作分解 直线运动 曲线运动 复合运动 往复摆动 执 行 构 件 运 动 形 式 回转运动 每分钟转数 rpm 由两个以上单一运动合成 间歇转动 停歇往复直线运动 停歇单向直线运动 沿可变曲线运动 连续转动 沿固定曲线运动 往复直线运动 每分钟转位次数、转角大小、运动系数 每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变 化系数 每分钟行程数、大小、行程 速度变化系数 每次进给量的大小 每循环停歇次数、位置、时 间、行程大小和工作速度 　　四、执行机构的型式设计 　　1. 设计原则 ● 满足执行构件的工艺动作和运动要求 ● 尽量简化和缩短运动链 ● 尽量减小机构尺寸 ● 选择合适的运动副形式 ● 考虑动力源的形式 ● 使执行系统具有良好的传力和动力特性 ● 使机械具有调节某些运动参数的能力 ● 保证机械的安全运转 　　 2. 机构的选型 　　目的 　　选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。 ⑴ 传递连续转动的机构 啮合传动机构 连杆机构 传递连续 转动机构 摩擦传动机构 摩擦轮传动 蜗杆传动 链传动 齿轮传动 平行四边形机构 双曲柄机构 带传动 1 2 摩擦轮传动 摩擦传动机构的优缺点 结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。 传动比不准确、传递功率小、效率低。 1 2 3 平面盘式无级变速器 1 2 3 圆锥式无级变速器 ⑵ 实现单向间歇转动的机构 棘轮机构 齿轮--连杆机构 单向间歇 转动机构 槽轮机构 不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构 适用于转角固定的转位运动 每次转角小，或转角大小可调的低速场合 大转角而速度不高的场合 运动平稳、分度、定位准确， 但制造困难、高精度定位、高 速场合 特殊要求的输送机构 ⑶ 实现往复移动往复摆动运动的机构 凸轮机构 组合机构 往复运动 机构 连杆机构 螺旋机构 齿轮齿条机构 液压缸、气缸 正弦机构 正切机构 多杆机构 曲柄滑块机构 连杆机构特点　制造容易、承载能力大，但难以实现精确运 动，适用于无严格运动规律的场合。 凸轮机构特点　能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动 协调，承载能力不大。 螺旋机构特点　可获得大的减速比和较高的运动精度，常用 作低速进给和精密微调机构。 齿轮齿条机构特点　适用于移动速度较高的场合，精密齿条 制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。 凸轮机构 连杆机构 ⑶ 实现往复移动往复摆动运动的机构 组合机构 往复运动 机构 螺旋机构 齿轮齿条机构 液压缸、气缸 正弦机构 正切机构 多杆机构 曲柄滑块机构 ⑷ 再现轨迹的机构 齿轮—连杆组合机构 联动凸轮机构 再现轨迹 机构 连杆机构 凸轮—连杆组合机构 一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外， 其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。 齿轮—连杆组合机构 搅拌机构 C B A D E 联动凸轮机构 凸轮—连杆组合机构 　　 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。 　　 3. 机构的构型 　　目的 　　当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实 现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力 性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求 相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。 ⑴ 组合法 　　 串联组合 　　前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构 件，依次串联的组合方式。 输入 输出 子机构II子机构I 后一级子机构的主动件 为前一级子机构的一个连架 杆。 　　 后一级子机构的主动件 为前一级子机构的连杆。 II I 5 1 2 3 4 1 1 2 3 A 5 4 D C B F E M 　　 并联组合 　　几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又 同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1 的机构系统的组合方式。 子机构n1 子机构III 子机构I 子机构II 子 机 构 n 输入 输出 直线电机 襟翼 直线电机 某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构 某航空发动机附件传动系统 主动轴 IV III V VI II I 　　各子机构间无严格 的运动协调配合关系 各子机构在动 作的先后次序上有 严格的要求 自动车床上 三个并联凸轮的 工作顺序有先后 要求。 工件(铆钉) 外圆车刀 棒料 切断刀倒角刀 凸轮轴 挡 板 IIIIII 主轴 凸轮I 凸轮II 凸轮III 凸轮 转角 0 　 90˚ 180˚ 270˚ 360˚ 放松(送料) 切断 夹 紧 车外圆倒角 挡料 各子机构有运 动形式配合要求 　　 磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式 上有配合要求。 砂轮 砂轮架 工件 　　 反馈式组合 　　在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动， 是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授 的组合方式。 校正原理　蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要 求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗 杆得到一附加运动，以校正误差。 输入 输出 4 凸轮机构 2自由度蜗 杆蜗轮机构 机床校正机构 输入 4 1 4 2 1 3 K 2 　　 复合式组合 　　由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多 个自由度的基本机构的组合方式 5杆机构 输入 输出 凸轮机构 ⑵ 变异法 更换原动件 　　 双摇杆机构中，选连杆作为原 动件，可把风扇转子的旋转转化为 连架杆的摇动。 A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 电机电机 A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 电机 A B D C 风扇座 蜗轮 蜗杆 运动倒置 摆动凸轮机构 1 2 3 1 2 3 连杆—凸轮机构 罐头封口机构 A 1 B C O 2 3 4 　改变构件结构形状 　　 将摆动导杆机构中的直线导槽 改为圆弧导槽，可获得较长时间的 停歇。 改变构件运动尺寸 　　 槽轮直径变为无穷 大，槽数无穷多时，演 变为槽条机构 　　 五、执行系统的协调设计 　　⑴ 执行系统协调设计原则 ● 满足各执行机构动作先后的顺序性要求 ● 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 ● 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 ● 满足各执行机构在操作上的协同性要求 ● 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 ● 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的 提高 执行构件动作的协调配合 ● 送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压 ● 冲头上移一段距离后，进行下次送料动作 折叠包装机构的两个执行构件 两个构件不能同时位于区 域MAB中，以免干涉。 饼干1 3 4 2 饼干 2 1 左折边构件 饼干 3 2 包装纸 4 右折边构件 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 包装纸 右折边构件右折边构件 M B A 让刀运动 执行构件运动速度的协调配合 0 范成运动 切 削 运 动 i0 齿轮插刀加工  0 让刀运动 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。 　　 ⑵ 执行系统协调设计方法 ● 确定机械的工作循环周期 ● 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及 其所需时间 ● 确定各执行构件动作间的配合关系 　　 ⑶ 机械运动循环图 　　用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互 协调配合的图。 　　通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生 产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行 构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。 　　运动循环图形式 　　直线式 　　圆周式 　　直角坐标式 退回 停 止 冲 制 进给 冲头 送料器 曲柄转角  0º 90º 180º 270º 　 360º 　　直线式工作循环图　　 主轴作为参考构件 　　圆周式工作循环图　　 　　 图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件， 转动2转为一个工作循环。 启 排 气 门 开 启 进 气 门 开 进 气 排 气 压 缩 膨 胀 闭 进 气 门 关 火点 曲轴 0º 540º 360º 180º 排 门 闭 关 气 直角坐标式工作循环图 饼干包装机工作循环图中， 横坐标表示参考构件的转角， 纵坐标表示执行构件的转角。 进 退 静止 静止 静止 进 退 M M 饼干1 3 4 2 饼干 2 1 左折边构件 饼干 3 2 包装纸 4 右折边构件 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 饼干1 3 4 2 包装纸 右折边构件右折边构件 M B A 左执行机构1 左执行机构2 分配轴转角  0º 90º 180º 270º 360º 　　 六、方案评价与决策 　　评价指标 ● 系统功能　实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的 准确性 ● 运动性能　运转速度、行程可调性、运动精度等 ● 动力性能　承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音 等 ● 工作性能　效率高低、寿命长短、可操作性、安全性、 可靠性适用范围等 ● 经济性　加工难易、能耗大小、制造成本等 ● 结构紧凑性 尺寸、重量、结构复杂性等 　　 评价方法 　　⑴ 评分法 　　针对评价目标中各 个项目，选择一定的评 分标准和总分计分法对 方案的优劣进行评价。 建立评价体系 选择评分方法 选择评分标准 对各个项目进行评分 选择总分计分法，计算总分 选取高分者为优选方案 总分计分法 方法 公式 特点 分值相加法 　　将n个评价目标评分 值简单相加，计算简单、 直观 分值连乘法 　　将n个评价目标评 分值相乘，使各方案总 分差拉开，便于比较 均值法 　　将相加所得结果除 以评价目标系数，结果 直观 相对值法 　　将均值法所得结果 除以理想值，使Qi1， 可看出与理想值的差距 加权计分法 (有效值法) 　　将各项评分值乘以 加权系数后相加，考虑 了各评价目标的重要程 度 评价结果的处理 入选 方案数 设计阶段 评价准 则 结果处理 1 最后阶段 合理 已得到最佳方案，设计结束 可改进 重新决定评价准则，再作评价 中间阶段 合理 评价结束，转入下一阶段 多于1 最后阶段 合理 增加评价项目或提高评价要求再作评价 中间阶段 需改进 若入选数太多，按上述方案改进准则再作 评价 合理 将入选方案排序，转入下一设计阶段 0 任何阶段 可改进 放宽评价要求，再作评价 合理 待评设计方案质量不高需再设计 　　 一、机械传动系统方案设计 　　1. 设计过程 　　⑴ 确定传动系统总传动比 　　⑵ 选择传动类型 　　⑶ 拟定传动链布置方案 　　⑷ 分配传动比 　　⑸ 确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算 传动系统的各项运动学和动力学参数 　　⑹ 绘制传动系统运动简图　　 第四节 机械传动系统方案设计 和原动机选择 2. 传动类型选择 类型与特点 挠性(件)传动 摩擦轮传动 绳传动 圆形齿轮传动 挠性啮合传动 带传动 啮合传动 机械 传动 摩擦传动 单级齿轮传动 齿轮系传动 同步齿形带传动 螺旋齿轮传动 蜗杆蜗轮传动 圆锥齿轮传动 圆柱齿轮传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 链传动 非圆齿轮传动 行星轮系传动 差动轮系传动 液压、液力传动 利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。 气压传动 以压缩空气为工作介质的传动 电气传动 利用电动机和电气装置实现的传动 按速度变化情况划分的传动类型 传动类型 原动机 输出速度 传动类型举例 定传动比传动 恒定 齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调 速的电力，液压及气压传动 变 传 动 比 传 动 有级变 速 恒定 带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱 可调 电力、液压传动中的有级调速传动 无级变 速 恒定 机械无级变速器，液力耦合器及变矩器， 电磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性 传动 可调 内燃机调速传动，电力、液压及气压无级 调速传动 周期性 变速 恒定 非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组 合机构 可调 数控的电力传动 选择原则 ● 执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配 ● 考虑工作要求传递的功率和运转速度 ● 有利于提高传递效率 ● 尽可能结构简单的单级传动装置 ● 考虑结构布置 ● 考虑经济性 ● 考虑机械安全运转条件 传动比的合理分配 传动机构 种类 平带 V带 摩擦轮 齿轮 蜗杆 链 圆周速度 ms 525 530 1525 15120 1535 1540 减速比 5 815 710 48 80 610 最大功率 kW 200 7501200 150250 50000 550 3750 常用原动机的类型及主要特点 原动机类型 主要特点 三相异步电动机 结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、 坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启动、反 转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般机械系统 中应用最多。 同步电动机 能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网吸 收无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异 步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于大 功率离心式水泵和通风机等。 直流电动机 能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速范围宽， 启动转矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格 较高；机械特性较软、需直流电源。 　　二、原动机的选择 常用原动机的类型及主要特点 原动机类型 主要特点 控制电动机 能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而 平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速 特性均为直线。广泛用于工业控制、军事、航空航天等领域。 内燃机 功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求高、排气 污染环境、噪声大、结构复杂。多用于工程机械、农业机械、 船舶、车辆等。 液压马达 可获得很大的动力和转矩，运动速度和输出动力、转矩调整 控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压 油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密封不 良时，污染工作环境；液压系统制造装配要求高。 气动马达 工作介质为空气，易远距离输送、无污染，能适应恶劣环境、 动作速度快；但工作稳定性较差，噪声大；输出转矩不大， 传动时速度较难控制。适用于小型轻载的工作机械。 第五节　机械系统运动方案设计举例 1. C1325自动车床刀架系统的分析 功能要求 自动换刀 轴向进给 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3 宽齿轮2 齿轮1活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 功能分解 ● 让刀—转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉 ● 转位—转塔刀架每次转过60º ● 定位—转位之前拔出保证加工精度的定位销 ● 进、退刀—不转时，精确实现预定的进退刀运动。 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3 宽齿轮2 齿轮1活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 刀架系统的工作过程 退刀 压簧12→推杆13回程→齿轮6→齿条7→活动支架8向 右完成退刀 让刀 退刀的同时，齿轮1 的离合器结合并开始转动→宽齿 轮2 →圆锥齿轮3→圆柱凸轮机构4→拔出销10；同时， 曲柄5转动→支架8快速向右让刀 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3 宽齿轮2 齿轮1活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 转位 让刀快结束时，槽轮开始转位→曲柄5的后半圈→支架8 向左移动完成复位 定位 转位结束时，凸轮机构4的从动件推杆摆动→插入定 位销10，齿轮1离合器脱开并停止运转 刀架系统的工作过程 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3 宽齿轮2 齿轮1活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 进给 从动件13推程→齿轮6 →齿条7 →活动支架8向左运 动完成进给 进刀凸 轮机构 刀具 主轴 转塔刀架9 工件 齿条714 压簧12 圆柱凸轮 机构4 曲柄5 圆锥齿轮传动3 宽齿轮2 齿轮1活动支架8 定位销10 六槽轮机构11 6 13 刀架系统的工作过程 刀架系统的工作循环图 定位销 转塔 活动支架 定位 拔出 静止 转位 后退 复位 圆柱凸轮转角 0 90º 180º 270º 360º 刀架系统各机构的组合方式及特点 　　 组合方式分析 组合方式主要以串联方式为主，但在I、II 处采用了特殊的并联方式。 进刀 凸轮机构 齿轮齿 条机构 曲柄滑 块机构 圆柱凸轮 机构 槽轮机构 连杆机构 圆柱 齿轮 机构 圆锥 齿轮 机构 活动支架进退 转塔刀架转位 定位销进退 I II 机构功能分析 ● 进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工件需要 更换不同的凸轮 ● 后续串联的齿轮齿条机构用于转换运动形式并将运动放大 ● 后续再串联一曲柄滑块机构，以增大让刀距离 ● 并联槽轮机构用于实现转位 ● 并联曲柄滑块机构用于实现让位 ● 并联圆柱凸轮机构再串联连杆机构用于实现定位，且容易 满足时序要求 ● 圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构用于改变运动方向 刀架系统各机构的组合方式及特点 进刀 凸轮机构 齿轮齿 条机构 曲柄滑 块机构 圆柱凸轮 机构 槽轮机构 连杆机构 圆柱 齿轮 机构 圆锥 齿轮 机构 活动支架进退 转塔刀架转位 定位销进退 I II 一般的钻床多采用第一种方案，但 本例是三轴专用钻床，因工件小， 工作台轻，移动工作台比移动三轴 容易。故采用第二种方案。 　　2. 多头专用钻床机械传动系统设计 　　 设计任务 　　设计一台自动钻床，用来同时加工图示零件上的三个孔， 并能自动送料。 30 20 382 0 20 50 20 10 ⑴ 运动方案选择 工艺动作　钻头一边旋转，同 时相对于工件作移动 三种运动方案 ● 钻头旋转，同时轴向进给， 工作台静止 ● 钻头旋转，工作台带动工件进给 ● 工作台旋转，钻头作轴向进给 送料机构采取从料仓推送工件的方式 ⑵ 执行系统运动规律设计 工作台 送料杆 料仓 　三个执行构件 　钻头、工作台、送料杆 　　 工艺过程 ● 送料杆往右推出零件， 并顶出加工好的零 件 ● 夹具将工件定位并夹紧 ● 送料杆返回，工作台带动工件快速上 移接近钻头 ● 工作台慢速工进； ● 钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环 　钻头的转速 nc1000v(d) 　　d钻头直径，d8 mm v 切削速度，查手册45钢，可选vmin 　　nc 500 rpm 　　工作台为往复运动 　　钻孔工艺要求 ● 工作台带动工件快速上移接近钻头 ● 工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔，待钻到 一定 深度时，三个钻头才同时钻进，因工作阻力增加，故进给 速度应减小 ● 钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环 　　工作台一个工作循环总时间 T1  t1  t2  t3  t4  t5  s 　　工作台每分钟工作循环数 n1  60 T1  　　送料杆的运动为往复直动，运动循环时间与工作台相同 Ts  s 　　工作台的行程 Hf  h0  h1  h2 h1 —单孔钻削深度，取h1  13 mm h2 —三孔同时钻削深度，取h2  13 mm 　　送料杆的行程取工件的两倍 Hs  100 mm h0 —工作台快速趋近钻头的运动距离，取h0 15 mm 工作循环图 凸轮转角 0 90º 180º 270º 360º 送料杆 送料 静 止 　　 送料 工作台 停止 　单孔钻 三孔钻 快退快 进 ⑶ 原动机的选择 类型—交流异步感应电动机 由机床的工作要求确定 为了减少原动机的数量，三个钻头共用一个原动机。 ⑷ 计算运动链的总传动比 切削运动链的总传动比 ic  nnnc 1440500  进给运动链的总传动比 if  is  nnnf  1440  563 转速—额定转速 nn 1440 rpm ⑸ 机构选型 钻削运动链的设计 ● 钻头作连续回转运动，运动链的总传动比为，无 需运动转换，但需要减速 ● 三个钻头应同向旋转，且各钻头之间的距离很小，即 要求具有运动分解功能，其尺寸受到限制 ● 电动机轴一般为水平放置，与钻头的方向不一致，即 要求具有改变运动轴线方向的功能 ● 电动机与钻头之间有较大的传动距离，即要求运动链 作远距离传动 机构选型 ● 具有减速功能的传动有：齿轮传动、带 传动、链传 动。考虑到速度较高，距 离较远等因素，选用 V带传动 ● 能变换运动轴线方向的传动有：圆锥 齿轮传动、交错轴斜传动、蜗杆传动。 考虑到两轴线垂直相交且传动比较小， 选择圆锥齿轮传动 ● 三个钻头应同向旋转，选择一个中心齿轮带动周围三 个从动齿轮的定轴轮系 ● 选用万向联轴节或钢丝软轴将运动传递给钻头 将以上所选机构经适当组合，就得到钻削运动链。 进给运动链的设计 ● 工作台作往复直线运动，且运动规律较复杂，但行程不大， 选用凸轮机构 ● 进给运动链应实现很大的传动比563，但进给力不需要太 大，选用带传动与蜗杆传动实现二级减速 ● 进给运动的方向和位置与电动机不一致，选用蜗杆传动实 现回转轴线方向的变化 送料运动链的设计 ● 送料运动链减速比与进给运动链相同 ，故直接由蜗杆轴 带动 ● 送料运动规律较复杂，故选用凸轮机构 ● 送料杆行程较大，采用连杆机构将行程放大 ⑹ 机构的组合 将以上所选机构组合， 得到图示自动钻床的机 械传动系统。 工作台 1 5 6 4 3 2 10 9 8 7 12 11 13 15 14 机构组合示意框图 电 动 机 带 传 动 (2) 凸轮机构 (10) 带传动(8) 带传动(3) 锥齿轮传 动(4) 圆柱 齿轮 传动 (5) 工作台 凸轮机构 (12) 连杆 机构 送料杆 蜗杆 传动 (9) 万向联轴节 钻头 万向联轴节 钻头 万向联轴节 钻头 基本要求 ● 了解机械系统设计的整个过程，明确机械系统总体方案设 计阶段的设计目的及工作内容。 ● 了解机械系统总体方案设计中应具有的现代设计观念以及 机械现代设计和创新设计的特点，逐步学会在机械执行 系统、传动系统的方案设计和原动机选择过程中，正确 灵活运用这些设计思想。 ● 了解机械执行系统方案设计的过程和具体设计内容，学会 根据机械预期实现的功能要求，进行功能原理设计的创 新构思；学会根据工作原理提出的工艺动作要求，创造 性地构思出合适的运动规律。 基本要求 ● 掌握执行机构型式设计的原则，学会运用选型和构型的方 法进行执行机构型式的创新设计。 ● 了解执行系统协调设计的目的和原则，掌握机械运动循环 图的绘制方法。 ● 了解方案评价的意义、评价准则、评价指标和评价方法。 第七章习题 7-1、7-2、7-5