机械系统设计原理(讲课用)（PPT93页)

机械系统设计原理第一章机械系统概论第一节机械系统的概念机械系统定义：由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。机械系统的目的：是产生确定运动、传递和变换机械能，完成特定的工作。机械系统的基本要素：机械零件和构件是组成，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。如图1-1所示小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和零件组成的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。小型甘蔗收获机1.整体性机械系统是由若干个子系统构成的统—体。虽然各子系统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体功能的要求，相互间须协调和适应。系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立的子系统，因为机械系统的整体性反映在于系统之间的有机联系上系统是可以分解的，但分解系统与分割系统是完全不同的。为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成若干个子系统，第二节机械系统的特性2.相关性系统内部各子系统之间是有机联系的，它们之间相互作用、相互影响，形成了特定的关系。如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整个系统的性能产生影响。第二节机械系统的特性3.层次性系统可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。层次本身就是系统构成的部分，每个层次反映了系统某种功能的实现方式第二节机械系统的特性4.目的性系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统的功能就是系统的目的，它主要取决于要素、结构、环境。为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理的功能。这些功能使系统进入与它的目的相适应的状态，实现要求的功能并排除或减少有害的干扰。第二节机械系统的特性第三节机械系统的组成1．动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源2．传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置3．执行系统包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，达到预定要求。4．操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现；控制系统是经获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。第四节机械系统设计类型机械系统设计有以下三类不同的设计：(1)开发性设计在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计以往没有过的新型机械。(2)适应性设计在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量方面更朗满足使用要求。(3)变型设计在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要求。在机械产品设计中，开发性设计十分重要。“创新”可以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提高产品的工作性能。第五节机械系统设计的关键内容原理方案设计是机械系统设计的关键内容。在原理方案设计过程中应解决下列问题：1.确定系统的总功能对设计任务抽象化，通过抽象化确定系统的总功能。优点：设计者容易认清系统设计目标，开阔设计思路。2.进行总功能的分解将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案的最好办法。3.选择分功能的功能载体分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段第五节机械系统设计的关键内容4.构思功能载体的组合将各功能载体按系统总功能要求加以组合，可以得到多个工作原理方案，供设计者选择决策。5.方案的评价与决策针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多个方案进行综合评价和决策。第二章机械系统设计原理第一节机械系统设计的一般程序和方法四个阶段产品规划（概念设计）、功能原理设计、结构技术设计、生产施工设计(工艺设计)。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第二节、机械系统方案设计的目的和内容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。第三节机械执行系统运动方案设计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一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程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。二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思工作原理不同，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功能原理设计的多方案性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0.8mm。100.8功能分解送料冲制退回电视机阴极盘用金属片冲裁机器B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用最简单的方法实现功能举例指针玛瑙支撑K向刀口活动游标图示分析天平，要求精度达到0.01g，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。光、机、电、流体等知识的综合运用举例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功能分析法(Functionanalysis)，将机械产品的总功能(Totalfunction)分解成若干功能元(Functionelement)，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。2.功能分析与功能求解黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的“黑箱”，通过对它的输入输出量的全面分析，逐步掌握输入输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的求解过程。黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑设计方案，而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方案。1.黑箱法信息机械产品（黑箱）物料能量信息’能量’物料’黑箱法的表达黑箱法求解方法详细表述输入和输出量建立输入输出之间的关系寻找合适的实例设定系统的总功能寻找系统的功能解评价与决策控制信号冲床（黑箱）板料电能工作状态显示机械能、摩擦能耗成形工件机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以“穷尽法”将各分功能的解全部列出，即可得功能-功能解的形态学矩阵。形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。举例：运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案2.形态学矩阵法总功能盛装衣物分离赃物控制洗涤功能解分功能1234A铅筒塑料筒玻璃钢筒陶瓷筒B机械摩擦电磁振荡超声波C人手控制机械定时电脑控制理论上可组合出4×3×3=36从先进性、新颖性和实用性看，一般选用A1、A2，B1、B2，C1、C2，因此主要有8个方案三、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12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。123平面盘式无级变速器123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