第八章机构及其系统运动方案设计

第八章机构及其系统运动方案设计•8—1机械设计概述•8—2功能原理设计•8—3运动规律设计•8—4机构及其系统运动方案设计•8—5执行机构运动协调设计•8—6运动方案设计实例•8—7运动方案的评价8—1机械设计概述一、机械设计分类1、开发性设计2、适应性设计3、变型设计8—1机械设计概述二、机械设计过程1、产品规划设计2、原理方案设计3、技术方案设计4、评估、改进与决策8—1机械设计概述三、运动方案设计1、功能原理方案设计：2、执行构件的运动规律设计：3、机构系统运动方案设计：四、创新设计8—2功能原理设计一、功能原理的构思与选择二、功能分析法：是系统方案设计中探寻功能原理方案的主要方法。这种方法，将机械产品的总功能分解成若干简单的功能元（即分功能），通过对功能元求解，然后进行组合，可以得到机械产品方案的多种解。三、运动方案设计实例8—3运动规律设计执行构件运动规律设计应注意以下几个方面的问题：一、制定合理的运动规律二、把复杂的运动规律（工艺动作）进行分解三、使分解后的运动规律协调配合8—4机构及其系统运动方案设计一、机构选型（一）执行构件的运动形式：旋转运动、直线运动、曲线运动、刚体导引运动、特殊功能运动（二）机构选型的基本要求1、满足工艺动作及其运动规律的要求2、机构的运动链要短3、动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量4、机构的传力性能要好5、机器操纵方便、调整容易、安全耐用6、加工制造方便、经济成本低7、具有较高的生产效率及机械效率8—4机构及其系统运动方案设计二、机构构型的创新设计方法（一）机构构型的变异创新设计1、机构的倒置2、机构的扩展3、机构局部结构的改变4、机构结构的移植与模仿5、机构运动副类型的变换（二）利用机构运动特点创新设计（三）基于组成原理的机构创新设计（四）基于组合原理的机构创新设计8—5执行机构运动协调设计一、执行机构的布局二、执行机构运动协调设计应满足的要求三、机械运动循环图1、直线式循环图（也称为矩形循环图）2、圆形循环图（极坐标式）3、直角坐标式循环图8—7运动方案的评价一、机械系统运动方案的评价特点二、机械系统运动方案的评价指标及其评价体系三、几种典型机构的性能特点和评价四、机械系统运动方案评价方法简介一、机械原理课程设计的目的和任务1．课程设计的目的机械原理课程设计是工科院校机械类专业学生在大学期间利用已学过的知识和计算机工具第一次比较全面的、具有实际内容和意义的设计过程，也是机械原理课程的一个重要的实践教学环节，能锻炼和提高学生的设计能力，能使他们更深刻地理解和掌握机械原理课程的教学内容。课程设计可在课程中或课程学完后集中进行。其基本目的是：机械原理课程设计l）培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用机械原理课程的理论知识，并结合生产实际来分析和解决工程问题的能力，进而巩固、加深和拓展有关机械设计方面的理论和实践知识。2）通过制定设计方案、合理地选择机构的类型。正确地对机构的运动和受力进行分析和计算，让学生对机构设计有一个较完整的概念，培养学生独立解决有关机械原理课程实际问题的能力，达到了解和掌握机构设计的过程和方法。3）通过机械原理课程设计，训练学生收集和运用设计资料（如设计手册、图册、标准和规范等）以及计算、制图和数据处理及误差分析的能力，在此基础上利用计算机基础理论知识，初步掌握编制计算机程序并在计算机上计算来解决机构设计问题的基本技能。二、机械原理课程设计的方法课程设计的方法原则上可分为图解法和解析法两大类：1．图解法运用所学基本理论中的基本关系式，用图解的方法将其结果确定出来，并清晰地以线图的形式表现在图纸上，具有直观，定性简单、检查解析的正确性方便的特点，尤其在解决简单机构的分析与综合时更为方便。图解法进行课程设计，能培养学生工程图算能力，要求计算准确、作图精确，有利于培养学生严谨的工作作风。2．课程设计的任务机械原理课程设计通常选择一般用途的机构为题目，根据已知机械的工作要求，对机构进行选型与组合，设计出几种机构方案，并对其加以比较和确定，然后对所选定方案中的机构进行运动和力的分析与设计，确定出最优的机构参数，绘制机构运动性能曲线。2、解析法运用求解方程式的方法求解未知量，计算精度高，并可借助计算机，避免大量重复人工劳动，用解析法进行课程设计，能培养学生运用计算机解决工程实际问题的能力。图解法和解析法各有优点，互为补充，两种方法并重。三、机械原理课程设计的一般过程任何一部新的机械都要经过设计、研制、生产和使用等四个阶段，其中设计阶段通常分为机构运动设计和结构设计，机构运动设计是根据机械的设计任务和要求，拟定机械中各机构的方案，利用机械原理课程的理论知识，对该机构方案进行结构分析、运动分析和动力分析，从而设计出满足使用要求、经济可靠、运动性能和动力性能优异的机构。机构运动设计是机械原理课程设计的主要任务。机械原理课程设计是在教师指导下由学生独立完成的教学环节。在设计过程中提倡独立思考、深入钻研，主动地、创造性地进行设计工作。要求设计态度严肃认真、一丝不苟，确保课程设计质量，并在设计思想、方法和技能等方面得到良好的训练和提高。机械原理课程设计一般分为下面几个阶段：（1）设计准备：认真研究设计任务书，明确设计要求、条件、内容和步骤，收集和阅读有关资料、图样，准备设计所需的工具和用具，拟订设计计划。（2）机构方案设计：根据设计任务书的要求，绘制各种方案的机构运动简图，进行机构的选型与组合，研究运动形式的变换与联接，并对机构进行结构分析和性能比较，绘制出传动系统示意图。（3）机构运动设计：对所选定的机构方案进行运动综合，要求既满足机械的用途、功能和工艺条件等要求，又满足机构原动件运动规律及机构位置、速度和加速度等运动参数的要求，并将机构运动简图、速度图和加速度图画在图纸上。（4）机构动力设计：在机构运动设计基础上，根据各构件的质量及转动惯量确定机构的惯性力、惯性力偶矩、各位置的运动副反力及应加于原动件上的平衡力偶矩。（5）整理说明书：将课程设计的有关内容和设计体会以文字形式编写成说明书。四、机械原理课程设计的总结1、编写课程设计说明书课程设计说明书应在课程设计过程中逐步形成，课程设计结束时再作必要的补充和整理。说明书的内容大致包括：1）设计题目（包括设计条件和要求）。2）机构运动简图或设计方案的确定。3）全部原始数据。4）完成设计所用方法、原理及全部计算过程和结果。5）绘出计算机程序框图，写出自编的程序。6）对计算结果进行分析讨论，写出课程设计的收获和体会。设计说明书的编写要求1）步骤清楚、叙述简明、文句通顺、书写端正。2）对每一自成单元的内容，都应有大小标题，使其醒目突出。3）对所用公式和数据，应标明来源。2、整理课程设计图样五、答辩及成绩评定设计示例：设计一连杆机构以实现刨床刨刀的往复运动。1、主要工作要求1）工作行程时，刨刀速度要平稳，空回行程时，刨刀快速退回，即要求有急回作用，K=1.4左右。2)切削阶段刨刀应近似匀速运动，以提高刨刀使用寿命和工件表面加工质量，刨刀行程H在300mm左右，原动件曲柄转速60r/min。2、设计方案比较方案一：该方案由摆动导杆机构和摇杆滑块机构组成。其特点为：1）有急回作用，行程速比系数K=(180º+θ)/(180º-θ)，θ=2arcsin(a/b)。只要正确选择a和b，可满足K的要求。2）滑块的行程H=2LCDsin(θ/2),θ已经确定，因此只要适当选择摇杆CD的长度，既可满足行程H的要求。3）曲柄1主动，构件2与3之间的传动角γ23始终为90º。当E点的轨迹位于D点圆弧轨迹高度的平均线上时，构件4与5之间有较大的传动角γ45，该方案传力性能良好。4）机构横向与纵向运动尺寸不太大，机构匀称合理。5）根据运动分析，机构工作行程中刨刀的速度比较慢，变化平缓，符合切削要求。方案二：该方案为四杆机构，其特点如下：1）有急回作用，K=(180º+θ)/(180º-θ)，而θ=arccos[e/(a+b)]-arccos[e/(b-a)]。但急回作用不明显。2）当使K增大，应增大尺寸a和e或减小b，但其结果会使滑块速度变化剧烈，动载增加。3）增大K，回使传动角γmin减小，传力性能变坏。4）机构横向尺寸较大，结构不匀称。由于传动角小及滑块速度变化大等因素，该方案不如方案一。