机械设计基础19第十九章 机械系统的组成及方案设计 (课件)

课件制作官德娟等机械工业出版社第四篇机械系统设计概论第十九章机械系统的组成及方案设计本章主要内容机械系统的组成机械系统总体方案设计执行系统的方案设计传动系统的方案设计辅助－控制系统设计本章学习要求1、了解组成机械系统的四个子系统。2、了解机械系统总体方案设计的设计思想、过程、内容、创新设计、影响因素及方案评价与决策。3、了解执行系统功能原理和运动规律设计；掌握执行系统的选型与构型的方法；掌握执行系统的协调设计及运动循环图的绘制。4、掌握传动类型的选择、传动路线与传动链顺序的安排、各级传动比的分配传动、原动机的选择计算，机械传动系统方案的拟定。5、了解控制系统设计的组成、分类及微机控制系统简介。本章重点难点2、传动系统方案设计中，传动类型的选择、传动路线与传动链顺序的安排、各级传动比的分配。1、执行系统型式设计的方法（选型与构型）；执行系统的协调设计及运动循环图的绘制。本章重点本章难点执行系统的型式设计（选型与构型）第一节概述机械系统是由若干零部件根据一定的功能要求和结构形式组成的有机整体。机械系统方案设计是根据客观需求，确定预定目标，经过规划、构思、设想、分析和决策，建立能满足预定目标的技术系统的活动。机械系统的优劣最终体现在整体功能上。因此，设计时应考虑整个系统的布局和运行，确定各子系统的性能和它们之间的联系，使整个系统获得理想的功能效果。第二节机械系统的组成现代机械系统的组成：一、动力系统为机械系统正常工作提供动力源、实现能量转换的原动机（或动力机）及其配套装置。大多数原动机采用电动机。第二节机械系统的组成二、传动系统传动系统－将原动机输出的动力和运动传递给执行系统的中间装置。分类（按工作原理）：机械传动、液压传动、气压传动和电－磁传动四类。主要功能：1.传递运动2.变速3.按工作要求改变运动规律4.传递动力5.实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的驱动装置等第二节机械系统的组成三、执行系统执行系统－直接用来完成各种工艺动作或生产过程的装置，也称为工作机。机械执行系统根据加工工艺要求进行设计，直接体现机械系统的功能要求。执行系统的运动设计是机械系统设计的关键之一。执行系统一般置于机械系统末端，直接与作业对象接触，是整个机械系统的输出部分。第二节机械系统的组成四、辅助－控制系统辅助－控制系统——保证机械系统各组成部分协调运行，准确可靠地完成整机功能的装置。辅助－控制系统常由各种机械、液压、气动、电气、工业微机等控制装置组成。第三节机械系统总体方案设计一、设计思想与设计过程（一）设计思想机械系统总体方案设计是整个设计工作中的重要组成部分和基础。总体方案设计是否合理，对机械系统的设计质量、工作性能、技术经济指标、市场竞争力等有重大影响。1.现代设计理念现代设计的理念主要体现以下几个方面：（1）社会性（2）创造性（3）广义性（4）宜人性（5）最优化（6）动态化（7）智能化（8）数字化第三节机械系统总体方案设计一、设计思想与设计过程（一）设计思想（续1）2.系统工程理念现代机械产品不论大小都可以看作是一个系统。按照系统工程的理念，组成机械系统的子系统在产品的整合运行中充分发挥各自的特定功能，并最终体现系统的整体功能。按照系统工程理念进行的设计无论是局部还是整体，其功能和性能都应该是成功的。第三节机械系统总体方案设计一、设计思想与设计过程（一）设计思想（续2）3.工程设计的理念工程设计是一种讲究应用性的“发明与创新”活动，除包括技术成分外，还包括了许多非技术的成分。因此，在机械设计总体方案的拟定中，既要充分运用自然科学中的科学原理，还要考虑一些非自然科学的因素，如考虑当时当地的自然环境、社会、人文艺术、经济、技术等众多因素的制约和影响。第三节机械系统总体方案设计一、设计思想与设计过程（二）设计过程表19－1总体方案设计的步骤步骤过程1通过需求分析，拟定设计任务书。2确定系统总功能，找出输入输出关系。3总功能分解与建立总功能结构，获得功能结构图。4寻求子功能方案，设计子功能原理方案。5进行功能方案组合，绘制方案总体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图。6进行方案评价，归纳各方案的优缺点，并进行方案排序。7获取最优方案，完成最优方案的机械系统运动简图、运动循环图、方案设计计算说明书第三节机械系统总体方案设计一、设计思想与设计过程（三）设计内容机械系统总体方案的主要设计内容：1．执行系统的方案设计包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。4．确定总体设计方案包括对总体设计方案的评价决策，确定最优总体设计方案，并绘制机械系统运动简图、运动循环图，编制设计说明书。3．辅助－控制系统的方案设计包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统、操作控制等的设计。2．原动机类型的选择和传动系统的方案设计包括原动机类型的选择，传动类型的选择和传动路线的拟定，传动链中机构顺序安排和各级传动比的分配，方案评价与决策。第三节机械系统总体方案设计二、总体方案创新设计1．发明新工作原理突破常规惯例发明新工作原理；也可融合不同学科知识和综合技术，结合不同层次、不同类型的机构组合等，形成新工作原理。机械系统总体方案设计中的创新设计可体现在：2．机构创新对完成各工艺动作和功能的机构运动方案进行构思，对各机构的结构尺寸参数等进行综合与变异，重新构筑机构的型式。3．多方案优选创新设计从多方面和多视角寻求多种解决问题的途径，在众多设计方案中搜索并不断优化，通过综合指标对总体方案的评价，确定出最佳总体设计方案。第三节机械系统总体方案设计三、经济与环境的影响（一）经济影响分析（1）正确区分产品的必要功能和不必要功能，去掉不必要功能以节省生产费用。为降低产品成本，在设计产品时应着重考虑：（2）提高设计效率、缩短设计周期，尽可能减少产品的设计费用。（3）尽可能减少材料的费用。（4）尽量减少加工费用。（5）认真做好市场调查研究。第三节机械系统总体方案设计三、经济与环境的影响（二）社会环境影响分析设计时应考虑的社会环境影响主要有：1．设计的产品应符合国家科技政策和科技发展规划的目标2．设计的产品应符合环境保护的要求3．设计的产品应符合人－机系统安全可靠的要求4．设计的产品应符合有利于提高生产力5．设计的产品应符合有益于综合利用第三节机械系统总体方案设计四、方案评价与决策（一）方案评价与决策的意义设计人员必须通过分析、比较各方案的功能、性能、价值，经过科学的评价和决策，以获得最满意的设计方案。（二）评价准则、评价指标和评价体系评价准则包含设计目标和设计指标两方面内容；（三）评价方法（四）方案决策设计指标是指具体的约束与限制，可以进行定量评价.设计目标是指从哪些方面、用什么原则来评价设计方案，一般为定性评价，也可以作定量评价。第三节机械系统总体方案设计四、方案评价与决策(续1）表19－2机械系统的性能评价指标序号评价指标具体内容1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、特定功能等2运动性能运转速度、行程可调性、运动精度等3动力性能承载能力、增力特性、传力特性、振动噪声等4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5经济性加工难易、能耗大小、制造成本等6结构紧凑性尺寸、重量、结构复杂性等第三节机械系统总体方案设计四、方案评价与决策(续2）（三）评价方法当工程问题不太复杂、方案不多时，可采用经验性的概略评价法。1）经验性的概略评价法；2）计算性的数学分析评价法；3）实践性的试验评价法。（四）方案决策一般情况，方案决策时所选定的方案应该是总价值最高的方案，但实际操作中往往会得出几个价值相接近的方案。选用总价值略低但各分价值均衡性好的方案是较明智的选择。第四节执行系统的方案设计一、执行系统的功原理和运动规律设计根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，然后根据使用要求或工艺要求，经分析比较，选择出能满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。（一）执系统的功能原理设计1．执行系统运动方案的选择将一个工艺动作，分解成若干种简单运动。工艺动作分解的方法不同，所得到的运动方案也不同.应根据实际情况对各种运动方案认真分析比较，综合考虑各方面因素，从中选择出最佳运动方案。2．执行系统运动规律的设计执行系统运动规律设计常采用的方法是仿真法和思维扩展法。（二）执行系统的运动规律设计第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（一）执行系统型式设计的原则（1）满足执行机构的工艺动作要求和运动要求；（2）尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构；（3）尽量减小机构的尺寸；（4）选择合适的运动副形式；（5）选择合适的动力源形式；（6）具有良好的传递力性能和动力特性；（7）具有调节某些运动参数的能力；（8）保证机械的安全运转。第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（二）机构的选型将各种机构按照其运动特性或动作功能进行分类，然后根据具体设计对象中执行构件所需的运动特性或动作功能，进行搜索、选择、比较和综合评价，优选出执行机构的理想型式的设计过程。常见运动特性及相对应的机构见表18－3第四节执行系统的方案设计表18－3常见运动特性及相对应的机构运动特性实现运动特性的结构举例连续转动定传动比匀速平行四杆机构、双万向联轴节机构、齿轮机构、轮系、谐波传动机构、摆线针轮机构、摩擦传动机构、挠性传动机构等变传动比匀速轴向滑移圆柱齿轮机构、混合轮系变速机构、摩擦传动机构、行星无及变速机构、挠性无级变速机构等非匀速双曲柄机构、转动导杆机构、单万向联轴节机构、非圆齿轮机构、某些组合机构等往复运动往复移动曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、运动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、楔块机构、螺旋机构、气动、液压机构等往复摆动曲柄摇杆机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构、空间连杆机构、摆动从动件凸轮机构、某些组合机构等间歇运动间歇转动棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、某些组合机构等机械摆动特殊形式的连杆机构、摆动从动件凸轮机构、齿轮－连杆组合机构、利用连杆曲线圆弧段或直线段组成的多杆机构等间歇移动棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件做间歇往复运动的凸轮机构、反凸轮机构、气动、液压机构、移动杆有停歇的斜面机构等预定轨迹直线轨迹连杆近似直线机构、八杆精确直线机构、某些组合机构等曲线轨迹利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮－连杆组合机构、齿轮－连杆组合机构、行星轮系与连杆组合机构等特殊运动要求换向双向式棘轮机构、定轴轮系（三星轮换向机构）等超越齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构等过载保护带传动机构、摩擦传动机构等：：第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（参考十二章的内容）①②③④⑤a)b)以粉料压片机的主加压机构为例。图12－6机构的时序式组合实例1、4、6－凸轮2－摆杆3－料斗5－下冲头7、8－曲柄9－上冲头10－工件11－模具第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续1）构思方案，组成功能－技术矩阵图图19－2功能－技术矩阵图第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续2）图19－3初选方案方案一方案二方案三方案四方案五第四节执行系统的方案设计二、执行系统的型式设计（三）机构的构型（续3）以图所示的方案四为原型进行机构创新构型(3)变异法创新构型图19－5铰链四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合（2）组合法创新构型图19－4滑块机构与导杆机构的串联组合（1）扩展法创新构型图19－6摆动导杆机构与摆杆滑块机构串联组合第四节执行系统的方案设计三、执行系统的协调设计（一）执行系统协调设计的原则（1）满足各执行机构动作先后的顺序性要求；（2）满足各执行机构时间同步性要求；（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；（4）满足各执行机构操作上的协同性要求；（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率；（6）各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。第四节执行系统的方案设计三、执行系统的协调设计