第6章 机械系统运动方案设计(1)

第六章机械系统运动方案设计内容：主要介绍•机械系统运动方案设计的基本要求•机械系统运动方案设计的方法和过程•现代设计方法§6-1机械系统运动方案设计的基本要求基本要求1.注重系统功能要求的分解及执行机构的协调性：2.简化传动环节：简化传动环节机构零件数目少，成本低降低能耗，提高了效率累计误差小，精度提高3.提高机械传动效率：4.合理安排传动机构的顺序：例：三轴钻床的机构运动简图。5.合理分配传动比：多级传动时，通常将传动比最大的一级装在转速最低的位置，使结构紧凑。6.安全性能好：如过载保护等。主要内容：1.根据产品的要求，在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解，确定执行构件所要完成的运动。2.采用机构选型、组合的方法，初步拟定各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，进行机构系统的型综合和数综合。功能原理方案设计：为了实现给定功能目标，而进行的工作原理和动作过程的构思。§6-2基于功能原理的方案设计产品设计的一般过程：产品规划结构方案设计原理方案设计总体设计施工设计试制、批量生产、销售决定产品水平和竞争力的关键环节，因此原理方案设计有举足轻重的意义。系统的功能原理设计根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。功能原理的构思与选择功能原理设计的任务，就是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，加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。举例：自动送料板装置的功能原理设计机械推拉原理摩擦传动原理(摩擦轮)气吸原理(顶吸法)气吸原理(底吸法)1.机械推压原理2.利用摩擦原理分离料板注意：运动规律不同所需要的机构不同，但同一种运动规律，可用不同的机构实现。如上图。3.利用气吸原理分离并输送料板设计时要在原理上突破或在基础技术上有新的构想。实现某种预期的要求，可以采用多种不同的工作原理；不同的工作原理需要不同的工艺动作，这样所设计出的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。总结功能原理的创造性分析综合法将机械预期实现的功能分解为各种分功能，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把分功能原理组合起来，组成一个新的系统。美国阿波罗登月思维扩展法在进行机械功能原理设计时，设计者一定要拓宽自己的思路，广泛采用气、液、光、声。电、新材料等新技术，构思出新的功能原理。挖土机还原创新法跳出已有的创造起点，重新返回到创造的原点，紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径，构思新的功能原理。洗衣机揉搓原理刷擦原理捶打原理设计模仿人手的机械手，难度大很难把衣物各处都刷洗到易损坏衣物波轮洗衣机滚筒洗衣机功能分解：一般技术系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。可利用系统工程分解性原理将功能系统按总功能、分功能、功能元进行分解，化繁为简，以便通过功能元解的有机组合求得技术系统解。功能分解可图示为树状的功能结构，称功能树。功能树起于总功能，按分功能、二级分功能……分解，其末端为功能元。例如：激光分层实体制造设备的功能分析。功能分解如下：型层叠合形成纸型纸型叠合排烟测控送纸收纸X向扫描Y向扫描驱动传动送纸驱动传动送纸驱动传动X向位移驱动传动Y向位移压纸粘合Z向升降驱动传动辊Y向移动测高工作状态操纵总功能一级分功能功能元§6-3机械系统运动方案设计的方法和过程机械产品设计1.机械系统运动方案设计2.确定各个执行机构一.方案设计方法1.创造性设计法提出新方案、探求新解法、提高设计质量、开发创新产品。创造性设计的任务从已获得成功产品的创造性活动中，总结出一般的规律、规则和方法，然后将它应用到方案设计中。2.系统化设计法创造出最佳的机构系统3.机构系统创新法从系统出发，分析各个组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的联系，是较全面的综合研究方法。有功能分析法、结构方案变型法等。二.机械系统运动方案设计步骤例如：螺纹加工机总体原理方案的分析：1.构想执行构件的运动过程和运动规律运动方案设计的任务：根据给定的运动要求和各种约束条件，确定机构所需的构件和运动副类型、数量及配置关系，确定机构系统的运动简图。注意：多种方案择优内孔加工车床钻床镗床拉床总结同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运动方案也不相同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最佳方案。2.进行机构选型考虑的因素：1）机械结构：力求简单、制造方便、可靠耐用、精度高、效率高等。2）动力源形式：要便于简化机构和改善运动质量。3）机构的虚约束：尽量避免。增加加工精度和装配难度。4）动力特性：平衡惯性力、使动载荷小。现以原动件为电动机说明机构选型的基本方法：电动机的运动形式：转动执行机构的运动形式：多种多样，如：1）原动机的运动匀速回转，实现执行构件匀速回转的机构：匀速回转机构类型应用实例平行四边形机构火车车轮连动机构、联轴器双转块机构联轴器齿轮机构增速、减速、变速装置摆线针轮机构增速、减速、变速装置谐波传动机构增速、减速、变速装置周转轮系增速、减速、运动合成与分解挠性传动机构远距离传送、无级变速装置2）原动机的运动匀速回转，实现执行构件非匀速回转的机构：如上表非匀速回转机构类型3）原动机的运动匀速回转，实现执行构件往复移动的机构：往复移动机构类型应用实例4）原动机的运动匀速回转，实现执行构件往复摆动的机构：往复摆动机构类型应用实例5）原动机的运动匀速回转，实现执行构件间歇运动的机构：间歇运动机构类型应用实例6）原动机的运动匀速回转，实现执行构件按特定运动轨迹运动的机构：机构类型应用实例例：牛头刨床的刨刀运动方案设计刨刀的运动具有急回特性的往复直线移动具有急回特性的往复直线移动的机构：3.绘制机构运动循环图1）自动机的工作循环自动机的工作循环是一个工件的整个加工过程(包括工作行程和空行程)所需要的总时间，通常以T表示，执行机构完成某道工序的工作行程和空行程所需的时间，称为执行机构的运动循环。执行机构的运动循环与自动机的工作循环在时间上应是相等的。执行机构的运动循环T执，通常由三部分组成：T执=tK+td+to式中:tK——执行机构工作行程时间，td——执行机构空行程时间to——执行机构停息时间。2）执行机构运动循环图表示执行机构运动循环的图形称为执行机构运动循环图。直线式、直角坐标、极坐标（圆形）例：图右为自动冲压机的示意图。冲头2的运动循环时间T1则：T1=to+td1+tK+td2冲头初始位置上的停息时间冲头前进空程时间冲压工件行程时间冲头回退空程时间3）自动机的循环图自动机的循环图是各执行机构的运动循环图按同一时间(或转角)比例绘制的总图。它表示自动机各执行机构的运动循环在自动机的工作循环内的相互关系。并以该图某一主要执行机构的起点为基准，表示其余各执行机构的动作顺序。自动冲压机的循环图：4）自动机循环图的功用•表示自动机的执行机构的数目；表示各执行机构运动循环之间的相互关系即运动的时间顺序，执行件的空间位置。•是各执行机构凸轮廓线设计的依据(凸轮的转角分配)。•自动机的循环图是重要的设计文件之一，它是自动机安装、调试的依据。•通过循环图设计，可以获得合理的自动机工作循环，可以充分发挥自动机的生产能力。———例题———例：卧式冷镦铆钉机的机构选型和运动循环图的绘制。1）根据生产任务拟订工艺过程及相应的运动方案：2）确定执行机构的运动参数：3）选择机构类型、绘制冷镦机的运动简图：•镦压机构：•进料机构：•切断和送料机构：•脱模机构：绘制运动循环图：4.进行机械运动方案的评价与选择：1）评价指标：实现同一功能或运动形式要求的机构很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。评价指标及其具体项目如下表：上表的各项评价指标及其具体项目，是根据机构系统设计的主要性能要求和机械设计专家的意见设定的。对具体的机构，这些评价指标和具体项目还需要依据实际情况加以增减和完善，以形成一个比较完整的评价指标。注意2）机械运动方案的评价方法：价值工程法模糊综合评价法系统工程评价法§6-4现代设计方法一、现代设计方法1.常用设计方法学简介1）突变论方法学2）智能论方法学以发挥智能载体（人、机械、生物、有机物等）的作用为核心的方法。如CAD、CAE、人工智能等。3）信息论方法学以历史性与实验性数据为分析依据，取得原始设计参数的方法。4）系统论方法学以顾及整体整体系统功能为前提的分析方法，如模式识别法、系统辩识法、逻辑分析法等。6）优化论方法学以满意与最佳为目标的分析、设计方法。如优化设计法、方案优化法、专家系统。7）对应论方法学以相似、模拟分析为途径取得设计参数。如相似设计法、模拟分析法、仿真技术等。8）控制论方法学以控制与动态性能作为深化分析依据，取得符合客观变化的参数，如动态分析法、动态优化法、动态系统辩识法。5)功能论方法学9）模糊论方法学有模糊分析、模糊评价、模糊设计等。10）反求设计方法学以先进的产品或技术作为对象进行分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上开发出同类的创新产品。2.现代设计方法研究的内容1）研究设计过程中各阶段的任务与特点，寻求符合设计规律的设计程序。2）研究设计中解决问题的合理逻辑步骤和应遵循的工作原则3）分析设计中的思维规律，研究设计人员科学的创造性思维方法和技术。4）研究开发型设计、变型设计、反求设计等的特点及系统工程、创造工程、价值工程、优化工程、可靠性工程、相似工程、人机工程、工业美学等现代设计理论与方法在设计中的应用。5）建立各种知识、科学技术原理、技术成果、专利、各种操作、程序、技法、方法等设计信息库。6）将计算机等先进工具运用与设计步骤、理论、方法中，促进设计自动化。二、概念设计根据设计要求，按可行性来考虑各种可能的方案，针对几个主要约束选择其中一种或几种设计方案，作进一步详细的设计。机械产品的设计要求：功能、强度、刚度、寿命、振动稳定性等。1.基于功能重组的定性设计：基本功能设计任务分解组合整体系统（定性综合）2.变换效应：用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方案的基础。工程系统的功能元可归结为三类：物理功能元、逻辑功能元、数学功能元。逻辑功能元为“与”、“或”、“非”三元，主要用于控制。其基本逻辑关系如下表所示：机械、强电、电子、射流、液体等领域也有相应“与”、“或”、“非”逻辑动作的各种解法，其部分解法目录如下表所示：数学功能元：加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组。也可按机、强电、电子各领域列出有关解法录。物理功能元：反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本作用，常见的物理功能元有变换、缩放、联接分离传导、离合、储存等六类。•功能元“变换”：各种类型能量或信号形式的转换、运动形式的转换、物态的转变等。•功能元“缩放”：指各种能量、信号向量（力、速度）或物理量的缩小或放大。•功能元“联接”“分离”：能量、物料、信号、同质或不同质数量上的结合和分离。•功能元“传导”“离合”：反映能量、物料、信号的位置变化。•功能元“储存”体现一定时间内对能量、物料、信号保存的功能。物理功能元用物理效应求解，常用的物理效应有：•力学效应：重力、弹性力、惯性力、离心力、摩擦力等；•液气效应：流体静压、流体动压、毛细管效应、帕斯卡效应、虹吸效应、负压效应等。•电力效应：静电、压电效应，电动力学等；•磁效应：电磁效应、永磁效应等；•光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应等；•热力学效应：膨胀、热传导、热储存、绝热效应等；•核效应：辐射、同位素效应等。功能元可通过各种物理效应搜索求解，下表列出了部分物理功能元的解法目录：在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解：力的放大功能元解（基本增力机构和二次增力机构）二次增力机构效应链：利用两个或两个以上效应连接起来，实现某一特定基本功能的效应集合。效应变换主要包括：基本操作