第十三章機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)-課程中心

1、鋼鐵冶煉—設(shè)計(jì)—制造—裝配—使用—再制造—報(bào)廢處理—鋼鐵冶煉,,第14章 機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),14.1 概述 機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)就是要完成從原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中傳遞動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)是機(jī)械系統(tǒng)的兩個(gè)基本任務(wù)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到機(jī)械的功能實(shí)現(xiàn)，性能質(zhì)量的好壞、成本（制造成本和使用成本）的高低等。,設(shè)計(jì)的四個(gè)階段：1.產(chǎn)品規(guī)劃階段，2.方案設(shè)計(jì)階段，3.詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，4.改進(jìn)設(shè)計(jì)階段,1.產(chǎn)品規(guī)劃階

2、段 本階段主要是通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查了解市場(chǎng)需求，作出市場(chǎng)預(yù)測(cè)，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可能性作綜合研究并提出可行性報(bào)告，本階段最終目的是確定任務(wù)并給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2.方案設(shè)計(jì)階段 通過(guò)規(guī)劃階段明確了設(shè)計(jì)任務(wù)，確定了系統(tǒng)的功能。當(dāng)然能實(shí)現(xiàn)同一功能的系統(tǒng)可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的運(yùn)動(dòng)方案。通過(guò)功能分析并確定了工作原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝動(dòng)作構(gòu)思，初步擬定出從原動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案，并畫(huà)出各執(zhí)行構(gòu)件動(dòng)作相互協(xié)調(diào)配合的運(yùn)動(dòng)循環(huán)

3、圖，設(shè)計(jì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，畫(huà)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖并作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，這是機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段的主要內(nèi)容。3.詳細(xì)設(shè)計(jì)階段 該階段是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖具體化為機(jī)器及零部件的合理結(jié)構(gòu)。完成機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、部件和零件設(shè)計(jì)，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等技術(shù)文件。4.改進(jìn)設(shè)計(jì)階段 本階段的主要任務(wù)是根據(jù)試驗(yàn)、使用、鑒定所暴露的問(wèn)題，進(jìn)一步做出相應(yīng)的技術(shù)完善工作，以確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。,方案設(shè)計(jì)的必備知識(shí)1、充分了解并掌握各種常用

4、機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)；2、必須了解和掌握各種動(dòng)力源的性能和使用要求；3、熟悉對(duì)設(shè)計(jì)方案的選擇有重要影響的周?chē)h(huán)境的信息；4、充分重視其他學(xué)科的技術(shù)應(yīng)用；5、應(yīng)有創(chuàng)新意識(shí)并掌握常用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。,方案設(shè)計(jì)的主要步驟：1、目標(biāo)分析：根據(jù)任務(wù)書(shū)給定的總功能作功能分解，直至分解到可以直接求解的功能元 ；,2、創(chuàng)新構(gòu)思：求各功能元的解，同一功能元的解可以運(yùn)用不同的原理，同一原理又可以有若干不同方案，將方案評(píng)價(jià)選優(yōu)；3、方案擬定：擬定總體方

5、案，動(dòng)力源的選擇、傳動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定，并將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)作協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)即設(shè)計(jì)繪制運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖；,4、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步確定機(jī)構(gòu)尺寸，畫(huà)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；5、參數(shù)計(jì)算：對(duì)各初選方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及有關(guān)計(jì)算；6、方案評(píng)價(jià)與決策：對(duì)各方案作技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)評(píng)價(jià)，必要時(shí)作反饋修改，最后從中選擇最優(yōu)方案，繪制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、編寫(xiě)總體方案設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。,14.2 機(jī)械系統(tǒng)的方案擬定14.2.1 原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及應(yīng)用( Type

6、 and Application of Priming Mover)原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源主要有電、熱、液及氣四種。電動(dòng)機(jī)是最常用的原動(dòng)機(jī)，交流異步電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及直線電機(jī)等均有廣泛的應(yīng)用。熱機(jī)是指內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等液壓馬達(dá)及液壓油缸是主要的液壓原動(dòng)機(jī)。氣馬達(dá)及氣缸則是主要的氣壓原動(dòng)機(jī)。,14.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及功用(Type and Application of

7、 Transmission Mechanism )常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有：,1、齒輪機(jī)構(gòu) 齒輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用在中心距較小，傳動(dòng)精度較高，各種不同傳遞動(dòng)力范圍的場(chǎng)合。2、螺旋機(jī)構(gòu) 在許多機(jī)械設(shè)備中大量應(yīng)用著螺旋機(jī)構(gòu)（又稱(chēng)絲杠傳動(dòng)），它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，具有增力效果。,3、帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)帶傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)多用于中心距較大的傳動(dòng)。4、連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備及日常生活中有大量應(yīng)用。5、凸輪機(jī)構(gòu)。由于凸輪機(jī)構(gòu)是高

8、副接觸，決定了這種機(jī)構(gòu)主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)。,14.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型及典型機(jī)構(gòu)(Motion Type of Executive Mechanism and Its Typical Mechanisms)機(jī)器中最接近被作業(yè)工件一端的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中接觸工件或執(zhí)行終端運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱(chēng)為執(zhí)行構(gòu)件。機(jī)器通過(guò)執(zhí)行構(gòu)件完成作業(yè)任務(wù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分為直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、任意軌跡運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及位到位的運(yùn)動(dòng)等主要五種運(yùn)動(dòng)形

9、式。實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)形式的典型機(jī)構(gòu)主要有：,1、實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)(Mechanism to Gain Straight Line Path)1) 齒輪-齒條機(jī)構(gòu)(Pinion-Rack)齒輪的正、反向回轉(zhuǎn)可以使齒條做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),2) 螺旋機(jī)構(gòu)(Screw Mechanism)絲杠的回轉(zhuǎn)可以使螺母實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),3) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(Crank-Slider)當(dāng)曲柄連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊可做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),4)雙搖桿機(jī)構(gòu)起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)

10、,5) 鏈傳動(dòng)（直線段部分的運(yùn)動(dòng)）(Chain Drive Mechanism)帶有翼片的鏈傳動(dòng)，可以拖動(dòng)被作業(yè)件在兩鏈輪間的直線段做直線運(yùn)動(dòng)。,2、實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)(Mechanism to Realize Rotary Motion)1) 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(Gear Transmmision Mechanism,2) 雙曲柄機(jī)構(gòu)（含平行四邊形機(jī)構(gòu)）(Double Crank Mechanism)一曲柄回轉(zhuǎn)可帶動(dòng)另一曲柄做等速或

11、不等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),3) 鏈傳動(dòng)及帶傳動(dòng)(Train and Belt Transmissions)可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),3、實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)構(gòu)(Mechanism to realize any motion path)1) 四桿機(jī)構(gòu)（連桿曲線）(Four-bar Linkage)四桿機(jī)構(gòu)的連桿上的每一點(diǎn)均可以實(shí)現(xiàn)一定的封閉運(yùn)動(dòng)軌跡,2) 開(kāi)式鏈機(jī)構(gòu)(Open Chain Mechanism),任何開(kāi)式鏈機(jī)構(gòu)上的端點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)一

12、定的運(yùn)動(dòng)軌跡，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)大多是由開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)組成的。,4、點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism to Realize Point-to-point Motion )1)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(Crank-sliding Mechanism)合理的設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)滑塊的點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),2)凸輪機(jī)構(gòu)(Cam )擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)及直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),5、位到位的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Mechanism to Realiz

13、e Motion Between Positions),在四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，連桿及搖桿占據(jù)空間兩個(gè)及兩個(gè)以上位置的情況隨處可見(jiàn)，如：,1)熱處理爐爐門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)( Closing and Opening Mechanism of Door of Furnace for Heat Treatment)爐門(mén)可以占據(jù)開(kāi)啟和閉合兩個(gè)位置,2)飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)(Plane Undercarriage Mechanism)起落架可以使輪子占據(jù)收起和放

14、下兩個(gè)位置,14.2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)與運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖(Motion Adjustment to Excutive Mechanism and Its Motion Circulation Chart) 多數(shù)機(jī)器不只有一個(gè)執(zhí)行構(gòu)件，往往是許多執(zhí)行構(gòu)件協(xié)調(diào)工作以完成同一任務(wù)。運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖即可表示出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的時(shí)序協(xié)調(diào)關(guān)系。另一種情況是，某些機(jī)械的多個(gè)執(zhí)行構(gòu)件在完成同一任務(wù)時(shí)，需有準(zhǔn)確而協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)順序的安排，以防止出現(xiàn)

15、某一執(zhí)行構(gòu)件工作不到位或兩個(gè)以上執(zhí)行構(gòu)件在同一空間發(fā)生干涉。運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖分為：直線式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，圓周式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖及直角坐標(biāo)式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。,,在編制運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖時(shí)，要選擇一個(gè)構(gòu)件為定標(biāo)件，用它的運(yùn)動(dòng)位置（轉(zhuǎn)角或位移）作為確定其他執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)先后次序的基準(zhǔn)。有如下三種形式：直線式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，圓周式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖及直角坐標(biāo)式運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。,14.2.5 機(jī)械方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(General Rule for Scheme Design)1、傳動(dòng)鏈應(yīng)盡

16、可能短；2、機(jī)械效率應(yīng)盡可能高；3、傳動(dòng)比的分配應(yīng)盡可能合理；4、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的順序安排應(yīng)盡可能恰當(dāng)；5、機(jī)械的安全運(yùn)轉(zhuǎn)必須保證。,14.2.6 機(jī)械方案的評(píng)價(jià)(Evaluation of Mechanical Scheme) 實(shí)現(xiàn)同一工作任務(wù)，且滿足工藝要求和性能指標(biāo)時(shí)，可以設(shè)計(jì)出多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案來(lái)。必須再經(jīng)過(guò)充分的、細(xì)致的分析比較，以決定取舍。最后保留的設(shè)計(jì)方案應(yīng)是最優(yōu)方案。,每一部機(jī)器都是由原動(dòng)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的

17、，因此需分別對(duì)原動(dòng)機(jī)及各機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后經(jīng)綜合可獲得對(duì)一部機(jī)器整機(jī)的評(píng)價(jià)。建立評(píng)價(jià)體系是量化評(píng)價(jià)的方法之一。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣主要是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全可靠三方面。但作為方案設(shè)計(jì)階段主要考慮功能、性能等技術(shù)方面因素。評(píng)價(jià)體系可將系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為六方面：它們是(1)系統(tǒng)功能、(2)運(yùn)動(dòng)性能、(3) 動(dòng)力性能、(4)工作性能、（5）經(jīng)濟(jì)性、 (6)結(jié)構(gòu)緊湊性等。評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)具體情況分別對(duì)六大類(lèi)型及更為細(xì)致的子項(xiàng)給出分值，然后對(duì)整機(jī)進(jìn)行比

18、較。,1、系統(tǒng)功能：實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)現(xiàn)工藝動(dòng)作的準(zhǔn)確性、特定功能等。2、運(yùn)動(dòng)性能：運(yùn)轉(zhuǎn)速度、行程可調(diào)性、運(yùn)動(dòng)精度等。3、動(dòng)力性能：承載能力、增力特性、振動(dòng)噪音等。4、工作性能：效率高低、壽命長(zhǎng)短、可操作性、安全性、可靠性、適應(yīng)范圍等。5、經(jīng)濟(jì)性：加工難易、能耗大小、制造成本等。6、機(jī)構(gòu)緊湊性：尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。,假定設(shè)計(jì)方案均滿足(1)、(2)兩大類(lèi)型要求，則應(yīng)對(duì)不同方案重點(diǎn)進(jìn)行(3)、(4)、(5)（6）的比

19、較。運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、加速度小、無(wú)沖擊和噪聲，這對(duì)大型機(jī)械是十分重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，尤其對(duì)未獲得在基座上平衡的連桿機(jī)構(gòu)更是如此。機(jī)械的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、傳動(dòng)鏈短、工作可靠是又一重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。制造難易，調(diào)整的方便性，維修的方便性直接影響著機(jī)構(gòu)及機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，這是不可忽視的第三方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 綜合考慮各方面評(píng)價(jià)指標(biāo)，才能在諸多機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)中選出最優(yōu)者。,14.3 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)14.3.1 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用(Creat

20、ive Application for Knowing Mechanism )即：使用常見(jiàn)機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)巧妙的構(gòu)思，賦予機(jī)構(gòu)以新的應(yīng)用。14.3.2 新機(jī)構(gòu)的構(gòu)思與創(chuàng)造(Conception and Creation for New Mechanism )1、原有機(jī)構(gòu)的發(fā)展(Development of Original Mechanism)針對(duì)原有機(jī)構(gòu)應(yīng)用中某些性能方面的不足，而發(fā)展出現(xiàn)的一些新機(jī)構(gòu)。,2、新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)造(Crea