第十三章機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計

1、第十三章第十三章 機(jī)械運動方案及創(chuàng)新設(shè)計機(jī)械運動方案及創(chuàng)新設(shè)計13-1 機(jī)械設(shè)計過程機(jī)械設(shè)計過程 1. 機(jī)械總體方案設(shè)計機(jī)械總體方案設(shè)計 2. 機(jī)械的運動設(shè)計機(jī)械的運動設(shè)計 3. 機(jī)械的動力設(shè)計機(jī)械的動力設(shè)計 4. 機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、機(jī)構(gòu)選型一、機(jī)構(gòu)選型 選型分為選型分為選出選出與與選定選定。 1. 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 a. 首先應(yīng)滿足執(zhí)行構(gòu)件運動形式要求，另外還應(yīng)保證機(jī)械的結(jié)首先應(yīng)滿足執(zhí)行構(gòu)件運動形式要求，另外還應(yīng)保證機(jī)械的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于制造與安裝；構(gòu)簡單、緊湊，便于制造與安裝； b. 具有足夠的強(qiáng)度和工作壽命，工作安全可靠；具有足夠的強(qiáng)度和工作壽命，工

2、作安全可靠； c. 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的動作與運動便于協(xié)調(diào)配合等。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的動作與運動便于協(xié)調(diào)配合等。 首先根據(jù)已知的設(shè)計要求，按執(zhí)行構(gòu)件的運動形式及運動功首先根據(jù)已知的設(shè)計要求，按執(zhí)行構(gòu)件的運動形式及運動功能要求，先在能要求，先在基本機(jī)構(gòu)基本機(jī)構(gòu)中進(jìn)行類比選擇中進(jìn)行類比選擇； 當(dāng)基本機(jī)構(gòu)不能滿足運動或動力要求時，才考慮對基本機(jī)構(gòu)當(dāng)基本機(jī)構(gòu)不能滿足運動或動力要求時，才考慮對基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行組合、變異組合、變異等方法形成新的機(jī)構(gòu)，或選用等方法形成新的機(jī)構(gòu)，或選用組合機(jī)構(gòu)組合機(jī)構(gòu)。 有時很難找到滿足工作要求的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，這時要求改變機(jī)械有時很難找到滿足工作要求的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，這時要求改變機(jī)械的工作原理

3、和工藝動作，或的工作原理和工藝動作，或創(chuàng)造新型機(jī)構(gòu)創(chuàng)造新型機(jī)構(gòu)。13-2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計二二、機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)注意原則機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)注意原則 1） 按已擬定的工作原理進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型時，應(yīng)盡量滿足或按已擬定的工作原理進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型時，應(yīng)盡量滿足或接近運動形式要求；接近運動形式要求； 2） 機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單、尺寸適度、在整體布置機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單、尺寸適度、在整體布置上占的空間小，達(dá)到布局緊湊；上占的空間小，達(dá)到布局緊湊； 3） 機(jī)構(gòu)選型時要注意選擇那些加工制造簡單、容易保證機(jī)構(gòu)選型時要注意選擇那些加工制造簡單、容易保證較高的配合精度的機(jī)構(gòu)；較高的配合精度的機(jī)構(gòu)； 4） 機(jī)構(gòu)選型時要

4、保證在高速運轉(zhuǎn)時有良好的動力特性；機(jī)構(gòu)選型時要保證在高速運轉(zhuǎn)時有良好的動力特性； 5） 機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)考慮機(jī)械效率等問題；機(jī)構(gòu)選型時應(yīng)考慮機(jī)械效率等問題； 6） 機(jī)構(gòu)選型時還要考慮動力源的形式。機(jī)構(gòu)選型時還要考慮動力源的形式。三、機(jī)構(gòu)組合三、機(jī)構(gòu)組合 機(jī)構(gòu)組合是指機(jī)構(gòu)選型的基礎(chǔ)上，根據(jù)使用要求或工藝動作要求，機(jī)構(gòu)組合是指機(jī)構(gòu)選型的基礎(chǔ)上，根據(jù)使用要求或工藝動作要求，將幾個基本機(jī)構(gòu)按一定的原則或規(guī)律組合成一個復(fù)雜的、新的機(jī)構(gòu)系將幾個基本機(jī)構(gòu)按一定的原則或規(guī)律組合成一個復(fù)雜的、新的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。統(tǒng)。 在以下幾個方面常常需機(jī)構(gòu)組合：在以下幾個方面常常需機(jī)構(gòu)組合：1）機(jī)構(gòu)的工藝動作較復(fù)雜）機(jī)構(gòu)的工藝動作較復(fù)

5、雜 若采用簡單的、單一的基本機(jī)構(gòu)無法實現(xiàn)復(fù)雜的工藝動作，這種若采用簡單的、單一的基本機(jī)構(gòu)無法實現(xiàn)復(fù)雜的工藝動作，這種情況下機(jī)構(gòu)組合常采用情況下機(jī)構(gòu)組合常采用并聯(lián)式、復(fù)合式或疊加式并聯(lián)式、復(fù)合式或疊加式的組合方式；組合時的組合方式；組合時應(yīng)注意各個子工藝動作協(xié)調(diào)配合問題。應(yīng)注意各個子工藝動作協(xié)調(diào)配合問題。2） 所選擇的機(jī)構(gòu)其運動和動力特性不好，但又無更好的機(jī)構(gòu)可選所選擇的機(jī)構(gòu)其運動和動力特性不好，但又無更好的機(jī)構(gòu)可選 這種情況下常用串聯(lián)組合方式來改善機(jī)構(gòu)的性能，如增程、增力，這種情況下常用串聯(lián)組合方式來改善機(jī)構(gòu)的性能，如增程、增力，實現(xiàn)各種特殊運動要求等。實現(xiàn)各種特殊運動要求等。3）由于不具備某

6、種動力源，或受其它條件的限制，只有進(jìn)行機(jī)構(gòu)組）由于不具備某種動力源，或受其它條件的限制，只有進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合才能實現(xiàn)所要求的工藝動作。合才能實現(xiàn)所要求的工藝動作。AB串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合框圖串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合框圖 機(jī)構(gòu)的組合方式可劃分為以下四種：串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合，并聯(lián)式機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的組合方式可劃分為以下四種：串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合，并聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合，復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合，疊加式機(jī)構(gòu)組合。組合，復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合，疊加式機(jī)構(gòu)組合。 串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合是指若干個串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合是指若干個單自由單自由度的基本機(jī)構(gòu)順序連接，每個前置機(jī)構(gòu)度的基本機(jī)構(gòu)順序連接，每個前置機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件作為后一機(jī)構(gòu)的輸入件。的輸出構(gòu)件作為后一機(jī)構(gòu)的輸入件。ia a45-

7、450普通槽輪機(jī)構(gòu)普通槽輪機(jī)構(gòu)槽輪連桿機(jī)構(gòu)槽輪連桿機(jī)構(gòu)1. 串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合串聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合2. 并聯(lián)式組合機(jī)構(gòu)并聯(lián)式組合機(jī)構(gòu) 一種是并聯(lián)時幾個機(jī)構(gòu)類型相同、尺寸相同、且對稱一種是并聯(lián)時幾個機(jī)構(gòu)類型相同、尺寸相同、且對稱布置。布置。 另一種是并聯(lián)的幾個機(jī)構(gòu)類型、尺寸不一定相同，也另一種是并聯(lián)的幾個機(jī)構(gòu)類型、尺寸不一定相同，也不是對稱布置，但須滿足一定時序要求，軌跡配合要求，運不是對稱布置，但須滿足一定時序要求，軌跡配合要求，運動形式配合要求，位置要求等。動形式配合要求，位置要求等。 并聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合是指又兩個或多個基本機(jī)構(gòu)并列布置的并聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合是指又兩個或多個基本機(jī)構(gòu)并列布置的組合形式。組合形式。

8、ABABABb)a)c)并聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合框圖并聯(lián)式機(jī)構(gòu)組合框圖123456V型雙缸發(fā)動機(jī)型雙缸發(fā)動機(jī)123襟翼操縱機(jī)構(gòu)襟翼操縱機(jī)構(gòu)3. 復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合 如差動齒輪機(jī)構(gòu)，五連桿機(jī)構(gòu)，或引入空間運動副如差動齒輪機(jī)構(gòu)，五連桿機(jī)構(gòu)，或引入空間運動副的可見運動機(jī)構(gòu)；的可見運動機(jī)構(gòu)； 如單自由度的連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)等。如單自由度的連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)等。 一個兩（多）自由度作為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)一個兩（多）自由度作為基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)A，一個（幾個）單，一個（幾個）單自由度基本機(jī)構(gòu)自由度基本機(jī)構(gòu)B（這里指附加機(jī)構(gòu)）的輸出構(gòu)件接入基礎(chǔ)（這里指附加機(jī)構(gòu)）的輸出構(gòu)件接入基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的并聯(lián)組合形式稱為

9、復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合。機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的并聯(lián)組合形式稱為復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合。復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合框圖復(fù)合式機(jī)構(gòu)組合框圖ABa)b)AB12345凸輪凸輪- -行星輪機(jī)構(gòu)行星輪機(jī)構(gòu)1凸輪凸輪- -連桿組合機(jī)構(gòu)連桿組合機(jī)構(gòu)疊加式機(jī)構(gòu)組合框圖疊加式機(jī)構(gòu)組合框圖BA四、疊加式機(jī)構(gòu)組合四、疊加式機(jī)構(gòu)組合 將一個機(jī)構(gòu)安裝在另一個機(jī)構(gòu)的將一個機(jī)構(gòu)安裝在另一個機(jī)構(gòu)的某個運動構(gòu)件上的組合形式稱為疊加某個運動構(gòu)件上的組合形式稱為疊加式機(jī)構(gòu)組合，其輸出運動是若干個機(jī)式機(jī)構(gòu)組合，其輸出運動是若干個機(jī)構(gòu)輸出運動的合成。構(gòu)輸出運動的合成。 各機(jī)構(gòu)的運動關(guān)系是相互獨立的，如各種機(jī)械手；各機(jī)構(gòu)的運動關(guān)系是相互獨立的，如各種機(jī)械手； 另一種則是各機(jī)

10、構(gòu)之間的運動有一定的影響，相互關(guān)另一種則是各機(jī)構(gòu)之間的運動有一定的影響，相互關(guān)聯(lián)，如搖頭電扇的傳動機(jī)構(gòu)。聯(lián)，如搖頭電扇的傳動機(jī)構(gòu)。 疊加式機(jī)構(gòu)組合的主要功能是實現(xiàn)特定的輸出，完成復(fù)疊加式機(jī)構(gòu)組合的主要功能是實現(xiàn)特定的輸出，完成復(fù)雜的工藝動作。在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)疊加等一系列機(jī)構(gòu)。雜的工藝動作。在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)疊加等一系列機(jī)構(gòu)。1. 運動獨立式運動獨立式2. 運動相關(guān)式運動相關(guān)式液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)BAC電動玩具馬電動玩具馬13-3 機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)1. 對象對象 設(shè)計一個以加工平面為主的金屬切削機(jī)床的機(jī)械傳動系

11、統(tǒng)。設(shè)計一個以加工平面為主的金屬切削機(jī)床的機(jī)械傳動系統(tǒng)。 該機(jī)床的使用場合及應(yīng)滿足的精度如下：該機(jī)床的使用場合及應(yīng)滿足的精度如下：1) 該機(jī)器主要用于單件小批量生產(chǎn)場合，希望造價較低，工作可該機(jī)器主要用于單件小批量生產(chǎn)場合，希望造價較低，工作可靠，使用和維修較簡單；靠，使用和維修較簡單；2) 機(jī)器具有一般的工作精度：機(jī)器具有一般的工作精度： 加工表面的平面度：加工表面的平面度：89級精度級精度 加工表面的垂直度：加工表面的垂直度：89級精度級精度二、機(jī)器工作原理的確定二、機(jī)器工作原理的確定1. 選定機(jī)器工作原理的一般原則選定機(jī)器工作原理的一般原則 不僅是一般性地滿足工作要求，必須從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

12、出發(fā)，不僅是一般性地滿足工作要求，必須從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā)，作細(xì)致的、科學(xué)的綜合分析與對比。作細(xì)致的、科學(xué)的綜合分析與對比。2. 機(jī)器工作原理的選定機(jī)器工作原理的選定1) 加工工藝的選擇加工工藝的選擇 用于金屬材料表面加工的工藝方法很多：鑄造、金屬切削加用于金屬材料表面加工的工藝方法很多：鑄造、金屬切削加工、壓力加工、電蝕加工、光切割等。工、壓力加工、電蝕加工、光切割等。2) 機(jī)器傳動類型的選擇機(jī)器傳動類型的選擇 按動作原理劃分的傳動類型按動作原理劃分的傳動類型 機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動、液力機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動、液力機(jī)械傳動、電力機(jī)械傳動、電力機(jī)械傳動，以及其它復(fù)合傳動等類中選擇合

13、用的傳動類型。機(jī)械傳動，以及其它復(fù)合傳動等類中選擇合用的傳動類型。 按組成方式劃分的傳動類型的選擇按組成方式劃分的傳動類型的選擇 在同種傳動類型中，因機(jī)器執(zhí)行構(gòu)件運動形式的不同，傳動系統(tǒng)還可在同種傳動類型中，因機(jī)器執(zhí)行構(gòu)件運動形式的不同，傳動系統(tǒng)還可以分為不同的組成方式。不同的傳動系統(tǒng)組成方式，可看成是機(jī)器工作原以分為不同的組成方式。不同的傳動系統(tǒng)組成方式，可看成是機(jī)器工作原理在較小范圍之內(nèi)的差異。理在較小范圍之內(nèi)的差異。V2V3V1刨削：刨刀往復(fù)直線急回運動刨削：刨刀往復(fù)直線急回運動立式銑削：銑刀回轉(zhuǎn)，工作臺進(jìn)給立式銑削：銑刀回轉(zhuǎn)，工作臺進(jìn)給w w2V3V1三、機(jī)器傳動系統(tǒng)方案的擬定與主運動

14、機(jī)構(gòu)的選型三、機(jī)器傳動系統(tǒng)方案的擬定與主運動機(jī)構(gòu)的選型1. 機(jī)器傳動系統(tǒng)方案的擬定機(jī)器傳動系統(tǒng)方案的擬定 起始端采用電動機(jī)驅(qū)動；起始端采用電動機(jī)驅(qū)動； 末端有刨刀和夾持工件的工末端有刨刀和夾持工件的工作臺兩個執(zhí)行部件；作臺兩個執(zhí)行部件； 刨刀作連續(xù)往復(fù)運動，一個來刨刀作連續(xù)往復(fù)運動，一個來回分為工作行程與空回行程兩個階段；回分為工作行程與空回行程兩個階段； 工件的移動應(yīng)在刨刀空回行程工件的移動應(yīng)在刨刀空回行程的期限內(nèi)完成，故工件的進(jìn)給是作間的期限內(nèi)完成，故工件的進(jìn)給是作間歇運動；歇運動； 刨刀與工作臺的運動在時間上刨刀與工作臺的運動在時間上有協(xié)調(diào)配合要求，且用一臺電動機(jī)驅(qū)有協(xié)調(diào)配合要求，且用一

15、臺電動機(jī)驅(qū)動。動。刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的初步方案圖刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的初步方案圖減速傳動機(jī)構(gòu)（帶傳動減速傳動機(jī)構(gòu)（帶傳動+齒輪傳動）齒輪傳動） 刨刀往復(fù)直線急回運動機(jī)構(gòu)刨刀往復(fù)直線急回運動機(jī)構(gòu)工作臺間歇直線步進(jìn)機(jī)構(gòu)工作臺間歇直線步進(jìn)機(jī)構(gòu)w w1原動機(jī)原動機(jī)V2V3w w1w w1 在在后部串聯(lián)一個能將后部串聯(lián)一個能將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動(或間歇轉(zhuǎn)動或間歇轉(zhuǎn)動)變?yōu)橐苿幼優(yōu)橐苿?或間歇或間歇移動移動)的基本機(jī)構(gòu)的基本機(jī)構(gòu)； 在在前部串聯(lián)能減少間歇運前部串聯(lián)能減少間歇運動沖擊又容易獲得動沖擊又容易獲得任意運動規(guī)任意運動規(guī)律律的高副機(jī)構(gòu)的高副機(jī)構(gòu)； w w= w w 。刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的初步方

16、案圖刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的初步方案圖w w1原動機(jī)原動機(jī)V2V3w w1w w1 高副機(jī)構(gòu)（輸入角速度高副機(jī)構(gòu)（輸入角速度w w1，輸出線速度，輸出線速度w w3）間歇運動機(jī)構(gòu)（輸入角速度間歇運動機(jī)構(gòu)（輸入角速度w w3 ，輸出線速度，輸出線速度w w3 ）轉(zhuǎn)動（擺動）轉(zhuǎn)動（擺動）移動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（輸入角速度移動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（輸入角速度w w3，輸出線速度，輸出線速度V3）原動機(jī)原動機(jī)V2V3w w1w w1w w1w w3 w w3刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的最終方案圖刨床傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組合情況的最終方案圖2. 主運動機(jī)構(gòu)的選型及分析主運動機(jī)構(gòu)的選型及分析1)選型原則概述選型原則概述 機(jī)構(gòu)功能的優(yōu)劣

17、機(jī)構(gòu)功能的優(yōu)劣(機(jī)構(gòu)行程能否達(dá)到要求機(jī)構(gòu)行程能否達(dá)到要求?空間尺寸是否合適空間尺寸是否合適?能否滿足運動規(guī)律要求能否滿足運動規(guī)律要求?傳力特性如何傳力特性如何?動力性能動力性能慣性力平慣性力平衡、沖擊振動、噪聲衡、沖擊振動、噪聲)，運動精度能否滿足要求？，運動精度能否滿足要求？ 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理性；機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理性； 機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性；機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性； 機(jī)構(gòu)的實用性。機(jī)構(gòu)的實用性。2) 按上述原則對刨床主運動機(jī)構(gòu)按上述原則對刨床主運動機(jī)構(gòu)作如下評選作如下評選 第一次篩選第一次篩選選出能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運動的運動機(jī)構(gòu)選出能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運動的運動機(jī)構(gòu) 第二次篩選第二次篩選選出具有急回運動特性往復(fù)運動的運動機(jī)構(gòu)選出

18、具有急回運動特性往復(fù)運動的運動機(jī)構(gòu) 第三次篩選第三次篩選選出選出運動特性與傳力特性等綜合性能優(yōu)選出選出運動特性與傳力特性等綜合性能優(yōu)良的機(jī)構(gòu)良的機(jī)構(gòu)1-電機(jī)；電機(jī)；2-V帶傳動；帶傳動；3-高速級齒輪傳動；高速級齒輪傳動；4-低速級齒輪傳動；低速級齒輪傳動；5-擺動到感機(jī)構(gòu)；擺動到感機(jī)構(gòu)；6-凸輪機(jī)構(gòu)；凸輪機(jī)構(gòu)；7-雙搖桿機(jī)構(gòu)；雙搖桿機(jī)構(gòu)；8-升降機(jī)構(gòu)；升降機(jī)構(gòu)；9-工作臺；工作臺；10-棘輪棘輪絲杠進(jìn)給機(jī)絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)；構(gòu)；11-工件；工件；12-讓刀機(jī)構(gòu)；讓刀機(jī)構(gòu)；13進(jìn)刀機(jī)構(gòu)；進(jìn)刀機(jī)構(gòu)；14-滑枕滑枕牛頭刨床機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)示意圖牛頭刨床機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)示意圖19106234578111213141. 機(jī)器的運動分類機(jī)器的運動分類 根據(jù)機(jī)器所完成功能及其生產(chǎn)工藝的不同，有無周期根據(jù)機(jī)器所完成功能及其生產(chǎn)工藝的不同，有無周期循環(huán)循環(huán)(起重運輸機(jī)械、建筑機(jī)械、工程機(jī)械等起重運輸機(jī)械、建筑機(jī)械、工程機(jī)械等)和有周期循和有周期循環(huán)環(huán)(包裝機(jī)械、輕工自動機(jī)、自動機(jī)床等包裝機(jī)械、輕工自動機(jī)、自動機(jī)床等)之分。之分。2. 機(jī)器的運動循環(huán)機(jī)器的運動循環(huán)(工作循環(huán)工作循環(huán))圖圖 定義定義描述各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間有序的、既相互制約又相描述各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間有序的、既相互制約又相互協(xié)調(diào)配合的運動