機械系統(tǒng)的總體方案設計

機械系統(tǒng)的總體方案設計

§1機械總體方案設計

機械總體方案設計的目的，就是通過調(diào)查研究進行機械產(chǎn)品規(guī)劃、確定設計任務、明確設計要求和條件，在此基礎上尋求問題的解法及原理方案構(gòu)思，進行功能原理設計，擬定機械功能原理方案，選擇機構(gòu)類型，得出一組可行的機械系統(tǒng)運動方案，為下一步進行詳細的結(jié)構(gòu)設計作好原理方案方面的準備，也為最終進行評價、選優(yōu)、決策提供可行性、先行性等相關技術(shù)原理方面詳盡的科學依據(jù)。

一、機械總體方案設計的目的二、機械總體方案設計的內(nèi)容

機械系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成。因此，總體方案設計的主要內(nèi)容就是圍繞這幾部分的方案設計。1）執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計

2）原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設計

3）控制系統(tǒng)的方案設計

4）其他輔助系統(tǒng)的設計

§2機械執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案設計

機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計是機械總體方案設計的核心，也是整個機械設計工作的基礎。執(zhí)行系統(tǒng)方案設計的好壞，對機械能否完成預期的功能目標，起著決定性的作用。機械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設計應滿足以下基本要求：1）保證設計時提出的功能目標

2）足夠的使用壽命和強度、剛度要求

3）各執(zhí)行機構(gòu)應結(jié)構(gòu)合理、配合協(xié)調(diào)

本節(jié)主要討論執(zhí)行結(jié)構(gòu)的型式設計與執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計。

一、執(zhí)行機構(gòu)的型式設計

執(zhí)行機構(gòu)的型式設計即根據(jù)機械系統(tǒng)的運動方案設計要求，針對不同的執(zhí)行構(gòu)件運動形式和運動規(guī)律，選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)。

（1）滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求。（2）盡量簡化和縮短運動鏈，選擇較簡單的機構(gòu)。（3）盡量減小機構(gòu)的尺寸（4）選擇合適的運動副形式（5）考慮動力源的形式（6）使執(zhí)行系統(tǒng)具有良好的傳力條件和動力特性（7）使機械具有調(diào)節(jié)某些運動參數(shù)的能力

（8）保證機構(gòu)的安全運轉(zhuǎn)

上圖a、b所示分別為精確和近似直線導向機構(gòu)的簡圖。由于在同一制造精度條件下前者的實際傳動誤差約為后者的2-3倍，因此人們寧愿選用后者。圖13-1直線機構(gòu)

2、執(zhí)行機構(gòu)的選型所謂機構(gòu)的選型，就是將前人創(chuàng)造發(fā)明的數(shù)以千計的各種機構(gòu)，按照運動特性或動作功能進行分類，然后根據(jù)設計對象中執(zhí)行構(gòu)件所需要的運動特性和動作功能進行搜索、選擇、比較和評價，選出執(zhí)行機構(gòu)的合適形式。按照執(zhí)行構(gòu)件所需的運動形式和運動變換功能的要求，從各種常用機構(gòu)中進行選擇、分析和比較，滿足運動形式的變換和功能的實現(xiàn)，是執(zhí)行機構(gòu)選型時首先要考慮的因素。3、執(zhí)行機構(gòu)型式設計實例試進行1.5t壓片機上沖頭主加壓機構(gòu)的型式設計。壓片機由電動機驅(qū)動，上沖頭加壓動作如圖13-2所示，圖中h為沖頭下移行程，h’為沖頭沖壓階段行程。

圖13-2壓片機上沖頭加壓動作示意圖（1）分析上沖頭加壓工藝過程對主加壓機構(gòu)的要求。經(jīng)分析，上沖頭加壓工藝過程加壓機構(gòu)的功能要求可概括為：1）運動形式變換功能

2）運動方向交替變換功能

3）運動縮小功能4）運動停歇功能

（2）提出并初選機構(gòu)方案

二、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計

為了完成機械系統(tǒng)的預定功能和生產(chǎn)過程，各執(zhí)行機構(gòu)不僅要完成各自的執(zhí)行動作，而且相互之間必須協(xié)調(diào)一致。1、執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計的原則（1）滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作先后順序的要求；（2）滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作在時間上的同步性要求；（3）滿足各執(zhí)行機構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求；（4）滿足各執(zhí)行機構(gòu)操作上的協(xié)同性要求；（5）各執(zhí)行機構(gòu)的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率；（6）各執(zhí)行機構(gòu)的布置有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。2、執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計的方法根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，機構(gòu)的運動循環(huán)可分為兩大類。（1）可變運動循環(huán)（2）固定運動循環(huán)3、機械運動循環(huán)圖機械運動循環(huán)圖描述了各執(zhí)行構(gòu)件運動間相互協(xié)調(diào)配合關系。在編制機械運動循環(huán)圖時，必須選取機構(gòu)中某一主要的執(zhí)行構(gòu)件作為參考件，取其有代表性的特征位置為起始位置，作為確定其他執(zhí)行構(gòu)件相對于該主要執(zhí)行構(gòu)件運動的先后次序和配合關系的基準。機械運動循環(huán)圖是設計機器的控制系統(tǒng)和進行機器調(diào)試的依據(jù)?！?機械傳動系系統(tǒng)的方案案設計和原原動機選擇擇機械傳動系系統(tǒng)的方案案設計是機機械系統(tǒng)方方案設計中中至關重要要的一個環(huán)環(huán)節(jié)。傳動動系統(tǒng)方案案設計的好好壞，在很很大程度上上決定了所所設計機械械產(chǎn)品是否否先進合理理、質(zhì)高價價廉及具有有市場競爭爭力。在完完成了執(zhí)行行系統(tǒng)的方方案設計和和原動機的的預選型后后，即可根根據(jù)執(zhí)行機機構(gòu)所需要要的運動和和動力條件件及原動機機的類型和和性能參數(shù)數(shù)，進行傳傳動系統(tǒng)的的方案設計計。一、傳動系系統(tǒng)方案設設計過程1）確定傳動系系統(tǒng)的總傳傳動比。2）選擇傳動類類型。3）擬定傳動鏈鏈的布置方方案。4）分配傳動比比。5）確定各級傳傳動機構(gòu)的的基本參數(shù)數(shù)和主要幾幾何尺寸，，計算傳動動系統(tǒng)的各各項運動學學和動力學學參數(shù)，為為各級傳動動裝置的結(jié)結(jié)構(gòu)設計、、強度計算算和傳動系系統(tǒng)方方案評價提提供依據(jù)和和指標。6）繪制制傳動系統(tǒng)統(tǒng)運動簡圖圖。二、傳動類類型的選擇擇1、傳動的的類型和特特點（1）機械械傳動（2）液壓壓、液力傳傳動（3）氣壓壓傳動（4）電氣氣傳動2、傳動類類型的選擇擇機械傳動類類型的選擇擇關系到傳傳動系統(tǒng)的的方案設計計和工作性性能參數(shù)。。技術(shù)經(jīng)濟濟指標是確確定傳動方方案的主要要因素，只只有通過對對多種傳動動方案的技技術(shù)經(jīng)濟指指標作細致致的綜合分分析和對比比，才能比比較合理地地選用機構(gòu)構(gòu)傳動的類類型。（1）機械械傳動類型型選擇的依依據(jù)1）執(zhí)行系系統(tǒng)的性能能參數(shù)和工工況要求。。2）原動機機的機械特特性和調(diào)速速性能。3）對機械械傳動系統(tǒng)統(tǒng)的性能、、尺寸、重重量和安裝裝布置的要要求。4）工作環(huán)環(huán)境（例如如高溫、低低溫、潮濕濕、粉塵、、腐蝕、易易燃、防爆爆等）的要要求。5）制造工工藝性和經(jīng)經(jīng)濟性（例例如制造和和維修費用用、使用壽壽命、傳動動效率等））的要求。。（2）機械械傳動系統(tǒng)統(tǒng)選擇的原原則1）簡化傳傳動環(huán)節(jié)a.當原動機的的功率、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或運動動方式完全全符合執(zhí)行行系統(tǒng)的工工況和工作作要求時，，可將原動動機的輸出出軸與執(zhí)行行機構(gòu)的輸輸入軸用聯(lián)聯(lián)軸器直接接聯(lián)接。b.在固定傳動動比的機械械傳動系統(tǒng)統(tǒng)中，若原原動機可調(diào)調(diào)速而執(zhí)行行系統(tǒng)的工工作載荷又又變化不大大，或執(zhí)行行系統(tǒng)有調(diào)調(diào)速要求并并與原動機機的調(diào)速范范圍相適應應，則可采采用固定傳傳動比的機機械傳動裝裝置。c.當執(zhí)行系統(tǒng)統(tǒng)要求的調(diào)調(diào)速范圍較較大，或用用原動機調(diào)調(diào)速的機械械特性不能能滿足要求求時，可采采用可調(diào)傳傳動比的機機械傳動裝裝置。2）提高機械傳傳動效率a.對高速、大大功率、長長期工作的的工況，應應選用承載載能力高、、傳動平穩(wěn)穩(wěn)、傳動效效率高的傳傳動類型。。b.對速度較低低、中小功功率、要求求傳動比較較大的工況況，可采用用單級蝸桿桿傳動、多多級齒輪傳傳動、帶-齒輪傳動動、帶-齒齒輪-鏈傳傳動等多種種方案，并并進行分析析比較，從從中選擇綜綜合性能較較好的方案案。c.傳動比較大大時，應優(yōu)優(yōu)先選用結(jié)結(jié)構(gòu)緊湊湊的蝸桿傳傳動和行星星齒輪傳動動，原動機機輸出軸和和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)輸入軸平平行時，可可采用圓柱柱齒輪傳動動；中心距距較大時，，可采用帶帶傳動或鏈鏈傳動。3）確保機機械系統(tǒng)安安全運轉(zhuǎn)。。三、傳動鏈鏈的方案設設計1、傳動機機構(gòu)順序的的合理安排排1）帶傳動動為摩擦傳傳動，承載載能力較小小，傳遞相相同轉(zhuǎn)矩時時，結(jié)構(gòu)尺尺寸較其他他傳動形式式大。2）鏈傳動動由于瞬時時傳動比不不斷變化，，致使運動動不均勻，，有沖擊，，故不宜用用于高速級級，應布置置在低速級級。3）蝸桿傳傳動的傳動動比大，傳傳動平穩(wěn)，，效率較低低，適用于于中、小功功率和間歇歇運轉(zhuǎn)的場場合。4）錐齒輪輪的加工困困難，特別別是大模數(shù)數(shù)錐齒輪，，因此只在在需要改變變軸的方向向時才采用用，且應盡盡量布置在在高速級，，并限制其其傳動比，，以減小其其直徑和模模數(shù)。5）斜齒輪輪傳動的平平穩(wěn)性較直直齒輪傳動動好，常用用在高速級級或要求傳傳動平穩(wěn)的的場合。6）開式齒齒輪傳動的的工作環(huán)境境較差，潤潤滑條件不不好，磨損損較嚴重，，壽命短，，應布置在在低速級。。2、各級級傳動比比的分配配1）各級級傳動的的傳動比比都應在在各自允允許的合合理范圍圍內(nèi)，以以保證符符合各種種傳動形形式的工工作特點點并使其其結(jié)構(gòu)緊緊湊。2）分配配各種形形式的傳傳動比時時，應注注意使各各傳動零零件尺寸寸協(xié)調(diào)，，結(jié)構(gòu)勻勻稱合理理，不會會造成互互相干涉涉碰撞。。3）當傳傳動鏈較較長、傳傳動功率率較大時時，應使使大多數(shù)數(shù)傳動在在較高速速度下工工作，然然后在進進行較大大的減速速，使較較少數(shù)量量的傳動動在低速速下工作作。4））對對于于兩兩級級或或多多級級齒齒輪輪減減速速器器，，傳傳動動比比的的合合理理分分配配直直接接影影響響減減速速器器外外廓廓尺尺寸寸的的大大小小、、承承載載能能力力能能否否充充分分發(fā)發(fā)揮揮，，以以及及各各級級傳傳動動零零件件潤潤滑滑是是否否方方便便等等。。四、、原原動動機機的的選選擇擇原動動機機的的選選擇擇，，主主要要根根據(jù)據(jù)機機械械系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作環(huán)環(huán)境境（（溫溫度度、、濕濕度度、、粉粉塵塵、、酸酸堿堿等等））、、工工作作特特點點（（起起動動頻頻繁繁程程度度、、起起動動載載荷荷大大小小等等）），，并并考考慮慮各各種種電電動動機機的的特特點點及及供供應應情情況況等等來來確確定定。?！?機械械控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)簡簡介介機械械系系統(tǒng)統(tǒng)中中的的控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是指指采采用用電電氣氣、、電電子子、、液液壓壓、、氣氣動動等等技技術(shù)術(shù)，，以以傳傳感感器器件件和和檢檢測測診診斷斷手手段段對對機機械械的的傳傳動動系系統(tǒng)統(tǒng)、、執(zhí)執(zhí)行行系系統(tǒng)統(tǒng)進進行行自自動動控控制制的的信信息息處處理理系系統(tǒng)統(tǒng)，，它它由由控控制制裝裝置置和和被被控控對對象象兩兩部部分分組組成成。?？乜刂浦茖ο笙笸ㄍǔ３７址譃闉閮蓛深愵悺?。第一一類類是是以以位位移移、、速速度度、、加加速速度度、、溫溫度度、、壓壓力力等等參參數(shù)數(shù)的的數(shù)數(shù)值值大大小小為為控控制制對對象象，，并并根根據(jù)據(jù)表表示示數(shù)數(shù)量量信信號號的的種種類類分分為為模模擬擬控控制制與與數(shù)數(shù)字字控控制制。。第二二類類是是以以物物體體的的有有、、無無、、動動、、停停等等邏邏輯輯狀狀態(tài)態(tài)為為控控制制對對象象，，成成為為邏邏輯輯控控制制。。邏邏輯輯控控制制可可用用““0”、、““1”兩兩個個邏邏輯輯控控制制信信號號來來表表示示。?！?機械械系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案評評價價與與決決策策一、、方方案案評評價價與與決決策策的的意意義義機械械系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案設設計計的的最最終終目目標標，，是是尋尋求求一一種種既既能能實實現(xiàn)現(xiàn)預預期期功功能能要要求求，，又又性性能能優(yōu)優(yōu)良良、、價價格格低低廉廉的的設設計計方方案案。。由于于功功能能原原理理、、運運動動規(guī)規(guī)律律、、形形式式設設計計、、傳傳動動類類型型的的多多方方案案性性，，機機械械系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案設設計計的的過過程程，，就就是是一一個個先先通通過過分分析析、、綜綜合合，，使使待待選選方方案案數(shù)數(shù)目目由由少少變變多多，，在在通通過過評評價價、、決決策策，，使使待待選選方方案案數(shù)數(shù)目目由由多多變變少少，，最最后后獲獲得得滿滿意意方方案案的的過過程程。。二、、評評價價指指標標機械械系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計方方案案的的優(yōu)優(yōu)劣劣，，通通常常應應從從技技術(shù)術(shù)、、經(jīng)經(jīng)濟濟、、安安全全可可靠靠三三方方面面予予以以評評價價。。但但是是由由于于在在方方案案設設計計階階段段還還不不可可能能具具體體涉涉及及到到機機械械的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和強強度度設設計計等等細細節(jié)節(jié)，，因因此此評評價價應應主主要要考考慮慮技技術(shù)術(shù)方方面面的的因因素素，，即即功功能能和和工工作作性性能能方方面面的的指指標標應應占占有有較較大大的的比比例例。。表13-1列列出出了了機機械械系系統(tǒng)統(tǒng)功功能能和和性性能能的的各各項項評評價價指指標標體體系系極極其其具具體體內(nèi)內(nèi)容容。。序號

評價指標

具體內(nèi)容

1系統(tǒng)功能

實現(xiàn)運動規(guī)律或運動軌跡，實現(xiàn)工藝動作的準確性，實現(xiàn)特定功能

2運動性能

運轉(zhuǎn)速度、行程可調(diào)性，運動精度等

3動力性能

承載能力、增力特性、傳力特性、振動噪聲等

4工作性能

效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性、適用范圍等

5經(jīng)濟性

加工難易、

能耗大小、制造成本等

6結(jié)構(gòu)緊湊性

尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復雜性等

表13-1機械械系系統(tǒng)統(tǒng)的的性性能能評評價價指指標標三、、評評價價方方法法常用用的的評評價價方方法法有有經(jīng)經(jīng)驗驗評評價價法法、、數(shù)數(shù)學學評評價價法法和和試試驗驗評評價價法法三三大大類類。。當當方方案案不不多多、、問問題題不不太太復復雜雜時時，，可可采采用用經(jīng)經(jīng)驗驗評評價價法法，，即即根根據(jù)據(jù)評評價價者者的的經(jīng)經(jīng)驗驗，，對對方方案案做做粗粗略略的的定定性性評評價價。。數(shù)數(shù)學學分分析析法法是是使使用用數(shù)數(shù)學學工工具具進進行行分分析析、、推推導導和和計計算算得得到到定定量量的的評評價價參參數(shù)數(shù)供供決決策策者者參參考考。。常常用用的的方方法法有有名名次次計計分分法法、、評評分分法法、、技技術(shù)術(shù)經(jīng)經(jīng)濟濟評評價價法法和和模模糊糊評評價價法法等等。。下面介介紹評評分法法和技技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟評評價法法。1.評評分法法評分法法根據(jù)據(jù)規(guī)定定的標標準用用分值值作為為衡量量方案案優(yōu)劣劣的尺尺度，，對方方案進進行定定量評評價。。評分分標準準一般般為5分制制和10分分制（（見表表13-2），，“理理想狀狀態(tài)””取為為最高高分，，“不不能用用”取取為0分；；當設設計方方案的的具體體化程程度較較低，，有些些特征征尚不不清楚楚時，，建議議采用用5分分制評評分標標準；；當設設計方方案較較具體體，特特征較較明顯顯時，，建議議采用用10分評評分標標準。。10分制

012345678910不能用缺陷多較差勉強可用可用基本滿意良好很好超目標理想5分制

012345不能用勉強可用可用良好很好理想表13-2評分標標準對于多多評價價目標標的方方案，，其總總分可可按分分值相相加法法、分分值連連乘法法、均均值法法或加加權(quán)計計分法法（有有效值值法））等方方法進進行計計算（（見表表13-3）。。總分的的高低低可綜綜合體體現(xiàn)方方案的的優(yōu)劣劣。獲獲得高高分的的方案案為優(yōu)優(yōu)選方方案。。表13-3給給出的的幾種種方法法中，，綜合合考慮慮各評評價目目標分分值及及加權(quán)權(quán)系數(shù)數(shù)的有有效值值作為為方案案的評評價依依據(jù)較較為合合理，，應用用最多多。加權(quán)系系數(shù)是是反映映評價價目標標重要要程度度的量量化系系數(shù)，，又稱稱目標標重要要性系系數(shù)。。加權(quán)權(quán)系數(shù)數(shù)大，，則重重要程程度高高。加權(quán)系系數(shù)的的確定定方法法有兩兩種：：（1））經(jīng)驗驗法根根據(jù)據(jù)以往往或他他人經(jīng)經(jīng)驗，，人為為地給給定各各評價價目標標的加加權(quán)系系數(shù)<1，，并滿足足（2））判別別表計計算法法式中————各評評價目目標的的總分分；n——評價目目標數(shù)數(shù)；方法

公式

特點分值相加法

將個評價目標評分值簡單相加，計算簡單、直觀

分值連乘法

將個評價目標評分值相乘，使各方案總分差拉開，便于比較

均值法

將相加所得結(jié)果除以評價目標數(shù)，結(jié)果直觀

相對值法

將均值法所得結(jié)果除以理想值，使Qi<1,，可看出與理想值的差距加權(quán)計分法（有效值法）

將各項評分值乘以加權(quán)系數(shù)后相加，考慮了各評價目標的重要程度

表13-3總