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1、第二十八章 机械执行系统的方案 设计 28.1 机械系统的总体方案设计 一、概述 二、机械系统总体方案设计的基本原则 与基本法规 三、总体参数及其确定 一、概述 （一）现代机械系统的概念和功能 （二）机械系统总体方案设计的重要性 （三）机械总体方案设计的任务和内容 （四）机械系统总体方案设计的类型 （五）机械系统总体方案设计的特点 机械系统的总体方案设计 （一）现代机械系统的概念和功能 机械系统的概念 由计算机与信息网络控制的、用于完成包括机械力、 运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件 相互联系的系统 。 机械系统的功能 现代机械的总功能是对输入的物质、能量和信息进行 预定的变换（加
2、工、处理）、传递（移动、输送）和 保存（保存、存储、记录)。 机械系统的总体方案设计 机械系统的功能 主动能 动力功能 控制功能 结构功能 机械系统的总体方案设计 （二）机械系统总体方案设计的重要性 机械系统设计过程的四个阶段 初始规划设计阶段 总体方案设计阶段 结构技术设计阶段 生产施工设计阶段 机械系统的总体方案设计 （三）机械总体方案设计的任务和内容 任务 机械总体方案设计需要完成整体方案示意图、机械系统 运动简图、运动循环图和方案设计计算说明书。其中 ，包括了总体布局、主要技术参数的确定和方案评价 与决策。 内容 机械系统的总体方案设计 （四）机械系统总体方案设计的类型 开发性设计 变
3、型设计 适应性设计 机械系统的总体方案设计 （五）机械系统总体方案设计的特点 1协调性 2相关性 3内外结合性 机械系统的总体方案设计 二、机械系统总体方案设计的基本原则和 基本法规 （一）基本原则 （二）基本法规 机械系统的总体方案设计 （一）基本原则 1需求原则 2效益原则 3信息原则 4系统原则 5创新原则 6继承原则 7优化的原则 8简化的原则 9理论与实践相结合的原则 10工程的原则 11广义的原则 12快速的原则 机械系统的总体方案设计 （二）基本法规 1标准化 2政策与法令 机械系统的总体方案设计 三、总体参数及其确定 1.生产率 2.精度 3.速度参数 4动力参数 5尺寸和重量
4、参数 6. 效率和寿命 机械系统的总体方案设计 28.2执行系统的功能原理和运动规律 设计 一、执行系统的功能原理方案设计 二、执行系统的运动规律设计 一、执行系统的功能原理方案设计 （一）功能原理方案设计的任务 （二）功能原理方案设计的特点 执行系统的功能原理和运动规律设计 （一）功能原理方案设计任务 针对某一确定的功能要求，去寻求某些物理效应并借助 一些作用原理来求得实现该功能目标的解法原理。常 用的功能原理如摩擦传动原理、机械推拉原理、材料 变形原理、电磁传动原理、流体传动原理、光电原理 等。 执行系统的功能原理和运动规律设计 （二）功能原理方案设计的特点 1在功能原理方案设计中常常会引
5、入某种新技术、新 工艺、新材料，它首先要求设计者要有新想法、新构 思。 2功能原理方案设计是否合理将对产品的成败起决定 性的作用，它从质的方面决定了机械的设计水平和综 合性能状况。设计人员应给予高度重视。 执行系统的功能原理和运动规律设计 二、执行系统的运动规律设计 （一）运动规律设计的任务及重要性 （二）运动规律设计的方法和注意事项 （二）运动规律设计的方法和注意事项 同一种功能要求可以采用不同的工作原理来实现，而同一种工作原 理，又可以采用不同的运动规律得到不同的运动方案。 图28-3 三种不同的从地下取液体的运动规律方案 a）往复移动改变容积 b）往复摆动改变容积 c）旋转运动改变容积
6、（二）运动规律设计的方法和注意事项 图28-4 四种不同的加工内孔的运动规律方案 a）车床方案 b）镗床方案 c）钻床方案 d）拉床方案 28.3执行系统的型式设计和协调设计 一、执行机构的型式设计 二、执行机构的协调设计 一、执行机构的型式设计 （一）执行机构型式设计的基本原则 （二）执行机构型式设计的方法 执行系统的型式设计和协调设计 （一）执行机构型式设计的基本原则 1满足执行机构运动规律的要求 2结构简单，运动链短 3使执行系统有尽可能好的动力性能 4充分考虑动力源的形式 5使机械操作方便，调整容易，安全可靠 图28-5 可生成直线轨迹的两种机构 a）产生近似直线轨迹的简单机构 b）产
7、生精确直线轨迹的复杂机构 （二）执行机构型式设计的方法 1机构的选型 2机构的构型 执行系统的型式设计和协调设计 图28-7 通过机架变换由齿轮机构得到行星轮系 a）外啮合齿轮机构转化为行星轮系 b）内啮合齿轮机构转化为行星轮系 图28-8 用三个转动副代替一个球面副 a）球面副S b）用三个转动副代替一个球面副 c）代替后的的实例-单万向联轴节 图28-9 有停歇的摆动导杆机构 图28-10 应用扩展法增大急回特性和运动行程 二、执行系统的协调设计 （一）执行系统协调设计的原则 （二）执行系统协调设计的方法和步骤 （三）运动循环图 （四）举例 执行系统的型式设计和协调设计 （一）执行系统协调
8、设计的原则 1满足工艺过程动作先后顺序的要求 2满足执行系统循环工作的要求 3满足各执行机构操作上的协调性要求 4满足各执行机构位置上的协调性要求 5满足提高生产率的要求 6满足能量协调和提高效率的要求 （二）执行系统协调设计的方法和步骤 执行系统协调设计的步骤一般为 1确定机械工作循环的周期 2确定各执行构件在一个运动循环中的各个行 程段及其所需的时间 3确定各个执行构件动作间的协调配合关系 执行系统的型式设计和协调设计 （三）运动循环图 1.运动循环图的概念 2运动循环图的形式 执行系统的型式设计和协调设计 1.运动循环图的概念 用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称 为机械的运动循环
9、图。 它是机械协调设计的重要技术文件。 若有分配轴，运动循环图常以分配轴的转角为 坐标来编制；若没有分配轴，常选取执行系统 中某一主要的执行构件为参考件。取具有代表 性的特征位置作为起始位置，如以生产工艺的 起始点作为运动循环的起点，由此来确定其它 执行构件的运动相对于该主要执行构件的先后 次序和配合关系。 执行系统的型式设计和协调设计 图28-11 简易平板印刷机的运动循环图 a)直线式运动循环图 b）圆周式运动循环图 c）直角坐标式运动循环图 2运动循环图的形式 （1）直线式运动循环图 （2）圆周式运动循环图 （3）直角坐标式运动循环图 （4）运动循环图三种形式间的关系 执行系统的型式设计
10、和协调设计 （四）举例 1各执行机构的型式和行程 2运动循环图的设计 执行系统的型式设计和协调设计 图28-12 自动电阻压帽机的机械运动示意图 图28-13 执行系统的初步运动循环图 图28-14 执行系统第一次修改后的运动循环图 图28-15 满足要求的执行系统的运动循环图 28.4基于功能分析的执执行系统统的方案 设计设计 一、功能分析 二、基于功能分析的执行系统运动方案的 系统解 一、功能分析 （一）总功能 （二）功能分解与功能结构 （三）功能元 （四）功能元求解 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 （一）总功能 总功能是机械执行系统要完成的总任务。 对总功能的描述要语言简洁、合
11、理抽象、抓住 本质。 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 （二）功能分解与功能结构 功能元 功能结构 功能树 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 图28-16 树形功能结构 （三）功能元 物理功能元 逻辑功能元 数学功能元 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 （四）功能元求解 为了便于应用，常将某些功能元的解用“解法目录” 的形式列出来，它是功能元的已知解或经过考验的解 的汇编。解法目录中的解称为解谱。 可快速地根据设计任务的要求来检索目录中汇编的解 ； 汇编入的解谱要尽量充分、完备，至少是可以补全的 ； 尽可能完全独立于部门或工厂，以使其广泛可用； 既可用于传统的设计过程，
12、也可以用于采用计算机的 设计。 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 二、基于功能分析的执行系统运动方案的 系统解 （一）功能元解组合成系统解的注意事项 （二）功能元解矩阵 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 三、举例 1总功能 2功能分解 3执行系统的功能元求解 4求运动方案的系统解的数目 基于功能分析的执执行系统统的方案设计设计 图28-21自动电阻压帽机的功能分解 28.5方案评价与决策 一、方案评价的必要性 二、机械系统运动方案设计的评价指标 和评价体系 三机械系统运动方案评价方法简介 四、评价结果的处理 一、方案评价的必要性 机械系统方案设计的最终目标，是要寻求一种既能实
13、现预期功能要求、又性能优良、价格低廉的最佳方案 ； 进行执行系统的运动方案设计时，无论是用基于功能 原理的方法，还是用基于功能分析的方法，都可以得 到许多种设计方案，即机械系统的运动方案设计是一 个多解问题。 机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综 合，使待选方案的数目由少变多，再经过评价、决策 ，使待选方案的数目由多变少，最后获得最佳方案的 过程。 方案评价与决策 二、机械系统运动方案设计的评价指标和 评价体系 （一）评价指标 （二）评价体系 方案评价与决策 （一）评价指标 1功能性 2经济性 3安全性 4可操作性 5舒适性 方案评价与决策 （二）评价体系 性能指标及代号具体内容及代
14、号分数备注 机构的功能 U1 u1运动规律的实现 u2传动精度的高低 5 5 以实现运动为主时，可乘 加权系数2 机构工作性能 U2 u3应用范围 u4可调性 u5运转速度 u6承载能力 5 5 5 5 受力较大时，u5和u6 可乘加权系数1.5 机构动力性能 U3 u7加速度的峰值 u8噪音 u9耐磨性 u10最小传动角的大小 5 5 5 5 加速度较大时，可乘加权 系数1.5 经济性 U4 u11制造难易 u12材料的价格与消耗 u13调整方便性 u14能耗的大小 5 5 5 5 结构的紧凑性 U5 u15尺寸大小 u16重量大小 u17结构复杂性 5 5 5 系统协调性 U6 u18空间
15、同步性 u19时间同步性 u20操作协同性和可靠性 5 5 5 方案评价与决策 图28-22 系统工程评价法的评价步骤 三机械系统运动方案评价方法简介 （一）计算性的数学分析评价法 1价值工程法 2系统工程评价法 3模糊综合评价法 4评分法 （二）实际性的试验评价法 方案评价与决策 四、评价结果的处理 入选方案 数 设计阶 段 评价准则结果的处理 1 最后阶 段 合理已得到最佳方案，设计结束 可改进重新决定评价准则，再作评价 中间阶 段 合理评价结束，转入下一设计阶段 可改进重新决定评价准则，再作评价 多于1 最后阶 段 合理增加评价项目或提高评价要求再作评价 中间阶 段 需改进若入选数目太多，按上述方法改进评价准则， 再作评价 合理将入选方案排序，转入下一设计阶段 0任何阶 段 合理待评的设计方案质量不高，需重新再设计 可改进放宽评价要求，再作评价 方案评价与决策