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1、机械原理课程设计指导本讲稿第一页，共四十八页1)1)注重多学科知识的综合应用；注重多学科知识的综合应用；2)2)注重总结与实践经验的积累；注重总结与实践经验的积累；3)3)充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设充分发挥创造思维和想象能力，灵活应用各种设 计方法与技巧。计方法与技巧。本讲稿第二页，共四十八页一、机械原理课程设计的目的机械原理课程设计的目的完成指定机械传动系统的方案设计完成指定机械传动系统的方案设计机械传动系统设计的好坏，对机械系统能否完机械传动系统设计的好坏，对机械系统能否完成预期的工作任务，以及工作质量的优劣和产品的成预期的工作任务，以及工作质量的优劣和产品的竞争力起决定性
2、的作用。竞争力起决定性的作用。需要需要创创新新本讲稿第三页，共四十八页创新的类型：创新的类型：v变参数设计变参数设计齿轮设计齿轮设计；v改进型设计改进型设计由尖顶从动件变为滚子从动件；由尖顶从动件变为滚子从动件；v开发性设计。开发性设计。本讲稿第四页，共四十八页二、机械原理课程设计的必要性机械原理课程设计的必要性1.检验知识的掌握程度；检验知识的掌握程度；2.市场竞争的需要；市场竞争的需要；3.为机械创新设计做准备。为机械创新设计做准备。本讲稿第五页，共四十八页三 机械传动系统的方案设计机械传动系统的方案设计机械传动系统：机械传动系统：由若干种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程所需运动由若干
3、种不同机构组合而成，能实现机械工艺过程所需运动的系统。的系统。拟定机械的功能原理拟定机械的功能原理执行机构的型式设计执行机构的型式设计执行系统的协调设计执行系统的协调设计执行机构的尺度设计执行机构的尺度设计方案的评价与决策方案的评价与决策本讲稿第六页，共四十八页图图1设计流程设计流程本讲稿第七页，共四十八页四、基本理论和方法四、基本理论和方法(一一)功能原理设计功能原理设计 1.1.功能分析功能分析 功功能能分分析析法法(Function analysis)是是系系统统设设计计中中拟拟定定功功能能原原理理方方案的主要方法。案的主要方法。一台机器所能完成的功能，称为机器的一台机器所能完成的功能，
4、称为机器的总功能总功能(Total function)。功功能能分分析析法法就就是是将将机机械械产产品品的的总总功功能能分分解解成成若若干干功功能能元元(Function element)，然然后后求求解解功功能能元元，再再将将其其组组合合，得得到到满满足足总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。总功能要求的多种解决方案，以供评价选择。本讲稿第八页，共四十八页图图1功能分解功能分解本讲稿第九页，共四十八页例：例：半半自自动动平平压压模模切切机机的的工工作作原原理理：印印刷刷、包包装装行行业业用用于于压压制制纸纸盒盒、纸纸制制品品的的专专用用设设备备。该该设设备备可可用用于于对对各各种种规规格格
5、的的纸纸板板进进行行压压痕痕、切切线线。经经压压痕痕、切切线线的的纸纸板板在在沿沿切切线线去去掉掉边边料料后后，沿沿压压出出的的压压痕痕可可折折成成各各种种纸纸盒盒、纸纸箱箱，亦亦可可对对各各种种高高级级精精细细的的纸纸材凹凸痕，压制成各种富有立体感的精美凸凹商标或印刷品。材凹凸痕，压制成各种富有立体感的精美凸凹商标或印刷品。图图2半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理本讲稿第十页，共四十八页功能分解功能分解工艺动作分解：工艺动作分解：模切机的模切动作包括纸板输送、定位夹紧、纸板停顿时凹模模切机的模切动作包括纸板输送、定位夹紧、纸板停顿时凹模和凸模加压进行冲压模切，然后将纸板送到收纸
6、台。和凸模加压进行冲压模切，然后将纸板送到收纸台。这一系列工艺动作可分解为如下三个执行机构分别完成这一系列工艺动作可分解为如下三个执行机构分别完成的的3组工艺动作：组工艺动作：1.模切机构模切机构在纸板停顿时进行冲压模切在纸板停顿时进行冲压模切2.走纸机构走纸机构3.定位夹紧机构定位夹紧机构本讲稿第十一页，共四十八页半自动平压模切半自动平压模切模切机构模切机构走纸机构走纸机构定位夹紧机构定位夹紧机构总功能总功能分功能分功能图图3 3 半自动平压模切机功能分解半自动平压模切机功能分解本讲稿第十二页，共四十八页 2.2.功能求解功能求解 根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。根据机构的基本功能，归
7、纳整理为功能元。半自动平压模切半自动平压模切模切机构模切机构走纸机构走纸机构定位夹紧机构定位夹紧机构 运动如何从原动件传递运动如何从原动件传递到各执行端？此过程即为整到各执行端？此过程即为整理功能元及求解的过程理功能元及求解的过程 原动件的动力原动件的动力从哪里来？即原从哪里来？即原动机是什么？动机是什么？本讲稿第十三页，共四十八页 列列出出功功能能元元解解的的目目录录。为为了了便便于于设设计计人人员员进进行行功功能能原原理理的的构构思思，可可以以将将有有关关的的功功能能元元解解，按按一一定定的的分分类类排序原则，用矩阵表的形式列出。排序原则，用矩阵表的形式列出。注意功能求解的技巧注意功能求解
8、的技巧图图5 5功能分析功能分析本讲稿第十四页，共四十八页图图4基本功能元及符号表示基本功能元及符号表示本讲稿第十五页，共四十八页例：例：半自动平压模切机半自动平压模切机的分功能的分功能-模切机构模切机构的功能求解的功能求解假设原动机为电动机，假设原动机为电动机，电动机水平放置电动机水平放置，凸模、凹模上下布置，凸模、凹模上下布置图图2半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理本讲稿第十六页，共四十八页 则则半自动平压模切机半自动平压模切机的模切机构应具备以下的模切机构应具备以下3 3个基本功能元：个基本功能元：1.1.运运动动位位移移或或速速度度缩缩小小功功能能：减减小小位位移移量量（
9、或或速速度度），以以实实现现增增力要求力要求2.2.运动轴线变向功能运动轴线变向功能：将水平轴运动变换为铅垂方向运动：将水平轴运动变换为铅垂方向运动3.3.运动形式变换功能运动形式变换功能：将转动变换为往复移动：将转动变换为往复移动4.4.根据以上分析，可构思出如下功能技术矩阵根据以上分析，可构思出如下功能技术矩阵本讲稿第十七页，共四十八页12345A连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮机构齿轮机构蜗轮蜗杆机蜗轮蜗杆机构构螺旋机构螺旋机构B锥齿轮机构锥齿轮机构摩擦轮机构摩擦轮机构C连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构螺旋机构螺旋机构齿轮齿条机齿轮齿条机构构摩擦轮机构摩擦轮机构功能元功能元解解表表1
10、 执行机构功能形态学矩阵执行机构功能形态学矩阵本讲稿第十八页，共四十八页矩矩阵阵中中的的三三个个功功能能元元可可选选不不同同的的解解，模模切切功功能能由由三三个个功功能能元元组成，故也有多个解。组成，故也有多个解。图图6基本功能结构图基本功能结构图 将各分功能分析将各分功能分析完，整合总功能完，整合总功能的结构的结构本讲稿第十九页，共四十八页图图7半自动平压模切机的执行系统设计方案半自动平压模切机的执行系统设计方案本讲稿第二十页，共四十八页减速运动分支轴平移轴平移模切机构模切机构夹紧机构夹紧机构走纸机构走纸机构ABCDEB图图8半自动平压模切机运动转换功能框图半自动平压模切机运动转换功能框图本
11、讲稿第二十一页，共四十八页12345A圆柱齿轮机圆柱齿轮机构构蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构带传动带传动链传动链传动摆线针轮传摆线针轮传动动B圆柱齿轮机圆柱齿轮机构构链传动链传动带传动带传动C曲柄滑块机曲柄滑块机构构不完全齿轮齿不完全齿轮齿条机构条机构移动从动移动从动件凸轮机件凸轮机构构D凸轮机构凸轮机构不完全齿轮齿不完全齿轮齿条机构条机构E槽轮机构槽轮机构不完全齿轮机不完全齿轮机构构凸轮分度凸轮分度机构机构功能元功能元解解表表2 平压模切机功能形态学矩阵平压模切机功能形态学矩阵本讲稿第二十二页，共四十八页注意：注意：机机械械执执行行系系统统的的功功能能原原理理及及运运动动方方案案设设计的多方案性计
12、的多方案性 为为实实现现同同一一预预定定的的功功能能目目标标，可可以以选选择择不不同同的的功功能能原原理理来来实实现现，选选用用不不同同的的技技术术原原理理来完成。来完成。本讲稿第二十三页，共四十八页 各种剪切机构各种剪切机构 本讲稿第二十四页，共四十八页本讲稿第二十五页，共四十八页本讲稿第二十六页，共四十八页在进行机构形式设计时，除在进行机构形式设计时，除应满足基本功能所要求的运动应满足基本功能所要求的运动形式或运动轨迹形式或运动轨迹外，还应遵循以下几项原则外，还应遵循以下几项原则：（二）执行机构的型式设计与系统的协调二）执行机构的型式设计与系统的协调 根据各基本动作或功能的要求，选择或创造
13、合适的根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构型式来实现这些动作的工作过程，称为机构型式来实现这些动作的工作过程，称为执行机构的执行机构的型式设计型式设计，又称为，又称为机构的型综合机构的型综合。1.1.机构尽可能简单机构尽可能简单2.2.具有较好的动力学特性具有较好的动力学特性3.3.机构安全可靠机构安全可靠本讲稿第二十七页，共四十八页一个执行构件一个执行构件、执行构件的运动设计、执行构件的运动设计1)1)执行构件的数目执行构件的数目 取取决决于于机机械械分分功功能能或或分分动动作作的的多多少少，两两者者不不一一定定相相等，要具体分析确定。等，要具体分析确定。如立式钻的方案如立式钻的
14、方案:本讲稿第二十八页，共四十八页2)2)执行构件的运动形式和运动参数执行构件的运动形式和运动参数复合运动复合运动往复摆动往复摆动执执行行构构件件运运动动形形式式回转运动回转运动每分钟转数每分钟转数 rpm rpm由两个以上单一运动合成由两个以上单一运动合成 间歇回转间歇回转停歇往复直线停歇往复直线停歇单向直线停歇单向直线沿可变曲线运动沿可变曲线运动连续回转连续回转沿固定曲线运动沿固定曲线运动曲线运动曲线运动直线运动直线运动往复直线往复直线每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速比每分钟摆动次数、转角大小、行程速比系数系数每分钟行程数
15、目、大小、行程速比系数每分钟行程数目、大小、行程速比系数每循环停歇次数、位置、时间、行每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度。程大小和工作速度。每次进给量的大小。每次进给量的大小。本讲稿第二十九页，共四十八页2 2、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图、各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图1 1）各执行构件间运动的协调配合关系）各执行构件间运动的协调配合关系a)a)运动彼此独立无需协调配合：运动彼此独立无需协调配合：外外圆圆磨磨床床的的砂砂轮轮和和工工件件的的两两个个运运动动彼彼此此独独立立。故故应应为为每每个运动单独设计各自的运动链。个运动单独设计各自的运动链。砂轮砂
16、轮工件工件砂轮架砂轮架本讲稿第三十页，共四十八页b)b)动作协调配合：动作协调配合：图示图示冲床冲床的两个执行构件中，要求：的两个执行构件中，要求：送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔进行冲压；送料构件将原料送入模孔上方后，冲头才可进入模孔进行冲压；当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。当冲头上移一段距离后，才能进行下次送料动作。本讲稿第三十一页，共四十八页c)c)各执行构件运动速度的协调配合：各执行构件运动速度的协调配合：范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。对于有运动协调配合对于有运动协调配合要求的构件，往往采用
17、以要求的构件，往往采用以一台原动机，一台原动机，通过传动通过传动系统分配运动，实现协调系统分配运动，实现协调动作。动作。本讲稿第三十二页，共四十八页2 2）机械的工作（运动）循环图）机械的工作（运动）循环图定义：定义：设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过 程中，各执行构件之间运动配合关系的图形。程中，各执行构件之间运动配合关系的图形。定标件：定标件：用其运动位置（转角或位移）作为确定其它用其运动位置（转角或位移）作为确定其它 执行构件运动先后次序的基准。执行构件运动先后次序的基准。形式：形式：直线式、圆周式、直角坐标式三种。直线式、圆周式、直角坐标式
18、三种。直线式工作循环图直线式工作循环图 退回退回停停 止止冲冲 制制 进给进给冲头冲头送料器送料器曲柄转角曲柄转角 0 90 180 270 360此例中主轴作为定标件。此例中主轴作为定标件。退回退回本讲稿第三十三页，共四十八页冲头冲头送料器送料器曲柄转角曲柄转角 0 90 180 270 360直角坐标式工作循环图直角坐标式工作循环图 本讲稿第三十四页，共四十八页机构和性能一览表机构和性能一览表输出运动形式输入运动形式机构名称机构简图运动特性动力特性其它特性连续回转连续回转常用机构（自己回去总结）常用机构（自己回去总结）本讲稿第三十五页，共四十八页机构的变异机构的变异构件结构形状构件结构形状
19、运动尺寸运动尺寸更换机架更换机架或原动件或原动件增加辅助构件增加辅助构件目的：目的：获得新的机构或特性，已满足使用要求。获得新的机构或特性，已满足使用要求。机构的变异机构的变异本讲稿第三十六页，共四十八页）机构的串联组合）机构的串联组合 机构的组合机构的组合 前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，依次前一个机构的输出，作为下一个机构的输入，依次串联。串联。一般串联组合：一般串联组合：后一级机构的主动件固连在前后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架杆上。一级机构的一个连架杆上。5 51 12 23 34 41 1IIIII I1 1s s3 3s s4 4IIIII I特殊串联组合：特殊
20、串联组合：后一级机构的主动件串接在前后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上。一级机构的一个连杆上。1 12 23 3A A5 54 4D DC CB BF FE EM M本讲稿第三十七页，共四十八页 例：前面的半自动平压模切机的型式设计例：前面的半自动平压模切机的型式设计根据功能技术矩阵图中的根据功能技术矩阵图中的3 3个分功能中各任选一个机构，个分功能中各任选一个机构，就可以组合成一个能实现模切机的总体功能的方案。就可以组合成一个能实现模切机的总体功能的方案。剔除重复和明显不合适的方案后，即可得到一系列可供剔除重复和明显不合适的方案后，即可得到一系列可供选择的方案。选择的方案。图图7
21、 7为部分方案示意图。为部分方案示意图。本讲稿第三十八页，共四十八页图图7模切机构部分方案示意图模切机构部分方案示意图本讲稿第三十九页，共四十八页 拟定走纸机构方案拟定走纸机构方案生产工艺对走纸机构的动作要求比较简单，就是间生产工艺对走纸机构的动作要求比较简单，就是间歇进给。可选择歇进给。可选择间歇运动机构间歇运动机构带动带动挠性传动机构挠性传动机构完成送纸完成送纸的工艺动作。的工艺动作。间歇运动机构有：间歇运动机构有：不完全齿轮机构，棘轮机构，槽轮不完全齿轮机构，棘轮机构，槽轮机构机构挠性传动机构有：挠性传动机构有：平带带轮传动机构，双列链轮传动平带带轮传动机构，双列链轮传动机构机构由此可组
22、成多种可供选择的送纸机构方案由此可组成多种可供选择的送纸机构方案本讲稿第四十页，共四十八页 拟定定位夹紧机构方案拟定定位夹紧机构方案输送纸板链上固定有模块输送纸板链上固定有模块1 1，其上装有夹紧片。生产工艺，其上装有夹紧片。生产工艺对定位夹紧机构的要求就是控制该夹紧片按时张开和夹紧。对定位夹紧机构的要求就是控制该夹紧片按时张开和夹紧。为此可选用结构简单，便于设计的为此可选用结构简单，便于设计的滚子移动从动件盘形凸轮滚子移动从动件盘形凸轮机构机构来控制夹紧片的张开、夹紧。来控制夹紧片的张开、夹紧。图图4半自动平压模切机工作原理半自动平压模切机工作原理本讲稿第四十一页，共四十八页（三（三)机械传
23、动方案的评价机械传动方案的评价1 1）评价指标）评价指标机械功能的实现质量机械功能的实现质量 精确性、稳定性、适应性、扩展性；精确性、稳定性、适应性、扩展性；机械工作性能机械工作性能 运转的平稳性、传力性能、承载能力等；运转的平稳性、传力性能、承载能力等；机械的动力性能机械的动力性能 冲击、振动、噪声、耐磨性能等；冲击、振动、噪声、耐磨性能等；机械的经济性机械的经济性 设计工作量大小、制造成本、维修难易、能耗等设计工作量大小、制造成本、维修难易、能耗等 机械结构的合理性机械结构的合理性 复杂程度、尺寸及重量大小等。复杂程度、尺寸及重量大小等。本讲稿第四十二页，共四十八页2 2）方案评价）方案评
24、价本讲稿第四十三页，共四十八页本讲稿第四十四页，共四十八页本讲稿第四十五页，共四十八页往复摆动往复摆动电电 动动 机机气缸气缸原原动动件件运运动动形形式式连续回转连续回转往复直线往复直线液压马达液压马达气动马达气动马达内内 燃燃 机机液压马达液压马达气动马达气动马达直线电机直线电机油缸油缸柴油机柴油机燃气轮机燃气轮机汽油机汽油机直流电动机直流电动机交流变频变速电动机交流变频变速电动机伺服电动机伺服电动机步进电动机步进电动机力矩电动机力矩电动机交流异步电动机交流异步电动机交流异步电动机的运动参数交流异步电动机的运动参数同步转数：同步转数：3000 3000，15001500，10001000，7
25、50750，600 rpm600 rpm（四（四)原动机的类型与选择原动机的类型与选择本讲稿第四十六页，共四十八页（五）合理分配传动比（五）合理分配传动比（1 1）每一级传动比应在合理范围内选取；）每一级传动比应在合理范围内选取；（2 2）减速传动时，按前小后大的原则分配，有利于）减速传动时，按前小后大的原则分配，有利于 减小尺寸减小尺寸传动机构种类传动机构种类 平带平带 V带带 摩擦轮摩擦轮 齿轮齿轮 蜗杆蜗杆 链链圆周速度圆周速度 m/s 525 530 1525 15120 1535 1540减速比减速比 5 815 710 48 80 610最大最大 功率功率 kw 2000 7501
26、200 150250 50000 550 3750常用传动机构的合理取值范围常用传动机构的合理取值范围本讲稿第四十七页，共四十八页一 课程设计的要求课程设计的要求1.1.完成整个机械系统运动方案的拟定，要求各有三个以上完成整个机械系统运动方案的拟定，要求各有三个以上的方案；的方案；2.2.对方案进行评价和决策；对方案进行评价和决策；3.3.绘制机械执行系统的方案示意图绘制机械执行系统的方案示意图(A2(A2图纸一张图纸一张)；4.4.根据工艺动作顺序和协调要求，拟定运动循环图根据工艺动作顺序和协调要求，拟定运动循环图(A3(A3或或A4A4图纸一张图纸一张)；5.5.对执行系统进行尺寸设计（至少选择两个机构进行尺寸设对执行系统进行尺寸设计（至少选择两个机构进行尺寸设计，如用图解法，则用计，如用图解法，则用 A3 A3或或A4A4图纸绘制）图纸绘制）6.6.撰写设计说明书，要求在一周时间内完成。撰写设计说明书，要求在一周时间内完成。本讲稿第四十八页，共四十八页