1、2022-11-27机械系统设计原理机械系统设计原理机械系统设计原理机械系统设计原理第一章第一章 机械系统概论机械系统概论 第一节机械系统的概念第一节机械系统的概念机械系统定义：机械系统定义：由若干机械装置组成的一个由若干机械装置组成的一个特定系统特定系统，称，称 为机械系统。为机械系统。机械系统的目的：是产生确定运动、传递和变换机械能，机械系统的目的：是产生确定运动、传递和变换机械能，完成特定的工作。完成特定的工作。机械系统的基本要素：机械零件和构件是组成，它们为完机械系统的基本要素：机械零件和构件是组成，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统。成一定的功能相互联系而分别组成了各
2、个子系统。如图如图1-11-1所示小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和所示小型甘蔗收割机都是由若干装置、部件和零件组成的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻零件组成的机械系统。它们是一个由确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。尼的物体组成并能完成特定功能的系统。机械系统设计原理小型甘蔗收获机小型甘蔗收获机 机械系统设计原理 整体性整体性机械系统是由若干个子系统构成的统机械系统是由若干个子系统构成的统体。虽然各子系体。虽然各子系统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体功能的要求，相互间须协调和适应。功能的要求，相互间
3、须协调和适应。系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立的子系统，因为机械系统的整体性反映在于系统之间的的子系统，因为机械系统的整体性反映在于系统之间的有机联系上有机联系上 系统是可以分解的，但分解系统与分割系统是完全不同系统是可以分解的，但分解系统与分割系统是完全不同的。为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成的。为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成若干个子系统，若干个子系统，第二节第二节机械系统的特性机械系统的特性机械系统设计原理 2.2.相关性相关性 系统内部各子系统之间是有机联系的，它们之间系统内部各子系统之间是有机联系
4、的，它们之间相互作用、相互影响，形成了特定的关系。相互作用、相互影响，形成了特定的关系。如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和的联系等，都取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变，将对整个系统的性能产生影响。个系统的性能产生影响。第二节第二节机械系统的特性机械系统的特性机械系统设计原理 3.3.层次层次性性 系统可以分解为一
5、系列子系统，并存在一定的层次结构。系统可以分解为一系列子系统，并存在一定的层次结构。在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。系或相互作用关系。层次本身就是系统构成的部分，每个层次反映了系统某种层次本身就是系统构成的部分，每个层次反映了系统某种功能的实现方式功能的实现方式 第二节第二节机械系统的特性机械系统的特性机械系统设计原理 4.4.目的性目的性 系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统的功能就是系统的目的，它主要在的目的。因此，系统的功能
6、就是系统的目的，它主要取决于要素、结构、环境。取决于要素、结构、环境。为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理为了实现系统的目的，系统必须具有控制、调节和管理的功能。这些功能使系统进入与它的目的相适应的状态的功能。这些功能使系统进入与它的目的相适应的状态，实现要求的功能并排除或减少有害的干扰。，实现要求的功能并排除或减少有害的干扰。第二节第二节机械系统的特性机械系统的特性机械系统设计原理第三节第三节机械系统的组成机械系统的组成1 1动力系统动力系统 包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源 2 2传动系统传动系统 是把动力机的动力和运
7、动传递给执行系统的中间装置是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置 3 3执行系统执行系统 包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置，达到预定要求。变作业对象的性质、状态、形状或位置，达到预定要求。4 4操纵系统和控制系统操纵系统和控制系统 都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者区别是：操纵行，并准确可靠地完成整机功能的装置。二者区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现；控制系统是经获得的控系统一般是
8、指通过人工操作来实现；控制系统是经获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。机械系统设计原理第四节第四节机械系统设计类型机械系统设计类型机械系统设计有以下三类不同的设计：机械系统设计有以下三类不同的设计：(1)(1)开发性设计开发性设计 在工作原理、结构等完全未知的情况下在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计以往没有过的新
9、型机械。计以往没有过的新型机械。(2)(2)适应性设计适应性设计 在原理方案基本保持不变的前提下，对在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量产品作局部的变更或设计一个新部件，使机械产品在质和量方面更朗满足使用要求。方面更朗满足使用要求。(3)(3)变型设计变型设计 在工作原理和功能结构都不变的情况下，在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要变更现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于更多的容量要求。求。在机械产品设计中，开发性设计十分重要。在机械产品设计中，开发性设计十分重要。“创新创新”可可以使开发性设
10、计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提以使开发性设计、适应性设计和变型设计别具一格，从而提高产品的工作性能。高产品的工作性能。机械系统设计原理第五节第五节 机械系统设计的关键内容机械系统设计的关键内容 原理方案设计是机械系统设计的关键内容。在原理方原理方案设计是机械系统设计的关键内容。在原理方案设计过程中应解决下列问题：案设计过程中应解决下列问题：确定系统的总功能确定系统的总功能 对设计任务抽象化，通过抽象化确定系统的总功能。对设计任务抽象化，通过抽象化确定系统的总功能。优点：设计者容易认清系统设计目标，开阔设计思路优点：设计者容易认清系统设计目标，开阔设计思路。2.2.进行总功能的分解进行
11、总功能的分解 将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方将总功能分解为若干分功能，是实现功能工作原理方案的最好办法。案的最好办法。3.3.选择分功能的功能载体选择分功能的功能载体 分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关分功能的功能载体的选择，是原理方案设计的一个关键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的键步骤。建立起完整的功能载体目录是机械系统设计的重要手段重要手段机械系统设计原理第五节第五节 机械系统设计的关键内容机械系统设计的关键内容 4.4.构思功能载体的组合构思功能载体的组合 将各功能载体按系统总功能要求加以组合，可以得到将各功能载体按系统总功能要求加以组合，可以得
12、到多个工作原理方案，供设计者选择决策。多个工作原理方案，供设计者选择决策。5.5.方案的评价与决策方案的评价与决策 针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对针对不同的机械，确定评价指标体系和评价方法，对多个方案进行综合评价和决策。多个方案进行综合评价和决策。机械系统设计原理第二章第二章 机械系统设计原理机械系统设计原理 第一节第一节 机械系统设计的一般程序和方法机械系统设计的一般程序和方法 四个阶段四个阶段产品规划（概念设计）、功能原理设计、结构技术设产品规划（概念设计）、功能原理设计、结构技术设计、生产施工设计计、生产施工设计(工艺设计工艺设计)。机械系统设计原理阶阶段段步骤步骤方法方
13、法主主 要要 指指 导导 理理 论论产产品品规规划划设计方法设计方法预测技术预测技术设计方法学设计方法学技术预测理论技术预测理论市场学市场学信息学信息学信息集约信息集约可行性报告、设计要求项目可行性报告、设计要求项目表表产品设计任务产品设计任务预测调研预测调研可行性分析可行性分析明确任务要明确任务要求求机械系统设计原理阶阶段段步骤步骤方方法法主主 要要 指指 导导 理理 论论原原理理方方案案设设计计系统化设计法系统化设计法创造技法创造技法评价决策方法评价决策方法系统工程学系统工程学形态学形态学创造学创造学思维心理学思维心理学决策论决策论模糊数学模糊数学总功能分总功能分析析原理参数表、方案原理原
14、理参数表、方案原理图图功能分解功能分解功能载体组合功能载体组合功能原理方案功能原理方案(多个多个)功能元求解功能元求解原理试验原理试验评价决策评价决策最优原理方案最优原理方案机械系统设计原理阶阶段段步骤步骤方法方法主要指导理论主要指导理论技技术术设设计计价值设计价值设计优化设计优化设计可靠性设计可靠性设计宜人性设计宜人性设计产品造型设产品造型设计计系列化设计系列化设计机械性能设机械性能设计计工艺性设计工艺性设计自动化设计自动化设计价值工程学价值工程学最优化方法、工程最优化方法、工程遗传算法遗传算法可靠性理论与实验可靠性理论与实验人机工程学人机工程学工业美学工业美学模块化设计、模块化设计、相似理
15、论相似理论有限元法、动态设有限元法、动态设计、摩擦学设计、计、摩擦学设计、高等机构学高等机构学机械设计的工艺基机械设计的工艺基础础控制理论、智能工控制理论、智能工程、人工神经元计程、人工神经元计算方法、专家系统算方法、专家系统结构方案结构方案结构价值分结构价值分析析试验模试验模型型试验试验总体设总体设计计结构设计结构设计造型设计造型设计造型价值分造型价值分析析外观方案外观方案评价决评价决策策评价决评价决策策最优结构方案最优结构方案最优造型方案最优造型方案最优技术设计方最优技术设计方案案总体布置图、装总体布置图、装配配草图、技术文件草图、技术文件总体效果图、总体效果图、外观效果模型外观效果模型机
16、械系统设计原理阶阶段段步骤步骤方法方法主要指导主要指导理论理论施施工工设设计计各种制造、装各种制造、装配、造型、装配、造型、装饰、检验等方饰、检验等方法法各种工艺学各种工艺学批批量量生生产产计算机辅助制计算机辅助制造造零件工作零件工作图图外观件加工工艺外观件加工工艺、面饰工艺规程面饰工艺规程部件装配部件装配图图效果图、检验标准效果图、检验标准技术文件技术文件造型工艺文造型工艺文件件试制试制修改修改批量生产批量生产技术服技术服务务用户访用户访问问机械系统设计原理 目的目的 产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设
17、计的构思和方案拟定时著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。的设计思想。内容内容执行系统的方案设执行系统的方案设计计执行系统方案评价与决策执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行系统协调设计执行机构型式设计执行机构型式设计运动规律设计运动规律设计系统功能原理设计系统功能原理设计机构尺度设计机构尺度设计运动和动力分析运动和动力分析第二节、机械系统方案设计的目的和内容第二节、机械系统方案设计的目的和内容机械系统设计原理原动机类型的选择原动机类型的选择和传动系统的方案设和传动系统的方案设计计各级传动比的分配各级传动比的分配传动链中机构传动链中机构顺序的安排顺序的安排传动路线
18、选择传动路线选择传动类型选择传动类型选择控制系统的方案设控制系统的方案设计计其它辅助系统的设其它辅助系统的设计计照明系统设计照明系统设计安全保障系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计故障检测系统设计冷却系统设计冷却系统设计润滑系统设计润滑系统设计机械系统设计原理 重要性重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成机械执行系统的组
19、成 由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。决定了整个执行系统的结构方案。第三节第三节 机械执行系统运动方案设计机械执行系统运动方案设计机械系统设计原理功能原理设计功能原理设计根据需要制定机械的总功能，根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工术手段，确定机械所要实现的工艺动作艺动作运动规律设计运动规律设计通过对工作原理所提出的通过对工作原
20、理所提出的工艺动作进行分解，决定采工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作用何种运动规律来实现工作原理原理执行机构型式设计执行机构型式设计决 定 选 择决 定 选 择何种机构实何种机构实现给定的运现给定的运动规律动规律执行系统协调设计执行系统协调设计执行机构型式设计执行机构型式设计根据工艺过程对各根据工艺过程对各动作的要求，分析各动作的要求，分析各执行机构应当如何协执行机构应当如何协调配合，设计出机械调配合，设计出机械运动循环图运动循环图确定各执行机确定各执行机构的运动尺寸，构的运动尺寸，绘制出各执行绘制出各执行机构的运动简机构的运动简图图运动和动力分运动和动力分析析检 验 执 行检
21、验 执 行系统是否满系统是否满足运动要求足运动要求和动力性能和动力性能方面的要求方面的要求方案评价与决方案评价与决策策对方案进行定对方案进行定性评价和定量评性评价和定量评价并从中选出最价并从中选出最佳设计方案佳设计方案一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程机械系统设计原理 产品的功能产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。活需要提出。确定功能指标的考虑因素确定功能指标的考虑因素先进性先进性可行性可行性经济性经济性功能原理设计的重要性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、
22、工作质量、传动方案、结构型式决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。、制造成本等。二、执行系统的功能原理设计二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思功能原理的选择与构思机械系统设计原理工作原理不同，运动方案也不同工作原理不同，运动方案也不同齿轮加工齿轮加工剃齿剃齿范成原理范成原理仿形原理仿形原理工作原理相同，运动方案不同工作原理相同，运动方案不同齿轮加工齿轮加工插齿插齿滚齿滚齿功能原理设计的多方案性功能原理设计的多方案性机械系统设计原理 其它实例其它实例斜面的应用斜面的应用螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送
23、机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等 齿轮加工方法齿轮加工方法 无屑加工无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削、切削加工加工(成型法、展成法成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿机械系统设计原理 确定方案时应注意两点确定方案时应注意两点 用最简单的方法实用最简单的方法实现同一功能。现同一功能。注意光、机、电、注意光、机、电、流体等知识的综合运用。流体等知识的综合运用。设计一台彩色电视机阴极盘用的金设计一台彩色电视机阴极盘用的
24、金属片的冲裁机器，圆片直径属片的冲裁机器，圆片直径 10mm，厚度，厚度0.8mm。100.8功能分解功能分解送料送料 冲制冲制 退回退回电视机阴极盘用金属片冲裁机器电视机阴极盘用金属片冲裁机器机械系统设计原理B按摩按摩轮轮 图示按摩椅中的按摩轮利用一图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮，同时实现三维方个偏心空间凸轮，同时实现三维方向的按摩作用向的按摩作用径向振动挤压、向径向振动挤压、向下推拉和横向推拉，构思巧妙，结下推拉和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。构非常简单。r用最简单的方法实现功能举例用最简单的方法实现功能举例机械系统设计原理指针指针玛瑙玛瑙支撑支撑K向向刀口刀口活动游活动游标
25、标 图示分析天平，要求图示分析天平，要求精度达到精度达到0.01g，但靠目力，但靠目力读指针的微小偏角已不可读指针的微小偏角已不可能。能。活动游标活动游标光源光源透透镜镜读数读数窗窗 增加了一级光学放增加了一级光学放大镜，将读数放大大镜，将读数放大。光、机、电、流体等知识的综合运光、机、电、流体等知识的综合运用举例用举例机械系统设计原理总功能总功能功能元解功能元解功 能 原 理 方功 能 原 理 方案案最佳功能原理方案最佳功能原理方案明确任务明确任务黑箱法黑箱法功能树功能树创造技法创造技法形态学矩阵形态学矩阵评价法评价法功能元功能元 功能分析法功能分析法(Function analysis)，
26、将机械产品的将机械产品的总功能总功能(Total function)分解成若干分解成若干功能元功能元(Function element)，求解求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择评价选择。2.功能分析与功能求解功能分析与功能求解机械系统设计原理黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内黑箱法是将实现给定功能的机械系统看作为一个未知内部功能结构和功能载体的部功能结构和功能载体的“黑箱黑箱”，通过对它的输入输出量，通过对它的输入输出量的全面分析，逐步掌握输入输出的基本特征和转换关系，寻的全面分析，逐步掌握输入输出
27、的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的求能实现这种基本特性和转换关系的工作原理和功能载体的求解过程。求解过程。黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑黑想法要求设计者不要先从机械产品具体结构出发考虑设计方案，而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方案设计方案，而因从系统的功能出发构思机械产品的可行方案。1.1.黑箱法黑箱法信息信息机械产品机械产品（黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信息信息能量能量物料物料黑箱法的表达黑箱法的表达机械系统设计原理黑箱法求解方法黑箱法求解方法 详细表述输入和输出量 建立输入输出之间的关系 寻找合适的实例 设定系统的总功能
28、寻找系统的功能解 评价与决策控制信号控制信号冲床冲床（黑箱）（黑箱）板料板料电能电能工作状态显示工作状态显示机械能、摩机械能、摩擦能耗擦能耗成形工件成形工件机械系统设计原理机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以机械产品的总功能分解成若干分功能后，我们可以“穷穷尽法尽法”将各分功能的解全部列出，即可得功能将各分功能的解全部列出，即可得功能-功能解的形态功能解的形态学矩阵。学矩阵。形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组形态学矩阵法是一种系统搜索和程式化求解的分功能组合求解方法。合求解方法。举例：举例：运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案运用形态学矩阵法构思单缸洗衣机的可行方案2
29、.2.形态学矩阵法形态学矩阵法总功能总功能盛装衣物盛装衣物分离赃物分离赃物控制洗涤控制洗涤机械系统设计原理 功能解分功能1234A铅筒塑料筒玻璃钢筒陶瓷筒B机械摩擦电磁振荡超声波C人手控制机械定时电脑控制理论上可组合出理论上可组合出433=36从先进性、新颖性和实用性看，一般选用从先进性、新颖性和实用性看，一般选用A1、A2，B1、B2，C1、C2，因此主要有，因此主要有8个方案个方案机械系统设计原理 三、执行系统的运动规律设计三、执行系统的运动规律设计 1.工艺动作分解和运动方案选择工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具作复合运动刀具与工作台分别运刀具与工作台分别运动动 运动规律设计通
30、常是对工艺方法和工艺动作进行分析，运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解立式钻床工艺动作分解机械系统设计原理直线运动直线运动曲线运动曲线运动复合运动复合运动往复摆往复摆动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由两个以上单一运动合成由两个以上单一运动合成间歇转动间歇转动停歇往复直线运停歇往复直线运动动停歇单向直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动沿可变曲线运动连续转动连续转动沿固定
31、曲线运动沿固定曲线运动往复直线运往复直线运动动每分钟转位次数、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、行程速度变每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数化系数每分钟行程数、大小、行程每分钟行程数、大小、行程速度变化系数速度变化系数每次进给量的大小每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度间、行程大小和工作速度机械系统设计原理四、执行机构的型式设计四、执行机构的型式设计1.设计原则设计原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求满足执行构件的工艺动作和运动要求 尽量简化和缩短运动链尽量简化和缩短运动链 尽量减小机构尺寸
32、尽量减小机构尺寸 选择合适的运动副形式选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式考虑动力源的形式 使执行系统具有良好的传力和动力特性使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转保证机械的安全运转机械系统设计原理 2.机构的选型机构的选型 目的目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。传递连续转动的机构传递连续转动的机构啮合传动机构啮合传动机构 连杆机构连杆机构 传递连续传递连续转动机构转动机构摩擦传动机构摩擦传动机构 摩擦轮传动摩擦轮传动 蜗杆传动蜗杆传动 链传动链传动
33、 齿轮传动齿轮传动 平行四边形机构平行四边形机构 双曲柄机构双曲柄机构 带传动带传动 机械系统设计原理12摩擦轮传动摩擦轮传动 摩擦传动机构的优缺点摩擦传动机构的优缺点结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。传动比不准确、传递功率小、效率低。传动比不准确、传递功率小、效率低。123平面盘式无级变速器平面盘式无级变速器 123圆锥式无级变速器圆锥式无级变速器 机械系统设计原理 实现单向间歇转动的机构实现单向间歇转动的机构棘轮机构棘轮机构 齿轮齿轮-连杆机构连杆机构 单向间歇单向间歇转动机构转动机构槽轮机构槽轮机构 不完全齿轮机构不完全齿轮机
34、构 凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构 适用于转角固定的转位运动适用于转角固定的转位运动 每次转角小，或转角大小可调的低速场合每次转角小，或转角大小可调的低速场合大转角而速度不高的场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高但制造困难、高精度定位、高速场合速场合特殊要求的输送机构特殊要求的输送机构机械系统设计原理 实现往复移动往复摆动运动的机构实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构凸轮机构 组合机构组合机构 往复运动往复运动机构机构连杆机构连杆机构 螺旋机构螺旋机构 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 液压缸、气缸液压缸、气缸 正弦机构正弦机
35、构 正切机构正切机构 多杆机构多杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 连杆机构特点连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。动，适用于无严格运动规律的场合。凸轮机构特点凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。动协调，承载能力不大。机械系统设计原理螺旋机构特点螺旋机构特点可获得大的减速比和较高的运动精度，常用可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。作低速进给和精密微调机构。齿轮齿条机构特点齿轮齿条机构特点适用于移动速度较高的场合，精密
36、齿条适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。凸轮机构凸轮机构 连杆机构连杆机构 实现往复移动往复摆动运动的机构实现往复移动往复摆动运动的机构组合机构组合机构 往复运动往复运动机构机构螺旋机构螺旋机构 齿轮齿条机构齿轮齿条机构 液压缸、气缸液压缸、气缸 正弦机构正弦机构 正切机构正切机构 多杆机构多杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 机械系统设计原理 再现轨迹的机构再现轨迹的机构齿轮齿轮连杆组合机构连杆组合机构联动凸轮机构联动凸轮机构 再现轨迹再现轨迹机构机构连杆机构连杆机构 凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构 一般而言，除了
37、凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。机械系统设计原理齿轮齿轮连杆组合机构连杆组合机构搅拌机构搅拌机构CBADE机械系统设计原理联动凸轮机构联动凸轮机构凸轮凸轮连杆组合机构连杆组合机构机械系统设计原理 此抓片机构采用了联动凸轮此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。达到间歇抓片的目的。此装配线采用了联动凸轮机此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运构
38、，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。地向前送进的目的。机械系统设计原理 3.机构的构型机构的构型 目的目的当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。机械系统设计原理 组合法组合法 串联组合串
39、联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。件，依次串联的组合方式。输入输入输出输出子机构子机构II子机构子机构I 后一级子机构的主动后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连件为前一级子机构的一个连架杆。架杆。后一级子机构的主动后一级子机构的主动件为前一级子机构的连杆。件为前一级子机构的连杆。III51234 1123A54DCBFEM机械系统设计原理 并联组合并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度
40、又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为为1的机构系统的组合方式。的机构系统的组合方式。子机构子机构n 1子机构子机构III子机构子机构I子机构子机构II子子机机构构n输入输入输输出出直线电机直线电机襟翼襟翼直线电机直线电机某型飞机的襟翼操纵机构某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构大型船舶主传动机构机械系统设计原理某航空发动机附件传动系统某航空发动机附件传动系统主动轴主动轴IVIIIVVIIII各子机构间无严格各子机构间无严格的运动协调配合关系的运动协调配合关系机械系统设计原理 各子机构在各子机构在动作的先后次序上动作的先后次序上有严格的要求有严格的要求 自动车床自动车床上三
41、个并联凸轮上三个并联凸轮的工作顺序有先的工作顺序有先后要求。后要求。工件工件(铆钉铆钉)外圆车刀外圆车刀棒料棒料切断刀切断刀倒角刀倒角刀凸轮轴凸轮轴挡挡板板IIIIII主轴主轴凸轮凸轮I凸轮凸轮II凸轮凸轮III凸凸轮转轮转角角0 90 180 270 360 放松放松(送料送料)切断切断夹夹 紧紧车外圆倒角车外圆倒角挡料挡料机械系统设计原理 各子机构有各子机构有运动形式配合要求运动形式配合要求 磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式上有配合要求。上有配合要求。砂轮砂轮砂轮架砂轮架工件工件机械系统设计原理 反馈式组合反馈式组合在机构组合
42、系统中，其多自由度子机构的一个输入运在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。回授的组合方式。校正原理校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。杆得到一附加运动，以校正误差。输入输入输出输出 4凸轮机凸轮机构构2自由度蜗自由度蜗杆蜗轮机构杆蜗轮机构机床校正机构机床校正机构输入输入4 1 42
43、13K2机械系统设计原理 复合式组合复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式多个自由度的基本机构的组合方式5杆机构杆机构输入输入输出输出凸轮机构凸轮机构机械系统设计原理 变异法变异法更换原动件更换原动件 双摇杆机构中，选连杆作为双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。为连架杆的摇动。ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆机械系统设计原理运动倒置运动倒置
44、摆动凸轮机构摆动凸轮机构123123连杆连杆凸轮机构凸轮机构罐头封口机构罐头封口机构 A1BCO234机械系统设计原理改变构件结构形改变构件结构形状状 将摆动导杆机构中的直线导槽将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇停歇。改变构件运动尺寸改变构件运动尺寸 槽轮直径变为无穷槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演大，槽数无穷多时，演变为槽条机构变为槽条机构机械系统设计原理 五、执行系统的协调设计五、执行系统的协调设计 执行系统协调设计原则执行系统协调设计原则 满足各执行机构动作先后的顺序性要求满足各执行机构动作先后的顺序性要求 满足各执行机构动作在
45、时间上的同步性要求满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 满足各执行机构在操作上的协同性要求满足各执行机构在操作上的协同性要求 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高率的提高机械系统设计原理执行构件动作的协调配合执行构件动作的协调配合 送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压压 冲头上移一段距离后，进行下次送料动作冲头
46、上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件折叠包装机构的两个执行构件 两个构件不能同时位于区两个构件不能同时位于区域域MAB中，以免干涉。中，以免干涉。饼干饼干1342饼干饼干21左折边构左折边构件件饼干饼干32包装纸包装纸4右折边构件右折边构件饼干饼干1342饼干饼干1342饼干饼干1342饼干饼干1342包装纸包装纸右折边构右折边构件件左折边构左折边构件件MBA机械系统设计原理让刀运动让刀运动 执行构件运动速度的协调配合执行构件运动速度的协调配合 0范成运动范成运动切切削削运运动动i 0 齿轮插刀加工齿轮插刀加工 0让刀运动让刀运动 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确
47、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。机械系统设计原理 执行系统协调设计方法执行系统协调设计方法 确定机械的工作循环周期确定机械的工作循环周期 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间段及其所需时间 确定各执行构件动作间的配合关系确定各执行构件动作间的配合关系 机械运动循环图机械运动循环图用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。互协调配合的图。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生产工艺的
48、起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执生产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。机械系统设计原理运动循环图形式运动循环图形式直线式直线式圆周式圆周式直角坐标式直角坐标式 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直线式工作循环图直线式工作循环图主轴作为参考构件主轴作为参考构件 机械系统设计原理圆周式工作循环图圆周式工作循环图 图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，
49、转动件，转动2 2转为一个工作循环。转为一个工作循环。启启排排气气门门开开启启进进气气门门开开进进气气排排气气压压缩缩膨膨胀胀闭闭进进气气门门关关火火点点曲轴曲轴0 540 360 180 排排门门闭闭关关气气机械系统设计原理直角坐标式工作循直角坐标式工作循环图环图 饼干包装机工作循环图中，饼干包装机工作循环图中，横坐标表示参考构件的转角，横坐标表示参考构件的转角，纵坐标表示执行构件的转角。纵坐标表示执行构件的转角。进进退退 静止静止 静止静止 静止静止 进进退退 MM饼干饼干1342饼干饼干21左折边构左折边构件件饼干饼干32包装纸包装纸4右折边构件右折边构件饼干饼干1342饼干饼干1342
50、饼干饼干1342饼干饼干1324包装纸包装纸右折边构右折边构件件右折边构右折边构件件MBA左执行机构左执行机构1 右执行机构右执行机构2 分配轴转角分配轴转角 0 90 180 270 360机械系统设计原理 六、方案评价与决策六、方案评价与决策评价指标评价指标 系统功能系统功能实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动实现运动规律或运动轨迹、实现工艺动作的准确性作的准确性 运动性能运动性能运转速度、行程可调性、运动精度等运转速度、行程可调性、运动精度等 动力性能动力性能承载能力、增力特性、传力特性、振动承载能力、增力特性、传力特性、振动噪音等噪音等 工作性能工作性能效率高低、寿命长短、可操作性、安全
