《机械原理》课程设计指导书解析.docx
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《机械原理》课程设计指导书解析
第1章概述
1.1机械设计的过程、内容及机械原理课程设计的意义
设计是创造性的建立满足功能要求的技术系统的活动过程。
机械设计的步骤和内容一般可分为四个阶段，即：
产品规划阶段、方案设计阶段、详细设计阶段和改进设计阶段。
1.产品规划阶段
本阶段主要是通过市场调查了解市场需求，做出市场预测，对产品开发的可能性作综合研究并提出可行性报告，本阶段最终目的是确定任务并给出详细的设计任务书。
2.方案设计阶段
通过规划阶段明确了设计任务，确定了系统的功能。
当然能实现同一功能的系统可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的运动方案。
通过功能分析并确定了工作原理的基础上进行工艺动作构思，初步拟定出从原动机经传动机构到执行机构的运动方案，并画出各执行构件动作相互协调配合的运动循环图，设计各执行机构，画出机构运动简图并作机构的运动学分析和动力学分析计算，这是机械产品方案设计阶段的主要内容。
3.详细设计阶段
该阶段是将机械运动简图具体化为机器及零部件的合理结构。
完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书等技术文件。
4.改进设计阶段
本阶段的主要任务是根据试验、使用、鉴定所暴露的问题，进一步做出相应的技术完善工作，以确保产品的设计质量。
设计是一个创新的过程，而在设计的四个阶段中，方案设计的创新及其优劣尤为重要，它对机械系统功能的实现、性能的好坏、经济性及其市场竞争力具有决定性的作用，直接关系到机械设计全局的成败，因此机械系统的方案设计在整个机械设计中占有极其重要的地位。
而《机械原理》课程的内容正是为方案设计提供了理论依据和基本方法，机械原理课程设计则是机械系统运动方案设计的一个综合训练。
机械原理课程设计是本科阶段的第一个课程设计，它对初步掌握机械系统的方案设计和了解机械设计的内容和方法具有重要意义。
1.2课程设计的目的
通过综合运用机械原理及相关课程所学内容，针对一个实际机械系统完成课程设计，达到以下目的：
1.巩固和加深对机械原理课程内容的理解；
2.初步掌握机械系统方案设计的方法并对机械设计的全过程有个初步了解；
3.培养学生分析问题和解决问题的能力，并对学生的创新意识和创新方法进行初步训练；
4.培养学生自学、查阅资料和独立工作的能力，同时培养学生的团队协作精神；
5.培养学生运用计算机技术解决实际工程的能力。
第2章机械系统运动方案设计
机械系统运动方案的设计就是要完成从原动机、传动机构到执行机构的方案设计，其中传递动力和实现预期运动是机械系统的两个基本任务，执行机构或执行构件的运动参数和力参数是设计的原始依据，机械系统运动方案设计的结果就是要完成一份满足系统功能要求的运动简图。
其中执行机构的设计是方案设计的核心。
2.1机械运动方案设计的步骤与内容
方案设计的主要步骤如图2-1流程图所示，其主要内容包括功能原理方案的设计和构思；机械运动方案的设计和机械运动系统的尺度综合。
图2-1机械运动方案设计流程图
下面简述主要步骤的大致内容:
2.1.1分析确定系统的总功能，明确任务的功能目标
对于总功能的描述要抓住本质，尽量做到准确合理的描述，这样即可使设计目的明确又可以开阔思路。
对于总功能的分析常采用“黑箱法”，即把待设计的系统看作为一个内容未知的“黑箱”，如图2-2所示，根据已知的待设计系统的输入和输出的能量流、物料流和信息流的转换关系，便可反映出系统的总功能。
例如图2-3所示，对一冲床的系统功能分析，输入的是机械能、板料、控制讯号，而输出的是冲制好的工件和余下的边角料。
通过对系统输入与输出的主要内容分析可知，冲床系统的功能是使物料变形和分离。
图2-2黑箱图图2-3冲床系统的功能分析
2.1.2功能原理设计
当明确了主功能后，应针对主功能提出一些原理性构思，即所谓的“功能原理设计”。
因为要实现同一功能要求，可以有不同的功能原理，而不同的功能原理则有不同的工艺动作，其执行机构的运动方案也将不同。
图2-4点钞机功能原理构思
1-推力2-摩擦力3-离心力4-重力5-粘力6-气吹7-气吸8-静电
例如：
设计一点钞机，关键是如何将钞票分离的工作原理。
图2-4所示即为其功能原理的构思示意图，从图中可以看出，要达到使钞票分离可以通过多种“物理效应”来实现，如图中的摩擦、离心力、气吹等。
然后利用某种“作用原理”，如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等，最后达到“功能目标”的结果。
又如，要加工螺栓上的螺纹，可以采用车削加工原理、滚压工作原理和套丝工作原理。
这几种不同的螺纹加工原理适用于不同的工况，满足不同的加工需要和加工精度要求，其执行系统的运动方案也不一样。
功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量“发散”，力求提出尽量多的方案以供评价选优，因为不同的功能原理可能带来本质的变化，对产品的成败常常起到决定性的作用。
2.1.3功能分解
初定了主要功能的工作原理后，还需做功能分解，因为对于一般的机械系统很难直接找到满足总功能的系统解，因此，需将总功能分解到可以直接求解的功能元，在机械产品中就是将工艺动作过程分解为若干个执行机构。
由总功能、分功能、功能元组成的系统，即为功能树，树的末端是功能元。
前级功能是后级功能的目的功能，而后级功能是解决前级功能的手段功能。
2.1.4功能元求解
针对功能元再寻求功能元的解，即寻求满足功能元动作的执行机构。
这个过程也常常称为执行机构的形式设计，或称执行机构的行综合。
注意这个过程仍然要采用“发散性思维”，即凡是能满足功能元功能的所有的“物理效应”的解都作为初步解列出来，这是一项极具创造性的工作，因此可以说是一个展示你创造性思维的活跃阶段。
例如要实现一工件的夹紧功能，可以采用机械力、电磁力或液体压力等。
同一原理又可以有若干方案，如机械力可以分别通过斜面、凸轮、螺旋等机械来实现。
如果一个功能元有m个解决原理，而一种原理又有n个解，经排列组合则这个功能元的解可以有mn个方案。
把各功能元的解建在一个直角坐标上，便形成了一个“形态学矩阵”，通过这个矩阵可以组合若干方案。
然后再作评价选优。
例如：
设计挖掘机，对其总功能与分功能的分析如图2-5所示。
图2-5挖掘机的功能分解图
由此进一步列出形态学矩阵如表2-1：
表2-1挖掘机的总体设计形态学矩阵
分功能
解法
1
2
3
4
5
6
A.动力源
B.移位传动
C.移位
D.取物传动
E.取物
电动机
齿轮传动
轨道及车轮
拉杆
挖斗
汽油机
蜗杆传动
气垫
绳传动
钳式斗
柴油机
带传动
履带
气缸传动
抓斗
蒸汽透平
链传动
轮胎
液压缸传动
液动机
液力耦合器
气动马达
行星轮传动
可能组合方案N=66443=1728
如按A1+B4+C3+D4+E1组合，则得到履带式挖掘机；按A5+B5+C4+D4+E5组合，则得到液压轮胎式挖掘机。
在机构选型时要注意以下几点：
⑴要仔细分析透工艺动作的要求；
⑵要熟悉各种基本机构及其变异、组合，了解其运动特性，会灵活选用机构设计手册或其它机构专著中各种型式的机构；
⑶要多积累机构选型方面的知识，具有较丰富的实践经验，如选不到合适的机构型式时，还要会创造性地构思出合适的机械型式，以满足运动要求。
具体选型时，还应考虑到原动机的类型，并注意机构选型的基本原则。
执行机构的输入运动都是从原动机经过变速、传动装置传递过来的，原动机的型式直接影响执行机构选用的型式，所以机构选型时要考虑采用何种原动机。
表2-2列出了常用原动机的运动型式。
不同的原动机型式，在同样的执行构件运动形式下，要求选用不同的执行机构，表2-3列举一些为实现某一执行构件运动形式采用不同的原动机可以采用的执行机构型式。
表2-2常用原动机的运动型式
序号
运动型式
原动机类型
性能与特点
1
连续转动
电动机
结构简单、价格低、维修方便、单机容量大
内燃机
机动灵活性好，但初始成本高
2
往复移动
直线电动机
结构简单、维修方便
活塞式油缸或气缸
尺寸小、易调速、速度低、运转费用较高
3
往复摆动
双向电动机
结构简单、维修方便
摆动活塞式油缸或气缸
尺寸小、易调速、速度低、运转费用较高
表2-3采用不同原动机实现同一执行构件运动形式的分析
序号
原动机类型
执行构件运动型式
可采用的执行机构型式
1
电动机
连续转动
双曲柄机构、齿轮机构、转动导杆机构、万向联轴节等。
2
电动机
往复摆动
曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、摆动从动杆凸轮机构、曲柄摇块机构等。
3
电动机
往复移动
曲柄滑块机构、直动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构等。
4
电动机
单向间歇转动
槽轮机构、曲柄摇杆机构与棘轮机构串联而成的机构组合、不完全齿轮机构等。
5
摆动活塞式气缸
往复摆动
平行四边形机构、曲柄摇杆机构、双摇杆机构、双曲柄机构。
6
摆动活塞式气缸
单向间歇转动
棘轮机构、曲柄摇杆机构与槽轮机构的组合、曲柄摇杆机构与不完全齿轮机构的组合等。
各执行构件的运动形式已经确定之后，选用什么样的执行机构，机构选型时应遵循的原则列于表2-4。
表2-4选用执行机构的原则与方法
序号
机构选型原则
实施办法
1
依照生产工艺要求,选择恰当的机构型式和运动规律
1按执行构件运动形式选用相应的机构型式；
2选用机构的运动误差不超过允许限度，可以采用近似的实现运动规律的机构；
③机构的执行构件在工作循环中的速度、加速度的变化应符合要求，以保证产品质量。
2
结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑
1机构的结构在满足要求时力求简单、可靠；
②由主动（输入）件到从动件（执行构件）间的运动链要尽量短，它包括构件和运动副数尽量减少。
3
制造加工容易
1在采用低副机构时，转动副容易加工，易保证运动副元素的配合精度，移动副元素加工较困难，不易保证配合精度；
②采用高副机构可以减少运动副和构件数，但高副元素形状一般较为复杂，制造较困难。
4
考虑动力源的形式
1有气、液源时常利用气动、液压机构以简化机构结构，便于调节速度；
2一般采用电动机，但要考虑合适的传动装置将原动机的连续转动转化为执行机构的相关运动。
5
动力特性要好
1考虑机构的平衡，使动载荷最小；
2执行构件的速度、加速度变化应符合要求；
③采用最大传动角的机构以减小原动轴上的力矩。
6
具有较高的生产效率与机械效率
1机构的传动链尽量短；
2尽量少采用移动副（易发生楔紧或自锁现象）；
3合适的机构型式，可提高生产效率；
4机构的动力特性要好；
5执行机构的选择要考虑到动力机的运动方式、功率、扭矩及其载荷特性能够相互匹配协调；
6机构的传力特性好，有利于机械效率的提高。
2.1.5机械系统运动方案综合
当按照工艺动作要求选择好执行机构后，则要进一步拟定总体方案，即作动力源、传动系统及执行机构的确定。
通过前面求各执行机构的解所建立起的形态学矩阵，经排列组合可以得到大量的系统设计方案，但在组合时要注意考虑以下几点：
（1）设计的附加要求；
（2）设计的全局要求；（3）功能元解的相容性。
在方案组合的基础上，再对这些方案深入分析，进行评价和决策选优，其中评价是对各种方案进行比较和评定，而决策则是根据目标和评价结果选定最佳方案。
评价的目标一般包括三个方面的内容：
（1）技术评价：
评价方案技术上的可行性和先进性，包括工作性能指标、可靠性、使用维护性等；
（2）经济评价：
评价方案的经济效益，包括成本（生产成本和使用成本要综合考虑）、利润、实施方案的措施费用及投资的回收期以及市场占有率等。
（3）社会评价：
评价方案实施后对社会带来的利益和影响，包括是否符合国家科技发展的政策，是否有益于改善环境（环保因素），是否有利于资源开发和新能源的利用，是否有利于可持续性发展等。
常用评价方法可以分为简单评价法、数学分析法、试验评价法三大类。
具体选用哪种方法可以根据问题的复杂程度和重要程度来决定。
常用的方法有：
排队法、点评价法、评分法等。
这些方法操作简单，一般适合初评或定性评价。
另外像技术经济评价法、有效价值法、模糊评价法的评价结论则更趋合理。
2.1.6执行机构的运动协调设计（即运动循环图设计）
1.概述
运动循环图是保证执行机构动作协调配合不发生干涉及保证高生产率的一个重要环节，在机械设计，以及在以后的制造、安装、调试、维修中都将有重要作用。
其应用主要表现在以下几方面：
（1）确定各执行机构原动件在主轴上的方位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的方位；
（2）指导各执行机构的具体设计；
（3）作为装配、调试自动机械的依据；
（4）作为分析、研究提高机械生产率途径的基本文件；
（5）作为分析、研究各执行机构的动作如何紧密配合，相互协调的重要文件。
常用的运动循环图有三种表示方法，即直线式循环图、圆周式循环图和直角坐标式循环图。
三种方法各有其特点。
直线式循环图能清楚地表示整个运动循环由各执行机构的执行构件行程之间的相互顺序和时间（或转向）的关系，绘图简单，但无法显示执行构件的运动规律。
圆周式循环图直观性较强，因为机器的运动循环通常是在分配轴转—周的过程中完成。
所以通过它能直接看出各个执行机构原动件在分配轴上所处的相位，便于凸轮机构的设计、安装、调试。
但同心圆太多时，看起来不清楚。
直角坐标式循环图不仅能清楚地看出各执行机构的运动起止时间，而且各机构执行机构的运动规律、位移情况及相互关系一目了然，并可指导执行机构的几何尺寸设计。
图2-6是以牛头刨床为例用三种方法表示的运动循环图
图2-6牛头刨床的运动循环图
2.运动循环图的设计步骤与方法
运动循环图一般是在机器的传动方式以及执行机构的结构均已初步拟定好后再进行。
（1）首先确定执行机构的运动循环时间T执。
实际就是指执行机构的一个工作循环所占用的时间。
例如一曲柄摇杆机构，曲柄为原动件，n曲=20r/min，摇杆为执行构件，曲柄每转一周360º，摇杆往复一次完成一个工作循环，则其运动循环时间为T执=1/n曲=3s。
（2）确定组成循环的各个区段
运动循环中一般有工作行程、空回行程和停歇区段，为了提高生产率，一般应使空回行程尽量短，这样机构就存在急回特性，要根据工艺要求确定其行程速比系数K。
（3）确定执行构件各区段运动的时间及相应的分配轴转角
在确定了执行机构的运动循环时间T执和组成循环的各个区段后，即可进一步确定执行构件各区段运动的时间及相应的分配轴转角。
例如：
在曲柄摇杆机构中，执行机构摇杆的运动循环时间为：
T执=t工作+t空程=2+1=3s，与此相应的曲柄轴转角（即分配轴转角）360°=ψ工作+ψ空程=240°+120°。
（4）初步绘制执行机构的运动循环图
根据以上计算，选定比例系数即可画出相应执行机构的运动循环图。
（5）对各执行机构作同步化设计，最后画出整机的运动循环图。
同步化设计包括：
运动循环的时间同步化和空间同步化。
当各个执行机构的运动循环图都绘制好以后，必须按其工艺动作的顺序将它们恰当地组合在一起，绘出整台机器的工作循环图。
这时应考虑到各执行机构在时间和空间的协调性，即不仅在时间上各执行机构要按一定的顺序进行（称为运动循环的同步化），而且在空间上各执行机构在工作过程中不产生空间位置的相互干涉（称为运动空间的空间同步化）。
在满足时间同步化时，不是简单地让最大运动循环时间等于各执行机构循环时间之和，还应考虑尽量提高生产率，各执行机构在不发生干涉的情况下可以交错运行，空间同步化的协调也是同样。
2.1.7机构尺度设计
运用所学方法设计各执行机构，初步确定机构尺寸，画机构运动简图。
2.1.8性能参数计算
运用所学方法对各初选方案进行运动分析、动力学分析及相关计算。
2.1.9方案评价与决策
对方案作技术、经济及社会评价，必要时作反馈修改，最后从中选择最优方案。
2.1.10绘制系统运动简图、编写设计计算说明书
将选定的最优方案绘制系统运动简图、编写总体方案设计计算说明书。
2.2机械运动方案设计举例
——压片机加压机构方案创新设计
2.2.1设计要求
1.工艺参数：
（1）要求将陶瓷干粉压制成直径为35mm，厚度为5mm的圆形片坯；
（2）冲头压力：
15吨（150000N）；
（3）生产率：
25片/分钟；
（4）机器运转不均匀系数δ=0.1。
2.工艺流程：
（1）干粉料均匀筛入圆筒形型腔（图2-7a）；
（2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时把粉料扑出（图2-7b）；
（3）上、下冲头同时加压（图2-7c），并保压一段时间；
（4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图2-7d）；
（5）筛料同时推出片坯（图2-7e）。
图2-7干粉压片机工艺过程
2.2.2设计过程
1.功能分析
根据任务书要求，由图2-8黑箱图分析得知该系统的主功能为将粉料压制成型，为完成主功能又可分解为四个分功能，即上冲头的压下，下冲头的压上，筛料推片和成型模具（圆筒形型腔），如图2-9所示。
然后，寻求满足各分功能元的尽可能多的物理解。
图2-8总功能分析图2-9总功能分解
2.功能元求解
要实现上冲头运动的主加压机构应有下述几种基本运动功能：
（1）上冲头要完成每分钟25次往复移动运动，所以机构的主动构件转速应为25rmin，若以电动机作为原动力，则主加压机构应有运动缩小的功能；
（2）因上冲头是往复运动，故机构要有运动交替的功能；
（3）原动机的输出运动是转动，上冲头是直移运动，所以机构要有运动转换的功能；
（4）因有保压阶段，所以机构上冲头在下移行程末端有较长的停歇或近似停歇的功能；
（5）因冲头压力较大，所以希望机构具有增力的功能，以增大有效作用力，减小原动机的功率。
先取上述
（1）、
（2）、（3）三种必须具备的功能来组成机构方案。
若每一功能仅由一类基本机构来实现，如图2-10所示，共有六种动作结构，可组合成100多种方案。
在这许多方案中，有些机构，如曲柄滑块机构，就兼有运动转换和交替换向的功能。
这样，有些方案的动作结构或机构组合就显得繁琐而不合理，因而可以直观进行判断，从而舍弃一些方案。
例如，我们可从中选出如图2-11所示的四种方案作为评选方案。
这种做法似乎比较繁琐，但它的好处是可以开阔思路，尽量考虑周全，少漏掉一些可行方案。
特别对于初次进行设计者更显必要。
由于上冲头在下移行程的末端还有停歇和增力的附加要求，所以对上述方案要再作增改。
图2-10实现给定功能的基本机构
要使机构从动件（执行构件）在行程末端停歇，即运动速度为零，大致有下述几种方法：
1使机构的运动副或运动链暂时脱离，这可采用基本机构的变异机构，如槽轮机构（图2-12b）。
也可采用换向机构或离合器（图2-12c），当换向轮处于中间位置时，从动件A、B—螺杆停歇。
②如图2-11中方案一、三用转动凸轮推动从动件，则与从动件行程末端相应的凸轮廓线用同心圆弧廓线时，从动件在行程末端停歇。
曲线导杆机构（图2-12a）也有同样的作用。
③在机构串联组合时，使两机构的从动件均在速度零位时串接。
因为速度零位附近的速度一般也较小，这就使得串联组合机构输出构件的速度在较长一段时间内接近为零。
如图2-11方案四所示。
用其它方式组合机构。
如用轨迹点串联时，当轨迹点在直线段或圆弧段上运动时，从动件停歇。
并联组合时，将两个输入构件的运动规律相加，可使输出构件的速度在预定区域接近于零。
图2-11压片机机构的四个方案
图2-12按停歇要求补充的几个方案
至于机构增力的要求，它与机构停歇的要求，从功率传递的角度来看，有着内在的联系。
因为，若不计摩擦损耗时，输入、输出功率应相等，即M＝M11，所以速度低时，发力大。
根据这个道理，可使冲头在下移行程末端8mm的范围内有足够低的速度，这是增力措施之一。
此外，合适地安排机构构件的相对位置，使其得到良好的传力条件即得到较大的有效作用力，也是一种“增力”的办法。
所以，这类要求不必另立方案，只需在选择的方案中将构件作适当的配置就可以了。
至此，在图2-11、2-12等所示的几种方案中，已充分考虑了所提出的功能要求。
为了进一步评价选优和下一步的系统方案综合，可以将初选方案整理成图表形式，画出简图并作满足功能情况和性能说明以作下一步备用。
评价选优机构方案:
按照前述的方案评选原则，充分分析各方案的优缺点，然后选出几个比较合适的方案。
方案一、三都采用了凸轮机构。
凸轮机构虽能得到理想的运动规律，但要使从动件达到90l00mm的行程，凸轮的向径比较大，于是凸轮机构的运动空间也较大。
而且凸轮与从动件是高副接触，不宜用于低速、大压力的场合。
方案二采用曲柄滑块机构，曲柄长度仅为滑块行程的一半，机构结构简洁，尺寸较小，但滑块在行程末端只作瞬时停歇，运动规律不理想。
如用方案四，将曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构串联，则可得到比较好的运动规律，尺寸也不致过大。
又因为它是全低副机构，宜用于低速、重载的场合。
其余方案虽也可达到所要求的机构功能，但均不如前述几个方案的结构简洁。
所以，选用方案四是比较适宜的。
至于下冲头机构和料筛机构，也可按照上述方法选定方案，不再详述。
前者因位移不大，运动规律复杂，可考虑用凸轮机构；后者因要完成振动动作，所以可用凸轮机构完成小振动动作，用串联的连杆机构实现运动转换和放大。
3.系统方案综合及评价选优
将各功能元方案经评价选优列出若干方案并建立起形态学矩阵，经排列组合可以得到大量的系统运动方案，再经评价选优得出最佳系统运动方案。
因为该机械系统包含从原动机到传动机构到各执行机构的传动系统，该机械系统有三套工作执行机构，为使其成为一个单自由度机器，故最后选择了图2-13所示等速联接机构。
图2-13机械传动示意图
4.完成机械运动循环图
图2-14三执行构件运动线图
要保证系统的正常工作，须使三个执行机构协调运动，故需做机构运动的协调设计，即机械运动循环图的设计，现分析如下：
所选系统具有一个模具（圆筒形型腔）和三个执行构件（一个上冲头，一个下冲头和一个料筛）。
根据工艺过程，三个执行构件的运动形式为：
（1）上冲头完成往复（铅垂上下）直移运动，下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，因冲头上升后要留有料筛进入的空间、故冲头行程约为90100mm。
若机构主动件一转
（2）完成一个运动循环，则上冲头位移线图的形状大致如图2-14a所示。
（2）下冲头先下沉3mm，然后上升8mm（加压）后停歇保压，继而上升16mm，将成形片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后再下移21mm到待装料位置。
其位移线图大致如图2-14b所示。
（3）料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回，待坯料成形并被推出型腔后，料筛再在台面上右移约4550mm推移成形片坯，其位移线图大致如图2-14c所示。
（4）各执行机构的运动协调
拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计
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