重庆大学机械原理毕业课程设计指导书.docx
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重庆大学机械原理毕业课程设计指导书
机械原理课程设计
指导书
重庆大学国家工科机械基础课程教学基地
2010年5月
目 录
0.绪论………………………………………………………………………………………1
1.机构的选型………………………………………………………………………………9
1.1主执行机构的选型…………………………………………………………………9
1.2辅助执行机构的选型………………………………………………………………12
2.原动机的选用……………………………………………………………………………14
3.拟定传动系统方案………………………………………………………………………15
3.1传动系统的选择与设计……………………………………………………………15
3.2有级变速传动系统的转速图………………………………………………………16
4.绘制系统工作循环图……………………………………………………………………19
5.机构尺度参数确定………………………………………………………………………24
6.静力分析和初定各构件的质量参数……………………………………………………25
7.主执行机构的运动分析………………………………………………………………26
8.主执行机构的动态静力分析……………………………………………………………30
8.1静定组………………………………………………………………………………30
8.2主执行机构的动态静力分析图解法………………………………………………30
8.3主执行机构的动态静力分析解析法………………………………………………33
9.飞轮设计和原动机功率的校核………………………………………………………34
附录：
平面连杆机构力分析子程序使用说明……………………………………………36
参考文献……………………………………………………………………………………50
0绪论
机械原理课程设计是培养学生创新思维和设计能力的重要实践环节。
但由于机械原理课程设计是学生入学以来的第一次工程设计实践，对于机械设计知识的了解还不够系统和深入，特别是缺乏实践经验和机械系统方案设计知识的学生来说，要独立地完成机械原理课程设计还存在较多的困难。
特别是在设计的开始阶段，学生常会感到无从下手，或者完全被动地依靠指导教师。
本书就是为了使学生能尽快地进入设计工作状态，让学生能积极主动地进行创新思维，并能独立完成设计任务而编写的。
本指导书按学生将要进行的设计过程编写，适用于所有设计题目。
学生阅读本指导书，并按要求进行课题的设计，可达到课程设计的基本要求。
有更高要求的学生，可在指导教师的指导下，查阅其它资料，完成更多更复杂的设计工作。
任务书中提出的设计要求和指导教师对学生的要求有可能是“脱离工程实际的要求而更接近机械原理课程内容训练的要求”。
个别学生可在指导教师认可的条件下，展示其创新思维的才华，创造性地提出并实施其新颖的设计方案，但对大多数学生来说设计要求是具有强制性的。
其一是内容的强制性：
方案中强制性规定了涉及机械原理课程的主要内容。
而其中某些内容在实际的设计中可能是没有的；其二是完成任务所用方法的强制性：
设计内容及要求中强制规定了既涉及图解法的内容又涉及编写程序的任务，而图解法甚至解析法编写程序在实际工程设计中都有可能不采用。
其三是时间的强制性：
学生必须在两周内完成设计，而工程实际的设计问题则有可能有更长的反复设计的时间。
因此学生的设计过程中仅涉及机械产品设计过程的主要部分过程而不是全部过程。
0.1机械原理课程设计的地位、目标和要求
机械原理课程属于高等学校工科机械工程类本科生必修的“机械设计系列课程”之一，是一门主干技术基础课，在培养学生的机械设计综合能力方面占有不可替代的重要地位。
它的任务是使学生掌握各种基本机构及由它们组成的机械系统的基础理论、基本知识、分析和设计方法，并具有按照任务要求进行简单机械系统运动方案设计的初步能力。
本课程在培养学生的机构分析和设计能力、机械系统运动方案设计能力、机械设计的数学建模及计算机应用能力，创造性思维以及初步机械工程实践等方面均具有独到的作用。
机械原理课程设计是培养学生创新思维和设计能力的重要实践环节。
在机械原理课程设计中，通过加强机械系统方案的创新构思与设计，加强机械系统多方案的评价与优选，加强设计内容的综合性和工程性，加强现代机械设计基本功的训练与培养，加强各种现代设计方法与手段的掌握与应用，使学生具有更高的综合素质，更强的机械设计和创新能力，以适应时代的要求。
通过机械设计基础系列课程综合设计，学生应达到如下要求：
1）更好地掌握和加深理解“机械原理”课程的基本概念、基本理论和基本方法；
2）树立正确的设计思想，了解完整的机械产品设计过程，并重点掌握机械产品的总体方案设计、运动和动力设计等重要概念和内容；了解国家当前的有关技术经济政策；
3）具有调查研究、分析比较的能力和机械产品或机械系统总体方案或运动方案创新设计的能力；
4）进一步提高各种现代设计方法和手段应用的能力；
5）进一步提高计算和绘图能力，具有运用设计标准、设计规范、设计手册、设计图册和查阅有关技术资料的能力；
6）具有表达设计成果、书写技术报告及科学研究论文的能力。
0.2机械产品设计过程
设计机械过程并没有一个通用的固定的程序，而须按具体情况确定。
机械设计的一般进程，可分为产品规划（概念设计）、总体方案设计、结构技术设计生产施工设计（工艺设计）和改进设计五个阶段。
其工作内容和任务如表1.1所示。
表0.1机械产品设计过程
设计阶段
工作内容
形成文件
产
品
规
划
概
念
设
计
选题
选择设计对象、提出设计题目（设想）
调
研
和
预
测
市场调查：
进行需求、购买行为分析，作销售量预测及市场占有率预测；进行经济、社会环境分析，作产品社会效益及产品生命周期预测；进行政策、法规分析，作产品生产和销售可能性预测。
技术调查：
进行产品设计、制造的新技术、新材料的调研掌握有关产品的国内外水平和发展趋势，作技术可行性预测及产品成本预测。
调研报告
确定
对策
从经济、技术、市场各方面论证新产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性
产品开发可行性论证报告
确定设计任务
明确设计目标及需要达到的功能目标和性能指标
设计任务书
总
体
方
案
设
计
目标分析和功能原理设计
根据设计任务书中规定的设计任务，进行功能目标分析，做出工艺动作的分解，明确各个工艺动作的工作原理，提出设计、工艺等方面需要解决的关键问题
功能原理解及功能结构方案
方
案
设
计
拟定总体方案和基本性能参数、结构参数，进行执行系统、传动系统的设计，选择原动机。
对完成各工艺动作和工作性能的执行机构的运动方案进行全面创新构思，对各可行方案进行运动规律设计、机构型式设计和协调设计
总体方案示意图，机械系统运动简图，运动循环图，总体方案设计计算说明书
方案
评价
与决
策
对各可行方案进行运动分析、动力分析及有关计算，作模拟设计试验，以进行功能、性能评价和技术、经济评价。
在可行方案群中选择最优方案，确认其总体设计方案。
结
构
技
术
设
计
结构
方案
拟定
根据经济性、稳定性、运输安装、管理维修、环境保护等因素，拟定执行系统、传动系统的结构方案以及与原动机之间联接的方案可靠性
造型
设计
从人机工程、民族风格、用户心理感受、易操作性以及美学观念出发，进行产品造型、色彩表面处理的设计
结构设计及材料选择
从加工工艺、装配工艺性、摩擦润滑、振动噪音、传热、腐蚀等因素出发，设计零部件的结构，确定各零件的相对位置、结构型式及联结方法
根据运动、动力计算，强度和刚度计算，选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的形状、尺寸公差、精度及制造安装的技术条件。
确定外购的标准件、元器件规格和技术要求
设计图绘制
绘制总装配图、各类系统图（包括执行系统、传动系统、控制系统、润滑系统、气液压系统、电路系统）、部件装配图和零件图。
编制设计计算说明书
详细设计图纸及设计说明书
施
工
工
艺
设
计
工艺设计
进行加工工艺、装配工艺设计。
制定工艺流程及零部件检验标准
工艺文件及工装设计图，实验
工装设计
进行加工、装配时必需的工具、量具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计
施工设计
制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标。
制定包装、运输、基础安装的要求。
确定随机器提供的备件、专用工具明细表
产品使用说明书
改进设计阶段
引人并行设计观念，将前面各阶段的评价信息反馈到新一轮的设计中，进行改进设计
0.2.1 机械总体方案设计的目的和内容
进行总体方案设计的具体目的，就是在通过调查研究进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计的要求和条件的基础上，寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能结构方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，提出战略性、指导性的意见，也为最终进行评价、优选决策提供诸如可行性、先进性等等相关技术原理方面详尽的科学依据。
机械系统主要由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。
总体方案设计的主要内容就是围绕这几部分的方案设计。
1.执行系统的方案设计主要包括执行系统的功能原理设计、动作及运动设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。
2.原动机类型的选择和传动系统的方案设计其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。
3.控制系统的方案设计
4.其它辅助系统的设计主要包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保障系统和照明系统等的设计。
一般而言，传动机构是指转速变换机构，而执行机构是指运动形式和运动规律变换机构。
有时，传动系统、执行系统及控制系统的界限并不能明显的划分，特别是在现代机电一体化系统中变得模糊而更具综合性。
而上述各项设计内容，也必须围绕机械产品这个“整机”来进行创新设计和整体优化。
0.2.2 机械执行系统运动方案设计的主要内容
1）功能原理设计任何一部机械的设计都是为了实现某种预期的功能要求，包括工艺要求和使用要求。
所谓功能原理设计，就是根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理（或功能原理）来实现所需的功能要求。
实现某种预期的功能要求，可以采用多种不同的工作原理。
这些功能原理广义的可分为物理的、化学的和生物学的等等（在机械系统中主要是考虑物理的工作原理）。
还可以更进一步划分为具体的工作原理。
例如物理学的还可分为力学的、电磁学的、光学的、热学的、材料弹塑性形变的等等。
而力学的还可更具体的分为摩擦的、推拉的、惯性的、重力的、吸附的、粘着的等等。
例如要求设计一个齿轮成型设备，可选择基于材料弹塑性变形原理的冲压、滚扎等；也可选择基于熔融成型原理的、化学腐蚀的、电化学的；还可以采用基于材料切削原理的仿形法和范成法等等。
不同的功能原理，所设计出的机械其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异，这必须根据更具体的工作要求，如强度、精度寿命以及产量、效率、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。
同时尽可能在满足要求的前提下多采用几个方案。
2）动作及运动设计在工作原理选定之后要根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。
首先要进行工艺动作分解，例如齿轮成型选定了范成切削原理进行加工，则根据范成工艺，可分解为切削、分度（范成）、进刀三个工艺动作。
一般工艺动作可直接作为执行运动，这就确定了该齿轮加工机床要具有三个独立的执行运动，即往复直线运动（切削）、对滚运动（范成）、径向进刀（直线）运动。
执行运动确定之后，就确定了执行构件的数目。
一般一个执行运动对应一个执行构件，有时也可将几个执行运动合并由一个执行构件来完成。
例如齿轮加工机床，对滚运动需由刀具和工作台两个执行构件来实现；而切削和进刀则可由一个执行构件－刀具来完成。
很多情况是一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。
如切削平面，则可按铣削、刨削、磨削等不同工艺分解成不同的工艺动作及执行运动的不同形式和数量，最后设计出的机床结构也是大不相同的。
3）执行机构型式设计实现同一种运动，可以选用不同型式的机构。
所谓机构型式设计，是指究竟选择何种机构来实现上述运动。
例如，为了实现刀具的上下往复运动，既可以采用齿轮齿条机构、螺旋机构；也可以采用曲柄滑块机构、凸轮机构；还可以机构组合或结构变异创造发明新的机构等。
究竟选择哪种机构，还需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本。
4）执行系统的协调设计一部复杂的机械，通常由多个执行构件及执行机构组合而成。
当选定执行构件及其运动后，还必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调动作，使其统一于一个整体，互相配合，以完成预期的工作要求。
例如齿轮加工机床的范成运动，必须使工作台（工件）及刀具按一定的传动比关系实现对滚运动。
如果各个机构动作不协调，就会破坏机械的整个工作过程，达不到工作要求，甚至会损坏机件和产品，造成生产和人身事故。
所谓执行系统的协调设计，就是根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行构件应如何协调和配合，设计出协调配合图。
这种协调配合图通常称为机械的运动循环图，作为选择执行机构型式和拟定机械运动方案的依据。
它具有指导各执行机构和控制系统的设计、安装和调试的作用
5）机构的尺度设计机构的尺度设计是对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构（一般为运动形式变换机构）的运动学尺寸，绘制出各执行机构的运动简图。
运动形式变换机构的运动学尺寸设计，就是确定该机构构件的长度和运动学参数。
如转动副间的相对位置尺寸、移动副的导路位置、高副运动副元素的几何形状及尺寸、螺旋机构导程（或螺纹头数与螺距）、棘轮齿数及形状、槽轮机构尺寸及槽数、不完全齿轮机构的齿轮齿数及形状等。
6）运动和动力分析对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求。
7）方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价。
前者是指对结构的繁简、尺寸的大小、加工的难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得的执行系统的具体性能与使用要求所规定的预期性能进行比较，从而对设计方案做出评价。
如果评价的结果认为合适，则可绘制出执行系统的运动简图，即完成了执行系统的方案设计；如果评价的结果是否定的话，则需要改变设计策略，对设计方案进行修改。
修改设计方案的途径因实际情况而异：
既可以改变运动参数，重新进行机构尺度设计；也可以改变机构型式，重新选择新的机构；还可以重新进行工艺动作分解，进行执行运动设计；甚至还可以否定原来所采用的功能原理设计，重新寻找新的功能原理。
需要指出的是，选择方案与对方案进行尺度设计和性能分析，有时是不可分的。
因为在实际工作中，大体尺寸还没有确定，就不可能对方案做出确切评价，确定选择哪种方案。
所以，这些工作在某种程度上是并行的。
0.3机械原理课程综合设计步骤和内容
根据机械原理课程设计的的特点和要求，学生要按照下述步骤完成下述内容。
表0.2机械设计基础系列课程综合设计步骤和内容
设计步骤
应完成的内容
应完成的成果草稿
应完成的成果、正式文件
1.机构的选型
主执行机构、辅助主执行机构（进刀机构、调节机构、送料机构等）的选型
各种机构比较、评价、选择的依据；最后选出的1个最终方案
传动系统图1张
2.原动机的选用
选出原动机类型、型号
计算过程、依据、结果
3.拟定传动系统方案及传动系统参数设计计算
设计出传动系统方案及设计出传动系统参数
计算过程、依据、结果
4.绘制系统工作循环图
设计出2个最终方案的工作循环图
各角度的设计过程、依据、结果
工作循环图1张
5.各机构的参数确定
设计出主执行机构和辅助执行机构的运动学尺寸
设计或和综合的过程、依据、结果
主执行机构的机构运动简图（1号图的部分内容）
6.静力分析和初定各构件的质量参数
主执行机构的解析法静力分析
各构件的质量参数
静力分析的程序清单和打印结果
7.主执行机构的运动分析
主执行机构的解析法运动分析和一个位置的图解法运动分析。
1）程序清单、打印结果；2）速度图和加速度图（1号图的部分内容）
8.机构的动态静力分析
主执行机构的解析法动态静力分析；一个位置的图解法动态静力分析或静力分析
1）程序清单，打印结果；
2）杆组力图和机构力矢量（1号图的部分内容）
11.编写设计计算说明书
设计计算说明书
0.4机械原理课程设计的评分方法和评分标准
学生的“机械原理课程设计”成绩分为二部分：
第一部分为平时成绩，第二部分为设计成果成绩。
第一部分平时成绩占总成绩的40%。
首先，指导教师根据学生的出勤率和“调研确定整体方案”、“编程上机”、“画图”、“整理设计说明书”、“交流与讨论”等主要实践环节中的表现给出成绩；第二部分设计成果成绩，我们按照“方案设计”占20%，“设计图纸”占40%，“设计说明书”占40%的比例评定成绩。
学生如在某一方面，特别是在设计方案上如有所创新、有所突破者可得高分。
1机构的选型
机构选型的任务是选择主执行机构、辅助主执行机构（进刀机构、调节机构、送料机构等）的类型。
要求学生：
1）在选型、讨论过程中应记录下各种机构比较、评价、选择的依据；2）最后选出的2个最终方案（这两个方案也是后续步骤的实施方案）。
1.1主执行机构的选型
牛头刨床的刨刀机构、专用精压机的冲压机构和平台印刷机的版台运动执行机构等均为主执行机构。
它们均是实现往复移动输出的机构。
机构选型的大致步骤为：
第一步：
按预期运动转换类型列出所有备选机构；
第二步：
按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构；
第三步：
按工作特点筛选备选机构；
第四步：
按预期运动规律筛选备选机构；
第五步:
对不理想的机构进行变异组合扩展得到新机构；
第六步:
选出多个理想的机构。
需指出的是：
1）工程实际问题要复杂的多，设计者的设计能力也高低变化,所以上述步骤是引导学生思考的步骤,并不权威；2）“理想的机构”是定性分析的理想的机构,最终的理想的机构还需对系统进行运动、动力、强度结构等定量分析才能评价出来，因此工程设计是反反复复的过程,而课程设计做不到这一点。
1.1.1 按预期运动转换形式列出所有备选机构
预期运动转换类型：
在课程设计的题目中，主执行机构是实现往复移动输出的机构，当原动机为电动机时，主执行机构是“将转动形式转换为往复移动形式”机构。
学生在《机械设计》中学过“带传动”、“链传动”、“齿轮传动”，它们可组合出所需的传动系统，不能对运动形式进行转换。
学生在《机械原理》中学过的“连杆机构”、“凸轮机构”和“其它常用机构”（又称间歇运动机构）可对运动形式进行转换，而“轮系”则不行。
“将转动形式转换为往复移动形式”的机构只剩下“连杆机构”和“凸轮机构”，当然，也可以采用组合机构，例如齿轮－连杆组合机构两种、凸轮－连杆组合机构等等。
1.1.2 按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构
“连杆机构”、“凸轮机构”、“组合机构”各有哪些优缺点？
各用在哪些应用场合？
在进行机构型式设计时，必须回答这个问题。
单自由度连杆机构有四杆机构、六杆机构、八杆机构；
实现“将转动转换为往复移动”的四杆机构只有曲柄滑块机构。
六杆Ⅱ级机构是由原动件、机架和两个Ⅱ级组组成。
组合方式有串联、并联和混联三种，你只能选择哪种方式？
理论上，只要后接Ⅱ级组是RRPⅡ级组，都能实现“将转动转换为往复移动”功能。
请学生以列表形式和以机构示意图形式组合出所有“能将转动转换为往复移动“的六杆Ⅱ级机构。
对于二自由度机构，例如五杆机构、七杆机构（包括组合机构）等，可以采用运动封闭的方法，将其封闭为单自由度机构。
Ⅲ级机构（当然是六杆机构）也能实现“将转动转换为往复移动”功能,在机构选型中可讨论Ⅲ级机构，但强烈建议最终方案别选择Ⅲ级机构。
（不过，若选择Ⅲ级机构为最终方案，并成功完成设计计算，很可能备受推崇。
）
经过这一步，你的备选机构有多少？
请一一列出。
1.1.3 按工作特点筛选备选机构
设计任务书中的“设计要求与技术条件”，对设计对象提出了行程、急回特性、受力等方面的要求，在进行机构型式设计时，应给予充分考虑。
学生还需归纳总结出其它特点。
工作特点对机构的要求：
（1）工作行程大：
要求机构是行程扩大机构；
（2）工作阻力较大：
要求机构在具有较大的力增益的区间工作；
（3）正向运动的大部分时间有工作阻力：
要求机构具有急回特性；
（4）正向运动的极短时间有工作阻力：
要求机构在具有较大的力增益的区间工作。
图1.1给出了两种行程扩大机构，学生还可以寻找出或组合出其它几种行程扩大机构。
a）b）
图1.1 行程扩大机构
当不计摩擦及惯性力时，机构的输入角速度i力矩Mi与输出角速度0力矩M0满足关系Mii=M00，所以力M0Mi=i0，M0Mi为力增益。
当i不变（由工作频率决定）而0很小时，机构的增益很大。
由此可看出机构在极限位置附近的0很小。
结论是：
极限位置附近是机构的具有较大力增益的区间。
曲柄压机就是在曲柄滑块机构曲柄与连杆拉伸共线位置附近工作的。
图1.2 力增益的六杆Ⅱ级机构
具有急回特性且具有“将转动转换为往复移动”功能的四杆机构是偏心式曲柄滑块机构，学生应该能组合出具有急回特性的且具有“将转动转换为往复移动”功能的六杆机构。
请一一列出。
经过这一步，你的备选机构还有多少？
请一一列出。
1.1.4按预期运动规律筛选备选机构
冲床工作时要求实现较复杂的预期运动规律（见设计任务书之三），请相关学生列出其它能够实现较复杂运动规律的机构。
牛头刨床要求切削时刨刀近似等速，学生应该知道控制住行程速比系数就能满足这一要求。
经过这一步，你的备选机构还有多少？
请一一列出。
1.1.5对机构进行变异、组合和扩展
你的备选机构都可能在某些方面有优点，而另一些方面有缺点。
你能通过变异、组合和扩展等一系列手段改进机构吗？
这一步不要求学生必修做，但可以试一试，尤其是做冲压床设计的学生。
其他学生如何做，由指导教师决定。
1.1.6确定最终方案
经过以上步骤，你已经得到了一系列备选方案，你需要在其中选出两个方案加以实施。
请你通过列表比较的方式，比较各备选方案的优缺点，指出你的选择依据。
表中要列哪些项目，由学生自己确定或征求指导教师的意见。
1.2辅助执行机构的选型
辅助执行机构是指控制工件运动的机构（如工作台进给机构、送料机构）和调节机构（如行程调节机构位和置调节机构）。
1.2.1控制工件运动的辅助执行机构的选型
课程设计中控制工件运动的辅助执行机构的选型应考虑以下几点：
（1）与主执行机构有相同的工作周期。
这就要求辅助执行机构与主执行机构的运动严格协调，这也意味着辅助执行机构与主执行机构尽量用同一个原动件。
（2）辅助执行机构是“将连续转动转换成间歇运动”机构。
间歇运动机构是《机械原理》中“其它常用机构”章节的内容。
有哪些“间歇运动机构”？
各自的功能是将什么的运动形式转换成间歇运动的？
间歇运动的形式？
各有哪些优缺点？
是平面机构还是空间机构？
如果某一“间歇运动机构”是“将连续转动转换成间歇运动”机构，可直接使用吗？
如果某一“间歇运动机构”是“将往复摆动转换成间歇运动”机构，又怎么办？
如果某一“间歇运动机构”是平面机构，输出构件的
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