插齿机功能原理设计Word格式文档下载.docx
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功能是系统必须实现的任务，或者说是系统具有转化能量、运动或其他物理量的特点。
每个系统都有自己的功能。
功能的分类大致如下：
基本功能
必要功能
功能附加功能
非必要功能
在以上功能中，基本功能必须保证，且在设计中不能改变；
附加功能可随技术条件或结构的改变而改变；
而非必要功能是设计者主观加上取的，可有可无。
由于系统的功能是以成本作作为代价的，所以，设计时应对一个系统需要哪些必要功能，去掉哪些非必要功能要做出明确的决定。
（二）、功能原理设计
功能原理设计的方法
用系统工程方法进行产品的原理方案设计是紧紧的围绕功能的分析、求解和组合实施的。
1功能的描述
在设计科学的研究过程中，人们逐渐认识到产品机构或结构的设计往往由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。
功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述。
功能的描述要准确、简捷、合理的抽象、抓住其本质，避免带有倾向性的提法，这样能避免方案构思时形成种种框框，是思路更为开阔。
系统工程学用“黑箱法”研究分析问题，对于复杂的未知系统，犹如不透明不知其内部的“黑箱”，可以利用外部观测，通过分析探求其内部原理和结构。
在这里可以用技术系统所具有转化能量、物料、信息等物理量的特性描述其功能。
把待求系统看作“黑箱”，分析比较系统输入输出的能量、物料和信号，输入输出的转换关系及反应系统的总功能。
2功能的分类
机电系统一般有驱动、传动、执行、测控四部分组成，各部分具有其相应的功能。
驱动部分传动部分执行部分
控制部分
执行部分相当于人的手和足，各种机器以不同的执行元完成执行功能，达到它的工作目的，简单的执行功能用简单构件实现特定的动作；
复杂系统有多个执行功能，期间往往有动作协调和配合关系。
驱动部分相当于人的心脏，为系统提供能量，其功能载体为各种形式的原动机。
驱动部分接受控制系统信息处理部分发出的控制指令和信号，驱动执行部分工作。
传动功能反映驱动与执行件间运动和动力的传动，包括运动形式、方向、大小、性质的变化，它的性能载体可以是电力、液压或机械式的。
控制部分包括传感和控制功能。
传感部分相当于人的眼，耳鼻等感觉器官。
它把机器工作过程中各种参数和状况检测出来，变成可测定和控制的物理量，传送到信息处理部分。
经过信息处理，发出对各部分工作的指令和控制信号。
所谓“功能原理设计”就是针对所设计的产品的主要功能提出一些原理性的构思，就是对产品的功能进行原理性设计。
功能原理方案设计的任务是：
针对某一确定的功能要求，去寻找一些物理效应并借助某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理来；
或者说，功能原理设计的主要工作内容是：
构思能实现功能目标的新的解法原理。
可以用简图或是意图的形势来表达所构思的内容。
如下图所示：
设计任务
求总功能
黑箱法
总功能分解
功能逐级分解
寻求子功能解
创造性方法、目录法、调查分析法
原理解组合
形态学矩阵法
评价与决策
各种评价方法
最佳原理方案
功能原理方案设计步骤
（三）、功能原理设计的设计方法——黑箱法
随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们对系统原理设计时常采用一种“抽象化”的方法——“黑箱法”。
此方法是暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式（如输出量和输入量）加以表达。
这样，可以通过抽象化清晰地掌握所设计系统的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾。
抓住问题的本质。
黑箱法如下图所示：
对外界的影响
物料流物料流
输入量能量流能量流输出量
信号流信号流
来自外界的影响
“黑箱法”示意图
其中，物料流包括材料、毛坯、半成品、成品、液体、气体等各种物体；
能量流包括电能、光能、机械能、热能、核能等；
信号流包括数据、测量值、控制信号、波形等。
之所以称为“黑箱法”是因为对于待设计产品来说，在求解之前，犹如一个看不见内部结构的“黑箱子”。
这种“黑箱”只用来描述系统的功能目标，至于“黑箱”的内部结构需要设计人员进一步构思的设计的。
由此可知，“黑箱”法是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某种输入及要求获得某种输出要求，从中寻找出某种原理来实现输入——输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”变成“白箱”的一种方法。
每个产品的功能都能用黑箱的形式来抽象地表达出来，所以，从系统的角度出发，功能的定义是指输出量和输入量之间的因果关系，即功能是系统的属性，它表明系统的的效能及可能实现的能量、物料和信号的传递和转换。
常用的圆柱齿轮加工机床除滚齿机外，还有插齿机。
插齿机是用插齿刀采用范成法插削内、外圆柱齿轮齿面的齿轮加工机床。
这种机床特别适宜加工在滚齿机上不能加工的内齿轮和多联齿轮。
装上附件，插齿机还能加工齿条，但插齿机不能加工蜗轮。
1.插齿原理插齿原理类似一对圆柱齿轮相啮合,其中一个是工件,另一个则演化为齿轮形刀具.它的模数和压力角与被加工齿轮相同,但每个齿的渐开线齿廓和齿顶上,都作成切削刃（一个顶刃、两个侧刃），即成为齿轮形插齿刀。
插削直齿的原理及加工时所需的成形运动
上图表示插削直齿的原理及加工时所需的成形运动。
其中插齿刀的旋转B1和工件的旋转B2组成复合的成形运动——范成运动，用以形成渐开线齿廓。
插齿刀的上下往复运动A是一个简单的成形运动，用以形成轮齿齿面的导线——直线。
这个运动是主运动。
插齿时，插齿刀和工件除作范成运动外，插齿刀相对于工件还要作径向切入运动，直到全齿深时停止切入，这时工件和插齿刀继续对滚（即插齿刀以B1，工件以B2的相对运动关系转动），当工件转过一圈，全部轮齿均切削完毕，然后插齿刀与工件分开，机床停机。
因此，插齿机除了两个成形运动外，还需要一个径向切入运动。
此外，插齿刀在往复运动的回程时不切削，为了减少切削刃的磨损，还需要有让刀运动，即刀具在回程时径向离开工件，进程切削时复原。
2.插齿机的传动原理图下图是用齿轮形插齿刀插削直齿圆柱齿轮时机床的传动原理图。
传动原理图中，仅表明成形运动。
切入运动和让刀运动并不影响加工表面的成形，所以在传动原理图中没有表示出来。
插齿机的传动原理图
工件表面的成形运动需要有三条传动链：
主运动传动链1—2—uv—3—4；
圆周进给运动传动链4—5—6—uf—7—8；
范成运动传动链8—9—ux—10—11。
圆周进给传动链决定插齿刀和工件对滚的速度。
由于插齿刀上下往复运动一次时，插齿刀本身转动的快慢，与渐开线齿廓精度有关，同时也决定了插齿刀每一次切削的切削负荷。
因此，圆周进给运动是以插齿刀上下往复一次时，插齿刀在节圆上所转过的弧长来表示。
主运动传动链决定插齿刀每分钟上下往复次数。
1黑箱法寻找总功能的转换关系
切削热量振动、噪声
轮坯齿轮
信号
驱动能切削功率
灰尘环境条件地基震动
（温度、湿度）
2总共能分解
①总共能分解的依据机器一般都是由5部分组成：
即动力系统、传动系统执行系统、控制和支承系统。
其技术过程通常是原动机→传动→控制→执行机构，而这四部分都安装在支承部件上，为了表示这种技术过程和周围环境关系，用技术过程流程图来表示。
环境系统人
轮坯齿轮
能量
②总功能分解
将总功能分解为一级、二级分功能，二级分功能若找不到，还可继续向下分解，直到可找到相应原理解为止。
建立功能结构图。
首先建立总功能与一级分功能的结构图，然后再建立二级功能的结构图。
a．总功能输入、输出转换关系图
b．一级分功能的结构图
c．
二级功能结构图
物料成品
（电）能量能量（机械）
信号信号
能量
信号
物料齿轮
4．寻找原理解和原理解组合
方案号
技术
分功能解
1
2
3
A
范成运动
a工件转动
齿轮传动
蜗杆蜗轮传动
棘轮传动
b插刀转动
B
切齿运动
a插刀移动
曲柄滑块机构
凸轮机构
b插刀返回
C
让刀运动
a刀具避让
凸轮连杆棘轮
b刀具趋近
D
进给运动
a执行进给
b推出进给
拉伸弹簧
E
能量转换
电动机
F
能量传动
a加工运动传递
链传动
b驱动力传动
平带传动
同步带传动
V带传动
组合方案数＝3×
3×
2×
1×
3＝36
方案：
在范成运动中，若采用齿轮传动，尽管其有叫高的传动效率且结构紧凑。
但由于它的制造和安装精度要求较高，故制造工艺复杂，成本较高。
棘轮机构结构简单，改变转角大小方便，可是工件转动一个固定的小角度，但它传递动力不大且传动平稳性差，古不合适。
而蜗杆传动结构紧凑，传动平稳，且其传动效率低的特点已随着机器功率的不断提高得到改善，故可采用蜗杆蜗轮传动。
在插刀运动中，可采用曲柄滑块机构，因该机构来源于曲柄摇杆机构，在运动中具有急回特性，可有效提高生产效率，缩短非生产时间。
驱动力传递：
与V带传动相比平带与带轮面间的摩擦力小于V带与带轮面间的摩擦力。
因此，V带的传动功率大。
啮合型带传动中，带与带轮面间无滑动，保证了准确的传动比，且传动效率高，但考虑较高的造价和安装精度，故选用V带传动。
选择的方案为Aa2×
Ab2×
Ba1×
Bb1×
Ca1×
Cb1×
Da1×
Db1×
E1×
Fa1×
Fb3
机构简图
1．工2插3插5让
件刀刀刀
转转切运
4．进给运动动动削动
传动路线图
（四）、功能结构
将总共能分解成分功能，并相应找出实现各分工能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。
反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求，这种功能的分解和组合关系称为功能结构。
以功能元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型：
即串联结构、并联结构和循环结构。
串联结构又称为链式结构，它表示各分功能之间是按顺序依次进行的。
并联结构的几个分功能处于并联状态，几个分功能同时起作用才能实现预期的功能。
功能结构示意图如下：
能量总功能能量
物料物料
信息信息
子功能
功能结构示意图
图中箭头表明的是同一个层次的分功能之间的关系，反映的是能量流、物料流、信号流在系统中的流动情况。
为使问题简化，也可以暂不考虑三大流的结合。
功能结构图可从黑箱或设计要求明细表出发来建立。
在分析功能关系和逻辑关系时，首先考虑主要功能和主要流，建立初步的功能结构图，然后，在解决辅助功能和次要流，逐渐完善系统的功能结构。
这个过程不是一次就能完成的。
它随设计工作的逐步深入而不断修改和不断完善。
建立功能结构图的流程如下：
技术过程结构
确定系统总功能
划分功能（功能分解）
建立功能结构图
功能结构图评比
最优功能结构图
建立功能结构图的流程
二、结构总体设计
（一）、结构总体设计的任务、原则
1．结构设计的任务及重要性
结构总体设计的任务是将原理方案设计结构化，即把一维或二维的原理方案图转化为三维的可造的形体过程，也可以说是为了完成总系统功能而进行的初步总体布置开始到最佳装配图（结构设计）的最终完善及审核通过为止。
结构总体设计工作包括两个方面，即“质”的设计和“量”的设计。
所谓“质”的设计是指“定形“设计，有系统的定性和零件的定性。
这部分工作对产品的质量有决定性的意义。
“量”的设计则指的是选择材料、确定尺寸和零件进一步详细设计等此部分设计所涉及到的知识再《机械设计》、《材料力学》等教材中已系统而详尽的阐述并已为设计者所熟识，由此看来，结构总体设计阶段的工作量是相当大的，同时它的工作质量对满足功能要求、保证产品质量和可靠性、降低产品得成本等都起着十分重要的作用。
2结构总体设计原则
明确、简单、安全可靠是结构总体设计阶段必须遵守的三项基本原则。
由于这三项基本原则的共同目标都是为了保证实现总系统（产品）的预期功能、降低成本及保障人和环境安全的，所以，在整个设计阶段应将这三项基本原则贯彻到底。
（1）明确原则
这里主要包括：
1功能明确所选择的结构应能明确无误地、可靠地实现预期的功能。
对于可实现的功能来说要做到既不疏漏又不冗余。
2工作情况明确被设计的产品（系统）所处的工作状况必须明确。
因为结构和零部件的材料、形状、尺寸、磨损及腐蚀是根据其工况来确定。
若设计时缺少准确的设计工况说明，且不得不做出一些假设的话，应随时检查有关假设的正确性。
3结构的工作原理明确设计结构时所依据的工作原理必须明确，从而才能可靠的实现能量流、物料流和信号流的转换或传导。
（2）简单原则
简单原则是指要在满足总功能的前提下，尽量使整机、部件、零件的结构简单，且数目少；
同时还要求操作与监控简便；
制造与测量容易、快速、准确；
安装与调试简易而快捷。
亦就是说这里所指的“简单”，同时具有简、化、简明、简易、减少等多重含义。
（3）安全可靠原则
一个系统（产品）的安全可靠性主要指：
1构件的可靠性在规定外在载荷下，在规定的时间内，构件不发生断裂、过度变形、过度磨损且不丧失稳定性。
2功能的可靠性主要是指总系统的可靠性，即保证在规定条件下能实现总系统的总功能。
3工作安全性主要指对操作者的防护，保证人的安全。
4环境安全性不造成不允许的环境污染，同时也要保证整个系统的（产品）对环境的适应性。
为了保证上述各种安全可靠性，应在设计过程中充分给予重视并落实到具体设计中，除对重要的结构、零部件进行必要的各种计算外，还应设置防护系统和保护装置及在危险发生之前的报警系统。
二总体设计结构步骤
1初步设计
（1）明确设计要求
在总体结构设计之前，应明确、分析及归纳设计要求。
这里所要明确的设计要求一般包括：
与确定配置有关的要求（物料流动方向、运动方向、位置关系……）；
与确定尺寸有关的要求（功率、转矩、生产能力空间限制……）；
与确定材料有关的要求（使用寿命、工作环境、零部件材料……）；
此外，还应充分考虑到制造、安装、运输、经济性等方面的要求。
（2）主功能载体的初步设计
主功能载体是指完成主功能要求的构件。
这步工作主要凭经验粗略设计出主功能又哪些主功能载体来实现及其大致形状和空间位置。
也就是结构总体设计是从总功能载体的设计开始，因此，这是结构总体设计的核心。
然后，根据主功
能及主功能载体的类型和方位来定型—进行总体布置。
（4）按比例绘制主要结构草图
在草图中除了表示出总功能载体的基本形状和大致尺寸外，还应标出不同工况下的极限位置及辅助功能载体的初步形状与空间位置。
（4）检查主、辅功能载体结构
主辅功能载体结构间形状、尺寸、空间位置是否相互干涉及其之间的相互影响和配合性都须做最后检查。
（5）设计结果初评及选择
初步结构总体设计方案不是唯一的，要从中选择一个较理想的作为后续设计的基础。
2详细设计
（1）各功能载体的详细设计
依据设计要求采取不同的计算方法先对主功能载体，然后对辅助功能载体进行精确的计算、效核相应的模拟实验，进一步完成上述各载体的详细设计—具体形状、尺寸、材料连接尺寸及方式等。
（2）补充、完善结构总体设计草图
将主辅功能载体画到总体结构草图上，并具体考虑加工方法、结构工艺性及计算成本等。
（3）对完善的结构总体草图进行审核
审核工作应从设计要求出发，进行深入、细致的检查，确认在完成功能要求方面有无疏漏，总布局是否满足了空间位置的相容性，能否加工、装拆、运输，维修保养是否方便。
明确设计任务对总体结构设计的要求
主要功能载体初步结构设计
辅助功能载体初步结构设计
按比例绘制主要结构草图
检查主辅功能载体结构的相互影响及配合
设计结果初评及选择
是否
详细设计主辅功能载体结构
对设计进一步修改、完善
对完善的结构总体草图进行审核
技术和经济评价
否
结构决策
是
结构总体设计的最终完善及审核
结构总体设计步骤流程图
（4）进行技术经济评价
3结构总体设计的完善和审核
结构总体设计的完善和审核是指对关键问题及薄弱环节通过相应的优化设计来进一步地完善以及对总体设计进行经济分析，看是否达到了预期的目标成本。
具体的设计步骤是随设计任务的不同而改变的，中间的设计过程可繁可简，但必须围绕着系统（产品）的功能目标来进行。
若不能满足时，应随时调整。
在调整过程中，常常要涉及到已经进行的工作，这些工作又要在更高的信息水平上循环重复，直到达到功能要求为止。
由此看来，结构总体设计的过程是一个从质到量、从抽象到具体、从粗略到详细的工作过程，它除了应该同样具有创新思想之外更多的则涉及到复杂的、具体的综合分析、设计校核工作。
必须指出，结构总体设计阶段应自始至终不断的进行功能要求、制造可行性、装拆可行性、使用可行性、制造成本方面的审核。
结构总体设计的总装配图是零、部件及一些工艺文件的依据，所以，必须严格按照一定比例去绘制，并且还
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