实验5 机械系统原理方案创新设计实验指导书.docx

1、实验5 机械系统原理方案创新设计实验指导书实验5 机械系统原理方案创新设计机械创新设计的目的是设计出工作机理独特有效、结构新颖巧妙的机械产品。机械创新设计的关键是原理方案设计，它决定了产品的质量、性能、功效和性价比等。原理方案设计的基本要求有许许多多，其中最重要的，一是机械产品能够实现预期功能，二是性能良好。为达到第一个基本要求，常常采用“功能分析法”，将机械产品的总功能逐次分解成多个基本功能，进而找出实现这些基本功能的基本机构，将这些基本机构组合后形成创新设计的方案。为达到第二个基本要求，常常是在多个方案中优选，并可用设问探求法优化方案。所以设计者首先必须知道各种机构能够具有哪些预期功能，以

2、及实现预期功能的性能如何，其次要了解创新设计的主要技法。5.1实验目的1了解机械原理方案设计的内容、过程及创新设计技法，巩固机械创新设计理论知识。2了解各种传动系统的功能及特点、各种机构的功能及特点、机构尺度综合的方法，巩固机械原理理论知识。3根据给定的设计平台和设计任务，设计出机器原理方案，训练创新设计方法启发创新思维、意识。5.2 实验器材JPYS-CD机械系统原理方案创新设计实验台1.机械结构（1）总体结构如图5-1所示。JPYS-CD机械系统原理方案创新设计实验台总体结构如图5-1所示，主要由底座(安装平台)、驱动源、减速器、联轴器、带、链、过渡节、平面执行机构等传动部件组成。可根据需

3、要按一定的形式组合成不同的机械传动系统。其中底座(安装平台)、驱动源、传动部件、负载部件为整体结构。底座(安装平台)上有T形槽，可根据安装需要布置系统。图5-1 JPYS-CD机械系统原理方案创新设计实验台总体结构（2）安装平台安装平台由机柜和铸铁平台组成，如图5-2所示，铸铁平台上有纵横间隔(100mm)的T型滑槽作为安装组件用。图5-2 安装平台（3）驱动源的组成（图5-3） 图5-3 驱动源的组成 图5-4 负载的组成（4）负载的组成（图5-4）（5）传动部件1）齿轮减速器模块为了增大方案设计空间,减速器输出轴采用了双轴伸结构,安装灵活,速比为1:1.5。2）摆线针轮减速器为专业厂家生产

4、不但设计精良而且外型美观.速比为1:9.3）蜗轮蜗杆减速器,输出轴也采用了双轴伸,以满足不同设计需要,输出轴小端可连接带轮、链轮传动,大端除了连接带轮、链轮外还可连接万向节传动以增强空间概念。4）测试模块中还包括对V型带、链轮和它们组合模块的测试。（6）执行机构搭接框架 执行机构搭接框架主要由立板、角铁座、横梁等组成（如图5-5所示）。2.主要技术参数及性能指标（1）动力部分1）三相感应变频电机：额定功率0.37KW；同步转速1500r/min；输入电压220V。2）变频器：变频范围 2200 HZ；功率：0.75KW；图5-5执行机构搭接框架（2）测试部分1）角位移传感器：工作电源：DC24

5、V；量程：0-360；输出信号：4-20 mA。2）直线位移传感器：工作电源：DC24V；量程：0-200mm；输出信号：4-20 mA。3）测力传感器：工作电源：DC24V；量程：0-20kg；输出信号：4-20 mA。4）电量变送器：工作电源：AC/DC85-265V；输入信号：交流、直流各种电量；隔离输出信号：4-20mA。5）数据采集卡：单通道32路。（3）传动部分直齿圆柱齿轮减速器：减速比 1：1.5。摆线针轮减速器：减速比1：9。蜗轮减速器：减速比 1：10；三角带传动：带轮基准直径： D1=90mm、D2=100mm；带轮基准直径： D1=50mm、D2=132mm 。链传动：

6、链轮 Z1=13 、Z2=25。 5.3 机械系统原理方案创新设计方法5.3.1功能分析法原理方案创新设计方法有很多，这里只简介“功能分析法”。功能分析法的大致步骤如下。（1）功能分解：将机械系统的总功能逐次分解为若干子功能，直到能够找到实现这一分功能的子系统为止，这个子系统又叫做功能元。机械系统各部分多为实现各种运动变换和预期运动规律的子系统。运动变换取决于子系统的类型，运动规律取决于尺寸。因此，这里的子功能实际上指的是运动。功能元既然是子系统，也就可大可小。功能元的大小取决于功能分解的详尽程度。例如插齿机总功能的一种分解方案是：动力输入功能（可选电动机为功能元）、减速功能（可选齿轮传动为功

7、能元）和插齿功能。再将插齿功能分解为实现范成运动功能（可选齿轮传动为功能元）、切削运动功能（可选连杆机构为功能元）、让刀运动功能（可选凸轮机构为功能元）。（2）构造形态矩阵：实现同一功能的功能元有多种，以表格的形式罗列出来。这个表格就叫做“形态矩阵”。（3）方案数量求解：求出不同组合下的方案总数。（4）选择、评价、优化方案。图5-6 挖掘机的功能树例5-1 应用功能分析法求解挖掘机设计的原理方案。 （1）功能分解挖掘机的总功能：取运物料。总功能的分解如图5-6所示。（2）构造形态矩阵（如表5-1所示）。（3）方案数量总方案数：N 6 5 4 4 3 1440。（4）选择方案选择A1 B5 C3

8、 D4 E1即为履带式挖掘机，选择A5 B5 C2 D4 E2 即为液压轮胎式挖掘机。表5-1挖掘机形态矩阵功能因素技术措施(形态)123456A.动力源电动机汽油机柴油机汽轮机液力马达气动马达B.移位传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动液力耦合器C.移位轨道及车轮轮胎履带气垫D.取物传动拉杆绳传动汽缸液压缸E.取物挖斗 抓斗钳式斗例5-2 精锻机主机构。该例题是在执行机构层面上进行功能分解。总功能：当加压执行构件(冲头)上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。空间约束条件:驱动轴必须水平布置。功能分解为运动形式变换；运动轴线变向；运动位移或速度缩小。形态矩阵如表5-2所示。组合机构方案总数：N 64

9、1296。部分选择方案如表5-3所示。5-2 精锻机主机构形态矩阵连杆机构凸轮机构螺旋、斜面机构齿轮机构摩擦轮机构流体机构运动形式变换 运动轴线变向 运动位移或速度缩小5-3 精锻机主机构方案序号基本功能结构方 案特 点A运动形式变换+运动位移或速度缩小+运动轴线变向刚度好，具有较好的增力功能，能完全满足精锻机各方面的技术要求B运动形式变换+运动轴线变向+运动位移或速度缩小生产效率较低，适合用于一般大型锻压机械设备C运动位移或速度缩小+运动轴线变向+运动形式变换机构的综合刚度较差，但冲头具有较大压力，且可在冲压位置保持短时间停歇，适用于压印机D运动轴线变向+运动形式变换+运动位移或速度缩小冲头

10、压力大，安全可靠，但传动精度差，适用于一般的锻压设备5.3.2设问探求法设问探求法是方案优化的重要技法，针对创造目标从个方面提出一系列有关问题，设计者针对提问进行分析和思考，通过思维的发散和收敛逐一找到问题的理想答案。其中的奥斯本检核表法是通过对现有方案提出下列问题，从宏观角度思考如何改进设计。现有的发明成果有无更多的用途？或稍加改进后有无新的用途？现有的发明成果有无更多的用途？或稍加改进后有无新的用途？有无类似的东西可以借用？可以模仿？能否改变一下？如形状、方法、颜色、声音或味道等。能否增加什么？如扩大试用范围、增加功能、延长寿命、添加部件、提高强度、加倍、加长、加高、加大等。能否减少一点？

11、能否省略一部分？能否微型化？能否浓缩？能否分割？能否再小点、再轻点、再短点、再低点、再薄点？能否取而代之？采用其他工艺、其他元件、其他动力、其他配方、其他材料。能否改变？改变元件或型号、改变顺序或结构、改变配方或方案。能否颠倒？如上下颠倒、正负颠倒、里外颠倒、工艺方法颠倒等。能否组合？如方案组合、目标组合、部件组合、材料。5.4 机械系统创新设计目录利用上述方法设计机械系统，首先应该了解实现各种功能的功能元目录、性能目录、评价目录。这些目录又叫设计目录。设计目录的编制原则是详尽并便于查询。设计目录的编制形式有很多，其中之一就是表格形式。如表5-4 5-6所示。5-4机构功能元目录机构类型功能连

12、杆机构凸轮机构齿轮机构、轮系其他常用机构匀速运动平行四边形机构、双转块机构圆柱齿轮机构、周转轮系、谐波传动、摆线针轮传动带、链、挠性件传动、摩擦轮机构非匀速运动双曲柄机构、转动导杆机构、转块机构非圆齿轮机构往复移动曲柄滑块机构、移动导杆机构、楔块机构移动从动件凸轮机构齿轮齿条机构螺旋机构、气、液动机构往复摆动曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构摆动从动件凸轮机构齿轮齿条机构气、液动机构间歇运动可以实现容易实现不完全齿轮机构棘轮机构、槽轮机构轨迹运动连杆上的点行星轮上的点差动两自由度连杆机构差动轮系差动螺旋机构、差动棘轮机构增力肘杆机构、杠杆机构减速传动过载保护过载保护换向增惰轮、滑移齿轮5

13、-5常用机械传动性能目录传动类型单级传动比i功率P/kw效率 速度 /m.s-1寿命常用最大常用最大一般最大摩擦轮传动 715 202000.85 0.92 25取决于接触强度和耐磨性带传动平带 35 2035000.94 0.98 30120一般V带3000 5000h，优质V带20000hV带 815 4040000.9 0.94 3040同步带 1020 104000.96 0.98 50100链传动 815 10040000.96 0.99 2040链条寿命5000 15000h齿轮传动圆柱齿轮 51050000闭式0.96 0.99开式0.90 0.937级精度直齿 20斜齿 25润

14、滑良好时，寿命可达数十年，经常换挡的变速齿轮平均寿命为10000 20000h锥齿轮 381000闭式0.94 0.98开式0.92 0.95 8蜗杆传动 4080 50800闭式0.7 0.92开式0.5 0.7自锁0.3 0.45 s 1535精度高、润滑良好时寿命较长。螺旋传动小功率传动滑动0.3 0.6滚动 0.9低速滚动螺旋寿命较长5-6四种常用机构性能初步评价目录性能指标具体评价指标评价连杆机构凸轮机构齿轮机构组合机构功能 运动规律形式只能实现有限个精确位置基本上任意一般定速比转动或移动基本上可以任意传动精度较高较高高较高工作能力 应用范围较广较广广较广 可调性较好较差较差较好运动

15、速度高较高很高较高承载能力较大较小大较大耐磨性耐磨差较好较好可靠性可靠可靠可靠可靠动力能力加速度峰值较大 较小小较小噪声较小较大小较小效率较低较高高较高平稳性较差较差好较好经济性制造难易容易困难较难较难制造误差敏感不敏感敏感敏感敏感调整方便性方便较麻烦较方便较方便能耗大小一般一般一般一般结构紧凑尺寸较大较小较小较小质量较轻较重较重较重结构复杂性简单复杂一般复杂5.5 实验任务1.任务一 牛头刨床动力、传动和主执行系统设计。设计参数：刨刀行程250mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60 rpm。机器特点：主执行机构是行程扩大机构。牛头刨床动力

16、、传动和主执行系统初步设计方案如图5-7所示。图5-7牛头刨床初步方案2.任务二 精压机动力、传动和主执行系统设计。设计参数：冲头行程100mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60 rpm。机器特点：冲头位移近似为图5-9所示曲线。精压机动力、传动和主执行系统初步设计方案如图5-8所示。 图5-8精压机初步方案图 5-9冲头位移要求3.任务三 模切机动力、传动和主执行系统设计。半自动平压模切机是印制、包装行业压制纸盒、纸箱等纸制品的专用设备。该机可对各种规格的白纸板，厚度4mm以下的瓦楞纸板，以及各种高级精细的印制品进行压痕、切线、压凹凸。经

17、过压痕、切线的纸板，用手工或机械方法沿切线处去掉边料后，沿压出的压痕可折叠成各种形状的纸盒，纸箱或制成凹凸的商标。设计参数：冲头行程50mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60 rpm。机器特点：冲头受力如图5-11所示，压力很大，主执行机构为力放大机构。图5-10所示为模切机初步设计方案。 图5-10模切机初步方案图 5-11模切机受力图4.任务四 干草压缩机动力、传动和主执行系统设计设计参数：冲头行程300mm；直流电机功率为600W，工作转速为540rpm，最大允许加载力矩25Nm；主轴转速60 rpm。机器特点：主执行机构为力放大机构

18、。图5-12干草压缩机方案图5-12所示为干草压缩机动力、传动和主执行系统初步设计方案。5.6实验要求1.每组5-6人，共同讨论完成设计、测试任务；2.功能分解为动力输入、减速传动和运动变换3个子功能；3.减速传动至少列出3种功能元、运动变换3子功能至少列出3种功能元；4.至少组合出3种不同方案；5.至少完成1个方案的尺寸设计并组装、测试；6.必须得到运动线图的测试结果及主轴波动测试结果。5.7 思考题1叙述“功能分析法”的大致步骤。2奥斯本检核表法共提出了多少类问题？该技法用于设计的哪一阶段？3连杆机构有哪些功能？4凸轮机构有哪些功能？5齿轮、轮系有哪些功能？6各种传动的最大速度有多大？7各种传动的最大功率有多大？8组装方案与实际机器有哪些区别？9哪些因素会影响测试结果？10机器为什么会产生速度波动？