实验5 机械系统原理方案创新设计实验指导书.docx
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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5-1JPYS-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2～200HZ；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：
DC24V；量程：
0-360°；输出信号：
4-20mA。
2）直线位移传感器：
工作电源：
DC24V；量程：
0-200mm；输出信号：
4-20mA。
3）测力传感器：
工作电源：
DC24V；量程：
0-20kg；输出信号：
4-20mA。
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：
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：
N654431440。
（4）选择方案
选择A1B5C3D4E1即为履带式挖掘机，选择A5B5C2D4E2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）
1
2
3
4
5
6
A.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⑴运动形式变换；⑵运动轴线变向；⑶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：
N641296。
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。
⑴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？
⑴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？
⑵有无类似的东西可以借用？
可以模仿？
⑶能否改变一下？
如形状、方法、颜色、声音或味道等。
⑷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。
⑸能否减少一点？
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？
⑹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。
⑺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。
⑻能否颠倒？
如上下颠倒、正负颠倒、里外颠倒、工艺方法颠倒等。
⑼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5-45-6所示。
5-4机构功能元目录
机构类型
功能
连杆机构
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
5-5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
7
15
20
200
0.850.92
25
取决于接触强度和耐磨性
带传动
平带
3
5
20
3500
0.940.98
30
120
一般V带30005000h，
优质V带20000h
V带
8
15
40
4000
0.90.94
30
40
同步带
10
20
10
400
0.960.98
50
100
链传动
8
15
100
4000
0.960.99
20
40
链条寿命500015000h
齿轮传动
圆柱齿轮
5
10
50000
闭式0.960.99
开式0.900.93
7级精度直齿20斜齿25
润滑良好时，寿命可达数十年，经常换挡的变速齿轮平均寿命为1000020000h
锥齿轮
3
8
1000
闭式0.940.98
开式0.920.95
8
蜗杆传动
40
80
50
800
闭式0.70.92
开式0.50.7
自锁0.30.45
s15
35
精度高、润滑良好时寿命较长。
螺旋传动
小功率传动
滑动0.30.6
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60rpm。
机器特点：
主执行机构是行程扩大机构。
牛头刨床动力、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60rpm。
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60rpm。
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60rpm。
机器特点：
主执行机构为力放大机构。
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？
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