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了解产品设计过程和机械总体方案设计内容；了解产品设计过程和机械总体方案设计内容；了解机械执行系统方案设计过程和内容了解机械执行系统方案设计过程和内容了解惯用原动机类型和特点及其选取标准；了解惯用原动机类型和特点及其选取标准；了解确定简单机械传动系统方案过程。了解确定简单机械传动系统方案过程。本章教学目标本章教学目标第十二章第十二章 机械总体方案设计机械总体方案设计第1页12-1 机械总体方案设计概述机械总体方案设计概述12-2 机械执行系统方案设计机械执行系统方案设计12-3 原动机选择原动机选择12-4 机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计本章教学内容本章教学内容第十二章第十二章 机械总体方案设计机械总体方案设计第2页一、机械产品设计过程一、机械产品设计过程早期规划设计阶段早期规划设计阶段总体方案设计阶段总体方案设计阶段结构技术设计阶段结构技术设计阶段生产施工设计阶段生产施工设计阶段机械产品设计机械产品设计是一个经过分析、综合与创新取得满足一是一个经过分析、综合与创新取得满足一些特定要求和功效机械系统过程。些特定要求和功效机械系统过程。12-1 12-1 机械总体方案设计概述机械总体方案设计概述机械新产品开发设计过程普通能够分为四个阶段：机械新产品开发设计过程普通能够分为四个阶段：第3页1.早期规划设计阶段早期规划设计阶段选题选题调研和预测调研和预测可行性论证可行性论证确定设计任务确定设计任务阶段结果：阶段结果：调研汇报调研汇报设计任务书设计任务书产品开发可行性论证汇报产品开发可行性论证汇报2.总体方案设计阶段总体方案设计阶段目标分析目标分析创新构思创新构思方案确定方案确定方案评价方案评价方案决议方案决议总体方案示意图总体方案示意图机械系统运动简图机械系统运动简图方案设计计算说明书方案设计计算说明书阶段结果：阶段结果：一、机械产品设计过程（续）一、机械产品设计过程（续）第4页3.结构技术设计阶段结构技术设计阶段结构方案确定结构方案确定造型设计造型设计结构设计结构设计材料选择与尺寸设计材料选择与尺寸设计设计图绘制设计图绘制 阶段结果阶段结果全套设计图纸全套设计图纸设计计算说明书设计计算说明书4.生产施工设计阶段生产施工设计阶段工艺设计工艺设计工装设计工装设计施工设计施工设计 阶段结果阶段结果工艺流程卡片、工装设计图工艺流程卡片、工装设计图基础安装图、技术文件基础安装图、技术文件使用说明书、备件明细表使用说明书、备件明细表一、机械产品设计过程（续）一、机械产品设计过程（续）第5页二、机械总体方案设计目标二、机械总体方案设计目标 总体方案设计阶段工作是实现机械产品早期规划总体方案设计阶段工作是实现机械产品早期规划阶段所提出设计目标关键。阶段所提出设计目标关键。产品设计好坏，包含产品功效是否齐全、性能是产品设计好坏，包含产品功效是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段工作，取决于方案构思和方案确定时体方案设计阶段工作，取决于方案构思和方案确定时设计思想。设计思想。机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统和机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。控制系统所组成。三、机械系统组成三、机械系统组成第6页四、机械总体方案设计内容四、机械总体方案设计内容 执行系统方案设计。主要包含执行系统功效原理执行系统方案设计。主要包含执行系统功效原理设计、运动规律设计、执行机构型式设计、执行系统设计、运动规律设计、执行机构型式设计、执行系统协调设计和执行系统方案评价与决议。协调设计和执行系统方案评价与决议。原动机类型选择和传动系统方案设计。其中传动原动机类型选择和传动系统方案设计。其中传动系统方案设计主要包含传动类型和传动路线选择，传系统方案设计主要包含传动类型和传动路线选择，传动链中机构次序安排和各级传动比分配。动链中机构次序安排和各级传动比分配。控制系统方案设计控制系统方案设计.其它辅助系统设计。主要包含润滑系统、冷却系其它辅助系统设计。主要包含润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等设计。统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等设计。第7页一、执行系统方案设计过程一、执行系统方案设计过程 12-2 机械执行系统方案设计机械执行系统方案设计 功效原理设计：就是依据机械预期实现功效，考虑选择功效原理设计：就是依据机械预期实现功效，考虑选择何种工作原理来实现这一功效要求。何种工作原理来实现这一功效要求。运动规律设计：是指为实现上述工作原理而决定选择何运动规律设计：是指为实现上述工作原理而决定选择何种运动规律。种运动规律。执行机构型式设计：是指终究选择何种机构来实现上述执行机构型式设计：是指终究选择何种机构来实现上述运动规律。运动规律。框图表示框图表示二、执行系统方案设计内容二、执行系统方案设计内容 执行机构协调设计：就是依据工艺过程对各动作要求，执行机构协调设计：就是依据工艺过程对各动作要求，分析各执行机构应该怎样协调和配合，设计出协调配合图。分析各执行机构应该怎样协调和配合，设计出协调配合图。第8页 机构尺度设计：是指对所选择各个执行机构进行运动和机构尺度设计：是指对所选择各个执行机构进行运动和动力设计，确定各执行机构运动尺寸，绘制出各执行机构运动力设计，确定各执行机构运动尺寸，绘制出各执行机构运动简图。动简图。运动和动力分析：即对整个执行系统进行运动分析和动运动和动力分析：即对整个执行系统进行运动分析和动力分析，以检验其是否满足运动要求和动力性能方面要求。力分析，以检验其是否满足运动要求和动力性能方面要求。方案评价与决议：方案评价包含定性评价和定量评价。方案评价与决议：方案评价包含定性评价和定量评价。前者是指对结构繁简、尺寸大小、加工难易等进行评价，前者是指对结构繁简、尺寸大小、加工难易等进行评价，后者是指将运动和动力分析后所得执行系统详细性能与使后者是指将运动和动力分析后所得执行系统详细性能与使用要求所要求预期性能进行比较，从而对设计方案作出评用要求所要求预期性能进行比较，从而对设计方案作出评价。价。二、执行系统方案设计内容（续）二、执行系统方案设计内容（续）第9页实现同一个功效要求，能够采取不一样工作原理；实现同一个功效要求，能够采取不一样工作原理；实现同一个工作原理，能够选择不一样运动规律；实现同一个工作原理，能够选择不一样运动规律；实现同一个运动规律，能够选择不一样型式机构。实现同一个运动规律，能够选择不一样型式机构。二、执行系统方案设计内容（续）二、执行系统方案设计内容（续）取得各种不一样方案取得各种不一样方案给定某种预期功效要求给定某种预期功效要求机械执行系统方案设计机械执行系统方案设计所要研究问题，就是怎样合理地所要研究问题，就是怎样合理地利用设计者地专业知识和分析能力，创造性地构思出各利用设计者地专业知识和分析能力，创造性地构思出各种可能地方案并从中选出最正确方案。种可能地方案并从中选出最正确方案。第10页机械预期实现功效机械预期实现功效功效功效原理原理摩摩擦擦传传动动原原理理流流体体传传动动原原理理电电磁磁传传动动原原理理机机械械推推拉拉原原理理材材料料变变形形原原理理光光电电原原理理其其它它原原理理运动运动规律规律二、执行系统方案设计内容（续）二、执行系统方案设计内容（续）机械执行系统方案设计流程图机械执行系统方案设计流程图第11页工工艺艺动动作作分分解解方方法法1工工艺艺动动作作分分解解方方法法2工工艺艺动动作作分分解解方方法法3机构机构型式型式工工艺艺动动作作分分解解方方法法n连连杆杆机机构构凸凸轮轮机机构构其其它它机机构构机机构构组组合合结结构构变变异异第12页一、原动机类型和特点一、原动机类型和特点 12-3 12-3 原动机选择原动机选择 电动机类型很多，不一样类型电动机含有不一样结电动机类型很多，不一样类型电动机含有不一样结构型式和特征，可满足不一样工作环境和机械不一样负构型式和特征，可满足不一样工作环境和机械不一样负载特征要求。载特征要求。主要优点为：主要优点为：驱动效率高、有良好调速性能、可远距离驱动效率高、有良好调速性能、可远距离控制，开启、制动、反向调速都易控制，与传动系统或控制，开启、制动、反向调速都易控制，与传动系统或工作机械联接方便，作为普通传动，电动机功率范围很工作机械联接方便，作为普通传动，电动机功率范围很广。广。主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。主要缺点为必须有电源，不适于野外使用。依据使用依据使用电源不一样，又分为电源不一样，又分为交流电动机交流电动机和和直流电动机直流电动机两大类。两大类。1.动力电动机动力电动机第13页 伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度一伺服电动机是指能精密控制系统位置和角度一类电动机。类电动机。特点：特点：它它体积小、重量轻；含有宽广而平滑调速范围体积小、重量轻；含有宽广而平滑调速范围和快速响应能力和快速响应能力，其理想机械特征和调整特征均为，其理想机械特征和调整特征均为直线。直线。应用；应用；伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航伺服电机广泛应用于工业控制、军事、航空航天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系天等领域，如数控机床、工业机器人、火炮随动系统中。统中。2.控制电动机（伺服电动机）控制电动机（伺服电动机）一、原动机类型和特点（续）一、原动机类型和特点（续）第14页（1）分类）分类按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机按燃料种类分：柴油机、汽油机和煤油机按工作循环中冲程数分按工作循环中冲程数分:四冲程和二冲程内燃机四冲程和二冲程内燃机按汽缸数目分按汽缸数目分:单缸和多缸内燃机单缸和多缸内燃机按主要机构运动形式分按主要机构运动形式分:往复活塞式和旋转活塞式往复活塞式和旋转活塞式（2）特点及应用）特点及应用 优点是优点是功率范围宽、操作简便、开启快速；适合用功率范围宽、操作简便、开启快速；适合用于工作环境无电源场所于工作环境无电源场所，多用于工程机械、农业机械、，多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。船舶、车辆等。缺点为对燃油要求高，排气污染环境、噪音大、结缺点为对燃油要求高，排气污染环境、噪音大、结构复杂。构复杂。3.内燃机内燃机一、原动机类型和特点（续）一、原动机类型和特点（续）第15页 液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能动液压马达又称为油马达，它是把液压能转变为机械能动力装置。其主要优点是力装置。其主要优点是可取得很大动力或转矩，可经过改变可取得很大动力或转矩，可经过改变油量来调整执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，油量来调整执行机构速度，易进行无级调速，能快速响应，操作控制简单，易实现复杂工艺过程动作要求操作控制简单，易实现复杂工艺过程动作要求。缺点是要求。缺点是要求有高压油供给系统，液压系统制造装配要求高，不然易影响有高压油供给系统，液压系统制造装配要求高，不然易影响效率和运动精度。效率和运动精度。4.液压马达液压马达 气动马达是以压缩空气为动力气动马达是以压缩空气为动力，将气压能转变为机械，将气压能转变为机械能动力装置。惯用有叶片式和活塞式。其主要优点为：能动力装置。惯用有叶片式和活塞式。其主要优点为：工作工作介质为空气，故轻易获取且成本低廉；易远距离输送，排入介质为空气，故轻易获取且成本低廉；易远距离输送，排入大气也无污染；能适应恶劣环境；动作快速、反应快大气也无污染；能适应恶劣环境；动作快速、反应快。缺点。缺点为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适合用于小为：工作稳定性差、噪音大，输出转矩不大，只适合用于小型轻载工作机械。型轻载工作机械。5.气动马达气动马达一、原动机类型和特点（续）一、原动机类型和特点（续）第16页1.选择标准选择标准二、原动机选择二、原动机选择 考虑工作机械负载特征、工作制度、开启和制动考虑工作机械负载特征、工作制度、开启和制动频繁程度。频繁程度。考虑原动机本身机械特征能否与工作机械负载特征考虑原动机本身机械特征能否与工作机械负载特征(包包含功率、转矩、转速等含功率、转矩、转速等)相匹配，能否与工作机械调速范相匹配，能否与工作机械调速范围、工作平稳性等相适应。围、工作平稳性等相适应。考虑机械系统整体结构布置需要。考虑机械系统整体结构布置需要。考虑经济性，包含原动机原始购置费用、运行费用和考虑经济性，包含原动机原始购置费用、运行费用和维修费用等。维修费用等。考虑经济性，包含原动机原始购置费用、运行费用和考虑经济性，包含原动机原始购置费用、运行费用和维修费用等。维修费用等。第17页2.原动机类型选择原动机类型选择 若工作机械要求有较高驱动效率和较高运动精度，应若工作机械要求有较高驱动效率和较高运动精度，应选取电动机。电动机类型和型号较多，并含有各种特征，选取电动机。电动机类型和型号较多，并含有各种特征，可满足不一样类型工作机械要求。可满足不一样类型工作机械要求。在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻在相同功率下，要求外形尺寸尽可能小、重量尽可能轻时，宜选取液压马达。时，宜选取液压马达。要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采取液压马达或气要求易控制、响应快、灵敏度高时，宜采取液压马达或气动马达。动马达。要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，要求在易燃、易爆、多尘、振动大等恶劣环境中工作时，宜采取气动马达。宜采取气动马达。要求对工作环境不造成污染，宜选取电动机或气动马达。要求对工作环境不造成污染，宜选取电动机或气动马达。要求开启快速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选要求开启快速、便于移动或在野外作业场地工作时，宜选取内燃机。取内燃机。要求负载转矩大，转速低工作机械或要求简化传动系统减要求负载转矩大，转速低工作机械或要求简化传动系统减速装置，需要原动机与执行机构直接联接时，宜选取低速液速装置，需要原动机与执行机构直接联接时，宜选取低速液压马达。压马达。第18页3.原动机转速选择原动机转速选择原动机额定转速普通是直接依据工作机械要求而选择。但需原动机额定转速普通是直接依据工作机械要求而选择。但需考虑：考虑：原动机本身综合原因。比如，对于电动机来说，在额定原动机本身综合原因。比如，对于电动机来说，在额定功率相同情况下，额定转速越高电动机尺寸越小，重量和功率相同情况下，额定转速越高电动机尺寸越小，重量和价格也低，即高速电动机反而经济。价格也低，即高速电动机反而经济。传动系统结构。若原动机转速选得过高，势必增加传动传动系统结构。若原动机转速选得过高，势必增加传动系统传动比，从而造成传动系统结构复杂。系统传动比，从而造成传动系统结构复杂。4.原动机容量选择原动机容量选择 原动机容量主要指功率。它是由负载所需原动机容量主要指功率。它是由负载所需功率功率、转矩转矩及及工作制工作制来决定。负载工作情况大致可分为连续恒负载；连来决定。负载工作情况大致可分为连续恒负载；连续周期性改变负载；短时工作制负载和断续周期性工作制续周期性改变负载；短时工作制负载和断续周期性工作制负载等。各种工作制负载情况下所需原动机容量计算方法，负载等。各种工作制负载情况下所需原动机容量计算方法，可查阅相关手册。可查阅相关手册。第19页一、传动系统作用及其设计过程一、传动系统作用及其设计过程 12-4 12-4 机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计 传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机运传动系统位于原动机和执行系统之间，将原动机运动和动力传递给执行系统。除进行功率传递，使执行机动和动力传递给执行系统。除进行功率传递，使执行机构能克服阻力作功外，它还起着以下主要作用：实现增构能克服阻力作功外，它还起着以下主要作用：实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动合成和速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动合成和分解；实现分路传动和较远距离传动；实现一些操纵控分解；实现分路传动和较远距离传动；实现一些操纵控制功效制功效(如开启、离合、制动、换向如开启、离合、制动、换向)等。等。传动系统方案设计传动系统方案设计是机械系统方案设计主要组成部是机械系统方案设计主要组成部分。当完成了执行系统方案设计和原动机预选型后，即分。当完成了执行系统方案设计和原动机预选型后，即可依据执行机构所需要运动和动力条件及原动机类型和可依据执行机构所需要运动和动力条件及原动机类型和性能参数，进行传动系统方案设计了。性能参数，进行传动系统方案设计了。第20页3.确定传动链布置方案。即依据空间位置、运动和动力传递路确定传动链布置方案。即依据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置传动特点和适用条件，合理确定传动路线，线及所选传动装置传动特点和适用条件，合理确定传动路线，安排各传动机构先后次序，以完成从原动机到各执行机构之间安排各传动机构先后次序，以完成从原动机到各执行机构之间传动系统总体布置方案。传动系统总体布置方案。4.分配传动比。即依据传动系统组成方案，将总传动比合理分分配传动比。即依据传动系统组成方案，将总传动比合理分配至各级传动机构。配至各级传动机构。5.确定各级传动机构基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统确定各级传动机构基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统各项运动学和动力学参数，为各级传动机构结构设计、强度计各项运动学和动力学参数，为各级传动机构结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。算和传动系统方案评价提供依据和指标。6.绘制传动系统运动简图。绘制传动系统运动简图。2.选择传动类型。即依据设计任务书中所要求功效要求，执行选择传动类型。即依据设计任务书中所要求功效要求，执行系统对动力、传动比或速度改变要求以及原动机工作特征，选系统对动力、传动比或速度改变要求以及原动机工作特征，选择适当传动装置类型。择适当传动装置类型。1.确定传动系统总传动比。确定传动系统总传动比。传动系统设计过程：传动系统设计过程：第21页二、传动类型选择二、传动类型选择1.传动类型和特点传动类型和特点按传动方式分：按传动方式分：机械传动：利用机构所实现传动称为机械传动。机械传动：利用机构所实现传动称为机械传动。其优点是工作稳定、可靠，对环境干扰不敏感。缺点是其优点是工作稳定、可靠，对环境干扰不敏感。缺点是响应速度较慢、控制欠灵活。响应速度较慢、控制欠灵活。液压、液力传动：利用液压泵、阀、执行器等液压元器液压、液力传动：利用液压泵、阀、执行器等液压元器件实现传动称为液压传动；液力传动则是利用叶轮经过液体件实现传动称为液压传动；液力传动则是利用叶轮经过液体动能改变来传递能量。动能改变来传递能量。液压液力传动主要优点是速度、扭矩和功率均可连续调液压液力传动主要优点是速度、扭矩和功率均可连续调整；调速范围大，能快速换向和变速；传递功率大；结构简整；调速范围大，能快速换向和变速；传递功率大；结构简单，易实现系列化、标准化，使用寿命长；易实现远距离控单，易实现系列化、标准化，使用寿命长；易实现远距离控制、动作快速；能实现过载保护。缺点主要是传动效率低，制、动作快速；能实现过载保护。缺点主要是传动效率低，不如机械传动准确；制造、安装精度要求高；对油液质量和不如机械传动准确；制造、安装精度要求高；对油液质量和密封性要求高。密封性要求高。第22页按传动方式分（续）：按传动方式分（续）：气压传动气压传动。以压缩空气为工作介质传动称为气压传动。以压缩空气为工作介质传动称为气压传动。气压传动优点是易快速实现往复移动、摆动和高速转动，气压传动优点是易快速实现往复移动、摆动和高速转动，调速方便；气压元件结构简单、适合标准化、系列化，易制调速方便；气压元件结构简单、适合标准化、系列化，易制造、易操纵造、易操纵向应速度快、可直接用气压信号实现系统控制，向应速度快、可直接用气压信号实现系统控制，完成复杂动作；管路压力损失小，适于远距离输送；与液压完成复杂动作；管路压力损失小，适于远距离输送；与液压传动相比，经济且不易污染环境，安全、能适应恶劣工作环传动相比，经济且不易污染环境，安全、能适应恶劣工作环境：缺点是传动效率低；因压力不能太高，故不能传递大功境：缺点是传动效率低；因压力不能太高，故不能传递大功率，因空气可压缩性，故载荷改变时，传递运动不太平稳，率，因空气可压缩性，故载荷改变时，传递运动不太平稳，排气噪音大。排气噪音大。电气传动。利用电动机和电气装置实现传动称为电气传电气传动。利用电动机和电气装置实现传动称为电气传动。动。电气传动特点是传动效率高、控制灵活、易于实现自动电气传动特点是传动效率高、控制灵活、易于实现自动化。化。第23页按传动比和输出速度改变情况分：按传动比和输出速度改变情况分：定传动比传动。输入与输出转速对应，适合用于执定传动比传动。输入与输出转速对应，适合用于执行机构工况固定、或其工况与原动机对应改变场所。行机构工况固定、或其工况与原动机对应改变场所。变传动变传动比有比有级变级变速速传动传动。一个一个输输入入转转速可速可对应对应于若于若干个干个输输出出转转速，适合用于原速，适合用于原动动机机工况固定，而工况固定，而执执行机构行机构有若干种工况有若干种工况场场所，或用于所，或用于扩扩大原大原动动机机调调速范速范围围。变传动比无级变速传动。一个输入转速对应于某一范围内无限多个输出转速，适适用于执行机构工况很多或最正确工况不明确情况。变传动变传动比周期性比周期性变变速速传动传动。输输出角速度是出角速度是输输入角速入角速度周期性函数，以度周期性函数，以实现实现函数函数传动传动或改或改进动进动力特征。力特征。第24页2.选择传动类型标准选择传动类型标准执行系统工况和工作要求与原动机机械特征相匹配。执行系统工况和工作要求与原动机机械特征相匹配。考虑工作要求传递功率和运转速度。考虑工作要求传递功率和运转速度。有利于提升传动效率。在满足系统功效要求前提下，优有利于提升传动效率。在满足系统功效要求前提下，优先选取效率高传动类型；在满足传动比、功率等技术指标先选取效率高传动类型；在满足传动比、功率等技术指标条件下，尽可能选取单级传动，以缩短传动链，提升传动条件下，尽可能选取单级传动，以缩短传动链，提升传动效率。效率。尽可能选择结构简单单级传动装置尽可能选择结构简单单级传动装置考虑结构布置考虑结构布置 依据原动机输出轴与执行系统输入轴相依据原动机输出轴与执行系统输入轴相对位置和距离来考虑系统结构布置，并选择传动类型。对位置和距离来考虑系统结构布置，并选择传动类型。考虑经济性考虑经济性 首先考虑选择寿命长传动类型，其次考首先考虑选择寿命长传动类型，其次考虑费用问题。虑费用问题。考虑机械安全运转和环境条件。要依据现场条件，包考虑机械安全运转和环境条件。要依据现场条件，包含场地大小、能源条件、工作环境，来选择传动类型。含场地大小、能源条件、工作环境，来选择传动类型。第25页
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