机械设计模块

有了工程图学和工程力学的基础以后,就可以介绍机械设计的知识了。机械设计模块的基本理论和基本技术,既能指导我们进行概念设计,更是我们进行详细设计的依据。在广义执行子系统的设计中,机械设计模块不仅指导我们设计原理图,还指导我们出施工图。

由第3章图3-3可知,广义执行子系统方案设计有六步,即功能原理方案设计、运动规律设计、机构型式设计、执行系统协调设计、机构尺度及选材设计和驱动装置选择。这六步就是由机械设计模块解决的。可以说本模块是各种机械设计的理论基础与技术基础。

这六个步骤所包含的内容有:选什么样的驱动装置,配什么样的机构,来完成功能方案设计;方案确定以后,将驱动装置与机构都具体化。因此根据常用的驱动装置应当开设“电力拖动与控制”“流体传动与控制”两门课。因为“电力拖动与控制”属电类课,将它归到“电工电路”模块中。关于机构的设计问题一般分为两门课:一门为“机械原理”及其实践课“机械原理课程设计”;另一门为“机械设计”及其实践课“机械设计课程设计”。两门实践课以后再介绍,下面分别介绍“机械原理”“机械设计”与“流体传动与控制”三门课的核心内容。

1.“机械原理”

“机械原理”是机械电子工程专业中研究机械原理性问题的一门主干专业技术基础课,它的任务是确定功能原理方案的机构与驱动装置,上述六个设计步骤中,除了机构尺度及选材设计外,其他五步基本都由本门课解决,因此本门课介绍了学生应当掌握的机构学和机械运动学、动力学的基本概念、基本原理和基本技能。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

构件、运动副、运动链、机构、自由度、机构组成、机构运动简图,连杆、凸轮、齿轮三大机构及其他常用机构,机械速度波动、飞轮、机械的平衡。

(2)基本原理

机构组成原理、三心定理、反转法、罗伯特定理、齿廓啮合基本定律;运动分析与动力分析基本原理与理论力学相同(先修课为理论力学)。

(3)基本方法

解析法、图解法、软件专家系统、实验法。

(4)物理模型

与理论力学相同(先修课为理论力学)。

①典型机构模型:连杆机构(平面、空间)、凸轮机构(盘式、圆柱式)、齿轮机构(齿轮、不完全齿轮、非圆齿轮、尺条、蜗杆)、棘轮机构、槽轮机构、螺旋机构(丝杠、滚珠丝杠)、万向节(单万向节、双万向节)。

②典型运动副模型:空间点高副、空间线高副、球面副、平面副、球销副、圆柱副、平面高副、转动(回转)副、移动副(棱柱副)、螺旋副。

③物体(构件)模型、力模型、运动形式模型、参考系模型都与理论力学相同;约束与约束反力模型由运动副模型确定。

(5)基本运算

与理论力学相同。

(6)基本技能

①根据功能模块的功能需求确定执行机构、传动机构的形式(由典型机构模型中去选或自己独创)和驱动装置的类型。

②依理论力学中的运动学原理对所确定的机构进行运动分析:其一,由运动轨迹求运动方程式,再由运动方程式求速度与加速度,以控制机构的运动速度和加速度,避免惯性冲击力太大;其二,对相关的机构(或构件)关键点的运动轨迹进行检查,避免机构间的空间干扰。

③依理论力学中的动力学原理对所确定的机构进行动力分析,解决三个问题:其一,由动力分析确定整个机构(广义执行子系统)的最不利工况(受力最大、耗能最多的工作状况),以备选取驱动装置和对机构进行工作能力校核;其二,按照最不利工况根据能量守恒定律,由负荷(工作对象)所需功率和执行机构、传动机构所消耗的功率之总和求出驱动装置所需的输出功率;其三,根据力作用原理和能量定理由上面求出的负载和驱动装置的功率(速度)逐件地求出执行机构和传动机构中每一个构件的受力情况,以备校核构件工作能力时用。

④能绘制机构运动简图,完成机构的原理设计。

⑤掌握常用机构的设计计算方法:

a.掌握一般平面机构的组成、自由度计算。

b.重点了解和掌握平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等最常用机构的分析与综合方法。

·掌握速度瞬心概念及其求法、瞬心在平面机构速度分析中的应用、用图解法和解析法进行机构的速度和加速度分析。

·掌握运动副中摩擦的计算、考虑摩擦时机构的受力分析、机械的效率、机械的静力分析、动力分析、机械的自锁的计算。

·对连杆机构,了解平面四杆机构类型、应用及其传动特点,掌握给定连杆三位置和连架杆三对应位置设计平面四杆机构的方法。

·对于凸轮机构,了解凸轮机构的应用和分类、推杆的运动规律及其特点,能够进行凸轮轮廓曲线的设计,确定凸轮机构的基本尺寸。

·对于齿轮机构,掌握渐开线的形成及其特性、渐开线齿廓的啮合特点及计算、标准齿轮参数及啮合的计算。了解齿轮加工方法,根切、变位。了解斜齿轮端面、法面参数意义及其计算。了解蜗杆传动、锥齿轮传动及其计算。对于轮系,掌握定轴轮系、周转轮系、复合轮系的传动比计算。了解行星轮系的效率特点及设计的基本知识。

·对其他常用机构有所了解,例如棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、非圆齿轮机构、螺旋机构、万向节、组合机构等机构的特点及应用领域。

c.了解机器的速度波动及其调节方法,会计算飞轮矩。

d.掌握转子静平衡、动平衡的方法及其配重的计算,了解四杆机构的常用平衡方法。

⑥初步掌握机械运动参数的测量方法、机械效率的测定方法、齿轮范成法和动平衡测量方法等。

⑦能对已有的机构进行测绘、拆、装。

(7)在机电系统中的应用

①用于概念设计阶段

a.对执行系统进行功能原理设计和运动规律设计,这两者是反复进行的,具体作法如下:先依据产品的功能需求,确定实现其功能的原理及据该原理提出的工艺要求,再据工艺要求和运动学原理将工作对象的运动分解为简单动作(移动或转动)的组合(分解方案和组合方案都不止一个);然后根据不同的驱动原理(电动、液动、气动、微动等)和不同机构的运动特性构思出多个执行系统方案,并画出运动简图,备用。

b.对传动系统进行选型和总体布置设计。如果在驱动装置和执行系统间需要传动系统,则要作传动系统设计,具体作法是:先选择传动机构类型(如摩擦、带、链、齿轮、蜗杆、螺旋等传动),使其与驱动装置和执行系统相匹配,同时要考虑传动系统的总体布置(串联、并联、混联),设计完了给出运动简图备用。传动系统的方案也不止一个。

②用于详细设计阶段

a.求出驱动装置的输出功率和输出力(矩)。

b.求出各构件的受力状况,以备进行工作能力校核。

2.“机械设计”

“机械设计”是机械电子工程专业中研究机械设计性问题的一门主干专业技术基础课,它讲的是机械设计的通用知识,它的任务是:机械的方案设计(具体到本专业就是执行系统和传动系统的设计),机械零部件的结构设计和机械零部件的工作能力设计。通过上述工作,将机械原理性设计的机构具体化,变为设计图纸上的东西,以备加工。因此本门课介绍了学生应当掌握的机械设计的基本概念、基本原理(或准则)、基本方法、基本技能。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

机械零件(在机械原理中叫构件)、零件结构、零件强度(屈服强度、断裂强度、疲劳强度、体积强度、表面强度、静强度)、刚度、柔度、摩擦、磨损、润滑、寿命、可靠性、安全性、经济性、热平衡、冲击(振动)、稳定性、等强度、强度条件、许用应力、安全系数、刚度条件、零件工艺性、预应力、零件失效。

(2)基本原理

①机械零件工作能力设计的基本准则(强度准则、刚度准则、稳定性准则(控振性)、耐热性准则、可靠性准则、工艺性准则)。

②机械零件结构设计的基本原则(任务分配原则、自助原则、力与变形原则、可制造原则)。

③机构零件设计选材原则(性能选材法、成本选材法)

④摩擦学设计(磨损及其控制,润滑及润滑设计)

⑤模块化、标准化原则(部件模块化,常用件标准化、系列化)。

⑥进行工作能力设计所用力学原理与“理论力学”和“弹性力学与有限元解法”相同。

(3)基本方法

与“理论力学”和“弹性力学与有限元解法”相同。

(4)物理模型

与“理论力学”“弹性力学与有限元解法”“机械原理”相同。

(5)基本技能

①掌握机械零件工作能力设计的一般准则(按照六项基本准则去做)。

②掌握机械零件结构设计的一般原则(按照四项基本原则去做)

③掌握机械零件选材方法(按照两种方法去做)。

④掌握机械的润滑设计原则(按照两个原则去做)。

⑤掌握典型机械零件的工作能力设计方法(学会建立零件的物理数学模型和计算方法)。

a.连接设计:螺纹连接、键和花键连接、过盈连接。

b.传动设计:螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。

c.支承设计:轴、滚动轴承、滑动轴承(包括润滑设计)、框架或箱体设计。

d.联轴器、离合器、制动器的选用或设计。

e.弹簧的设计。

⑥掌握某些典型机械零件的结构设计方法(尺寸变换、形状变换、数量变换、位置变换、顺序变换)。

a.连杆类零件结构设计。

b.轴类和轮类零件的结构设计。

c.机架、箱体和导轨的结构设计。

⑦会机械方案的设计(功能原理方案设计、运动规律设计、机构型式设计、执行系统协调设计、机构尺寸与选材设计、驱动装置选择)。

a.机械执行系统方案设计。

b.机械传动系统方案设计。

c.广义执行子系统总体方案设计(六个步骤)。

⑧具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力,最后将上述设计方案变成施工图。(机械零件图和装配图)

(6)在机电系统中的应用

①概念设计阶段

先将机械原理中所设计的执行系统与传动系统的许多方案按不同的驱动原理加以组合,构成若干个总体方案,然后对所有的总体方案进行分析评价选最优者,作为最终方案,并给出运动简图(原理图)。

②详细设计阶段

这个阶段是将上述最终方案加以具体化,通过一系列的分析计算,给出施工图。

a.整体造型设计。

在实现原理图的基础上,由工业设计知识和人机工程知识给产品设计几个造型,并给出形状、尺寸、外装材料和颜色;然后与用户一起确定一个作为最终方案。在造型设计时应考虑产品中驱动装置、传动系统、执行系统、控制系统和其他辅助系统之间的协调布置。

b.执行系统设计:

(a)结构设计。给出执行系统中各构件的几何形状、尺寸和材料。

(b)协调设计。解决以下问题:一是满足工艺过程动作先后顺序要求;二是满足系统循环工作的要求,确定工作循环周期并画出运动循环图;三是满足系统中各执行机构位置上的要求,保证不互相干扰;四是满足生产率要求;五是系统中能量分配要合理。

c.传动系统设计:

(a)结构设计。给出传动系统中各构件的几何形状、尺寸和材料(或选用现有的合适的传动机构)。

(b)运动和动力匹配设计。根据执行系统的负载特性和工作状况选择(设计)合适的传动系统,使驱动装置(机械特性)、传动系统、执行系统(负载动力特性)三者在动力上相匹配,以使产品能有良好的工作状态。

(c)传动比设计。根据执行系统的运动要求和驱动装置的运动特性,给传动系统设计合适的传动比。

d.找出广义执行子系统中运动传递路线和力传递路线:

(a)由驱动装置经传动系统到执行系统找出力传递路线,并计算出每一个构件所受的力,以便对构件进行工作能力校核。

(b)由驱动装置经传动系统到执行系统找出运动传递路线,分析每个构件的运动状态(位移、速度、加速度),一方面为布置传感器做准备,另一方面为建立传递函数做准备。

e.工作能力校核。

由每个构件所受的力和运动状态,对它们进行工作能力校核(利用弹性力学原理和本门课所讲的强度、刚度条件)。

f.建立广义执行子系统的传递函数。

根据运动传递路线、力传递路线和弹性力学原理为被控对象广义执行子系统(包括驱动装置、传动系统和执行系统)建立传递函数,以备建立产品(机电一体化系统)的自动控制系统的传递函数时用。

g.绘制产品(系统)的总装图、部件图、零件图并编写设计说明书,交付生产。

3.“流体传动与控制”

“流体传动与控制”是机械电子工程专业中介绍流体传动技术的一门专业技术基础课。它的任务是:为执行机构设计一套流体传动系统,其中包括流体传动(流动)线路的设计,动作控制线路的设计和构成系统的元件(气动元件或液压元件)的选择。本门课对机械电子工程专业来说虽然着眼于介绍流体传动技术,但为了使学生具有设计传动系统的能力,还应当介绍有关流体力学的基本原理。本门课在内容安排方面应遵循以下原则:以流体力学为基础,以传动为主线,以设计系统为目的,以气压和液压回路为基本框架,以实验教学为手段,使学生掌握系统设计的技能和正确选择气动、液压元件构成传动系统回路的技能。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

流体、液压、气动、流体传动(气压传动,液压传动)、液压系统、气动系统、液压元件、气动元件、液压传动回路、气动回路。

(2)基本原理

液体静力学:静压力基本方程、帕斯卡定律。

液体动力学:流量连续性方程(质量守恒)、伯努利方程(能量守恒)、动量方程。

气体静力学:理想气体状态方程。

空气动力学:气体流动的基本方程(连续性方程、动量方程、伯努利方程(解法))。

(3)基本方法

解析法、实测法。

(4)物理模型

①物体模型:

a.液压油。密度均匀一定,不可压缩(不能有空气)、有黏度、稳定流动。

b.空气。密度均匀,可压缩(低速运动时可认为不可压缩),一般不考虑黏度(不能有湿气),稳定流动。

②力模型:只有压力(分布压强)。

③约束及其反力:流体都以水头损失的形式考虑阻力影响,它们的反作用力都垂直于容器壁。

④材料性质模型:低速时液、气都视为不可压缩,故无弹性。

⑤参考系:直角坐标。

(5)基本运算

代数、微积分。

(6)基本技能

①掌握液压与气动元件的工作原理、结构特点及正确选择的方法。

a.气压与液压传动的动力元件(空气压缩机、液压泵)。

b.气压与液压传动的执行元件(气马达、气缸、液马达、液压缸)。

c.气压与液压传动的控制调节元件(控制阀、方向阀、压力控制阀、流量控制阀)。

d.辅件(蓄能器、过滤器、油箱、热交换器、压力表、气液转换器、消声器、管件、管接头、密封件)。

②掌握液压与气动系统基本回路的性能,并能根据系统要求正确选用。

a.方向控制回路(液:换向、锁紧、制动;气:气缸换向、马达换向)。

b.压力控制回路(液:调压、卸载、减压、增压、平衡、保压、泄压;气:压力、力)。

c.速度控制回路(液:调速,快速、速度换接;气:气阀调速、气液连动速度控制)。

d.液压多执行元件控制回路(顺序动作、同步、互不干扰、多路换向阀控制)。

e.气动其他回路(逻辑、安全保护、多位缸位置控制、同步动作、冲击气缸、真空吸附)。

③能正确分析和设计液压与气动系统为广义执行子系统服务。

a.典型液压系统分析。

b.液压系统设计计算。

c.典型气动系统分析。

d.气动系统设计计算。

(7)在机电系统中的应用

①在概念设计阶段:供功能原理选择之用(液动或气动)。

②在详细设计阶段:根据执行机构动作要求选择马达或缸;根据控制要求选择阀,并设计流路;同时要选配辅助设备或元件。另外还要为该液压系统建立传递函数。