实验14 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。

14.1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。

14.2 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14-1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14-1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14-1  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14-2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14-2  安装平台

（3）驱动源的组成（图14-3）

         

图14-3  驱动源的组成         图14-4  负载的组成

（4）负载的组成（图14-4）

（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14-5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 2～200 HZ；功率：0.75KW；图14-5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：4-20 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： 链轮 Z1=13 、Z2=25。

14.3 机械系统原理方案创新设计方法

14.3.1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。

例14-1  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14-6所示。

（2）构造形态矩阵（如表14-1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 + 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14-1挖掘机形态矩阵

例14-2 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14-2所示。组合机构方案总数：N=6⁴=1296。部分选择方案如表14-3所示。

14-2 精锻机主机构形态矩阵

14-3 精锻机主机构方案

14.3.2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。

14.4 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14-4~14-6所示。

14-4机构功能元目录

14-5常用机械传动性能目录

14-6四种常用机构性能初步评价目录

14.5 实验任务

1.任务一 ¾¾ 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、传动和主执行系统初步设计方案如图14-7所示。

图14-7牛头刨床初步方案

2.任务二¾¾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14-9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14-8所示。

  

图14-8精压机初步方案图                              14-9冲头位移要求

3.任务三¾¾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60 rpm。机器特点：冲头受力如图14-11所示，压力很大，主执行机构为力放大机构。

图14-10所示为模切机初步设计方案。

   

图14-10模切机初步方案图                  14-11模切机受力图

4.任务四¾¾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。

图14-12干草压缩机方案

图14-12所示为干草压缩机动力、传动和主执行系统初步设计方案。

14.6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。

14.7  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？

第二篇：重庆大学机械基础实验报告

实验8 实验报告

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