第12章--機械系統(tǒng)方案設計

1、1第12章機械系統(tǒng)的方案設計2內(nèi)容概要內(nèi)容概要n本章主要介紹機械運動系統(tǒng)設計的概念與方法，從機械運動系統(tǒng)的方案出發(fā)，對執(zhí)行機構、原動機和傳動系統(tǒng)進行了全面分析和實例說明。 n重點是執(zhí)行機構的功能原理設計、運動規(guī)律設計、型式設計和運動協(xié)調(diào)設計等方面的知識。 312.1 機械運動系統(tǒng)方案設計機械運動系統(tǒng)方案設計的內(nèi)容的內(nèi)容n1、執(zhí)行機構的方案設計 :主要包括執(zhí)行機構的功能原理設計、運動規(guī)律設計、執(zhí)行機構的型式設計、機構的創(chuàng)新設計和執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)設計等方面的內(nèi)容。n2、原動機類型的選擇。n3、傳動系統(tǒng)的方案設計：傳動系統(tǒng)方案設計主要包括傳動類型和傳動路線的選擇，傳動鏈中機構的順序安排和傳動比的分配。

2、n4、機械運動系統(tǒng)的方案評價。45拾球機器人612.2 執(zhí)行機構的功能原理設計執(zhí)行機構的功能原理設計n1、確定工作原理的基本方法、確定工作原理的基本方法n從已有的信息中獲取從已有的信息中獲取 n采用邏輯分析方法采用邏輯分析方法 n發(fā)明和創(chuàng)新發(fā)明和創(chuàng)新 n（1）仿生法：利用“仿生學”或“生物力學”原理，從自然系統(tǒng)中引出具有多種用途而技術上新穎的解。n（2）直覺方法：通過個人直覺、聯(lián)想、借鑒、頭腦風暴法等個體和群體的方法，發(fā)明和創(chuàng)造新的工作原理。7n在邏輯分析方法中，應用最為成功的是設計目錄法。 n該方法的基本原理是將為實現(xiàn)某一功能元的所有可能的解用矩陣表形式列出，形成設計目錄，根據(jù)設計任務獲得所

3、需功能原理的解，例如運送物料可以有多種方法，將各種可能方式及各自特點列出，形成物料運送解法目錄（表12-1），根據(jù)具體對象可確定所需要的工作原理。82 工作原理的求解實例（一）n自動板料輸送機的工作原理設計 ：要求設計一臺自動板料輸送機，能夠從儲料倉中自動輸送物料。n根據(jù)邏輯分析法，可以對自動板料輸送提出機械推拉原理、摩擦原理、氣吸原理、磁吸原理等多種方法，根據(jù)取料位置，可以采用上部取料或下部取料。 9機械推拉原理 摩擦傳動原理 摩擦傳動原理 氣吸原理 氣吸原理 10工作原理的求解實例（二）n螺紋加工的工作原理 傳統(tǒng)的車床加工按照復合運動原理設計的搓絲機 11工作原理的求解實例（三）n糖果包裝

4、機的工作原理設計 扭結式包裝 折疊式包裝 接縫式包裝 1212.3 執(zhí)行機構的運動規(guī)律設計執(zhí)行機構的運動規(guī)律設計n實現(xiàn)同一工作原理，可以采用不同的運動規(guī)律。n運動規(guī)律設計的目的，是根據(jù)功能原理所提出的工藝要求，構思出能夠?qū)崿F(xiàn)該工藝要求的各種運動規(guī)律，這一工作通常是通過對工作原理所提出的工藝動作進行分解來進行的。n工藝動作分解的方法不同，所得到的運動規(guī)律各不相同，通過比較分析。從中選擇簡單適用的運動規(guī)律，作為機械的運動方案。131 工藝動作分解的基本原則 n工藝動作的集中與分散原則工藝動作的集中與分散原則 n平衡工藝節(jié)拍原則：平衡工藝節(jié)拍原則：指各工藝的動作時間基本相等的原則。 n多件平行加工原

5、則：多件平行加工原則：指在同一工位上同時加工幾個工件，也就是同時采用相同的幾套執(zhí)行機構來加工多個工件。 n減少機械工作行程和空行程時間：減少機械工作行程和空行程時間：在不妨礙各執(zhí)行構件正常動作和相互協(xié)調(diào)配合的前提下，盡量使各執(zhí)行機構工作行程的時間相互重疊、工作行程時間與空行程時間相互重疊、空行程時間與空行程時間相互重疊，從而縮短工件加工循環(huán)的時間以提高機器的生產(chǎn)率。 14工藝動作的集中與分散原則 n工藝動作的集中原則是指工件在一個工位上，經(jīng)一次定位裝夾，采用多刀、多面、多個執(zhí)行構件運動同時完成幾個執(zhí)行動作，以達到工件的工藝要求。n其優(yōu)點是：可以減少中間輔助環(huán)節(jié)，如產(chǎn)品的輸送、定位、裝卸次數(shù)，使

6、執(zhí)行上述動作的機構得以簡化，提高生產(chǎn)效率、保證加工精度及質(zhì)量。n其缺點是：工藝通用性差，機械的結構較復雜，執(zhí)行構件多而集中導致不便調(diào)整。 15自動切書機的工藝動作 16n工藝動作的分散原則是將工件的加工工藝過程分解為若干工藝動作，并分別在各個工位上以不同的執(zhí)行機構進行加工，以達到工件的工藝要求。n由于工藝動作分散，執(zhí)行機構完成每一個工藝動作的機構均較為簡單，也就比較容易實現(xiàn)，從而可使機器的生產(chǎn)率有較大的提高。 17n工藝動作的集中原則和分散原則從表面上看是互相矛盾的，其實是依據(jù)實際情況而定的，兩個原則是為了同一個目的：即提高機器的生產(chǎn)率。只是根據(jù)不同的對象采用不同方式而已。 圖12-5 鏈條裝

7、配工藝過程的分解182 執(zhí)行機構運動方案的設計實例執(zhí)行機構運動方案的設計實例n根據(jù)刀具與工件間相對運動的原理，設計加工內(nèi)孔的機床運動方案第一種分解方法是讓工件做連續(xù)等速轉動，刀具做縱向等速移動；同時，為了得到所需的內(nèi)孔尺寸，刀具還需做徑向進給運動。工藝動作的這種分解方法，就得到車內(nèi)孔的車床的方案。第二種分解方法是讓工件固定不動，使刀具既繞被加工孔的中心線轉動，又做縱向進給運動。為了調(diào)整被加工孔的直徑，刀具還需做徑向調(diào)整運動。這種分解方法就形成了鏜內(nèi)孔的鏜床的方案。 19第三種分解方法是讓工件固定不動，而采用不同尺寸的專用刀具鉆頭和鉸刀等，使刀具做等速轉動并做縱向送進運動。這種分解方法就形成了加

8、工內(nèi)孔的鉆床的方案。第四種方法是讓工件和刀具均不轉動，而只讓刀具做直線運動。這種分解方法就形成了拉床方案。20根據(jù)搓絲原理，設計搓絲機的運動方案 動板式：按照復合運動原理設計的搓絲機 為對輥式搓絲機 行星機構原理制造的行星搓絲機 2112.4 執(zhí)行機構的型式設計執(zhí)行機構的型式設計 n所謂機構型式設計，是指究竟選擇或設計何種機構來實現(xiàn)預期的運動規(guī)律。n機構型式設計又稱為機構的型綜合，它包括機構的選型和機構的構型，其直接影響到結構的繁簡程度和機械的使用效果等。 n執(zhí)行機構的型式設計是機械系統(tǒng)運動方案設計中舉足輕重的環(huán)節(jié)，也是一項極具創(chuàng)造性的工作。 2212.4.1 執(zhí)行機構型式設計的原則執(zhí)行機構型

9、式設計的原則 n滿足執(zhí)行構件的運動規(guī)律要求n選擇較簡單的機構n選擇合適的運動副形式n使機構具有良好的傳力條件和動力特性 n保證機構運轉的安全性 2312.4.2 機構的選型機構的選型 n所謂機構的選型，就是從現(xiàn)有機構中選擇執(zhí)行機構的型式。其方法是在對已有的數(shù)以千計的各種機構按照運動特性或動作功能進行分類的基礎上，根據(jù)設計對象中執(zhí)行構件所需要的運動特性進行搜索、選擇、比較和評價，選出執(zhí)行機構的合適型式。n表12-2列出了常見運動特性及其所對應的機構。表12-3列出了常見機構的性能和特點。 24機構創(chuàng)新構型的方法 n1、擴展法n擴展法是根據(jù)機構組成原理創(chuàng)新機構的一種方法。當用選型法選擇的基本機構在

10、滿足運動特性或功能上有欠缺時，可以以此機構為基礎，運用機構的組成原理，在其上連接若干基本桿組，從而構筑出新的機構型式。n這種方法的優(yōu)點是在不改變機構自由度的情況下，能增加或改善機構的功能。25圖12-11 采用擴展法提高機構的急回特性 曲柄搖桿機構+RRP二級桿組 擺動導桿機構+RPP二級桿組 轉動導桿機構+RPR二級桿組 +RRP二級桿組 262、組合法 n（1）串聯(lián)式組合：若前一級子機構的輸出構件即為后一級子機構的輸入構件，則這種組合方式稱為串聯(lián)式組合。 件1，2，5組成凸輪機構（子機構I），構件2，3，4，5組成曲柄滑塊機構（子機構II），構件2是凸輪機構的從動件，同時又是曲柄滑塊機構的

11、主動件。 27（2）并聯(lián)式組合 n若幾個子機構共用同一個輸入構件，而它們的輸出運動又同時輸入給一個多自由度的子機構，從而形成一個自由度為1的機構系統(tǒng)，則這種組合方式稱為并聯(lián)式組合。 28（3）反饋式組合 n在機構組合系統(tǒng)中，若其多自由度子機構的一個輸入運動是通過單自由度子機構從該多自由度子機構的輸出構件回饋的，則這種組合方式稱為反饋式組合。29（4）復合式組合 n在機構組合系統(tǒng)中，若由一個或幾個串聯(lián)的基本機構去封閉一個具有兩個或多個自由度的基本機構，則這種組合方式稱為復合式組合。 303、變異法 n所謂機構的變異就是通過運動副形狀、尺寸和位置安排上的變化生成新的機構型式。n常用的方法有機架變換

12、法、運動副變換法和局部變異法等。 31（1）機架變換法 n機架變換法所依據(jù)的原理是各構件間的相對運動關系保持不變。例如，在四桿機構中，選擇不同的構件為機架可以得到不同功能的機構。 當選擇連桿為機架時則為一定軸齒輪機構，經(jīng)過機架變換后，選擇齒輪1為機架，則得到行星齒輪機構，由此可增加了行星輪上不同點所輸出的軌跡的種類。 32（2）運動副變換法 n常見的運動副變換有轉動副變異為移動副、高副變異為低副、低副變異為高副、同性移動副的變換及局部變異法等。 低副變高副33同性移動副變換 n演化規(guī)則為：l）組成移動副的滑桿和滑塊可以互換；2）組成移動副的方位線可任意平移。 同性移動副的變換 34（3）局部變

13、異法 n局部變異法即改變機構的局部結構，得到具有某種特殊運動特性的機構。 將擺動導桿機構中的導桿做成導桿槽，并將直槽改為帶有一段圓弧的曲線槽，且使圓弧的半徑等于曲柄長AB，其中心與曲柄轉軸A重合，并將滑塊B改成滾子。經(jīng)過這樣的變異后，當曲柄AB運動至導桿曲線槽圓弧段位置時，滑塊將獲得準確的停歇。 3512.5 執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào)設計執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào)設計 n12.5.1 運動協(xié)調(diào)設計的概念運動協(xié)調(diào)設計的概念 n所謂執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)設計，就是根據(jù)工藝過程對各動作的要求，分析各執(zhí)行機構應當如何協(xié)調(diào)和配合，設計出協(xié)調(diào)配合圖。n這種協(xié)調(diào)配合圖通常稱為機械的運動循環(huán)圖，它具有指導各執(zhí)行機構的設計、安裝和調(diào)

14、試的作用。36機構運動協(xié)調(diào)設計的步驟 （周期性運動循環(huán)）n1、確定機械的工作循環(huán)周期，機械的工作循環(huán)周期即機械的運動循環(huán)周期，用T來表示。 n2、確定機械在一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構件的各個行程段及其所需的時間，并由此確定各執(zhí)行構件的狀態(tài)（運動或停止）在每個行程段所需花費的時間以及對應于原動件的轉角（或在一個運動循環(huán)中的對應位置）。 n3、確定各執(zhí)行構件動作間的協(xié)調(diào)配合關系 ：即不僅要保證各執(zhí)行機構在時間上按一定順序協(xié)調(diào)配合，而且要保證在運動過程中不會產(chǎn)生空間位置上的相互干涉。 3712.5.3 機械運動循環(huán)圖機械運動循環(huán)圖 n用來描述各執(zhí)行構件運動間相互協(xié)調(diào)配合的圖稱為機械運動循環(huán)圖。 n由于機

15、械在主軸或分配軸轉動一周或若干周內(nèi)完成一個運動循環(huán)，故運動循環(huán)圖常以主軸或分配軸的轉角為坐標來編制。 n常用的機械運動循環(huán)圖有三種形式，即直線式、圓周式和直角坐標式。 38直線式運動循環(huán)圖n繪制方法：將機械在一個運動循環(huán)中各執(zhí)行構件各行程區(qū)段的起止時間和先后順序，按比例地繪制在直線坐標軸上。n特點：繪制方法簡單，能清楚地表示出一個運動循環(huán)內(nèi)各執(zhí)行構件運動的相互順序和時間關系直觀性較差，不能顯示各執(zhí)行構件運動規(guī)律 39圓周式運動循環(huán)圖n繪制方法：以極坐標系原點O為圓心作若干個同心圓環(huán)，每個圓環(huán)代表一個執(zhí)行構件，由各相應圓環(huán)分別引徑向直線表示各執(zhí)行構件不同運動狀態(tài)的起始和終止位置。n特點：能比較直

16、觀地看出各執(zhí)行機構主動件在主軸或分配軸上所處的相位，便于各機構的設計、安裝和調(diào)試。當執(zhí)行機構數(shù)目較多時，由于同心圓環(huán)太多不能一目了然；也無法顯示各執(zhí)行構件的運動規(guī)律。 40直角坐標式運動循環(huán)圖n繪制方法：用橫坐標軸表示機械主軸或分配軸轉角，以縱坐標軸表示各執(zhí)行構件的角位移或線位移，為簡明起見，各區(qū)段之間均用直線連接。n特點：不僅能清楚地表示出各執(zhí)行構件動作的先后順序，而且能表示出各執(zhí)行構件在各區(qū)段的運動規(guī)律。對指導各執(zhí)行機構的幾何尺寸設計非常便利 。41牛頭刨床的三種運動循環(huán)圖 曲柄回轉一周為一個運動循環(huán)。由圖中可見工作臺的橫向進給是在刨頭空回行程開始一段時間以后開始，在空回行程結束以前完成的

17、。 42例：多工位臥式冷鐓機運動循環(huán)圖的繪制 n臥式冷鐓機用以冷鐓帶孔螺母坯，其成形過程由進料、截料、整形、壓角和沖孔等工藝組成，其中整形、壓角和沖孔三道工藝動作總稱為冷鐓。選用機構為：n1、進料機構：將曲軸1的連續(xù)轉動變換成輥輪6的單向間歇轉動，利用摩擦力將盤料校直并送入切料口b。 n2、斷料機構：在沖頭3向下移動的同時，斷料刀13左移，并領先于沖頭將截好的料送至整形工位，然后停歇，待沖頭開始接觸工件時，斷料刀開始后退并停歇。 n3、冷鐓機構：電動機通過帶傳動帶動曲軸（主軸）1轉動，借助連桿2使滑塊（即沖頭）3往復移動，固結于滑塊的沖頭冷鐓一次，同時完成三道工序，即整形、壓角和沖孔。 43頂

18、料機構：鉸鏈四桿機構的主動構件由沖頭滑塊上的凸塊在沖頭回程向上移動時帶動。當頂桿19完成頂料運動時，鉗架17恰好停在頂料的出口處。 運料機構：鉗架先于沖頭帶著工件擺至預定工位，然后停歇，以待沖頭冷鐓，當沖頭后退時，鉗架擺回到上一工位停歇，待運料機構將坯料送入鉗架17的鉗口后，又繼續(xù)重復上述動作。 44冷鐓機的兩種運動循環(huán)圖 4512.6 原動機的選擇原動機的選擇 n原動機的運動形式有回轉運動、往復擺動和往復直線運動等。 n當采用電動機、液壓馬達、氣動馬達和內(nèi)燃機等原動機時，原動件作連續(xù)回轉運動；但液壓馬達和氣動馬達也可作往復擺動；當采用油缸、氣缸或直線電動機等原動機時，原動件作往復直線運動。

19、n在機械系統(tǒng)運動方案設計中，應充分考慮原動機運動形式及工作轉速（頻率）的差異。 46原動機的選擇原則原動機的選擇原則 n1、滿足工作環(huán)境對原動機的要求。 n2、原動機的機械特性和工作制度應與機械系統(tǒng)的負載特性（包括功率、轉矩、轉速等）相匹配，以保證機械系統(tǒng)有穩(wěn)定的運行狀態(tài)。 n3、滿足工作機的啟動、制動、過載能力和發(fā)熱的要求。 n4、滿足機械系統(tǒng)整體布置的需要。n5、在滿足工作機要求的前提下，原動機應具有較高的性能價格比，運行可靠，經(jīng)濟指標（原始購置費用、運行費用和維修費用）合理。 47原動機的選擇步驟原動機的選擇步驟 n1、確定機械系統(tǒng)的負載特性 n2、確定工作機的工作制度 n3、選擇原動機

20、的類型 n4、選擇原動機的轉速 n5、確定原動機的功率 gfdijPPPkgPfPijk為工作機所需功率 為各輔助系統(tǒng)所需的功率 為從原動機經(jīng)傳動系統(tǒng)到工作機的效率 為從原動機經(jīng)傳動系統(tǒng)到各輔助裝置的效率 為考慮過載或功耗波動的余量因數(shù)，一般取1.11.3。 4812.7 機械傳動系統(tǒng)方案設計機械傳動系統(tǒng)方案設計 n12.7.1 12.7.1 機械傳動系統(tǒng)方案設計的過程機械傳動系統(tǒng)方案設計的過程n1、確定傳動系統(tǒng)的總傳動比，建立從原動機到執(zhí)行機構間的傳動比關系。 n2、選擇傳動類型。 n3、擬定傳動鏈布置方案。 n4、分配傳動比 n5、確定各級傳動機構的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，計算傳動系統(tǒng)的各

21、項運動學和動力學參數(shù) n6、繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖 4912.7.2 傳動機構的類型和特點傳動機構的類型和特點 n1、按傳動的工作原理分類：嚙合傳動和摩擦傳動 n2、按傳動比和輸出速度的變化情況分類 ：定傳動比傳動與變傳動比傳動 n3、常用機械傳動的主要性能 ：參見表12-8 5012.7.3 傳動機構的選擇原則傳動機構的選擇原則 n1、傳動機構要與原動機和執(zhí)行系統(tǒng)相互匹配n2、傳動機構的性能要能滿足傳遞的功率和運轉速度的要求 n3、考慮傳動比的準確性及合理范圍 n4、考慮結構布置和外廓尺寸的要求 n5、考慮提高傳動效率 n6、考慮經(jīng)濟性 n7、考慮機械安全運轉和環(huán)境條件 5112.7.4 傳動

22、鏈的方案設計傳動鏈的方案設計 n1、傳動鏈形式的選擇 ：（1）串聯(lián)式單路傳動 ；（2）并聯(lián)式分路傳動 ；（3）并聯(lián)式多路聯(lián)合傳動 ；（4）混合式傳動 522、傳動鏈順序的布置 n（1）機械運轉平穩(wěn)，減小振動 n（2）提高傳動系統(tǒng)的效率 n（3）結構簡單緊湊，易于加工制造 n（4）承載能力大，壽命長 533、各級傳動比的分配 n（1）各級傳動比應在合理的范圍內(nèi)選取（見表12-9），在特殊情況下也不要超過所允許的最大值。n（2）注意各級傳動零件尺寸協(xié)調(diào)，結構合理，不會干涉碰撞。 n（3）盡量減小外廓尺寸和整體重量。 n（4）設計減速器時，盡量使各級大齒輪浸油深度大致相同（低速級大齒輪浸油稍深），若

23、各級大齒輪直徑相接近，則應使高速級的傳動比大于低速級的傳動比。 5412.7.5 機械傳動系統(tǒng)方案設計實例機械傳動系統(tǒng)方案設計實例 肥皂壓花機的傳動路線分析及傳動比的分配設計肥皂壓花機的傳動路線分析及傳動比的分配設計 n肥皂壓花機是在肥皂塊上利用模具壓制花紋和字樣的自動機械，按一定尺寸切制好的肥皂塊12由推桿11送至壓模工位，下模具7上移，將皂塊推至固定上模具8的下方，靠壓力在皂塊上、下兩面同時壓制出圖案，下模具返回時，凸輪機構13的頂桿將皂塊推出，完成一個運動循環(huán)。 55肥皂壓花機傳動系統(tǒng)機構簡圖 56、傳動路線分析 572、傳動比分配 n電動機轉速為1450r/min，每分鐘壓制50塊肥皂，要求傳動比誤差為。n（1）主傳動鏈（電動機下模具往復移動）。每壓制一塊肥皂，六桿機構帶動下模具完成一個運動循環(huán)，相應分配軸應轉動一周，故軸的轉速為。 114502950