第十二章机械系统运动方案设计 内容提要 本章围绕机械系统运动方案的设计过程展开说明，主要内容包括机械工作原理的拟定、执行 构件的协调设计和原动机的选择、机构的选型与组合、机械运动方案的拟定、机械运动方案的评 价。 12.1概述 12.1.1机械系统设计的一般过程 机械是机器和机构的统称，系统就是具有特定功能的、相互之间具有有机联系的若干要素所 组成的一个整体。机械系统是由若干个机械基本要素所组成的，完成所需的动作过程、实现机械 能的转化、代替人类劳动的系统。机械系统设计，简称机械设计，是一个复杂的分析、规划、推 理及决策的过程。机械系统设计的目的是，根据既定的设计目标，获取机械系统相关的设计信息， 包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案，经过评估、改进和制造后，最终形 成满足设计要求的机械产品。 现代机械种类繁多，结构也愈来愈复杂。不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计 过程不尽相同。机械设计的一般过程大致包括规划设计、方案设计、结构设计和技术文件编制等 五个阶段。 1.产品规划阶段 这一阶段的主要任务是，根据市场调查和用户的需求分析，通过可行性分析，明确设计任务， 编制出设计任务书。设计任务书的具体内容主要包括：(1)产品功能、技术性能、规格及外型要 求；(2)主要物理、力学参数、可靠性、寿命要求；(3)生产能力与效率的要求；(4)环境适应 性与安全保护要求；(5)经济性要求；(6)操纵、使用维护要求；(7)设计进度要求等。 2.运动方案设计阶段 机械系统运动方案的设计是根据设计任务书的要求完成功能分析，然后提出若干个实现功能 的原理方案，选择合理的传动路线，确定合适的传动机构形式及布置顺序，用机构运动简图或机 构示意图表示出运动和动力的传递路线以及各部分之间的组成和连接关系，最后经过分析、对比、 评价、决策，确定最佳方案的过程。 3.结构设计阶段 246 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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结构设计阶段的主要任务是将机械运动简图得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。 此阶段的主要成果包括各零件的工作图、部件装配图和机械的总装图。 4.技术文件编制阶段 技术文件包括：设计说明书、使用说明书、零件明细表、标准件汇总表、外购件明细表、专 用工具明细表和产品验收条件等。 本章只着重讨论机械系统的方案设计。 12.1.2机械系统运动方案的设计步骤 机械系统运动方案设计得正确、合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与维护 费用等影响很大，甚至决定着机械设计的成败。机械系统运动方案的设计方法、技巧、形式多样， 设计出来的解也表现出多样化，但其基本步骤基本一致。 1.机械系统的功能原理设计 所谓机械系统的功能原理设计，就是对机械系统进行功能分析并拟定工作原理的过程。根据 设计任务书所提出的总功能和基本要求，通过功能分析，将机械系统的总功能分解成为可容易实 现的分功能和基本功能，构思和选择各功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺要 求。 2.执行机构和原动机的运动设计 根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，从中选择最简 单、最适用、最可靠的运动规律，从而确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调 配合关系，并由此选定原动机的类型和运动参数。 3.机构的选型、变异与组合 根据机械的运动及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统 方案，绘制机械系统的示意图。 4.机构的尺寸综合 确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。 5.方案分析 对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能要求，对机械系统方案进行 适当的调整，以便为机械的结构设计提供必要的依据。 6.方案评价 通过机构的不同组合可以得到多种方案，需要从技术、经济、社会等方面对各个候选方案进 行评价，从中选出最佳的机械系统方案。 12.2机械系统的功能原理设计 机械工作原理设计的任务，就是根据其预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理， 加以分析比较，并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作 又简单的工作原理。 实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理。例如，要求实现在轮坯上加工出轮齿这一 247 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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功能，既可以选择仿形原理，也可以选择范成原理；要求实现在螺栓上加工出螺纹这一功能，既 可以采用车削加工的原理，也可以采用套丝工作的原理，还可以采用滚压的工作原理。 不同工作原理的机械，其运动方案也就不同。例如，仿形原理和范成原理加工齿轮时的工艺 动作除了有切削运动和进给运动外，仿形原理还需要准确的分度运动，范成原理还需要刀具和轮 坯的范成运动。 机械的工作原理确定之后，为了便于设计，应将机械的总功能分解成许多分功能，并形成机 械的工艺动作过程。例如，预设计一台生产某规格圆盘形金属片的设备，若决定采用冲压的工作 原理，则将其总功能分解成送料、冲压、退回等分功能，其工艺动作过程如图12-1所示。 (a)送料 (b)冲压 (c)退回 图12-1某规格圆盘形金属片的加工工艺动作过程 12.3执行构件的选择和执行机构的运动设计 12.3.1执行机构的运动规律设计 所谓运动规律设计，就是根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种 运动规律，然后从中选择最简单、最适用、最可靠的运动规律，作为机械的运动方案。一个复杂 的工艺过程往往需分解成多种最基本的工艺动作才能实现。工艺动作分解的方法不同，所得到的 运动规律也各不相同，所形成的运动方案也不相同。 例如，在插齿机上用插刀切制齿轮和在滚齿机上用滚刀切制齿轮，虽同属于范成加工原理， 但由于所用的刀具不同，两者的运动方案也就不同。插齿工艺动作可以分解为齿条插刀（或齿轮 插刀)与轮坯的范成运动、齿条插刀（或齿轮插刀）的上下往复的切削运动以及齿条插刀（或齿 轮插刀)的进给运动等，按照这种工艺动作分解方法，就得到插齿机床的运动方案；滚齿的工艺 动作可分解成滚刀与轮坯的连续转动和滚刀沿轮坯轴线方向的移动，按照这种工艺动作分解方 法，就得到滚齿机床的运动方案。前者由于其切削运动是不连续的，所以其生产率相对较低；后 者的在滚刀连续运转时相当于是一根无限长的齿条连续向前移动，其切削运动和范成运动合为一 体，生产率大大提高。 可见，同一工艺动作可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规 律和运动方案也大不相同，它们在很大程度上决定了机械工作的特点、性能、生产率、适用场合 好复杂程度。 248 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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12.3.2执行构件的选择 1.执行构件的数目 执行构件数目取决于机械分功能或者分动作数目的多少，但两者不一定相等。要针对机械的 工艺过程及结构的复杂性进行相应的分析。例如在钻床工作时要实现钻削和进给两种功能，可采 用钻头和工作台两个执行构件分别完成；也可采用钻头一个执行构件同时完成两种功能。 2.执行构件的运动形式和运动参数 执行构件的运动形式，取决于执行系统完成的工作任务。不同的工作任务使得执行构件的运 动形式也有所不同。常见的基本运动如图12-2所示，任何复杂的运动都可看成是基本运动的组 合，如曲线运动和复合运动都是基本运动的复合。 连续移动 移动 间歇移动 往复移动 基本运动 连续转动 转动 间歇转动 往复摆动 图12-3基本运动形式 当执行构件的运动形式确定后，还必须确定其运动参数，如表12-1所示为常见运动形式对 应的运动参数。 表12-1常见运动形式对应的运动参数 运动形式 主要运动参数 备注 连续移动 速度v、位移s 运动时间t、停顿时间t。、运动周期T、运动系数x、 x=t/T,x越接近于1，移动时间 间歇移动 速度v、加速度a、位移s 越长，停顿时间越短 行程速比系数K用于衡量机构急回 往复移动 速度v、位移s、行程速比系数K、极位夹角日 特性 连续转动 角速度o或转速n 转动时间t、停顿时间，、转动周期T、运动系数x、 x=t/T,x越接近于1，转动时间 间歇转动 转角p、转动角速度0、转动角加速度a 越长，停顿时间越短 摆角p、角速度o、角加速度a、行程速比系数K、极 往复摆动 位夹角0 249 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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12.3.3执行机构的协调设计 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律，并确定了各执行机构 的型式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定 的次序协调工作、互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程，这就需要进行执行系统的协调 设计。 对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此独立的机械，如图12-3所示的外圆 磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立，应分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独 的原动机驱动。 但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协 调关系。如图124所示的冲床两个执行构件C、H中，要求送料构件H将原料送入模孔上方后， 冲头C才可进入模孔进行冲压，当冲头C上移一段距离后，才能进行下次送料动作。 执行机构的协调设计必须遵循以下原则： (1)满足各执行构件动作先后的顺序性要求。 (2)满足各执行构件动作在时间上的同步性要求。 (3)满足各执行构件在空间布置上的协调性要求。 (4)满足各执行构件操作上的协同性要求。 (5)各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率。 (6)各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。 12.3.4机械运动循环图 工程实际中，大多数机械的工作都是周期性的，即经过一定的时间间隔后，各执行构件的位 移、速度和加速度等运动参数作周期性的重复。因此执行系统的协调设计可按以下步骤进行。 (1)确定机械的工作循环周期。 (2)确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间。 (3)确定各执行构件动作间的协调配合关系。 砂轮 砂轮架 工件 图12-3外圆磨床 图12-4冲床 1.机械的运动循环 机械的运动循环是指机械完成其功能所需要的总时间，常用字母T表示。从运动过程考虑， 机械的运动循环至少包括一个工作行程和一个空回行程，有的执行构件还有一个或若干个停歇阶 250 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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段。因此机械的运动循环T可表示为： T=t工作+t空程+t停歇 等式右边三项分别表示机构工作行程时间、空回行程时间和停歇时间。 2.机械运动循环图 机械运动循环图，又称工作循环图，是用来表示在机械的一个工作循环中各执行构件间动作 协调配合关系的图形。 1)机械运动循环图的功用 机械运动循环图对执行系统的设计起到非常重要的作用，特别是有多个执行机构协同工作的 执行系统。 (1)机器的工作循环图反映其生产节奏，可以用来衡量核算机器的生产率，并可用来作为 分析、研究提高机械生产率的依据。 (2)确定各个执行机构原动件在主轴上的相位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装 在分配轴上的相位。 (3)指导机器中各个执行机构的具体设计。 (4)作为装配、调试机器的依据。 (5)分析、研究各执行机构的动作如何能够紧密配合、相互协调，以保证机器的工艺动作 过程顺利实现。 2)机器运动循环图的绘制 绘制工作循环图时，首先应选择一个定标构件，其它构件的运动时间都以此构件的运动基准 来表示。通常以机器的主轴或分配轴作定标构件，因为这些轴和机器中所有的轴都有联系，且其 整转数往往就是机器的一个工作循环。工作循环图的绘制步骤如下： (1)确定所有执行机构的运动循环； (2)确定所有运动循环的组成区段； (3)确定运动循环内各区段的时间或分配轴的转角； (4)绘制执行系统的运动循环图。 绘制机器运动循环图是一个复杂的过程，应考虑以下诸多注意事项。 (1)以工艺过程的开始点作为机器运动循环起始点，确定最先开始运行的执行机构在运动 循环图中的位置，其他执行机构则按照工艺程序先后次序列出。 (2)因为运动循环图以主轴或者分配轴的转角为横坐标，对于不在主轴或分配轴上各执行 机构的原动件比如凸轮、曲柄、偏心轮等等，应把它们运动时所对应的转角转换成主轴或分配轴 上相应的转角。 (3)考虑到机器制造、安装时不可避免的会产生误差，为防止两机构在工作过程中发生干 涉，应在理论计算正好不发生干涉的临界基础上再给以适当的余量，即把两机构的运动相位错开 到足够大，以确保动作可靠。 (4)应尽量使执行机构的动作重合，以便缩短机器的工作循环周期，提高生产率。 251 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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(5)在不影响工艺动作要求和生产率的条件下，尽可能使各执行机构工作行程对应的中心 角增大些，以减小凸轮的压力角。 3)机械运动循环图的类型 常见的机械运动循环图有直线式运动循环图、圆周式运动循环图和直角坐标式运动循环图。 下面以粉料成型压片机为例说明各种机械运动循环图的绘制方法和特点，并列于表12-2中。 如图125所示的粉料成型压片机中，执行机构有料斗送料机构、上冲头运动机构、下冲头 运动机构。其压片过程的工艺流程由六个工艺动作完成： (1)加料斗a下料到料筛b中，如图12-6a所示； (2)料筛b右移模腔c上方，同时顶开已成型的片坯e,如图12-6b所示； (3)料筛b在模腔c上方往复振动，送入干粉后，退出，如图12-6c所示： (4)下冲头f下沉，以防粉料扑出，然后上冲头d进入模腔c,如图12-6d所示： (5)上下冲头同时加压，并保压一段时间，如图12-6®所示； (6)上冲头d退出，下冲头顶出片坯e,如图12-6f所示。 图12-5粉料成型压片机 252 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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(a) (b) (c) (d) (e) (D 图12-6粉料成型压片机工艺流程 设计粉料成型压片机工作循环图时，以上冲头机构中的曲柄作为定标构件。如图12-7a所示 为粉料成型压片机的直线式运动循环图，其横坐标表示定标曲柄的转角φ；图12-7b所示为粉料 成型压片机的圆周式运动循环图，定标曲柄每旋转一周为一个运动循环；图12-7c所示的是粉料 成型压片机的直角坐标式运动循环图，图中横坐标是定标曲柄的运动转角φ，纵坐标表示上冲头、 下冲头、送料筛的运动位移。 送料嗨 停止 送判 停止 上冲头 提升 下冲头下沉 下沉 下冲头加压 加压 加压 > 0 90° 180 270° 360 (a)直线式运动循环图 在 上 料 停 送 料 10 (b)圆周式运动循环图 253 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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送料机构 204060801001201401601802002202026而280300320340360 冲头 20广4060010012014016018020022024026280300广320340广360 20406080100120140160广180200广220240260广280300320340广360 (c)直角坐标式运动循环图 图12-7机械运动循环图的类型 表12-2给出了三种机械运动循环图的绘制方法与各自的特点。通过比较可以发现直角坐标 式的运动循环图不仅可以表示出这些执行机构中构件动作的先后，而且还能够描述出它们的运动 规律以及运动上的配合关系，直观性最强，较其他两种运动循环图更能够反映执行机构的运动特 征，所以在设计机器时，优先采用直角坐标式运动循环图。 表12-2机器运动循环图绘制方法和特点 形式 绘制方法 特点 将机械在一个运动循环中各执行构件各 绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中 直线式 行程区段的起止时间和先后顺序，按比例 各执行构件运动的顺序和时间关系：直观性 绘制在直线坐标轴上 差，不能显示各执行构件的运动规律 以极坐标系原点为圆心作若干同心圆，每 能比较直观地看出各执行机构主动件在主 个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环 轴或分配轴上的相位；当执行机构多时，同 圆周式 引径向直线表示各执行构件不同运动状 心圆环太多不一目了然，无法显示各构件的 态的起始和终止位置 运动规律 用横坐标表示机械主轴或分配轴转角，纵 不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后 直角坐标式 坐标表示各执行构件的角位移或线位移， 顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运 各区段之间用直线相连 动规律 254 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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12.4机构的选型和组合 12.4.1常用机构的特点 任何机器都是由若干个机构组成的，传统的机构型式有：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、 摩擦机构、螺旋机构和间歇运动机构等。当然随着科学技术迅速发展，引入液、气、声、光、电、 磁等工作原理的新型运动机构（广义机构）应用日益广泛。本章对广义机构不作详细介绍。 上述传统机构已经相对成熟，各具优点，如连杆机构结构简单，运动平稳，可获得较大行程； 齿轮机构结构紧凑、工作可靠、承载能力大、效率高；凸轮机构能够实现精确的曲线轨迹；螺旋 机构可获得较大的传动比和较高的运动精度；凸轮式间歇运动机构分度、定位准确等。但是它们 在结构特点、运动特性、动力性能及制造工艺等诸多方面仍存在以下不可逾越的局限。 1.连杆机构 (1)难以精确地实现预期的运动规律或运动轨迹，设计理论较复杂。 (2)不易实现从动件较长时间的停歇。 (3)运动链较长，占用空间大，运动累积误差大，运动副磨损后不易调整，影响运动精度 和工作可靠性。 (4)连杆惯性力不易平衡，动力性能差，不宜用于高速场合。 2.齿轮机构 (1)运动形式简单，圆形齿轮不能实现变速比的运动规律。 (2)对误差较为敏感，制造和安装的精度要求高。 (3)非圆形齿轮可以实现变速比的运动规律，但其制造困难。 3.凸轮机构 (1)高副接触，易磨损，在高速场合下影响运动精度和工作可靠性。 (2)直动从动件行程不宜过大，摆动从动件摆角不宜过大。 (3)凸轮轮廓加工较困难。 4.其他机构 (1)螺旋机构的机械效率低，需要反向机构才能反向运动。 (2)棘轮机构工作时有冲击，传动精度较低。 (3)槽轮机构每次转角不宜太大或太小，且不可调 (4)凸轮式间歇运动机构的凸轮加工困难，安装调整精度要求高。 12.4.2机构的选型 1.机构选型 机构的选型是指选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。根据已知的设计要求， 按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在基本机构中进行类比选择，当基本机构不能满足运 动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机构，或选用组合机构。如 果很难找到满足工作要求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作或创造新型机 255 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
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