《机械原理 Theory of Machines and Mechanisms》课程教学资源（电子教案，打印版）第12章机械系统运动方案的设计.pdf_大学文库

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

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

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

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

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

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

《机械原理 Theory of Machines and Mechanisms》课程教学资源（电子教案，打印版）第12章 机械系统运动方案的设计

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