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第3章 机械系统运动方案设计,阎绍泽清华大学精密仪器与机械学系,机械系统方案设计的重要性,企业的生命线,市场销售,开发设计,制造,1.从系统的整体目标出发,将总体功能分解成若干功能单元。2.寻找出能完成各个功能的技术方案。3.把能完成各个功能的技术方案组成方案组,进行分析评价和优选。4.实现给定条件下的整体优化。,机械系统运动方案设计方法,机械系统方案设计的阶段成果,目标分析,总体方案示意图;机械系统方案运动简图;运动循环图;方案设计计算说明书。,1.基本要求针对某种简单机械系统,进行:机械工作原理设计执行系统设计原动机的选择传动系统设计机构尺度设计运动与动力分析评价与决策,3.1 基本要求及设计步骤,2.总体参数的确定,总体技术参数主要包括:与机械系统的使用范围、生产能力等有关的参数、结构尺寸、运动学和动力学参数。 例如:对于机床而言,总体参数包括规格参数、运动参数、动力参数和结构参数;对于仪器类机械系统,总体参数包括测量范围、示值范围、放大倍数、灵敏度等。,(1)生产能力,生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量,根据选用的计量和计时单位的不同而不同。例如: (A)对于干粉压片机,其生产率为每分钟加工的片数; (B)对于书本打包机,其生产率为每小时能够包装书的本数。理想生产能力:机械系统在理想状态下单位时间内加工出的产品数量。实际生产能力:机械系统在正常运行期间单位时间内平均生产合格产品的实际数量。实际生产能力一般小于理论生产能力。,(2)尺寸参数,尺寸参数是指影响机械性能的一些重要的结构尺寸,如:总体极限尺寸(长、宽、高及可移动的极限位置和尺寸)特征尺寸(加工范围、中心高度)运动零部件的工作行程主要部件之间位置关系及安装尺寸。 根据设计任务书中原始参数、方案设计时的总体布置草图、同类机械系统的类比或通过理论分析获得上述尺寸参数。,(3)工艺参数,工艺参数包括运动参数和动力参数。运动参数:执行构件的转速、移动速度及调速范围等。 如:机床等机械设备的主轴最高和最低转速工作台或刀架的移动速度移动机械的行驶速度范围连续作业机械的生产拍节等。运动参数是由机械的工艺要求决定的,应包括:运动形式(直线运动、回转运动、曲线运动)运动特点(连续式、间歇式、往复式)运动范围(极限尺寸、转角及位移)运动速度(等速、不等速),动力参数:机械系统中使用的动力源参数,如电动机、液压马达、内燃机的功率,液压缸的牵引力、伺服电机的额定转矩等。,3. 设计步骤,机械工作原理设计 执行系统设计 原动机的选择及传动系统设计 机械系统运动方案初步拟定 机构尺度设计 运动与动力分析方案评价与决策 机械系统运动方案设计步骤常常是不可分的,例如方案选择、尺度设计和性能分析等设计工作在某种程度上是并行和交叉的。,机械方案设计需要考虑的问题:,1)创造人工制造物,2)受到诸多因素的影响和制约,技术环境:1)产品趋向2)设计制造3)生产趋向,自然环境:1)自然资源2)环境保护,经济环境:1)市场竞争2)经济规律,社会环境:1)政策法规2)道德文化,3.2 机械工作原理设计,机械工作原理设计包括 功能分析、功能原理设计和工艺动作设计。1.功能分析功能:机械系统所具有的传递和变换能量、物质和信息的特性。机械系统的功能归结为两大类:动作功能和工艺功能。工艺功能与动作功能的区别在于是否其执行构件对物体具有加工作用。,(1)动作功能,动作功能是以实现动作为目的,不对物体进行加工。简单动作一般是一次性动作,如由链齿和拉头组成的拉链,只实现闭合和开启的简单动作。复杂动作功能不仅要实现连续的传动,而且还要实现复杂的运动规律以及运动型式变换。实现这类功能的机构一般比较复杂,常采用机构的组合方式实现。如机械手的抓取与送料复合运动功能。,(2)工艺功能,工艺功能是以加工对象为目的,是对物体实施某种加工工艺,如刮削器的刮削功能、机床的切削功能、挖掘机的挖掘功能、犁的翻地功能。这些功能由执行构件实现,如机床的刀具、挖掘机的挖斗、犁的犁头等。,功能要求考虑不周,导致机械系统设计失败的案例,图3-2硬币清点机构,2.功能原理设计,综合分析法:将机械系统的总功能分解成若干子功能元,然后求解子功能元,再将其组合,得到满足总功能要求的多种解决方案,以供评价与选择。,图3-3 某包装机的组成,某自动包装机的功能是将物料装入袋中包装。可分解为如下分功能:自动完成计量、填料、制袋、封合、打印生产批号、切断、输送等。,功能原理实现的多样性,自动给料装置是包装机的一个子功能元,可以采用重力给料原理、 振动输送给料原理、带式输送给料原理、螺旋输送给料原理等实现。,图3-4 重力给料装置原理图,图3-5 振动给料装置原理图,图36 带式输送机原理图,图3-7 螺旋输送机原理图,3.工艺动作设计,同一工作原理可以采用不同的工艺动作实现。例如:刨削加工(1)将工艺动作分解为刀具往复移动,工件进给运动,即为牛头刨床;(2)工件往复移动,刀具进给,即为龙门刨床。,(a)牛头刨床 (b)龙门刨床,工艺动作设计原则,(1)工序集中原则,图39自动切书机工艺过程示意图,(2)工序分散原则,图3-10 书本打包机的包、封工艺过程,(3)各工序的工艺时间相等原则(4)多件同时加工原则(5)减少机器工作行程时间和空程时间 某些原则是相互矛盾或制约的,在工艺动作设计时,应抓主要矛盾。,运动规律的拟定应尽可能简单,工程中往往需要实现复杂的运动规律,通常采用的措施是将复杂的运动规律分解成转动、摆动或移动等比较简单的运动规律。,图3-11 大型绘图机运动方案1一主动轮;2一从动轮;3一钢丝;4一绘图纸;5绘图笔,3.3 执行机构的型式设计及协调设计,3.3.1 执行机构分类执行机构的作用:传递、变换运动与动力。主要功能:施力、夹持、搬运、检测、分度与转位等。1.按执行机构对运动和动力的不同要求分为:动作型、动力型及动作-动力型。动作型要求实现预期精度的动作,而对各构件的强度、刚度无特殊要求,如缝纫机、印刷机等。动力型要求各构件有足够的强度和刚度,施加一定的力做功,而对运动精度无特殊要求,如曲柄压力机、碎石机等。动作-动力型要求既能实现预期精度的动作,又施加一定的力做功,如滚齿机、插齿机等。,3.3.1 执行机构分类,2. 按执行系统中执行机构数量及其相互间的联系情况分为:单一型:搅拌机、碎石机的执行机构相互独立型:外圆磨床的砂轮转动与进给相互联系型:印刷机、包装机的执行机构,3.3.2 执行构件运动形式,执行构件:在执行机构中接触工件或执行终端运动的构件。1. 主要有五种运动形式:直线运动回转运动任意轨迹运动(曲线运动)点到点的运动位到位的运动(刚体导引运动)2. 每种运动形式又可以细分,例如:旋转运动又可分为连续旋转运动(如缝纫机主轴的转动)、间歇旋转运动(如自动机床工作台的转位)、往复摆动(如颚式破碎机的动颚板的打击运动,电风扇的摇头运动)等;直线运动又可分为往复移动(如压缩机活塞的往复运动)、间歇往复移动(如轻工自动机中供料机构的间歇供料运动)、单向间歇直线移动(如刨床工作台的进给运动)等。,3.3.3 执行机构型式设计,执行机构型式设计是决定拟定的运动规律采用何种执行机构实现。执行机构型式设计方法有机构的选型和机构的构型。1. 应遵循以下原则:满足工艺动作和运动要求;结构最简单,传动链最短;动力源的选择有利于简化结构和改善运动质量;执行机构有尽可能好的传力和动力特性;机器操纵方便、调整容易、安全耐用;加工制造方便,经济成本低;具有较高的生产效率与机械效率。,综合考虑,统筹兼顾,抓主要矛盾,有所侧重,3.3.3 执行机构型式设计,2.机构的选型按照动作功能分解与组合原理进行机构选型的步骤: 根据机构的基本功能,归纳整理为功能元。 列出功能元解的目录,可采用功能-技术矩阵。 功能求解。,图3-12 功能-技术矩阵示例,3.3.3 执行机构型式设计,3.机构的构型,3.3.3 执行机构型式设计,4.执行机构型式设计应注意的问题(1)避免执行机构的运动不确定现象,图3-13 平行四边形机构中位置不确定问题及其解决方法,(2)避免执行机构的“顶死”现象,图3-14 曲柄摇杆机构,4.执行机构型式设计应注意的问题,(3)减少导路的侧推力 (4)避免传动角过小,图3-15 连杆机构,图3-16 连杆机构,4.执行机构型式设计应注意的问题,(5)正确选择从动件的偏置方向 (6) 注意工作原理的设计缺陷,图3-17 偏置从动件盘形凸轮机构,图3-18 手动轮椅工作原理示意图,3.3.4 执行系统协调设计,1.协调设计原则满足各执行机构动作先后的顺序性要求(动作先后);满足各执行机构动作在时间上的同步性要求(时间协调:周期性); 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求(空间协调:避免干涉);满足各执行机构操作上的协同性要求(针对同一对象施行同一动作);各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率(缩短循环周期);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。对于固定运动循环的机械,当采用机械方式集中控制时,通常用分配轴或主轴与各执行机构的主动件联接起来。各执行机构主动件在主轴上的安装方位,均是根据执行系统协调设计的结果来决定的。,2. 协调设计步骤确定机械的工作循环周期; 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行

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