《机构课程设计》的指导书

机构课程设计指导书目 录一、课程设计题目 .1二、课程设计目的及要求 .1（一）机构课程设计目的 .1（二）机构课程设计要求： .1三、课程设计内容 .1四、课程设计步骤 .2（一）机构设计方案的确定 .2（二）机构运动方案模型制作 .9（三）编写机构设计和计算说明书 .11五、课时安排 .12六、考核方式 .12七、参考文献 .131一、课程设计题目联系生产、生活实际，根据课程学习过程中所学的知识、查阅相关的设计手册及相关的技术资料自定功能目标设计一部机构。要求能解决生产、生活中的一项具体问题，要有两个或两个以上工艺动作，至少要用到两个单一机构。二、课程设计目的及要求（一）机构课程设计目的：1.巩固和运用所学的理论知识，培养学生具有初步设计常见的机构和机械的能力；2.掌握常见机构和一般传动装置的设计方法、步骤，为今后专业课的学习及实际生产的应用打好基础；3.达到对学生进行基本技能的训练，如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、标准、图册和规范等）能力；4.加强学生的动手能力，以培养学生的创新意识。（二）机构课程设计要求：1.三人一组，设计过程中，应充分发挥自己的想象力和创造力，对每个细节认真考虑，并提出自己的见解，反对盲从。2.设计方案可根据所学知识从日常生活、生产或查阅相关资料，确定设计方案。3.设计方案在设计周的星期三前确定完成，在确定之前，最好与指导教师商讨方案的可行性。4.设计作品和设计说明书于设计周的星期五上午下课前上交，下午进行设计作品成绩评定，本设计成绩由设计作品成绩和设计说明书成绩组成。三、课程设计内容1.课题组自拟定机构设计题目。2.确定机构运动方案。 （原则上要求每种设计方案至少要具有机构的二种运动特性？） 。绘制机构方案的运动简图，并计算机构的自由度，判断机构是否具2有确定的相对运动。3.机构的运动分析与受力分析。4.适当确定各构件的材料，结构形状和尺寸。5.按比例制作各构件，并将各构件的边缘打磨光滑、进行组装。组装完后，检查构件组装的是否牢固、设计作品是否能够实现预期的运动规律。6.编写设计说明书（要求用 16 开纸书写）：1）目录。2）设计任务书。3）设计题目：设计内容、技术指标、机构预期的功能目标。4）机构运动目标的拟定。5）机械工作原理的拟定。6）机构的选型及其组合协调。7）模型中各构件的轮廓形状和尺寸。8）模型的机构运动简图。9）设计任务的分配情况。10）对设计后的评价。11）参考文献资料。四、课程设计步骤（一）机构设计方案的确定机构设计也称机械运动方案设计，是机械产品设计中最具创造性的一个设计阶段。机构设计方案设计的优劣，将直接影响机械产品的质量好坏、性能优劣和经济效率的高低，因此机构方案设计在机械产品中占有重要地位。机构方案设计的主要内容包括：机械功能目标的拟定；机械工作原理的拟定；机构的选型与组合协调等。机构方案设计的结果是：绘制出能反映机械系统工作原理的机构运动简图。1.设计题目的确定联系生产、生活实际，可根据课程学习过程中所学的知识、查阅相关的设计手册及相关的技术资料自定功能目标设计一部机构。要求能解决生产、生活3中的一项具体问题，要有两个或两个以上工艺动作，至少要用到两个单一机构。2.机构功能目标的拟定机械功能目标是指该机械产品所具有的功用。如图 1 所示的筛料机构示意图，当分选筛杆 7 作变速往复直线运动时，能对物料颗粒起筛选作用，这里分选图 1 筛料机筛杆 7 的变速往复直线运动，就是筛料机的功能目标。又如图 2 所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图。在该机构中，液压油缸 3 绕铰链 C 摆动，同时活塞杆4 在油缸 3 内的移动，使得车厢 1 随 A 点绕 B 点转动而达到自卸货物的功能目标。除此之外，像机械的运动速度、效率的高低、移动距离、制品规格、图 2 自卸卡车翻斗机构及其运动简图使用要求、操作程序、维护与保养、对环境的影响、安全可靠性、价格成本、经济效率等都是机械功能的目标范畴。3.机械工作原理的拟定机械的功能目标确定后，就要按功能目标的要求，拟定机械的工作原理。拟定工作原理的过程就是把机械的功能目标转化为机械工艺动作的过程，对于只有单一而简单动作的机械功能目标（如图 1 中的筛料机）来说，该过程可以省略，但对于具有较复杂运动的机械功能目标来说，这是一个必不可少的过程。该过程一般分为两个步骤：41）工艺动作的分解 将复杂的运动形式用一种机械方法来实现，往往是很困难的，有时甚至是不可能的。这就要求我们改变策略，不要仅局限于某一机构，要考虑机械的运动特性。机械最容易实现的运动形式是转动和直线运动，而机械中的许多运动都可以由这两种运动形式合成。因此，对于复杂的运动可以采用先分解后合成的方法来实现。如图 3 所示的插齿机原理示意图，插刀的基本动作有切削、展成、让刀等运动。可以看出插刀的运动方式是比较复杂的，很难构思出一个单一机构来完成这样一个复杂的工艺动作。但若将复杂的动作进行分解，如将切削运动看成是往复运动，展成运动是看成是转动，让刀运动看成是间歇往复移动，各子运动分别由不同的机构来实现，然后再将各子运动合成进行协调配合。如：转动和移动的同时实现可以利用插刀轴上的导向滑键，即在插刀因键的联接而随蜗轮一起作展成转动的同时，又可以使插刀沿插刀轴作轴向移动，两种运动各又一个机构来实现。而让刀的间歇往复运动，则可以设计成被加工齿轮与工作台一起动作的结构，其动作由另一机构来实现。最后对这 3 种子运动进行合成，同时为防止产生干涉，对切削和让刀的动作在时间上作好协调配合。图 3 插齿机原理示意图2）各子工艺动作的协调与配合按工艺动作类型，机械运动循环可分为两种，即可变运动循环和固定运动循环。其中可变运动循环是指各执行机构的运动是彼此独立的，或其运动规律是非周期性的，如起重机对重物的起吊和对重物的水平移动动作。对于这类运动5循环，设计时可不考虑动作间的协调配合问题。而固定运动循环则是指各执行机构的运动是周期性的，各运动关系相互关联、相互制约，如插齿机的切削运动和让刀运动。对于具有固定循环特征的机械，设计时必须保证各执行机构的运动和动作的协调配合，不至于使一些动作超前、或另一动作滞后，发生运动干涉，导致机器无法正常工作。为此需要制定一个机械运动循环图，规定每个工艺动作在运动循环周期内应处的位置，并以此为依据，对各子工艺动作进行协调和配合，以确保各工艺动作的先后次序。运动循环图的制定可按下列步骤进行： （1）分析每个子工艺动作的特点，从中确定一个定标构件，以此作为其他动作的位置基准。（2）设定定标构件动作的位置起点、终点和运动循环周期。（3）分析其他动作相对于定标构件主要动作的衔接位置，并且注意两个动作衔接处要有一定的时间间隔，以避免干涉。3.机构选型及其组合协调机械的工作原理确定后，就要选择合宜的机构并对其进行组合协调来实现。此工作是机构方案设计的重要步骤。1）机构的选型 机构的选型就是在对所学的各种机构进行功能类比的基础上，根据对机械功能目标所要求的工艺动作所进行的分解，为所设计的机械选择合宜的机构类型，以此作为机构方案设计的初解。各种机构可以从有关的机构手册、图册或资料上查阅获得，为了便于机构的选型，表 1 列出了一些常用机构的类型及其主要功能。表 1.常用机构的类型及其主要功能特性机构类型 主要功能特性连杆机构：曲柄摇杆机构一般双曲柄机构正（逆）平行四边形机构双摇杆机构曲柄滑块机构可以实现定速转动、变速转动、移动、摆动；可以实现一定轨迹和位置要求如利用止点可用于夹紧、自锁装置；运动副为面接触，承载能力大；动平衡困难，不宜于用于高速。6导杆机构摇块机构凸轮机构：移动凸轮机构摆动凸轮机构可以输出任意运动规律的移动、摆动，但行程不大；若固定凸轮，从动件作复合运动，可以实现任意运动轨迹；因运动副为高副，不适用于重载。（续） 机构类型 主要功能特性齿轮机构：圆柱齿轮机构圆锥齿轮机构蜗杆蜗轮机构可实现定传动比传动，传动比准确可靠，功率和转速适应范围都很大，两传动轴可平行、相交和垂直相错。不完全齿轮机构 可实现间歇回转运动螺旋机构 可输出移动或转动，还可实现微动、增力、定位等功能；工作平稳，精度高，但效率低棘轮机构 输出间歇运动，并且形成可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载棘轮机构 输出间歇运动，并且形成可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载斜面机构 输出移动，可实现增力即夹持功能在进行机构选型时要注意一下一些问题：（1）按已拟定的工作原理进行选型时，应尽量满足或接近功能目标。能满足某种动作形式要求的机构类型可能很多，因此机构选型时应多方案进行比较，择优选用。（2）机构选型时应力求结构简单。运动链要短，构件和运动副数目要少，尺寸要适度、紧凑。这样不仅耗材少、成本低，而且还可减少机械运动时的积累误差，提高机械的运动精度和机械的效率。（3）应尽量选择易加工，且易得到较高配合精度的机构。在平面机构中，低副机构比高副机构易制造，转动副比移动副易保证配合精度。（4）高速机构应注意使其具有良好的动力特性。机构的动力特性就是在机械运转时，机械要具有良好的振动稳定性，机械的振动要处于最低水平。杆式机构高速运转时的动力特性较差，因此高速运转机械尽量不用杆式机构。若必须采用时，可采用多套机构合理布置的方法，使各套机构运转时产生的不平衡力能相互抵消达到动态平衡。例如图 4 所示用两套相同的曲柄滑块机构对称布置，可使其总惯性力得到平衡。对于凸轮机构，则应尽量避免刚性冲击和柔性7冲击。图 4 机构的平衡方法（5）应使机构具有较高的机械效率。机构的机械效率取决于机构的压力角或传动角，因此应尽量选择具有较大传动角的机构。2）机构的组合协调 机构的组合协调就是在机构选型的基础上，依据制定的运动循环图，对机构运动方案设计所确定的初解进行改造、创新、协调和配合，最后形成最终的机构运动方案图。下面举一实例分析机构的选型与组合协调问题。设计如图 5 所示简易冲床的机构运动方案。冲头的工艺动作为：冲头以较大的力向下冲压，冲头动作完成后，冲头再向上抬升，这里冲头的工艺动作较为简单，为往复直线移动，能实现这一工艺运动的常用机构见表 2。图 5 简易机床表 2 实现移动的常用机构性能特点 曲柄滑块机构 凸轮机构 齿轮齿条机构 螺旋机构运动速度 高 较高 高 一般形成大小及可调性取决于曲柄尺寸，可调行程小，可调节 不受限，可调不受限，可调动力性能 平衡困难 取决于凸轮形状 好 好机械效率 一般 一般 较高 低承载能力 高 较低 高 高8其他特性 有急回特性 可实现复杂运动规律 传动平稳 可实现自锁设具体技术指标和动力源条件如下：冲头的移动行程 H20mm，冲压行程 h6mm；冲压时冲头的压力 F 不小于 2000N，机构传动角不小于 700；动力源为电动机，可提供的驱动转矩为 15N.m。机构运动方案设计步骤如下：（1）先制定简易冲床的工艺运动循环图。设定冲头为定标构件，以冲头向下运动的起点为运动循环的起点，指定工艺循环图，如图 6 所示。图 6 简易冲床的工艺运动循环图（2）根据表 2 采取排除和逐一淘汰法进行机构选型。按行程范围，若用一种单一机构实现冲头冲压动作，表中所列的机构都可以采用，但凸轮机构的承载能力较低，采用单一机构时该机构不宜被选用；齿轮齿条机构中的齿条能作