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1 第十一章机械传动系统方案的设计 2 由若干种不同机构组合而成 能实现机械工艺过程所需运动的系统 单一的常用基本机构 机械传动系统 工程实际中 方案 方案 方案n 优化选取 创造性的工作 3 要求 1 注重多学科知识的综合应用 2 注重总结与实践经验的积累 3 充分发挥创造思维和想象能力 灵活应用各种设计方法与技巧 以便设计出新颖 灵活 高效的机械传动系统 拟定过程考虑因素 实现运动学要求 成本 重量 尺寸 机械效率 寿命等 1 执行系统的方案设计主要有功能原理设计 动作及运动设计 执行机构的型式设计 执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策 机械传动方案设计的内容 2 原动机类型的选择 机械执行系统运动方案设计执行系统是直接完成机械系统预期工作任务的部分 由一个或多个执行机构组成 执行构件的数量及运动形式 运动规律和传动特性等要求 决定了整个执行系统的结构方案 机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心 一 主要内容和过程执行系统运动方案设计 是在产品规划明确拟定了其功能目标后进行的 其过程表示在图中 功能原理设计考虑选择何种工作原理来实现机械预期的功能 采用的工作原理不同 设计出的机械会有很大的差异 因此必须根据机械的具体工作要求 如强度 精度 寿命 效率 产量 成本 环保等诸多因素综合考虑确定 尽可能多采用几个方案 动作及运动设计根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定 同一个工作原理 可以有多种工艺动作分解 不同的工艺动作分解 将会得到不同的设计结果 执行机构型式设计实现同一种运动 可以选择不同型式的机构 选用何种机构来实现所需运动 这需要考虑机构的动力特性 机械效率 制造成本等因素 执行系统的协调设计对于由多个执行构件及执行机构组合而成的复杂机械 必须使这些执行构件的运动以一定的次序协调配合 以完成预期的工作要求 机构的尺度设计对所选择的各个执行机构进行运动和动力设计 确定各执行机构的运动学尺寸 如转动副间的相对位置尺寸 移动副的导路位置 高副运动副元素的几何形状及尺寸等等 运动和动力分析对整个系统进行运动分析和动力分析 检验是否满足运动要求和动力性能方面的要求 方案评价与决策方案评价包括定性评价和定量评价 实现同一种功能要求 可以采用不同的工作原理 实现同一种工作原理 可以选择不同的运动规律 实现同一种运动规律 可以采用不同型式的机构 因此 为了实现同一种预期的功能要求 可以有多种不同的方案 机械执行系统方案设计所要研究的课题 就是如何合理地利用设计者的专业知识和分析能力 创造性地构思出各种可能的方案 并从中选出最佳方案 二 执行系统运动方案设计策略 一 功能分析与功能求解1 功能分析功能分析法是系统设计中拟定功能原理方案的主要方法 一台机器所能完成的功能 称为机器的总功能 功能分析法就是将机械产品的总功能分解成若干功能元 然后求解功能元 再将其组合 得到满足总功能要求的多种解决方案 以供评价选择 2 功能求解 根据机构的基本功能 归纳整理为功能元 任何一个复杂的机构系统所要实现的运动 都可以认为是由一些基本的功能元按一定规律组成的 根据功能元就易于找到相应的功能载体 实现功能元的求解 基本功能元及符号表示 列出功能元解的目录 为了便于设计人员进行功能原理的构思 可以将有关的功能元解 按一定的分类排序原则 用矩阵表的形式列出 注意功能求解的技巧 注意 机械执行系统的功能原理及运动方案设计的多方案性为实现同一预定的功能目标 可以选择不同的功能原理来实现 选用不同的技术原理来完成 例 齿轮加工方法无屑加工 精密铸造 粉末冶金成型 滚压成型 切削加工 成型法 展成法 成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀 展成法的滚齿和插齿 例 糖果包装机设计 例 自动输送料板的装置 工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系 实现同一机器功能时 应尽可能采用动作简单 工序少数的动作过程 例 加工内孔 例 加工平面 二 执行机构的型式设计 创新与系统的协调机械传动系统的作用就是将原动机的运动和动力传递到执行构件 执行构件的选择 就是根据拟定的工作原理和工艺动作过程 确定执行构件的数目 运动形式 运动参数 运动协调关系 这是项创造性的工作 直接影响到整个机械系统的传动方案 即使对于同一功能原理 也会有不同的运动方案 14 执行构件的运动设计 1 执行构件的数目 运动形式 运动参数 运动协调关系 取决于机械分功能或分动作的多少 两者不一定相等 要具体分析确定 如立式钻有两种方案 15 2 执行构件的运动形式和运动参数 直线运动 曲线运动 复合运动 往复摆动 每分钟转数rpm 由两个以上单一运动合成 间歇回转 停歇往复直线 停歇单向直线 沿可变曲线运动 每分钟转位次数 转角大小 运动系数 每分钟摆动次数 转角大小 行程速比系数 每分钟行程数目 大小 行程速比系数 每循环停歇次数 位置 时间 行程大小和工作速度 每次进给量的大小 16 各执行构件间运动的协调配合和机械的工作循环图 1 各执行构件间运动的协调配合关系 a 运动彼此独立无需协调配合 外圆磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立 故应为每个运动单独设计各自的运动链 17 b 动作协调配合 图示冲床的两个执行构件中 要求 送料构件将原料送入模孔上方后 冲头才可进入模孔进行冲压 图示折叠包装机构的两个执行构件中 要求 两个构件不能同时位于区域MAB中 以免干涉 当冲头上移一段距离后 才能进行下次送料动作 18 c 各执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时 刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比 对于有运动协调配合要求的构件 往往采用以一台原动机 通过传动系统分配运动 实现协调动作 19 2 机械的工作 运动 循环图 定义 设计机械时 用以表示机械在一个工作循环过程中 各执行构件之间运动配合关系的图形 定标件 用其运动位置 转角或位移 作为确定其它执行构件运动先后次序的基准 形式 直线式 圆周式 直角坐标式三种 直线式工作循环图 此例中主轴作为定标件 20 圆周式工作循环图 图示为单缸四冲程内燃机的工作循环图 曲轴为定标件 转2圈为一个工作循环 21 直角坐标式工作循环图 饼干包装机工作循环图中 横轴表示定标件的转角 纵轴表示执行构件的转角 两个构件不能同时位于区域M把MAB中 以免干涉 22 常用机构 1 传递连续回转运动的机构 啮合传动机构 连杆机构 摩擦轮传动 蜗杆传动 链传动 平行四边形机构 23 2 实现单向间歇回转运动的机构 棘轮机构 齿轮 连杆机构 不完全齿轮机构 凸轮式间歇运动机构 适用于转角固定的转位运动 每次转角小 或转角大小可调的低速场合 大转角而速度不高的场合 运动平稳 分度 定位准确 但制造困难 高精度定位 高速场合 特殊要求的输送机构 24 3 实现往复移动往复摆动运动的机构 凸轮机构 组合机构 螺旋机构 齿轮齿条机构 液压缸 气缸 正弦机构 正切机构 六连杆机构 连杆机构的特点 制造容易 承载能力大 但难以实现精确运动 适用于无严格运动规律的场合 凸轮机构的特点 能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调 承载能力不大 螺旋机构的特点 可获得大的减速比和较高的运动精度 常用作低速进给和精密微调机构 齿轮齿条机构的特点 适用于移动速度较高的场合 精密齿条制造困难 传动精度及平稳性不及螺旋机构 25 凸轮机构的推杆行程一般较小 否则会使压力角过大或尺寸过大 连杆机构可以获得较大行程 但不能太大 否则机构尺寸会过于庞大 齿轮齿条机构或螺旋机构可满足大行程的要求 4 再现轨迹的机构 齿轮 连杆组合机构 联动凸轮机构 凸轮 连杆组合机构 一般而言 除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外 其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹 26 齿轮 连杆组合机构 作者 潘存云教授 搅拌机构 联动凸轮机构 27 机构的变异 当所选机构不能满足机械提出的运动和动力要求时 或者为了改善所选机构的性能或结构时 可以通过改变机构中某些构件结构形状 运动尺寸 更换机架或原动件 增加辅助构件等方法获得新的机构或特性 此称为机构的变异 构件结构形状 运动尺寸 更换机架或原动件 增加辅助构件 目的 获得新的机构或特性 已满足使用要求 机构的变异 1 改变构件结构形状 若将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽 运动到左侧时 可获得较长时间的停歇 28 2 改变构件运动尺寸 3 选不同的构件作为机架 机构的倒置 29 4 选不同的构件作为原动件 双摇杆机构中 选连杆作为原动件 可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动 5 增加辅助构件作为原动件 图示手动插秧机分秧 插秧机构中增加了一个辅助构件 活舌3 从而使M点实现预定轨迹 30 机构的串联组合 机构的组合 为了实现执行机构的运动形式 运动参数以及运动协调关系 或者为了改善机械的动力特性 需要将选定的各种机构组合在一起 前一个机构的输出 作为下一个机构的输入 依次串联 一般串联组合 后一级机构的主动件固连在前一级机构的一个连架杆上 特殊串联组合 后一级机构的主动件串接在前一级机构的一个连杆上 31 织布机开口机构 M点通过直线段时 从动导杆作较长时间的停歇 齿轮机构与连杆机构的串联组合 行星轮上各不同点的轨迹是各种内摆线 故选择不同点C可使从动杆4获得不同的运动规律 特殊串联组合的表示符号 32 机构的并联组合 一个机构产生若干个分支后续机构 或若干个分支机构汇合后于一个后续机构的组合方式 一般并联组合 各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系 各分支部分可独立设计 某航空发动机附件传动系统 33 特殊并联组合 各分支机构间有严格的运动协调配合关系 a 有速比要求 各分支部分常共用一台原动机 或集中数控 各部分严格按速比设计 b 有轨迹配合要求 图示联动凸轮机构中 两个分支凸轮共同驱动一个从动件 实现矩形轨迹完成送料 圆珠笔芯自动送料机构 34 c 有时序要求 各分支机构在动作的先后次序上有严格的要求 如自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求 35 d 有运动形式配合要求 左图所示搅拌机除了E点按曲线运动外 还要求搅拌釜作自旋运动 但两者无速比要求 搅拌机构 如右图磨床中的主轴回转 砂轮回转 工件进给也属于运动形式上的配合 36 三 机械传动方案的评价 1 评价指标 机械功能的实现质量 精确性 稳定性 适应性 扩展性 机械工作性能 运转的平稳性 传力性能 承载能力等 机械的动力性能 冲击 振动 噪声 耐磨性能等 机械的经济性 设计工作量大小 制造成本 维修难易 能耗等 机械结构的合理性 复杂程度 尺寸及重量大小等 37 建立评价质量指标体系 根据评价对象的特点 确定用哪些指标来衡量各方案的优劣 如冲床的增力性能 急回性能 传力性能 承载能力 等等 2 评价方法 记分法 为每个指标确定分值 总分定为100分 其余各指标按重要程度分配 聘请专家评分 采用五级制 00 250 50 751分别对应于 很差 差 一般 较好 很好 统计得分 计算分项平均值和总分平均值 按总得分进行排序 确定最佳方案 步骤 38 1 执行系统的方案设计主要有功能原理设计 动作及运动设计 执行机构的型式设计 执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策 机械传动方案设计的内容 2 原动机类型的选择 39 往复摆动 电动机 气缸 往复直线 原动件的类型及其运动参数的选择 液压马达 气动马达 气动马达 直线电机 柴油机 燃气轮机 直流电动机 交流变频变速电动机 伺服电动机 步进电动机 力矩电动机 交流异步电动机的运动参数 同步转数 3000 1500 1000 750 600rpm 40 三 机械传动系统方案的拟定 一 拟定机械传动方案的一般原则 1 采用尽可能短的运动链 理由 降低重量和制造成本 提高效率 减少累计误差 方法 在无严格速比要求时 各分支选用独立原动机 2 优先选用基本机构 理由 基本机构结构简单 设计方便 技术成熟 在不满足要求时 才考虑变异或组合 3 应使机械有较高的机械效率 4 合理安排不同类型传动机构的顺序 转变运动形式的机构 如凸轮机构 连杆机构 螺旋机构等 通常安排运动链的末端 与执行机构靠近 41 带传动和摩擦传动一般应安排转速较高的运动链的起始端 以减小传动的扭矩 并减小外形尺寸 5 合理分配传动比 1 每一级传动比应在合理范围内选取 2 减速传动时 按前小后大的原则分配 有利于减小尺寸 42 6 保证机械的安全运转 为防止倒转可采用自锁装置或制动器 防止过载损坏可采用摩擦传动或安全联轴器 二 拟定机械传动方案的方法 功能分解组合法 基本思路 将总功能分解成若干分功能 再细分解成功能元 为每一个功能元选择一个完成此功能的机构 将各种机构加以适当组合或变异得到一个运动方案 由于实现元功能的机构是多样的 根据排列组合原理可得到若干种运动方案 总功能 加压执行机构上下运动时 能锻出精度较高的毛坯 要求 驱动轴水平放置 加压执行构件竖直方向运动 例精锻机主机构 执行机构应具有的分功能 运动形式变换功能 运动轴线变向功能 运动位移或速度缩小功能 根据以上分析 可以得出加压执行机构总体功能的功能转换形态学矩阵 加压执行机构功能形态学矩阵 满足精锻机功能要求的六种基本功能结构 精锻机的四种方案 47 冲头功能细分 往复运动 增力 急回 减速 送料功能细分 间歇送料 1 往复运动 增力 急回功能元可用以下两种机构来实现 凸轮机构 例 48 2 为了实现冲头的减速功能 可以采用如下方案 两级带传动 两级齿轮传动 3 为了实现间歇送功能料 可以采用如下方案 将上述各种机构进行组合 就能得到多种方案 49 机械传动系统设计举例 一 C1325自动车床刀架机械传动系统的分析 1 功能分析 功能要求 自动换刀 并能沿工件轴向完成进给运动 50 功能要求 自动换刀 轴向进给 功能分解 转位 转塔刀架每次转过60 让刀 转位前刀架先右退 以免刀具与工件干涉 定位 将保证加工精度的定位销 转位之前拔出 进 退刀 不转时 精确实现预定的进退刀运动 51 退刀 压簧12 推杆13回程 齿轮6 齿条7 活动支架8向右完成退刀 2 刀架机械传动系统的工作过程 在一组刀具加工完毕后 让刀 退刀的同时 齿轮1的离合器结合并开始转动 过宽齿轮2 圆锥齿轮3 圆柱凸轮机构4 拔出销10 同时 曲柄5旋转 支架8快速向右让刀 52 转位 让刀快结束时 槽轮开始转位 曲柄5的后半圈 支架8向左移动完成复位 2 刀架机械传动系统的工作过程 定位 转位结束时 凸轮机构4的推杆摆动 插入定位销10 齿轮1离合器脱开并停止运转 53 转位 2 刀架机械传动系统的工作过程 定位 进给 推杆13推程 齿轮6 齿条7 活动支架8向左完成进给 之后进入下一个循环 54 刀架机械传动系统的工作循环图 55 组合方式分析 组合方式主要以串联方式为主 但在I II处采用了特殊的并联方式 3 刀架机械传动系统各机构的组合方式及特点 机构功用分析 进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程 不同的工件需要更换不同的凸轮 后续串联的齿轮齿条是为了转换运动形式并放大 后续再串接一个曲柄滑快机构 以增大让刀距离 56 后续再串接一个曲柄滑快机构 以增大让刀距离 圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构使为了改变运动方向 另外一条传动路线中 后并接槽轮机构使为了实现转位 并接曲柄滑块机构使为了实现让位 并接圆柱凸轮机构再串接连杆机构是为了实现定位 且容易满足时序要求 57 设计任务 设计一台自动钻床 用来同时加工图示零件上的三个孔 并能自动送料 1 确定工作原理 二 多头专用钻床机械传动系统设计 一般的钻床多采用第一种方案 但本例是三轴专用钻床 因工件小 工作台轻 移动工作台比移动三轴容易 故采用第二种方案 钻削工艺 钻头一边旋转 同时相对于工件作移动 三种运动方案 钻头旋转 同时轴向进给 工作台静止 钻头旋转 工作台带动工件进给 工作台旋转 钻头作轴向进给 如车床上钻孔 58 送料机构可以采用从料仓推送工件的方式 三个执行构件 钻头 工作台 送料杆 2 执行构件的运动设计 工艺过程 送料杆往右推出零件 并顶出加工好的零件 夹具将工件定位 并夹紧 送料杆返回 工作台带动工件快速上移接近钻头 工作台慢速工进 钻孔结束后 工作台快速退回 完成一个循环 59 钻头的转速 nc 1000v d 其中 d 钻头直径 d 8mmv 切削速度 查手册45钢 可选v 12 5m min 代入得 nc 500rpm 工作台为往复运动 钻孔工艺要求 工作台带动工件快速上移接近钻头 工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔 待钻到一定深度时 三个钻头才同时钻进 因工作阻力增加 故进给速度应减小 钻孔结束后 工作台快速退回 完成一个循环 设工作台完成一个工作循环所需的时间为T1 则有 T1 t1 t2 t3 t4 t5 60 其中 t1 单孔钻削时间 设单孔钻削每转进给量为s1 0 2mm r 单孔钻削深度为10mm 并考虑3mm的提前工作量 求得 t2 三孔同时钻削时间 设进给量为s1 0 16mm r 单孔钻削深度为10mm 并考虑3mm的越程量 求得t2 10 3 s2nc 0 163min 9 8s t3 快速接近时间 取t3 1 5s t4 快速退回时间 取t4 2 5s t5 工作台停歇等待更换工件时间 取t5 3s 工作台一个工作循环总时间 T1 t1 t2 t3 t4 t5 24 6s 工作台每分钟工作循环数 n1 60 T1 2 44 t1 10 3 s1nc 0 13min 7 8s 61 送料杆的运动为往复直动 循环时间与工作台相同 Ts 24 6s 工作台的行程 Hf h0 h1 h2 h0 工作台快速趋近钻头的运动距离 取h0 15mm 41mm h1 单孔钻削深度 取h1 13mm h2 三孔同时钻削深度 取h0 13mm 送料杆的行程取工件的两倍 Hs 100mm 送料杆的运动与工作台的运动必须协调 而钻头的旋转与送料杆和工作台之间的运动是独立的 工作循环图 62 类型 交流异步感应电动机由机床的工作要求确定 为了减少原动机的数量 三个钻头共用一个原动机 3 原动机的选择 4 计算运动链的总传动比 切削运动链的总传动比 ic nn nc 1440 500 2 88 进给运动链的总传动比 if is nn nf 1440 2 44 563 5 机构选型 转数 额定转数 nn 1440rpm 1 切削运动链的设计 钻头作连续回转运动 运动链的总传动比为2 88 无需运动转换 但需要减速 63 三个钻头应同向旋转 且各钻头之间的距离很小 即要求具有运动分解功能 其尺寸受到限制 电动机轴一般为水平放置 与钻头的方向不一致 即要求具有改变运动轴线方向的功能 机构选型 具有减速功能的传动有 齿轮传动 带传动 链传动 考虑到速度较高 距离较远等因素 此处选用V带传动 电动机与钻头之间有较大的传动距离 即要求运动链作远距离传动 能变换运动轴线方向的传动有 圆锥齿轮传动 交错轴斜传动 蜗杆传动 考虑到两轴线垂直相交且传动比较小 此处选择圆锥齿轮传动 64 三个钻头应同向旋转 此处选择一个中心齿轮带动周围三个从动齿轮的定轴轮系 选用万向联轴节或钢丝软轴将运动传递给钻头 2 进给运动链的设计 工作台作往复直线运动 且运动规律较复杂 但行程不大 此处选用凸轮机构 将以上所选机构经适当组合 就得到钻削运动链 进给运动链应实现很大的传动比563 但进给力不需要太大 选用带传动与蜗杆传动实现二级减速 进给运