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1 第3章机械系统运动方案设计 2 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 3 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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3 6带式输送机原理图 图3 7螺旋输送机原理图 19 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 20 工艺动作设计原则 1 工序集中原则 图3 9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 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 27 3 3 3执行机构型式设计 3 机构的构型 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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程段及其所需时间 绘制机械运动循环图 确定各执行构件动作间的协调配合关系 运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制 33 图3 19牛头刨床原理图 a 直线式 b 圆周式 c 直角坐标式 牛头刨床的机械运动循环图 34 3 4原动机的选择与传动系统设计 3 4 1原动机的选择1 原动机的类型 一般地说 应首选电动机 但也并非尽然 在满足工作性能要求 现场允许的条件下 有时也用液压或气压驱动源 35 2 电动机的选择电动机是已经系列化的产品 要根据工作载荷大小及性质 转速高低 起动特性 过载情况 工作环境 安装要求及空间尺寸限制和经济性等要求 从产品目录中选择电动机的类型 结构列式 容量 功率 和转速 最后确定具体型号 1 选择电动机的类型和结构型式如无特殊要求 一般选用Y系列三相交流异步电动机 常用Y系列三相异步电动机的技术数据和外形尺寸见相关机械设计手册 3 4 1原动机的选择 36 2 电动机的选择 2 电动机容量的确定选择电动机容量时应保证电动机的额定功率Ped等于或稍大于电动机的实际输出功率Pd 即 电动机的实际输出功率为 传动系统的总效率 37 2 电动机的选择 3 确定电动机的转速额定功率相同的同类型电动机 有几种转速可供选用 如三相异步电动机就有四种常用的同步转速 即3000r min 1500r min 1000r min及750r min 设计中如无待殊要求 一般选用同步转速为1500r min或1000r min的电动机 电动机的类型 结构 输出功率Pd和转速确定后 可由标准中查出电动机型号 额定功率 满载转速 外形尺寸 电动机中心高 轴伸长度 键连接长度等 将这些参数列表备用 38 传动系统通常有机械式 液压式 电气式等几种形式 3 4 2传动系统设计 39 按传动比和输出速度的变化选择传动机构 40 41 传动系统设计步骤 42 金属卷带间歇供送装置的传动示意图1一偏心轮2一连杆 下端为球面副 3 4 摆杆套环5一星轮6 7 牵引棍8一制动器9 ll一带轮10一同步齿形带12一蜗形凸轮13一滚子轮采用传动方案 b 定位精度高 并且运行平稳 噪声轻微 生产率高 其主要原因 在于两者所选的传动类型不同 以致运动和动力特性和实际工作效果也有所区别 传动类型的选择 43 传动链中机构的顺序安排 传动链中机构顺序安排应考虑相关原则 见教材 机构的顺序安排失误案例分析 输送机传动方案错误 44 3 5机械系统运动方案初步拟定 3 5 1机械系统运动方案图按比例尺绘制机械系统运动方案简图 以反映各机构的运动尺寸和几何形状 对于运动情况比较复杂的机械系统 机械系统运动方案图可以采用斜轴测投影图表示 使其比较清晰 直观 图3 28某电动卷扬机的传统系统 45 3 5 2总体布置 总体布置应有全局观念 考虑机械系统的内部因素 以及人机关系 环境条件等外部因素 应按照简单 合理 经济的原则 确定机械中各零部件之间的相对位置和运动关系 总体布置时一般先布置执行系统 然后再布置传动系统 操纵系统 控制系统及支撑系统等 46 3 5 2总体布置 1 总体布置的原则 1 保证工艺过程的连续性 2 保证平衡稳定的工作 3 保证机械系统的精度指标 4 保证机械系统结构紧凑 层次分明 5 保证操作 调整 维修方便 6 力求造型美观 装饰宜人 7 充分考虑机械产品的标准化 规格化 系列化和未来发展的要求 47 2 执行系统的布置 根据拟定的工艺要求 将执行构件布置在预定的工作位置后 再布置原动件及中间连接件 执行系统布置时应注意以下问题 1 尽量减少构件和运动副数目 缩小构件尺寸 尽量减少磨损和变形 构件受力以拉 压为主 2 使原动件尽量靠近执行机构 尽量将各原动件集中在一根轴或少数几根轴上 对外部的执行机构应将原动件隐蔽布置 以提高操作时的安全性 3 在布置执行构件和中间连接件时 应考虑作业对象装夹和传送时的方便与安全 48 3 传动系统布置 在布置传动系统时要考虑以下原则 1 简化传动链 2 合理布置传动链 图示滚齿机工作台的传动机构中为了精确分度 将蜗杆蜗轮机构布置在传动系统中的最后一级 49 布置方案的选择 多方案比较选优 1 结构简单 2 布置对称 3 结构紧凑 50 3 6尺度设计 根据各执行构件 原动件的运动参数 以及各执行构件运动的协调配合要求 同时考虑动力性能要求 确定各机构中构件的几何尺寸 机构的运动尺寸 或几何形状 如凸轮的轮廓曲线 等 根据对各机构尺度综合所得的结果 要从运动规律 动力条件和工作性能等多方面进行综合评价 修正 确定合适的机构运动尺寸 然后绘制出机构运动简图 表达各构件的运动尺寸和几何形状 对连杆机构 凸轮机构 齿轮机构和间歇运动机构等常用机构的尺度设计参见机械原理教材 51 3 7运动与动力分析 机械系统的运动与动力分析包括机构运动分析 动力分析 周期性速度波动调节 机械的平衡等 检验设计的机械系统运动方案是否满足运动要求和动力性能要求 是否发生干涉 确定机构运动所需的空间大小 为机械系统运动方案评价提供基础 52 3 7 1机械系统的运动分析 机械运动分析是计算机械系统运动方案在一个运动循环中从动件的位移 包括轨迹 速度和加速度等随原动件位置参数的变化情况 通过对机构的位移和轨迹分析 考察某构件或构件上某点能否实现预期的位置和轨迹要求 确定从动件行程所需的运动空间 判断机构运动过程中是否可能发生干涉 或为确定机械的外壳尺寸提供依据 通过速度分析可以了解从动件的速度变化能否满足工作要求 是否具有要求的急回特性 为了确定惯性力 并在此基础上对机械的惯性力进行平衡 必须对设计的机构进行加速度分析 53 3 7 1机械系统的运动分析 机械设计综合实践课程要求 应用解析法推导从动件运动参数的解析式 编程计算在一个运动循环中从动件的位移 速度 加速度以及机构的压力角等参数 打印计算结果 并绘制输出构件的位移 速度 加速度变化曲线 对计算结果进行简要分析 从运动性能方面对设计的运动方案进行简要评价 若发现问题 应修正机构的尺度 并对修正后的运动方案进行下一轮的运动分析 54 3 7 2机械系统的动力分析 机械设计综合实践课程要求 对所设计的机械系统运动方案进行动力分析 计算在一个运动循环中系统所需的驱动力矩和等效阻力矩 绘制等效驱动力矩和阻力矩变化曲线 确定系统所需的电动机驱动功率 对计算结果进行简要分析 从动力性能方面对所设计的运动方案进行简要评价 若所设计的机械系统具有周期性速度波动 应考察速度波动系数是否在许可的范围内 如需安装飞轮抑制速度波动 先计算最大盈亏功 求出系统所需的飞轮最小转动惯量 55 3 8机械系统运动方案的评价与决策 3 8 1评价指标系统功能 实现运动规律或运动轨迹 实现工艺动作的准确性 特定功能等 运动性能 运转速度 行程可调性 运动精度等 动力性能 承载能力 增力特性 传力特性 振动噪音等 工作性能 效率高低 寿命长短 可操作性 安全性 可靠性 适用范围等 经济性 加工难易 能耗大小 制造成本等 结构紧凑性 尺寸 重量 结构复杂性等 56 表3 9四种典型机构的性能和评价 57 3 8 2评价体系 根据评价指标所列的具体项目 通过一定范围的专家咨询 确定评价方法并逐项分配评定的分数值 表3 10机构选型的评价体系 58 3 8 3评价方法 1 经验性的概略评价法 2 计算性的数学分析评价法评分法技术 经济评价法模糊评价法 3 实践性的试验评价法其中评分法最为简单 评分法又分为加法评分法 连乘评分法和加乘评分法 本课程要求采用简单的加法评分法对机械系统运动方案进行评价 59 表3 11机械系统运动方案的评价 60 61 3 8 4机械系统运动方案的决策 设计 评价 再设计 再评价 直到达到最优方案 62 申永胜 机械原理教程 北京 清华大学出版社 1999曾惟