机械运动方案设计.ppt

第8章机械运动方案设计 8 1机械运动系统方案设计的内容8 2机械运动系统功能结构的建立8 3确定机械运动系统的工作原理8 4执行系统的运动规律设计8 5机构选型及其系统组成8 6执行系统间运动的协调设计和运动循环图8 7方案评价与决策 运动方案设计的必备知识充分了解并掌握各种常用机构的基本知识必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息充分重视其它学科的技术应用 方案设计阶段是决定产品性能 成本及竞争能力的关键环节 8 1机械运动系统方案设计的内容 机械系统是由动力系统 传动系统 执行系统以及控制系统组成 例 全自动洗衣机 机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节 所谓运动方案的设计 即是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思 经过参数计算与选择用机构运动简图表示出来 8 1 2机械运动系统方案设计的流程 机械产品的设计开发一般要经过产品规划 方案设计 技术设计 施工设计等几个阶段 机械执行系统方案设计是机械系统方案设计的核心 机械执行系统方案设计的过程主要包括七个步骤 1 功能原理设计 2 运动规律设计 3 执行机构型式设计 4 执行系统协调设计 5 机构尺度设计 6 运动和动力分析 7 方案评价与决策 机械预期实现的功能要求 使用要求或者工艺要求 功能原理设计 运动规律设计 工艺动作分解和运动方案选择 执行机构型式设计 执行系统协调设计 运动循环图设计 机构尺度设计 运动和动力设计 运动分析和动力分析 方案评价 绘制执行系统运动简图 构思新功能原理 构思新运动规律 改变机构型式 改变机构参数 改变设计策略 不满足要求 功能原理设计 所谓功能原理设计即根据预期实现的功能考虑相应的原理 功能原理设计思路是 分析功能要求 根据功能要求提出可能实现它的功能原理 常用的功能原理有 摩擦传动原理 流体传动原理 电磁传动原理 机械推拉原理 材料变形原理 光电原理 其它原理 例 取纸器预期实现的功能是 办公室取便条用 每次取一张 要求 取用方便 美观 成本低 可以采用的功能原理有 摩擦力 静电吸力 切向力等原理实现分纸要求 实现同一功能 可以选择的原理很多 选择的功能原理不同 所设计的机械在工作性能 工作品质和适用场合等方面就会有很大的差异 返回 运动规律设计即决定实现工作原理选择何种运动规律 运动规律设计思路是 通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解 得到相应的运动规律 例取纸器的运动规律设计 假设 我们选定的功能原理是摩擦力原理 可以实现该功能原理的运动规律有 平面摩擦 曲面摩擦实现 可见相对同一原理 可以选择的运动规律也很多 返回 执行机构型式设计即决定实现上述运动规律选择何种执行机构实现 常见的机构形式有 连杆机构 凸轮机构 其它机构 机构组合 机构变异 例分纸器的执行机构型式设计 可以实现其运动规律的机构有 凸轮摩擦机构 摇杆滑块摩擦机构 返回 8 2机械运动系统功能结构的建立 一台机器所能完成的功能 则称为机器的总功能 在实际工作中 要设计的机械产品往往比较复杂 难以直接求得满足总功能的功能原理方案 因此必须采用系统分解的原理进行功能分解 将总功能分解为多个功能元 再分别对这些较简单的功能元求解 然后利用组合的方法 形成多个对总功能求解的功能原理方案 8 2 1建立机械运动系统功能结构的步骤1 确定总功能在此阶段 设计者从设计任务出发 通过对机械运动系统进行合理的抽象来确定设计任务的核心 最终提炼出实现本质功能的解 2 功能分解功能分解是指将总功能分解为分功能 再将分功能继续分解至不可再分的基本功能 3 功能合成功能合成是指将分功能与基本功能合成简单 明确的功能结构 一 功能原理的构思与选择 功能原理设计的任务 就是根据机械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 功能原理设计是机械执行系统方案设计的第一步 实现同一功能要求可以选择许多不同的工作原理 相应的 执行系统的方案就必然不同 例 自动运送料板的装置的功能原理构思 实现自动送料可以有摩擦传动原理 机械推拉原理 气吸原理 磁吸原理等五 六种原理之多 8 3确定机械运动系统的工作原理 用顶吸法吸走顶部一张料板 分析 要求吸头做L形运动 还要有附加的气源 用底部气吸法吸出料板的边缘 然后夹走 分析 要求吸头做L形运动 还要有附加的气源 将料板从底部推出 然后用夹板抽走 分析 运动规律简单 但要求料板必须有一定的厚度 用摩擦板从顶部推出一张料板 然后夹走 需要实现摩擦板的接近料板运动 送料运动和回退运动等 规律复杂 用摩擦轮将料板从底部滚出 然后夹走 需要实现摩擦轮的接近料板运动 送料运动和回退运动等 规律复杂 在进行机械的功能原理设计时一定要根据具体的使用要求 对各种可能的功能原理进行分析比较 确定既能很好的满足机械预期的功能要求 工艺动作又可简便实现的最佳工作原理 二 功能原理的创造性 由于实现同一功能要求可以采用多种不同的工作原理 因此功能原理设计的过程是一个创造性的过程 分析综合法 所谓分析综合法是 将机械预期实现的功能分解为各种分功能 分析其本质 进行各分功能原理设计 最后把分功能原理组合起来 组成一个新的系统 将机械预期实现的功能分解为各种分功能 分析其本质 进行各分功能原理设计 最后把分功能原理组合起来 组成一个新的系统 阿波罗宇宙飞船技术中没有一项是新的突破 都是现代技术 问题是怎样将它们精确无误的组织好 实行系统管理 优秀的组合也是一种创新的体现 这就是分析综合法的精髓 思维扩展法 功能原理设计是一个创造性过程 没有发散思维就很难有新的发现 在功能原理设计中 有些功能用机械装置是难以完成的 因此要尽量选择先进 简单 廉价的技术 比如在设计挖土机时 遇到这样的一个问题 推土机挖掘湿的泥土 泥土会粘在挖斗中 不易倒出 通常的解决思路是设计一套清扫装置 但这会增加了装置的复杂程度 有人采用发散思维 提出可采用一种和泥土的摩擦系数小的材料做挖斗的表面材料 从而把问题转到对新材料的探寻上 还原创新法 所谓还原创新法 是已有的创造起点 重新返回到创造的原点 紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径 构思新的功能原理 衣机的发明就是一个利用还原创新极其成功的例子 洗衣机的创造的起点是 在不损伤衣物的前提下 将赃物从衣物上分离出来 揉搓原理 要设计模仿人手的机械手 难度大刷擦原理 很难把衣物各处都刷洗到捶打原理 易损坏衣物 后来 人们跳出传统的洗衣方法 从洗衣预期实现的功能要求出发 利用一个波轮在水中旋转 形成涡流来翻动衣物 达到清洗的目的 这就是著名的漂洗原理 它不仅结构简单 而且安全可靠 8 4执行系统的运动规律设计 一 工艺动作分解和运动方案选择 根据机械预期实现的功能要求确定了工作原理后 接下来就是进行运动规律设计 即根据功能原理提出的工艺动作 进行运动分解 构思出恰当的运动规律 运动规律设计的根本目的 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 然后从中选择最为简单适用的运动规律 作为机械的运动方案 实现一个复杂的工艺过程 往往需要多种动作 而任何复杂的动作都是由一些最基本的运动合成的 所谓运动规律设计就是对工艺方法和工艺动作进行分析 把其分解成若干个基本动作 例 设计一台加工内孔的机床 加工内孔机床的运动规律设计 从上面的的例子 我们可以看到 实现同一个工艺动作 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 它们很大程度上决定了机械的特点 性能和复杂程度 此外运动规律的设计中 还要注意其变化规律的特点 即运动过程中速度和加速度变化的要求 运动规律设计的创造性 如前所介绍的 实现同一工作原理可以采用不同的工艺动作分解方法 设计出不同的运动规律 因此 运动规律的设计也是一种创造性的工作 如果在设计中缺乏创新性 就难以设计出结构简单 性能良好 具有竞争力的新产品 同功能原理设计一样 运动规律设计的创新方法也有多种 常用的有 仿真法 所谓仿真法就是模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解 构思出实现某一工作原理的运动规律 挖土机 其运动规律就是完全模仿人手挖土的工艺动作 它由上臂 肘 挖斗等组成 是一个很成功的设计 思维扩展法 并不是在任何情况下 仿真法都可以成功的 思维扩展法仍是一个很重要的创新方法 这里的思维扩展法是跳出原有的运动规律的设计模式 考虑新的运动规律 某滚珠轴承厂要设计一台对滚珠的真圆度 表面粗糙度 材料均度等进行综合检查的装置 用仿真法 要考虑滚珠的送料运动 直径的测量运动 粗糙度的检验动作等 运动规律必定异常复杂 根据思维扩展法 考虑到被检测对象的运动 利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格 设计一个检验不同直径的钢珠的装置 为了避免对钢珠直径的反复测量的这一动作 运用思维扩展法 让钢珠也参与到运动规律的设计当中去 设计出如下所示的钢珠选择装置 设计计算机的绘图机 根据计算机的命令 绘制任意形状的平面曲线 绘图笔和绘图纸之间的相对运动 可以分解为两个方向 纵向和横向的 两个方向的合成可以绘出任意形状的平面图形 工艺动作分解的不同 所形成的运动方案也不同 8 5机构选型及其系统组成 一 执行机构型式设计的原则 1 满足执行构件的工艺动作和运动要求 满足执行构件所需的运动要求 包括运动形式 运动规律或运动轨迹方面的要求 是执行机构形式设计时首先要考虑的最基本因素 2 设计机械时 在满足工作要求的前提下 总希望机械结构紧凑 尺寸小 重量轻 所以我们应该尽量减小机构的尺寸 对于曲柄滑块机构来说 曲柄为回转件 占有较大空间 故我们希望减小曲柄的长度 利用杠杆行程放大原理 利用活动齿轮倍增行程原理 3 机械具有调节某些运动参数的能力 在某些机械的运转过程中 有些运动参数需要经常调节 而另一些机械中 虽然不需要在运转过程中调节运动参数 但为了安装调试方便 也需要机构中有调整环节 如下图 我们得到具有调节滑块最大行程功能的机构 摆杆1可绕铰链转动 它所处的位置不同 滑块的最大行程也随之变化 摆杆1调到合适的位置后锁紧 则机构只有一个自由度 此时滑块2在1上上下滑动 4 尽量简化和缩短运动链 选择较简单的机构 实现同样的运动要求 应尽量采用构件数和运动副数最少的机构 这样可以 降低成本 减轻重量 减少摩擦损耗 提高效率 减少运动链累积误差 提高传动精度和可靠性 提高系统刚性 5 选择合适的动力源 有利于简化机构结构和改善机械性能 当有气 液源时 常采用气动和液压机构 这样既可以简化机构结构 省去许多电动机 传动机构或转换运动的机构 又有利于操作 调速和减振 6 选择合适的运动副形式 运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要作用 它直接影响到机械的结构形式 传动效率 寿命和灵敏度等 一般来说 转动副易于制造 易于保证运动副元素的配合精度 且效率较高 移动副制造较困难 不易保证配合精度 效率低且易自锁或楔紧 故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合 7 使执行系统具有良好的传力条件和动力特性设计时 应注意选用具有最大传动角 最大增力系数和最高效率的机构 这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量 应尽量避免采用虚约束 高速运转机构应考虑平衡设计等 8 保证机械的安全运转必须考虑防止出现机械意外损坏或生产 人身事故 例如可以采取具有过载保护功能的带传动 设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构等 二 机构的选型 所谓机构的选型 是利用发散思维的方法 将前人创造发明的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类 然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索 选择 比较和评价 选出执行机构的合适形式 机构选型的方法 1 按照执行构件所需的运动特性进行机构选型 例 往复移动曲柄滑块机构 移动导杆机构 正弦机构 移动从动件凸轮机构 齿轮齿条机构 楔块机构 螺旋机构 气动 液压机构等 2 按照动作功能分解与组合原理及型机构选型 任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的这些基本机构具有下图所示的进行运动变换和传递动力的基本功能 总体功能可以分解成若干分功能 这样的分解可用下式表达 U Ui i 1 2 m即总体功能U是由若干个分功能Ui组成的 而每一个分功能又可以用不同的机构来实现 即Tj ti1 ti2 tin j 1 2 n式中 Tj为能够完成该分功能的机构的集合 Tij为对应于一个能完成分功能Ui的机构 n为能实现该分功能的机构数目 若用Ui定义行 Tj定义列 tij为元素构成矩阵 则可得如下的功能 技术矩阵 由于总体功能是由若干个分功能组成的 因此 只要在矩阵的每一行任找一个元素 把各行中找出的机构组合起来 就组成一个能实现总体功能的方案 故在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为N nm 例题 精锻机主机构的总体功能 当加压执行构件 冲头 上下运动时 能锻出较高精度的毛坯 根据空间条件 驱动轴必须水平布置 加压执行构件沿铅垂方向移动 试构思该执行机构的若干方案 解 第一步 首先进行动作功能分解 根据题目要求 该执行机构应具有以下功能 1 运动形式变换功能将驱动轴的转动变换为冲头的移动 2 运动轴线变向功能将水平轴运动变换为铅垂方向运动 3 运动位移或速度缩小功能减小位移量 或速度 以实现增力要求 第二步 构思出完成加压执行机构总体功能的功能 技术矩阵图 第三步 将各分功能进行组合 得出可行方案 在每种确定的顺序下 可得到63 216种方案 剔除不合理的方案 按上节所述原则并结合精锻机的具体情况 选择合适的方案 做进一步评价 例如 若要机构尽可能简单 则可选择矩阵的第一列 连杆机构 和第二列 凸轮机构 由于它们都同时兼有这三种基本功能 故只需选择一个机构 就能完成设计要求的三种功能 这是最简单的方案 但是 由于凸轮机构是高副接触 接触点压力过大 故不宜采用 曲柄滑块机构的刚度较差 也不宜用在高精度的精锻机上 因此还要选择其它方案 三 机构的构型 在根据执行构件的运动特性或功能要求采用类比法进行机构选型时 若所选择的机构型式不能完全实现预期要求 或虽能实现功能要求但存在着或结构复杂 或运动精度不当和动力性能欠佳 或占据空间较大等缺点 在这种情况下 设计者需要采用另一途径来完成执行机构的型式设计 即先从常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构 然后在此基础上重新构筑机构的型式 这一工作称为机构的构型 它是一项比机构选型更具创造力的工作 机构创新构型的过程 机构创新构型的常用方法 一 扩展法扩展法是根据机构组成原理创新机构的一种方法 当用类比法选择的基本机构雏形在满足运动特性或功能上有欠缺时 可以以此机构为生长点 在其上联接若干基本杆组构筑出新的机构形式 这种方法的优点是在不改变机构自由度的情况下 能增加或改善机构的功能 例如 设计一个急回特性比较显著 运动行程比较大的执行机构 通过类比法 可以得到摆动导杆机构 但其运动行程不够大 需要以它为雏形进行扩展 以摆动导杆机构ABC为基本机构 在其导杆CB的延长线上D点处连接一个双杆组 形成如图所示的六杆机构 满足急回 扩大行程等工作要求 二 组合法机构的组合是发明创造新机构的重要途径之一 常用的组合方式有串联 并联 反馈和复式组合等 例如要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特性和较大摆动行程 当不能完全满足要求时 可将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合 这样 固结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性 且可获得较大的摆动行程 1 变异法机构的运动主要取决于运动副的形状 尺寸和位置 所谓机构的变异就是通过运动副形状 尺寸和位置安排上的变化生成新的机构型式 常用的方法有运动倒置和运动副变换等 运动倒置所谓运动倒置就是机架变换 四杆机构经运动倒置后能生成不同功能的机构 定轴轮系经运动倒置后生成行星轮系 这些都是典型实例 例如 人类正常步行时 脚跟相对于腰部的轨迹如下图 现以六杆机构来模拟人脚的运动 以不同构件为机架可得到不同的方案 运动副变换运动副是机构运动变换的主要元素 通过运动副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之一 常见的有转动副变为移动副 高副变为低副 低副变为高副等 这里介绍低副变为高副 构件2为代换件 取构件1为代换件 例题 干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压成圆型片坯 根据生产条件和粉料的特性 决定选用电动机作为动力源 选择刚体推压传动原理 其工作过程如下 加入粉料 下冲头下沉 上下冲头加压 上冲头退回 下冲头上顶 推走片坯 试对上冲头主加压机构进行机构型式设计 解 首先根据动作功能分解与组合原理进型机构选型 上冲头主加压机构应具有以下基本功能 运动形式变换功能 将驱动轴的转动变为冲头的移动 运动方向交替变换功能 冲头往复运动 运动缩小功能 减小速度 以获得较大压力 运动停歇功能 冲头加压 取前三种必备功能构思方案 每种基本功能仅列出一种基本机构 可得到功能 技术矩阵 根据功能 技术矩阵图 通过功能组合可得到多种方案 从中选出5个方案作为初选方案 由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附加要求 而初选方案均不具备这种功能 故需进行机构创新构型 以达到设计要求 1 扩展法 在四杆机构连杆BC的延长线上找一点H 该点的运动轨迹中有一段直线或近似直线 在该点加一个RPR双杆组 且使GH与此直线轨迹段平行 则当H点运动在直线段上时 导杆GH将处于停歇状态 即使冲头F有了停歇功能 2 组合法 方案采用四杆机构与曲柄滑块机构的串联组合 将两机构于极限位置时串联 则该位置时滑块F的速度为零 即滑块实现了近似的停歇 3 变异法 将铰链四杆机构变为摆杆机构 得到摆动导杆机构与摆杆滑块机构的串联组合方案 再将导杆槽改为曲线槽 则可使冲头F获得准确的停歇功能 8 6执行系统间运动的协调设计和运动循环图 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及驱动方式后 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 这方面的工作称为执行系统的协调设计 一 执行系统协调设计的原则1 满足各执行机构动作先后的顺序性要求执行系统中各执行机构的动作过程和先后顺序 必须符合工艺过程所提出的要求 以确保系统中各执行机构最终完成的动作及物质 能量 信息传递的总体效果能满足设计要求 2 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求为了保证各执行机构的动作不仅能够以一定的先后顺序进行 而且整个系统能够周而复始地循环协调工作 必须使各执行机构的运动循环时间间隔相同 或按工艺要求成一定的倍数关系 3满足各执行机构在空间布置上的协调性要求各执行机构的空间位置应协调一致 对于有位置制约的执行系统 必须进行各执行机构在空间位置上的协调设计 以保证在运动过程中各执行机构间及机构与环境间不发生干涉 4 满足各执行机构操作上的协同性要求当两个或两个以上的执行机构同时作用于同一对象完成同一执行动作时 各执行机构之间的运动必须协调一致 5 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率为了提高生产率 应尽量缩短执行系统的工作循环周期 通常有两种办法 一是尽量缩短各执行机构工作行程和空回行程的时间 二是在前一个执行机构回程结束之前 后一个即开始工作行程 即在不产生干涉的前提下 充分利用两个执行机构的空间裕量 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当系统中包含多个低速大功率执行机构时 以采用多个运动链并行的联接方式 当系统中有几个功率不大 效率均很高的执行机构时 采用串联方式比较适宜 二 执行系统协调设计的方法 冷霜自动灌装机 1 确定机械的工作循环周期 根据设计任务书中给定的理论生产率Q 30盒 min 计算出该机械运动的循环周期T 60 30 2s2 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 机械要完成的基本动作主要有以下四个 1 输送带的连续运动2 轮盘的间歇转动3 顶杆的往复运动4 定量泵活塞的往复运动 输送带有一个行程区段 连续运动 轮盘有两个行程区段 转位和停歇 其动停比k z 2 z 2 6 2 6 2 1 2 即在一个循环中 1 3的时间转动 2 3的时间停歇 顶杆有六个行程区段 上顶 停歇 下降 停歇 下降 停歇 定量泵活塞杆有两个行程区段 上升和下降 3 确定各执行构件动作间的协调配合关系 由于转盘的运动轨迹和顶杆的运动轨迹是相交的 故还应注意其空间位置的协调性 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 由于顶杆与定量泵活塞杆的操作对象是同一空盒 在安排这两个构件的运动时应注意使其协同一致 满足各执行机构操作上的协同性要求 在保证不发生干涉的前提下 应尽量使各机构的动作有部分重合 以缩短机械的工作循环周期 执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 例如 在顶杆向上顶起空盒时 活塞杆就可以开始下移装料 当空盒被顶至预定位置时 灌装正好开始 自动灌装机各执行机构协调配合的完整的执行系统 机械运动循环图用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机械的运动循环图 由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个运动循环 故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制 通常选取机械中某一主要的执行构件为参考件 取其有代表性的特征位置作为起始位置 通常以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点 由此来确定其他执行构件的运动相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系 运动循环图的功能 保证各执行构件的动作相互协调 紧密配合 使机械顺利实现预期的工艺动作为进