机械的运动方案及机构的创新设计PPT课件.ppt

第十章机械的运动方案及机构的创新设计 10 1概述机械产品的设计过程 为成功创造出满足设计要求的装置 产品或系统所遵循的逻辑过程 设计过程的三个阶段 产品的规划与任务分解 设计需求与约束条件的分析与分解 形成设计要求与设计任务书 方案设计 提出机械运动方案 绘制机构运动简图 详细设计 结构设计 强度计算 形成技术文件 一 运动方案设计的必备知识 为了顺利地进行机械运动方案设计 必须掌握必要的知识和环境信息 必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到的作用 1 充分了解并掌握各种常用机构的基本知识 2 必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求 3 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 4 充分重视其他学科的技术应用 1 二 机械运动方案的创新设计设计 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 机械运动方案设计必须根据生产方式和机器的基本功用进行设计 在设计时 应用各种技法 分析综合法 思维扩展法 还原创新法等 借鉴同类产品的经验和最新科技成果 拟订出合理的工作原理 对不同的工作原理及运动方案进行综合评价 从中选出最优的工作原理和运动方案 2 3 4 5 6 7 三 运动方案设计的主要步骤1 工艺参数的给定及运动参数的确定 2 执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制 3 动力源的选择及执行机构的确定 4 机构的选择及创新性设计 5 方案的比较与决策 10 2原动机 传动机构和执行机构的类型和选择一 原动机的类型及应用原动机的动力源主要有电 液及气三种 电动机是最常用的原动机 交流异步电动机 直流电动机 交流伺服电动机 直流伺服电动机及步进电动机等均有广泛的应用 液压马达及液压油缸是主要的液压原动机 气马达及气缸则是主要的气压原动机 8 机械系统的运动形式 原动机运动一般有均匀速运动 直线往复两种主要形式 机构设计一般常将原动件运动转变成如下的各种运动要求 9 交流异步电动机的机械特性曲线如图所示 它适应于启动时大扭距 低转速的要求 异步电动机转速 r min 3000 1500 1000 750额定功率 kW 0 75 1 1 1 5 2 2 3 0 4 0 5 5 7 5 11 18 5 22 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200效率 0 75 0 95 10 直流电动机直流电动机可用作电动机或发电机 还有其它特殊用途 它具有下列特点 1 优良的调速特性 调速平滑 方便 范围广 转速比可达1 200 2 过载能力大 轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额定转矩的2 5倍及以上 特殊要求的可以达到10倍 并能在低速下连续输出较大转矩 3 能承受频繁的冲击性负载 4 可实现频繁的无级快速起动 制动和反转 5 能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求 6 缺点是直流电动机结构复杂 制造成本高 维护工作量大 11 伺服电机在精密的机械设备中 如数控机床 机器人等均采用伺服电动机作为原动机 伺服电动机的机械特性曲线如图所示 其最大的优点为 在非连续工作区可以给出大的扭矩 伺服电动机的反馈环节是光电码盘来实现的 主要控制方式有位置反馈和速度反馈两种形式 伺服电动机有直流伺服和交流伺服两种电动机 它的主要特点是无刷驱动 它的驱动是由一个专门的驱动器来完成 驱动器可以与其它控制器相联接 公控机或PLC等 交流伺服技术近几年得到快速发展 它将成为今后伺服电机的主流产品 12 步进电机 步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速 它主要用在精度不高 工作阻力不大的开环控制中 步进电机有三相和五相输入形式 输入频率一般小于10K 步距角一般有0 75度 一般运用转速较低 电机的种类很多 有些电动机直接电动装置 可直接选用 电机的选择对整个机械方案选择是最为重要的 对设备的性能有十分重要影响 必须充分重视 13 液压动力源与气动动力源 液压缸是实现直线运动的基本动力原件 直线运动液压缸的类型有 单作用液压缸 双作用液压缸 组合式液压缸 摆动液压缸有 单片式 双片式等形式 气动系统已成为实用的工业设备 未来的发展前途更是无可限量 作为动力源气缸是最常用的气动原件 气动和液动的区别 液压系统输入功率大 在环境污染和泄露严重 气压系统无污染 动作快 但承受的载荷较小 气缸种类极其繁多 不一一介绍 下图为SMC公司的一种无杆气缸原件 这种气缸占据空间小 请分析其结构原理 14 二 传动机构的类型及功用常用的传动机构有 1 齿轮机构齿轮机构应用在中心距较小 传动精度较高 各种不同传递动力范围的场合 2 螺旋机构在许多机械设备中大量应用着螺旋机构 又称丝杠传动 它主要用于将回转运动转变为直线运动 3 带传动与链传动带传动及链传动多用于中心距较大的传动 4 连杆机构连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用 5 凸轮机构 由于凸轮机构是高副接触 决定了这种机构主要用于传递运动 15 16 三 基本机构的组合基本机构的组合大致可分为三种形式 1 串接式主动件1的运动 t 依次通过基本机构I和II 使从动件2获得某一运动规律 t 在这种组合机构中前一机构的从动件往往又是后一机构的主动件 2 并联式主动件1的运动 t 同时传给基本机构I和II 使它们具有相同的运动规律 1 t 或不相同的运动规律 1 t 和 2 t 并通过具有两个自由度的差劝机构III使从动件2获得合成的运动规律 t III使运动叠加后 传给从动件2 其运动规律为 t 17 3 组合式组成复合式组合机构时 基本机构有机联结 互相依存 基本机构I或II中主动件的运动 t 通过机构I II中部分构件组成的差动机构III使运动叠加后 传给从动件2 其运动规律为 t 18 三 执行机构的运动类型及典型机构机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构 执行机构中接触工件或执行终端运动的构件称为执行构件 机器通过执行构件完成作业任务 执行机构的运动分为直线运动 回转运动 任意轨迹运动 点到点的运动及位到位的运动等主要五种运动形式 实现不同运动形式的典型机构主要有 1 直线运动的机构1 齿轮 齿条机构齿轮的正 反向回转可以使齿条做往复直线运动2 螺旋机构丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动3 曲柄滑块机构当曲柄连续回转时 滑块可做往复直线运动4 有特定尺寸的四杆机构 连杆曲线在某一区段的直线运动 当四杆机构中的杆件尺寸满足BC CD CM 2 5AB AD 2AB时 曲柄连续回转 则连杆上的M点在某一运动段上其轨迹为近似直线5 链传动 直线段部分的运动 带有翼片的链传动 可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动 19 2 回转运动的机构1 齿轮传动机构2 双曲柄机构一曲柄回转可带动另一曲柄做等速或不等速回转运动3 链传动及带传动可以实现较长距离的回转运动3 任意轨迹运动的机构1 四杆机构 连杆曲线 四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动轨迹2 开式链机构任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹 工业机器人操作机大多是由开链机构组成的 20 4 点到点的运动机构1 曲柄滑块机构合理的设计曲柄滑块机构的尺寸 可以实现滑块的点到点的运动2 凸轮机构摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到点的运动5 位到位的运动机构在四杆机构应用中 连杆及摇杆占据空间两个及两个以上位置的情况随处可见 如 1 热处理炉炉门开闭机构炉门可以占据开启和闭合两个位置2 飞机起落架机构起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置 21 10 3机械运动方案的设计机械的运动方案设计包括从原动机 传动机构 执行机构的整个系统的设计 其结果是给出一份满足运动性能要求的运动简图 一 工艺参数的给定及原动机的选择在概述中对牛头刨床的运动方案设计已给出了主要的工艺参数 运动参数 以及由此而确定的力参数 切削力的大小影响着机构的选取 因为某些机构无法承受大的作用力 运动参数应包括运动形式 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 等 运动参数是由机械的工艺要求决定的 力的参数 如牛头刨床中的切削力的大小 锻压机械中压头的压力大小等都是由机械的工艺要求决定的 有时 某些参数需由设计者计算得到 根据运动参数 参考力的参数 考虑粗略的 大致的传动方案 注意对传动精度的要求 比较其繁简 并依据现有条件 综合选择原动机的类型 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 原动机的不同选择对机械传动系统的设计 组成的繁简以及性能的优劣都有着重要的影响 22 二 执行机构的运动协调与运动循环图多数机器不只有一个执行构件 往往是许多执行构件协调工作以完成同一任务 运动循环图即可表示出各执行机构间的时序协调关系 另一种情况是 某些机械的多个执行构件在完成同一任务时 需有准确而协调的运动时间和运动顺序的安排 以防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉 牛头刨床的三种运动循环图 直线式运动循环图 圆周式运动循环图及直角坐标式运动循环图 23 所谓运动循环图就是标明机械在一个循环中各执行构件间的元旦配合与时序关系 通常有三种表达形式 直线式运动循环图 动作时序清晰明了 适于机械执行构件比较少的时候使用 圆周式运动循环图 各执行构件的运动与机械原动件或标定件的相位关系清楚 它给凸轮机构的设计 安装 调试带来方便 但是 同心圆较多 看上去杂乱 直角坐标式运动循环图 是用执行构件的位移图线表示其运动时序 将其工作行程 空行程及停歇区段分别以上升 下降及水平线表示 这种运动图线能清楚的表达出执行构件的位移情况及相互关系 24 三 机械运动方案设计的一般原则1 传动链应尽可能短 1 中间传动环节过于复杂 一部电动机带动多条传动链 2 动力源安装位置距执行机构过远 3 变换运动形式及转动方向的环节太多等等 过长的传动链会引起传动精度和传动效率的降低 增加成本 或使故障率增加 2 机械效率应尽可能高 有些机构传动效率较低 在设计过程中一定要认真加以考虑 在有些工作位置也可能出现自锁现象 致使机器不能正常工作 3 传动比的分配应尽可能合理 传动比的分配要注意一级传动时最大传动比的限制 各级传动比的分配原则应当是从电机的执行机构一般由小到大 使高速端承受低扭矩 结构合理 机构紧凑 4 传动机构的顺序安排应尽可能恰当 带传动不易传递大扭矩 多安排在高速端 凸轮机构一般用于传动系统的末端 5 机械的安全运转必须保证 25 四 机械运动方案的评价实现同一工作任务 且满足工艺要求和性能指标时 可以设计出多种机械运动方案来 必须再经过充分的 细致的分析比较 以决定取舍 最后保留的设计方案应是最优方案 每一部机器都是由原动机 执行机构及传动机构组成的 因此需分别对原动机及各机构进行评价 然后经综合可获得对一部机器整机的评价 建立评价体系是量化评价的方法之一 评价体系可将机构评价指标划分为五大类型 它们是 1 机构的功能 2 机构的工作性能 3 机构的动力性能 4 经济性 5 机构紧凑性 评价时分别对五大类型及更为细致的子项给出分值 然后对整机进行比较 26 假定设计方案均满足 1 2 两大类型要求 则应对不同方案重点进行 3 4 5 的比较 运转平稳 加速度小 无冲击和噪声 这对大型机械是十分重要的评价指标 尤其对未获得在基座上平衡的连杆机构更是如此 机械的结构简单 尺寸紧凑 重量轻 传动链短 工作可靠是又一重要的评价指标 制造难易 调整的方便性 维修的方便性直接影响着机构及机械的经济性 这是不可忽视的第三方面的评价指标 综合考虑各方面评价指标 才能在诸多机械运动方案的设计中选出最优者 27 五 机械运动方案设计举例问题一印刷机的送纸机构为例进行机械运动方案设计 1 任务的分析及运动参数的确定要求一叠纸中的第一张与其它纸张分离并送出 每分钟送出30张 因此有 1 送出多远 2 如何实现纸张分离 3 选用何种动力源驱动送纸机构 4 送纸机构的执行构件应按何种轨迹运动 吸头的三种运动轨迹图形 运动轨迹是吸纸机构方案设计的重要依据 方案1中 1 为提纸 2 为送纸 3 为回程 方案2中 1 为提纸和送纸同时进行 2 及 3 为回程 方案3中 1 为提纸及送纸 2 为回程 28 2 动力源的选择与执行机构的确定采用电动机作为动力源 采用真空吸盘提起纸张 根据吸头的运动轨迹 设计出三种机械运动方案 方案一是一个典型的凸轮 连杆机构 三个同轴转动的凸轮可实现吸盘的吸纸轨迹及压脚的配合压纸动作 双连凸轮1及2封闭了七杆机构的两个自由度 使吸头位移 凸轮3带动压脚动作 方案二和方案三也可实现上述轨迹及压脚的配合动作 只不过运动速度和加速度分析与第一方案不同 3 绘制机构运动循环图4 机械传动系统的设计 29 10 4机构的创新设计机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计 它包括对原有机构的创新应用 新机构的构思和原动机的创新发展三个方面 一 机构的创新应用机构的创新应用是仍然使用常见的机构 经过巧妙的构思 赋予机构以新的应用 如无脚蹬自行车即是将自行车后轮安装成偏心轮 恰似曲柄的形式 使后轮转动 二 新机构的构思1 原有机构的发展在对原有机构的应用中 由于其某些性能方面的不足 所以会出现一些新的机构 如齿轮传动的传动比较小 因而有蜗轮 蜗杆机构的出现 此后又有摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等 2 新机构的创造如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于假手的研制中 30 3 组合机构将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构 组合机构是机构创新设计的一个重要方面 1 齿轮 连杆组合机构图8 24是包装机械中常用的一种齿轮 连杆组合机构 它可以实现复杂的运动规律 使齿轮5单向变速转动 瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变速转动等 31 图10 27为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮 连杆机构 连杆的尺寸 齿轮的传动比及M点的位置不同 轨迹曲线则发生变化 图10 27 32 2 凸轮 连杆组合机构图8 29为一凸轮 连杆滑块组合机构 这实质上是一个可变曲柄长度的对心曲柄滑块机构 3 其他形式机构的组合引进了非刚性构件或气体 液体等中间介质 使机构更适于控制 33 三 原动机的创新发展新型电动机和新材料驱动器的出现 可大大的简化机构的结构 甚至改变了传动机构的设计 1 新型电动机今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同 交流变频调速技术的应用大大简化了机械变速机构 直线电动机可直接输出直线运动 采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构 并且具有非常高的传动定位精度 m级 例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定 机构简单 不需要调整 直接驱动电动机 不需要经齿轮等减速机构 而可直接用于机器人的关节驱动 大大简化了机构的结构 即使是传统的电动机 随着高磁性材料和化学加工方法的应用 其尺寸也越来越小 如使用照相刻蚀 电镀方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为4mm 其中4层绕组总厚度为0 7mm 永久磁铁厚度为1mm 此外 还可采用硅技术 IC制造技术 制作微型电动机 34 2 新材料驱动器由于新材料的出现 产生了许多新型驱动原理与新型驱动器 它们给机构设计带来了新思想 3 多自由度驱动器多自由度机械需要多个原动件 每个原动件都需要一个驱动器 有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理 多自由度驱动器在多自由度装置中应用 可以减少驱动器的数目 省去这些作运动协调的机构 降低装置的复杂程度 减小体积 提高运动精度 如专门设计的光盘读写头二自由度驱动器 可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位置 35 示例 方案一抽油机 磕头机 机构方案二同步回转机器人手指方案三无轨电车常力集电头方案四按给定力设计机器人手爪方案五三差动轮系 36 方案一抽油机 磕头机 机构 该机构以构件1为原动件 由构件2 3及运动副B C D构成RRR二级基本组 设计中应使连架杆上E点所走的轨迹圆弧的曲率半径尺寸满足行程要求 同时又应使其总体结构尺寸尽量减小 在构件1上加有一定量的配重G 该配重的方向与方位应与E点的受力相谐调 请分析该机构 收集和对比现有各种抽油机机构类型 37 方案二同步回转机器人手指 由一对齿轮