第11章机械运动系统的方案设计

1、第第11章章 机械运动系统机械运动系统的的方案设计方案设计 11- -1 机械运动系统方案设计的内容机械运动系统方案设计的内容 11-11-2 机械运动系统功能结构的建立机械运动系统功能结构的建立 11-11-3 确定机械运动系统的工作原理确定机械运动系统的工作原理 11-11-4 机械运动系统工艺动作过程机械运动系统工艺动作过程的构思与分解的构思与分解 11-11-5 机构选型及其系统组成机构选型及其系统组成 11-6 11-6 执行系统间运动的协调设计和运动循环图执行系统间运动的协调设计和运动循环图 11-7 机械运动系统方案的构思与拟定机械运动系统方案的构思与拟定 11-8 机械运动系统

2、方案的评价机械运动系统方案的评价 11-11-9 设计冲压式蜂窝煤成形机的运动方案设计冲压式蜂窝煤成形机的运动方案 11-11-1 机械运动系统方案设计的内容机械运动系统方案设计的内容在工程上，一台完整的在工程上，一台完整的“机械机械”通常是由通常是由四部分四部分所组成所组成: : 一、机械运动系统的定义一、机械运动系统的定义 我们就将我们就将传动系统传动系统与与执行系统执行系统二者的组合，称为二者的组合，称为“机械运机械运动系统动系统”。1)动力系统；动力系统；2)传动系统；传动系统；3)执行系统；执行系统；4)辅助系统辅助系统(含控制系统、操纵系统、润滑系统、照明系统等含控制系统、操纵系统

3、、润滑系统、照明系统等)。自行车自行车如如: :机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计:是指设计是指设计工作者根据设计任务书和机器的用途等，工作者根据设计任务书和机器的用途等，来确定该机械运动系统的来确定该机械运动系统的总功能，明确其总功能，明确其工作原理和工艺动作，合理选择机构的类工作原理和工艺动作，合理选择机构的类型型以及以及进行方案评价进行方案评价等等十个十个方面的全过程，方面的全过程，又简称为又简称为“方案设计方案设计”。在传统的机械产品设计过程中，其在传统的机械产品设计过程中，其设计阶段设计阶段有四个有四个: 产品规划产品规划 方案设计方案设计 技术设计技术设计 施工设计施工设

4、计 方案设计方案设计是是关键关键和和核心核心，因为它直，因为它直接决定产品性能的好坏、成本的高低及接决定产品性能的好坏、成本的高低及竞争能力的强弱。竞争能力的强弱。 3)技术设计，技术设计，2)方案设计，方案设计，4)施工设计。施工设计。1)产品规划，产品规划，二、机械运动系统方案设计的定义、机械运动系统方案设计的定义其其流程流程可用图来表示。可用图来表示。三三、方案设计的内容和流程、方案设计的内容和流程一般来说，一般来说，方案设计方案设计包括如下包括如下十个十个方面的内容：方面的内容：1.首先根据设计任务书和机器的用途等，明确该机械运动系统的首先根据设计任务书和机器的用途等，明确该机械运动系

5、统的总功能总功能。总功能总功能:是指该机器的用途或具有特定工作能力的总称。是指该机器的用途或具有特定工作能力的总称。例如：例如： “自动钻床自动钻床”的总功能的总功能:自动钻孔自动钻孔又如：又如： “蜂窝煤成型机蜂窝煤成型机”的总功能的总功能:将粉煤将粉煤冲压成蜂窝煤。冲压成蜂窝煤。 2. 为了实现总功能，常常将总功能为了实现总功能，常常将总功能分解分解为若干分功能（或子功为若干分功能（或子功能），并建立其功能结构；能），并建立其功能结构； 如如“自动钻床自动钻床”的总功能的总功能:自动钻自动钻孔孔自动钻孔自动钻孔3.根据各个分功能来确定其根据各个分功能来确定其工作原理工作原理（或称（或称功能

6、原理功能原理）；例如：在例如：在“送料送料”的功能要求中，的功能要求中，满足它的工作原理有：满足它的工作原理有：推力原理推力原理、重力原理重力原理、摩擦力原理摩擦力原理等。等。 6.根据各个工艺动作的时间先后顺序，进行各执行动作的协调设根据各个工艺动作的时间先后顺序，进行各执行动作的协调设计，并绘制出其计，并绘制出其运动循环图运动循环图；7. 对所选的各机构进行尺度设计，确定其对所选的各机构进行尺度设计，确定其主要尺寸主要尺寸；8.对所选的各机构，进行简单的对所选的各机构，进行简单的运动分析运动分析和和动力分析动力分析；9.对各种机械运动系统的方案，进行对各种机械运动系统的方案，进行评价与决策

7、评价与决策，确定最优方案；，确定最优方案；10.绘制最优方案的绘制最优方案的机械运动系统简图机械运动系统简图。5.根据各个工艺动作的要求，选择合适的根据各个工艺动作的要求，选择合适的机构类型机构类型或或组合机构类组合机构类型型； 4.根据工作原理，进行根据工作原理，进行工艺动作工艺动作的构思与分解的构思与分解 ；上述设计内容可用上述设计内容可用流程图流程图来表示。来表示。总功能分解总功能分解,建立建立功能结构功能结构工作原理的设计工作原理的设计工艺动作的构思和分解工艺动作的构思和分解 机构选型机构选型执行动作间协调设计执行动作间协调设计（绘制运动循环图）（绘制运动循环图）机构尺度设计机构尺度设

8、计运动分析和动力分析运动分析和动力分析方案评价与决策方案评价与决策绘制机械运动系统简图绘制机械运动系统简图重新设计工作原理重新设计工作原理重新构思工艺动作重新构思工艺动作 重新重新选用选用 机构类型机构类型 重新确定重新确定 机构参数机构参数重重新新设设计计不满足要求不满足要求确定总功能确定总功能11-2 机械运动系统功能结构的建立机械运动系统功能结构的建立 在实际工作中，要设计的机械产品往往比较复杂，很难一在实际工作中，要设计的机械产品往往比较复杂，很难一步、直接地求得满足总功能的原理方案，因此必须将总功能进步、直接地求得满足总功能的原理方案，因此必须将总功能进行分解。行分解。 通常，通常，

9、功能结构功能结构可用下述方框图来表示。可用下述方框图来表示。一、功能结构的概念及建立一、功能结构的概念及建立分解：分解：将将总功能总功能分解为若干个分解为若干个分功能分功能（或（或子功能子功能）的过程。）的过程。 将总功能分解后将总功能分解后，再分别对这些较简单的，再分别对这些较简单的分功能（分功能（或或子功能子功能）求解，最后利用求解，最后利用组合原理组合原理对各分功能的解进行对各分功能的解进行合成合成，就可以得到，就可以得到满足总功能的多种解决方案，这就是满足总功能的多种解决方案，这就是建立功能结构的目的建立功能结构的目的。自动钻孔自动钻孔 1)例如：例如： “自动钻床自动钻床”的功能结构

10、。的功能结构。二、举例说明二、举例说明总功能总功能:自动钻孔自动钻孔为了实现总功能，可将它分解为下述为了实现总功能，可将它分解为下述四个四个分功能分功能(或或子功能子功能)。2)又如：又如： “冲压式蜂窝煤成型机冲压式蜂窝煤成型机”的功能结构。的功能结构。 为了实现上述为了实现上述总功能总功能，可将它分解，可将它分解为下述为下述五个五个分功能：分功能：将粉煤加入到空模具中，即将粉煤加入到空模具中，即加料加料；总功能总功能加料加料压制成型压制成型清除积屑清除积屑脱模脱模输送输送总功能：总功能：将粉煤冲压成蜂窝煤。将粉煤冲压成蜂窝煤。其功能结构如下图所示。其功能结构如下图所示。 利用冲头将粉煤利用

11、冲头将粉煤压制成型压制成型；清除清除冲头和转盘上的冲头和转盘上的积屑积屑；将冲压好的蜂窝煤准确地从模具将冲压好的蜂窝煤准确地从模具中脱出，即中脱出，即脱模脱模；将脱模的蜂窝煤运走，即将脱模的蜂窝煤运走，即输送输送。在工程上，满足同一功能要求的工作原理在工程上，满足同一功能要求的工作原理(即即功能原理功能原理)有许有许许多多。许多多。11- -3 机械运动系统功能原理的机械运动系统功能原理的确定确定一、功能原理的确定思路一、功能原理的确定思路例如：在例如：在“自动取料自动取料”的功能中，实的功能中，实现自动取料的工作原理有：现自动取料的工作原理有：气吸原理气吸原理、机机械推拉原理械推拉原理、摩擦

12、传动原理摩擦传动原理、磁吸原理磁吸原理、流体传动原理流体传动原理、材料变形原理材料变形原理、光电原理光电原理等多种形式。等多种形式。1)采用采用气吸原理气吸原理：在箱体的顶部用气吸法：在箱体的顶部用气吸法吸住顶部一张料板，然后将其夹走。吸住顶部一张料板，然后将其夹走。 下面以下面以“从箱体中自动取料从箱体中自动取料”为例，为例，来说明各种工作原理的应用来说明各种工作原理的应用 。2)采用采用机械推拉原理机械推拉原理：从箱体的底从箱体的底部将料板推出，然后部将料板推出，然后将其将其夹走。夹走。3)采用采用摩擦传动原理摩擦传动原理：用摩擦轮将用摩擦轮将料板从料板从箱体箱体底部滚出，然后底部滚出，然

13、后将其将其夹夹走走。 由此可见，实现同一功能要求由此可见，实现同一功能要求(即自动取料即自动取料)的工作原理有许的工作原理有许多。在这些工作原理中，有些是合理的，有些是不合理的。多。在这些工作原理中，有些是合理的，有些是不合理的。 因此，需要对各种可能的工作原理进行分析与比较，最后选因此，需要对各种可能的工作原理进行分析与比较，最后选定既能满足机械的功能要求，又能使工艺动作最为简单的最佳工定既能满足机械的功能要求，又能使工艺动作最为简单的最佳工作原理。作原理。 这就是确定这就是确定机械运动系统功能原理机械运动系统功能原理的的基本思路基本思路。二、功能原理的确定方法二、功能原理的确定方法 目前目

14、前，工程上较常用的方法有，工程上较常用的方法有六种六种： 查找有关文献资料，如专业书刊、专利产品说明书等，来确查找有关文献资料，如专业书刊、专利产品说明书等，来确定其定其功能原理功能原理的一种方法。此方法简单、实用。的一种方法。此方法简单、实用。4.仿生法：仿生法：1. 文献检索文献检索 法法 : 从人类或自然界的生物、动物的各种动作和现象中，引出从人类或自然界的生物、动物的各种动作和现象中，引出功功能原理能原理的一种方法。此方法具有很强的新颖性和创造性。的一种方法。此方法具有很强的新颖性和创造性。2. 类比法类比法: 将欲设计的产品与同类已设计的产品进行对比，采用相似将欲设计的产品与同类已设

15、计的产品进行对比，采用相似原理，来确定原理，来确定功能原理功能原理的一种方法。此方法简单、实用，但存的一种方法。此方法简单、实用，但存在局限性。在局限性。3. 实验法实验法: 通过科学的实验手段，如模型实验、样机实验等，来探索通过科学的实验手段，如模型实验、样机实验等，来探索和找出和找出功能原理功能原理的一种方法。此方法虽然较复杂、但实用。的一种方法。此方法虽然较复杂、但实用。如：如：“洗洗衣机衣机”的工作原理。的工作原理。1）揉搓原理：）揉搓原理：利用利用机械手机械手，模仿人手的模仿人手的揉搓揉搓动作，动作，将将赃物从赃物从衣物上分离。此原理的缺点是：动作衣物上分离。此原理的缺点是：动作难度

16、大难度大，机构复杂。，机构复杂。 4）漂洗原理）漂洗原理：利用一个波轮在水中旋转，形：利用一个波轮在水中旋转，形成涡流来翻动衣物，达到清洗的目的成涡流来翻动衣物，达到清洗的目的，这就是这就是著名的著名的“漂洗原理漂洗原理” 。此原理的优点是：此原理的优点是：不仅不仅动作简单，而且安全可靠。目前在动作简单，而且安全可靠。目前在“洗衣机洗衣机” 的工作原理中的工作原理中得到了广泛应用得到了广泛应用。2）刷擦原理：）刷擦原理：利用利用刷子刷子，模仿人手的，模仿人手的刷擦刷擦动作，将赃物从动作，将赃物从衣物上分离。此原理的缺点是：衣物上分离。此原理的缺点是：很难把衣物各处都刷洗到很难把衣物各处都刷洗到

17、。3）捶打原理：）捶打原理：利用利用木棒木棒，模仿人手的，模仿人手的捶打捶打动作，将赃物从衣动作，将赃物从衣物上分离。此原理的缺点是：物上分离。此原理的缺点是：易损坏衣物易损坏衣物。功能：功能：要实现要实现 “赃物从衣物上分离出来赃物从衣物上分离出来”，其工作原理有：，其工作原理有：5.直觉法直觉法 利用设计工作者的个人直观感觉以及偶尔联想等方法，来确利用设计工作者的个人直观感觉以及偶尔联想等方法，来确定定功能原理功能原理的一种方法，此方法具有很大的随机性。的一种方法，此方法具有很大的随机性。6.逻辑分析法逻辑分析法 将实现某一功能元的所有可能的解用将实现某一功能元的所有可能的解用“表格形式表

18、格形式”列出，形成列出，形成解法目录，以供比较和确定工作原理的一种方法。此方法考虑全面，解法目录，以供比较和确定工作原理的一种方法。此方法考虑全面，具有很强的推广性和应用性。具有很强的推广性和应用性。例如，表例如，表11-1为为“运送物料运送物料”的解法目录。的解法目录。功功能能元元解解机械力机械力气液力气液力电磁力电磁力推力推力重力重力摩擦力摩擦力气吸力气吸力流体力流体力磁吸力磁吸力简简图图特特点点用途广用途广简单简单可靠性较可靠性较差差耗能较大耗能较大多条件限多条件限制制较小物体较小物体表表11-1 运送物料的解法目录运送物料的解法目录 11-4 机械运动系统工艺动作的构思与分解机械运动系

19、统工艺动作的构思与分解 一、一、“工艺动作工艺动作”与与“功能功能”之间的之间的关系关系 机器的机器的“功能功能”通常是通过机构的通常是通过机构的“工艺动作工艺动作”来完成的。来完成的。例如例如:“蜂窝煤成型机蜂窝煤成型机”的五个分功能的五个分功能:加料加料压制成型压制成型清除积屑清除积屑脱模脱模输送输送，它们分别是通过如下，它们分别是通过如下五个五个“工工艺动作艺动作”来实现。来实现。1)加料加料:利用物料重力所产生的垂直下落利用物料重力所产生的垂直下落2)压制成型压制成型:利用冲头上下往复直线运动利用冲头上下往复直线运动3)清除积屑清除积屑:利用扫屑刷左右往直线复运动利用扫屑刷左右往直线复

20、运动4)脱模脱模:利用脱模盘上下往复直线运动利用脱模盘上下往复直线运动5)输送输送:将脱模的蜂窝煤落在输送带上送出将脱模的蜂窝煤落在输送带上送出 又如：又如： “自动钻床自动钻床”的的四个分功能四个分功能是通过如下是通过如下四个四个“工艺动作工艺动作”来来实现。实现。-利用送料块利用送料块左右左右往复往复直线运动来实现直线运动来实现送料送料-利用定位块利用定位块前后前后往复往复直线运动来实现直线运动来实现定位定位-利用夹紧块利用夹紧块前后前后往复往复直线运动来实现直线运动来实现夹紧夹紧-利用钻孔刀具利用钻孔刀具上下上下往往复直线运动来实现复直线运动来实现进刀进刀二者关系：二者关系： “工艺动作

21、工艺动作”取决于其欲实现的取决于其欲实现的“功能功能”，不同的，不同的“功能功能”就会有不同的就会有不同的“工艺动作工艺动作”来完成。来完成。 一般来说，机器的工艺动作是比较复杂的，很难用一个简单一般来说，机器的工艺动作是比较复杂的，很难用一个简单的机构来实现。因此，在方案设计时，需要的机构来实现。因此，在方案设计时，需要把复杂的工艺动作分把复杂的工艺动作分解成解成“按一定时间、次序来排列的按一定时间、次序来排列的”若干个简单的工艺动作。若干个简单的工艺动作。我们就把这些简单的我们就把这些简单的工艺动作工艺动作称为称为执行动作执行动作。 二、二、“工艺动作的构思与分解工艺动作的构思与分解”等若

22、干概念等若干概念完成执行动作的完成执行动作的构件构件，称为，称为执行构件执行构件。 实现执行动作的实现执行动作的机构机构，称为，称为执行机构执行机构。 工艺动作的构思与分解：工艺动作的构思与分解：是指设计工作者根据机器欲实现的是指设计工作者根据机器欲实现的功能来构思出其工艺动作，并将复杂的工艺动作分解成按一定时功能来构思出其工艺动作，并将复杂的工艺动作分解成按一定时间、次序来排列的若干个简单工艺动作的过程。间、次序来排列的若干个简单工艺动作的过程。1. 工艺动作集中与分散原则工艺动作集中与分散原则 所谓所谓“集中原则集中原则”，是指在同一机构中可以采用多个执，是指在同一机构中可以采用多个执行构

23、件同时完成几个执行动作。行构件同时完成几个执行动作。 所谓所谓“分散原则分散原则”，是指将复杂的工艺动作分解为若干简，是指将复杂的工艺动作分解为若干简单的工艺动作，并分别由不同的执行机构来完成。单的工艺动作，并分别由不同的执行机构来完成。 由上可知，工艺动作的由上可知，工艺动作的集中原则集中原则和和分散原则分散原则是一对矛盾。是一对矛盾。在设计时，其选用原则是：在设计时，其选用原则是：工艺动作能集中就尽量集中，若工艺动作能集中就尽量集中，若集中有困难就采取分散集中有困难就采取分散。三、工艺动作构思与分解的基本原则三、工艺动作构思与分解的基本原则 例如：在例如：在“自动切书机自动切书机”中，采用

24、了多刀、多面，同时中，采用了多刀、多面，同时完成切纸过程，大大地提高了生产率。完成切纸过程，大大地提高了生产率。3. 多件同时处理原则多件同时处理原则是指采用几套相同的执行机构和执行构件同时来处理的方法。是指采用几套相同的执行机构和执行构件同时来处理的方法。2. 各工艺动作的时间相等原则各工艺动作的时间相等原则 若有一道工艺动作的时间很长时，就可以采用如下办法：若有一道工艺动作的时间很长时，就可以采用如下办法： 例如：在例如：在 “电脑多头绣花机电脑多头绣花机”中，采用了中，采用了12套相同的执行机构和套相同的执行机构和执行构件执行构件(即相同的机头即相同的机头)同时绣花，可使工作效率提高同时

25、绣花，可使工作效率提高12倍。倍。 是指设计工作者在工艺动作的构思时，尽可能使各工艺动作是指设计工作者在工艺动作的构思时，尽可能使各工艺动作的时间相等。的时间相等。1)提高这一道工艺动作的速度；提高这一道工艺动作的速度； 2)把这一道工艺动作再分解的办法，来保证各道工艺动作的把这一道工艺动作再分解的办法，来保证各道工艺动作的时间尽可能相等。时间尽可能相等。4. 提高生产率原则提高生产率原则 为了提高机器生产率，应尽可能减少机器工件行程和回程的时为了提高机器生产率，应尽可能减少机器工件行程和回程的时间，其方法有间，其方法有: 1) 在不妨碍各执行动作正常工作的前提下，尽可能使各执行动在不妨碍各执

26、行动作正常工作的前提下，尽可能使各执行动作的作的工作行程时间工作行程时间相互重迭；相互重迭；2)同上，尽可能使各执行动作的同上，尽可能使各执行动作的回程时间回程时间相互重迭；相互重迭；3)同上同上,尽可能使各执行动作的尽可能使各执行动作的工作行程时间工作行程时间与与回程时间回程时间相互重迭。相互重迭。例如例如:在在“蜂窝煤成型机蜂窝煤成型机”的的“压制成型压制成型与与清除积屑清除积屑”二个二个“执执行动作行动作”中。中。压制成型压制成型:利用冲头上下往利用冲头上下往复直线运动复直线运动清除积屑清除积屑:利用扫屑刷左右利用扫屑刷左右往直线复运动往直线复运动出现了：出现了：工作行程时间工作行程时间

27、与与回程时间回程时间相互重迭。相互重迭。 11-11-5 机构选型及其系统组成机构选型及其系统组成 一、机构选型的定义一、机构选型的定义机构选型：机构选型：是指设计工作者根据是指设计工作者根据各个执行动作各个执行动作（即从动件的动作）（即从动件的动作）的基本要求的基本要求来选用合理的机构类型的过程。来选用合理的机构类型的过程。须注意：须注意：在工程上，满足同一执行动作要求的机构有许多，这需在工程上，满足同一执行动作要求的机构有许多，这需要对多种机构进行对比和分析，最后寻求最优解。要对多种机构进行对比和分析，最后寻求最优解。 例如：例如：若若执行构件执行构件要实现要实现“连续旋转运动连续旋转运动

28、”，其机构有，其机构有: 双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、轮系、带传动机构、双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、轮系、带传动机构、链传动机构、双万向铰链机构、某些组合机构等。链传动机构、双万向铰链机构、某些组合机构等。又如：又如：若若执行构件执行构件要实现要实现“间歇旋转运动间歇旋转运动”，其机构有，其机构有: 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等。构等。若若执行构件执行构件要实现其它工艺动作，其要实现其它工艺动作，其执行机构执行机构见表见表11-2所示。所示。又如：又如：若若执行构件执行构件要实现要实现“往复摆动往复

29、摆动”，其机构有，其机构有: 曲柄摇杆机构、摇块机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、摆曲柄摇杆机构、摇块机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、某些组合机构等。动从动件凸轮机构、某些组合机构等。又如：又如：若若执行构件执行构件要实现要实现“往复直线移动往复直线移动”，其机构有，其机构有: 曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、某些组合机构等。机构、某些组合机构等。执行构件运动形式执行构件运动形式实现运动形式的常用执行机构实现运动形式的常用执行机构实际应用举例实际应用举例旋旋转转运运动动连续旋转运动连续旋转运动双曲柄

30、机构、转动导杆机构、齿轮机构、双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、轮系、带传动机构、链传动机构、双万向轮系、带传动机构、链传动机构、双万向铰链机构、某些组合机构等铰链机构、某些组合机构等车床、铣床的主轴以及缝纫车床、铣床的主轴以及缝纫机的转动等机的转动等间歇旋转运动间歇旋转运动棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等凸轮式间歇运动机构等自动机床工作台的转位、步自动机床工作台的转位、步进滚轮的步进运动等进滚轮的步进运动等往复摆动往复摆动曲柄摇杆机构、摇块机构、双摇杆机构、曲柄摇杆机构、摇块机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、某摆

31、动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、某些组合机构等些组合机构等颚式碎石机的动颚板的打击颚式碎石机的动颚板的打击运动、电风扇的摆头运动等运动、电风扇的摆头运动等直直线线移移动动往复直线移动往复直线移动曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿曲柄滑块机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、某些组合机构等轮齿条机构、螺旋机构、某些组合机构等压缩机活塞的往复运动、冲压缩机活塞的往复运动、冲床冲头的冲压运动、插齿的床冲头的冲压运动、插齿的切削运动等切削运动等间歇往复移动间歇往复移动棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间歇往复运动的凸轮机构、利用连杆曲线的歇往复运动的凸

32、轮机构、利用连杆曲线的圆弧段实现间歇运动的连杆机构等圆弧段实现间歇运动的连杆机构等齿轮插齿机的让刀运动、轻齿轮插齿机的让刀运动、轻工自动机中供料机构的间歇工自动机中供料机构的间歇供料运动等供料运动等单向间歇移动单向间歇移动棘齿条机构、液压机构等棘齿条机构、液压机构等刨床工作台的进给运动等刨床工作台的进给运动等曲线运动曲线运动利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮凸轮连杆组合机构、齿轮连杆组合机构、齿轮连杆组连杆组合机构、行星轮系与连杆组合机构等合机构、行星轮系与连杆组合机构等捏面机的捏面爪的运动、电捏面机的捏面爪的运动、电影放映机抓片机构中的抓片影放映机抓

33、片机构中的抓片爪的运动等爪的运动等表表11-2 实现常见工艺动作的执行机构实现常见工艺动作的执行机构 二、机构选型的基本原则机构选型的基本原则1.选型时，应使机构的结构最简单、运动链最短选型时，应使机构的结构最简单、运动链最短 1)选型时，应使原动件到执行构件之间的构件数量和运动副数选型时，应使原动件到执行构件之间的构件数量和运动副数量尽可能地少。量尽可能地少。 2)选型时，有时往往选用结构简单的近似机构选型时，有时往往选用结构简单的近似机构，而不选用理论而不选用理论上没有误差但其结构复杂的机构。上没有误差但其结构复杂的机构。 例如：右图中的两种机构都例如：右图中的两种机构都能实现能实现E点直

34、线运动。其中图点直线运动。其中图a是是利用铰链四杆机构，来实现利用铰链四杆机构，来实现E点点的的近似近似直线运动。而图直线运动。而图b是利用是利用平面八杆机构，来实现平面八杆机构，来实现E点的点的精精确确直线运动。直线运动。 通常方法有：通常方法有： 只有这样，不但可以减轻机构的重量，降低机构的成本，而且只有这样，不但可以减轻机构的重量，降低机构的成本，而且可以减少机构的累积运动误差，有利于提高工作可靠性。可以减少机构的累积运动误差，有利于提高工作可靠性。2.2.选型时，应选型时，应选择合适的运动副形式选择合适的运动副形式 转动副转动副：不但：不但制造容易，而且易于保证运动副元素的配合精度，且

35、制造容易，而且易于保证运动副元素的配合精度，且效率较高效率较高，故，故选型时应优先选用选型时应优先选用；结论：结论：在机构选型时，应优先选用含有转动副的机构，避免采用在机构选型时，应优先选用含有转动副的机构，避免采用含有移动副的机构。若机构中存在移动副时，尽可能用转动副或含有移动副的机构。若机构中存在移动副时，尽可能用转动副或高副来代替。高副来代替。移动副移动副：不但不但制造较困难，制造较困难，而且而且一旦磨损不易保证配合精度，效率一旦磨损不易保证配合精度，效率低低，且易自锁，故且易自锁，故选型时选型时应应避免采用避免采用。高副高副：高副机构高副机构不但能容易地实现复杂的运动规律，而且能容易地

36、不但能容易地实现复杂的运动规律，而且能容易地实现自动化控制。缺点是：高副元素的曲面加工比较麻烦，而且高实现自动化控制。缺点是：高副元素的曲面加工比较麻烦，而且高副元素因磨损过大易造成运动失真，故副元素因磨损过大易造成运动失真，故选型时介于上述二种选型时介于上述二种运动副运动副之间之间。 例如：在图例如：在图a中，采用转动副中，采用转动副D代替移动副代替移动副D的近似直线运动机的近似直线运动机构；构；又如：在图又如：在图b中，采用高副中，采用高副C代替移动副代替移动副C的导杆机构。的导杆机构。3.选型时，应考虑选型时，应考虑“原动机原动机”的选用，使之有利于简化机构的结构的选用，使之有利于简化机

37、构的结构和改善运动质量和改善运动质量目前，工程上常用的目前，工程上常用的原动机原动机有有:电动机、液压缸、气缸电动机、液压缸、气缸。结论：结论：若有液压源、气压源设施时，应尽量采用若有液压源、气压源设施时，应尽量采用液压缸液压缸或或气缸气缸作为作为原动机，尽可能少用原动机，尽可能少用电动机电动机作为原动机。因为这样，不但有利于简作为原动机。因为这样，不但有利于简化机构的结构和改善运动质量，而且具有减振、操作方便等一系列化机构的结构和改善运动质量，而且具有减振、操作方便等一系列优点。优点。 电动机电动机液压缸液压缸 如如对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，以求得对于高速机械，机构选型要尽量

38、考虑其对称性，以求得惯性力的平衡和减小动载荷。惯性力的平衡和减小动载荷。6.选型时，应考虑选型时，应考虑该该机构的经济性能和使用性能机构的经济性能和使用性能 例如：选型时，应使所选用的机构易于加工制造、成本低；此例如：选型时，应使所选用的机构易于加工制造、成本低；此外还应使操纵方便、安全可靠、机械效率高等。外还应使操纵方便、安全可靠、机械效率高等。5.选型时，应考虑该机构是否具有良好的传力条件和动力特性选型时，应考虑该机构是否具有良好的传力条件和动力特性 4.选型时，应尽量避免选用选型时，应尽量避免选用“带虚约束带虚约束”的机构的机构原因：原因：在机构加工和安装时，若尺寸不准确，则原来的虚约束

39、变在机构加工和安装时，若尺寸不准确，则原来的虚约束变成实际约束，从而造成机构卡死或引起机构的破坏。因此，在选成实际约束，从而造成机构卡死或引起机构的破坏。因此，在选型时应尽量型时应尽量避免选用避免选用“带有虚约束带有虚约束”的机构。的机构。 又如对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力又如对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构发生自锁。角，以防止机构发生自锁。三、举例说明三、举例说明 以以“自动钻床自动钻床”为例，为例，各执行动作各执行动作和和执行机构执行机构如下图所示。如下图所示。目录目录（黑体，三号，居中）（黑体，三号，居中）1.设计任务书设计任务书（黑体，

40、四号）（黑体，四号）.12.工作原理和工艺动作分解工作原理和工艺动作分解.33.执行机构选型执行机构选型.54.工艺动作协调设计，并拟定运动循环图工艺动作协调设计，并拟定运动循环图.75.机械运动方案的选择和评定机械运动方案的选择和评定.86.机械传动系统的速比和变速机构机械传动系统的速比和变速机构.97.机构运动简图机构运动简图.108. 主要机构的尺度设计主要机构的尺度设计.129.主要机构速度与加速度分析（分析一个位置）主要机构速度与加速度分析（分析一个位置）.1310.参考资料参考资料.1411.设计总结设计总结.15课程设计目录课程设计目录几点说明几点说明:1)正文正文（宋体，小四号

41、），（宋体，小四号），页数页数15页页，其格式见模板示例；任务书，其格式见模板示例；任务书和封面，其格式见模板；和封面，其格式见模板；课程设计任务书课程设计任务书.doc课程设计（封面）课程设计（封面）.doc剥豆机构设计剥豆机构设计(示例示例).doc2)所有资料所有资料(含打印稿和电子稿含打印稿和电子稿)于第于第16(或或17)周周星期五下午星期五下午2:00前前交交到机械楼到机械楼214房间；房间；3)指导时间和地点指导时间和地点:打印稿：打印稿：用资料袋装好，并贴好封面。用资料袋装好，并贴好封面。电子稿：电子稿：由由各班学习委员各班学习委员汇总为一文件夹，将文件夹压缩后发汇总为一文件夹

42、，将文件夹压缩后发到电子邮箱到电子邮箱。机械机械113114班班:第第16周星期一、二上午周星期一、二上午810点，机械楼点，机械楼214。机械机械11131114班班:第第17周星期一、二上午周星期一、二上午810点，机械楼点，机械楼214。机械机械091机械原理课程设计机械原理课程设计第二讲第二讲 11- -7 机械运动系统方案的构思与拟定机械运动系统方案的构思与拟定 11- -8 机械运动系统方案的评价机械运动系统方案的评价 11-9 设计冲压式蜂窝煤成型机的运动方案设计冲压式蜂窝煤成型机的运动方案 11-6 执行动作间的协调设计和运动循环图执行动作间的协调设计和运动循环图 11-6 1

43、1-6 执行动作间的协调设计和运动循环图执行动作间的协调设计和运动循环图一、协调设计的定义一、协调设计的定义 对于大多数工程机械，其对于大多数工程机械，其执行动作执行动作往往较多。这就要求这往往较多。这就要求这些执行动作必须些执行动作必须在时间上、在次序上在时间上、在次序上应相互协调、相互配合，应相互协调、相互配合，不能出现干涉，以保证该机械能完成预定的功能和生产过程。不能出现干涉，以保证该机械能完成预定的功能和生产过程。这方面的设计工作称为执行动作间的这方面的设计工作称为执行动作间的协调设计协调设计。自动钻床自动钻床1)送料块送料块左右左右往复直线运动；往复直线运动；2)定位块定位块前后前后

44、往复直线运动；往复直线运动；3)夹紧块夹紧块前后前后往复直线运动；往复直线运动；4)钻孔刀具钻孔刀具上下上下往复直线运动。往复直线运动。例如：例如： 在在“自动钻床自动钻床”中，中，其执行动作有其执行动作有: 为了完成为了完成“自动钻孔自动钻孔”的总功能，上述四个执行动作的总功能，上述四个执行动作必满足必满足先后时间顺序的协调要求先后时间顺序的协调要求 。 1.各执行动作必满足动作先后的顺序性要求各执行动作必满足动作先后的顺序性要求 二、协调设计的原则二、协调设计的原则1）为了保证各执行动作运动循环的时）为了保证各执行动作运动循环的时间同步，间同步， 通常以通常以某一主要执行动作某一主要执行动

45、作开开始点作为运动循环的始点作为运动循环的起点起点，其它各执，其它各执行动作按此起点有序地进行；行动作按此起点有序地进行；2）为了避免两个执行动作在时间）为了避免两个执行动作在时间上上发生干涉发生干涉，应使前一个执行动作，应使前一个执行动作结束点到后一个执行动作起始点之结束点到后一个执行动作起始点之间有适当的间有适当的时间间隔时间间隔。 如在如在“自动钻床自动钻床”中，各执行动作的先后顺序性依次为：送料中，各执行动作的先后顺序性依次为：送料块块左右左右往复直线运动往复直线运动 定位块定位块前后前后往复直线运动往复直线运动 夹紧块夹紧块前后前后往往复直线运动复直线运动 钻孔刀具钻孔刀具上下上下往

46、复直线运动，其顺序不能颠倒。往复直线运动，其顺序不能颠倒。此外，还需注意二点此外，还需注意二点:2.各执行动作的时间安排要有利于提高生产率各执行动作的时间安排要有利于提高生产率 为了提高生产率，通常有为了提高生产率，通常有两种办法：两种办法：1)尽量缩短各执行构件工作行程和空回行程的时间；尽量缩短各执行构件工作行程和空回行程的时间；2)在执行动作不发生干涉的前提下，应使前一个执行构件回程在执行动作不发生干涉的前提下，应使前一个执行构件回程结束之前，后一个执行构件已开始工作行程。结束之前，后一个执行构件已开始工作行程。 如：在如：在“自动钻床自动钻床”中，中，定位块定位块在回程结束之前，在回程结

47、束之前，夹紧块夹紧块已开始已开始进入工作行程。进入工作行程。 三、机械运动循环图及其绘制机械运动循环图及其绘制1.机械的运动循环周期机械的运动循环周期T2）无周期性循环的机械：）无周期性循环的机械：1）周期性循环的机械：）周期性循环的机械：在工程上，大部分的机器都属于在工程上，大部分的机器都属于周期性循环的机械周期性循环的机械。在工程上，机械可分为两大类：在工程上，机械可分为两大类： 工作时，各执行动作每经过一段时间后，便周期性重复出工作时，各执行动作每经过一段时间后，便周期性重复出现的机械。如现的机械。如包装机械、各种自动机械包装机械、各种自动机械等。等。 工作时，各执行动作经过一段时间后，

48、不再周期性重复出工作时，各执行动作经过一段时间后，不再周期性重复出现的机械，如现的机械，如起重运输机、建筑机械起重运输机、建筑机械等。等。 在周期性循环的机械中，每完成一个工作循环所需的时间称在周期性循环的机械中，每完成一个工作循环所需的时间称为该机械的为该机械的运动循环周期运动循环周期，常以字母，常以字母T表示。表示。执TTttt回程执工作停歇ttt回程工作停歇， 分别为执行构件的分别为执行构件的工作行程时间工作行程时间、回程时间回程时间和和停歇时间停歇时间。例如：在例如：在“自动压痕机自动压痕机”中，执行构件为中，执行构件为冲头冲头2。T p = t k +t 0 +t d自动压痕机简图自

49、动压痕机简图 通常，机械的运动循环周期与各执行构件的运动循环周期是通常，机械的运动循环周期与各执行构件的运动循环周期是一致的，而执行构件的运动循环周期中至少包括一个一致的，而执行构件的运动循环周期中至少包括一个工作行程工作行程和和一个一个空回行程空回行程（即（即回程回程），有可能还有若干个），有可能还有若干个停歇段停歇段。因此执行。因此执行构件的运动循环周期构件的运动循环周期 可以表示为：可以表示为： 冲头冲头2的运动循环时间由三部分组成：的运动循环时间由三部分组成：冲头自上而下为冲头自上而下为工作行程工作行程 ，所花时间为，所花时间为t k ；冲头压痕时的冲头压痕时的保压停留时间保压停留时间

50、为为t 0；冲头自下而上为冲头自下而上为回程回程 ，所花时间为，所花时间为t d。 因此冲头一个运动循环中所需时间因此冲头一个运动循环中所需时间T p可表示为：可表示为：2. 机械运动循环图机械运动循环图 为了准确地描述各执行动作之间有序的、相互协调、相互配为了准确地描述各执行动作之间有序的、相互协调、相互配合的运动关系，常需借助于合的运动关系，常需借助于机械运动循环图机械运动循环图来表达。来表达。 机械运动循环图：机械运动循环图：一种用来描述各执行构件动作间的相互协一种用来描述各执行构件动作间的相互协调、相互配合的图形，或简称调、相互配合的图形，或简称运动循环图运动循环图。通常有三种表达形式

51、。通常有三种表达形式。 例如：例如： 在在“自动压痕机自动压痕机”中，执行构件为中，执行构件为冲头冲头2。下面分别来分析三种运动循环图的绘制方法、特点和选用原则。下面分别来分析三种运动循环图的绘制方法、特点和选用原则。矩形式矩形式圆环式圆环式直角坐标式直角坐标式 设冲头设冲头2位于最高位置时为运动循环起始点，位于最高位置时为运动循环起始点，设冲头的设冲头的工作行工作行程时间程时间为为tk；停歇时间停歇时间为为t0 ；回程时间回程时间为为td。三种运动循环图如下。三种运动循环图如下:1) 矩形式运动循环图矩形式运动循环图绘制方法绘制方法: 以时间以时间(或转角或转角)为横坐标，在一个运动循环中，

52、将各执行构为横坐标，在一个运动循环中，将各执行构件各行程区段（件各行程区段（工作行程工作行程、停歇段停歇段、回程回程等）的起止时间和先等）的起止时间和先后次序，按比例地绘制在直线坐标轴上。后次序，按比例地绘制在直线坐标轴上。特点特点:绘制简单，能清楚地表示各执行构件及其动作的先后顺序和绘制简单，能清楚地表示各执行构件及其动作的先后顺序和时间（或转角）关系；时间（或转角）关系；不能显示各执行构件的运动规律，即直观性差。不能显示各执行构件的运动规律，即直观性差。冲头冲头停歇时间停歇时间为为t0。设冲头的设冲头的工作行程时间工作行程时间为为tk；冲头的冲头的回程时间回程时间为为td；以以“自动压痕机

53、自动压痕机”为例，执行构件为为例，执行构件为冲冲头头2。设冲头设冲头2位于最高位置时为循环起位于最高位置时为循环起始点。始点。2)圆环式运动循环图圆环式运动循环图绘制方法绘制方法:特点特点: 以极坐标原点以极坐标原点O为圆心作若干个为圆心作若干个同心圆同心圆环环，每个圆环代表一个执行构件，在各圆环，每个圆环代表一个执行构件，在各圆环上分别用径向直线表示各执行构件在各行程上分别用径向直线表示各执行构件在各行程区段的起始位置和终止位置。区段的起始位置和终止位置。能清楚地表示各执行构件及其动作的先后顺序和时间（或转能清楚地表示各执行构件及其动作的先后顺序和时间（或转角）关系，直观性较强，便于各机构的

54、设计、安装与调试。角）关系，直观性较强，便于各机构的设计、安装与调试。当执行构件较多时，因同心圆环太多，而不易看清楚各执行当执行构件较多时，因同心圆环太多，而不易看清楚各执行构件的时间（或转角）关系，也不能表达各构件的运动规律。构件的时间（或转角）关系，也不能表达各构件的运动规律。O以以“自动压痕机自动压痕机”为例，执行构件为为例，执行构件为冲头冲头2。 设冲头设冲头2位于最高位置时为循环起始点。位于最高位置时为循环起始点。冲冲头的头的工作行程时间工作行程时间为为tk；停歇时间停歇时间为为t0 ；回程回程时间时间为为td。绘制方法绘制方法:特点特点:3)直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图

55、 以横坐标表示各执行构件的工作时间或主以横坐标表示各执行构件的工作时间或主轴的转角，以纵坐标表示各执行构件的位移或轴的转角，以纵坐标表示各执行构件的位移或角位移。为简便作图，各执行构件在角位移。为简便作图，各执行构件在各区段之各区段之间的运动规律均用直线连接。间的运动规律均用直线连接。能清楚地表示出各执行构件及其动作的先后顺序；能清楚地表示出各执行构件及其动作的先后顺序；能清楚地表示出各执行构件在各区段的运动规律，直观性最强。能清楚地表示出各执行构件在各区段的运动规律，直观性最强。在课程设计时，在课程设计时，优先采用直角坐标式运动循环图优先采用直角坐标式运动循环图。以以“自动压痕机自动压痕机”

56、为例，执行构件为为例，执行构件为冲冲头头2。 设冲头设冲头2位于最高位置时为循环起始点。位于最高位置时为循环起始点。冲头的冲头的工作行程时间工作行程时间为为tk；停歇时间停歇时间为为t0 ；回回程时间程时间为为td。向左、向前或向下移动向左、向前或向下移动:；向右、向后或向上移动；向右、向后或向上移动:静止不动静止不动:3. 举例说明举例说明1)以以“牛头刨床加工平面牛头刨床加工平面”的工艺过程的工艺过程为例，来说明运动循环图的绘制。为例，来说明运动循环图的绘制。设刨头位于最右位置时为起始点设刨头位于最右位置时为起始点。解：解：执行构件有执行构件有:刨头刨头、工作台工作台。加工平面的工艺过程为

57、加工平面的工艺过程为： 工作台停止工作台停止刨头自右到左为工作行刨头自右到左为工作行程程刨头自左到右为空回行程刨头自左到右为空回行程工作台向前横向进给工作台向前横向进给工作台停止。工作台停止。2)下面以下面以“自动车床加工阶梯形小轴自动车床加工阶梯形小轴”的工艺过程为例，来说的工艺过程为例，来说明机械运动循环图的绘制。明机械运动循环图的绘制。解解:执行构件有执行构件有:送料夹头送料夹头1、弹簧夹头弹簧夹头6、定位挡块定位挡块5和割刀和割刀14、车刀车刀12和和13。 车削的工艺过程为车削的工艺过程为：送料至定长：送料至定长夹紧夹紧车外圆及倒角车外圆及倒角切断。自动加工过程是由切断。自动加工过程

58、是由送料机构送料机构I、夹紧机械、夹紧机械II、横向进给机、横向进给机构构III和和纵向进给机构纵向进给机构IV协调配合完的，它们的四个主动凸轮均协调配合完的，它们的四个主动凸轮均安装在主轴安装在主轴O2O2上。上。 一个工作循环是指主轴一个工作循环是指主轴O2O2回转一周，即回转一周，即360。设机构设机构中的中的送料夹筒送料夹筒1位于最右位置时为起始位于最右位置时为起始点，点，以横坐标代表主轴以横坐标代表主轴O2O2的转角的转角，就可画出矩形运动循环图（图就可画出矩形运动循环图（图a）。）。矩形式运动循环图矩形式运动循环图直角坐标式运动循环图直角坐标式运动循环图圆周式循环图圆周式循环图 1

59、1 7、8 机械运动系统方案的评价和决策机械运动系统方案的评价和决策 在方案设计时，由于在方案设计时，由于同一功能同一功能可以选择不同的可以选择不同的执行动作执行动作、同同一执行动作一执行动作可以选择不同的可以选择不同的机构类型机构类型等，因此可能的设计方案有等，因此可能的设计方案有多种形式。多种形式。一、方案的评价指标一、方案的评价指标方案的好坏有许多评价指标方案的好坏有许多评价指标,下面仅介绍下面仅介绍常用的评价指标如下常用的评价指标如下： 1）系统性能：）系统性能： 是指机构实现工艺动作的准确性和特定功能等。是指机构实现工艺动作的准确性和特定功能等。2）运动性能：）运动性能：是指机构的运

60、动精度、行程可调性等。是指机构的运动精度、行程可调性等。3）动力性能：）动力性能：是指机构的承载能力、传力特性、振动噪音等。是指机构的承载能力、传力特性、振动噪音等。方案评价方案评价:是指通过科学的评价方法，来寻求一种既能实现预期是指通过科学的评价方法，来寻求一种既能实现预期功能要求，又能是性能优良、价格低廉的最佳设计方案。功能要求，又能是性能优良、价格低廉的最佳设计方案。下面仅介绍下面仅介绍“方案评价方案评价”中的二个问题。中的二个问题。4）工作性能：）工作性能：是指机构的效率高低、寿命长短、可靠性、适用范是指机构的效率高低、寿命长短、可靠性、适用范围等。围等。二、方案评价的方法二、方案评价