第十章-机械系统运动方案创新设计及运动循环图PPT幻灯片课件

1、MECHANISMS AND MACHINETHEORY主讲教师:徐林林 机械原理第章 机械的运动方案及机构的创新设计8.1 概述8.3 机构运动方案设计8.4 机构系统运动循环图 8.2 机构的类型和选择 8.1 概述 机械是机器和机构的总称，机器是由单一机构、多个同一机构或多种机构所组成的。牛头刨床就是一部典型的机器。在牛头刨床中，连杆机构用以实现切削运动，棘轮机构及丝杠传动用以实现工作台的水平进给，另一丝杠传动用以实现工作台及刀架的垂直进给。工作台、刀架与滑枕是执行构件。一部机器的设计，一般应遵循以下步骤：第一确定其所要完成的工作任务。第二，根据机器的工作要求，对需要采取的工艺方法或工作

2、原理进行分析。第三，运动方案设计。第四，施工图设计。一、运动方案设计的主要步骤 一部机器主要由四大部分组成：原动机、传动机构、执行机构和控制系统。组成机器的四大部分都必须选择和设计得当才能保证整部机器的性能优良。传动部分原动机部分执行部分控制系统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、动力源的选择及传动机构的确定；4、方案的比较与决策。 机械运动方案设计的结果是绘出机械运动简图。其主要步骤如下：(1). 分析机械产品的生产工艺过程或其功能要求，区分出主操作部分和辅助操作部分，然后确定所需的执行构件数及其基本运动形式和运动特性。 (2). 合理选择

3、机构类型，拟定机械运动方案。 由上确定了执行构件后，也就确定了所需执行机构数，根据对机械产品的总体要求，合理地选择执行机构的类型。 再根据所选原动机（如电动机、液压泵等）的类型，确定传动类型和传动机构，通过各种联接方式，将所有机构组合成若干条机构系统， 并画出示意图，即为机械运动方案。 (3). 拟定机构系统的运动循环图。 运动循环图反映了机械在一个工作循环中，各执行构件的运动先后顺序关系的一种图示。它直观而清晰地表示了各执行构件的运动在机械整体运动中的作用、地位，也是对每个机构进行运动设计和整个机构系统安装、调试的依据之一。 (4). 对所选的机构进行运动设计，确定各机构具体的几何尺寸，最后

4、按比例绘制出机构系统的运动简图。 8.2 机构的类型和选择一、执行机构的选择 由上述机械系统运动方案设计步骤可知，在了解并确定了机械所要求实现的若干个基本运动形式（或基本动作）和运动特性后，如何选择能实现各个执行构件所需运动的机构，就称为机构选型问题。执行构件的基本运动形式有： 连续转动 往复摆动 往复移动 单向间歇转动 间歇往复移动 间歇往复摆动 平面一般运动 点的轨迹运动 运动要求及其相应机构举例 对执行构件的运动要求 可供选择的机构类型 等速连续转动 平行四边形机构、双万向联轴节机构、各种齿轮机构、轮系等。 非等速连续转动 双曲柄机构、转动导杆机构、单万向联轴节机构等。 往复摆动（只有行

5、程角或若干位置要求） 曲柄摇杆机构、双摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摇杆滑块机构（滑块为原动件）、摆动从动件凸轮机构等。 往复摆动（有复杂运动规律要求） 摆动从动件凸轮机构、凸轮齿轮组合机构等。 间歇旋转运动 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮机构、凸轮齿轮组合机构等。 等速直线移动 齿轮齿条机构、移动从动件凸轮机构、螺旋机构等。 往复移动（只有行程或若干位置要求） 曲柄滑块机构、摇杆滑块机构、正弦机构、正切机构等。 往复移动（有复杂运动规律要求） 移动从动件凸轮机构、连杆凸轮组合机构等。 平面一般运动（或称刚体导引运动） 铰链四杆机构、曲柄滑块机构、摇块机构等。（连杆作平面一般运动

6、） 近似实现点的轨迹运动 各种连杆机构等。 精确实现点的轨迹运动 连杆凸轮组合机构、双凸轮机构等。 典型机构1、实现直线运动的机构2、实现回转运动的机构3、实现运动轨迹的机构4、点到点的运动机构5、位到位的运动机构二、传动机构的类型及功用常用的传动机构有1、齿轮机构2、螺旋机构3、带传动及链传动4、平面连杆机构5、凸轮机构6、间歇机构7、组合机构8.3 机构运动方案设计 机构系统运动方案设计首要的任务是满足执行构件的运动要求，包括运动形式、运动规律或运动轨迹要求。除此之外，通常应遵循以下几个基本原则。一、机构尽可能简单，运动链尽可能简短1).在选择平面连杆机构时，有时宁可采用有一定设计误差的简

7、单的近似机构，而不采用理论上无设计误差的较复杂的精确机构。2).合理选择动力源的类型，可使运动链简短。 在只要求执行构件实现简单的工作位置变换的机构中，采用液压缸或气压缸作为原动机，直接推动执行构件运动较为简便，它同采用电动机驱动相比，可省去一些减速传动装置和运动变换机构。而且还有传动平稳、操作方便、易于调速等优点。3).高副机构与低副机构的比较。 在基本机构中，高副机构（如凸轮机构、齿轮机构）只有三个构件和三个运动副，而低副机构（如四杆机构）有四个构件和四个运动副。因此，从运动链尽可能简短考虑，似乎应优先选用高副机构。但在实际设计中，不只是考虑运动链简短问题，还需要根据高副机构和低副机构各自

8、在传动与传力特点、加工制造、使用维护等各方面进行全面比较，才能作出最终选择。 二、尽可能减小机构的尺寸 在满足工作要求的前提下，总希望机械产品的结构紧凑、尺寸小、重量轻，这是机械设计所追求的目标之一。 机械产品的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大的差别。例如： 1).实现同样大小传动比的情况下，周转轮系的尺寸比普通定轴轮系的尺寸要小很多。 2).要获得移动从动件有较大行程(h)，显然圆柱凸轮机构的凸轮径向尺寸比盘型凸轮机构的凸轮径向尺寸要小得多，所需凸轮活动空间也小。当然，圆柱凸轮机构可以减少径向尺寸，但是它的轴向尺寸却增大了，因此在实际设计中，还应根据允许的空间大小，选择哪一种凸轮机构

9、。 三、机构系统应有良好的动力学特性 1).要选择有良好动力学特性的机构，首先是尽可能选择压力角较小的机构，特别注意机构的最大压力角是否在允许值范围内。例如在获得执行件往复摆动的连杆机构中，摆动导杆机构最为理想，其压力角始终为零。2).从减少运动副摩擦、防止机构出现楔紧现象，甚至自锁，则尽可能采用全由转动副组成的连杆机构，尤其是少采用固定导路的移动副。转动副制造方便，摩擦小，机构传动灵活。3).对于高速运转的机构，如果作往复运动或平面一般运动构件的惯性质量较大，或转动构件有较大的偏心质量（如凸轮构件），则在设计机构系统时，应考虑平衡惯性质量措施，以减少运转过程中的动负荷和振动。 四、机构系统运

10、动方案设计举例 工作原理 如图所示为印刷机蘸油机构系统。构件1为整个机构系统的原动件，通过待设计的机构系统带动构件4上的蘸油辊5绕O3轴作往复摆动。蘸油辊5在上极限位置停留时，与供油辊2相接触，供油辊2则在同一个原动件1的另一条机构系统带动下，作间歇转动，转动时先将油盒3中的油墨带到辊的表面上，然后通过摩擦作用再将油墨传到蘸油辊5的表面上。蘸油辊5在下极限位置停留时，与水平运动的墨板6相接触，将油墨刷至墨板6上。 设计条件与要求 印刷机的原动件为电动机，经过减速后原动件1的转速为30r/min。供油辊2和蘸油辊5的直径D均为60mm。 各固定铰链的相对位置及有关尺寸列于表中。 y1y2y3x2

11、 5005508020058090 要求执行构件4（蘸油辊5）和供油辊2满足的运动规律y4=y4(j1)和y2=y2(j1)如图所示，即原动件1在转一周的周期内，由下极限位置以等加速等减速运动规律顺时针转过27至上极限位置，然后停歇不动，最后又以等加速等减速运动规律返回至下极限位置。 供油辊2在蘸油辊5同其接触中转过60，以何种运动规律转过60无特殊要求。 设计任务 设计由原动件1至蘸油辊5和供油辊2的两条机构系统运动方案，并画出机构系统运动示意图。 设计思考1).执行构件4有往复运动规律要求，因此应选择一个摆动从动件凸轮机构。2).供油辊2有单向间歇转动的要求，且有较长时间的停歇，因此应选择

12、一个间歇运动机构。3).因为给定原动件固定铰链O1的位置距执行构件有相当大的距离，因此，每条机构系统需要选择一个以上的机构。4).由于是印刷机械，带动执行构件运动不需要机构去克服大的载荷，故机构类型的选择和设计以满足运动要求为主。拟定出以下三种可行的机构系统运动方案供分析、比较。运动方案之一 组成:原动件1摆动从动件凸轮机构 平行双摇杆机构曲柄摇杆机构 平行双摇杆机构 棘轮机构运动方案之二 组成:原动件1链条传动摆动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构双摇杆机构棘轮机构运动方案之三 组成:原动件1摆动从动件凸轮机构 两个平行双摇杆机构链条传动 不完全齿轮机构（构件11和2）8.4 机构系统运动循环

13、图 当按机械的运动要求或工艺要求初步设计出机构系统运动方案示意图后，还不能充分反映出机构系统中各个执行构件间的相互协调配合的运动关系。 用来描述机构系统在一个工作循环中各执行构件运动间相互协调配合的示意图称为机构系统运动循环图，简称运动循环图。 由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个工作循环，故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为位置变量，以某主要执行构件有代表性的特征位置为起始位置，在主轴或分配轴转过一个周期时，表示出其他执行构件相对该主要执行构件的位置先后顺序关系。按其表示的形式不同，通常有直线式运动循环图（或称矩形运动循环图）、圆周式运动循环图和直角坐标式运动循环图。 现以半自动

14、制钉机为例，说明制造如图所示一枚鞋钉的工艺过程所绘制的运动循环图。 该鞋钉分为钉头、钉杆、钉尖三部分，钉杆成四方锥形。为将钢丝料制成一枚鞋钉，其工艺过程示意图如图所示。整个机构系统由四个机构所组成（图中只画出各机构的执行构件），分别完成四个工序，其一个工作循环的顺序如下： 镦头：冲头1左进镦出钉头。在镦锻过程中，冲头3压紧钢丝料。 送料：由送料夹持器2分四次间歇送进，前三次每次送进量约为三分之一钉长度，第四次送进略大于前三次送进量。 压紧、挤方：由冲头3在前三次送料后的停歇时间内将钉杆挤压成方锥，在其余工作循环中冲头3保持与钉杆接触，起压紧作用。 挤尖、切断：在第四次送料后，由切断刀4同时完成

15、挤尖、切断工序，最后完成一枚鞋钉的制作。 描述以上一个工作循环，按四个执行构件的运动协调配合绘制运动循环图。1.直线式运动循环图 绘制方法：将机械在一个工作循环中各执行构件各运动区段的起止时间（或转角）和先后顺序，按比例绘制在直线轴上，形成长条矩形图，如图所示。 特点：绘制方法简单，能清楚地表示出一个运动循环内各执行构件间运动的先后顺序和位置关系。但由于不能显示各执行构件的运动变化情况，只有简单的文字表述，使运动循环图的直观性较差。 2.圆周式运动循环图 绘制方法：以原点O为圆心，作若干个同心圆环，每一个圆环代表一个执行构件。由各相应圆环分别引径向直线表示个执行构件不同运动区段的起始和终止位置

16、，如图所示。 特点：因为机械的运动循环通常是在主轴或分配轴转一周的过程中完成的，因此，能直观地看出各执行机构中原动件在主轴或分配轴上所处的相位，便于各执行机构的设计、安装和调试。但当执行构件较多时，因同心圆环太多而不够清晰，同样也不能显示执行构件的运动变化情况。 3.直角坐标式运动循环图 绘制方法：以横坐标轴代表机械的主轴或分配轴的转角，以纵坐标轴代表各执行构件的角位移或线位移，如图所示，实际上就是各执行构件的位移线图。为简明起见，通常忽略实际的运动规律，将各运动区段用直线连接，只反映出个执行构件间运动的协调配合关系即可。 特点：形象、直观，不仅能清楚地表示出各执行构件的运动先后顺序，还能表示

17、出执行构件的运动状态及运动变化情况。并能作为下一步机构几何尺寸设计的依据，因此得到广泛的应用。 机构系统运动循环图的拟定 拟定机构系统运动循环图是各执行机构协调设计的重要内容，它的主要任务是根据机械对工艺过程及运动要求，建立各执行机构运动循环之间的协调配合关系。如果这种协调配合得好，即可保证机械有较高的生产率和效率及较低的能耗。一、满足执行机构之间运动的顺序关系 某产品外包装上需要打印生产日期 ，在一条生产线上首先由推送机构的推杆1将产品3送至待打印的位置，然后打印机构的打印头2向下完成打印操作。 两执行构件1和2的运动规律已按工艺要求基本确定，在一个运动周期内的周期相同，即T1=T2。 下面

18、给出该机构系统运动循环图的三种安排方式，说明每一种方式的合理性 。方式一：推杆1先完成一个运动循环，然后打印头2再完成一个运动循环，如此反复交替，机构系统的运动及运动循环图如图所示。 点评：整个打印工作循环所需时间最长，即T=T1+T2。显然这种安排不大合理。 方式二：打印头2先运动，推杆1经过DT时间后也开始运动，使得产品刚到打印位置，打印头2也同时到达打印位置，机构系统的运动及运动循环图如图所示。 点评：理论上整个打印工作循环所需时间最短，即T=Tmin=T1=T2。但由于制造、安装等误差而导致机构产 生运动误差，有可能产品还未到预定位置，而打印头2已经到达打印位置。显然这种运动循环图的安排不大合理。 方式三：调整推杆1在一个运动循环内运动区段与停歇区段的相对位置，使产品提前Dt时间到达预定位置，机构系统的运动及运动循环图如图所示。 点评：如图所示的打印机构系统的运动循环图较为合理。一个打印工作循环所需的时间仍为最短。时间提前量Dt的数值可根据产品大小及实际可能的误差因素综合地加以确定。 二、满足执行机构之间的顺序关系和空间关系 如图所示为某包装自动线上两折纸机构（机构未画出）的执行构件1和2对产品3进行折纸的顺序原理图。 折纸过程产生干涉的原因是构件2运动过早了。在构件1返回过程中，其上N点应该在通过M点后，构件2上K点才到达M点，如