机械系统运动方案设计

第一节

机械总体方案设计概述第二节现代设计观念与创新设计简介第三节机械执行系统运动方案设计第四节执行机构的选型、组合与变异第五节执行系统的协调设计第六节机械传动系统方案设计第七节原动机选择

第八节机械系统方案评价与决策第九节机械系统运动方案设计举例机械系统方案设计一、机械产品的设计过程◆初期规划设计阶段◆总体方案设计阶段◆结构技术设计阶段◆生产施工销售阶段机械产品设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和功能的机械系统的过程。第一节

机械总体方案设计概述机械新产品的开发设计过程一般可以分为四个阶段：阶段步骤方法主要指导理论初期规划设计阶段设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学机械产品设计一般进程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论总体方案设计阶段系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论结构技术设计阶段价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论生产施工销售阶段各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学计算机辅助制造反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问二、机械总体方案设计的目的总体方案设计阶段的工作是实现机械产品初期规划阶段所提出的设计目标的关键。产品设计的好坏，包括产品的功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计阶段的工作，取决于方案的构思和方案拟定时的设计思想。

机械系统主要是由原动机、传动系统、执行系统和控制系统所组成。三、机械系统的组成四、机械总体方案设计的内容★执行系统的方案设计。主要包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的型式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价与决策。★原动机类型的选择和传动系统的方案设计。其中传动系统的方案设计主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构顺序的安排和各级传动比的分配。★控制系统的方案设计.★其它辅助系统的设计。主要包括润滑系统、冷却系统、故障监测系统、安全保护系统和照明系统等的设计。

机械总体方案设计的内容

执行系统的方案设计执行系统方案评价执行系统协调设计执行机构型式设计运动规律设计系统功能原理设计机构尺度设计运动和动力分析原动机类型的选择和传动系统的方案设计各级传动比的分配传动链中机构顺序的安排传动路线选择传动类型选择五、机械系统方案设计的过程

一、现代设计观念

(一)

机械设计的历史

人类设计经历的阶段直觉设计阶段凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往带有一定的盲目性经验设计阶段依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等方法进行设计半理论半经验设计阶段充分利用数据、图表和手册等进行设计，减少了设计的盲目性，增加了合理性第二节现代设计观念与创新设计简介

(二)现代设计方法的主要分支设计方法学(Designmethodology)

优化设计(Optimaldesign)

价值工程(Valueengineering)

计算机辅助设计(CAD)

可靠性设计(Reliabilitydesign)

造型设计(Visualdesign)

模块化设计(Modulardesign)

反求工程(Inverseengineering)

有限元法(Finiteelementmethod)

机械动态设计(Dynamicdesign)

相似性设计(Similaritydesign)

系统化设计(Systematizationdesign)

创新设计(Innovativedesign)

比较内容传统设计现代设计设计性质侧重技术面向功能，将技术、经济和社会环境因素结合在一起统筹考虑设计进程在战略进程和战术步骤上有随意性强调设计进程及其步序的模式化设计手段计算器、图板加手册的个体手工作业充分利用电子计算机进行计算、自动绘图和数据库管理，集团分工协作设计方式以经验总结、规范依据为主强调预测与信号分析及创造性的相互配合设计部署只限于从方案到工作图这个阶段贯穿开发的全过程，考虑全寿命周期的质量信息反馈设计思维朝向结构方案的“收敛性思维”面向总体功能目标的“发散性”思维二、传统设计与现代设计的比较比较内容传统设计现代设计设计方法采用少数的验证性分析以满足限定的约束条件多元性方法学直接综合使其在各种条件下实现方案与全域优化目标设计目标局限在微观和结构注重全局构成及协调，包括造型设计、宜人设计设计考虑的工况按确定工况与静态考虑研究动态的随机工况、模糊性及随机性设计评估采用单项与人为准则采用科学的模糊综合评判传统设计与现代设计的比较三、部分创造技法方法名称方法的主要特点方法的主要目的特性列举法将事物按名词、形容词、动词分解为三方面特性，将每类特性加以改变或延拓化整为零，逐个研究改进希望点列举法根据社会需求或个人愿望，通过列举希望来形成创新目标将思维收敛于某“目标”，侧重自由联想，思路更宽缺点列举法挑事物的毛病，提出改进设想追求完满，追求卓越智爆法集合3~5人，根据议题自由畅谈，不准批评，寻求创意以量求质设问探求法根据多项创造性的提问，进行分项检核，寻求创意帮助人们广思，思考方向和目标明确联想类比法通过比较，借助原有知识，在异中求同，在同中求异分析两事物的相同或相似点，由此及彼方法名称方法的主要特点方法的主要目的组合法按一定技术原理，将两个或多个功能元素合并，形成新产品、新工艺、新材料产生新功能功能分析法紧紧围绕功能分析、求解、组合寻找方案满足产品的功能要求是设计的核心综摄法把初次接触的事物或发现，联系到熟悉的事物中，用新眼光变熟悉为陌生，以新观点、新方式思考问题将毫无关联、完全不同的知识要素结合起来形成新方案转向法在求解问题中变换求解因素，采用其他原理、改变思索方向完善计划、修改方案、修正观点仿生法模仿人或生物的生理原理、结构、外形、感觉机理向人或生物索取启迪函询集智法借助反复函求多名专家的书面意见形成创意具有匿名性，便于充分发表看法方法名称方法的主要特点方法的主要目的635法6人参加，每次每人写3个设想，5分钟后交换，看过别人的设想后，再修正和补充3个设想…以笔代口，相互激励，短时间内可产生较多的设想方案设计目录法通过完备的设计信息库进行系统搜索有利于计算机辅助自动化设计评价法通过评价寻找弱点加以改进完善寻求最优解决方案价值分析法从经济效益出发分析和改进方案追求高价值的产品物场分析法任何主体总是通过“场”作用于客体，根据客体寻找合理的“场”和主体使物场三要素相互作用更有效，功能更完善、可靠分解法把事物分解或离散，使问题暴露出来，改进后重组便于抓住主要矛盾，寻求特色创意形态综合法对创造对象进行因素分解，列出每个因素的全部形态(手段)，按组合原理形成众多方案寻找尽可能多的解，从中选优方法名称方法的主要特点方法的主要目的专利利用法利用专利文献寻求改进、完善设想防止盲目，避免重复劳动移植法把一个对象的原理、方法运用于另一个对象中使已有技术在新领域中延续和拓展黑箱法根据输入、输出内容，探求黑箱内部的原理和结构用因果逻辑关系寻求输入与输出的最佳联系方式假拟设计通过计算机模拟或虚拟现实完善设计高效、快速、低成本、高质量优化设计建立研究对象的优化数学模型及目标函数，用计算机对计算结果进行分析、判断、寻优高效、降低成本、提高质量、适于各种复杂设计反求设计利用现有科技成果引进先进技术，消化吸收后创新吃透原设计，创造更优的设计第三节机械执行系统运动方案设计

重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成

由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。

一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程

功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案

二、执行系统的功能原理设计

1.功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。确定功能指标的考虑因素先进性、可行性、经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。工作原理就是机械实现其功能的技术载体，它既可以是物理原理，也可以是化学原理，甚至也可以是生物原理等，但在常规机械设计中，以采用物理中的机械运动原理为多。构思机械工作原理是一个创新思维过程，需要了解相关机械的工作原理，掌握现代科技水平，综合运用已学知识等，才可能较好地构思出先进的工作原理。由于机械为了完成同一功能要求可以采用不同的工作原理，而不同工作原理的机械，其机械运动方案也是不同的。即使相同的工作原理，也可拟定出不同的运动方案。例如，为了加工螺钉的螺纹，可以采用车削加工原理、套丝工作原理和滚压工作原理。这三种不同的螺纹加工原理适合不同的场合，满足不同的加工需要，它们的机械运动方案也就各不相同。

功能原理设计的多方案性

工作原理不同，运动方案也不同齿轮加工剃齿范成原理仿形原理

工作原理相同，运动方案不同齿轮加工插齿滚齿

其它实例斜面的应用

螺旋压力机、螺旋千斤顶、螺纹联接件、螺旋输送机、螺杆泵、螺旋微动机构、千分尺等

齿轮加工方法

无屑加工(精密铸造、粉末冶金成型、滚压成型)、切削加工(成型法、展成法)、成型法加工的盘状齿轮铣刀和指状齿轮铣刀、展成法的滚齿和插齿

确定方案时应注意两点⑴用最简单的方法实现同一功能。⑵注意光、机、电、流体等知识的综合运用。

设计一台彩色电视机阴极盘用的金属片的冲裁机器，圆片直径10mm，厚度0.8mm。100.8功能分解送料冲制退回

糖果包装机功能原理选择要求设计包装糖果的糖果包装机，如图所示。

图（a）所示为扭结式包装原理，图（b）所示的折叠式包装原理，图（c）所示的接缝式包装原理。三种方法的工作原理不同，工艺动作显然不同，所设计的机械的运动方案也完全不同B用最简单的方法实现功能举例按摩轮

图示按摩椅中的按摩轮利用一个偏心空间凸轮，同时实现三维方向的按摩作用—径向振动挤压、向下推拉和横向推拉，构思巧妙，结构非常简单。r光、机、电、流体等知识的综合运用举例指针玛瑙支撑K向刀口活动游标

图示分析天平，要求精度达到0.01g，但靠目力读指针的微小偏角已不可能。活动游标光源透镜读数窗

增加了一级光学放大镜，将读数放大。总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元

2.

功能分析与功能求解

功能分析法(Functionanalysis)，将机械产品的总功能(Totalfunction)分解成若干功能元(Functionelement)，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。三、执行系统的工艺动作分解工作原理确定之后，机械的功能便通过执行构件的工艺动作来实现。依据构思的工作原理和机械的功能要求，确定出执行构件的数目和各执行构件的工艺动作，是一个严谨、巧妙的构思过程，也是进行机械创新设计的重要环节之一。所以，工艺动作的确定除了要认真分析机械的功能目标，详细了解各种技术原理与操作方法之外，还需在思维方法上进行各种努力，放开思路、大胆设想。实现机械功能的工艺动作，一般可分解为多个简单运动。为了便于机构选型和机构综合，常将复杂的工艺动作分解成机械最容易实现的运动形式，如转动和直线移动，然后再进行合成。将工艺动作分解成多个简单运动后，通过对各个运动实现的可行性、简便性和兼容性（即能否与其他运动的合并）等进行分析，确定出执行构件的数目和各执行构件的运动形式以及运动要求等。例如，插齿机工作时，为了实现插制轮齿齿廓的功能，插刀的工艺动作有切削、展成、让刀等，可以看出插刀的工艺动作是比较复杂的。若一味强行思索，很难构思出一个单一机构完成这样一个复杂的工艺动作，但若将复杂的动作进行分解，切削由移动来实现；展成由转动来实现；让刀由间歇运动来实现。然后再将各动作进行协调配合，如：转动和移动的同时实现可以利用插刀轴的导向滑键，即插刀轴可以沿轴孔相对移动，同时又因键的联结随蜗轮一起转动；关于让刀的间歇运动，可以设计成刀与刀架一起动作的结构。但必须注意切削与让刀的动作在时间上的协调，否则会产生干涉。四、执行系统的运动规律设计1.工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具与工作台分别运动

运动规律设计通常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。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度

五、执行机构的型式设计

1.

设计原则●满足执行构件的工艺动作和运动要求●尽量简化和缩短运动链●尽量减小机构尺寸●选择合适的运动副形式

●考虑动力源的形式●使执行系统具有良好的传力和动力特性●使机械具有调节某些运动参数的能力●保证机械的安全运转第四节执行机构的选型、组合与变异1、实现执行构件各种运动形式的常用机构实现执行机构某一运动形式的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求，受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较，然后择优而取。实现执行构件各种运动形式的常用机构有：

1.

机构的选型

目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。执行构件的运动形式有三种基本形态：即转动、移动和摆动。这三种基本运动形式又可分为不同的基本动作类型，如下图所示。

转动

移动

摆动

基本动作

连续

间歇

等速

变速

单向

双向

连续

间歇

直线

曲线

单向

双向

等速

变速

有停歇

连

续

有停歇

连

续

急

回

增速

减速

单

向

往

复

螺

旋

按轨迹

等速

变速

有规律

急

回

为了便于进行机构选型，下表列出了常用机构的运动及动力特性。第七章中给出了实现常见运动功能的机构选例。机构类型运动及动力特性连杆机构可以输出转动、移动、摆动，可以实现一定轨迹、定位要求；经机构串接还可以实现停歇、逆转和变速功能；利用死点可用于夹紧、自锁装置；由于运动副为面接触，故承载能力大；但平衡困难，不宜用于高速.凸轮机构可以输出任意运动规律的移动、摆动，但动程不大；若凸轮固定，从动件复合运动，则从动件可以实现任意运动轨迹；由于运动副为高副（滚滑副），又靠力或形封闭运动副，故不适用于重载齿轮机构圆形齿轮实现定传动比传动，非圆形齿轮实现变传动比传动；功率和转速范围都很大；传动比准确可靠螺旋机构输出移动或转动，还可以实现微动、增力、定位等功能；工作平稳，精度高，但效率低，易磨损棘轮机构输出间歇运动，并且动程可调；但工作时冲击、噪声较大，只使用于低速轻载槽轮机构输出间歇运动，转位平稳；有柔性冲击，不适用于高速挠性件机构常见的挠性件有：带、链、绳；通常挠性件机构传递匀速转动；当轮为非圆形时，可实现非匀速运动；利用挠性件可以实现远距离往复移动，挠性件如带：具有吸振特点，无噪声，传动平稳。过载打滑，但传动不可靠电器机构用于传动和控制。用电、磁元件于机构中，作为中间媒介，可使机构快速起动和停止；实现驱动、传动、测量、控制、记录等功能液、气动机构常用于驱动机构、压力机构、阻尼机构、阀等；利用流体流量的变化可改变速度，利用流体可压缩性可吸振、缓冲、阻尼，利用承压面的大小可改变力1）实现连续旋转运动的机构：双曲柄机构（包括平行四边形机构、双滑块机构），转动导杆机构，定轴齿轮传动机构（包括圆柱、圆锥、交错轴斜齿轮传动机构等），蜗杆传动机构，周转轮系机构（包括少齿差、摆线针轮、谐波齿轮传动机构等），各种摩擦轮传动机构，各种柔型传动机构（如带传动，链传动等），非圆齿轮传动，齿轮—连杆机构，链轮—连杆机构，单、双万向联轴节等都能实现连续旋转运动。啮合传动机构

连杆机构传递连续转动机构摩擦传动机构

摩擦轮传动

蜗杆传动

链传动

齿轮传动

平行四边形机构

双曲柄机构

带传动

12摩擦轮传动

摩擦传动机构的优缺点结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。传动比不准确、传递功率小、效率低。123平面盘式无级变速器

123圆锥式无级变速器

2)实现单向间歇转动的机构棘轮机构

齿轮--连杆机构

单向间歇转动机构槽轮机构

不完全齿轮机构

凸轮式间歇运动机构

适用于转角固定的转位运动

每次转角小，或转角大小可调的低速场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合特殊要求的输送机构棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构等都能实现间歇旋转运动。凸轮机构

组合机构

往复运动机构连杆机构

螺旋机构

齿轮齿条机构

液压缸、气缸

正弦机构

正切机构多杆机构

曲柄滑块机构

连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。3）实现往复摆动的机构：曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构、由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆动的组合机构等都能够实现往复摆动。螺旋机构特点可获得大的减速比和较高的运动精度，常用作低速进给和精密微调机构。

齿轮齿条机构特点适用于移动速度较高的场合，精密齿条制造困难，传动精度及平稳性不及螺旋机构。

凸轮机构

连杆机构

3)

实现往复移动往复摆动运动的机构组合机构

往复运动机构螺旋机构

齿轮齿条机构

液压缸、气缸

正弦机构

正切机构多杆机构

曲柄滑块机构

4）实现间歇往复摆动的机构：带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇往复摆动。此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸（或汽缸），也能实现间歇往复摆动。7）实现刚体导引引动的机构：铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮连杆机构、齿轮—连杆机构等的连杆机构都能实现刚体导引运动。5）实现往复移动的机构：曲柄滑块机构，正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、各种移动从动件凸轮机构等都能够实现往复移动。此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇杆滑块机构的组合也能实现往复移动。6）实现间歇往复移动的机构：利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮—移动导杆机构组合等都能够实现间歇往复移动。此外，棘轮棘齿条机构还能实现单向间歇直线移动运动。齿轮—连杆组合机构联动凸轮机构

再现轨迹机构连杆机构

凸轮—连杆组合机构

一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。

8）实现给定曲线（轨迹）运动的机构：利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构，如凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构等。齿轮—连杆组合机构搅拌机构CBADE联动凸轮机构凸轮—连杆组合机构

此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。

此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。3机构选型的基本原则在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且还应该遵循下列的基本原则：1）满足工艺动作和运动要求。选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦，而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑，优先采用低副机构。2）结构最简单，传动链最短在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少，运动副数目也要少。这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且还可以减少机构的累计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直线运动，而且从动件的行程不要太大，可采用如图（a）或（b）所示的结构。为实现直线运动，也可采用如图（c）或（d）所示的结构。（a）

（b）

（c）

（d）

3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。例如两种摆杆机构的方案，显然，如图（a）所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构更简单，速度比较容易控制；而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a）复杂得多。4）机构有尽可能好的动力性能这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。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，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。5）加工制造方便，经济成本低降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低副机构，因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。此外，在保证使用条件的前提下，尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济效益的目的。6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。7）具有较高的生产效率和机械效率选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机关年纪效益的只要手段之一。在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。

此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。二．机构组合机构组合是指在机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统。进行机构的组合是实现机械创新的重要途径。在以下几个方面常常需进行机构组合：1）机构的工艺动作较复杂。若采用简单的、单一的基本机构无法实现复杂的工艺动作，这种情况下进行机构组合常采用并联式、复合式或叠加式的组合方式，组合时应注意各个子工艺动作协调配合问题。2）所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选。这种情况下常用串联式组合方式来改善机构的性能，如增程、增力，实现各种特殊运动要求等。3）由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作。机构的组合方式可划分为以下四种：串联式机构组合，并联式机构组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。⑴组合法

串联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。输入输出子机构II子机构I

后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。

后一级子机构的主动件为前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM

并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。子机构n1子机构III子机构I子机构II子机构n输入输出直线电机襟翼直线电机某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构

反馈式组合在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。输入输出4凸轮机构2自由度蜗杆蜗轮机构机床校正机构输入414213K2

复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式5杆机构输入输出凸轮机构三．机构变异当所选机构不能全面满足工艺动作所要求的运动和动力特性时，或为了改善所选机构的性能等时，可以通过对原始机构进行变异，以获得运动特性以及动力特性得以改善的新机构.机构变异的方法很多，对不同的设计要求和不同的机构要进行具体分析。下面介绍几种常用的变异方法。1．改变运动副的尺寸改变运动副的尺寸主要是指增大转动和移动副的尺寸。如增大组成转动副的销轴孔直径，但各构件之间的相对运动关系并不发生改变。这种演化与变异的特点是随着转动副的扩大，构件形状也发生变异，分别由杆状变换成圆盘状和圆环状。如图2—6所示。若将转动副尺寸连续扩大后将其展直，则转动副变成了移动副。如图2—7所示。这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。与转动副的扩大相同，移动副的扩大主要是指组成移动副的滑块与导路尺寸的增大，直到把机构中其它运动副包含在其中，但构件间的相对运动关系并不改变。如图2—8所示。这种变异机构常用于冲压机构中。图2—7转动副展直成移动副图2—6转动副扩大实例

图2—8移动副扩大实例

2．改变运动副元素的接触性质改变运动副元素的接触性质主要是用运动中的滚动接触代替滑动接触，常用的方法是：将组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，使原机构中导路与滑块的结构形式演化成导路与滚子的结构形式，如图2—9所示。对转动副来讲，可在组成转动副的销轴孔之间增添若干个滚动体，从而构成滚动轴承；对凸轮副来说，可将从动件设计成滚子形等，这样都可以减轻摩擦磨损。图2—9移动副变异为滚滑副

更换原动件

双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆机构的机架变换是指机构内的运动构件与机架的互相转换，或称机构的倒置。按照相对运动原理，机架变换后，机构内各构件的相对运动关系不变，而绝对运动却发生了改变。用这种方法可以创新设计机构。

对于曲柄滑块机构，通过改变不同构件作机架，可以得到转动导杆机构、摇块机构或移动导杆机构。运动倒置摆动凸轮机构123123连杆—凸轮机构罐头封口机构A1BCO234

改变构件结构形状

将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。改变构件运动尺寸

槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演变为槽条机构4．增加辅助结构

在机构运动时，往往会产生一些机构的各个组成元素本身无法解决的问题，如运动轨迹可变、运动规律可调等问题，这是可在原机构的基础上，通过增加辅助结构来解决。如下图所示的转动导杆机构，可以传递非匀速转动。如通过改变机架4的长度，将导杆3的摆动中心C置于活动铰链B的轨迹圆上，如图b)所示，则导杆将以曲柄1速度的一半等速转动，但当B点运动到与C点重合时，机构的运动将会不确定。为了消除图b)所示机构的运动不确定性，采取加入第二个滑块的方法，并将导杆3作成带十字槽的圆盘，如图c)所示。这样不仅克服了机构运动不确定性，而且曲柄转矩通过两个滑块传递给输出盘3，故可传递较大载荷。

1)

执行系统协调设计原则●满足各执行机构动作先后的顺序性要求●满足各执行机构动作在时间上的同步性要求●满足各执行机构在空间布置上的协调性要求●满足各执行机构在操作上的协同性要求●各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率●各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高第五节执行系统的协调设计某航空发动机附件传动系统主动轴IVIIIVVIIII

各子机构间无严格的运动协调配合关系

各子机构在动作的先后次序上有严格的要求

自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。工件(铆钉)外圆车刀棒料切断刀倒角刀凸轮轴挡板IIIIII主轴凸轮I凸轮II凸轮III凸轮转角0

90˚180˚270˚360˚

放松(送料)切断夹紧车外圆倒角挡料

各子机构有运动形式配合要求

磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式上有配合要求。砂轮砂轮架工件执行构件动作的协调配合●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件

两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件右折边构件MBA让刀运动执行构件运动速度的协调配合0范成运动切削运动i0齿轮插刀加工0让刀运动范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。

⑵执行系统协调设计方法●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●确定各执行构件动作间的配合关系

⑶机械运动循环图用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。

机械的工作循环图是将各执行构件的工作循环按同一时间（或转角）比例尺在同一幅图上绘出，并且以某一个主要执行机构的工作起始点为基准来表示各执行机构相对于此主要执行机构动作的先后次序。机械工作循环图通常有三种表示形式，即直线式、圆周式和直角坐标式。

运动循环图形式

直线式圆周式直角坐标式

退回停止冲制

进给冲头送料器曲柄转角

0º90º180º270º360º

直线式工作循环图

主轴作为参考构件

圆周式工作循环图

图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，转动2转为一个工作循环。

启排气门开启进气门开进气排气压缩膨胀闭进气门关火点曲轴0º

540º

360º

180º

排门闭关气直角坐标式工作循环图

饼干包装机工作循环图中，横坐标表示参考构件的转角，纵坐标表示执行构件的转角。进退

静止

静止

静止

进退

MM饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件右折边构件MBA左执行机构1

左执行机构2

分配轴转角

0º90º180º270º360º

一、机械传动系统方案设计

1.设计过程⑴确定传动系统总传动比⑵选择传动类型⑶拟定传动链布置方案⑷分配传动比⑸确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数⑹绘制传动系统运动简图第六节机械传动系统方案设计2.传动类型选择类型与特点挠性(件)传动

摩擦轮传动

绳传动

圆形齿轮传动

挠性啮合传动

带传动

啮合传动

机械传动摩擦传动单级齿轮传动

齿轮系传动

同步齿形带传动

螺旋齿轮传动

蜗杆蜗轮传动

圆锥齿轮传动

圆柱齿轮传动

定轴轮系传动

周转轮系传动

链传动

非圆齿轮传动

行星轮系传动

差动轮系传动

液压、液力传动利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。气压传动以压缩空气为工作介质的传动电气传动利用电动机和电气装置实现的传动按速度变化情况划分的传动类型传动类型原动机输出速度传动类型举例定传动比传动恒定齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调速的电力，液压及气压传动变传动比传动有级变速恒定带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱可调电力、液压传动中的有级调速传动无级变速恒定机械无级变速器，液力耦合器及变矩器，电磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性传动可调内燃机调速传动，电力、液压及气压无级调速传动周期性变速恒定非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合机构可调数控的电力传动

选择原则

●执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配●考虑工作要求传递的功率和运转速度●有利于提高传递效率●尽可能结构简单的单级传动装置

●考虑结构布置

●考虑经济性●考虑机械安全运转条件

传动比的合理分配传动机构种类平带V带摩擦轮齿轮蜗杆链圆周速度ms52553015251512015351540减速比58157104880610最大功率kW2007501200150250500005503750常用原动机的类型及主要特点

原动机类型主要特点三相异步电动机

结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般机械系统中应用最多。

同步电动机

能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网吸收无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于大功率离心式水泵和通风机等。

直流电动机

能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速范围宽，启动转矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格较高；机械特性较软、需直流电源。

第七节原动机选择

常用原动机的类型及主要特点

原动机类型主要特点控制电动机能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速特性均为直线。广泛用于工业控制、军事、航空航天等领域。

内燃机

功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求高、排气污染环境、噪声大、结构复杂。多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。

液压马达

可获得很大的动力和转矩，运动速度和输出动力、转矩调整控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密封不良时，污染工作环境；液压系统制造装配要求高。气动马达

工作介质为空气，易远距离输送、无污染，能适应恶劣环境、动作速度快；但工作稳定性较差，噪声大；输出转矩不大，传动时速度较难控制。适用于小型轻载的工作机械。一、原动机的类型与选择原则根据动力源的不同，常用原动机可分为四大类型，即电动机、内燃机、液压马达（缸）和气压马达（缸）等。

在选择原动机的类型时，主要应从以下三个方面进行考虑：1.执行构件的载荷特性、运动特性，机械的结构布局、工作环境、环保要求等；2.原动机的机械特性、适应的工作环境、输出参数可控制性、能源供应情况等；3.机械的经济性、效率、重量、尺寸等。由于电力供应的普遍性，且电动机具有结构简单、价格便宜、效率高、控制使用方便等优点，目前，大部分固定机械均优先选用电动机作为原动机。下面简单介绍电动机的类型、参数的选择。二、电动机的种类和结构形式

电动机是一种标准系列产品，使用时只需合理选择其类型和参数即可。最常用的结构形式为封闭型卧式电动机。

电动机

交流电动机:直流电动机：步进电动机：伺服电动机造价高，多用于一些有特殊需求的场合

用于数控设备中

结构简单、成本低、工作稳定可靠、容易维护，且交流电源易于获得，故是机械设备最常用的原动机。交流电动机Y系列：全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机YZ系列：笼型转子三相异步电动机YZR系列：笼型转子和绕线转子三相异步电动机三、电动机容量的选择电动机容量用额定功率表示，对于标准电动机，要求其额定功率等于或大于工作机（所有执行机构）所需的电动机功率（当装有飞轮时，电动机额定功率可以小于工作机所需的最大功率）。工作机所需的电动机功率为式中——工作机所需的电动机功率，；——电动机至工作机之间的传动系统的总效率；对于串联机组，其值如下计算：式中为电动机至工作机之间的各级传动机构（包括轴承损失在内）和联轴器的效率。各类机械传动及联轴器的效率见第九章的表9-1.13。——工作机所需输入功率，。当给定工作机输出端（执行构件）动力参数时，其值如下计算式中：——执行机构的总效率；为执行构件i的阻抗功率，其值如下计算：

或式中、——执行构件i的阻力、阻力矩(N或N*m)；、——执行构件i的线速度、转速(m/s或r/min)。当通过对执行机构进行动态静力分析，已获得工作机输入端动力参数时，则工作机所需输入功率为

或F、T——工作机输入端的阻力、阻力矩(N或N*m)；v、n——工作机输入端的线速度、转速(m/s或r/min);——执行构件之所受阻力Fi与受力点速度vi的夹角。因此电动机的额定功率应满足如下条件四、电动机转速的确定同一型式、同一功率的三相异步交流电动机，有几种不同的同步转速（即磁场转速），一般常用电动机同步转速有3000r/min，1500r/min，1000r/min，750r/min等几种。同步转速低的电动机，磁极多，其外廓尺寸及重量大，价格高；而同步转速高的电动机，磁极数少，尺寸和重量小，价格低。因此，确定电动机转速时，应从电动机和传动装置的总费用、机械传动系统的复杂程度及其机械效率等各个方面综合考虑。当执行构件的转速较高时，选用高转速电动机能缩短运动链，简化传动环节，提高传动效率。但如果执行机构构件的速度很低，则选用高转速电动机时，会使减速装置增大，机械传动部分的成本会大幅度增加，且机器的机械效率也会降低很多。因此，电动机的转速选择，必须从整机的设计要求出发，综合考虑，为能较好地保证方案的合理性，应试选2～3种电动机，经初步计算后进行取舍。由前述的机械运动方案设计可知，对于同一种运动规律，可用不同的机构型式来实现；对于同一种功能，可选用不同的工作原理和不同的机构来满足要求，而同一种工作原理，还可选用、创造不同的机构及其组合来实现。因此，对于要求满足某种功能的机械，可能的运动方案就有很多种，故有必要对机械运动方案进行比较和优选。作为课程设计，目的在于完成评选方案的初步训练，所以，偏重于机构结构、运动和动力特性方面的比较，主要包括以下几方面的内容：1．机构功能的质量2．机构结构的合理性3．机构的经济性4．机构的实用性第八节机械系统方案评价与决策1．机构功能的质量机构的功能就是转换运动和传递力。在作机构运动设计时，首先就是分析所设计机构的功能，并根据功能来设计、选择机构，组成方案。所以一般来说，所有方案都能基本满足机构的功能要求，然而，各种方案在实现功能的质量上还是有差别的，所以对实现功能的质量需首先进行比较分析。如：工作行程是否达到设计要求，与预期运动规律符合程度，运动参数，传力性能（压力角、传动角），生产效率，所须原动机功率，振动、冲击、噪声的大小，传动精度与持久性，恢复精度的方便程度等。2．机构结构的合理性机构中构件与运动副的数量及种类，机构组成是否最为简洁，运动链可否再作简化，动力源种类与原动机参数选择是否合理，各级传动机构的传动比分配是否合理。通常，机械制造的难易程度与使用构件多少的平方成比例，这是因为零件的制造技术和零件间的接合（装配）技术两方面的问题同时存在的缘故，因此，减少构件数和运动副数可降低制造的困难程度。同时还减少误差环节和摩擦损耗，提高机构的刚度，并且也降低机构产生故障的可能性，提高其工作的可靠性。因此，有时宁用有设计误差但结构简单的近似机构，而不采用理论上没有误差但结构复杂的精确机构。动力源的合理选择，也有利于机构的简化和改善运动质量。例如，从动件作直线运动，若能从现场的现成气、电、液压源中选择一个合适的直线运动动力装置（如气缸、直线电机、液压缸等），就可省去运动变换机构，简化机械系统。若现场不具备某些动力源，那么，为简化机构而特别设置一个新的动力源，也许是不合适的。3．机构的经济性机械应具有良好的经济性，即加工制造成本低，使用维修费用低。在材料确定后，加工制造成本主要与机构组成及运动副形式有关。因此，设计中要考虑是否有更简捷廉价的方法完成预期任务，对机器的加工、安装与配合精度要求可否降低，需特殊加工零件（凸轮、靠模）的加工难度，各种消耗（能源、工具、辅料）可否降低，原材料利用率能否提高等。在设计与制造的关系方面，我们应从制造是否简便的观点出发来衡量。如果这个方案的机构设计虽然比较繁难，但是制造容易，则还是应该优先选用，因为这有利于提高机构的经济性4．机构的实用性理论上可行的机构，到能够将其付诸实用，还是有一段距离的。所以，设计者要为“用户”着想，除了满足功能要求，经济实惠以外，还应考虑机器的安全可靠问题，如操作强度，操作人员的体力、脑力消耗，使用、维修、保养、装拆、运输的方便程度，是否会造成污染或公害，对工作环境有无特殊要求（防尘、防爆、防电磁干扰，恒温、恒湿等）。除了上述评价内容，在进行机械运动方案比较与优选时，还应考虑非机械传动方式的应用情况，机器中高新技术含量与自动化、智能化程度，设计成果的新颖性，他人知识产权、专利技术的移植与运用情况等。对于不同设计对象和设计要求，应按不同需要对上述内容加以合理取舍。

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●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

评价方法

⑴评分法针对评价目标中各个项目，选择一定的评分标准和总分计分法对方案的优劣进行评价。建立评价体系选择评分方法选择评分标准对各个项目进行评分选择总分计分法，计算总分选取高分者为优选方案

总分计分法

方法公式特点分值相加法

将n个评价目标评分值简单相加，计算简单、直观分值连乘法将n个评价目标评分值相乘，使各方案总分差拉开，便于比较

均值法

将相加所得结果除以评价目标系数，结果直观

相对值法

将均值法所得结果除以理想值，使Qi1，可看出与理想值的差距

加权计分法(有效值法)

将各项评分值乘以加权系数后相加，考虑了各评价目标的重要程度

评价结果的处理入选方案数设计阶段评价准则结果处理1最后阶段合理已得到最佳方案，设计结束可改进重新决定评价准则，再作评价中间阶段合理评价结束，转入下一阶段多于1最后阶段合理增加评价项目或提高评价要求再作评价中间阶段需改进若入选数太多，按上述方案改进准则再作评价合理将入选方案排序，转入下一设计阶段0任何阶段可改进放宽评价要求，再作评价合理待评设计方案质量不高需再设计第九节机械系统运动方案设计举例1.C1325自动车床刀架系统的分析功能要求自动换刀轴向进给进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613功能分解

●让刀—转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉●转位—转塔刀架每次转过60º●定位—转位之前拔出保证加工精度的定位销●进、退刀—不转时，精确实现预定的进退刀运动。进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613刀架系统的工作过程退刀压簧12→推杆13回程→齿轮6→齿条7→活动支架8向右完成退刀让刀退刀的同时，齿轮1的离合器结合并开始转动→宽齿轮2→圆锥齿轮3→圆柱凸轮机构4→拔出销10；同时，曲柄5转动→支架8快速向右让刀进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613转位让刀快结束时，槽轮开始转位→曲柄5的后半圈→支架8向左移动完成复位定位转位结束时，凸轮机构4的从动件推杆摆动→插入定位销10，齿轮1离合器脱开并停止运转刀架系统的工作过程进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613进给从动件13推程→齿轮6→齿条7→活动支架8向左运动完成进给进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613刀架系统的工作过程刀架系统的工作循环图定位销转塔活动支架定位拔出静止转位后退复位圆柱凸轮转角090º180º270º360º刀架系统各机构的组合方式及特点

组合方式分析组合方式主要以串联方式为主，但在I、II处采用了特殊的并联方式。进刀凸轮机构齿轮齿条机构曲柄滑块机构圆柱凸轮机构槽轮机构连杆机构圆柱齿轮机构圆锥齿轮机构活动支架进退转塔刀架转位定位销进退III

机构功能分析●进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工件需要更换不同的凸轮●后续串联的齿轮齿条机构用于转换运动形式并将运动放大●后续再串联一曲柄滑块机构，以增大让刀距离●并联槽轮机构用于实现转位●并联曲柄滑块机构用于实现让位●并联圆柱凸轮机构再串联连杆机构用于实现定位，且容易满足时序要求●圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构用于改变