北理工机械原理讲义第13章 机械系统运动方案的设计

第十三章机械系统运动方案的设计

一、基本要求（1）掌握机械系统的组成；（2）掌握机构系统的运动协调性设计；（2）了解机械系统运动方案的设计过程与评价方法。二、基本概念和基础知识1.

机械系统的组成机器大都由原动机、传动系统、工作执行系统和控制系统组成。（1）原动机

原动机是把其它形式的能量转化为机械能的机器，为机器的运转提供动力。按原动机转换能量的方式可将其分为三大类：电动机、内燃机和一次能源型原动机。常用的电动机有三相交流异步电动机，单相交流异步电动机，直流电动机、交流和直流伺服电动机以及步进电动机等。常用的内燃机主要有汽油机和柴油机，用于活动范围很大的各类移动式机械中。一次能源型原动机指直接利用地球上的能源转换为机械能的机器。常用的一次能源型原动机主要有水轮机、风力机、太阳能发电机等。（2）机械运动系统

机器中的传动系统和工作执行系统统称机械的运动系统。常用的传动系统有齿轮传动、带传动、链条传动等。有时，传动系统的目的是为了改变运动方向或运动条件，如汽车变速箱的输出轴与后桥输入轴不在一个平面中，而且相距较远，万向联轴器就能满足这种传动要求。机械传动系统的机构形式比较简单，设计难度不是很大。而机器的工作执行系统则要复杂得多。由机械传动系统和工作执行系统组成的机械系统运动方案的设计是机械设计的核心内容。（3）机械的控制系统

机械设备中的控制系统所应用的控制方法主要有机械控制、电气控制和自动控制。控制系统在机械中的作用越来越突出，传统的手工操作正在被自动化的控制手段所代替，而且向智能化方向发展。一般说来，可把控制对象分为两类。第一类是以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象，并按表示数量信号的种类分为模拟控制与数字控制。把位移、速度、加速度、温度、压力的大小转换为对应的电压或电流信号，称之为模拟量。对模拟信号进行处理，称为模拟控制。模拟控制精度不高，但控制电路简单，使用方便。把位移、速度、加速度、温度、压力的大小转换为对应的数字信号，称之为数字量。对数字信号进行处理，称为数字控制。第二类是以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象。并称为逻辑控制。逻辑控制可用二值‘0’、‘1’的逻辑控制信号来表示。2.

机构系统的运动协调性设计很多机械系统是由几个简单的基本机构组成的，它们之间没有进行任何连接，而是独立存在，但它们之间的运动却要求互相配合、协调动作。称此类设计问题为机构系统的运动协调设计。现代机械中，运动协调设计有两种途径。其一是通过对电机的时序控制实现机械的运动协调设计。这类方法简单、实用，但可靠性差些。其二是通过机械手段实现机械的运动协调设计。这类方法同样简单、实用，但可靠性好些。设计有周期性运动循环的机械时，为了使各执行机构能按照工艺动作有序地互相配合动作，提高生产率，需要进行运动循环图设计，以把握在机械的一个工作循环中各执行机构的运动配合关系。制定运动循环图的主要步骤：（1）分析每个子工艺动作特点，从中确定一个主要动作，以此作为其他动作的位置基准；（2）设定主要动作的位置起点、终点和运动循环周期；（3）分析其他动作相对主要动作的衔接位置，并且注意两个动作衔接处要有一定时间间隔，避免发生运动干涉。3.

机械系统运动方案的设计与评价机械系统运动方案的设计内容主要有以下几个方面：（1）根据机器的功能目标确定机器的工作原理；（2）按机器的工作原理确定机器的基本动作选择执行机构；（3）确定传动机构类型与原动机类型；（4）按机器的基本动作选择实现对应动作的执行机构；（5）进行运动协调设计，完成机械运动方案的总体设计；（6）对机械运动方案进行评估，选择最优方案；（7）进行尺度综合，设计机构系统的机构运动简图。机械系统运动方案的设计具有多解性，是机械设计中最富有创造性的一部分工作，如何从众多的设计方案中求得最佳解，是一个较为复杂的问题。在对运动方案进行评价时，应从动作的合理性、实用性、可比性、工作的可靠性、产品的经济性、绿色性等多方面加以考虑。机械系统运动方案评价的常用指标：（1）完成实现功能目标情况：指完成机械功能的好坏。（2）工作原理的先进程度：指体现在机械的运动学与动力学性能、机械效率、精度、创造性等指标，先进的机械工作原理能给机械带来许多优点。（3）工作效率的高低：指生产率、运转时间等影响工作效率的因素。（4）运转精度的高低：指传动机构和工作执行机构的精度指标。（5）方案的复杂程度：指机构简单、容易制造，机构数量少，传动链短等因素。（6）方案的实用性：指制造、维修容易，设计方案容易转换为产品，并能产生经济效益。（7）方案的可靠性：指构件和机构系统的失效率低，整机的可靠性高。（8）方案的新颖性：指方案的创造性。（9）方案的经济性：指设计成本、制造成本、运行成本及其维修保养等因素。（10）方案的绿色性：指涉及到资源与环境保护方面的因素。三、学习重点及难点本章学习的重点是掌握机械系统的各组成部分，并熟悉、理解各组成部分内部的组成结构及其类型。机械系统运动方案的设计及其运动循环图的绘制是本章学习中的另一个重点。难点是在机械系统运动方案的设计过程中，如何在多个方案中确定出符合要求的最佳设计方案。四、试题精选例题13-1

以插齿机的插刀运动机构为例，分析其机械运动循环图的拟定过程。解：插刀运动机构主要工艺动作有切削、让刀和范成，经分析确定切削动作为主要动作。它所要实现的是由上至下，再由下至上的移动，因此设定最高位置为起点，也是一个运动循环的终点。若输入运动为转动，循环周期定为360°。最后，再分析其他工艺动作，分析范成运动，发现它是一个独立运动，只要满足与切削速度相适应的转速即可，没有与主运动的动作协调配合问题。分析让刀运动，确定它与主要动作的关系是，当插刀由上向下切削时要求插刀杆处于抬刀位置，以便插刀切削齿轮毛坯；当插刀由下向上返回时，插刀杆处于让刀位置，避免擦伤齿面。让刀和抬刀动作区间只允许在插刀脱离毛坯一段很短的时间间隔内完成。经具体动作时间分配绘制出机械运动循环图如图13－1所示。其中，循环到15°时插刀开始接触毛坯，抬刀动作已在120°时完成，因此两个动作衔接保留有3°的间隙，以保证不会发生运动干涉。返回行程的循环区间分配与其相同。图13-1

插刀系统机械运动循环图

例题13－2

某蜂窝煤成型机机械系统运动方案的设计分析。解：1

蜂窝煤成型机的功能设计蜂窝煤成型机必须完成以下功能：（1）煤粉的输送及往模型腔中加料；（2）冲压成型；（3）清除冲头及出煤盘上的煤屑；（4）把成型的蜂窝煤从煤具中脱出；（5）输送蜂窝煤。2

技术原理为满足蜂窝煤成型机的设计要求，把蜂窝煤成型机的工艺动作分解如下：（1）冲压机构完成冲压蜂窝煤的动作并可短暂保压；（2）间歇性运动机构完成带有周向圆孔的出煤盘的间歇性转动；（3）扫屑机构完成清扫冲头及出煤盘；（4）脱模机构完成把蜂窝煤从莫具中脱出的动作；（5）减速传动机构调整适当的冲压速度。根据蜂窝煤成型机要求性能良好、结构简单、操作容易、经久耐用、维修方便、成本低廉的特点，其机械系统由曲柄滑块机构（冲压机构）、槽轮机构（分度机构）、移动凸轮机构（扫屑机构）以及带传动+齿轮机构（减速机构）组成。机构图如图13-2所示。为增加冲头的刚度，采用对称的两套冲压机构。

冲压机构

减速机构

分度机构

扫屑机构

图13－2

蜂窝煤成型机机构组成图3

运动循环图蜂窝煤成型机中各机构的动作具有严格的顺序，其运动循环图如图13-3

所示。循环图中，以冲压机构为主机构。横坐标为曲柄轴的位置，纵坐标表示各执行机构的位置。图13－3

蜂窝煤成型机运动循环图冲压过程分为冲程和回程，带有模孔的转盘工作行程在冲头回程的后半段和冲程的前半段完成，使间歇运动在冲压之前完成。扫屑运动在冲头回程的后半段和冲程的前半段完成。4

机械系统运动方案的构思把减速传动机构、冲压机构、分度机构和扫屑机构的运动协调起来，可按机构组合原理进行。各分支机构的连接框图如图13-4

所示。图13-4

各分支机