第14章 机械系统运动方案设计

第十四章机械系统运动方案设计§14-1

机械运动方案的拟定在机器设计中的地位和作用§14-2机械执行系统运动方案设计§14-3机器传动系统方案设计和原动件选择§14-4机械运动方案拟定示例一、机械产品的设计过程§14-1机械运动方案的拟定在机器设计中的地位和作用机械产品设计:分析综合创新特定要求新产品特定功能开发机械设计的重要性直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企业效益。核心内容机械运动方案设计，最具创造性和综合性。机械新产品的开发设计过程：1）初期规划设计阶段2）总体方案设计阶段3）结构技术设计阶段4）生产施工设计阶段一、机械产品的设计过程一、机械产品的设计过程初期规划设计总体方案设计结构技术设计生产施工设计选题调研和预测可行性论证确定设计任务阶段成果：调研报告产品开发可行性论证报告设计任务书一、机械产品的设计过程初期规划设计总体方案设计结构技术设计生产施工设计阶段成果：目标分析创新构思方案拟定方案评价方案决策总体方案示意图机械系统方案运动简图运动循环图方案设计计算说明书一、机械产品的设计过程初期规划设计总体方案设计结构技术设计生产施工设计阶段成果：结构方案拟定造型设计结构设计材料选择与尺寸设计设计图绘制全套设计图纸设计计算说明书一、机械产品的设计过程初期规划设计总体方案设计结构技术设计生产施工设计阶段成果：工艺设计工装设计施工设计工艺流程卡片工装设计图基础安装图技术文件使用说明书备件明细表二、机械总体方案设计的目的和内容

目的产品功能是否齐全、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的构思和方案拟定时的设计思想。

机械产品市场上的竞争力？质量好价格低有新意的产品仿照设计：往往忽略初期规划设计阶段的作用往往忽略总体方案设计阶段的作用初期规划设计调研可行性论证生命力竞争力开发什么产品？产品开发：总体方案设计设计目标创新的关键二、机械总体方案设计的目的和内容内容

执行系统的方案设计执行系统方案评价与决策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控制系统的方案设计其它辅助系统的设计照明系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计冷却系统设计润滑系统设计第十四章机械系统运动方案设计§14-1

机械运动方案的拟定在机器设计中的地位和作用§14-2机械执行系统运动方案设计§14-3机器传动系统方案设计和原动件选择§14-4机械运动方案拟定示例

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机构尺度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

根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现这一功能要求。功能原理的选择与构思:

功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理，加以分析比较并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。举例：自动送料板装置的功能原理设计机械推拉原理摩擦传动原理(摩擦板)摩擦传动原理(摩擦轮)气吸原理(底吸法)气吸原理(顶吸法)工作原理不同，运动方案也不同切削加工范成原理仿形原理齿轮加工无削加工粉末冶金成型精密铸造滚压成型剃齿齿轮切削加工插齿滚齿工作原理相同运动方案不同

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。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、千分尺等小结：实现某种预期的要求，可以采用多种不同的工作原理不同的工作原理需要不同的工艺动作，这样所设计出的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面都会有很大的差别。三、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

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。刀具作复合运动刀具与工作台分别运动立式钻床工艺动作分解内孔加工车床

拉床

钻床

镗床

总结：同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运动方案也相同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。

在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最佳方案。

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四、执行机构的型式设计四、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2.

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。⑴传递连续转动的机构传递连续转动机构啮合传动机构

蜗杆传动

链传动

齿轮传动（含轮系）

连杆机构平行四边形机构

双曲柄机构

摩擦传动机构

摩擦轮传动

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

⑵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

⑶实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构

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。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

⑶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

⑷再现轨迹的机构齿轮—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。

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.

机构的构型

目的当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。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。

后一级机构的子主动件为在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

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⑵变异法更换原动件

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

五、执行系统的协调设计⑴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。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。

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

0º90º180º270º

360º

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

六、方案评价与决策

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八章机械系统运动方案设计§8-1

机械运动方案的拟定在机器设计中的地位和作用§8-2机械执行系统运动方案设计§8-3机器传动系统方案设计和原动件选择§8-4机械运动方案拟定示例一、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。

二、原动机的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。第十四章机械系统运动方案设计§14-1

机械运动方案的拟定在机器设计中的地位和作用§14-2机械执行系统运动方案设计§14-3机器传动系统方案设计和原动件选择§14-4机械运动方案拟定示例一般的钻床多采用第一种方案，但本例是三轴专用钻床，因工件小，工作台轻，移动工作台比移动三轴容易。故采用第二种方案。1.多头专用钻床机械传动系统设计

设计任务设计一台自动钻床，用来同时加工图示零件上的三个孔，并能自动送料。3020382020502010⑴运动方案选择

工艺动作钻头一边旋转，同时相对于工件作移动三种运动方案●钻头旋转，同时轴向进给，工作台静止●钻头旋转，工作台带动工件进给●工作台旋转，钻头作轴向进给送料机构采取从料仓推送工件的方式⑵执行系统运动规律设计工作台送料杆料仓

三个执行构件钻头、工作台、送料杆

工艺过程●送料杆往右推出零件，并顶出加工好的零件●夹具将工件定位并夹紧●送料杆返回，工作台带动工件快速上移接近钻头●工作台慢速工进；●钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环

钻头的转速

nc1000v(d)

d钻头直径，d8mm

v

切削速度，查手册45钢，可选v12.5mmin

nc500rpm

工作台为往复运动钻孔工艺要求●工作台带动工件快速上移接近钻头●工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔，待钻到一定深度时，三个钻头才同时钻进，因工作阻力增加，故进给速度应减小●钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个工作循环

工作台一个工作循环总时间

T1

t1

t2

t3

t4

t5

24.6s

工作台每分钟工作循环数

n1

60T1

2.44

送料杆的运动为往复直动，运动循环时间与工作台相同

Ts

24.6s

工作台的行程Hf

h0

h1

h2h1

—单孔钻削深度，取h1

13mmh2

—三孔同时钻削深度，取h2

13mm

送料杆的行程取工件的两倍Hs

100mmh0

—工作台快速趋近钻头的运动距离，取h0

15mm工作循环图凸轮转角090º180º270º360º

送料杆

送料

静止

送料工作台停止单孔钻三孔钻快退快进⑶原动机的选择类型—交流异步感应电动机

由机床的工作要求确定为了减少原动机的数量，三个钻头共用一个原动机。⑷计算运动链的总传动比切削运动链的总传动比ic

nnnc

1440500

2.88进给运动链的总传动比if

is

nnnf