文稿教程讲稿chapter 23 scheme design of executive systems

MechanicalDesignPARTDesignofMechanicalChapterSchemeDesignofExecutiveChapter23SchemeDesignofExecutive

执行系统(executivesystems)——是直接用来完成各种执行系统——包括执行机构(executivemechanism)和执行构件(executiveorworkinglink)，执行系统可以只包含一个执行机构（或执行构件），也可以由几个执行机构（或执行构件）组成。执行系统一般处于机械系统执行系统的方案设计——是机械系统总体方案设计中极其重要又极富有创造性的环节，是整个机械设计工作的基础。它直接影响机械系统的性能、结构、尺寸、重量本章主要介绍——执行系统中机构形式的设计、执行系Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.1Functions23.1FunctionsandDesignRequirementsofExecutive执行系统的作用——传递、变换运动与动力，即把传动系统传递来的运动与动力进行变换，以满足机械系统的执行系统的主要功能——夹持，运送，分度与转位，测23.1.1FunctionsofExecutiveChapter23SchemeDesignofExecutive

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运送——常见于自动生产线或自动机械中，如自动机床Chapter23SchemeDesignofExecutive

测量与检测——常用于对工件的尺Chapter23SchemeDesignofExecutive

施力——施力指机械执行系统对工作对象施加力或力矩以完成工作，例如剪切机、矿石机，以及加工机床Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.1.223.1.2DesignRequirementsofExecutive Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.1.323.1.3MainContentsofSchemeDesignforExecutiveChapter23SchemeDesignofExecutive

否执求功能否执求功能执计执计机计运析方案是？是分评解价执图否23.2TypeSynthesisofExecutiveThetermsynthesismeansdevisingordesigning,byascientificprocessratherthantrial-and-error,amechanismtoprovidespecifiedmotion.TypeSynthesis(型综合)——Itmeansdecidingwhattypeofmechanismtouse,suchasalinkageoracammechanism.NumberSynthesis(数综合)——Itmeansthevariousmechanismsofthistype,obtained,forexample,byconnectingthelinksinadifferentorderorbyinversion.DimensionalSynthesis()——Itfindingkeydimensionssuchaslink-Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.2.123.2.1RulesforTypeSynthesisof1.机构尽可能简单 1.机构尽可能简单完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数较减少由于零件的制造误差而形成的运动链累积误差，提考虑以上因素，在选择机构形式时，有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构，而不采用理论上无误差但Chapter23SchemeDesignofExecutive

1.机构尽可能简单Chapter23SchemeDesignof1.机构尽可能简单

1.机构尽可能简单1.机构尽可能简单从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机究竟选择何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到“扬长避短”。一般情况下，应先考虑低副机构，且尽量少采用移动副（制造中不易保证在执行件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成Chapter23SchemeDesignofExecutive

1.机构尽可能简单 1.机构尽可能简单Motionformsofprimemoverscanberotation,

providebothrotationsandrockingmotion.Hydrauliccylinders,gascylindersandelectriclinearmotors(直线电机)providereciprocatingmotion.Thekinematicparametersofprimemoversarevelocity(angularorlinear),rockingangleandfrequency,liftandsoon.Chapter23SchemeDesignofExecutive

ThemostwidelyusedprimemoverinmachineryistheACasynchronouselectricmotors(交流异步电机)withdifferentsynchronousspeeds同步速度).Thehigherthesynchronousspeed,thesmallerthesizeandtheweightofthemotor,andthelowertheprice.Buthighervelocityofthemotorwillincreasethesizeandpriceofthetransmissionsystemifthevelocityoftheworkinglinkislow.Modernindustryprovidesmanynewtypesofe.g.servomotors,stepmotorsandfrequencymodulatingmotors.Also,springsandweightscanserveasprimemoversoccasionally.Differentprimemovershavedifferentcharacteristicsandaresuitablefordifferentcases.Selectionofprimemoversisoneoftheimportantstepsinmachinedesign.Chapter23SchemeDesignofExecutive

1.机构尽可能简单 1.机构尽可能简单Chapter23SchemeDesignofExecutive

2.应使机构具有较好的动力学特性 2.应使机构具有较好的动力学特性要尽可能选择传动角较大的机构，以提高机器的传力效益，减少功耗。尤其对于传力大的机构，这一点更为重要。如在可获得执行构件为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。从减小运动副摩擦，防止机构出现自锁现象考虑，则尽可能采用全由转动副组成的连杆机构，因为转动副制造方便，摩擦小，机构Chapter23SchemeDesignofExecutive

2.应使机构具有较好的动力学特性对于执行构件行程不大，而短时克服生产阻采用“2.应使机构具有较好的动力学特性

图示压力机主操作机构。当冲压图示压力机主操作机构。当冲压小。当q≈0、a=2时，FR12仅为这种增力方法后，即使该瞬时需要克服的生产阻力很大，但电动Chapter23SchemeDesignofExecutive

2.应使机构具有较好的动力学特性2.应使机构具有较好的动力学特性Chapter23SchemeDesignofExecutive

3.应使机器安全可靠机械运转应满足其使用性能要求，同时要保证绝对完全。起重机械不允许在重物作用下产生倒转，为此，可使用自锁机构，或安装制动器3.应使机器安全可靠

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23.2.223.2.2TypeSelectionof机构的选型机构的选型——是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动形式或实现的特定功能进行分众所周知，前人创造发明的机构数以千计，若在其中选出既符合工作要求，又结构简单、性能优良，且使用巧妙的方案，并非是一件容易的事，它需要设计者具有丰富的设计经验。本节介绍了按执行构件的运动形式和按机构特定众所周知，前人创造发明的机构数以千计，若在其中选出既符合工作要求，又结构简单、性能优良，且使用巧妙的方案，并非是一件容易的事，它需要设计者具有丰富的设计经验。本节介绍了按执行构件的运动形式和按机构特定Chapter23SchemeDesignofExecutive

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机构、、双摇杆机构、有缸或汽缸驱动的齿条齿轮机齿轮齿条机构、楔块机构、螺旋机构、气动机构、机摩擦传动机构、移动从动件凸轮机构、气动机构、机Chapter23SchemeDesignofExecutive

例23.1刨刀(shatool)的运动要求——连续往复移动，同时还应考虑既要保证切削质量，又要提高生产率，即应使牛头Slidingblock(滑枕 Chapter23SchemeDesignofExecutive

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例23.2飞剪机的功能是能够横向剪切运行中的轧件，将飞剪机安装在连续轧制线上，用于剪切轧件的头、尾或将轧件切成规定的尺寸。飞剪机的设计应满足的基本要求是：剪刃在剪切轧件时要随着轧件一起运动，即剪刃应同时完成剪切与移动两个动作，且剪刃在轧件运行方向的瞬时分速度应Chapter23SchemeDesignofExecutive

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23.2.323.2.3TypeSynthesisof当用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不当和动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用构型的方机构构型的基本思路机构构型的基本思路——以初选的机构方案为雏型，通过机构构型的方法机构构型的方法——机构的变异，机构的组合，机构的类Chapter23SchemeDesignofExecutive

1.机构的变异(variation1.机构的变异(variation 将机构的运动构件与机架的转换，称为将机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置(inversion)。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间在连杆机构一章中曾介绍过机构倒置的典型实例，如铰链四杆机构在满足杆长之和条件下，取不同构件为机架，可Chapter23SchemeDesignofExecutive

构的机架3成为转子3，曲柄1每转一周，转子3亦同步转动体从A送往出口B。由此可见，用机构倒置的原理去研究现有机构，可以发现它们的内在联系，并由此可以启发人们采用机构倒置的变由此可见，用机构倒置的原理去研究现有机构，可以发现它们的内在联系，并由此可以启发人们采用机构倒置的变Chapter23SchemeDesignofExecutive

以原有机构作为基础，基于机构组成原理，增加新的构件(杆以原有机构作为基础，基于机构组成原理，增加新的构件(杆1.机构的变异(variation手扶插秧机分秧、插秧手扶插秧机分秧、插秧机构——来回摆动摇杆动。装于M点处的插秧小撮秧苗，并带着秧苗铅垂向下运动，将秧苗插于泥土中，然后沿另Chapter23SchemeDesignofExecutive

B B为保证秧爪运行的正反路线不同，在凸轮机构中附加了一 舌的右端运动，待其通过以后，活动舌在弹簧6的作用下又恢复原位，使滚子只能继续向前（即向左Chapter23SchemeDesignofExecutive

B 1.机构的变异(variation1.机构的变异(variation 图示左边极限位置附近有停歇的导杆机构。此机构之所以有停歇的运动性能，是因为将导杆槽的中线某一部分做成了圆弧形，且圆弧半径等于曲柄的长度，而圆心在O点。Chapter23SchemeDesignofExecutive

1.机构的变异1.机构的变异(variation手套自动加工机中的平面六杆机构，为Ⅱ级机构。移动副位于上方，不仅润滑，且易污染产品。为了改善这一条件，对有关运动副进行变异，得为了改善这一条件，对有关运动副进行变异，得Chapter23SchemeDesignofExecutive

随着机械化、自动化程度的提高，对机械的运动规律和动随着机械化、自动化程度的提高，对机械的运动规律和动力特性都提出了更高的要求。前面各章介绍的基本机构，如连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；如连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽能实现任意的运动规律，但行程不可调节；齿轮机构虽具有良好的运动和动力特性，但运动形式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动特性和动力特性均不理想，为了避免这些问题，可以将两种以上的基本机构进行组合，充分利用各自的 能，改善不良特性，构型出Chapter23SchemeDesignof

机构的组合原理——将两种或两种以上的基本机构通过封闭约束将两种或两种以上的基本机构通过封闭约束融合成一个与原基本机构不同结构特点和运动特性，称其为组合机构(combinedmechanisms)；(分析设计难度大)Chapter23SchemeDesignofExecutive

将几种基本机构将几种基本机构简单叠加在一起，其中各子机构仍保持其原有结构和各自相对独立的运动，称其为机构的组合(combinationofmechanisms)。机构的组合方式和组合机构的类型很多，它们具有各自独特的分析设计方法。本节主要介绍机构的组合方式和常见Chapter23SchemeDesignofExecutive

将若干个同类型或不同类型的基本机构通过不同的连接方式组合起来，可以得到不同的运动方式和运动规律。常用基本机构——除原动件外，只包含有一个杆组（Ⅱ级杆组2.将若干个同类型或不同类型的基本机构通过不同的连接方式组合起来，可以得到不同的运动方式和运动规律。常用基本机构——除原动件外，只包含有一个杆组（Ⅱ级杆组2.机构的组合(combinationChapter23SchemeDesignofExecutive

——若干基本机构顺序连接，且每一个前置机构的输出构Chapter23SchemeDesignofExecutive

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——由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或Chapter23SchemeDesignofExecutive

——由一个双自由度的基本机构作为基础机构，一个单自由度的机构作为附加机构，基础机构的输出运动经附加机Chapter23SchemeDesignofExecutive

2.机构的组合(combination2.机构的组合(combinationChapter23SchemeDesignofExecutive

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3.机构的类型综合与变异在设计一个新机构时，要构想出能够达到预期动作要求的机构，往往非常。如果借鉴现有的机构运动链形式，3.机构的类型综合与变异——机构创新设计的再生运动链颜氏创造机构设计法(Yan’sCreativeMechanismDesignMethodology)。其基本思路是——基于机构的杆组组成原理，将一个已存在的原始机构(originalmechanism)转化为只含连杆和转动副的一般化运动链(generalizedkinematicchain)，然后按该机构的功能所赋予的约束条件，演化出众多的再生运动链(regeneratedkinematicchain)与相应的新类型机构图谱(atlasofnewmechanisms)。Chapter23SchemeDesignofExecutive

非刚性构件转化为非连杆形状的构件将非转动副转化为固定杆的约束予以解除，机构成为运运动链自由度应保Chapter23SchemeDesignofExecutive

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例23.3越野摩托车后轮悬构的创新设计一般摩托车的后轮悬挂装置都是平面四杆机构，不能为后轮提供较大的位移范围。五十铃RM250XFull-floater越野Chapter23SchemeDesignofExecutive

二副杆(构件5和构件6)，并把移动副一般化成转动副；释Chapter23SchemeDesignofExecutive

运用机构运用机构数综合(numbersynthesis)理论，得到与一般化运动链的杆数、运动副数相同的全部可能的运动链图谱(atlasofkinematicchain)。Chapter23SchemeDesignofExecutive

aas of 示Ss, 摆动杆表示为SW殊运动链的10种类型。根据设计约束(design Chapter23SchemeDesignofExecutive

对于本例的悬挂装置，如果没有其他的实际约束，则前述10种类型都是可行的。若再增加约束条件，如要求摆杆与Chapter23SchemeDesignofExecutive

上述六种机构形式，均能满足越野摩托车后轮悬挂装置的运动要求，其中已有应用的有三种：)川崎0k悬置机构；)本田R X Chapter23SchemeDesignofExecutive

4.采用其他物理效应4.采用其他物理效应 Chapter23SchemeDesignofExecutive

4.采用其他物理效应4.采用其他物理效应Chapter23SchemeDesignofExecutive

4.采用其他物理效应4.采用其他物理效应Chapter23SchemeDesignofExecutive

4.采用其他物理效应 4.采用其他物理效应Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.3CooperationDesignofExecutive23.3.1CooperationDesignofExecutive当根据功能原理的设计要求，确定了实现各功能元的机构形式后，需要将各执行机构形成一个整体，使这些机构以一定的次序协调动作，互相配合，完成机械预定的总功Therearetwokindsofcooperatingrelationships,velocityanddiscement.Velocitycooperationrequiresaccuratetransmissionratiosamongworkinglinks.Chapter23SchemeDesignofExecutive

Forexample,inagearcuttingmachine,thetransmissionratiobetweenForexample,inagearcuttingmachine,thetransmissionratiobetweenthecuttingtoolandtheworkpieceshouldremainconstanttoensurethecorrectgeneratingmotion.Similarly,thetransmissionratiobetweenthespindleandthecarriageofalatheshouldbeconstantincuttingascrew.Insuchamechanismsystem,allworkinglinksshouldbedrivenbythesameprimemover.Beltdrivesshouldnotbeusedbetweentheseworkinglinks.Thecorrespondingtransmissionratiosaredeterminedaccordingtotherequiredvelocitycooperation.Chapter23SchemeDesignofExecutive

(2)(2) workinglinksshouldbetimedandspacedcooperatively,e.g.a machineandaninternalcombustionChapter23SchemeDesignofExecutive

TheThebiscuitpackingmachineshownintheFigureisanotherexample.Thetwofoldingbarsaretheworkinglinksinthefoldingmechanism.Theyrockandfoldthepackingpaperaroundthebiscuitperiodically.ThepathsoftheirendsintersectatthepointM.Therefore,theirmotionsshouldbetimedandspacedtoavoidanyinterference.Forexample,iftheleftbarmovesfirst,thenbeforeitretreatstopointM,therightbarshouldnoentertheregiontotheleftofthepointM.Forexample,iftheleftbarmovesfirst,thenbeforeitretreatstopointM,therightbarshouldnoentertheregiontotheleftofthepointM.Chapter23SchemeDesignofExecutive

由于完成各分功能的机构均是相对独立的，其动作的先后由于完成各分功能的机构均是相对独立的，其动作的先后是根据总功能的要求，在一个周期中按时间序列安排的，但怎样使各执行机构严格按规定的时间运动，是机构运动MechanismMechanismMechanismMechanismMechanismMechanism经过变速后达到合适的工作转速，作为机器的总传动轴，即称为分配轴。执行机构均分散在其应完成分功能的位置上，其主动构件的运动经分配轴引入，因此各执行机构应何时动作，由分配DistributingChapter23SchemeDesignofExecutiveDistributing

刀刀的往复移动机构(转动导杆机构)轮组合机构)。当分配轴转动一周(一个周期)，各机构根据总能安排 常用在比较大的机器中，用分配轴传送不方便时采用。驱动源一般是电动机或液（气）压缸，在这种设计中，各分功能均有自己单独的驱动系统，根据集中控制发出的指令进行工作。集中控制的方法，操作者根据总功能的要求在控制台上进行操作，如挖掘机、大型工作机床等。对于复Chapter23SchemeDesignofExecutive

23.3.223.3.2DesignofMotionCycle(motioncyclediagram)Itisactuallythetimetablefortheactionsofalltheworkinglinks.Suchadiagramensuresthesynchronization(协调性)ofallmechanismsinamachine.Chapter23SchemeDesignofExecutive

Therearethreeformsofmotioncyclediagramsasfollows:1.RectilinearmotioncycleSlidingWorkingQofcrankf Rectilinearmotioncyclediagramofa Thecrankintheguidingbarmechanismisthereferencelinkwithaperiodof3600.Eachstripindicatesthesequenceofactionsofoneworkinglink.Itcanbeseenfromthediagramthatslidingblockhasaquick-returnmotion.Thefeedingofthetableiscarriedoutduringthereturnstrokeoftheslidingblock.Chapter23SchemeDesignofExecutive

Circularmotioncyclediagramofaninternalcombustionengine2.CircularmotioncyclediagramofaninternalcombustionengineTheTheFigureistheengine.Thecrankshafttakenasreferencelinkwithaperiodof7200.Eachringintheindicatesthesequence Chapter23SchemeDesignofExecutive

3.Rectangularcoordinatemotioncycle TheFigureis