第19章 机械系统方案设计

第十九章机械运动方案设计19－1

机械系统设计的基本过程19－2

功能分析方法

19－3功能求解19－4执行系统的功能原理设计19－6机构运动协调设计19－7机械运动循环图

19－8执行系统方案设计19－5机构选型19－1

机械系统设计的基本过程机械系统（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，机械系统的开发设计过程一般可分为四个阶段初期规划设计阶段（总体）方案设计阶段结构技术设计阶段生产施工设计阶段调研和预测可行性论证确定设计任务调研报告可行性论证报告设计任务书目标分析创新构思方案评价方案拟定方案决策功能分析、工艺动作分解、工作原理设计全面构思运动方案、运动规律设计、机构型式设计和协调设计拟定总体方案、进行执行系统、传动系统、原动机的选择和参数设计进行功能、性能、技术和经济评价方案选优并决策、绘制系统运动简图、编写总体方案设计说明书机械系统(产品)设计机械系统的组成：原动机传动系统执行系统辅助系统控制系统皮带（传动）电机（原动）定时器（控制）叶轮（执行）面板照明灯、蜂鸣器（辅助）回顾：机械系统（总体）方案设计的基本内容1、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、执行机构的形式设计、执行系统的协调设计和执行系统的方案评价及决策。2、原动机类型的选择和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，传动链中机构的顺序安排和各级传动比的分配3、控制系统的方案设计4、其它辅助系统设计主要包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保护系统和照明系统等。原动机传动系统执行系统辅助系统控制系统19－2功能原理设计1、功能分析法控制论认为，世界以及任何系统都是由物质、能量和信息三大要素组成。与机械系统对应的技术系统与三大要素之间的关系可表示为：物质能量信息系统（变化、传递、存储）对外界的影响来自外界的影响物质能量信息具有所需要特性（功能）机械系统的用途或所具有的特定工作能力称为机械产品的功能，机械系统所能完成的功能常称为系统的总功能，总功能是由各个分功能完成的。功能分析法是拟定功能原理方案的主要方法。功能分析法是指把机械系统的总功能分解成若干功能元，通过功能元求解，然后进行组合得到多个系统方案，以待选择。2、功能分析法的设计步骤及主要方法明确任务总功能黑箱法功能元功能树功能元解创造性技法功能原理方案形态学矩阵最佳功能原理方案评价方法1）、黑箱法系统工程学中用黑箱来描述系统的总功能，把技术系统看作一个黑箱，当该技术系统作为某中功能或任务的目标时，分析、比较输入和输出之间的关系，可反映系统的总功能。例：用黑箱法洗衣机的技术系统洗衣机技术系统（物质、能量及信息转换）衣物介质能量控制信号干净衣物污物介质干洗？湿洗冷水？热水波轮式？滚筒式？搅拌式？功能树

例1：四工位机床功能分解示例1、总功能能完成装卸工件、钻孔、扩孔、铰孔四个工位的专用机床。2、功能分解总功能可分解为以下分功能（工艺动作）1）

安置工件的工作台要求间歇转动，转速为n2；2）安装刀具的主轴箱能够实现静止、快速进给、进给、快速退刀等工艺动作；3）刀具以n1转速进行切削工件。树状功能图如下：四工位专用机床工作台间歇转动（n2）主轴箱进刀退刀运动刀具运动（n1）静止快进进给快退分功能元分功能解（匹配机构）减速A减速B工作台间歇转动主轴箱移动带传动带传动链传动链传动蜗杆传动蜗杆传动齿轮传动齿轮传动摆线针轮传动行星齿轮传动圆柱凸轮间歇机构蜗轮凸轮间歇机构曲柄摇杆棘轮机构不完全齿轮机构槽轮机构移动从动件圆柱凸轮机构移动从动件盘形凸轮机构摆动从动件盘形凸轮机构与摆动滑块机构曲柄滑块机构六杆（带滑块）机构形态学矩阵例2：平压印刷机功能分解示例1、总功能工作原理：将油墨刷在固定的平面铅字板上，然后将装夹了白纸的平板印头与铅字板紧密接触而完成一次印刷。2、功能分解总功能可分解为以下分功能（工艺动作）1）印头往复摆动，使固定在印头上的纸张与涂墨后的铅字板贴合完成印刷工艺；2）油辊上下滚动，在固定铅字板上均匀涂刷油墨；3）油盘间歇转动，使定量输送到油盘上的油墨能均匀地涂抹在油辊上。树状功能图如下：平压印刷机印头往复摆动油辊上下滚动油盘间歇转动例3：洗瓶机功能分解示例1、总功能清洗圆形瓶子的外表面2、功能分解总功能可分解为以下分功能（工艺动作）1）推头的往复移动，推动瓶子移动。2）导辊连续转动，带动瓶子转动。3）刷子连续转动，将瓶子洗干净。树状功能图如下：洗瓶机推头往复移动导辊连续转动刷子连续转动刷子瓶子导辊推头M例4：滚针轴承保持架自动弯曲机功能分解示例1、总功能滚针轴承保持架自动弯曲机是滚针轴承保持架生产流水线上的一个主要机器，它把由前道工序冲出来的料片自动弯曲成所要求的形状，然后送往下道工序。因此，该自动机必须具有输入料片、输送保持架初始成品及对保持架料派片进行弯曲的总功能。2、功能分解总功能可分解为以下分功能（工艺动作）1）送料—把前道工序冲床上冲下来的料片尽可能以匀速直线运动方式送至弯曲模，然后推料头快速返回，为下一次送料作好准备。2）弯曲成形—把弯曲模分成上下左右四块，从四个方向把料片压在芯模上，使其弯曲成形。3）送出成品树状功能图如下：各分功能或功能元经有机组合而形成系统的总功能，功能元的排列方式可分为以下三种：a)、串联（链式）排列b)、并联排列F1F2F3F3F1F2F1F2F3c)、环形（反馈）排列19－3功能求解1、机构的基本功能任何系统由一些基本机构组成，如平面连杆机构（低副机构）、齿轮机构、凸轮机构（高副机构）、差动机构（多自由度）等。这些机构的基本功能以功能符号表示：运动放大运动缩小运动形式转换运动方向交替变换运动轴线变向运动合成运动分解运动脱离运动连接机构的总功能就是以各基本功能经组合、变换而实现所需要的运动功能。2、常用运动形式与表达符号运动形式单向双向连续运动间歇运动极限位停歇转动摆动移动转动摆动移动摆动移动3、运动转换基本功能图符号及常用机构运动放大运动缩小带传动机构、链传动机构、螺旋传动机构、齿轮传动机构、摩擦轮传动机构、行星传动机构、蜗杆传动机构、谐波齿轮传动机构、连杆机构、摆线针轮传动机构运动轴线变向圆锥齿轮传动、蜗杆传动、双曲面齿轮传动、螺旋齿轮传动、半交叉齿轮传动、单万向节传动运动轴线平移带传动、圆柱摩擦轮传动、平行四边形机构、链传动、双万向节传动、圆柱齿轮传动运动分支齿轮系、带轮系、链轮系运动合成运动分解差动螺旋机构、差动轮系、差动连杆机构、两自由度机构差动轮系、两自由度机构运动换向惰轮换向、棘轮换向、滑移齿轮换向、行星齿轮换向机构、摩擦差动换向机构运动形式变换连续转动往复摆动单向直线移动往复直线移动双侧停歇直线移动单侧停歇直线移动单向间歇转动双向摆动双侧停歇摆动单侧停歇摆动实现预定轨迹单向间歇转动齿轮齿条机构、螺旋机构、带传动机构、链传动机构曲柄滑块机构、六杆滑块机构、移动从动件凸轮机构、正弦机构、连杆-齿轮齿条机构、齿轮-连杆组合机构移动从动件凸轮机构、利用连杆轨迹实现停歇运动机构、不完全齿轮齿条往复移动机构、不完全齿轮移动导杆间歇机构不完全齿轮齿条机构、行星内摆线间歇移动机构、槽轮-齿轮齿条机构、移动从动件凸轮机构不完全齿轮机构、槽轮机构、圆柱凸轮分度机构、车间间歇转动机构、平面凸轮间歇机构、弧面凸轮分度机构、偏心轮分度定位机构、内啮合新轮间隙机构曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄六杆机构、曲柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构摆动从动件凸轮机构、双侧停歇的凸轮连杆机构、利用连杆轨迹实现停歇运动机构、曲线槽导杆机构、六杆两极限位置停歇摆动机构摆动从动件凸轮机构、输出摆杆有停歇的圆弧导路机构、曲线槽导杆机构连杆齿轮组合机构、联动凸轮机构、连杆凸轮组合机构、铰链五杆机构、行星轮直线机构、两自由度机构棘轮机构、超越离合器机构4、功能元的解法目录为方便设计人员进行功能原理构思，可把有关的功能元按一定的分类原则用矩阵表示，形成解法目录。例：实现具有急回运动特性的机构的解法目录为：急回运动机构曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构导杆机构5、功能求解的步骤功能求解可概括为三个基本步骤：a、确定要设计产品的功能：根据设计对象的用途和要求，合理表述机构的功能目标或原理b、确定合适的技术原理：为实现功能目标而选择的技术原理，决定机械的总体、品质、性能和操作方法。满足机械功能的前提下选择合适的技术原理，可得到合理的机构和机器方案。c、分功能的细分和设计：设计时，要进行分功能的细分和设计，从而得出基本功能结构。

例如设计密封盖的夹紧装置，如功能表述为“螺旋夹紧”、“机械夹紧”或“力夹紧”时，得到的思路会有所不同。例如洗衣机的设计分功能细分和设计应注意：①注意机械自身的特点②把复杂的运动规律（工艺动作）先进行分解再合成③确定运动方式时，要工作对象的特性④要使分解后的运动规律协调配合19－4执行系统的功能原理设计一、功能原理的构思与选择

功能原理设计：根据机械预期实现的功能要求，构思出所以可能的功能原理，加以分析比较，并根据使用要求或工艺要求，从中选出既能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理。

实现同一功能要求，可以有许多不同的工作原理可选择，选择的工作原理不同，执行系统的方案也必然不同。

例如，要求设计一自动输送料板的装置，可以采用机械推拉原理，将料板从低层推出，然后用夹料板将其抽走；或用摩擦轮原理将料板从低层滚出，再用夹料板将其抽走；还可以用气吸原理将料板吸出后抽走，当板料为钢材时，还可以用磁吸原理。机械推拉原理摩擦原理(上部取料)摩擦原理（下部取料）气吸原理（上部取料）气吸原理（下部取料）

上述几种工作原理，虽然均能满足机械执行系统预期的功能要求，但工作原理不同，所需的运动规律也不相同。

采用机械推拉原理，只需要推料板和夹料板的往复运动，运动规律简单，但这种原理只适用于有一定厚度的刚性板料；采用摩擦传动原理，不仅要有摩擦轮（或摩擦板）接近料板的运动，还需要送料运动和退回运动等，运动规律比较复杂；采用气吸原理，一般需两个吸头，一个吸住全部料板，另一个每次吸取一张料板，除了要求吸头作L形轨迹的运动（吸住上升，送料动作）外，还必须有附加的气源。

为了加工出螺栓上的螺纹，可以采用车削原理，也可以采用套丝工作原理，还可以采用滚压工作原理。这几种不同的加工原理适用于不同的场合，满足不同的加工需要，其执行系统的运动方案也各不相同。例1螺纹加工功能原理选择例2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采用图（a）所示的扭结式包装原理(a)(b)(c)采用图（b）所示的折叠式包装原理采用图（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。一、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实现连续旋转运动的机构：19－5机构选型双曲柄机构（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。

２实现间歇旋转运动的机构：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。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（包括等腰梯形机构）、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。４实现间歇往复摆动的机构：５实现往复移动的机构：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。

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：７实现刚体导引引动的机构：８实现给顶曲线（轨迹）运动的机构：

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。

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。

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。二、机构选型的基本原则

机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的运动形式有关，而且还与机构的输入构件（主动件）有关，而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。常用的原动机的输出运动形式可分为：

1连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马达等等。

2往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电动机等。

3往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或汽缸等。

4间歇运动：如步进电机等。

机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般输入构件的运动大多数为连续运动。

1、原动机的运动形式

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、机构选型的基本原则前者虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求，但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。后者虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线孔轨迹满足使用要求。由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机构。

例：JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件圆柱凸轮机构（图a），而JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构（图b）。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，可采用图（a）或图（b）的结构。

(c)(d)

为实现直线运动，也可采用图（c）或（d）所示的结构。(a)(b)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，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；而图b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。

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。

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。

机械的总功能可以分解成若干个分功能，这些分功能对应着若干个相应的工艺动作，需要选择与此相匹配的执行机构完成机械的总功能。

通常一个执行动作由一个执行机构完成，但有时也有多个执行构件共同完成一个执行动作，或用一个执行构件完成多个执行动作。

机械的各执行动作是有序的、相互协调配合的。因此机械的各执行机构的运动必须进行协调设计，并满足以下要求：19－6机构运动协调设计

一、协调设计的含义当根据生产工艺确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的运动系统，使这些机构以一定的次序协调动作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程的设计。1、执行机构中的执行构件的动作必须满足工艺要求。通常以工艺过程某一执行动作开始点作为运动循环（即工作循环）的起点，各执行机构动作按一定顺序进行，保证各执行机构执行动作的时间同步。2、各执行机构中执行构件的动作必须保证空间同步，它们之间不应产生空间干涉。3、在保证时间、空间同步化，运动轨迹不干涉的前提下，应使各执行机构的动作时间尽量重合，工作循环周期尽可能短，以提高机器的生产率。4、一个执行机构动作结束到另一个执行机构动作起始点之间应有适当的间隔，以避免这两个机构在动作衔接处发生干涉。

有些机械要求各执行构件在运动时间的先后上和运动位置的安排上，必须准确协调地相配合。

二、执行机构的动作在时间上协调配合

显然，在送料期间上下冲头不能压到料筛，只有当料筛不在上下冲头之间时，冲头才能加压。所以送料和上、下冲头之间运动在时间顺序上有严格的协调配合要求，否则就无法实现机器的料粉压片工艺。三、各执行机构的动作在空间上协调配合

在料粉压片机中，执行构件3、9的运动轨迹是相交的，因此安排两执行构件的运动时不仅要注意到时间上的协调，还要注意到空间位置上的协调，即空间同步化，以防止3、9两构件在运动时发生干涉，造成机器损坏而无法使用。如蜂窝煤成型机

如右图所示的饼干包装机的折边机构。左右两个折边执行构件的运动轨迹交于M点，如果空间同步化设计的不好，左右两个执行构件就会在运动空间产生相互干涉，从而使两折边执行构件因碰撞而损坏。四、各执行构件运动速度的协调配合

有些机械要求各个执行构件之间必须保持严格的速比关系，例如滚齿或插齿机按范成法加工齿轮时，刀具和齿坯间的范成运动必须保证预定的传动比，以便刀具的渐开线齿廓在被加工轮坯上包络出与刀具齿廓共轭的渐开线齿廓。

五、多个机构完成一个执行动作时各执行机构运动的协调配合

右图为一纹板冲孔机构，它完成冲孔这一工艺动作需由两个机构的组合运动来实现。一是曲柄摇杆机构中摇杆（打击钣）的上下摆动，类似榔头的敲击动作；二是电磁动作，装有衔铁的曲柄在电磁力作用下作往复摆动，带动滑块（冲头）沿打击钣上的导路作往复移动。只有当冲头移动至冲针上方，同时冲头又随打击钣下摆时，才能敲击到冲针，完成冲孔动作。显然，两个机构的运动必须精确协调配合，否则就会产生空冲，即冲头敲不到冲针而无法完成在纹板上冲孔的要求。

六、执行机构的协调动作和机器的程序控制

为了使机器整个工作循环的各个工艺动作严格地按一定顺序执行，每台机器应具有专门的程序控制系统。机器的程序控制系统分为如下几类：

1）分配凸轮轴方式：在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行机构的驱动构件。分配轴每转一周所需要的时间就是产品加工工作循环所需时间。

2）辅助凸轮轴方式：辅助凸轮轴是机器中用来实现机器部分空行程动作的机械控制方式。辅助凸轮轴是作周期性的间歇旋转，即在需要实现这部分行程时才旋转。它的间歇旋转是由分配凸轮轴来控制的。例如，机器中的送料、夹料等机构的空行程实现就是采用辅助凸轮轴。

3）曲柄轴方式：利用曲柄的错位来使各执行机构按一定顺序来动作，对于不能将曲柄布置在一根轴上的机器，还应采用机械传递方式，将各曲柄的转动予以同步。

4）机电结合的程序控制方式：在自动机械中还有采用分配凸轮轴上的信号凸轮来控制电路的接通与关闭，以及停、通电时间的长短，以此来控制各执行机构的动作。

5）电子控制方式：目前使用最广泛的是用可编程控制器来进行控制。

19－7机械运动循环图

1机器的运动循环

根据机器完成功能及生产工艺的不同，其运动可分为无周期性循环和周期性循环两大类。无周期性循环的机器如起重运输机械、建筑机械、工程机械等，它们的工作往往没有固定的周期性循