第14章 機械系統(tǒng)運動方案設計

1、14 機械系統(tǒng)運動方案設計14.1機械系統(tǒng)運動方案設計的目的及過程14.2 機構的選型14.3 機構的組合14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例14.1 機械系統(tǒng)運動方案設計的目的及過程 根據(jù)對產(chǎn)品新要求的程度不同，設計的類型也不同，主要有下列三種： (1)創(chuàng)新設計 產(chǎn)品是全新的,其工作原理、功能和構型等具有一定的創(chuàng)新特點； (2)改進設計 產(chǎn)品的部分功能和構形根據(jù)新的需要作局部的改進； (3)系列設計 產(chǎn)品僅在功能規(guī)格上有量的變化。 設計過程可以分為三個階段：設計過程可以分為三個階段： （1）產(chǎn)品規(guī)劃階段 是機器設計的前提； （2）機械運動方案的擬定階段 是機器

2、設計的關鍵； （3）詳細設計階段 是機器設計的最后成果。序次步驟目標1進行產(chǎn)品規(guī)劃，提出機器功能要求，明確設計任務設計任務書（設計、審定的依據(jù)）2作功能分析，選擇機器工作原理，確定工藝動作過程工作原理和工藝過程圖3分解工藝動作為幾個獨立運動，確定實現(xiàn)該運動的構件（執(zhí)行機構）確定機器執(zhí)行構件數(shù)目和運動規(guī)律4選擇和組合能實現(xiàn)各執(zhí)行構件所需運動的機構（執(zhí)行機構）機構示意圖5確定機器各執(zhí)行機構的運動協(xié)調關系機器運動循環(huán)圖和整機機構示意圖6各構件根據(jù)運動規(guī)律、動力條件確定機構尺寸和各機構間的相對尺寸各機構運動簡圖和整機組合尺寸、修訂機器運動循環(huán)圖7構件設計，選主要零件用材，定結構、外形和尺寸結構和外形草

3、圖8總體尺寸總體裝配圖9零、部件設計零、部件圖10編寫技術文件計算書、說明書等表14-1 機器設計的步驟14.2 機構的選型 機構選型，就是選擇或創(chuàng)造合適的機構形式,以實現(xiàn)機器所要求的各種執(zhí)行動作和運動形式。 14.2.1 按運動形式選擇機構 常見的機器工藝運動所要求的運動形式有:單向轉動、擺動、移動;雙向轉動、擺動、移動;擺動至極限位置作停歇運動;移動至極限位置作停歇運動。 設計者要解決的問題，是把原動機的運動形式和運動參數(shù)轉換為各種各樣的執(zhí)行機構的運動形式和運動參數(shù)。一個原動機往往要驅動多個執(zhí)行機構動作,因此在原動機和執(zhí)行機構之間必須采用具有不同功能的機構來進行運動形式和運動參數(shù)的轉換,以

4、實現(xiàn)執(zhí)行件的預期動作。 14.2.2 按執(zhí)行機構的功用選擇機構 有時,機器執(zhí)行動作的功用很明確,如夾(鎖)緊、分度、定位、制動、導向等功用。設計者可以遵照這些功用,先查閱有關機構手冊,熟悉相應的夾(鎖)緊機構、分度機構、定位機構、制動機構和導向機構等內容,然后進行分析對比,選擇確定一種適用于所設計機器的機構。即使選擇不到合適的機構形式,也能達到開闊思路,借鑒啟發(fā)的作用,可在已有機構形式的基礎上增加輔助機構或組合成新機構等方法,實現(xiàn)執(zhí)行動作的功能要求。 14.2.3 按不同的動力源形式選擇機構常用的動力源有電動機、氣液動力源、直流電動機等。機構選型時應充分考慮動力源情況和生產(chǎn)情況,當有氣液源時常

5、用氣14.2 機構的選型動、液壓機構,這樣可以簡化機械結構,省去傳動機構和運動轉換機構。特別對具有多個執(zhí)行機構的工程機械、自動生產(chǎn)線、自動機等,應優(yōu)先考慮。14.2.4 按先易后難選擇機構 每種基本功能可由多種機構型式來實現(xiàn),其中大部分屬于較簡單的基本機構。實際上,每種運動轉換基本功能還可以匹配多種機構組合和組合機構通常的選擇順序是:先選基本機構,再選機構組合,最后選組合機構。14.2.5 選擇機構及組合應考慮到主要要求和條件 14.2 機構的選型1. 運動規(guī)律 執(zhí)行機構的運動規(guī)律及其調節(jié)是機構選型及機構組合安排的基本依據(jù)。2. 運動精度 運動精度的高低對機構選型影響很大。例如，對運動速度和運

6、動時間要求很高時，就不宜采用液壓和氣壓傳動；如果對運動精度要求不高，可采用近似直線運動代替直線運動，用近似停歇代替停歇。這樣，可使所選機構結構簡單，易于設計、制造。3. 承載能力與工作速度各種機構的承載能力和所能達到的最大工作速度是不同的，因而需根據(jù)速度的高低、載荷的大小及其不同的特性來選用合適10.2 機構的選型的機構。 4. 總體布局原動機和執(zhí)行構件的工作位置、傳動機構與執(zhí)行機構的布局要求等是機構選型和組合安排必須考慮的因素。要求總體布局合理、緊湊，使機械的輸出端盡可能靠近輸入端，這樣可省去不必要的傳動機構。 5. 使用要求與工作條件使用單位所提出的生產(chǎn)工藝要求，生產(chǎn)車間的條件、使用和維修

7、要求等，均對機構選型和組合安排有很大影響。 10.2 機構的選型14.3 機構的組合14.3.1 機構的組合方式1. 串聯(lián)式把多個基本子機構按串聯(lián)的方式組合,這時組合中的各子機構保持其原有的結構,各自相對獨立。通常前一機構的輸出件就是后一機構的輸入件。如圖10-1a所示的為曲柄搖桿機構與曲柄滑塊機構串聯(lián)，圖10-1b為組合方式框圖。a）圖10-1 串聯(lián)式組合機構 2. 并聯(lián)式 原動件的一個運動同時輸入n個并列布置的單自由度基本機構,從而轉換成n個輸出運動;而這n個運動又輸入給一個n自由度的基本機構,合成為一個輸出運動。 圖10-2a所示的機構由定軸輪系與曲柄搖桿機構并聯(lián)，圖10-1b為組合方式

8、框圖。圖10.2 并聯(lián)式組合機構a）b）14.3 機構的組合 3. 復合式 復合式組合是原動件的運動一方面?zhèn)鹘o一個單自由度基本機構,轉換運動后再傳給一個二自由度基本機構;同時,原動件又將其運動直接傳給該二自由度基本機構,而后者將輸入的兩個運動合成為一個輸出運動。 圖10-3a所示的機構由凸輪機構與二自由度五桿機構復合，圖10-1b為組合方式框圖。圖10-3 復合式組合機構a）b）14.3 機構的組合 4. 反饋式 反饋式組合是原動件的運動先輸入一個多自由度基本機構,該機構的一個輸出運動經(jīng)過一單自由度基本機構轉換為另一運動后,又反饋給原來的多自由度基本機構。圖10-4a所示的機構由直動從動件盤形

9、凸輪機構與帶有滑架的蝸桿機構，圖10-4b為組合方式框圖。圖10-4 反饋式組合機構a）b）14.3 機構的組合 5. 疊聯(lián)式 疊聯(lián)式與前述各種組合方式不同的是:各基本機構沒有基本的機架,而是互相疊聯(lián)在一起。其特點是:每一個基本機構各有一個動力源,前一個機構的輸出件是后一個機構的相對機架。圖10-5a所示的挖掘機機構就是一種疊聯(lián)機構，圖10-5b為組合方式框圖。圖10-5 疊聯(lián)式組合機構a）b）14.3 機構的組合14.3.2機構組合和組合機構.機構組合機構組合是指單自由度機構按串聯(lián)方式或者按疊聯(lián)方式組合而成的機構系統(tǒng)在前述單自由度機構的串聯(lián)式組合和疊聯(lián)式組合中，各基本機構運動參數(shù)間關系簡單，

10、各機構仍保持相對獨立，所以設計方法與各原機構一樣。因此，單自由度機構按串聯(lián)方式或按疊聯(lián)方式組合而成的機構系統(tǒng)，被稱為“機構組合”。2. 組合機構在用單自由度基本機構來約束封閉二自由度機構的并聯(lián)式、復合式和反饋式組合中，以及在含有二自由度機構的串聯(lián)14.3 機構的組合式組合中，各基本機構已不能獨立，它們之間是一種“有機”的連接。因此，這種由基本機構“有機”連接而成的獨特機構稱為“組合機構”。每種組合機構具有各自特有的型綜合、尺寸綜合和分析設計方法。隨著電子計算機和現(xiàn)代計算方法的發(fā)展，極大地推動了組合機構的研究。目前組合已在各種自動機和自動生產(chǎn)線上得到廣泛的應用。 14.3 機構的組合14.4 機

11、器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計 14.4.1 機械執(zhí)行機構的協(xié)調設計1. 各執(zhí)行機構的動作在時間和空間上協(xié)調配合如圖14-6所示為一干粉料壓片機。它有上沖頭(六桿機構);下沖頭(雙凸輪機構);料篩傳送機構(凸輪連桿機構)所組成。料篩由傳送機構把它送至上、下沖頭之間,通過上、下沖頭加壓把粉壓成片狀。顯然,在送料期間上沖頭不能壓到料篩,只有當料篩位于上、下沖頭之間,沖頭圖14-6 干粉壓片機才能加壓。所以送料,上、下沖頭之間運動在時間順序上有嚴格的協(xié)調配合要求。2. 各執(zhí)行機構運動速度的協(xié)調配合 有些機構要求執(zhí)行構件運動之間，必須保持嚴格的速比關系。例如按展成法加工齒輪時,刀具和工件的展成運動必須保持某一

12、預定的轉速比。3.多個執(zhí)行機構完成一個執(zhí)行動作時,其執(zhí)行機構運動的協(xié)調配合 圖10-7為一紙板沖孔機構。為完成沖孔這一工藝動作，要求有兩個執(zhí)行機構的14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計圖14-7 紙板沖孔機構組合運動來實現(xiàn)：一是曲柄搖桿機構中搖桿的上下擺動，帶動沖頭滑塊上下擺動；二是電磁鐵動作，四桿滑塊機構帶動滑塊沖頭在動導路（擺桿）上移動。只有當沖頭滑塊移至沖針上方，同時沖頭向下擺時才打擊沖針，完成沖孔任務。顯然，這兩個執(zhí)行機構的運動必須精確協(xié)調配合，否則就會產(chǎn)生空沖現(xiàn)象。 10.4.2 機械運動循環(huán)圖 運動循環(huán)圖有直線式運動循環(huán)圖、圓形運動循環(huán)圖和直角坐標式循環(huán)圖三種方式。 14.4 機器執(zhí)

13、行機構及其協(xié)調設計圖14-7 紙板沖孔機構 直線式運動循環(huán)圖：比較直觀觀察各個運動執(zhí)行過程。 圓形運動循環(huán)圖優(yōu)點：能直接觀察各個執(zhí)行機構的原動件在分配軸上所處的位置,便于各原動件的安裝和調整。其缺點是當執(zhí)行機構太多時,同心圓太多,不易看清。 直角坐標式循環(huán)圖優(yōu)點：能直接觀察各個執(zhí)行機構的運動狀態(tài)及起迄時間,對指導各個執(zhí)行機構的幾何尺寸設計非常便利。14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計（1 1）直線式工作循環(huán)圖）直線式工作循環(huán)圖14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計（2 2）圓周式工作循環(huán)圖）圓周式工作循環(huán)圖 14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計（3 3）直角坐標式工作

14、循環(huán)圖）直角坐標式工作循環(huán)圖圖10-8 盤形印刷機運動循環(huán)圖a）b）14.4 機器執(zhí)行機構及其協(xié)調設計14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例本節(jié)以圓盤印刷機為例,說明機械系統(tǒng)運動方案的擬定過程。 14.5.1 設計要求 （1）首先要滿足給墨輥均勻供油墨的要求; （2）使墨輥均勻地蘸上油墨后,再將油墨均勻地涂到銅鋅板面上; （3）為了提高工作效率,當墨輥開始退出銅鋅板面時,壓印板就要啟動。在墨輥退出銅鋅板面時,放有白紙的壓印板慢慢壓上銅鋅板面。此時,墨輥回到原來的起始位置。14.5.2 工藝動作分解和機器運動循環(huán)圖 工藝步驟可分解為: (1) 設置一墨盤2,先將油墨定量輸送至墨盤,另墨盤做間歇轉動,

15、使墨輥1蘸墨時能較均勻地得到供墨; (2) 墨輥沿墨盤面和銅鋅板面11上下運動,完成蘸墨和刷墨動作; (3) 放有白紙的印刷板3繞一固定點D來回擺動,其工作行程終點使白紙與涂有油墨的銅鋅板壓合,完成印刷工藝。 對各執(zhí)行機構的具體要求： 1. 壓印 裝有白紙的壓印板作正向工作行程,終點位置正好與銅鋅板面壓緊,然后接著作反向空回行程并且相應的機構有急回運動的特性。為了保證印刷質量,最好白紙與銅鋅板壓合時有瞬時停留。 2. 墨輥蘸墨、刷墨 14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例如圖14-9所示,墨輥沿固定導路(由墨盤面和銅鋅板面和過渡圓弧面構成)滾動,其回轉中心為B,且在一個運動循環(huán)內來回往復一次。為了

16、不致使墨輥和壓印板相碰,墨輥的工作行程是在壓印板回程時進行。墨輥返回到上面極限位置時最好有一停止時間。圖14-9 墨輥蘸墨、刷墨機構14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例3.墨盤間歇轉動墨盤在墨輥工作行程后半段開始作定向間歇轉動一直至墨輥回程的中段完成轉動。墨盤此后保持停止狀態(tài)至第二次間歇轉動開始。10.5.3 機構選型及評價1壓印機構 根據(jù)其急回特性和執(zhí)行構件作往復擺動的要求，則根據(jù)表8-2有各種機構可供選擇。但加上結構簡單和在壓合時有瞬時停留的一對矛盾要求時，可以有兩種不同的選擇。強調結構簡單，則有曲柄搖桿機構和擺動導桿機構可選，它們都是結構簡單、設計計算方便、有急回特性、運動可靠，但后者具有

17、移動副，比較14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例起來以曲柄搖桿機構為佳；強調壓合時有瞬時停留特性，則有凸輪機構（擺動從動件）和類似圖8-2所示的凸輪機構和曲柄搖桿機構的串聯(lián)機構或相應的組合機構。它們都能實現(xiàn)瞬時停留，但一般結構比較復雜，其中最簡單的單一的凸輪機構結構比較簡單、設計計算方便，但因具有高副，故容易磨損，制造比較困難。2墨輥機構 為了簡化機構，保證墨輥能緊貼墨盤面和銅鋅板面滾動，故將操縱墨輥的執(zhí)行構件選成繞點擺動，且長度能伸縮的彈性擺桿10.參閱8-16，擺桿10與墨輥1通過以點B為中心的轉動副連接在一起，桿身分成兩段，并以彈簧9相連，使沿AB向可以自由14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示

18、例伸縮。當將墨輥放置固定導路上時，墨輥便能緊貼導路面（即墨盤和銅鋅板面）。這樣，機構的要求便和上述壓印機構類似，即如要結構簡單可選曲柄搖桿機構；如要能有瞬時停留特性可選凸輪機構等。但上述機構都不能保證墨輥在銅鋅板上刷油墨時的速度均勻。如一定要實現(xiàn)速度均勻的要求，可考慮選用雙回路六連桿機構（即曲柄搖桿機構再串聯(lián)一個雙搖桿機構），但結構比較復雜，設計也較難。 3.墨盤機構 根據(jù)表8-2能實現(xiàn)單向間歇運動的機構很多，有棘輪機構、槽輪機構、凸輪機構、不完全齒輪機構等。其中棘輪機構結構簡單、適用于低速，但需加一曲柄搖桿機構（如曲柄長可調則間歇14.5 機械系統(tǒng)運動方案擬定示例轉動的角度也可調）；槽輪機構具有與棘輪機構相同的優(yōu)點，不需另加機構，但轉角大小不能調；不完全齒輪與槽輪相比，其從動輪的停歇時間變化范圍大，設計時選擇靈活。但工藝復雜，且運動開始和終止時沖擊大，需用附加桿減小沖擊；凸輪機構適用于高速場合。圖14-10所示,即為擬定的圓盤印刷機運動方案示意圖。其中壓印機構選用曲柄搖桿機構EFCD;墨輥機構選用曲柄搖桿機構EMNA(其中桿10分成兩段,用彈簧9相連,再通過轉動副和墨輥相連