机械创新设计机械系统运动方案设计

第3章机械系统运动方案设计阎绍泽清华大学精密仪器与机械学系机械系统方案设计的重要性企业的生命线市场销售开发设计制造机械产品的设计过程子设计方案结构方案装配图零件图设计图纸施工设计生产文档说明书总体功能子功能原理组合总体方案设计任务初期规划调研、论证报告市场调查技术调查同行调查1.从系统的整体目标出发，将总体功能分解成若干功能单元。2.寻找出能完成各个功能的技术方案。3.把能完成各个功能的技术方案组成方案组，进行分析评价和优选。4.实现给定条件下的整体优化。技术方案总体功能子功能方案组最终方案设计任务评价和优选机械系统运动方案设计方法机械系统方案设计的阶段成果目标分析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。1.基本要求针对某种简单机械系统，进行：①机械工作原理设计②执行系统设计③原动机的选择④传动系统设计⑤机构尺度设计⑥运动与动力分析⑦评价与决策3.1基本要求及设计步骤2.总体参数的确定总体技术参数主要包括：与机械系统的使用范围、生产能力等有关的参数、结构尺寸、运动学和动力学参数。例如：对于机床而言，总体参数包括规格参数、运动参数、动力参数和结构参数；对于仪器类机械系统，总体参数包括测量范围、示值范围、放大倍数、灵敏度等。（1）生产能力生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量，根据选用的计量和计时单位的不同而不同。例如：（A）对于干粉压片机，其生产率为每分钟加工的片数；（B）对于书本打包机，其生产率为每小时能够包装书的本数。理想生产能力：机械系统在理想状态下单位时间内加工出的产品数量。实际生产能力：机械系统在正常运行期间单位时间内平均生产合格产品的实际数量。实际生产能力一般小于理论生产能力。（2）尺寸参数尺寸参数是指影响机械性能的一些重要的结构尺寸，如：总体极限尺寸（长、宽、高及可移动的极限位置和尺寸）特征尺寸（加工范围、中心高度）运动零部件的工作行程主要部件之间位置关系及安装尺寸。根据设计任务书中原始参数、方案设计时的总体布置草图、同类机械系统的类比或通过理论分析获得上述尺寸参数。（3）工艺参数工艺参数包括运动参数和动力参数。①运动参数：执行构件的转速、移动速度及调速范围等。如：机床等机械设备的主轴最高和最低转速工作台或刀架的移动速度移动机械的行驶速度范围连续作业机械的生产拍节等。运动参数是由机械的工艺要求决定的，应包括：运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）运动特点（连续式、间歇式、往复式）运动范围（极限尺寸、转角及位移）运动速度（等速、不等速）②动力参数：机械系统中使用的动力源参数，如电动机、液压马达、内燃机的功率，液压缸的牵引力、伺服电机的额定转矩等。3.设计步骤①机械工作原理设计②执行系统设计③原动机的选择及传动系统设计④机械系统运动方案初步拟定⑤机构尺度设计⑥运动与动力分析⑦方案评价与决策机械系统运动方案设计步骤常常是不可分的，例如方案选择、尺度设计和性能分析等设计工作在某种程度上是并行和交叉的。机械方案设计需要考虑的问题：1）创造人工制造物2）受到诸多因素的影响和制约技术环境：1）产品趋向2）设计制造3）生产趋向自然环境：1）自然资源2）环境保护经济环境：1）市场竞争2）经济规律社会环境：1）政策法规2）道德文化3.2机械工作原理设计机械工作原理设计包括功能分析、功能原理设计和工艺动作设计。1.功能分析功能：机械系统所具有的传递和变换能量、物质和信息的特性。机械系统的功能归结为两大类：动作功能和工艺功能。工艺功能与动作功能的区别在于是否其执行构件对物体具有加工作用。（1）动作功能动作功能是以实现动作为目的，不对物体进行加工。简单动作一般是一次性动作，如由链齿和拉头组成的拉链，只实现闭合和开启的简单动作。复杂动作功能不仅要实现连续的传动，而且还要实现复杂的运动规律以及运动型式变换。实现这类功能的机构一般比较复杂，常采用机构的组合方式实现。如机械手的抓取与送料复合运动功能。（2）工艺功能工艺功能是以加工对象为目的，是对物体实施某种加工工艺，如刮削器的刮削功能、机床的切削功能、挖掘机的挖掘功能、犁的翻地功能。这些功能由执行构件实现，如机床的刀具、挖掘机的挖斗、犁的犁头等。功能要求考虑不周，导致机械系统设计失败的案例图3-2硬币清点机构2.功能原理设计综合分析法：将机械系统的总功能分解成若干子功能元，然后求解子功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价与选择。图3-3某包装机的组成某自动包装机的功能是将物料装入袋中包装。可分解为如下分功能：自动完成计量、填料、制袋、封合、打印生产批号、切断、输送等。功能原理实现的多样性自动给料装置是包装机的一个子功能元，可以采用重力给料原理、振动输送给料原理、带式输送给料原理、螺旋输送给料原理等实现。图3-4重力给料装置原理图图3-5振动给料装置原理图图3—6带式输送机原理图图3-7螺旋输送机原理图3.工艺动作设计同一工作原理可以采用不同的工艺动作实现。例如：刨削加工（1）将工艺动作分解为刀具往复移动，工件进给运动，即为牛头刨床；（2）工件往复移动，刀具进给，即为龙门刨床。（a）牛头刨床（b）龙门刨床工艺动作设计原则(1)工序集中原则图3—9自动切书机工艺过程示意图(2)工序分散原则⑥折前角②推书①送书⑦折后角后角⑨涂浆糊⑧推书⑾烘干⑩贴封签④推书包三面③送纸⑤折侧边d'bdc'ac图3-10书本打包机的包、封工艺过程(3)各工序的工艺时间相等原则(4)多件同时加工原则(5)减少机器工作行程时间和空程时间某些原则是相互矛盾或制约的，在工艺动作设计时，应抓主要矛盾。运动规律的拟定应尽可能简单工程中往往需要实现复杂的运动规律，通常采用的措施是将复杂的运动规律分解成转动、摆动或移动等比较简单的运动规律。图3-11大型绘图机运动方案1一主动轮；2一从动轮；3一钢丝；4一绘图纸；5—绘图笔3.3执行机构的型式设计及协调设计3.3.1执行机构分类执行机构的作用：传递、变换运动与动力。主要功能：施力、夹持、搬运、检测、分度与转位等。1.按执行机构对运动和动力的不同要求分为：动作型、动力型及动作-动力型。动作型要求实现预期精度的动作，而对各构件的强度、刚度无特殊要求，如缝纫机、印刷机等。动力型要求各构件有足够的强度和刚度，施加一定的力做功，而对运动精度无特殊要求，如曲柄压力机、碎石机等。动作-动力型要求既能实现预期精度的动作，又施加一定的力做功，如滚齿机、插齿机等。3.3.1执行机构分类2.按执行系统中执行机构数量及其相互间的联系情况分为：单一型：搅拌机、碎石机的执行机构相互独立型：外圆磨床的砂轮转动与进给相互联系型：印刷机、包装机的执行机构3.3.2执行构件运动形式执行构件：在执行机构中接触工件或执行终端运动的构件。1.主要有五种运动形式：直线运动回转运动任意轨迹运动（曲线运动）点到点的运动位到位的运动（刚体导引运动）2.每种运动形式又可以细分，例如：旋转运动又可分为连续旋转运动（如缝纫机主轴的转动）、间歇旋转运动（如自动机床工作台的转位）、往复摆动（如颚式破碎机的动颚板的打击运动，电风扇的摇头运动）等；直线运动又可分为往复移动（如压缩机活塞的往复运动）、间歇往复移动（如轻工自动机中供料机构的间歇供料运动）、单向间歇直线移动（如刨床工作台的进给运动）等。3.3.3执行机构型式设计执行机构型式设计是决定拟定的运动规律采用何种执行机构实现。执行机构型式设计方法有机构的选型和机构的构型。1.应遵循以下原则：满足工艺动作和运动要求；结构最简单，传动链最短；动力源的选择有利于简化结构和改善运动质量；执行机构有尽可能好的传力和动力特性；机器操纵方便、调整容易、安全耐用；加工制造方便，经济成本低；具有较高的生产效率与机械效率。综合考虑，统筹兼顾，抓主要矛盾，有所侧重3.3.3执行机构型式设计2.机构的选型按照动作功能分解与组合原理进行机构选型的步骤：⑴根据机构的基本功能，归纳整理为功能元。⑵列出功能元解的目录，可采用功能-技术矩阵。⑶功能求解。图3-12功能-技术矩阵示例3.3.3执行机构型式设计3.机构的构型3.3.3执行机构型式设计4.执行机构型式设计应注意的问题(1)避免执行机构的运动不确定现象图3-13平行四边形机构中位置不确定问题及其解决方法（2）避免执行机构的“顶死”现象图3-14曲柄摇杆机构4.执行机构型式设计应注意的问题（3）减少导路的侧推力(4）避免传动角过小图3-15连杆机构图3-16连杆机构4.执行机构型式设计应注意的问题（5）正确选择从动件的偏置方向（6）注意工作原理的设计缺陷图3-17偏置从动件盘形凸轮机构图3-18手动轮椅工作原理示意图3.3.4执行系统协调设计1.协调设计原则①满足各执行机构动作先后的顺序性要求（动作先后）；②满足各执行机构动作在时间上的同步性要求(时间协调：周期性）；③满足各执行机构在空间布置上的协调性要求（空间协调：避免干涉）；④满足各执行机构操作上的协同性要求（针对同一对象施行同一动作）；⑤各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率（缩短循环周期）；⑥各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。对于固定运动循环的机械，当采用机械方式集中控制时，通常用分配轴或主轴与各执行机构的主动件联接起来。各执行机构主动件在主轴上的安装方位，均是根据执行系统协调设计的结果来决定的。2.协调设计步骤①确定机械的工作循环周期；②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；③绘制机械运动循环图，确定各执行构件动作间的协调配合关系。运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制。图3-19牛头刨床原理图（a）直线式（b）圆周式（c）直角坐标式牛头刨床的机械运动循环图3.4原动机的选择与传动系统设计3.4.1原动机的选择1.原动机的类型原动机类型动力来源输出运动应用实例内燃机燃料燃烧转动，振动较大汽车、飞机等独立移动的大功率机器电动机电力电源转动，运动平稳机床、机器人等整机固定的机器设备气压马达压缩空气直线或旋转运动生产线、车门等中小功率的设备液压马达液压泵站直线或旋转运动汽车吊臂、压力机等车载或强力输出一般地说，应首选电动机，但也并非尽然。在满足工作性能要求、现场允许的条件下，有时也用液压或气压驱动源。2.电动机的选择电动机是已经系列化的产品，要根据工作载荷大小及性质、转速高低、起动特性、过载情况、工作环境、安装要求及空间尺寸限制和经济性等要求，从产品目录中选择电动机的类型、结构列式、容量(功率)和转速，最后确定具体型号。(1)选择电动机的类型和结构型式如无特殊要求，一般选用Y系列三相交流异步电动机。常用Y系列三相异步电动机的技术数据和外形尺寸见相关机械设计手册。3.4.1原动机的选择2.电动机的选择(2)电动机容量的确定选择电动机容量时应保证电动机的额定功率Ped等于或稍大于电动机的实际输出功率Pd，即eddPP电动机的实际输出功率为(kW)WdPP传动系统的总效率2.电动机的选择(3)确定电动机的转速额定功率相同的同类型电动机，有几种转速可供选用，如三相异步电动机就有四种常用的同步转速，即3000r／min、1500r／min，1000r/min及750r／min。设计中如无待殊要求，一般选用同步转速为1500r／min或1000r／min的电动机。电动机的类型、结构、输出功率Pd和转速确定后，可由标准中查出电动机型号、额定功率、满载转速、外形尺寸、电动机中心高、轴伸长度、键连接长度等，将这些参数列表备用。传动系统通常有机械式、液压式、电气式等几种形式。3.4.2传动系统设计按传动比和输出速度的变化选择传动机构传动系统设计步骤：金属卷带间歇供送装置的传动示意图1一偏心轮2一连杆(下端为球面副)3、4—摆杆套环5一星轮6、7—牵引棍8一制动器9,ll一带轮10一同步齿形带12一蜗形凸轮13一滚子轮采用传动方案(b)，定位精度高，并且运行平稳，噪声轻微，生产率高