第8章 机械运动方案设计

第8章机械运动方案设计8.1机械运动系统方案设计的内容8.2机械运动系统功能结构的建立8.3确定机械运动系统的工作原理8.4执行系统的运动规律设计8.5机构选型及其系统组成8.6执行系统间运动的协调设计和运动循环图8.7方案评价与决策运动方案设计的必备知识•充分了解并掌握各种常用机构的基本知识•必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求•必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息•充分重视其它学科的技术应用方案设计阶段是决定产品性能、成本及竞争能力的关键环节。8.1机械运动系统方案设计的内容机械系统是由动力系统、传动系统、执行系统以及控制系统组成。例：全自动洗衣机机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节。所谓运动方案的设计，即是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思，经过参数计算与选择用机构运动简图表示出来。8.1.2机械运动系统方案设计的流程机械产品的设计开发一般要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。机械执行系统方案设计是机械系统方案设计的核心。1.功能原理设计；2.运动规律设计；3.执行机构型式设计；4.执行系统协调设计；5.机构尺度设计；6.运动和动力分析；7.方案评价与决策。机械预期实现的功能要求（使用要求或者工艺要求)功能原理设计运动规律设计（工艺动作分解和运动方案选择）执行机构型式设计执行系统协调设计（运动循环图设计）机构尺度设计（运动和动力设计）运动分析和动力分析方案评价绘制执行系统运动简图构思新功能原理构思新运动规律改变机构型式改变机构参数改变设计策略不满足要求8.2机械运动系统功能结构的建立一台机器所能完成的功能，则称为机器的总功能。在实际工作中，要设计的机械产品往往比较复杂，难以直接求得满足总功能的功能原理方案，因此必须采用系统分解的原理进行功能分解，将总功能分解为多个功能元，再分别对这些较简单的功能元求解，然后利用组合的方法，形成多个对总功能求解的功能原理方案。8.2.1建立机械运动系统功能结构的步骤1.确定总功能在此阶段，设计者从设计任务出发，通过对机械运动系统进行合理的抽象来确定设计任务的核心，最终提炼出实现本质功能的解。2.功能分解功能分解是指将总功能分解为分功能，再将分功能继续分解至不可再分的基本功能。3.功能合成功能合成是指将分功能与基本功能合成简单、明确的功能结构。一、功能原理的构思与选择要求，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。现同一功能要求可以选择许多不同的工作原理，相应的，执行系统的方案就必然不同。例：自动运送料板的装置的功能原理构思。实现自动送料可以有摩擦传动原理、机械推拉原理、气吸原理、磁吸原理等五、六种原理之多。8.3确定机械运动系统的工作原理用顶吸法吸走顶部一张料板分析：要求吸头做L形运动，还要有附加的气源用底部气吸法吸出料板的边缘，然后夹走分析：要求吸头做L形运动，还要有附加的气源将料板从底部推出，然后用夹板抽走。分析：运动规律简单，但要求料板必须有一定的厚度。用摩擦板从顶部推出一张料板，然后夹走。需要实现摩擦板的接近料板运动、送料运动和回退运动等，规律复杂用摩擦轮将料板从底部滚出，然后夹走需要实现摩擦轮的接近料板运动、送料运动和回退运动等，规律复杂在进行机械的功能原理设计时一定要根据具体的使用要求，对各种可能的功能原理进行分析比较，确定既能很好的满足机械预期的功能要求，工艺动作又可简便实现的最佳工作原理。二、功能原理的创造性由于实现同一功能要求可以采用多种不同的工作原理，因此功能原理设计的过程是一个创造性的过程。分析综合法所谓分析综合法是：将机械预期实现的功能分解为各种分功能，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把分功能原理组合起来，组成一个新的系统。将机械预期实现的功能分解为各种分功能，分析其本质，进行各分功能原理设计，最后把分功能原理组合起来，组成一个新的系统。阿波罗宇宙飞船技术中没有一项是新的突破，都是现代技术，问题是怎样将它们精确无误的组织好，实行系统管理。优秀的组合也是一种创新的体现，这就是分析综合法的精髓。思维扩展法有新的发现。在功能原理设计中，有些功能用机械装置是难以完成的，因此要尽量选择先进、简单、廉价的技术。挖掘湿的泥土，泥土会粘在挖斗中，不易倒出，通常的解决思路是设计一套清扫装置，但这会增加了装置的复杂程度。有人采用发散思维，提出可采用一种和泥土的摩擦系数小的材料做挖斗的表面材料，从而把问题转到对新材料的探寻上。还原创新法原点，紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径，构思新的功能原理。衣机的发明就是一个利用还原创新极其成功的例子。赃物从衣物上分离出来。揉搓原理：要设计模仿人手的机械手，难度大刷擦原理：很难把衣物各处都刷洗到捶打原理：易损坏衣物后来，人们跳出传统的洗衣方法，从洗衣预期实现的功能要求出发，利用一个波轮在水中旋转，形成涡流来翻动衣物，达到清洗的目的。这就是著名的漂洗原理。它不仅结构简单，而且安全可靠。8-4执行系统的运动规律设计一、工艺动作分解和运动方案选择根据机械预期实现的功能要求确定了工作原理后，接下来就是进行运动规律设计。即根据功能原理提出的工艺动作，进行运动分解，构思出恰当的运动规律。工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，然后从中选择最为简单适用的运动规律，作为机械的运动方案。复杂的动作都是由一些最基本的运动合成的。所谓运动规律设计就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。一台加工内孔的机床。加工内孔机床的运动规律设计从上面的的例子，我们可以看到，实现同一个工艺动作，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大不相同，它们很大程度上决定了机械的特点、性能和复杂程度。此外运动规律的设计中，还要注意其变化规律的特点，即运动过程中速度和加速度变化的要求。运动规律设计的创造性动作分解方法，设计出不同的运动规律。因此，运动规律的设计也是一种创造性的工作。如果在设计中缺乏创新性，就难以设计出结构简单、性能良好。具有竞争力的新产品。同功能原理设计一样，运动规律设计的创新方法也有多种。常用的有：仿真法分解，构思出实现某一工作原理的运动规律。挖土机，其运动规律就是完全模仿人手挖土的工艺动作，它由上臂、肘、挖斗等组成，是一个很成功的设计。思维扩展法仍是一个很重要的创新方法。虑新的运动规律。材料均度等进行综合检查的装置：用仿真法，要考虑滚珠的送料运动、直径的测量运动、根据思维扩展法，考虑到被检测对象的运动，利用滚珠在平面上跳动所走的路线来判定其是否合格。设计一个检验不同直径的钢珠的装置，为了避免对钢珠直径的反复测量的这一动作，运用思维扩展法，让钢珠也参与到运动规律的设计当中去。择装置：设计计算机的绘图机，根据计算机的命令，绘制任意形状的平面曲线。绘图笔和绘图纸之间的相对运动，可以分解为两个方向，纵向和横向的，两个方向的合成可以绘出任意形状的平面图形。工艺动作分解的不同，所形成的运动方案也不同。8.5机构选型及其系统组成一、执行机构型式设计的原则1.满足执行构件的工艺动作和运动要求。满足执行构件所需的运动要求，包括运动形式、运动规律或运动轨迹方面的要求，是执行机构形式设计时首先要考虑的最基本因素2.设计机械时，在满足工作要求的前提下，总希望机械结构紧凑、尺寸小、重量轻。所以我们应该尽量减小机构的尺寸。对于曲柄滑块机构来说，曲柄为回转件，占有较大空间，故我们希望减小曲柄的长度。利用杠杆行程放大原理利用活动齿轮倍增行程原理3.机械具有调节某些运动参数的能力：在某些机械的运转过程中，有些运动参数需要经常调节；而另一些机械中，虽然不需要在运转过程中调节运动参数，但为了安装调试方便，也需要机构中有调整环节。如下图，我们得到具有调节滑块最大行程功能的机构。摆杆1可绕铰链转动，它所处的位置不同，滑块的最大行程也随之变化。摆杆1调到合适的位置后锁紧，则机构只有一个自由度。此时滑块2在1上上下滑动。4.尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构。实现同样的运动要求，应尽量采用构件数和运动副数最少的机构。这样可以①降低成本，减轻重量；②减少摩擦损耗，提高效率；③减少运动链累积误差，提高传动精度和可靠性；④提高系统刚性。5.选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善机械性能。当有气、液源时，常采用气动和液压机构，这样既可以简化机构结构，省去许多电动机、传动机构或转换运动的机构，又有利于操作、调速和减振。6.选择合适的运动副形式运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要作用，它直接影响到机械的结构形式、传动效率、寿命和灵敏度等。一般来说，转动副易于制造，易于保证运动副元素的配合精度，且效率较高；移动副制造较困难，不易保证配合精度，效率低且易自锁或楔紧，故一般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合。7.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性设计时，应注意选用具有最大传动角、最大增力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计等。8.保证机械的安全运转必须考虑防止出现机械意外损坏或生产、人身事故。例如可以采取具有过载保护功能的带传动、设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机构等。二、机构的选型所谓机构的选型，是利用发散思维的方法，将前人创造发明的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。机构选型的方法：1．按照执行构件所需的运动特性进行机构选型例：往复移动曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、楔块机构、螺旋机构、气动、液压机构等2．按照动作功能分解与组合原理及型机构选型任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的这些基本机构具有下图所示的进行运动变换和传递动力的基本功能。总体功能可以分解成若干分功能。这样的分解可用下式表达：U=(Ui)i=1,2,…,m即总体功能U是由若干个分功能Ui组成的。而每一个分功能又可以用不同的机构来实现，即Tj=(ti1,ti2,…,tin)j=1,2,…,n式中，Tj为能够完成该分功能的机构的集合；Tij为对应于一个能完成分功能Ui的机构；n为能实现该分功能的机构数目。若用Ui定义行，Tj定义列，tij为元素构成矩阵，则可得如下的功能-技术矩阵：由于总体功能是由若干个分功能组成的，因此，只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能的方案。故在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为N=nm例题】精锻机主机构的总体功能：当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执行机构的若干方案。解：第一步，首先进行动作功能分解。根据题目要求，该执行机构应具有以下功能：（1）运动形式变换功能将驱动轴的转动变换为冲头的移动（2）运动轴线变向功能将水平轴运动变换为铅垂方向运动（3）运动位移或速度缩小功能减小位移量（或速度），以实现增力要求传动原理推拉传动原理啮合传动原理摩擦传动原理流体传动原理机构功能连杆机构凸轮机构螺旋、斜面机构齿轮机构摩擦轮机构流体机构第二步，构思出完成加压执行机构总体功能的功能-技术矩阵图第三步，将各分功能进行组合，得出可行方案。在每种确定的顺序下，可得到63=216种方案，剔除不合理的方案。按上节所述原则并结合精锻机的具体情况，选择合适的方案，做进一步评价。例如，若要机构尽可能简单，则可选择矩阵的第一列（连杆机构）和第二列（凸轮机构），由于它们都同时兼有这三种基本功能，故只需选择一个机构，就能完成设计要求的三种功能，这是最简单的方案。但是，由于凸轮机构是高副接触，接触点压力过大，故不宜采用；曲柄滑块机构的刚度较差，也不宜用在高精度的精锻机上。因此还要选择其它方案。三、机构的构型在根据执行构