第四章_机械运动系统的方案设计

§ 4.4 机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
一、机械运动系统的工艺动作过程 机器的功能是通过其工艺动作过程来完成的。 例如图所示的工业缝纫机是通过①刺布→②供线→③勾线 →④送布的工艺动作过程来实现缝纫功能。
又如自动动作过程取决于工作原理，不同的工作原理就会有 不同的工艺动作来实现；有时，同样的工作原理也可以用不 同的工艺动作过程来实现，例如利用范成原理加工齿轮时， 滚齿机和插齿机二者的工艺动作过程是不同的。 一般来说，机器的工艺动作过程是比较复杂的，往往难 以用某一简单的机构来实现。因此，在机械运动方案的设计 中，常常需要把工艺动作过程分解成以一定时间序列表达的 若干个工艺动作，这些工艺动作则称之为机械的执行动作。 相应地，我们把机械中完成执行动作的构件，称为执行构件。 而把实现各执行构件运动的机构，称为执行机构。 所谓“工艺动作过程的构思与分解”，是指：从机械运 动系统的功能出发，根据工作原理构思出工艺动作过程，并 将工艺动作过程分解成若干可实现的执行动作，形成一系列 执行动作的时间序列。
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。
二、举例
如:冲压式蜂窝煤成型机的总功能是：将粉煤加入转盘的 模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。
为了实现蜂窝煤冲压成 型，冲压式蜂窝煤成型机必 须完成五个分功能： ①粉煤加料； ② 冲头将蜂窝煤压制成型； ③清除冲头和出煤盘的积屑 的扫屑运动； ④将在模筒内的冲压后的蜂 窝煤脱模； ⑤将冲压成型的蜂窝煤输送。
指设计者根据设计任务书和已知 条件，通过建立功能结构、确定 工作原理、工艺动作过程的构思 与分解、机构的选型以及方案评 价等步骤，形成机械运动系统方 案的全过程。
机械产品的设计一般要经过产 品规划、方案设计、技术设计、 施工设计等几个阶段。通常,方案 设计是核心，它决定产品性能、 成本及竞争能力的关键环节。
以自动钻床为例。图a所示为半自动钻床的结构简图，其功 能自动钻孔可分解如图b所示四个分功能(或子功能)。
自动钻孔
功能结构的建立步骤:
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——即总功能 。 2. 功能分解 功能分解是指将总功能分解为若干个分功能（或子功能）， 再将分功能继续分解至不可再分的基本功能。 3. 功能合成
2.选择合适的运动副形式
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。采用带 高副的机构，较容易实现执行构件的运动规律和轨迹要求，但 是高副元素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。 根据这三种运动副的特点，在机构选型时，应优先采用转 动副，而且常以转动副或高副代替移动副。
2)如用气吸原理，在底部 用气吸法吸出料板的边缘， 然后夹走
3)如采用机械推拉原理，将料 板从底部推出，然后夹走。
4)如采用摩擦传动原理，用摩 擦板从顶部推出一张料板，然 后夹走。
5)如采用摩擦传动原理， 用摩擦轮将料板从底部滚出， 然后夹走。
由上可知：1）实现同一功能要求的工作原理有许多，2） 对各种可能的功能原理进行分析比较，最后选定既能满足机械 的功能要求，工艺动作又简单的最佳工作原理。 这就是确定机械运动系统工作原理的基本思路。
4. 减少机器工件行程和空程时间
在不妨碍各执行构件正常动作和相互协调配合的前提下， 尽量使各执行机构的工作行程时间互相重迭，工作行程时间 与空行程时间互相重迭、空行程时间与空行程时间互相重迭， 从而缩短工件加工循环的时间以提高机器的生产率。
§ 4.5 机构选型及其系统组成
一、机构选型 机构选型是指根据执行机构中执行构件的工艺动作要求 来选用机构类型，一般来说满足同一执行构件的工艺动作机 构有多种,这需要对多种机构进行对比和评价，最后寻求最优 解。 表4.2所示为能实现常见工艺动作的执行机构。
连续旋转运动
旋 转 运 动
间歇旋转运动
往复摆动
往复移动 直 线 移 动
曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、 压缩机活塞的往复运动、冲床 正切机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿 冲头的冲压运动、插齿的切削 条机构、螺旋机构、某些组合机构等 运动等 棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间 歇往复运动的凸轮机构、利用连杆曲线的 圆弧段实现间歇运动的连杆机构等 棘齿条机构、液压机构等 利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、 凸轮——连杆组合机构、齿轮——连杆组 合机构、行星轮系与连杆组合机构等 齿轮插齿机的让刀运动、轻工 自动机中供料机构的间歇供料 运动等 刨床工作台的进给运动等 捏面机的捏面爪的运动、电影 放映机抓片机构中的抓片爪的 运动等
总功能分解,建立功能结构
构思新功能原理
工作原理设计
构思新运动规律
工艺动作过程构思和分解
改变机构型式
机构选型及组合 执行系统协调设计（运动循环图设计） 机构尺度设计
改 变 设 计 策 略
改变机构参数
运动分析和动力分析 方案评价与决策 不满足要求
绘制机械系统运动简图
§4.2 机械运动系统功能结构的建立
实现常见工艺动作的执行机构
执行构件运动形式 实现运动形式的常用执行机构 双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、 轮系、摩擦传动机构、挠性传动机构、双 万向联轴节、某些组合机构等 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 曲柄摇杆机构、摇块机构、双摇杆机构、 摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、某 些组合机构等 实际应用举例 车床、铣床的主轴以及缝纫机 的转动等 自动机床工作台的转位、步进 滚轮的步进运动等 颚式碎石机的动颚板的打击运 动、电风扇的摆头运动等
§ 4.1 机械运动系统方案设计的内容
一、机械运动系统的概念
在工程上，机械系统通常是由动力系统、传动系统、执 行系统以及控制系统等四部分组成。其关系可用下图表示:
我们将传动系统与执行系统统称为“机械运动系统”，亦 称为“机构系统”。
所谓机械系统运动方案的设计，是指机械运动系统的方案 设计。
机械运动系统的方案设计:是
一、 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 统分解的原理将总功能分解为多个分功能（或子功能）， 再分别对这些较简单的分功能求解，最后利用组合的方法， 可以得到满足总功能的多种解决方案，以便评价选用，这 就是功能结构分析的目的。 其建立方法可用下图表示。
负压吸力
流体摩擦
磁吸力
简 图
特 点
用途广
简单
可靠性较 差
耗能较大
多条件限 制
较小物体
三、功能原理求解实例
如洗衣机：在不损伤衣物的前提下，将赃物从衣物上分离 出来。要实现此功能，其原理有： 1）揉搓原理：要设计模仿人手的机械手，难度大 2）刷擦原理：很难把衣物各处都刷洗到 3）捶打原理：易损坏衣物 4）漂洗原理：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。
二、工艺动作过程构思与分解的基本原则 1. 工艺动作集中与分散原则 所谓工艺动作集中原则，是指工件可以采用多个执行构 件同时完成几个执行动作，以达到提高机器生产率的目的。 例如自动切书机就是采用了多刀、多面、多个执行构件同时 完成切纸过程，大大地提高了生产率。 所谓工艺动作分散原则，是指将工件的加工工艺过程分解 为若干工艺动作，并分别用不同的执行机构来完成。由于工艺 动作分散，执行机构完成每一工艺动作的动作较为简单，这样 也可以提高机器的生产率。 从表面上看，工艺动作集中原则和工序分散原则是矛盾 的，但其实目的是一致的，集中是为了提高机器生产率，分 散也是为了提高机器生产率。 总之，工艺动作能集中就尽量 集中，若集中有困难就采取分散。
二、确定功能原理的基本方法 由于实现同一功能要求的工作原理有许多，因此功能原理 设计的过程是一个创造性的过程。目前确定功能原理的基本 方法有：
1.传统的辅助法
(1) 文献检索 法 :文献来源包括专业书刊、专利产品说明等。
(2) 仿生法：从自然生物系统中引出具有多种用途而技术上新 颖的解。 (3) 类比考察法:将系统与类比物进行比较以启发求解。 (4) 实验研究法:包括模型实验、样机实验等。
间歇往复移动 单向间歇移动 曲线运动
二、机构选型的基本原则 1. 结构最简单、运动链最短 从运动输入的原动件到运动输出的执行构件间的运动链 要最短，使构件和运动副的数量尽可能地少。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 减少机构的累积运动误差，提高机械的效率和工作可靠性。 因此，在选型时，往往选用结构简单的近似机构，而不用 理论上没有误差但其结构复杂的机构。例如图所示的是两种能 实现E点直线运动的机构，其中图a所示是利用铰链四杆机构中 连杆上E点的近似直线轨迹来实现直线运动的。而图b所示的平 面八杆机构则是一种理论上能精确实现E点直线运动的机构。
图a所示为用转动副D代替移动副D′的近似直线运动机构； 图b所示则是用高副G代替移动副C的导杆机构。
3. 原动件的选择有利于简化结构和改善运动质量 目前机器的原动机大多采用电动机，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，其优越性更为突出。
4. 机构的虚约束应尽量少 在机构设计中，采用虚约束,这对机构的制造和装配提出 相应的精度要求，若由于尺寸不准确，使原来的虚约束变成 实际约束，从而造成卡死现象或引起构件的破坏。因此，在 设计中应尽量减少带有虚约束的机构。 5.使执行系统具有良好的传力条件和动力特性 对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，以求得惯 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，以防止机构的自锁，增大机构的传力 效益，减小原动件的功率及其损耗。 6. 经济性和使用性能 所选用的机构应易于加工制造、经济成本低，应能使机器 操纵方便、容易调整且安全耐用，还应使机器具有较高的生产 效率和机械效率。