机械运动系统的方案设计(朱理)

11-1 机械运动系统方案设计的内容 11.2 机械运动系统功能结构的建立 11.3 确定机械运动系统的工作原理 11.4 机械运动系统工艺动作过程的构思与分解 11.5 机构选型及其系统组成 11.6 机械执行系统间运动的协调设计和运动循环图 11.7 机械运动系统方案的构思与拟定 11.8 机械运动系统方案的评价

机械运动系统方案设计的内容
机械系统运动方案的设计，是指机械运动系统的方案设计。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。对设计师而言，则是最具吸 引力，同时也最具挑战性的工作。
11.1.1 机械运动系统的概念
从运动学角度考察，机械系统的 基本功能是机械运动的生成、传 递与变换。在机械系统中，动力 系统（即原动机）生成原始的机械运动，然后经传动系统（传动机构）的 传递，最后由执行系统（执行机构）变换成为期望的运动形式之后输出。 运动的传递与运动形式的变换是机构的基本特性。从而，—般将传动系统 与执行系统统称为“机械运动系统”，亦称为“机构系统”。

机械运动系统方案设计的内容
11.1.2 机械运动系统方案设计的流程
机械运动系统的方案设计，是指在设计任务明确之后，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、机构的选型与组合以及方案评价 等步骤，形成机械系统运动方案的过程。其基本程序如下。
由设计任务出发，将总功能分解，建立机械运动系统的功能结构 根据相应的功能来选择工作原理，不同的工作原理将形成不同的运动方案 从工作原理出发，进行工艺动作过程的构思与分解，形成原理解 选择合适的机构及机构组合来实现所要求的工艺动作，形成各种备选方案 通过方案评价来选择最佳方案。

机械运动系统功能结构的建立
对于机械产品而言，其用途或所具有的特定工作能力，称为机械产品的功能。 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。 1. 确定总功能 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，提炼出实现本质功能的解 2. 功能分解 将总功能分解为分功能，并进 一步分解至不可再分的基本功能。 3. 功能合成 将分功能与基本功能合
功能结构：将机械系统的总功能分解后， 总功能、分功能和功能元之间的关系
成简单、明确的功能结构。

机械运动系统功能结构的建立
功能结构分析举例
半自动钻床的简图
钻床功能——工艺动作——执行机构框图

确定机械运动系统的工作原理
确定工作原理，是指根据机械运动系统的功能来选择工作原理的阶段。 同一种功能可以应用不同的工作原理来实现，相应的工艺动作过程也不同， 运动方案图也必然各不相同。工作原理的选择与产品的批量、生产率、工艺要 求、产品质量、市场定位等等有密切关系。在选定机器的工作原理时，不应墨 守成规，而是要进行创新构思。构思一个优良的工作原理可使机器的结构既简
11.3.1 确定工作原理的基本方法
1. 传统的辅助手段 (1) 文献检索 (3) 类比考察 (2) 利用“仿生学”或“生物力学”原理求解。 (4) 实验研究。
单又可靠，动作既巧妙又高效。
2. 直觉方法 利用设计者的个人直觉，以及联想法等群动效应求解。 3. 逻辑方法 运用逻辑思维的方法，可制定清晰的工作步骤。 在逻辑方法中，应用最为成功的是设计目录法。该方法的基本原理，是将为实 现某一功能元的所有可能的解用矩阵表形式列出，形成物料运送解法目录。

11.3.2 工作原理求解实例
确定机械运动系统的工作原理
对于机械运动系统而言，在原理求解阶段所确定的工艺过程对机械的生产 率、结构、运动和使用性能具有决定性的影响，以螺纹加工为例。 传统方法是在螺纹车床通过几次进给切削来切制螺纹，与普通车床相似， 其结构较为复杂，工效也较低。 按照复合运动原理设计的搓丝机，利用动搓丝板和送料板的往复运动来切 制螺纹，其结构大大简化，而生产率、工件质量和材料利用率都有所提高 对辊式搓丝机，把往复运动改成单向旋转 运动，不但省掉了往复式搓丝机的空行程 而使生产率提高，而且缩小了机器的体积 根据行星机构原理制造成的行星搓丝机， 工艺动作进一步简化，而生产率成倍提高

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
11.4.1 机械运动系统的工艺动作过程
机器的功能是通它的工艺动作过程来完成的。 工业缝纫机工艺动作过程为： ①刺布→②供线→③勾线→④送布 平板印刷机的工艺动作过程为： ①取出已印刷好的纸张 ②墨辊向印版上滚刷油墨 ③墨盘间歇转动一个位置，使油墨匀布于 墨盘，以便墨辊滚过墨盘时得以均匀上墨 ④将油墨容器内的油墨源源不断供应给油盘 ⑤空白纸张合在印版上完成印刷。 工艺动作取决于所实现的功能的工作原理，不同的工作原理就会有不同的工 艺动作过程，例如滚齿原理和插齿原理二者的工艺动作过程是不同的。但是同 样的工作原理却可以用不同的工艺动作过程来实现。

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
工艺动作过程是实现机器功能所需的一系列动作型式、按一定顺序组合而成 的系列动作。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，从设计机械运动方案需要出发，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，简称为执行动作。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所需执行运动的机构，称为执行机构。 在机械系统运动方案的确定过程中，确定执行动作、选择执行机构是机械系 统运动方案设计中富有创造性的设计内容。而执行动作的多少、执行动作的形 式以及它们间的协调配合等都与机械的工作原理、工艺动作过程及其分解等有 着密切关系。 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 原理构思工艺动作过程，并将工艺动作按执行机构可以实现的动作分解成若 干执行动作，构成执行动作的时间序列。

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
11.4.2 工艺动作过程构思与分解的基本原则
工艺动作过程构思是由机械系统的功能出发，根据工作原理提出可能的动 作过程。而工艺动作过程分解的目的则是确定执行动作的数目以及它们之间 的时间序列。工艺动作过程构思与分解的总要求是保证产品质量、生产率、 机器结构力求简单、操作和维修方便、制造成本低和维护费用小等。为达到 上述要求，一般应遵循以下几个基本原则：
1. 工艺动作集中与分散原则 2. 各工艺动作的工艺时间相等原则 3. 多件同时处理原则 4. 减少机器工件行程和空程时间

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
工艺动作集中原则，是指工件在一个工位上一次定位装夹，采用多刀、多面、 多个执行构件运动同时完成几个执行动作，以达到工件的工艺要求。工艺动作 集中原则使加工质量容易保证，机器的生产率也较高。 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 别在各个工位上用不同的执行机构进行加工，以达到工件的工艺要求。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，这样可以使机器生 产率有较大的提高。 盒式冰淇淋包装机 的工艺过程的分解 → 打开纸盒 → 从纸库中取出纸盒 撑开上前盖、 后盖和上塞耳 → 撑开下塞耳 → 灌装冰淇淋 → → 关闭下后盖下 关闭下前盖 塞耳插入耳孔 →
→
关闭上前盖 上塞耳插入耳孔 关闭上后盖 送往冰库冷藏

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
工艺动作集中原则，是指工件在一个工位上一次定位装夹，采用多刀、多面、 多个执行构件运动同时完成几个执行动作，以达到工件的工艺要求。工艺动作 集中原则使加工质量容易保证，机器的生产率也较高。 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 别在各个工位上用不同的执行机构进行加工，以达到工件的工艺要求。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，这样可以使机器生 产率有较大的提高。 因为工序数较多，所以其执行机构采取分散布置，这样每个执行机构只要 完成简单的动作，可以减少相互之间的干扰。这样不论从设计制造、安装、 调试及维修都十分简便，而且有利于机器生产率的提高。 工艺动作集中原则和工序分散原则从表面上看是有矛盾的，其实是依据实际 情况，工艺动作能集中就尽量集中，工艺动作集中有困难就采取分散。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。两个原则为了同一目 的，只是在不同场合采用不同方法。

机械运动系统工艺动作过程的构思与分解
2. 各工艺动作的工艺时间相等原则
对于多工位机械运动系统，工作循环的时间节拍有严格的要求，一般将 各工位停留时间最长的一道工艺动作的工作循环作为其时间节拍。为了提 高生产率，应尽量缩短工作时间最长的一道工艺动作的工作时间。为此， 可以采取提高这一工艺动作的工艺速度或者把这一工艺动作再分解等。
3. 多件同时处理原则
多件同时处理原则，是指在同一机械上同时处理几个工件，也就是同时 采用相同的几套执行机构来处理多个工件。
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。

机构选型及其系统组成
机构选型是根据现有机构的功能进行选择，以获得初始运动方案，再利用演 化或变异方法来进行改造与创新，寻求最优解。 双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、轮系、摩擦传动 连续旋转运动 机构、挠性传动机构、双万向联轴节、某些组合机构等 间歇旋转运动 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 往复摆动 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
旋 转 运 动
由于利用执行构件的运动形式进行机构选型，十分直观、方便，设计者只 需要根据给定的工艺动作的运动要求，从有关手册中查阅相应的机构即可， 若所选机构的型式不能令人满意，则还可对机构进行变异或创新，以满足设 计任务的要求。
利用该方法进行机构的选型时，设计者必须根据工艺动作要求、受力大小、使用方便维修与否、制造成本高低、加工难易程度等各种因素进行分析比 较，然后择优选取。实际应用中，应该注意以下的一些基本原则。

机构选型及其系统组成
机构的选型的几项基本原则
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 以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，减少机构的累积运动误差，提高机械的效率和 运动副的数量尽可能地少。 工作可靠性。 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。 理论上有精 D E F 确直线运动 E 近似直线运动
C
C
A
B
D
A
铰链四杆机构
B
平面八杆机构
两种机构相比，八杆机构的结构就复杂许多，在相同的制造精度条件下，由 于运动副中累积误差的影响，八杆机构的实际传动误差大了2~3倍。
因此，在一般情况下往往选择前者来实现直线运动。

机构选型及其系统组成
2. 充分考虑运动副的特点，适当选择运动副的类型
运动副形式直接影响到机器的结构、寿命、效率和灵敏度。 转动副制造简单，易保证运动副元素的配合精度，效率高。
当要求将一轴的转动转换成另一轴的转动或摆动时，大多采用带转动副的机构。
移动副制造困难，不易保证配合精度，效率低，易发生自锁现象。
一般用于直线运动的场合
B 高副机构，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 C A A 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。 B C
用高副代替 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。
B A C
D'
用转动副代 替移动副
D
移动副
A
C B
(a)
D
D

机构选型及其系统组成
3. 原动件的选择有利于简化结构和改善运动质量
目前各种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
气缸
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， 则结构更简单，速度比 较容易控制
摆动气缸方案， 其结构十分简单
电动机一般转速较高，它必须通过减速 机构才能使摆杆的摆动速度满足要求
显然，在两种摆杆机构的方案中，采用摆动气缸的结构简单得多。

机构选型及其系统组成
4. 机构的虚约束应尽量少
在机构设计中，若采用虚约束，则对机构的制造和装配需采用相应的精 度要求，若由于尺寸不准确，使虚约束变成实际约束，将造成卡死现象或 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. 机构有尽可能好的动力性能
对于高速机械，应使其惯性力尽量平衡和减小动载荷。 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 对于传力大的机构，应防止机构的自锁，增大机构的传力效益，减小原 动件的功率及其损耗。 机构选型时，应考虑尽量增大机构的传动角或减小压力角
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。

机械执行系统间运动的协调设计和运动循环图
完成执行构件执行动作的机构称为执行机构。 复杂机械，一般会有多个执行机构完成不同的工艺动作，故复杂机械应该是 多个执行机构的组合。 因此，这些执行机构必须以一定的次序协调动作、互相配合，以完成预定的 功能。这方面的工作通常称之为机械的执行系统的协调设计。
11.6.1 机械执行系统的协调设计
即根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调和配合， 设计出协调配合图，通常称为机械的运动循环图。 它具有指导各执行机构的设计、安装和调试的作用。 在对机械系统进行协调设计时，必须满足若干基本要求。
1. 满足各执行机构执行动作先后的顺序性要求
各执行机构的动作过程和先后顺序必须符合工艺过程提出的要求。 以工艺动作过程中某一执行动作开始点作为工作循环的起点，各执行机构 动作按一定顺序进行，保证各执行机构运动循环的时间同步，并应使一个执 行机构动作结束到另一个执行机构动作起始点之间有适当的间隔，以避免这 两个机构在动作衔接处发生干涉。

机械执行系统间运动的协调设计和运动循环图
2. 满足各执行机构在运动速度上的配合要求
当机械要求执行构件运动之间保持严格的速比关系时，应采用具有恒定速比
轮时，刀具与齿坯的速度关系。 关系的传动机构，以保证执行机构间运动速度的协调配合。 例如滚齿机或插齿机按范成法加工齿
3. 满足各执行机构在空间上布置上的协调性要求
对于有位置制约的执行系统，必须进行各执行机构在空间位置上的协调设 计，以保证在运动过程中各执行机构之间以及机构与周围环境之间不发生干涉。
4. 满足各执行机构操作上的协同性要求
当两个或两个以上的执行机构作用于同一操作对象时，各执行机构之间的运 动必须协同一致。
5. 各执行机构的动作安排有利于提高生产率
在满足上述的要求时，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。