第11章 机械运动系统的方案设计

自动钻孔
2)又如： “冲压式蜂窝煤成型机”的功能结构。 总功能：将粉煤冲压成蜂窝煤。
为了实现上述总功能，可将它分解 为下述五个分功能：
①将粉煤加入到空模具中，即加料； ② 利用冲头将粉煤压制成型； ③清除冲头和转盘上的积屑； ④将冲压好的蜂窝煤准确地从模具 中脱出，即脱模； ⑤将脱模的蜂窝煤运走，即输送。 其功能结构如下图所示。
2. 各工艺动作的时间相等原则
是指设计工作者在工艺动作的构思时，尽可能使各工艺动作 的时间相等。
若有一道工艺动作的时间很长时，就可以采用如下办法： 1)提高这一道工艺动作的速度； 2)把这一道工艺动作再分解的办法，来保证各道工艺动作的 时间尽可能相等。 3. 多件同时处理原则 是指采用几套相同的执行机构和执行构件同时来处理的方法。 例如：在 “电脑多头绣花机”中，采用了12套相同的执行机构和 执行构件(即相同的机头)同时绣花，可使工作效率提高12倍。
如：“洗衣机”的工作原理。 功能：要实现 “赃物从衣物上分离出来”，其工作原理有： 1）揉搓原理：利用机械手，模仿人手的揉搓动作，将赃物从 衣物上分离。此原理的缺点是：动作难度大，机构复杂。 2）刷擦原理：利用刷子，模仿人手的刷擦动作，将赃物从 衣物上分离。此原理的缺点是：很难把衣物各处都刷洗到。 3）捶打原理：利用木棒，模仿人手的捶打动作，将赃物从衣 物上分离。此原理的缺点是：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” 。此原理的优点是：不 仅动作简单，而且安全可靠。目前在“洗衣机” 的工作原理中得到了广泛应用。
将总功能分解后，再分别对这些较简单的分功能（或子功能） 求解，最后利用组合原理对各分功能的解进行合成，就可以得到 满足总功能的多种解决方案，这就是建立功能结构的目的。 通常，功能结构可用下述方框图来表示。
二、举例说明
1)例如： “自动钻床”的功能结构。 总功能:自动钻孔
为了实现总功能，可将它分解为下述四个分功能(或子功能)。
总功能
加料
压制成型
清除积屑
脱模
输送
§11-3 机械运动系统功能原理的确定
一、功能原理的确定思路 在工程上，满足同一功能要求的工作原理(即功能原理)有许 许多多。 例如：在“自动取料”的功能中，实 现自动取料的工作原理有：气吸原理、机 械推拉原理、摩擦传动原理、磁吸原理、 流体传动原理、材料变形原理、光电原理 等多种形式。 下面以“从箱体中自动取料”为例， 来说明各种工作原理的应用 。 1)采用气吸原理：在箱体的顶部用气吸法 吸住顶部一张料板，然后将其夹走。
4. 提高生产率原则 为了提高机器生产率，应尽可能减少机器工件行程和回程的时 间，其方法有: 1) 在不妨碍各执行动作正常工作的前提下，尽可能使各执行动 作的工作行程时间相互重迭； 2)同上，尽可能使各执行动作的回程时间相互重迭；
3)同上,尽可能使各执行动作的工作行程时间与回程时间相互重迭。 例如:在“蜂窝煤成型机”的“压制成型与清除积屑”二个“执 行动作”中。 压制成型:利用冲头上下往 复直线运动 清除积屑:利用扫屑刷左右 往直线复运动 出现了：工作行程时间与回程时间相互重迭。
2. 为了实现总功能，常常将总功能分解为若干分功能（或子功 能），并建立其功能结构； 如“自动钻床”的总功能:自动钻 孔
自动钻孔
3.根据各个分功能来确定其工作原理（或称功能原理）； 例如：在“送料”的功能要求中， 满足它的工作原理有： 推力原理、 重力原理、
摩擦力原理……等。
4.根据工作原理，进行工艺动作的构思与分解 ； 5.根据各个工艺动作的要求，选择合适的机构类型或组合机构类 型； 6.根据各个工艺动作的时间先后顺序，进行各执行动作的协调设 计，并绘制出其运动循环图； 7. 对所选的各机构进行尺度设计，确定其主要尺寸； 8.对所选的各机构，进行简单的运动分析和动力分析；
产品规划
方案设计
技术设计
施工设计
三、方案设计的内容和流程 一般来说，方案设计包括如下十个方面的内容： 1.首先根据设计任务书和机器的用途等，明确该机械运动系统的 总功能。 总功能:是指该机器的用途或具有特定工作能力的总称。 例如： “自动钻床”的总功能:自动钻孔 又如： “蜂窝煤成型机”的总功能:将粉煤 冲压成蜂窝煤。
若执行构件要实现其它工艺动作，其执行机构见表11-2所示。
表11-2 实现常见工艺动作的执行机构
执行构件运动形式 连续旋转运动 旋 转 运 动 实现运动形式的常用执行机构 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 压缩机活塞的往复运动、冲 床冲头的冲压运动、插齿的 切削运动等
又如： “自动钻床”的四个分功能是通过如下四个“工艺动作”来 实现。
---利用送料块左右往复 直线运动来实现送料 ---利用定位块前后往复 直线运动来实现定位 ---利用夹紧块前后往复 直线运动来实现夹紧
---利用钻孔刀具上下往 复直线运动来实现进刀
二者关系： “工艺动作”取决于其欲实现的“功能”，不同的 “功能”就会有不同的“工艺动作”来完成。
第11章
机械运动系统的方案设计
§ 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 执行系统间运动的协调设计1 运送物料的解法目录
机械力 气液力 电磁力
功 能 元 解
推力
重力
摩擦力
气吸力
流体力
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
§ 11-4 机械运动系统工艺动作的构思与分解
一、“工艺动作”与“功能”之间的 关系 机器的“功能”通常是通过机构的“工艺动作”来完成的。 例如:“蜂窝煤成型机”的五个分功能:① 加料→②压制成型→③清除积屑→④脱模 →⑤输送，它们分别是通过如下五个“工 艺动作”来实现。 1)加料:利用物料重力所产生的垂直下落 2)压制成型:利用冲头上下往复直线运动 3)清除积屑:利用扫屑刷左右往直线复运动 4)脱模:利用脱模盘上下往复直线运动 5)输送:将脱模的蜂窝煤落在输送带上送出
§ 11-8 机械运动系统方案的评价 § 11-9 设计冲压式蜂窝煤成形机的运动方案
§ 11-1 机械运动系统方案设计的内容
一、机械运动系统的定义
在工程上，一台完整的“机械”通常是由四部分所组成: 1)动力系统； 2)传动系统； 3)执行系统； 4)辅助系统(含控制系统、操纵系统、润滑系统、照明系统等)。 如:
双曲柄机构、转动导杆机构、齿轮机构、 轮系、带传动机构、链传动机构、双万向 铰链机构、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
间歇旋转运动
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
三、工艺动作构思与分解的基本原则 1. 工艺动作集中与分散原则 所谓“集中原则”，是指在同一机构中可以采用多个执 行构件同时完成几个执行动作。 例如：在“自动切书机”中，采用了多刀、多面，同时 完成切纸过程，大大地提高了生产率。 所谓“分散原则”，是指将复杂的工艺动作分解为若干简 单的工艺动作，并分别由不同的执行机构来完成。 由上可知，工艺动作的集中原则和分散原则是一对矛盾。 在设计时，其选用原则是：工艺动作能集中就尽量集中，若 集中有困难就采取分散。
9.对各种机械运动系统的方案，进行评价与决策，确定最优方案； 10.绘制最优方案的机械运动系统简图。 上述设计内容可用流程图来表示。
确定总功能 总功能分解,建立功能结构 工作原理的设计
重新设计工作原理 重新构思工艺动作
重 新 设
工艺动作的构思和分解
重新选用
机构选型 执行动作间协调设计（绘制运动循环图） 机构尺度设计
自行车
我们就将传动系统与执行系统二者的组合，称为“机械运 动系统”。
二、机械运动系统方案设计的定义
在传统的机械产品设计过程中，其设计阶段有四个:
1)产品规划， 2)方案设计， 3)技术设计， 4)施工设计。 其流程可用图来表示。 方案设计是关键和核心，因为它直 接决定产品性能的好坏、成本的高低及 竞争能力的强弱。 机械运动系统的方案设计:是指设计 工作者根据设计任务书和机器的用途等， 来确定该机械运动系统的总功能，明确其 工作原理和工艺动作，合理选择机构的类 型以及进行方案评价等十个方面的全过程， 又简称为“方案设计”。
2)采用机械推拉原理：从箱体的底 部将料板推出，然后将其夹走。
3)采用摩擦传动原理：用摩擦轮将 料板从箱体底部滚出，然后将其夹 走。 …… 由此可见，实现同一功能要求(即自动取料)的工作原理有许 多。在这些工作原理中，有些是合理的，有些是不合理的。 因此，需要对各种可能的工作原理进行分析与比较，最后选 定既能满足机械的功能要求，又能使工艺动作最为简单的最佳工 作原理。－－－ 这就是确定机械运动系统功能原理的基本思路。
5.直觉法 利用设计工作者的个人直观感觉以及偶尔联想等方法，来确 定功能原理的一种方法，此方法具有很大的随机性。 6.逻辑分析法
将实现某一功能元的所有可能的解用“表格形式”列出，形成 解法目录，以供比较和确定工作原理的一种方法。此方法考虑全面， 具有很强的推广性和应用性。
例如，表11-1为“运送物料”的解法目录。
§ 11-5 机构选型及其系统组成
一、机构选型的定义
机构选型：是指设计工作者根据各个执行动作（即从动件的动作） 的基本要求来选用合理的机构类型的过程。 须注意：在工程上，满足同一执行动作要求的机构有许多，这需 要对多种机构进行对比和分析，最后寻求最优解。 例如：若执行构件要实现“连续旋转运动”，其机构有: