机械运动方案设计

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。
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。
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：
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：
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。
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
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。
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。
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。
• 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
8.1 机械运动系统方案设计的内容 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。 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。
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。
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。
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。
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
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
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 齿轮机构 摩擦轮机 流体机构 面机构 构
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。
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)
构思新功能原理
功能原理设计
构思新运动规律
运动规律设计（工艺动作分解
和运动方案选择）
改变机构型式
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）

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
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 绘制执行系统运动简图 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。
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。
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。
8.3 确定机械运动系统的工作原理
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。
的运动规律并确定了各执行机构的型式及驱动方式后还必须将各执行机构统一于一个整体形成一个完整的执行系统使这些机构以一定的次序协调工作互相配合以完成一执行系统协调设计的原则满足各执行机构动作先后的顺序性要求执行系统中各执行机构的动作过程和先后顺序必须符合工艺过程所提出的要求以确保系统中各执行机构最终完成的动作及物质能量信息传递的总体效果能满足设计要求
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
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。
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。