第3章 机械系统运动方案设计

运动规律的拟定应尽可能简单
工程中往往需要实现复杂的运动规律， 工程中往往需要实现复杂的运动规律，通常采用的措施是将复 杂的运动规律分解成转动、摆动或移动等比较简单的运动规律。 杂的运动规律分解成转动、摆动或移动等比较简单的运动规律。
图3-11 大型绘图机运动方案 1一主动轮；2一从动轮；3一钢丝；4一绘图纸； 一主动轮； 一从动轮； 一钢丝； 一绘图纸； 一主动轮 一从动轮 一钢丝 一绘图纸 5—绘图笔 绘图笔
3.3 执行机构的型式设计及协调设计
3.3.1 执行机构分类
执行机构的作用：传递、变换运动与动力。 执行机构的作用：传递、变换运动与动力。 主要功能：施力、夹持、搬运、检测、分度与转位等。 主要功能：施力、夹持、搬运、检测、分度与转位等。 1.按执行机构对运动和动力的不同要求分为：动作型、动力型及动 1.按执行机构对运动和动力的不同要求分为：动作型、 按执行机构对运动和动力的不同要求分为 动力型。 作-动力型。 动作型要求实现预期精度的动作，而对各构件的强度、刚度无特 动作型要求实现预期精度的动作，而对各构件的强度、 殊要求，如缝纫机、印刷机等。 殊要求，如缝纫机、印刷机等。 动力型要求各构件有足够的强度和刚度，施加一定的力做功， 动力型要求各构件有足够的强度和刚度，施加一定的力做功，而 对运动精度无特殊要求，如曲柄压力机、碎石机等。 对运动精度无特殊要求，如曲柄压力机、碎石机等。 动作-动力型要求既能实现预期精度的动作，又施加一定的力做功， 动作-动力型要求既能实现预期精度的动作，又施加一定的力做功， 如滚齿机、插齿机等。 如滚齿机、插齿机等。
(3)各工序的工艺时间相等原则 (3)各工序的工艺时间相等原则 (4)多件同时加工原则 (4)多件同时加工原则 (5)减少机器工作行程时间和空程时间 (5)减少机器工作行程时间和空程时间 某些原则是相互矛盾或制约的，在工艺动作设计时，应抓主要矛盾。 某些原则是相互矛盾或制约的，在工艺动作设计时，应抓主要矛盾。
（3）工艺参数
工艺参数包括运动参数和动力参数。 ① 运动参数：执行构件的转速、移动速度及调速范围等。 如： 机床等机械设备的主轴最高和最低转速 工作台或刀架的移动速度 移动机械的行驶速度范围 连续作业机械的生产拍节等。 运动参数是由机械的工艺要求决定的，应包括： 运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动） 运动特点（连续式、间歇式、往复式） 运动范围（极限尺寸、转角及位移） 运动速度（等速、不等速） 动力参数：机械系统中使用的动力源参数，如电动机、液压马达、 ②动力参数：机械系统中使用的动力源参数，如电动机、液压马达、 内燃机的功率，液压缸的牵引力、伺服电机的额定转矩等。 内燃机的功率，液压缸的牵引力、伺服电机的额定转矩等。
2.总体参数的确定 2.总体参数的确定
总体技术参数主要包括：与机械系统的使用范围、生产 能力等有关的参数、结构尺寸、运动学和动力学参数。 例如： 对于机床而言，总体参数包括规格参数、运动参数、动力 参数和结构参数； 对于仪器类机械系统，总体参数包括测量范围、示值范围、 放大倍数、灵敏度等。
（1）生产能力
（a）牛头刨床 ）
（b）龙门刨床 ）
工艺动作设计原则
(1)工序集中原则 (2)工序分散原则 工序分散原则
③送纸 ①送书 ②推书 ④推书包三面 ⑤折侧边 c a
c'
d'
b
d
后角 ⑥折前角 ⑦折后角
⑧推书 ⑨涂浆糊 ⑩贴封签
⑾烘干
图3—9自动切书机工艺过程示意图 自动切书机工艺过程示意图
书本打包机的包、 图3-10 书本打包机的包、封工艺过程
3.2 机械工作原理设计
功能分析、功能原理设计和工艺动作设计。 机械工作原理设计包括 功能分析、功能原理设计和工艺动作设计。 1.功能分析 功能分析 功能：机械系统所具有的传递和变换能量、物质和信息的特性。 功能：机械系统所具有的传递和变换能量、物质和信息的特性。 机械系统的功能归结为两大类：动作功能和工艺功能。 机械系统的功能归结为两大类：动作功能和工艺功能。 工艺功能与动作功能的区别在于是否其执行构件对物体具有加工 作用。 作用。
3. 设计步骤
① 机械工作原理设计 ② 执行系统设计 ③ 原动机的选择及传动系统设计 ④ 机械系统运动方案初步拟定 ⑤ 机构尺度设计 ⑥ 运动与动力分析 ⑦方案评价与决策 机械系统运动方案设计步骤常常是不可分的， 机械系统运动方案设计步骤常常是不可分的，例 如方案选择、 如方案选择、尺度设计和性能分析等设计工作在某种 程度上是并行和交叉的。 程度上是并行和交叉的。
（1）动作功能 ）
动作功能是以实现动作为目的，不对物体进行加工。 动作功能是以实现动作为目的，不对物体进行加工。 简单动作一般是一次性动作，如由链齿和拉头组成的拉链， 简单动作一般是一次性动作，如由链齿和拉头组成的拉链，只实现 闭合和开启的简单动作。 闭合和开启的简单动作。 复杂动作功能不仅要实现连续的传动，而且还要实现复杂的运动规 复杂动作功能不仅要实现连续的传动， 律以及运动型式变换。实现这类功能的机构一般比较复杂， 律以及运动型式变换。实现这类功能的机构一般比较复杂，常采用 机构的组合方式实现。如机械手的抓取与送料复合运动功能。 机构的组合方式实现。如机械手的抓取与送料复合运动功能。
机械系统方案设计的阶段成果
目标分析 方案拟定
方案评价 总体方案示意图； 总体方案示意图； 机械系统方案运动简图； 机械系统方案运动简图； 运动循环图； 运动循环图； 方案设计计算说明书。 方案设计计算说明书。
方案决策
3.1 基本要求及设计步骤
1.基本要求 1.基本要求
针对某种简单机械系统，进行： 针对某种简单机械系统，进行： ①机械工作原理设计 ②执行系统设计 ③原动机的选择 ④传动系统设计 ⑤机构尺度设计 ⑥运动与动力分析 ⑦评价与决策
生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量， 生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量，根据选用 的计量和计时单位的不同而不同。例如： 的计量和计时单位的不同而不同。例如： 对于干粉压片机，其生产率为每分钟加工的片数； （A）对于干粉压片机，其生产率为每分钟加工的片数； 对于书本打包机，其生产率为每小时能够包装书的本数。 （B）对于书本打包机，其生产率为每小时能够包装书的本数。 理想生产能力： 理想生产能力：机械系统在理想状态下单位时间内加工出的产品 数量。 数量。 实际生产能力： 实际生产能力：机械系统在正常运行期间单位时间内平均生产合 格产品的实际数量。 格产品的实际数量。 实际生产能力一般小于理论生产能力。 实际生产能力一般小于理论生产能力。
图3-4 重力给料装置原理图
图3-5 振动给料装置原理图
图3—6 带式输送机原理图 图3-7 螺旋输送机原理图
3.工艺动作设计 3.工艺动作设计
同一工作原理可以采用不同的工艺动作实现。 同一工作原理可以采用不同的工艺动作实现。 例如： 例如：刨削加工 将工艺动作分解为刀具往复移动，工件进给运动，即为牛头刨床； （1）将工艺动作分解为刀具往复移动，工件进给运动，即为牛头刨床； 工件往复移动， 即为龙门刨床。 （2）工件往复移动，刀具进给 ，即为龙门刨床。
执行构件：在执行机构中接触工件或执行终端运动的构件。 执行构件：在执行机构中接触工件或执行终端运动的构件。 主要有五种运动形式： 1. 主要有五种运动形式： 直线运动 回转运动 任意轨迹运动（曲线运动） 任意轨迹运动（曲线运动） 点到点的运动 位到位的运动（刚体导引运动） 位到位的运动（刚体导引运动） 2. 每种运动形式又可以细分，例如： 每种运动形式又可以细分，例如： 旋转运动又可分为连续旋转运动（如缝纫机主轴的转动）、 ）、间歇 旋转运动又可分为连续旋转运动（如缝纫机主轴的转动）、间歇 旋转运动（如自动机床工作台的转位）、往复摆动（ ）、往复摆动 旋转运动（如自动机床工作台的转位）、往复摆动（如颚式破碎 机的动颚板的打击运动，电风扇的摇头运动） 机的动颚板的打击运动，电风扇的摇头运动）等； 直线运动又可分为往复移动（如压缩机活塞的往复运动）、 ）、间歇 直线运动又可分为往复移动（如压缩机活塞的往复运动）、间歇 往复移动（如轻工自动机中供料机构的间歇供料运动）、 ）、单向间 往复移动（如轻工自动机中供料机构的间歇供料运动）、单向间 歇直线移动（如刨床工作台的进给运动） 歇直线移动（如刨床工作台的进给运动）等。
3.3.1 执行机构分类
按执行系统中执行机构数量及其相互间的联系情况分为： 2. 按执行系统中执行机构数量及其相互间的联系情况分为： 单一型：搅拌机、 单一型：搅拌机、碎石机的执行机构 相互独立型： 相互独立型：外圆磨床的砂轮转动与进给 相互联系型：印刷机、 相互联系型：印刷机、包装机的执行机构
3.3.2 执行构件运动形式
机械设计综合实践课程
第3章 机械系统运动方案设计 章
阎绍泽 清华大学精密仪器与机械学系
机械系统方案设计的重要性
开发设计 制造 市场销售
企业的生命线
机械产品的设计过程
市场调查
初期规划 技术调查 同行调查 调研、论证报告
设计任务 总体功能 子功能 子设计方案 原理组合 设计图纸
Fra Baidu bibliotek
结构方案 装配图 零件图 说明书 施工设计 生产文档
（2）尺寸参数
尺寸参数是指影响机械性能的一些重要的结构尺寸， 尺寸参数是指影响机械性能的一些重要的结构尺寸，如： 总体极限尺寸（ 高及可移动的极限位置和尺寸） 总体极限尺寸（长、宽、高及可移动的极限位置和尺寸） 特征尺寸（加工范围、中心高度） 特征尺寸（加工范围、中心高度） 运动零部件的工作行程 主要部件之间位置关系及安装尺寸。 主要部件之间位置关系及安装尺寸。 根据设计任务书中原始参数、方案设计时的总体布置草图、 根据设计任务书中原始参数、方案设计时的总体布置草图、同 类机械系统的类比或通过理论分析获得上述尺寸参数。 类机械系统的类比或通过理论分析获得上述尺寸参数。
图3-3 某包装机的组成
功能原理实现的多样性
自动给料装置是包装机的一个子功能元，可以采用重力给料原理、 自动给料装置是包装机的一个子功能元，可以采用重力给料原理、 振 重力给料原理 动输送给料原理、带式输送给料原理、螺旋输送给料原理等实现 等实现。 动输送给料原理、带式输送给料原理、螺旋输送给料原理等实现。
（2）工艺功能 ）
工艺功能是以加工对象为目的，是对物体实施某种加工工艺， 工艺功能是以加工对象为目的，是对物体实施某种加工工艺，如刮 削器的刮削功能、机床的切削功能、挖掘机的挖掘功能、 削器的刮削功能、机床的切削功能、挖掘机的挖掘功能、犁的翻地 功能。 功能。 这些功能由执行构件实现，如机床的刀具、挖掘机的挖斗、 这些功能由执行构件实现，如机床的刀具、挖掘机的挖斗、犁的 犁头等。 犁头等。
机械方案设计需要考虑的问题： 机械方案设计需要考虑的问题：
1）创造人工制造物 2）受到诸多因素的影响和制约
技术环境： 技术环境： 1）产品趋向 ） 2）设计制造 ） 3）生产趋向 ） 经济环境： 经济环境： 1）市场竞争 ） 2）经济规律 ） 社会环境： 社会环境： 1）政策法规 ） 2）道德文化 ） 自然环境： 自然环境： 1） 1）自然资源 2）环境保护 ）
功能要求考虑不周， 功能要求考虑不周，导致机械系统设计失败的案例
图3-2硬币清点机构 硬币清点机构
2.功能原理设计 2.功能原理设计
综合分析法：将机械系统的总功能分解成若干子功能元， 综合分析法：将机械系统的总功能分解成若干子功能元，然后求 解子功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案， 解子功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案， 以供评价与选择。 以供评价与选择。 某自动包装机的功能是将物 料装入袋中包装。 料装入袋中包装。 可分解为如下分功能： 可分解为如下分功能：自动 完成计量、填料、制袋、 完成计量、填料、制袋、封 打印生产批号、切断、 合、打印生产批号、切断、 输送等。 输送等。
总体方案
机械系统运动方案设计方法
设计任务 1.从系统的整体目标出发， 1.从系统的整体目标出发，将总 从系统的整体目标出发 体功能分解成若干功能单元。 体功能分解成若干功能单元。 2.寻找出能完成各个功能的技术 2.寻找出能完成各个功能的技术 方案。 方案。 3.把能完成各个功能的技术方案 3.把能完成各个功能的技术方案 组成方案组， 组成方案组，进行分析评价和 优选。 优选。 4.实现给定条件下的整体优化。 4.实现给定条件下的整体优化。 实现给定条件下的整体优化 总体功能 子功能 技术方案 方案组 评价和优选 最终方案