机械系统方案设计

JM 返回 第十五章 机械运动方案设计 15-1 机械系统设计的基本过程 15-2 功能分析方法 15-3 功能求解 15-4 执行系统的功能原理设计 15-6 机构运动协调设计 15-7 机械运动循环图 15-8 执行系统方案设计 15-5 机构选型 JM 返回 15-1 机械系统设计的基本过程 机械系统（产品）设计是一个通过分析、综合与创新获得满足某些特定要求和 功能的机械系统的过程，机械系统的开发设计过程一般可分为四个阶段 初期规划设计阶段 （总体）方案设计阶段 结构技术设计 阶段 生产 施工 设计 阶段 调 研 和 预 测 可 行 性 论 证 确 定 设 计 任 务 调 研 报 告 可 行 性 论 证 报 告 设 计 任 务 书 目 标 分 析 创 新 构 思 方 案 评 价 方 案 拟 定 方 案 决 策 功能分析、工艺动作分解、工作原理设计 全面构思运动方案、运动规律设计、机构型式设 计和协调设计 拟定总体方案、进行执行系统、传动系统、原动机的选择和参数设计 进行功能、性能、技术和经济评价 方案选优并决策、绘制系统运动简图、编写总体方案设计说明书 机械系统 (产品 )设计 JM 返回 机械系统（总体）方案设计的基本内容 1、执行系统的方案设计 主要包括执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构的形式设计、 执行系统的协调设计和执行系统的方案评价及决策。 2、原动机类型的选择和传动系统的方案设计 主要包括传动类型和传动路线的选择，传动链中机构的顺序安排和 各级传动比的分配 3、控制系统的方案设计 4、其它辅助系统设计 主要包括润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保 护系统和照明系统等。 JM 返回 15-2 功能分析方法 1、功能分析法 控制论认为，世界以及任何系统都是由物质、能量和信息三大要素组成。 与机械系统对应的技术系统与三大要素之间的关系可表示为： 物质 能量 信息 系统 （变化、传递、存储） 对外界的影响 来自外界的影响 物质 能量 信息 具有所需要特 性（功能） 机械系统的用途或所具有的特定工作能力称为机械产品的功能，机械系统所能完 成的功能常称为系统的总功能，总功能是由各个分功能完成的。功能分析法是拟定功 能原理方案的主要方法。 功能分析法是指把机械系统的总功能分解成若干功能元，通过功能元求解，然 后进行组合得到多个系统方案，以待选择。 JM 返回 2、功能分析法的设计步骤及主要方法 明确任务 总功能 黑箱法 功能元 功能树 功能元解 创造性技法 功能原理方案 形态学矩阵 最佳功能原理方案 评价方法 JM 返回 1）、黑箱法 系统工程学中用黑箱来描述系统的总功能，把技术系统看作一个黑箱，当该 技术系统作为某中功能或任务的目标时，分析、比较输入和输出之间的关系，可 反映系统的总功能。 例：用黑箱法洗衣机的技术系统 洗衣机 技术系 统 （物质、 能量及 信息转 换） 衣物 介质 能量 控制信号 干净衣物 污物介质 干洗？湿洗 冷水？热水 波轮式？滚筒式？搅拌式？ JM 返回 2）、功能分解 机械系统设计中，需要把复杂的总功能分解为各级分功能，最后直至功能 元，再分别对功能元进行求解，最后综合成一个完整的功能原理方案。 例：家用缝纫机的功能分解 缝制 衣服 主要功能 辅助功能 控制功能 引线功能 勾线穿环功能 挑线功能 送料功能 功能求解 JM 返回 各分功能或功能元经有机组合而形成系统的总功能，功能元的排列方式可分为以下三种： a)、串联（链式）排列 b)、并联排列 F1 F2 F3 F3 F1 F2 F1 F2 F3 c)、环形（反馈）排列 JM 返回 15-3 功能求解 1、机构的基本功能 任何系统由一些基本机构组成，如平面连杆机构（低副机构）、齿轮机构、凸 轮机构（高副机构）、差动机构（多自由度）等。这些机构的基本功能以功能符号 表示： 运动放大 运动缩小 运动形式转换 运动方向交替变换 运动轴线变向 运动合成 运动分解 运动脱离 运动连接 机构的总功能就是以各基本功能经组合、变换而实现所需要的运动功能。 JM 返回 2、常用运动形式与表达符号 运动 形式 单 向 双 向 连续运动 间歇运动 极限位停歇 转动 摆动 移动 转动 摆动 移动 摆动 移动 JM 返回 3、运动转换基本功能图符号及常用机构 运动放大 运动缩小 带传动机构、链传动机构、螺旋传动机构、齿轮传动机构、摩擦 轮传动机构、行星传动机构、蜗杆传动机构、谐波齿轮传动机构、 连杆机构、摆线针轮传动机构 运动轴线变向 圆锥齿轮传动、蜗杆传动、双曲面齿轮传动、螺旋齿轮传动、半交叉齿轮传动、单万向节传动 运动轴线平移 带传动、圆柱摩擦轮传动、平行四边形机构、链传动、双万向节传动、圆柱齿轮传动 运动分支 齿轮系、带轮系、链轮系 运动合成 运动分解 差动螺旋机构、差动轮系、差动连杆机构、两自由度机构 差动轮系、两自由度机构 运动换向 惰轮换向、棘轮换向、滑移齿轮换向、行星齿轮换向机构、 摩擦差动换向机构 JM 返回 运 动 形 式 变 换 连续转动 往复摆动 单向直线移动 往复直线移动 双侧停歇直线移动 单侧停歇直线移动 单向间歇转动 双向摆动 双侧停歇摆动 单侧停歇摆动 实现预定轨迹 单向间歇转动 齿轮齿条机构、螺旋机构、带传动机构、链传动 机构 曲柄滑块机构、六杆滑块机构、移动从动件凸轮 机构、正弦机构、连杆 -齿轮齿条机构、齿轮 -连 杆组合机构 移动从动件凸轮机构、利用连杆轨迹实现停歇运动 机构、不完全齿轮齿条往复移动机构、不完全齿轮 移动导杆间歇机构 不完全齿轮齿条机构、行星内摆线间歇移动机构、 槽轮 -齿轮齿条机构、移动从动件凸轮机构 不完全齿轮机构、槽轮机构、圆柱凸轮分度机构、 车间间歇转动机构、平面凸轮间歇机构、弧面凸轮 分度机构、偏心轮分度定位机构、内啮合新轮间隙 机构 曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄六杆机构、曲 柄摇块机构、摆动从动件凸轮机构 摆动从动件凸轮机构、双侧停歇的凸轮连杆机构、 利用连杆轨迹实现停歇运动机构、曲线槽导杆机 构、六杆两极限位置停歇摆动机构 摆动从动件凸轮机构、输出摆杆有停歇的圆弧导 路机构、曲线槽导杆机构 连杆齿轮组合机构、联动凸轮机构、连杆凸轮组 合机构、铰链五杆机构、行星轮直线机构、两自 由度机构 棘轮机构、超越离合器机构 JM 返回 4、功能元的解法目录 为方便设计人员进行功能原理构思，可把有关的功能元按一定的分类原则用矩阵 表示，形成解法目录。 例：实现具有急回运动特性的机构的解法目录为： 急回运动机构 曲柄摇杆机构 偏置曲柄滑块机构 导杆机构 5、功能求解的步骤 功能求解可概括为三个基本步骤： a、确定要设计产品的功能：根据设计对象的用途和要求，合理表述机构的功能目标或原 理 b、确定合适的技术原理：为实现功能目标而选择的技术原理，决定机械的总体、品 质、性能和操作方法。满足机械功能的前提下选择合适的技术原理，可得到合理的机 构和机器方案。 c、分功能的细分和设计：设计时，要进行分功能的细分和设计，从而得出基本功能 结构。 例如设计密封盖的夹紧装置，如功能表述为 “ 螺旋夹紧 ” 、 “ 机械夹紧 ” 或 “ 力夹紧 ” 时，得到的思路会有所不同。 例如洗衣机的设计 分功能细分和设计应注意： 注意机械自身的特点 把复杂的运动规律（工艺动作）先进行分解再合成 确定运动方式时，要工作对象的特性 要使分解后的运动规律协调配合 JM 返回 15-4 执行系统的功能原理设计 一、功能原理的构思与选择 功能原理设计 ：根据机械预期实现的功能要求，构思出所以可能的功能原理，加以分 析比较，并根据使用要求或工艺要求，从中选出即能很好地满足功能要求，工艺动作又简单 的工作原理。 实现同一功能要求，可以有许多不同的工作原理可选择，选择的工作原理不同，执行系 统的方案也必然不同。 例如，要求设计一自动输送料板的装置，可以采用机械推拉原理，将料板从低层推出， 然后用夹料板将其抽走；或用摩擦轮原理将料板从低层滚出，再用夹料板将其抽走；还可以 用气吸原理将料板吸出后抽走，当板料为钢材时，还可以用磁吸原理。 机械推拉原理 摩擦原理 (上部取料 ) 摩擦原理（下部取料） 气吸原理（上部取料） 气吸原理（下部取料） 上述几种工作原理，虽然均能满足机械执行系统预期的功能要求，但工作原理不同，所 需的运动规律也不相同。 采用机械推拉原理，只需要推料板和夹料板的往复运动，运动规律简单，但这种原理只适用于有一 定厚度的刚性板料；采用摩擦传动原理，不仅要有摩擦轮（或摩擦板）接近料板的运动，还需要送料运动 和退回运动等，运动规律比较复杂；采用气吸原理，一般需两个吸头，一个吸住全部料板，另一个每次吸 取一张料板，除了要求吸头作 L形轨迹的运动（吸住上升，送料动作）外，还必须有附加的气源。 JM 返回 为了加工出螺栓上的螺纹，可以采用车削原理，也可以采用套丝工作原理。这几种不同 的加工原理适用于不同的场合，满足不同的加工需要，其执行系统的运动方案也各不相同。 例 1 螺纹加工功能原理选择 例 2 糖果包装机功能原理选择 要求设计包装糖果的糖果包装机 采用图（ a）所士的扭结式包装原理 (a) (b) (c) 采用图（ b）所示的折叠式包装原理 采用图（ c）所示的接缝式包装原理 三种方法的工作原理不同，工艺动作显然 不同，所设计的机械的运动方案也完全不同。 JM 返回 一、实现执行构件各种运动形式的常用机构 实现执行机构某一运动形式的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求， 受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较， 然后择优而取。 实现执行构件各种运动形式的常用机构有： 实现连续旋转运动的机构 ： 15-5 机构选型 双曲柄机构（包括平行四边形机构、双滑块机构），转动导杆机构，定轴齿轮传 动机构（包括圆柱、圆锥、交错轴斜齿轮传动机构等），蜗杆传动机构，周转轮系机 构（包括少齿差、摆线针轮、谐波齿轮传动机构等），各种摩擦轮传动机构，各种柔 型传动机构（如带传动，链传动等），非圆齿轮传动，齿轮 连杆机构，链轮 连杆 机构，单、双万向联轴节等都能实现连续旋转运动。 实现间歇旋转运动的机构 ： 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都能实现 间歇旋转运动。 实现往复摆动的机构： 曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆 机构（包括等腰梯形机构）、由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆 动的组合机构等都能够实现往复摆动。 JM 返回 实现间歇往复摆动的机构： 实现往复移动的机构： 带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇 往复摆动。此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸 （或汽缸），也能实现间歇往复摆动。 曲柄滑块机构，正弦机构、移动导杆机构、齿轮齿条机构、螺旋机构、各种移动从动件凸 轮机构等都能够实现往复移动。此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇 杆滑块机构的组合也能实现往复移动。 实现间歇往复移动的机构： 实现刚体导引引动的机构 ： 实现给顶曲线（轨迹）运动的机构 ： 利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件 凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮 移动导杆机构组合等都能够实现间歇往 复移动。此外，棘轮棘齿条机构还能实现单向间歇直线移动运动。 铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮连杆机构、齿轮 连杆机构等的连杆机构都能实现刚 体导引运动。 利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构，如凸 轮 连杆机构、齿轮 连杆机构等。 JM 返回 二、机构选型的基本原则 机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、 运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。机构的选型不仅与执行构件（即 机构的输出构件）的运动形式有关，而且还与机构的输入构件（主动件）有关，而主 动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。 常用的原动机的 输出运动形式 可分为： 1 连续运动 ：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、 气动马达等等。 2 往复移动 ：如活塞式汽缸和液压缸、直线电动机等。 3 往复摆动 ：如双向电动机、摆动式液压缸或汽缸等。 4 间歇运动 ：如步进电机等。 机器中使用最广泛的是 交流电动机 ，因此，一般输入构件的运动大多数为 连续运动 。 1、原动机的运动形式 JM 返回 在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和 特点，并且还应该遵循下列的 基本原则 ： 1）、满足工艺动作和运动要求 选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较 容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副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。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运 动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低 副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑， 优先采用低副机构。 2、机构选型的基本原则 前者虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求，但是凸轮廓线加工比较 复杂，而且容易磨损。后者虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计 算机进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线孔轨迹满足使用要 求。由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现在家用缝纫机和工 业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机构。 例： JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件圆柱凸轮机构（图 a），而 JB 型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构（图 b）。 JM 返回 2、结构最简单，传动链最短 在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少， 运动副数目也要少。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计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。 例：为了实现将 回转运动变换为一种按 一定运动规律进行的往 复直线运动，而且从动 件的行程不要太大，可 采用图（ a）或图（ b） 的结构。 (c) (d) 为实现直线运动，也 可采用图（ c）或（ d） 所示的结构。 (a) (b) JM 返回 3、 原动机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，这样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 性就更突出。 例如两种摆杆机构的方案，显然，图 a所示的摆动气缸方案，其结构十分简单， 但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，结构更简 单，速度比较容易控制；而图 b的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减 速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图 a复杂得多。 JM 返回 4 、机构有尽可能好的动力性能 这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。对于高速机 械，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，以求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，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的 功率及其损耗。 5、加工制造方便，经济成本低 降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。 在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低 副机构，因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。 此外，在保证使用条件的前提下，尽可能选用结构简单的机构；尽可能选用标 准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济 效益的目的。 JM 返回 7、具有较高的生产效率和机械效率 选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机 关年纪效益的只要手段之一。在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传 动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁 现象。 此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、 转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。另外，所选机构的传力特性要 好，机械效率较高。例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中 优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；增速机构 一般效率较低，也应该尽量避免采用。 6、机器操纵方便、调整容易、安全耐用 在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹 车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。为了预防机器因载荷突变造 成损坏，可选用过载保护装置。 JM 返回 机械的总功能可以分解成若干个分功能，这些分功能对应着若干个相应的 工艺动作，需要选择与此相匹配的执行机构完成机械的总功能。 通常一个执行动作由一个执行机构完成，但有时也有多个执行构件共同完 成一个执行动作，或用一个执行构件完成多个执行动作。 机械的各执行动作是有序的、相互协调配合的。因此机械的各执行机构 的运动必须进行协调设计，并满足以下要求： 15-6 机构运动协调设计 一、协调设计的含义 当根据生产工艺确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、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 个完整的运动系统，使这些机构以一定的次序协调动作，互相配合，以完成机械 预定的功能和生产过程的设计。 1、 执行机构中的执行构件的动作必须满足工艺要求。通常以工艺过程某一执行 动作开始点作为运动循环（即工作循环）的起点，各执行机构动作按一定顺序进 行，保证各执行机构执行动作的时间同步。 2 、各执行机构中执行构件的动作必须保证空间同步，它们之间不应产生空间 干涉。 3、 在保证时间、空间同步化，运动轨迹不干涉的前提下，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。 4、 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应有适当的间隔， 以避免这两个机构在动作衔接处发生干涉。 JM 返回 有些机械要求各执行构件在运动 时间的先后上和运动位置的安排上，必 须准确协调地相配合。 如右图所示为一干粉压片机。它由上 冲头（六杆肘杆机构）、下冲头（双凸轮机 构）、料筛传送机构（凸轮连杆机构）所组 成。料筛由传送机构把它送至上、下冲头之 间，通过上、下冲头加压把料粉压成片状。 二、执行机构的动作在时间上协调配合 根据生产工艺路线方案，此料粉压片机必须实现实现以下五 个动作（如图）：移动料斗至模具型腔的上方将料粉装入型腔， 同时将已经成型的药片推出；料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔； 下冲头下沉至一定的深度，以防止冲头向下压制时将型腔内粉料 扑出；上冲头向下，下冲头向上，将料粉加压并保持一段时间， 使药片成形较好；上冲头快速退出，下冲头将已形成的工件 药 片退出型腔，完成压片工艺过程。 显然，在送料期间上下冲头 不能压倒料筛，只有当料筛不在 上下冲头之间时，冲头才能加压。 所以送料和上、下冲头之间运动 在时间顺序上有严格的协调配合 要求，否则就无法实现机器的料 粉压片工艺。 JM 返回 三、各执行机构的动作在空间上协调配合 在料粉压片机中，执行构件 3、 9的运动轨迹是相交的，因此安排两执行构件的运动 时不仅要注意到时间上的协调，还要注意到空间位置上的协调，即空间同步化，以防止 3、 9两构件在运动时发生干涉，造成机器损坏而无法使用。 如右图所示的饼干包装机的折边机 构。左右两个折边执行构件的运动轨迹交 于 M点，如果空间同步化设计的不好，左 右两个执行构件就会在运动空间产生相互 干涉，从而使两折边执行构件因碰撞而损 坏。 四、各执行构件运动速度的协调配合 有些机械要求各个执行构件之间必须 保持严格的速比关系，例如滚齿或插齿机按 范成法加工齿轮时，刀具和齿坯间的范成运 动必须保证预定的传动比，以便刀具的渐开 线齿廓在被加工轮坯上包络出与刀具齿廓共 轭的渐开线齿廓。 JM 返回 五、多个机构完成一个执行动作时各执行机构运动的协调配合 右图为一纹板冲孔机构，它完成冲 孔这一工艺动作需由两个机构的组合运动 来实现。一是曲柄摇杆机构中摇杆（打击 钣）的上下摆动，类似榔头的敲击动作； 二是电磁动作，装有衔铁的曲柄在电磁力 作用下作往复摆动，带动滑块（冲头）沿 打击钣上的导路作往复移动。只有当冲头 移动至冲针上方，同时冲头又随打击钣下 摆时，才能敲击到冲针，完成冲孔动作。 显然，两个机构的运动必须精确协调配合， 否则就会产生空冲，即冲头敲不到冲针而 无法完成在纹板上冲孔的要求。 JM 返回 六、执行机构的协调动作和机器的程序控制 为了使机器整个工作循环的各个工艺动作严格地按一定顺序执行，每台 机器应具有专门的程序控制系统。机器的程序控制系统 分为如下几类 ： 1）分配凸轮轴方式 ：在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行 机构的驱动构件。分配轴每转一周所需要的时间就是产品加工工作循 环所需时间。 2）辅助凸轮轴方式 ：辅助凸轮轴是机器中用来实现机器部分空行程 动作的机械控制方式。辅助凸轮轴是作周期性的间歇旋转，即在需要 实现这部分行程时才旋转。它的间歇旋转是由分配凸轮轴来控制的。 例如，机器中的送料、夹料等机构的空行程实现就是采用辅助凸轮轴。 3）曲柄轴方式 ：利用曲柄的错位来使各执行机构按一定顺序来动作， 对于不能将曲柄布置在一根轴上的机器，还应采用机械传递方式， 将各曲柄的转动予以同步。 4）机电结合的程序控制方式 ：在自动机械中还有采用分配凸轮轴上 的信号凸轮来控制电路的接通与关闭，以及停、通电时间的长短， 以此来控制各执行机构的动作。 5）电子控制方式 ：目前使用最广泛的是用可编程控制器来进行控制。 JM 返回 15-7 机械运动循环图 1 机器的运动循环 根据机器完成功能及生产工艺的不同，其运动可分为 无周期性循环 和 周期性 循环 两大类。无周期性循环的机器如起重运输机械、建筑机械、工程机械等，它们 的工作往往没有固定的周期性循环，随着机器的工作地点、条件的不同而随时改变。 周期性循环的机器如包装机、轻工自动机、自动机床等，机器的各执行构件每经过 一定的时间间隔后位移、速度和加速度便重复一次，完成一个运动循环。生产中大 部分机器都属于具有固定运动循环的机器。 机器的运动循环 是指机器完成其功能所需的总时间，用字母表示。机器的 运动循环（又称工作循环）往往与各执行机构的运动循环相一致，因为一般来说 执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏。但是，也有不少机器，从实现某 一工艺动作过程要求出发，某些执行机构的运动循环周期与机器的运动循环周期 并不相等，机器的一个运动循环内有些执行机构可完成若干个运动循环。机器执 行机构中执行构件的运动循环至少包括一个工作行程和一个空回行程，有的执行 构件还有一个或若干个停歇阶段，执行机构的运动循环可表示为： T执 =T工作 +T空程 +T停歇 JM 返回 2、机器运动循环图的类型 机器的 运动循环图 又称 工作循环图 ，它是描述各执行机构之间 有序的、既相互制约又相互协调配合的运动关系示意图。机器的工作 循环图反映了生产节奏，可用来核算机器的生产率、作为分析和研究 提高机械生产率的依据，可用来确定各个执行机构原动件在主轴上的 相位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位， 指导机器中各个执行机构的具体设计、装配和调试，以保证机器的工 艺动作过程能顺利地实现。 通常运动循环图有如下几种： 、 直线式运动循环图 、 圆周式运动循环图 、 直角坐标式运动循环图 JM 返回 图中所示为干粉压片机的直线运动循环图，其横坐标表示上冲 头机构中曲柄转角 。这种运动循环图把运动循环的各运动区段的 时间和顺序按比例绘制在直线坐标轴上。其特点是：它能清楚地表 示整个运动循环内各执行机构的执行构件行程之间的相互顺序和时 间（或转角）的关系，并且绘制比较简单，但执行构件的运动规律 无法显示，因而直观性较差。 ）、 直线式运动循环图 0 90 180 270 360 停止 送料 停止 向下 提升 下沉 送料筛 上冲头 下冲头下沉 下冲头加压 加压 加压 JM 返回 ）、 圆周式运动循环图 图示为干粉压片机的圆周式运动循环图。它 以上冲头中的曲柄作为定标构件，曲柄每转一周为 一个运动循环。这种运动循环图将运动循环的各运 动区间的时间和顺序按比例绘在圆形坐标上，其特 点是：直观性强。 因为机器的运动循环通常 是在分配轴转一转的过程中完 成。所以通过它能直接看出各 个执行机构原动件在分配轴上 所处的相位，因而便于凸轮机 构的设计、安装、调试。但是， 当同心圆太多时，看起来不很 清楚。 下 冲 头 加 压 送料筛停止 送料 0 180 下冲头下沉 下冲头在台面 上 冲 头 提 升 上 冲 头 向 下 JM 返回 ）、 直角坐标式运动循环图 图示为干粉压片机的直角坐标式运动循环图。图中横坐标式定标构 件 曲柄的运动转角 ，纵坐标表示上冲头、下冲头、料筛的运动位移。 这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘在直角坐 标轴上。实际上它就是执行构件的位移线图，但为了简单起见通常将工作 行程、空回行程、停歇区段分别用上升、下降和水平的直线来表示。 其特点是 能清楚地看出各 执行机构的运动 状态及起迄时间， 并且各执行机构 的位移情况及相 互关系一目了然。 因而便于指导执 行机构的几何尺 寸设计。 18090180 0 270 下冲头加压 下冲头下沉 上冲头 送料筛 在上述三种类型的运动循环中，直角坐标式运动循环图不仅能表示出这些 执行机构中构件动作的先后，而且还能描述它们的运动规律及运动上的配合关系， 直观性强，比其他两种运动循环图更能反映执行机构的运动特征，所以在设计机 器时，通常优先采用直角坐标式运动循环图。 JM 返回 3、机器运动循环图的功用 ）、机器的工作循环图反映了它的生产节奏，因此可用来核算机器的 生产率，并可用来作为分析、研究提高机械效率的依据； ）、用来确定各执行机构原动件在主轴上的相位，或者控制 各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位； ）、用来指导机器中各执行机构的具体设计； ）、用来作为装配、调试机器的依据； ）、用来分析、研究各执行机构的动作如何能紧密配合、相互协调， 以保证机器的工艺动作过程能顺利实现。 JM 返回 3、机器运动循环图的设计步骤与方法 在设计机器的运动循环图（工作循环图）时，通常机器应实现的功能已 知，理论生产率已确定，机器的传动方式及执行机构的结构均已初步拟订好， 可根据各机构运动时既不干涉、而机器完成一个产品所需要的时间又最短的原 则，按以下步骤进行： 1）、 确定执行机构的运动循环时间 2）、 确定组成执行构件运动循环的各个区段 3）、 初步绘制执行机构执行构件的运动循环图 4）、 完成执行机构的设计后对初步绘制的运动循环图进行修改 5）、 进行各执行机构的协调设计 （ 又称同步化设计 ） 6）、 画出机器的工作循环图 下面以自动打印机和饼干自动包装机为例说明来 机器运动循环图的设计步骤与方法 。 JM 返回 例：自动打印机 1）、确定执行机构的运动循环时间 该机构有两个执行机构：打印机和送料机构。我们选择打印机的执行构件 打印头作为定标件，以它的运动位置（转角或位移）作为确定各个执行构件的运动先 后次序的基准。所以先绘制打印头的运动循环图。 已知自动打印机的生产率为件班，即 m i n4.96084500 pcQ 由于实际生产率总是低于理 论生产率，为了满足每班打印 4500 件的总功能要求，所以 即自动打印机的分配转速为： m in10 pcQ m in10 r 分配轴转一周即完成一个产品打印，所需时间为： snT p 分 6m i n10111 JM 返回 2）、确定组成执行机构运动循环的各个区段 根据打印工艺要求，打印头的运动循环由如下四段组成： 打印头的前进运动时间 1kt 打印头在产品上停留的时间 1okt 打印头退回运动时间 1dt 打印头停歇时间 1ot 因此，打印头的运动循环 为： 1pT 11111 odokkp ttttT 相应的分配轴转角为： 1111360 odokk JM 返回 3）、 确定打印头各区段运动的时间及转角 为保证打印质量，打印头在产品上停留的时间为： st ok 2.01 相应的分配轴转角为： 12 6 2.0360360 1 1 1 p ok ok T t 为保证送料机构有充分的时间来装料、送料，取： st o 31 相应的分配轴转角为： 1 8 0 6 33 6 03 6 0 1 1 1 p o o T t 根据打印头的运动规律要求，分别取其前进和退回运动的时间为： st k 5.11 st d 3.11 相应的分配轴转角为： 90 6 5.13 6 03 6 0 1 1 1 p k k T t 78 6 3.13 6 03 6 0 1 1 1 p d d T t JM 返回 ）、初步绘制执行机构的执行构件的运动循环图 根据以上计算结果，绘制出打印头的直角坐标式循环图如左图。 同样，可以画出送料机构的执行构件 送料推头的运动循环图如右图 （ 、 、 分别为送料推头的前进运动、退回运动和停歇时间）。 2kt 2dt 2ot 2kt 2dt 2pT 2ot1kt 1dt 1pT 1ot 1okt JM 返回 ）、在完成执行机构的设计后对初步绘制的运动循环图进行修改 根据加工工艺要求初步拟定的执行构件运动规律设计出的执行机构，往 往由于整体布局和结构方面的原因，或者由于加工工艺方面的原因，在实际使 用中要作必要的修改。 例如为了满足压力角、传动角等条件，构件尺寸必须进行调整。 又比如当零部件加工装配有困难时，也必须对执行机构进行调整。 这样执行机构所实现的运动规律与原先设想的就不完全相同， 因此必须根据执行构件的实际运动规律对运动循环图进行修改。 JM 返回 ）、进行各执行机构的协调设计 各执行机构的协调设计又称同步化设计，最后画出实际机器的工作循环图。 我们以打印机构的起点为基准，把打印头和送料推头的运动循环图按同一 时间（或分配轴的转角）比例组合起来画成总图，这就是自动打印机的机器工作 循环图。但是当把这两个执行构件的运动循环图组合起来时可能出现两种情况： 一种是打印头从开始打印，到打到工件并在它上面停留一段时间再退回到 原处等待送料，完成一个运动循环后，送料机构才开始送料、退回、停歇。这样 组成的机器运动循环，即为机器的最大运动循环，如下图。 显然，这样两个执行机构一 个工作完后另一个才开始工作，不 会产生任何干涉，但这种运动循环 图是极不经济的，机器的运动循环 时间很长，而且其中许多时间是空 等在那里，生产效率极低。 1 1pT 2 2pT maxT 21m a x pp TTT JM 返回 如果当送料机构刚把产品送到打印工位时，打印头正好压在产品上，即 如下图所示的，点和点在时间上重合，这样，两执行机构的运动循环完全 重合，即可使机器获得最小的运动循环 21m i n pp TTT 这种循环图在时间和顺 序上能基本满足设计要求， 但这仅是一种临界状态，实 际上点和点不可能精确 重合。 因为实际的执行机构由于尺寸有误差、运动副之间存在间隙等原因，存在 着运动规律误差，其结果势必影响产品的加工质量和机器的正常工作。例如，当 打印头打倒工件时，工件还未到位，正在移动，于是印到工件上的图象就会模糊 不清，影响打印质量。 为了确保打印机能正常工作，应使点超前 时间，即将相应的分配 轴转角也根据实际情况超前 ，通常取 ，经修改后就可得到 比较合理的机器工作循环 （图 b），这样的工作循环图既满足机器生产率的 要求，又符合产品加工过程的实际，并且能保证机器的正常可靠地运转。 t T 105 t 1 2 t t 1 2 21m i n pp TTT JM 返回 因为自动打印机的工作原理是：送料机构首先将产品送至打印工位，然后 打印机构对产品进行打印工艺，故它们之间只有时间上的顺序关系，而没有空间 上的相互干涉，所以前面阐述的只是机器运动循环图的时间同步化设计。下图就 是经过时间同步化设计后的机器工作循环图。 除了进行运动循环图的时间同步化设计外，有的机器因为其各执行构件 会产生空间干涉，所以还必须进行运动循环图的空间同步化设计，下面以饼干 自动包装机为例来说明。 送料机构 打印机构 0 2 2 JM 返回 例：饼干自动包装机的运动循环图设计 如图所示，该机器的两个折边机 构会在空间产生干涉。这两个折边构件 顶端的轨迹在点相交，也就是在点 会产生干涉，所以必须进行空间同步化 设计。 为了避免产生空间干涉，我们可 以使左折边构件返回至原位置后，右 折边构件再压下去。 但这样会产生两个不良后果：一是循环时间太长，不经济；二是被压下去已折过边 的包装纸有可能会回弹到虚线位置，影响包装质量。为了保证左、右两个折边构件在生产 过程中运动时间最短、包装质量最好，同时又不发生相互干涉，可以采用的空间同步化的 方法和步骤如下所示。 JM 返回 ）首先分别绘制出左、右折边执行机构的运动循环图，如下图 a、 b所示。 ）分别绘出左、右折边构件的位移线图。因为左、右折边构件均作往复摆 动，其摆角 是时间的函数，所以可分别作出左、右折边构件的 位移曲 线图如下图 a、 b所示。 t 1工t 1回t 1pT t 4工t 4回t4停t 4pT t M1回 1 1M 1工t 1回t 1pT t 4pT M4工 4 4M t 4工t 4停t 4回t JM 返回 ）对左、右折边执行机构进行运动循环的同步化设计。 1 左折边构件先摆动 角把左侧边压下，然后返回至点相应 摆角为 时正好与压右侧边的右折边构件相遇，此时右折边构 件正处于工作行程，相应摆角为 。在这两构件的 位移 曲线图上可以找到相应的 点和 点。 t M1回 M4工 如果把这两折边构件的 位移线图上 点的 点重合，则可得到最短的工 作循环 ，这时它们恰好 处于空间运动干涉的临界点。 考虑到机构实际上不可避免 地有制造误差，所以还需给 出适当的安全余量，则两者 再错开 ，于是可得到经过 空间同步化后的即合理 而 又实用的运动循环时间 （如右图）。 minT t 1 T t M t 4 回 4T M1回 JM 返回 5）画出机器（左、右折边机构）的同步化运动循环图。 把两折边机构经过空间同步化的运动循环图中的时间横坐标转换成主 轴或分配轴上的相应的转角，就可以得到左、右折边机构以转角为横坐标的 空间同步化运动循环图（如下图所示）。 2 2 3 左折边机构 1 右折边机构 4 0 2 JM 返回 4、在绘制机器运动循环图时还必须注意以下几点： ）以生产的工艺过程为开始点作为机器运动循环的起点，并且确定最先开始 运动的那个执行构件在运动循环图上的位置，其他执行机构则按工艺程序先后 次序列出。 ）因为运动循环图是以主轴或分配轴的转角为横坐标，所以对于不在主轴或 分配轴上各执行机构的原动件象凸轮、曲柄、偏心轮等，应把它们运动时所对 应的转角换算成主轴或分配轴上相应的转角。 ）考虑到机器在制造、安装时不可避免地会产生误差。为防止两机构在工 作过程中发生干涉，所以应在理论计算的正好不发生干涉的临界基础上再给 以适当的余量，即把两机构的运动相位错开到足够大，以保证动作可靠。 ）应尽量使执行机构的动作重合，以便缩短机器的工作循环周期，提高生产率。 JM 返回 一、 执行系统方案设计的过程和内容 功能分析 功能原理设计 运动规律设计 （工艺动作分解与运动方案选择） 执行机构型式设计（型综合） 执行系统协调设计（运动循环图设计） 机构尺度综合（运动和动力设计） 运动分析和动力分析 方案评价 是否满足要求？ 否 否 绘制系统运动简图 15-8 执行系统方案设计 JM 返回 二、机构方案设计方法 常用的几种机构创新设计方法有以下几种： 1、机构系统搜索法 机构系统搜索法就是按机械总功能分解出的各分功能（或功能元）来寻找 各种可能的机构型式，以便构成机械系统进而确定运动方案。 2、逻辑积木法 把对应于功能元的每种机构作为一块“积木”，以一定的逻辑搭积成一 个机构系统而形成机械系统方案。 3、形态学矩阵法 设计者把系统分解成为几个独立因素，并列出每个因素所包含的几种 可能状态（作为列元素）构成形态学矩阵，通过组合可找出机械运动方案。 JM 返回 例：四工位机床运动方案设计 1、总功能 能完成装卸工件、钻孔、扩孔、铰孔 四个工位的专用机床。 2、功能分解 总功能可分解为以下分功能（工艺动作） 1） 、 安置工件的工作台要求间歇转动，转速为 n2； 2）、安装刀具的主轴箱能够实现静止、快速进给、进给、快速退刀等工艺动作； 3）、刀具以 n1转速进行切削工件。 树状功能图如下： 四 工 位 专 用 机 床 工作台间歇转动（ n2） 主轴箱进刀退刀运动 刀具运动（ n1） 静止 快进 进给 快退 JM 返回 3、转换功能图 电机 1 电机 2 刀具 n1 工作台 主轴箱 4、形态学矩阵 分功能元 分功能解（匹配机构） 减速 A 减速 B 工作台间 歇转动 主轴箱 移动 带传动 带传动 链传动 链传动 蜗杆传动 蜗杆传动 齿轮传动 齿轮传动 摆线针轮传动 行星齿轮传动 圆柱凸轮 间歇机构 蜗轮凸轮 间歇机构 曲柄摇杆 棘轮机构 不完全齿 轮机构 槽轮机构 移动从动 件圆柱凸 轮机构 移动从动 件盘形凸 轮机构 摆动从动 件盘形凸 轮机构与 摆动滑块 机构 曲柄滑块 机构 六杆（带滑 块）机构