第四 章工艺动作过程构思与运动协调设计

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,4.1,工作原理设计及工艺动作设计,本章介绍了工作原理方案设计及工艺动作设计的基本概念，并根据工作原理设计中提出的工艺动作过程及各动作的运动规律选择合适的运动形式。同时，还介绍了各机构之间的协调设计以及机械运动循环图的分类、作用与设计原理。,第四 章 工艺动作过程构思与运动协调设计,无侧隙小摸数齿轮传动,墙板,机架,x,向步进电机,y,向步进电机,至光学自动分色系统,高精度同步带,光导纤维,光学扫描头,高精度不锈钢,扫描滚筒,双导程无侧隙蜗轮蜗杆,1. 工作原理设计和工艺动作设计,根据机器所要实现的功能(功用)，采用有关的工作原理，由工作原理设计构思出工艺动作的过程。这些设计内容就是工作原理方案的设计。在进行功能原理设计时，首先要明确机器的总功能，然后进行功能分解，使其成为一系列独立的工艺动作。,如图4,-,1是一台微机控制的提花织物自动纹版冲孔系统中的扫描机。该机器的总功能是通过光学扫描把设计好的图像作为信息输送给计算机进行图像处理。为实现此功能就要运用机械的高精度无回差转动原理、光学自动分色原理、计算机图像处理、计算机自动控制等先进的科学原理以及采用光导纤维、步进电机、高精度加工等技术手段。,图4,-,1 图像扫描机,1）明确总功能,工作原理设计是根据机器的总功能的要求，对设计对象总的功能描述要准确、简洁，要合理抽象抓住本质。 要做到以下三个方面的研究。, 搜集有关技术资料、设计需求和用户要求。,详细列出机械功能分析需求表。,对列出的功能需求作综合分析研究，,2）功能分解与工艺动作,要设计的机械往往比较复杂，功能也是各式各样的，其使用要求或工艺要求需要很多工作原理组合成一系列相对独立的工艺动作，以此作为分功能（或称功能元），然后用树状功能图来描述，使机器的总功能及各分功能一目了然。,如要设计一部能够完成装卸工作、钻孔、扩孔、铰孔四个工位的专用机床，它可以分解成几个工艺动作。工艺动作和树状功能图如,图4,-,2，,图4-,3所示。,图4,-,2 四工位机床工艺动作图,刀具,工作台,工件,主轴箱,s,=,s,(,t,),图4,-,3 四工位专用机床树状功能图,3）工作原理与工艺动作,在进行机械的功能分解时还要考虑到机械完成同一种功能可以应用不同的工作原理来实现。而不同的工作原理也可以采用不同的工艺动作。,2. 工艺过程和运动规划设计,1） 工艺过程设计的原则,机器的工艺过程设计是为了满足机器的总功能要求，在机器的工艺过程设计中应遵循以下5个原则。,工序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加工工序，以达到工件的工艺要求,。例如自动切书机（图4,-,4a，b）就是采用多刀、多面、多个执行构件同时完成加工工序。,侧切刀,横切刀,压书,送书,横切,两侧切书,书本,压书,送料,工作台,（a） 自动切书机工艺示意图,（b） 自动切书机运动简图,图4,-,4 自动切书机,工序集中原则。,工序分散原则。,工序分散原则是将工件的加工工艺过程分解为若干工序，并分别在各个工位上用不同的执行构件进行加工，以达到工件的工艺要求,。例如微型电机的自动嵌绝缘纸工艺过程可分解成:送纸、切纸、插纸、推纸、分度等工序（图4,-,5），然后每一道工序分别配置能完成简单工艺动作的执行机构。,图4,-,5 自动嵌纸机的工艺过程,分度,青壳绝缘纸,推纸,插纸,切纸,送纸,盘状纸带,各工序的工艺时间相等原则。,对于多工位自动机工作循环的时间节拍有严格的要求，一般将各工位加工时间最长的一道工序作为自动机的时间节拍。,为了提高机器的生产率，应尽量设法缩短加工时间最长的一道工序的工作时间。为此，可以采取提高这一工序的工艺速度或者把这一工序再分解。,多件同时加工原则是指在同一自动机上同时加工几个工件，也就是采用相同的几套执行机构来加工几个工件。使工作效率提高。,多件同时加工原则。,减少机器工件行程和空程时间,设计工艺过程时，在不妨碍各执行构件正常工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相互重叠，工作行程时间与空行程时间互相重叠从而缩短工件加工循环的时间以提高机器的生产率。,例如打印机（如图4,-,6所示）工作时，当送料器送料时，打印头就可以向下打，即送料的工作行程与打印的工作行程重叠，只要保证打印头在打到工件前把工件送到位，而不必等工件到位后打印头才开始动作。而在打印头完成打印工艺后空回时，送料器也同时退回原处，准备第二次推料，即它们的空行程的时间也是互相重叠。,图4,-,6 自动打印机示意图,2） 工艺过程应该考虑的几个问题,被加工对象的材料特性、所需达到的工艺要求等。如齿轮的加工，,就要根据齿面的材料采用不同的加工方法。调质的轴和淬火的轴的,工艺过程就不一样 。,机器的工序数和工序转移过程中采用的运动形式。如冰淇淋包装机,的工艺过程可以分解为12个工序。如图4,-,7a，b所示。,上前盖,上后盖,耳孔,下前盖,下后盖,下塞耳,上塞耳,纸盒,在库中纸盒,叠成层状,图4,-,7 （a） 冰淇淋包装盒,1、2,3,4,5、6,1、2 从纸库中取出纸盒并打开纸盒,3 撑开下塞耳,盒式冰淇淋包装机的工艺过程可分解如下：,4关闭下前盖,5、6关闭后下盖并把下塞耳塞入耳孔,图4,-,7 (b) 盒式冰淇淋包装机的工艺过程图,7,8,9、10,11、12,7撑开上前盖,8灌装冰淇淋,9、10关闭上前盖和上后盖,11、12上塞耳塞入耳孔后送往冰库冷藏,图4,-,7 (b) 盒式冰淇淋包装机的工艺过程图(续),工艺程序和工艺路线。工艺程序是指完成各个工艺动作的先后顺序。,如图4,-,7所示的冰淇淋包装的工艺程序。完成同一工艺程序的工艺路,线可以是多种型式。,3）工艺路线的类型,直线型,。,物料的运动路线为一直线，根据运动方式又可分为立式和卧式。如纹版自动冲孔机中纹版的运动路线。,阶梯型。,物料的运动方式兼有垂直和水平两个方向。,圆弧型。,物料的运动沿圆弧轨迹。如扭结式糖果包装的工艺路线。,组合型。,物料的运动既作圆弧运动，又作直线运动。如牙膏的灌装包装生产线中牙膏灌装时往往走圆弧轨迹，而包装时则走直线轨迹。,4）按工艺过程要求确定运动规律,运动规律或工艺动作的选择应尽可能简单。,例如图4,-,8所示的计算机绘图机，它能按计算机的指令绘出各种,y,=,f,（,x,）的曲线，所采用的方法就是把复杂的曲线运动规律分解成x、y两个方向的移动。, 把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。,图4,-,8 纸动型绘图机,按机器的功能要求配置运动规律。,12 风扇,11 支架,10 压纸磙子,9 输纸滚筒,8,x,向电机,7 压板,6,y,向电机,5 笔,4 笔执行元件,3 笔库,2 笔库电机,1 绘图机,执行机构的运动协调设计,执行机构的运动协调设计应满足的要求：,为了使各执行机构的执行动作按工艺动作过程要求进行有序的、相,互协调配合的动作，执行机构的运动协调设计应满足以下要求：,执行机构中的执行构件的动作必须满足工艺要求。,执行机构中的执行构件的动作保证空间同步。,为提高机器生产率应使各执行机构的动作周期尽量重合。,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,间隔避免发生干涉。,执行机构的运动协调设计可以从以下几个方面来阐述：,1）各执行机构的动作在时间上协调配合,如图4,-,9所示的粉料压片机。根据生产工艺路线方案，此粉料压片机必须要实现以下5个动作：,图4,-,9 粉料压片机,移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装 入型腔，同时将已经成形的药片推出。,料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔。,下冲头下沉至一定深度，以防止上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，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好。,上冲头快速退出，下冲头随着将已经成型的工件 药片推出型腔，完成压片工艺过程。,机器各执行机构的动作过程和先后顺序必须按此进行。,在送料期间上冲头不能压到料筛，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上有严格的协调配合要求，否则就无法实现机器的粉料压片工艺。,2）各执行机构的动作在空间上协调配合,3）各执行机构运动速度的协调配合,有些机械要求执行构件运动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，刀具和齿坯的范成运动必须保持某一预定的转速比。,4）多个执行机构完成一个执行动作时，其执行机构运动的协调配合,如图4,-,10所示的纹版冲孔机构，它在完成冲孔这一工艺动作时，要求有两个执行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，带动安装在它上面的滑块（冲头）也做上下摆动。二是电磁铁动作，装有衔铁的曲柄在电磁吸力的作用下作往复摆动，带动滑块（冲头）沿打击钣上的导路作往复移动。显然这两个机构的运动必须精确协调配合。,1-曲柄摇杆机构,2-滑块机构,3-电磁铁,4-冲针,图4,-,10 纸钣冲孔机机构系统,5）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各个工序动作严格地按一定顺序进行，每台机器都有专门的程序控制系统，机器的程序控制系统可作如下分类：,分配凸轮轴方式。如图4,-,11所示的电阻压帽自动机的工艺过程。,辅助凸轮轴方式。例如机器中的送料、夹料等机构的空行程实现。,曲柄轴方式。如图4,-,12所示的微电机的自动嵌绝缘纸机的工艺实现过程。,机电结合的程序控制方式。,电子控制方式。目前应用最广泛的可编程控制器（PLC）就是一种在工业环境中使用的数字操作的电子系统。,2,分配轴,2,1,图4,-,11 电阻压帽自动机机械运动简图,3,2,1,槽轮机构,主轴,纸,切,推纸,降,升,分度,纸,插,送纸滚轮,图4,-,12 自动嵌纸机的机构系统图,退回,停 止,冲 制,进给,冲头,送料器,曲柄转角,0 90 180 270 360,此例中主轴作为定标件。,图4,-,13 直线式运动循环图,4. 机械运动循环图设计,1）机器运动循环图的类型,机器运动循环图又称机器工作循环图，分为3种形式,直线式运动循环图（即矩形运动循环图），如图4,-,13所示。,直线式运动循环图直线式运动循环图是将机械在一个运动循环中各执行构件的各行程区段的起止时间和先后顺序、按比例地绘制在直角坐标轴上得到的。它的优点是：绘制方法简单，能比较清楚地表示出一个循环内各执行构件行程之间的相互顺序和时间关系。缺点是无法显示出各执行构件的运动规律，因而直观性较差。,启,排,气,门,开,启,进,气,门,开,进,气,排,气,压,缩,膨,胀,闭,进,气,门,关,火,点,曲轴,0,540,360,180,排,门,闭,关,气,图9,-,14,圆周式运动循环图,图示为单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为定标件，转2圈为一个工作循环。, 圆周式运动循环图，如图4,-,14所示。,圆周式运动循环图:圆周式运动循环图的绘制方法是确定一个圆心，画一个圆。再以该圆心为中心，作若干个同心圆环，每个圆环代表一个执行构件。各执行构件不同行程的起始和终止位置由各相应圆环的径向线表示。其优点是直观性强。因为一般机械的一个运动循环对应分配轴转一周，所以通过这种循环图能直接看出各执行机构的主动件在分配轴上所处的位置。便于各执行机构的设计、安装和调试。这种运动循环图的缺点是当执行机构的数目较多时，由于同心圆环太多不能一目了然，也不能显示各执行构件的运动规律。,饼干包装机工作循环图中，,横轴表示定标件的转角，纵轴表示执行构件的转角。,饼干,1,3,4,2,饼干,2,右折边构件,4,3,包装纸,左折边构件,1,饼干,1,3,4,2,饼干,1,3,4,2,饼干,1,3,4,2,左折边构件,右折边构件,饼干,1,3,4,2,包装纸,M,B,A,两个构件不能同时位于区域,MAB,中，以免在,M,点产生干涉。,图4,-,15,直角坐标式运动循环图, 直角坐标式运动循环图，如图9,-,15所示。,进,退,静止,静止,静止,进,退,M,M,左执行机构1,左执行机构2,分配轴转角,0 90 180 270 360,直角坐标式运动循环图:直角坐标式运动循环图是将各执行构件的各运动区段的时间和顺序按比例绘制在直角坐标系里而得到的。用横坐标表示分配轴或主要执行机构主动件的转角，用纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移。为了简单起见，各区段之间均用直线连接。这种运动循环图的特点是不仅能清楚地表示出各执行构件动作的先后顺序，而且能表示出各执行机构在各区段的运动规律，便于指导各执行机构的设计。,运动循环图三种形式间的关系画一个圆，将直线式运动循环图以执行构件为层绕到该圆上便得圆周式运动循环图；将直线式运动循环图中各执行构件的位移图画上便得直角坐标式运动循环图。,2）机器运动循环图的设计要点,以工艺过程开始点作为机器工作循环的起始点，并确定开始工作的那个执行机构在工作循环图上的机构运动循环图，其他执行机构则按工艺动作顺序先后列出。,不在分配轴上的控制构件（一般是凸轮），应将其动作所对应的中心角，换算成分配轴相应的转角。,尽量使各执行机构的动作重合，以便缩短机器工作循环的周期，提高生产率。,按顺序先后进行工作的执行构件，要求它们前一执行构件的工作行程结束之时，与后一执行构件的工作行程开始之时，应有一定的时间间隔和空间裕量，以防止两机构在动作衔接处发生干涉。,在不影响工艺动作要求和生产率的条件下，应尽可能使各执行机构工作行程所对应的中心角增大些，以便减小速度和冲击等。,3）机器运动循环图的设计步骤与方法,确定执行机构的运动循环时间,T,p,。,确定组成执行构件运动循环的各个区段。,初步绘制执行机构的执行构件的运动循环图。,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。,进行各执行机构的协调设计。,应用举例:,用于小型印刷厂的简易平板印刷机可以印刷各种表格、联单、帐单、商标和名片等八开以下的印刷品。该印刷机需要完成油辊上添加油墨、铜锌板上刷油墨、白纸与刷墨后的铜锌板贴合印刷和取出印刷品4个分功能。（1）给油辊上墨用槽轮机构使油盘间歇转动来实现。油盘有两个行程，即转动（工作行程）和停歇。一般采用在一个运动循环内作定向间歇转过60,o,。（2）往铜锌板上均匀刷墨采用连杆机构带动油辊上下往复摆动来完成。也有两个行程，油辊的工作行程（给铜锌板刷墨）和空回行程。为了使油辊均匀地把油墨刷在铜锌板上，要求油辊在工作行程尽可能等速运动。（3）白纸与铜锌板的贴合印刷用凸轮连杆机构带动印头（上面装有纸）往复摆动完成与固定不动的铜锌板的贴合。其两个行程是印头的工作行程（印刷）和空回行程。（4）取印刷品和装白纸手工完成.,油盘、油辊和印头三个执行构件中，印头是印刷的主要执行构件，故取印头为参考构件。带动印头往复摆动的执行机构的主动件每转一周完成一个运动循环，以该主动件作为直线式和直角坐标式运动循环图的横坐标。简易式平板印刷机的直线式、圆周式和直角坐标式的运动循环图如图a、b、和c所示。,9.1.2 基本概念,1. 工艺路线,工艺路线参与加工物料的供给路线、加工物料的传送路线以及成品的输出路线。,3. 机器运动循环图,机器的运动循环图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的示意图。,2. 工艺程序,工艺程序完成各个工艺动作的先后顺序。,9.2 本章重点、难点,本章重点,本章难点,工作原理方案的设计；工艺过程和运动规律的设计,机器的运动循环图设计,4. 3 典型例题精解,图4,-,16 打印机构,例4,-,1 打印机构的工作原理如图4,-,16所示。打印头在控制系统的控制下，完成对产品的打印。试绘出打印机的运动循环 图。,解：,1）确定打印头的运动循环,若给定打印机构的生产批量为4500件班，理论生产率为：,Q,T, 4 500 (8 60 )件min,9.4件min,可取,Q,T, 10件min,则打印机构的工作循环时间为：,T,P, l10 min6 s,产品,打印头,2）确定运动循环的组成区段,根据打印的工艺功能要求，打印头的运动循环由下列四段组成：,T,k,打印头向下接近产品；,T,s,打印头打印产品时的停留；,T,d,打印头的向上返回运动；,T,0,打印头在初始位置上的停留。,因此有：,T,p,T,k,T,s,T,d,T,0,。,3）确定运动循环内各区段的时间及分配轴转角,根据工艺要求，打印头应在产品上停留的时间为：,T,s,= 2 s,相应的Tk和Td可根据执行机构的可能运动规律初步确定为：,T,k,2 s，,T,d,= 1 s 则得,T,0,1 s,4）绘制执行机构的运动循环图,将以上的计算结果绘成直角坐标式循环图，如图4,-,17所示。,图4-17 打印机的循环图,当系统中有多个执行构件时，将它们的运动循环画在同一个图中，就构成了系统的运动循环图。,S,f,0 90 180 270 360,f,1,f,2,f,3,f,4,1）功能分析,功能要求：,自动换刀，并能沿工件轴向完成进给运动。,进刀凸轮机构,刀具,主轴,转塔刀架9,工件,齿条7,14,压簧12,圆柱凸轮机构4,曲柄5,锥齿轮传动3,宽齿轮2,齿轮1,活动支架8,定位销10,六槽轮机构11,6,13,例4,-,2 机器的功能分解与运动循环图设计,如右图4,-,18所示的C1325自动车床刀架机械传动系统。分析其功能分解并作出它的运动循环图。,功能要求：,自动换刀，,轴向进给,图4,-,18 C1325自动车床刀架机械传动系统,功能分解：,转位,转塔刀架每次转过60 ；,让刀,转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉；,定位,将保证加工精度的定位销，转位之前拔出；,进、退刀,不转时，精确实现预定的进退刀运动。,进刀凸轮机构,刀具,主轴,转塔刀架9,工件,齿条7,14,压簧12,圆柱凸轮机构4,曲柄5,锥齿轮传动3,宽齿轮2,齿轮1,活动支架8,定位销10,六槽轮机构11,6,13,退刀：,压簧12,推杆13回程,齿轮6,齿条7,活动支架8向右完成退刀。,2）刀架机械传动系统的工作过程,进刀凸轮机构,刀具,主轴,转塔刀架9,工件,齿条7,14,压簧12,圆柱凸轮机构4,曲柄5,锥齿轮传动3,宽齿轮2,齿轮1,活动支架8,定位销10,六槽轮机构11,6,13,让刀：,退刀的同时，齿轮1 的离合器结合并开始转动,过宽齿轮2,锥 齿轮3,圆柱凸轮机构4,拔出销10 ；同时，曲柄5旋转,支架8快速向右 让刀。,转位：,让刀快结束时，槽轮开始转位,曲柄5的后半圈,支架8向左移动完成,复位。,2）刀架机械传动系统的工作过程,进刀凸轮机构,刀具,主轴,转塔刀架9,工件,齿条7,14,压簧12,圆柱凸轮机构4,曲柄5,锥齿轮传动3,宽齿轮2,齿轮1,活动支架8,定位销10,六槽轮机构11,6,13,定位：,转位结束时，凸轮机构4的推杆摆动,插入定位销10，齿轮1离合器,脱开并停止运转。,进给：,推杆13推程,齿轮6,齿条7,活动支架8向左完成进给。,刀架机械传动系统的工作循环图如,图4-19所示,：,定位销,转塔,活动支架,定位,拔出,静止,转位,后退,复位,圆柱凸轮转角,0 90 180 270 360,图4,-,19,刀架机械传动系统的工作循环图,