1、第四章第四章 机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计o4-1 4-1 机构能实现的动作功能机构能实现的动作功能o4-2 4-2 传动机构和执行机构传动机构和执行机构 o4-3 4-3 按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计 o4-4 4-4 发挥机构固有潜力的方法发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计机构的创新设计 o4-5 4-5 机械运动的协调设计和运动循环图机械运动的协调设计和运动循环图 4-1机构能实现的动作功能一、机构能实现的动作功能一、机构能实现的动作功能 1 1利用机构利用机构实现运动形式或运动规律变换实现运动形式或运动规
2、律变换的动作功能的动作功能:(输入：转动输入：转动 输出：多种多样的运动。输出：多种多样的运动。)1 1）匀速运动（平动、转动）与非匀速运动（平动、转动或摆动）的变）匀速运动（平动、转动）与非匀速运动（平动、转动或摆动）的变换换曲柄滑块机构曲柄滑块机构2）连续转动与间歇式的转动或摆动的变换）连续转动与间歇式的转动或摆动的变换3 3）实现预期的运动轨迹运动）实现预期的运动轨迹运动椭圆仪椭圆仪o1）用来实现运动离合或开停）用来实现运动离合或开停2利用机构实现开关、联锁或检测等的动作功能利用机构实现开关、联锁或检测等的动作功能2)2)利用动作的序列进行控制（电磁阀控制液压缸）利用动作的序列进行控制（
3、电磁阀控制液压缸）73)利用运动的变化等进行控制利用运动的变化等进行控制原则：原则：工作可靠、运行安全、操作方便、制造和运行的经济性工作可靠、运行安全、操作方便、制造和运行的经济性根据目前的科技水平，下列几种功能根据目前的科技水平，下列几种功能宜采用机构宜采用机构来实现：来实现：1.1.实现实现功率性功率性的机械运动形式或规律的变换功能的机械运动形式或规律的变换功能 如：与电动机应用相应的各种减速、变速机构、曲柄滑块如：与电动机应用相应的各种减速、变速机构、曲柄滑块机构等。机构等。2.2.实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能 各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序
4、上需要的运各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序上需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成，对于要实现可任意变动的复动轨迹，均可全部用机构来完成，对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分轨迹动作部分也还必须使用机构。（如机器人手臂、手腕等）也还必须使用机构。（如机器人手臂、手腕等）二、选择机构来实现功能原理的原则和范围二、选择机构来实现功能原理的原则和范围3.3.在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能 这些功能一般用电或机械均能实现，但究竟用那一种好，这些功能一般
5、用电或机械均能实现，但究竟用那一种好，需要设计者仔细分析研究（如电灯开关、可以机械、声控、需要设计者仔细分析研究（如电灯开关、可以机械、声控、触摸）触摸）4.4.实现简单的固定程序或可变程序的控制功能实现简单的固定程序或可变程序的控制功能 以上几种均适宜用机构实现，但究竟如何选择，要注意以上几种均适宜用机构实现，但究竟如何选择，要注意科技的发展动向科技的发展动向二、选择机构来实现功能原理的原则和范围二、选择机构来实现功能原理的原则和范围4-2传动机构和执行机构o一、传动机构一、传动机构o作用：将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的作用：将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能
6、。功能。o常用的传动机构：齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机常用的传动机构：齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。些常用机构进行组合而产生的组合机构。o目的：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求目的：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求o1.1.运动速度或力的大小变换运动速度或力的大小变换o 由由P=Fv可以看出，在可以看出，在P P一定
7、的情况下，若想得到一个大一定的情况下，若想得到一个大的的F F，则可以降低则可以降低v v，若要若要F F按一定规律变化，则可通过调整输按一定规律变化，则可通过调整输出速度按某一种规律变化来得以实现。出速度按某一种规律变化来得以实现。常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：o 1）通过啮合方式进行传动）通过啮合方式进行传动（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、（例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）其中，齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现同步齿形带等）其中，齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结
8、构紧凑、传准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑、传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用.常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：o2）通过摩擦方式进行传动）通过摩擦方式进行传动（例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速（例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等）这类机构结构简单，维修方便，成本器、带传动、滑轮传动等）这类机构结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，
9、且有缓冲和安全保护的作用特性保护的作用特性,使使带传动适用于两轴中心距较大带传动适用于两轴中心距较大的传动。的传动。常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：o3）利用楔块原理进行传动利用楔块原理进行传动（例如：螺旋机构等）。螺（例如：螺旋机构等）。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转距得到较大的轴向力，结是增力效果大，可用较小的转距得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。构简单，传动精度高，平稳无噪声等。常见的用于运动速度或力的大小变
10、换的传动机构主要有：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有：o4）利用流体作用原理进行传动利用流体作用原理进行传动（例如：液压、气动传动等）。液（例如：液压、气动传动等）。液体可以看作是一种不可压缩物体，因而液压传动能传动较大的力，体可以看作是一种不可压缩物体，因而液压传动能传动较大的力，经常用于经常用于传动比不需十分精确，但载荷很大传动比不需十分精确，但载荷很大的情况下，但液压传的情况下，但液压传动速度较慢。例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动动速度较慢。例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。相反气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度快。传动机构一般用于传递较小的力，但
11、作用速度快。2.运动形式或传力方式的变换：运动形式或传力方式的变换：将原动机输出的匀速转动变换成工作机的需求的输出。将原动机输出的匀速转动变换成工作机的需求的输出。1 1）常见的运动形式：转动、平动、摆动。）常见的运动形式：转动、平动、摆动。2 2）常见的变换机构：凸轮、螺旋、连杆、齿轮、挠性体、摩擦轮、）常见的变换机构：凸轮、螺旋、连杆、齿轮、挠性体、摩擦轮、流体机构流体机构 。二、执行机构二、执行机构 1 1 定义：定义：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力距的机构。带动工作头进行工作并使之获得工作力或力距的机构。2 2 作用：给工作头产生工作力同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的作
12、用：给工作头产生工作力同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。运动轨迹等。1 1）满足特定的运动规律满足特定的运动规律 特定的运动规律是指那些输出中有速度变化要求，如有等速输出、瞬时特定的运动规律是指那些输出中有速度变化要求，如有等速输出、瞬时或长时间停歇、有急回特性，周期性转位和步进分度动作等（例：牛头刨或长时间停歇、有急回特性，周期性转位和步进分度动作等（例：牛头刨床）。床）。2 2）满足特定的运动轨迹）满足特定的运动轨迹 。(复杂的运动轨迹一般通过连复杂的运动轨迹一般通过连杆机构或组合机构完成杆机构或组合机构完成)此抓片机构采用了联动凸轮此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸
13、轮的联动作用，机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。达到间歇抓片的目的。此装配线采用了联动凸轮机此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。地向前送进的目的。3 3）满足某种特殊的信息传递满足某种特殊的信息传递除机械运动与力的传递外除机械运动与力的传递外,还能完成检测、计数、定时、显还能完成检测、计数、定时、显示、控制等功能。如：示、控制等功能。如：1 1 定义：工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作（例如：夹定义
14、：工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作（例如：夹持、搬运、转位等），或是在其上完成一定的工艺动作（例如喷涂、洗持、搬运、转位等），或是在其上完成一定的工艺动作（例如喷涂、洗涤、锻压等）涤、锻压等）2 2 工作头的作用工作头的作用 1 1）夹持）夹持 2 2）搬运、输送及转换工位）搬运、输送及转换工位 3 3）施力）施力 三三.工作头工作头四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题2.使机构有有利的传力条件使机构有有利的传力条件（如利用止点位置做増力机构）（如利用止点位置做増力机构）1.在满足工艺功能在满足工艺功能动作和运动要求的情动作和运动要求
15、的情况下应使机构最简单，况下应使机构最简单，传动链最短。传动链最短。o3 3.使机构有尽可能好的动力性能（机构的对称性）使机构有尽可能好的动力性能（机构的对称性）o4 4.使机器操纵方便，调整容易、安全耐用（拟定运动方使机器操纵方便，调整容易、安全耐用（拟定运动方案时要考虑开、停、离合、正反转、制动、手动、过载案时要考虑开、停、离合、正反转、制动、手动、过载保护等装置）保护等装置）扭矩过载保护器扭矩过载保护器4-3按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计一、功能原理解与机械运动系统的方案设计一、功能原理解与机械运动系统的方案设计 功能结构图功能结构图各个分功能以及它们之间的关系（分析分功
16、能，哪些各个分功能以及它们之间的关系（分析分功能，哪些可以适用机械功能完成；哪些属于传动类型还是执行类型）可以适用机械功能完成；哪些属于传动类型还是执行类型）选择实现选择实现分功能的最佳机构分功能的最佳机构 需注意的问题：需注意的问题：1 1）分功能较复杂时，不可能用一个已知的机构来完成。这里就需要根据）分功能较复杂时，不可能用一个已知的机构来完成。这里就需要根据分功能的特点，分功能的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统挑选几个机构组成一个机械运动系统，由这些机构共同完，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作，这就是所谓的成这个分功能的机械动作，这就是所谓的“机械运动系统的方案设计机械运动系
17、统的方案设计”或或称为称为“机构的创新设计机构的创新设计”。2 2）当个机械分功能选择好相应的机构后，怎样）当个机械分功能选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成一使这些分散的机构组成一个协调运动的整体个协调运动的整体，这也称为，这也称为“机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计”，也称为，也称为“机机械运动系统的协调设计械运动系统的协调设计”。二、功能原理的分解和机构的选择二、功能原理的分解和机构的选择分解的原则：所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成。分解的原则：所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成。必须考虑：机构的相容性问题，完成各分功能的机构能组合到一起。必须考虑：机构的
18、相容性问题，完成各分功能的机构能组合到一起。o课后课后:请大家结合第三章家用缝纫机的送布机构请大家结合第三章家用缝纫机的送布机构运动，分析系统运动方案设计过程。运动，分析系统运动方案设计过程。P69.4-4 发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计四杆机构四杆机构-（改变尺寸）（改变尺寸）-曲柄摇杆机构、双曲柄机曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构构、双摇杆机构一、改变机构的某些尺寸参数，使机构一、改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一种新的功能出现一种新的功能例：六杆增力机构例：六杆增力机构:AB做小功率转动时，滑块做小功率转动时，滑块可得到很大的压力。可得到很大的压力。瞬时停歇、二次冲压新功能二
19、、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性。二、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性。前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。件，依次串联的组合方式。输入输入输出输出子机构子机构II子机构子机构I 后一级子机构的主动件后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架为前一级子机构的一个连架杆。杆。后一级子机构的主动件后一级子机构的主动件为前一级子机构的连杆。为前一级子机构的连杆。III51234 1123A54DCBFEM 例：拉延压力机：整个压边时间占例：拉延压力机：整个压边时间占1/31/3（约（约100100度）
20、度）,且行程较长，以前凸轮要多的很大。且行程较长，以前凸轮要多的很大。改进设计方案：三、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹三、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。的机构系统的组合方式。子机构子机构n 1子机构子机构III子机构子机构I子机构子机构II子子机机构构n输入输入输出输出直线电机直线电机襟翼襟翼直线电机直线电机某型飞机的襟翼操纵机构某型飞机
21、的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构大型船舶主传动机构四、利用机构组成原理发现新的机构（四、利用机构组成原理发现新的机构（更换原动件更换原动件 双摇杆机构中，选连杆作为原双摇杆机构中，选连杆作为原动件，可把风扇转子的旋转转化为动件，可把风扇转子的旋转转化为连架杆的摇动。连架杆的摇动。ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆电机电机ABDC风扇座风扇座蜗轮蜗轮蜗杆蜗杆运动倒置运动倒置摆动凸轮机构摆动凸轮机构123123连杆连杆凸轮机构凸轮机构罐头封口机构罐头封口机构 A1BCO234改变构件结构形状改变构件结构形状 将摆动导杆机构中的直线导槽将摆动导杆
22、机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇停歇。改变构件运动尺寸改变构件运动尺寸 槽轮直径变为无穷槽轮直径变为无穷大，槽数无穷多时，演大，槽数无穷多时，演变为槽条机构变为槽条机构五、引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到五、引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到新的生命新的生命o如数控机床等。4-5机械运动的协调设计和运动循环图 一、机械运动协调设计一、机械运动协调设计 各分功能的动作先后是根据总功能的要求，在一个周期中按各分功能的动作先后是根据总功能的要求，在一个周期中按时间序列排列。时间序列排列。机械运动协调设计关键机械运动协调设计关键-控制方法设计控
23、制方法设计：怎样使各执行机构严格按规定的时间运动？怎样使各执行机构严格按规定的时间运动？1集中驱动、分散控制集中驱动、分散控制 在比较小型的机器上，一在比较小型的机器上，一般均采用本方法，它由一般均采用本方法，它由一个总驱动原（一般是电动个总驱动原（一般是电动机），经过变速后达到合机），经过变速后达到合适的工作转速，作为机器适的工作转速，作为机器的总传动轴，即称为分配的总传动轴，即称为分配轴。执行机构均分散在其轴。执行机构均分散在其应完成分功能的位置上，应完成分功能的位置上，其主动构件的运动经分配其主动构件的运动经分配轴引入，因此各执行机构轴引入，因此各执行机构应何时动作，就由分配轴应何时动作
24、，就由分配轴控制。（如缝纫机）控制。（如缝纫机）2集中控制、分散驱动集中控制、分散驱动o常用在比较大的机器中，用分配常用在比较大的机器中，用分配轴传送到各处不方便时采用。驱轴传送到各处不方便时采用。驱动原一般是电动机或液（气）压动原一般是电动机或液（气）压缸，在这种设计中，各分功能均缸，在这种设计中，各分功能均由自己单独的驱动系统。但什么由自己单独的驱动系统。但什么时间动作，是根据集中控制处发时间动作，是根据集中控制处发出的指令进行。集中控制的方法，出的指令进行。集中控制的方法，简单的在控制台上由许多按钮或简单的在控制台上由许多按钮或阀门。操作者可根据总功能的要阀门。操作者可根据总功能的要求进
25、行操作，较复杂的，则由控求进行操作，较复杂的，则由控制机自动操作。更复杂的则可由制机自动操作。更复杂的则可由计算机根据编程进行控制。计算机根据编程进行控制。二、运动循环图二、运动循环图 1 1作用：作用：1 1）可清楚的了解各执行机构在完成总功能中的作用和次序）可清楚的了解各执行机构在完成总功能中的作用和次序2 2）表明各种机构的配合关系）表明各种机构的配合关系3 3）可得出某种机构设计的原始参数）可得出某种机构设计的原始参数 2 2工作周期：在运动循环时间内，机器的各执行机构要完成一定的周期工作周期：在运动循环时间内，机器的各执行机构要完成一定的周期运动，执行机构周期性回到初始位置之间的时间
26、间隔运动，执行机构周期性回到初始位置之间的时间间隔 3表示形式：极坐标式和直角坐标式表示形式：极坐标式和直角坐标式4绘制运动循环图需注意的几点绘制运动循环图需注意的几点o以工艺过程开始点作为运动循环图的起始点，并以工艺过程开始点作为运动循环图的起始点，并定出最先开始定出最先开始工作的那个机构在循环图上的位置工作的那个机构在循环图上的位置，其他机构则按工艺程序的，其他机构则按工艺程序的先后一次列出。先后一次列出。o不在分配轴上的凸轮，应将其动作所对中心角，换算成分配轴不在分配轴上的凸轮，应将其动作所对中心角，换算成分配轴相应的转角相应的转角。o尽可能使各机构的动作重合，以便缩短运动周期，提高生产
27、率。尽可能使各机构的动作重合，以便缩短运动周期，提高生产率。o执行机构的动作作用在执行机构的动作作用在同一同一构件上时，当某个机构作用在该构构件上时，当某个机构作用在该构件上动作结束到另一机构开始作用在该构件上之间，应间隔件上动作结束到另一机构开始作用在该构件上之间，应间隔2-3，以补偿凸轮制造及装配误差，避免两机构在动作衔，以补偿凸轮制造及装配误差，避免两机构在动作衔接处发生干涉。接处发生干涉。o在不影响工艺要求和生产率的情况下，应尽可能使动作所对应在不影响工艺要求和生产率的情况下，应尽可能使动作所对应的中心角增大些，以便减小压力角。的中心角增大些，以便减小压力角。极坐标极坐标式工作循环图式
28、工作循环图 图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，转动转动2 2转为一个工作循环。转为一个工作循环。启启排排气气门门开开启启进进气气门门开开进进气气排排气气压压缩缩膨膨胀胀闭闭进进气气门门关关火火点点曲轴曲轴0 540 360 180 排排门门闭闭关关气气o例：运动循环图分析：下图为冷霜自动灌装机的运动循环图，分别为直线式、圆周式和直角坐标式，根据此工作循环图回答下面的问题：什么是工作循环图？它的作用是什么？根据此工作循环图，说明冷霜自动灌装机主要完成那些动作？各个动作之间的衔接关系怎样？第四章 知识要点o1 1、机构能实现的动作功能有哪些？、机构能实现的动作功能有哪些？o2 2、传动机构和执行机构的作用？、传动机构和执行机构的作用？o3 3、拟定机构简图应注意那些问题？、拟定机构简图应注意那些问题？o4 4、机械运动系统的方案设计与机械运动系统的协调设、机械运动系统的方案设计与机械运动系统的协调设计的概念？计的概念？o5 5、工作循环图的概念、表示形式？、工作循环图的概念、表示形式？
