机械运动方案设计.

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1、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 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,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。,8.1 机械运动系统方案设计的内容,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：

2、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。 机械执行系统方案设计的过程主要包括七个步骤： 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

3、（使用要求或者工艺要求),功能原理设计,运动规律设计（工艺动作分解和运动方案选择）,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）,运动分析和动力分析,方案评价,绘制执行系统运动简图,构思新功能原理,构思新运动规律,改变机构型式,改变机构参数,改变设计策略,不满足要求,功能原理设计 所谓功能原理设计即根据预期实现的功能考虑相应的原理。 功能原理设计思路是：分析功能要求，根据功能要求提出可能实现它的功能原理。 常用的功能原理有：摩擦传动原理、流体传动原理、电磁传动原理、机械推拉原理、材料变形原理、光电原理、其 它原理,例：取纸器预期实现的功能是：办公室取便条

4、用，每次取一张。 要求：取用方便，美观，成本低。 可以采用的功能原理有：摩擦力、静电吸力、切向力等原理实现分纸要求,实现同一功能，可以选择的原理很多。 选择的功能原理不同，所设计的机械在工作性能、工作品质和适用场合等方面就会有很大的差异。,返回,运动规律设计即决定实现工作原理选择何种运动规律。 运动规律设计思路是：通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，得到相应的运动规律 例取纸器的运动规律设计：假设，我们选定的功能原理是摩擦力原理。 可以实现该功能原理的运动规律有：平面摩擦、曲面摩擦实现。 可见相对同一原理，可以选择的运动规律也很多,返回,执行机构型式设计即决定实现上述运动规律选择何种执行机

5、构实现。 常见的机构形式有： 连杆机构、凸轮机构、其它机构、机构组合、机构变异,例分纸器的执行机构型式设计。 可以实现其运动规律的机构有：凸轮摩擦机构，摇杆滑块摩擦机构。,返回,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。,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

6、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。,一、功能原理的构思与选择 功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现的功能要求，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。 功能原理设计是机械执行系统方案设计的第一步。实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

7、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。,8.3 确定机械运动系统的工作原理,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,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

8、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。 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

9、行系统管理。,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 功能原理设计是一个创造性过程，没有发散思维就很难有新的发现。,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。 比如在设计挖土机时，遇到这样的一个问题：推土机挖掘湿的泥土，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。,还原创新法 所谓还原创新法，是已有的创造起点，重新返回到创造的原点，紧紧围绕机械预期实现的功能要求另劈新径

10、，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。 洗衣机的创造的起点是：在不损伤衣物的前提下，将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。,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

11、当的运动规律。 运动规律设计的根本目的，就是根据工作原理所提出的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。 实现一个复杂的工艺过程，往往需要多种动作，而任何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。 例：设计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，

12、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。,运动规律设计的创造性 如前所介绍的，实现同一工作原理可以采用不同的工艺动作分解方法，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 所谓仿真法就是模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，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。,思维扩展法并不是在任何情况下，仿真法都可以成功的，

13、思维扩展法仍是一个很重要的创新方法。 这里的思维扩展法是跳出原有的运动规律的设计模式，考虑新的运动规律。 某滚珠轴承厂要设计一台对滚珠的真圆度、表面粗糙度、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、粗糙度的检验动作等。运动规律必定异常复杂,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。 设计出如下所示的钢珠选择装置：,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

14、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,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

15、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。 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。这样可以降低成本，减轻重量；减少摩擦损耗，提高效率；减少运动链累积误差，提高传动精度和可靠性；提高系统刚性。,5.选择合适的动力源

16、，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。 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。 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