机械原理第9章工艺动作过程构思与运动协调设计汇编

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1、9.1 内容提要及基本概念 9.2 本章重点、难点 9.3 典型例题精解 第九章 工艺动作过程构思与运动协调设计 9.1 内容提要及基本概念 9.1.1 内容提要 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。 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

2、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9-1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9-1 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

3、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9-2，图9-3所示。 图9-2 四工位机床工艺动作图

4、刀具 工作台 工件 主轴箱 s=s(t) 图9-3 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。 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9-4a，b）就是采用多 刀、多面、多个执行构件同时完成加 工

5、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9-4 自动切书机 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9-5），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9-5 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

6、，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。 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。 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9-6所示）工作时 ，当送料器送料时

7、，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9-6 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9-7a，b所示。 上前盖 上后盖 耳孔 下

8、前盖 下后盖 下塞耳 上塞耳 纸盒 在库中纸盒 叠成层状 图9-7 （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9-7 (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9-7 (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9-7所示的冰淇淋包装的工艺程序。完成同一工艺程序

9、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9-8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

10、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9-8 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 3.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

11、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9-9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9-9 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

12、，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9-10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

13、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9-10 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9-11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

14、中的送料、夹料等机构的空行程实现。 曲柄轴方式。如图9-12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9-11 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9-12 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9-13 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

15、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9-13所示。 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9-14所示。 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 BA 两个构件不能同时位 于区域MAB中，以免 在M点产生干涉。 图9-15 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