机械系统运动方案设计.docx
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机械系统运动方案设计
机械系统运动方案设计
机械系统设计的一般考虑以下几个方面：
机械系统设计的一般原则
●机械的结构组成
●机械系统设计的一般原则
机械运动方案设计
●机械运动方案设计
●动力机类型的选择
●机构选型
●机构的组合应用
●机械系统的工作循环图
●机械的结构组成
机械的种类是五花八门十分繁多，常见的机械有动力机械、生产机械、起重运输机械、建筑机械、矿山机械、林业机械、农业机械等等。
随着科学技术的发展，各类生产机械的速度和精度要求越来越高，同时要考虑环境保护、节省原材料、节约能源，而且大量的采用机、电或机、电、液的一体化以满足自动化生产的新要求。
一批又一批的新机械不断涌现。
尽管各种机械的结构和用途多种多样千差万别，大体上均由四部分组成：
动力机、传动系统、执行机构和操纵控制装置，如图1所示。
此外，为保证机械正常工作还设有一些辅助装置，如润滑、冷却、安全保护，计数及照明装置等。
图1
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●机械系统设计的一般原则
一台较复杂的机械在运转中常包括多个工艺动作，相互协调配合以完成预定的工艺目的。
工艺目的及工艺动作确定之后，机械系统的设计主要包括动力机的类型、功率和额定转速的选择，运动变换机构的选择以及协调各工艺动作的机械运动循环图的拟定。
这些工作在很大程度上决定了所设计机构的性能、造价，因而是设计工作中关键的一环。
机械系统设计又是一项繁难的工作，它不但要求设计者有多方面的知识，还要有广博的见识和丰富的经验。
由于机构种类的繁多、功用各异，因此机械系统的设计难以找出共同的模式，这里讨论的仅是设计过程中的一般性原则。
◆采用简短的运动链
拟定机械的传动系统或执行机构时，尽可能采用简单、紧凑的运动链。
因为运动链越简短，组成传动系统或执行机构所使用的机构和构件数目越少，这不仅降低制造费用、减小体积和重量，而且使机械的传动效率相对提高。
由于减少传动环节，使传动中的积累误差也随之减小，结果将提高机械的传动精度和工作准确性。
◆有较高的机械效率
传动系统的机械效率主要取决于组成机械的各基本机构的效率和它们之间的联接方式。
因此，当机械中含有效率较低的机构时，如蜗轮蜗杆传动装置，这将降低机械的总效率。
在机械传动中的大部分功率是由主传动所传递，应力求使其具有较高的传动效率；而辅助传动链，如进给传动链、分度传动链、调速换向传动链等所传递的功率很小，其传动效率的高低对整个机械的效率影响较小。
对辅助传动链主要着眼于简化机构、减小外部尺寸、力求操作方便、安全可靠等要求。
◆合理安排传动顺序
机械的传动系统和执行机构一般均由若干基本机构和组合机构组成，它们的结构特点和传动作用各不相同，应按一定规律合理的安排传动顺序。
一般将减速机安排在运动链的起始端，尽量靠近动力机，例如采用带有减速装置的电动机；将变换运动形式的机械安排在运动链的末端，使其与执行构件靠近，如将凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等靠近执行构件布置；将带传动类型的摩擦传动安排在运动链中的转速高的起始端，以减小传递的转矩、降低打滑的可能性。
在传递同样转矩的条件下，与其他传动形式比较摩擦传动机构尺寸比较大，为了减小其外部尺寸应将其布置在运动链的起始端。
传动链中采用圆锥齿轮时，应考虑到圆锥齿轮制造较困难，造价高，避免用大尺寸的圆锥齿轮，而采用较小的圆锥齿轮也应布置在运动链中转速较高的位置。
上述顺序安排只是一般性的考虑，具体安排时需要同时考虑的因素较多，如充分利用空间、降低传动噪音和振动，以及装配维修的方便等，相关的各因素都要权衡利弊给予适当的考虑。
◆合理分配传动比
运动链的总传动比应合理地分配到各级传动机构，既充分利用各种传动机构的优点，又能利于尺寸控制得到结构紧凑的机械。
每一级传动机构的传动比应控制在其常用的范围内。
如果某一级传动比过大，则对其性能和尺寸都将有不利的影响。
所以当齿轮传动比大于8～10时，一般应设计为两级传动；当传动比在30以上时，常设计两级以上的齿轮传动。
但是对于传动来说，由于外部尺寸较大实际很少采用多级带传动。
电动机的转速一般都超过执行构件所需要的转速，而需要采用减速传动系统。
这时，对于减速运动链应按照“前小后大”的原则分配传动比，而且相邻两级传动比的差值不要相差太大。
设有K级减速传动，其各级传动比为i1、i2、…、iK，取值应符合i1＜i2＜…＜iK的顺序，相邻两级差不得过大。
安排这种逐级减速的运动链，可使各级中间轴有较高的转速及较小的转矩，因此可选用尺寸较小的轴径和轴承，油封等零件。
◆保证机械安全运转
设计机械的传动系统和执行机构，必须充分重视机构的安全运转，防止发生人身事故或损坏机械构件的现象出现。
一般在传动系统或执行机构中设有安全装置、防过载装置、自动停机等装置。
例如在起重机的起吊部分必须防止在载荷作用下发生倒转，造成起吊物件突然下落砸伤工人或损坏货物的后果，所以在传动链中应设置具有足够自锁能力的机构或有效的制动器。
又如为防止机械因短时过载而损坏，可采用具有过载打滑的摩擦传动装置或设置安全联轴器和其他安全过载装置。
在某些机械中各执行构件的运动是彼此独立的，所以在设计传动系统和执行机构时，不必考虑它们之间运动的协调。
例如起重机的吊钩的起落、吊杆的摆动是各自独立的，并不存在协调配合的问题，将其设计成各自独立的运动链，而且可以采用不同的动力机，在另外一些机构中各执行构件间必须保持严格的协调配合，保持准确的传动比关系和动作的协调，否则无法完成生产工艺要求。
例如齿轮加工机床按范成法切制齿轮时，刀具和轮坯的范成运动必须保持某一恒定的传动比，这样才能保证切制出所要求的齿数。
又如在车床上车制螺纹时，必须保证主轴带动工件的转动速度和刀架上刀具的走刀速度按一定的速度比运转，否则难以车制出工艺所要求的螺纹。
为保证这些执行机构和执行构件之间有严格传动比，而且能协调动作，应将相互有关的运动链同用一个动力机驱动。
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●机械运动方案设计
在设计机械的过程中，当工艺动作确定之后，就要选择适宜的机构型式来实现所要求的工艺动作。
虽然，在这个过程中有可能根据特定的工艺动作要求，创造和研制出新的机构，但多数情况下是可以利用已有的机构，借助于资料和设计经验来完成，因此习惯上把这一步工作称为机构的选型。
机构的选型需要考虑多方面的因素，如运动变换要求、尺寸限制、制造成本、运转性能、效率高低、操作方便安全可靠等等。
其中首要的是运动变换要求，我们将侧重于这方面来介绍机构选型问题。
机构是用来实现运动变换并传递运动和力，变换的一端是执行构件的工艺动作，这是设计之初给定的运动，变换的另一端是动力机的运动。
动力机的选择是机械设计的重要问题之一。
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●动力机类型的选择
现代机械中应用的动力机类型规格繁多，除了热机（蒸汽机、内燃机）主要应用于经常变换工作场所的机械设备和运输车辆外，用于一般机械上的动力机为电机、液动机和气动机。
电动机尤其是交流异步电动机，其结构简单，价格低廉，动力源方便，在机械中应用广泛，但它的转速只有固定的几种，而且调速不便。
对调速平滑程度要求不高，调速比不大者可采用绕线型异步电动机。
当调速范围较大，且需连续稳定平滑调速时可采用直流电动机。
选择电动机首先满足所需要的功率，在其胜任负载要求的条件下，还应考虑电动机发热、允许过载能力和起动能力等；其次电动机类型的选择，还应考虑机械的负载特性、工作平稳性、冲击程度、调速范围和起动、制动的频繁程度；最后拟定电动机额定转速，必须和机械的传动装置的传动比相匹配，一般额定功率相同电动机，额定转速越高，则电动机尺寸越小，重量、价格也越低。
液动机有输出旋转运动的液压马达和输出直线运动的液压油缸。
液动机一般调速方便，易于现速度和运动方向的控制，应用它往往可以使传动链简短，并能直接驱动执行构件，但需要配备液压站。
在气源比较方便的地方，只要求实现简单的运动变换，如只要求从动件作位置移动，并不十分苛求运动规律时应用气缸是很方便的，但动作过程中常伴有噪音。
在具体条件下，选择哪种类型的动力机，要做技术和经济上的综合分析。
动力机的类型与机械的整体结构直接有关，应慎重对待。
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●机构选型
在机械的传动系统和执行机构的设计中都存在机构选型的问题，我们仅以运动型式的变换要求介绍一些较适用的机构作为机构选型的入门，设计时可参阅有关的设计手册加以分析比较，选择或设计最佳方案。
◆定速比转动变换机构
在以交流异步电动机作为动力机的机械中，这类定速比转动变换机构是最常见的减速或增速机构，主要应用各种齿轮、蜗杆、带或链传动、摩擦轮等。
常用的减速、增速机构的类型和性能指标、应用范围等在各种机械设计手册上均有介绍，也可查阅有关产品目录、产品介绍。
◆连续转动变换为往复移动或摆动机构
常应用连杆机构、凸轮机构或某些组合机构，选用的着眼点首先在于对往复行程中的运动规律是否有具体要求，如工作行程的速度和加速度，空行程的急回等。
凸轮机构的特点是便于实现给定运动规律，尤其是带有间歇运动规律。
但从承载能力和加工方便比较，连杆机构优于凸轮机构。
◆连续转动变换为周期变速转动机构
应用双曲柄机构、回转导杆机构和非圆齿轮等机构可以实现这种变换，但非圆齿轮机构的加工较为困难，在传动中应用较少。
◆连续转动变换为步进运动机构
常见于自动机的送进、转位部分，常用的步进机构有棘轮、槽轮、凸轮等机构和齿轮一连杆组合步进机构、凸轮一齿轮组合机构等，通用的步进机构的类型和性能指标请参阅有关机构设计手册。
◆连续转动变换为轨迹运动机构
一般应用曲柄摇杆机构的连杆曲线实现所要求的轨迹运动，特殊形状的轨迹曲线或对描迹点的速度有要求时可采用凸轮一连杆组合机构或齿轮一连杆组合机构等。
◆运动的合成与分解机构
可以应用各种差动机构，它们是具有两个自由度的机构，由两个主动件输入运动，其输出运动是输入运动的合成，之中由齿轮组成的差动机构，其输入和输出运动是线性关系，设计比较简单，故应用广泛。
差动螺旋常用于位移的精确调节，此外还有差动连杆等机构。
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●机构的组合应用
选择若干个不同类型的基本机构（或由基本机构变异而成的新机构），通过适当的联接方式，组成一个彼此协调配合的机构系统以实现复杂的或某些特殊的运动要求，也是运动方案设计的一种常用方法，下面举几例说明。
◆凸轮—连杆机构组合
图2所示凸轮摆杆滑块机构是由凸轮机构1-2-3和摆杆滑块机构2′-4-5-3串联组合而成。
由于凸轮轮廓曲线可按任何运动规律进行设计，使执行构件滑块5的运动规律充分满足生产工艺的要求。
例如要求滑块5在工作行程等速运动，而在工作行程开始的一小段和结束的一小段，设计成局部的加速段和减速段，以避免在工作行程的两端发生较大的冲击。
同时在回程设计成具有一定的急回特性。
可见该组合机构运动规律的选择余地较大。
◆齿轮—连杆机构组合
图3所示齿轮一连杆机构是由一对定轴齿轮机构1-4-5封闭双自由度的五杆机构1-2-3-4-5组合而成。
其中AE为机架5，曲柄AB、ED分别与齿轮1、4为一体。
当齿轮1作等速转动时，连杆2、3的铰接点C将描绘出复杂的运动轨迹。
当五杆机构各杆长度确定后，铰接点C的轨迹取决于齿轮传动比i14和两曲柄AB、ED的初始相位角。
如图3b）所示，齿轮传动比i14=-1。
如果两曲柄处在AB1、ED1时，C1点的轨迹为实线S1；当两曲柄处在AB1、ED2时，C2点的轨迹为点划线S2；当两曲柄处在AB1、ED3时，C3点的轨迹为虚直线S3。
而当齿轮的传动比｜i14｜=z4/z1=m/n≠1时，C点轨迹形状将得复杂。
如果m与n为不可通约的整数，则当齿轮1转过m转、齿轮4转过n转时，C点轨迹方可形成闭合曲线。
◆连杆、凸轮、齿轮机构组合
图4所示一全自动机械式粉末压机的主机构，该机构系统将连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等巧妙的组合起来，实现了预压、保压、三次非同时压制的复杂运动过程。
如图所示，该机构系统分为上冲膜机构和凹模机构两部分，上冲模机构由曲柄1、连杆3、摇杆4、连杆5、滑块6和冲头12组成，实现上冲头的压制运动。
凹模机构由曲柄2、连杆7、摇杆8、凸轮9、不完全齿轮10和固定不动的齿条11组成，实现脱模运动。
凹模机构的主动曲柄2等速转动，运动经连杆转换成摇杆的往复摆动，摆杆上铰接一弧形滑块12与凸轮轮廓接触，迫使凸轮运动，凸轮本身又是一不完全齿轮，并与齿条啮合，因此凸轮的运动就是不完齿轮沿齿条的滚动，不完全齿轮的节圆圆心点的轨迹是一条直线，该点的运动规律就是凹模的运动规律。
两机构的协同动作实现了三次非同时压制。
机构的组合方式有多种，通常分为串联式组合，封闭式组合和其他型式的组合。
串联式组合由两个或两个以上的单自由度机构串联组成，前一机构的输出构件恰是后一机构的输入构件，以此改变单一基本机构的运动特性。
封闭式组合通常是由一个单自由度机构去封闭一个双自由度的机构组成。
封闭式组合的设计思路比较灵活，它可以实现多种多样的运动变换。
常用的双自由度机构为连杆机构和差动轮系，封闭双自由度机构的单自由度机构常用凸轮机构，连杆机构和齿轮机构，凸轮机构易于实现任意给定的运动规律，连杆、齿轮机构传力性能好，运动可靠。
其他类型的组合方式不再详述，请参看有关资料。
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●机械系统的工作循环图
有相当数量的机械要求各执行构件之间的传动和工艺动作必须协调配合，否则将发生运动的干涉或工艺动作的混乱而无法完成机械的工艺要求，甚至还会损坏机械设备造成机械事故。
为保证各执行构件的协调配合准确完成各自的工艺动作，在机械的运动设计中应编制机械系统的工作循环图，用其表明机械在每个工作循环中各执行构件间的运动协调关系，即各执行构件相对其主动件的转角或运动时间的运动关系。
现以上一节所述的全自动机械式粉末压机为例，介绍机械系统的工作循环图，如图5所示。
图5
制品的压制过程如图所示，由上箱、上压头和凹模的协同动作完成一个压制循环。
首先，凹模模具填粉，上箱、上压头同步向下运动，上压头下行至A点与粉料接触进入凹模；上压头行至B点形成高度为e1的一次顶压量。
从B点开始，上压头与凹模同步下移至C点，形成高度为e2的下压量，完成二次底压。
然后凹模不动，上下头继续下移至D点，形成高度为e3的三次顶压。
之后上箱回升，上压头气缸冲气，使上压头在压件上固定不动以保压，至E点时快退，凹模下降至G点形成脱模动作。
最后，上压头与上箱同步上升，凹模上升至填粉位置，一个工作循环完成。
实现上述运动的机构系统及工作循环图如图所示。
上箱运动曲线K1由六杆机构实现，上冲头相对于上箱的运动曲线K2由气动装置实现，凹模运动曲线K3由连杆机构，凸轮机构和不完全齿轮机构的组合来实现。
实现上箱运动的六杆机构的尺寸应满足工作循环图的要求，上压头气缸的冲气和排气时间要根据工作循环图确定，凸轮的轮廓曲线设计及安装相位也应按工作循环图的要求进行。
因此，在机械的运动设计阶段以及以后的各阶段，机械系统的工作循环图都有着十分重要的作用。
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