华科机械原理课件-机构及系统运动方案设计教学教材.ppt

华科机械原理课件华科机械原理课件-机构机构及系统运动方案设计及系统运动方案设计制造技艺制造技术制造科学；制造活动的社会性、制造系统的开放性制造科学综合性；制造科学不可能在孤立、封闭的状态下发展，必然走兼采百家之长、交叉融合的道路；现代物理、数学、化学、生命、信息、材料、管理和系统等科学的发展，为制造科学不断提供新的推动力，也不断丰富着现代制造学科的内涵和外延。制造科学是多学科交叉的学科制造科学是多学科交叉的学科制造业是国家的战略性产业；制造业是国家的战略性产业；高度发达的制造业，是实现工业化的必备高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件；条件；高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志；力的重要标志；高度发达的制造业，是决定国家在经济全高度发达的制造业，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素。球化进程中国际分工地位的关键因素。许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力是制造大国，不是制造强国是制造大国，不是制造强国发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500500强强关键装备大多依赖进口关键装备大多依赖进口光电子制造设备的光电子制造设备的100%100%ICIC制造装备的制造装备的85%85%高档数控机床的高档数控机床的70%70%发展趋势发展趋势“数”是发展的核心“精”是发展的关键“极”是发展的焦点“自”是发展的条件“网”是发展的道路“集”是发展的方法“智”是发展的前景“绿”是发展的必然据报道，由于日本地震及海啸的影响，iPod、iPhone、iPad和MacBook的锂电池供应短缺已经迫在眉睫，原因是日本Kureha公司由于地震原因，不得不关闭其日本工厂。日本Kureha公司控制着全球聚偏二氟乙烯polyvinylidene fluoride（简写为PVDF）近70%70%市场份额市场份额市场份额市场份额，这种化合物是锂电池的重要原料之一。而Kureha公司唯一一家制造PVDF的工厂就位于此次地震的重灾区福岛磐城。电池组里的电池单元似乎也是苹果日本子公司苹果日本子公司苹果日本子公司苹果日本子公司提供的，尽尽尽尽管最后的电池组组装是在管最后的电池组组装是在管最后的电池组组装是在管最后的电池组组装是在中国中国中国中国进行进行进行进行。一则消息（2011.3.18 网络检索关键词：日本地震、苹果电池）钢铁大国钢铁大国稀土大国稀土大国汽车大国汽车大国？人无我有创新人有我精人有我精人有我精人有我精也是创新也是创新也是创新也是创新(现阶段现阶段现阶段现阶段)如何创新与设计？如何创新与设计？如何创新与设计？如何创新与设计？7.1 执行机构执行机构运动方案运动方案设计设计功能原理工艺动作运动方案工艺过程改变容积、或改变动能、增大容积吸水，减少容积排水活塞往复运动、或叶片泵、齿轮泵移动从动件凸轮机构、如何简单、高效？设计的层次取水取水取水取水1、使用使用使用使用(工艺工艺工艺工艺)要求相同要求相同要求相同要求相同，可采用不同的功能原理不同的功能原理不同的功能原理不同的功能原理。例例例例1 1 1 1：举升举升举升举升,可采用多种不同的功能原理 机械：连杆、凸轮、螺旋、液力 电磁吸附 充气 一、功能原理功能原理与工艺动作工艺动作设计之间的关系例例例例2 2 2 2：取水取水取水取水，可采用不同的功能原理改变水的动能动能动能动能：离心泵改变容体容积容积容积容积：虹吸：负压：举升实例举升实例2、采用不同的功能原理，必然导致采用不同的工工工工艺动作艺动作艺动作艺动作常见的泵的种类：离心泵、磁力泵、离心泵、磁力泵、离心泵、磁力泵、离心泵、磁力泵、潜水泵、真空泵、潜水泵、真空泵、潜水泵、真空泵、潜水泵、真空泵、隔膜泵、螺杆泵、隔膜泵、螺杆泵、隔膜泵、螺杆泵、隔膜泵、螺杆泵、往复泵、自吸泵、往复泵、自吸泵、往复泵、自吸泵、往复泵、自吸泵、转子泵、柱塞泵、转子泵、柱塞泵、转子泵、柱塞泵、转子泵、柱塞泵、齿轮泵、旋涡泵、齿轮泵、旋涡泵、齿轮泵、旋涡泵、齿轮泵、旋涡泵、无泄漏泵无泄漏泵无泄漏泵无泄漏泵1)采用往复移动的工艺动作采用往复移动的工艺动作改变容积改变容积例：取水（续）例：取水（续）2)采用往复摆动的工艺动作改变容积采用往复摆动的工艺动作改变容积3)采用旋转工艺动作改变容积采用旋转工艺动作改变容积3、相同的功能原理，也可能采用不同的工艺动作工艺动作工艺动作工艺动作 对于比较复杂的使用要求和工艺要求，往往需要多个功能原理组合成一个总的功能原理来满足。（如自动机：工艺要求复杂）二、工艺动作工艺动作设计与运动方案运动方案设计的关系 1、工艺动作工艺动作工艺动作工艺动作不同，机构运动方案运动方案运动方案运动方案也就不相同例3：洗衣机单缸单洗洗衣机双缸半自动洗衣机全自动滚筒洗衣机2、不同的机构不同的机构可能实现同样的工艺动作同样的工艺动作3、为获得好的运动方案，就应当拟定评价体系，并据此体系进行综合评价才能作出决策。印刷机三、三、工艺过程工艺过程设计设计根据拟定的功能原理及工艺动作进行工艺过程设计。根据拟定的功能原理及工艺动作进行工艺过程设计。工艺过程设计的总要求：工艺过程设计的总要求：工艺过程设计的总要求：工艺过程设计的总要求：1.1.工序集中原则工序集中原则工序集中原则工序集中原则；2.2.工序分散原则工序分散原则工序分散原则工序分散原则：工序尽量集中，集中有困难，就分散。：工序尽量集中，集中有困难，就分散。3.3.各工序的工艺时间相等原则；各工序的工艺时间相等原则；各工序的工艺时间相等原则；各工序的工艺时间相等原则；4.4.多工件同时加工原则；多工件同时加工原则；多工件同时加工原则；多工件同时加工原则；5.5.缩短工作周期原则：缩短工作周期原则：缩短工作周期原则：缩短工作周期原则：各执行构件工作时间重叠；各执行构件工作时间重叠；工作时间与空行程时间互相重叠；工作时间与空行程时间互相重叠；空行程与空行程时间互相重叠。空行程与空行程时间互相重叠。7.2 执行机构运动规律运动规律设计设计1 1、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。a)应充分考虑使用要求和功能原理。应充分考虑使用要求和功能原理。b)在满足使用要求的前提下，应尽可能设计出简单且易在满足使用要求的前提下，应尽可能设计出简单且易于实现的运动规律。于实现的运动规律。c)必要时，应重新构思新的功能原理。必要时，应重新构思新的功能原理。d)为使工艺过程自动化，原封不动的按传统工艺动作去为使工艺过程自动化，原封不动的按传统工艺动作去设计自动化机构系统，其效果往往是不好的。设计自动化机构系统，其效果往往是不好的。2 2、把复杂的运动规律（工艺动作）进行分解、把复杂的运动规律（工艺动作）进行分解u连续转动转动转动转动：多数的原动机：电动机、内燃机、液压马达、气压马等u往复摆动摆动摆动摆动：活塞式汽缸、液压缸、直线电机u往复移动移动移动移动：双向电动机、摆动式液压缸、汽缸u间歇间歇间歇间歇运动运动：步进电机、伺服电机1）机构所能实现的基本运动行式基本运动行式？汽车雨刮器基本基本基本基本运动运动运动运动待实现的运动规律（工艺要求）待实现的运动规律（工艺要求）待实现的运动规律（工艺要求）待实现的运动规律（工艺要求）连续转动转动转动转动变速转动转动转动转动间歇转动转动转动转动往复摆动摆动摆动摆动间歇摆动摆动摆动摆动连续移动移动移动移动间歇移动移动移动移动往复移动移动移动移动变速移动移动移动移动轨迹运动运动运动运动连续连续连续连续转动转动转动转动齿轮平行连杆双万向节蜗轮蜗杆双摇杆曲柄导杆齿轮万向节槽轮不完全齿曲柄摇杆曲柄导杆凸轮凸轮齿轮齿条螺旋机构凸轮凸轮连杆往复往复往复往复摆动摆动摆动摆动摇杆曲柄导杆曲柄棘轮双摇杆棘轮棘轮齿条往复往复往复往复移动移动移动移动滑块曲柄移动凸轮基本运动规律变换2）常见的运动分解合成情况（1）某些周期性运动（包括间歇运动机构与非匀速运动一般可分解为一个匀速运动与一个附加的往复运动，并且分别用比较简单的机构予以实现，然后合成之。1 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 5 56 6 6 6a a a ab b b bc c c c 1 1 1 1 2 2 2 2（2）不同特性的非匀速运动合成往往可以实现比较不同特性的非匀速运动合成往往可以实现比较复杂的运动。复杂的运动。1 12 23 34 45 56 6s s （3）相同特性运动合成往往可以得到增加或减小输出位移量的效果。1 12 23 34 45 5b ba aS S（4）复杂的曲线运动往往可以分解成不同方向的）复杂的曲线运动往往可以分解成不同方向的简单移动或一个简单移动和转动。简单移动或一个简单移动和转动。1 12 24 45 5x xy y3 32 23 35 5x x(a)(a)(b)(b)7.3 执行机构运动协调运动协调设计设计一、执行机构的布置一、执行机构的布置一、执行机构的布置一、执行机构的布置二、执行机构运动协调设计应满足的要求二、执行机构运动协调设计应满足的要求二、执行机构运动协调设计应满足的要求二、执行机构运动协调设计应满足的要求三、执行机构运动协调设计的分析计算三、执行机构运动协调设计的分析计算三、执行机构运动协调设计的分析计算三、执行机构运动协调设计的分析计算一、执行机构的布局一、执行机构的布局1.执行构件构件构件构件的布置特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便是否方便2.执行机构机构机构机构的布置1.与执行构件的联接是否方便；与执行构件的联接是否方便；2.执行机构原动件布置的位置是否恰当；执行机构原动件布置的位置是否恰当；尽可能接近执行构件；尽可能接近执行构件；使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数几根轴上；几根轴上；各原动件应保持等速或定速比。各原动件应保持等速或定速比。二、执行机构运动协调设计应满足的要求二、执行机构运动协调设计应满足的要求1.保证各执行机构保证各执行机构动作的顺序性动作的顺序性动作的顺序性动作的顺序性；2.各执行构件的动作在各执行构件的动作在时间上同步时间上同步时间上同步时间上同步；3.保证保证空间的同步性空间的同步性空间的同步性空间的同步性；4.保证系统各执行构件对操作对象的操作具有保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协单一性或协单一性或协单一性或协同性同性同性同性；5.二执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以二执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免避免避免避免动动作衔接处作衔接处发生干涉发生干涉发生干涉发生干涉；3 3、要使分解后的运动规律协调配合、要使分解后的运动规律协调配合、要使分解后的运动规律协调配合、要使分解后的运动规律协调配合（1 1）简单情况可采用机构合成法）简单情况可采用机构合成法）简单情况可采用机构合成法）简单情况可采用机构合成法将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。（2 2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。（3 3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合调配合调配合调配合。设计实例：设计实例：粉料压片机粉料压片机粉料粉料粉料粉料药片药片药片药片?运动方案设计：挤压成形、运动规律设计：连杆、凸轮、运动协调设计：1、运动方案设计：工艺过程工艺过程及运动运动分析移动料斗移动料斗移动料斗移动料斗3 3至模具模具模具模具1111的型腔上方，并准备将粉料装入型腔；料斗振动，将粉料粉料粉料粉料装入型腔；下冲头下冲头下冲头下冲头5 5下沉，以防止上冲头上冲头上冲头上冲头9 9下压时将型腔内粉料抖出；上冲头下压,下冲头上压，加压粉料并保压一定时间，使药片药片药片药片成型；上冲头快速退出,下冲头将压好的药片推出型腔，完成压片工艺过程。执行构件：执行构件：执行构件：执行构件：3 3、9 9、5 535911其他方案其他方案8 89 97 7IIII1 13 32 24 45 5IIIIII6 61111n凸轮/连杆机构n多杆机构IIn凸轮机构IIIn凸轮机构2、运动规律设计3、运动协调设计 1s1分分分分配配配配轴轴轴轴I IIIIIIIIIIIIVIV 2 3 4 s2s3s4思考：思考：思考：思考：存在的存在的存在的存在的问题？问题？问题？问题？三、执行机构运动协调设计的分析计算三、执行机构运动协调设计的分析计算1.各执行机构运动循环时间同步化时间同步化计算确定最大工作循环周期确定最大工作循环周期Tmax；确定机械最小工作循环周期确定机械最小工作循环周期Tmin；确定合理的机构系统的工作循环周期确定合理的机构系统的工作循环周期T；确定各机构分配轴的转速和工作行程的起始角确定各机构分配轴的转速和工作行程的起始角。2.各执行机构运动循环空间同步化空间同步化计算合理确定各执行机构的运动错位角，避免空间上的干合理确定各执行机构的运动错位角，避免空间上的干涉。涉。7.4 机械运动循环图机械运动循环图设计一、机械运动循环图一、机械运动循环图1 1 1 1、机械运动循环图定义、机械运动循环图定义、机械运动循环图定义、机械运动循环图定义 表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明确图，称作的协调配合关系的简单明确图，称机械运动循环图机械运动循环图机械运动循环图机械运动循环图。2 2 2 2、直线式循环图（矩形循环图）、直线式循环图（矩形循环图）、直线式循环图（矩形循环图）、直线式循环图（矩形循环图）主主 轴轴 转转 角角 0 90 180 270 360195印印 头头 往往 复复摆摆 动动 机机 构构印头工作行程印头工作行程 （印（印 刷）刷）印印 头头 空空 回回 行行 程程油油 辊辊 往往 复复摆摆 动动 机机 构构 油辊空回行程油辊空回行程 （匀（匀 油）油）60 油油 辊辊 工工 作作 行行 程程（给铅字上油）（给铅字上油）油油 盘盘 间间 歇歇运运 动动 机机 构构油油 盘盘转转 动动油油 盘盘 静静 止止3 3 3 3、圆形循环图（极坐标式）、圆形循环图（极坐标式）、圆形循环图（极坐标式）、圆形循环图（极坐标式）油油辊辊工工作作 室室（给给铅铅字字上上油油）印印头头空空回回行行程程盘盘转转动动 油油 油油盘盘静静止止（刷刷工工作作行行程程印印头头印印）油油辊辊空空回回行行程程（油油匀匀）4 4 4 4、直角坐标式循环图、直角坐标式循环图、直角坐标式循环图、直角坐标式循环图主轴主轴转角转角印头往复印头往复摆动机构摆动机构油辊往复油辊往复摆动机构摆动机构油盘间歇油盘间歇运动机构运动机构901802703601951956060110070二、机械运动循环图机械运动循环图的设计1、设计要点、设计要点完成系统的协调设计完成系统的协调设计;确定参照机构（构件）确定参照机构（构件）;设计单一执行机械运动循环图设计单一执行机械运动循环图;设计机械运动循环图设计机械运动循环图.例：多工位冷墩机设计例：多工位冷墩机设计要求：将连续的盘料（如棒料、带料、板料等）制成特定的工件（需要变形、切边、冲孔）。工序分为：uu截料截料截料截料：将连续的盘料切制为设定尺寸的毛坯料；uu整形整形整形整形：毛坯在不被破坏的条件下发生塑性变形，成为所要求的形状；uu压角压角压角压角uu冲孔冲孔冲孔冲孔其他辅助工序包括：uu进料进料进料进料：送盘料uu送料送料送料送料：送毛坯料到冲压工位uu工位间运料工位间运料工位间运料工位间运料：在整形、压角、冲孔等3个工位间运送uu顶料顶料顶料顶料：将工件从冲压模具中顶出来12121 13 34 45 59 9101013131414151516161717181819197 78 8K Kb ba a6 61111202018181 12 26 6卧式多工位冷墩机121210109 91111141413135 51414151516161）完成工序：进料截料整形压角冲孔冷墩9 97 78 8齿 轮机构2）选型（1）进料机构机构系统曲柄摇杆机构棘轮机构2）选型（2）断料机构机构系统直动从动件凸 轮机构曲柄滑块机构6 66 6 6 62）选型（3）冷墩机构机构系统 I：曲柄滑块机构（+阴模），完成整 形、压角、冲孔121212121 1 1 13 3 3 34 4 4 45 5 5 59 9 9 910101010131313131414141415151515161616161717171718181818191919197 7 7 78 8 8 8K K K Kb b b ba a a a6 6 6 61111111120202020181818181 1 1 12 2 2 26 6 6 62）选型（4）顶料机构机构系统：铰链四杆机构；完成顶料19191919202020201 1 1 13 3 3 31 1 1 12 2 2 2连杆机构2）选型（5）运料机构机构系统圆锥齿轮机构等宽凸轮机构181818181818181817171717卧式多工位冷墩机冷镦机构的冷镦机构的运动循环图运动循环图机构机构机构机构执行件执行件执行件执行件工艺工艺工艺工艺 动动动动 作作作作冲头冲头冲头冲头断料刀断料刀断料刀断料刀辊轮辊轮辊轮辊轮顶杆顶杆顶杆顶杆钳架钳架钳架钳架向向向向 下下下下向向向向 上上上上前停前停前停前停后后后后 停停停停停停停停停停停停停停停停停停停停切刀向前切刀向前切刀向前切刀向前切刀后退切刀后退切刀后退切刀后退切刀前停切刀前停切刀前停切刀前停切刀向前切刀向前切刀向前切刀向前切刀后停切刀后停切刀后停切刀后停停停停停送料送料送料送料摆摆摆摆 动动动动摆摆摆摆 动动动动S1 0180360 0向前向前向后向后机机械械运运动动循循环环图图前前摆摆动动停停切切料料送送停停刀刀后后切切停停刀刀切切 前前切切 停停前前刀刀动动后后刀刀后后退退顶顶 摆摆停停停停O向向向向后后向向前前作业：7-3，7-5，7-6结束结束