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机械运动方案机械运动方案与创新设计与创新设计东华大学机械工程学院孙志宏2021/9/231第一节第一节 机械设计的概念和一般程序机械设计的概念和一般程序概念：机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，设计过程蕴涵着创新和发明。2021/9/232一一般般程程序序2021/9/233第二节第二节 机械运动方案设计机械运动方案设计机械预期的功能要求机械预期的功能要求功能原理设计功能原理设计运动规律设计（工艺动作分解与运动方案选择）运动规律设计（工艺动作分解与运动方案选择）执行机构形式设计（机构型综合）执行机构形式设计（机构型综合）执行系统协调设计（运动循环图设计）执行系统协调设计（运动循环图设计）机构尺度设计机构尺度设计运动和动力分析运动和动力分析绘制执行系统运动简图绘制执行系统运动简图运动方案运动方案设计过程设计过程2021/9/2341.1.执行系统的功能原理设计执行系统的功能原理设计n机械实现的功能要求：工艺要求和使用要求机械实现的功能要求：工艺要求和使用要求n功能原理设计：考虑选择何种工作原理来实现功能原理设计：考虑选择何种工作原理来实现功能要求。例如：齿轮加工可选择仿形法原理功能要求。例如：齿轮加工可选择仿形法原理和范成法原理和范成法原理n机械的功能原理决定了机械产品的技术水平、机械的功能原理决定了机械产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构形式和成本等，是工作质量、传动方案、结构形式和成本等，是一个施展创新能力的空间一个施展创新能力的空间2021/9/235颗粒糖果包装机工作原理颗粒糖果包装机工作原理扭结式扭结式接缝式接缝式折叠式折叠式1.1.执行系统的功能原理设计执行系统的功能原理设计2021/9/2362 2、执行系统的运动规律设计、执行系统的运动规律设计（工艺动作分解与运动方案选择）（工艺动作分解与运动方案选择）其内容为：其内容为：工作原理工作原理 工艺动作工艺动作 动作分解动作分解 运动方案运动方案例例1 1：2021/9/237例例2 2：2021/9/238要点：要点：工艺动作分解是一个创造性的工作。要求工艺动作分解是一个创造性的工作。要求动作简单、合理。分解的方法不同，所得动作简单、合理。分解的方法不同，所得的运动规律也各不相同，所形成的运动方的运动规律也各不相同，所形成的运动方案也不相同。案也不相同。机械运动方案确定是一个创造性的工作。机械运动方案确定是一个创造性的工作。要求方案简单、合理、可靠、完善。要从要求方案简单、合理、可靠、完善。要从多种方案的对比中选出最佳方案。多种方案的对比中选出最佳方案。2021/9/2393.3.执行机构形式设计执行机构形式设计p内容：内容：p运动方案：执行构件数目和运动规律运动方案：执行构件数目和运动规律 p选择或创新执行动作的机构形式选择或创新执行动作的机构形式p原则：原则：p结构简单、运动链短结构简单、运动链短p加工制造简单、易保证较高配合精度加工制造简单、易保证较高配合精度p良好的机械效益（省力）和机械效率（能量良好的机械效益（省力）和机械效率（能量有效利用）有效利用）p机构选型：机构选型：2021/9/2310执行机构运动方式及功能机构类型典型应用实例与原理匀速运动1)连杆机构 平行四边形机构 双转块机构2)齿轮机构3)行星轮系4)摩擦轮传动机车车轮联动机构、联轴器联轴器用于减速、增速和变速用于减速、增速、运动的合成与分解无级变速非匀速转动1)连杆机构 铰链四杆机构 转动导杆机构 曲柄滑块机构2)非圆齿轮机构3)组合机构惯性振动筛、机床牛头刨床、发动机往复移动机构1)连杆机构 曲柄滑块机构 移动导杆机构2)齿轮齿条机构3)凸轮机构 用于冲、压、锻等机械装置缝纫机针头机构可实现匀速运动，用于插床用于控制动作2021/9/2311执行机构运动方式及功能机构类型典型应用实例与原理往复摆动1)连杆机构 曲柄摇杆机构 摇杆滑块机构 摆动导杆机构 曲柄摇块机构2)凸轮机构3)齿轮齿条机构破碎机车门启闭机构具有急回性质，牛头刨床液压摆缸，用于自卸装置间歇运动1)棘轮机构2)槽轮机构3)凸轮机构4)不完全齿轮机构机床进给、转位或分度、单向离合器、超越离合器车床刀架的转位、自动包装机的转位、电影放映机、分度装置、间歇回转工作台2021/9/23122021/9/23133.3.执行机构形式设计执行机构形式设计执行机构形式选择原则执行机构形式选择原则-满足执行机构的工艺动作和运动要求满足执行机构的工艺动作和运动要求-尽量缩短传动链，使机构结构最简单尽量缩短传动链，使机构结构最简单-合理选择运动副形式合理选择运动副形式-选择合理的动力源选择合理的动力源-设计必要的可调环节设计必要的可调环节-执行机构要具有良好的动力特性执行机构要具有良好的动力特性-保证机械使用安全、操作方便保证机械使用安全、操作方便2021/9/23144.4.执行系统协调设计执行系统协调设计各执行构各执行构件的动作件的动作应在时间应在时间和空间位和空间位置上协调置上协调配合。配合。例:冷霜自动灌装机的执行系统协调设计2021/9/2315-空盒由输送带送至转盘空盒由输送带送至转盘上的位置上的位置A A-转盘间歇转动，每次转转盘间歇转动，每次转6060，把空盒间断地，把空盒间断地送到位置送到位置B B-顶杆把顶杆把B B位置的空盒向位置的空盒向上顶起，直到顶杆停在上顶起，直到顶杆停在上止点，冷霜由定量泵上止点，冷霜由定量泵的出料管进入空盒灌霜的出料管进入空盒灌霜-顶杆下降、停顿，转盘顶杆下降、停顿，转盘转动，盒内冷霜表面被转动，盒内冷霜表面被刮料板刮平刮料板刮平-顶杆下降到下止点停止顶杆下降到下止点停止不动，盒被转盘带至位不动，盒被转盘带至位置置CC，由输送带传出送由输送带传出送至盖盒盖工序。至盖盒盖工序。功能原理：功能原理：装料盖盖工序2021/9/2316工艺动作分解：工艺动作分解：-输送带连续运动输送带连续运动-转盘间歇转动转盘间歇转动-顶杆带停歇的上下顶杆带停歇的上下往复移动往复移动-定量泵活塞杆的上定量泵活塞杆的上下往复移动下往复移动 每个动作由一个执每个动作由一个执行机构来实现，通行机构来实现，通过机构的形式设计，过机构的形式设计，确定运动方案如下：确定运动方案如下：2021/9/2317执行机构执行机构1-1-链传动，链传动，实现输送带的连实现输送带的连续运动续运动机械运动方案：机械运动方案：执行机构执行机构3-3-凸轮连凸轮连杆组合机构，实杆组合机构，实现顶杆上下往复现顶杆上下往复移动移动执行机构执行机构2-2-槽轮机槽轮机构，实现转盘间构，实现转盘间歇转动歇转动执行机构执行机构4-4-行程可行程可调连杆机构，实调连杆机构，实现活塞杆上下往现活塞杆上下往复移动复移动 2021/9/2318为便于保证各执行机为便于保证各执行机构在时间上的协调，构在时间上的协调，将各执行机构的主动将各执行机构的主动件直接安装在同一根件直接安装在同一根分配轴上，或通过一分配轴上，或通过一些传动链与分配轴相些传动链与分配轴相联，这样各执行机构联，这样各执行机构由一个电机驱动，运由一个电机驱动，运动由分配轴分路传出。动由分配轴分路传出。主轴2021/9/23191 1)机构机构1 1（链传动机构）（链传动机构）的主动件小链轮通过圆锥-圆柱齿轮与分配轴相联；2 2)机构机构2 2（槽轮机构）（槽轮机构）的主动件曲柄销通过圆锥齿轮与分配轴相联；3 3)机构机构3 3（凸轮（凸轮-连杆组连杆组合机构）合机构）的主动件盘形凸轮直接联在分配轴上；4 4)机构机构4 4（可调行程连杆（可调行程连杆机构）机构）的主动件通过链机构与分配轴相联。2021/9/23201 1）计算机械运动循环周期）计算机械运动循环周期设生产率Q=30盒/min，则机械运动循环的周期为T=60/30=2s，设分配轴对应转3602 2）确定）确定T T 时间内（即分配轴一转内）时间内（即分配轴一转内）各执行构件的行程区段：各执行构件的行程区段：输送带一个行程区段：连续转动；转盘二个行程区段：转位和停歇，其动停比 k=（z-2）/（z+2）=（6-2）/（6+2）=1/2，即一个循环周期内，1/3时间转动，2/3时间停歇；顶杆六个行程区段：上、停、下、停、下、停定量泵活塞杆二个行程区段：上、下4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计2021/9/23213 3）确定协调原则）确定协调原则-为了保证较高生产率，应缩短机械工作周期，这就要求各执行构件的动作在时间上有一部分重合；-顶杆与活塞杆的操作对象是同一个空盒，它们的运动时间应协调，顶杆未将空盒顶到预定位置时，活塞杆不能将冷霜压出；-在注意时间上的协调性之外还要 注意空间位置上的协调性，如转 盘未停止时顶杆不能上升到顶起 位置，否则运动干涉，机件损坏。4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计2021/9/23224 4）绘制机械运动（工作）循环图）绘制机械运动（工作）循环图p定义：用以表明在机械一个工作循环中各执行构件运动配合关系的图形p形式：直线式、圆周式、直角坐标式p定标构件：由于机械在主轴或分配轴转动一周或几周内完成一个工作（运动）循环，故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来绘制p循环图起始点：选取某一主要执行构件作为参考件，并取其生产工艺的起始点作为运动循环图的起始点p循环图功能：保证各执行构件协调配合并为机械系统的安装调试提供依据（如确定凸轮分配轴上各凸轮的相位）。4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计2021/9/2323输送带转盘顶杆活塞杆分配轴转角0 90 180 270 3604016025010mm8mm2mm直角坐标式运动循环图4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计4 4）绘制机械运动（工作）循环图）绘制机械运动（工作）循环图绘制冷霜自动灌装机的运动循环图。取分配轴为定标构件，取顶杆工艺动作的起始点作为运动循环图的起始点。2021/9/2324分配轴转角分配轴转角输送带输送带转盘转盘顶杆顶杆活塞杆活塞杆连连 续续 运运 动动停停转转停停上上停停停停停停下下下下下下上上装料装料0 90 180 270 36040160250直线式运动循环图直线式运动循环图4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计4 4）绘制机械运动（工作）循环图）绘制机械运动（工作）循环图2021/9/2325输输送送带带连连续续运运动动活活塞塞杆杆向向下下活活塞塞杆杆向向上上转转盘盘转转转转盘盘停停顶顶杆杆上上顶顶杆杆停停下下停停下下顶顶杆杆顶顶杆杆停停090180270圆周式运动循环图圆周式运动循环图4.4.执行系统协调设计执行系统协调设计4 4）绘制机械运动（工作）循环图）绘制机械运动（工作）循环图2021/9/23265.5.机械运动方案评价机械运动方案评价同一功能同一功能 不同原理不同原理 不同运动方案不同运动方案同一原理同一原理 不同动作分解不同动作分解 不同运动方案不同运动方案同一动作分解同一动作分解 不同机构形式不同机构形式 不同运动不同运动方案方案2021/9/2327科学的评价和决策科学的评价和决策从技术、经济、安全可靠三方面进行评价，其中技术方面的因素即功能和技术性能的指标占较大比例。2021/9/2328评价方法分为评价方法分为1 1经验法经验法2 2数学法数学法3 3试验法试验法 课程设计采用经验评价法，根据自己的经验对方案作粗略的定性评价。2021/9/2329