機械原理課程設計指導書

1、第1章 概 述1.1 機械設計的過程、內(nèi)容及機械原理課程設計的意義設計是創(chuàng)造性的建立滿足功能要求的技術系統(tǒng)的活動過程。機械設計的步驟和內(nèi)容一般可分為四個階段，即：產(chǎn)品規(guī)劃階段、方案設計階段、詳細設計階段和改進設計階段。1. 產(chǎn)品規(guī)劃階段本階段主要是通過市場調(diào)查了解市場需求，做出市場預測，對產(chǎn)品開發(fā)的可能性作綜合研究并提出可行性報告，本階段最終目的是確定任務并給出詳細的設計任務書。2. 方案設計階段通過規(guī)劃階段明確了設計任務，確定了系統(tǒng)的功能。當然能實現(xiàn)同一功能的系統(tǒng)可以有不同的工作原理，同一原理又可以有不同的運動方案。通過功能分析并確定了工作原理的基礎上進行工藝動作構思，初步擬定出從原動機經(jīng)傳

2、動機構到執(zhí)行機構的運動方案，并畫出各執(zhí)行構件動作相互協(xié)調(diào)配合的運動循環(huán)圖，設計各執(zhí)行機構，畫出機構運動簡圖并作機構的運動學分析和動力學分析計算，這是機械產(chǎn)品方案設計階段的主要內(nèi)容。3. 詳細設計階段 該階段是將機械運動簡圖具體化為機器及零部件的合理結構。完成機械產(chǎn)品的總體設計、部件和零件設計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設計說明書等技術文件。4. 改進設計階段本階段的主要任務是根據(jù)試驗、使用、鑒定所暴露的問題，進一步做出相應的技術完善工作，以確保產(chǎn)品的設計質(zhì)量。設計是一個創(chuàng)新的過程，而在設計的四個階段中，方案設計的創(chuàng)新及其優(yōu)劣尤為重要，它對機械系統(tǒng)功能的實現(xiàn)、性能的好壞、經(jīng)濟性及其市場競爭力具有決定

3、性的作用，直接關系到機械設計全局的成敗，因此機械系統(tǒng)的方案設計在整個機械設計中占有極其重要的地位。而機械原理課程的內(nèi)容正是為方案設計提供了理論依據(jù)和基本方法，機械原理課程設計則是機械系統(tǒng)運動方案設計的一個綜合訓練。機械原理課程設計是本科階段的第一個課程設計，它對初步掌握機械系統(tǒng)的方案設計和了解機械設計的內(nèi)容和方法具有重要意義。1.2 課程設計的目的通過綜合運用機械原理及相關課程所學內(nèi)容，針對一個實際機械系統(tǒng)完成課程設計，達到以下目的：1. 鞏固和加深對機械原理課程內(nèi)容的理解；2. 初步掌握機械系統(tǒng)方案設計的方法并對機械設計的全過程有個初步了解；3. 培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，并對學生的

4、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新方法進行初步訓練；4. 培養(yǎng)學生自學、查閱資料和獨立工作的能力，同時培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神；5. 培養(yǎng)學生運用計算機技術解決實際工程的能力。第2章 機械系統(tǒng)運動方案設計機械系統(tǒng)運動方案的設計就是要完成從原動機、傳動機構到執(zhí)行機構的方案設計，其中傳遞動力和實現(xiàn)預期運動是機械系統(tǒng)的兩個基本任務，執(zhí)行機構或執(zhí)行構件的運動參數(shù)和力參數(shù)是設計的原始依據(jù)，機械系統(tǒng)運動方案設計的結果就是要完成一份滿足系統(tǒng)功能要求的運動簡圖。其中執(zhí)行機構的設計是方案設計的核心。2.1 機械運動方案設計的步驟與內(nèi)容方案設計的主要步驟如圖2-1流程圖所示，其主要內(nèi)容包括功能原理方案的設計和構思；機械運動方案的設計和

5、機械運動系統(tǒng)的尺度綜合。圖2-1 機械運動方案設計流程圖下面簡述主要步驟的大致內(nèi)容: 分析確定系統(tǒng)的總功能，明確任務的功能目標 對于總功能的描述要抓住本質(zhì)，盡量做到準確合理的描述，這樣即可使設計目的明確又可以開闊思路。對于總功能的分析常采用“黑箱法”，即把待設計的系統(tǒng)看作為一個內(nèi)容未知的“黑箱”，如圖2-2所示，根據(jù)已知的待設計系統(tǒng)的輸入和輸出的能量流、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換關系，便可反映出系統(tǒng)的總功能。例如圖2-3所示，對一沖床的系統(tǒng)功能分析，輸入的是機械能、板料、控制訊號，而輸出的是沖制好的工件和余下的邊角料。通過對系統(tǒng)輸入與輸出的主要內(nèi)容分析可知，沖床系統(tǒng)的功能是使物料變形和分離。圖2-2

6、 黑箱圖 圖2-3沖床系統(tǒng)的功能分析 功能原理設計當明確了主功能后，應針對主功能提出一些原理性構思，即所謂的“功能原理設計”。因為要實現(xiàn)同一功能要求，可以有不同的功能原理，而不同的功能原理則有不同的工藝動作，其執(zhí)行機構的運動方案也將不同。 圖2-4 點鈔機功能原理構思1- 推力 2-摩擦力 3-離心力 4-重力 5-粘力 6-氣吹 7-氣吸 8-靜電例如：設計一點鈔機，關鍵是如何將鈔票分離的工作原理。圖2-4所示即為其功能原理的構思示意圖，從圖中可以看出，要達到使鈔票分離可以通過多種“物理效應”來實現(xiàn)，如圖中的摩擦、離心力、氣吹等。然后利用某種“作用原理”，如圖中的摩擦輪、轉(zhuǎn)動架、氣嘴等，最后

7、達到“功能目標”的結果。又如，要加工螺栓上的螺紋，可以采用車削加工原理、滾壓工作原理和套絲工作原理。這幾種不同的螺紋加工原理適用于不同的工況，滿足不同的加工需要和加工精度要求，其執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案也不一樣。功能原理設計的重點在于提出創(chuàng)新構思，使思維盡量 “發(fā)散”，力求提出盡量多的方案以供評價選優(yōu)，因為不同的功能原理可能帶來本質(zhì)的變化，對產(chǎn)品的成敗常常起到?jīng)Q定性的作用。 功能分解 初定了主要功能的工作原理后，還需做功能分解，因為對于一般的機械系統(tǒng)很難直接找到滿足總功能的系統(tǒng)解，因此，需將總功能分解到可以直接求解的功能元，在機械產(chǎn)品中就是將工藝動作過程分解為若干個執(zhí)行機構。由總功能、分功能、功能元

8、組成的系統(tǒng)，即為功能樹，樹的末端是功能元。前級功能是后級功能的目的功能，而后級功能是解決前級功能的手段功能。 功能元求解 針對功能元再尋求功能元的解，即尋求滿足功能元動作的執(zhí)行機構。這個過程也常常稱為執(zhí)行機構的形式設計，或稱執(zhí)行機構的行綜合。注意這個過程仍然要采用“發(fā)散性思維”，即凡是能滿足功能元功能的所有的“物理效應”的解都作為初步解列出來，這是一項極具創(chuàng)造性的工作，因此可以說是一個展示你創(chuàng)造性思維的活躍階段。例如要實現(xiàn)一工件的夾緊功能，可以采用機械力、電磁力或液體壓力等。同一原理又可以有若干方案，如機械力可以分別通過斜面、凸輪、螺旋等機械來實現(xiàn)。如果一個功能元有m個解決原理，而一種原理又有

9、n個解，經(jīng)排列組合則這個功能元的解可以有m ´ n個方案。把各功能元的解建在一個直角坐標上，便形成了一個“形態(tài)學矩陣”，通過這個矩陣可以組合若干方案。然后再作評價選優(yōu)。例如：設計挖掘機，對其總功能與分功能的分析如圖2-5所示。圖2-5 挖掘機的功能分解圖由此進一步列出形態(tài)學矩陣如表2-1：表2-1 挖掘機的總體設計形態(tài)學矩陣分功能解 法123456A. 動力源B. 移位傳動C. 移 位D. 取物傳動E. 取 物電動機齒輪傳動軌道及車輪拉 桿挖 斗汽油機蝸桿傳動氣 墊繩傳動鉗式斗柴油機帶傳動履 帶氣缸傳動抓 斗蒸汽透平鏈傳動輪 胎液壓缸傳動液動機液力耦合器氣動馬達行星輪傳動可能組合方案

10、 N = 6´6´4´4´3 = 1728如按A1+B4+C3+D4+E1組合，則得到履帶式挖掘機；按A5+B5+C4+D4+E5組合，則得到液壓輪胎式挖掘機。在機構選型時要注意以下幾點： 要仔細分析透工藝動作的要求； 要熟悉各種基本機構及其變異、組合，了解其運動特性，會靈活選用機構設計手冊或其它機構專著中各種型式的機構； 要多積累機構選型方面的知識，具有較豐富的實踐經(jīng)驗，如選不到合適的機構型式時，還要會創(chuàng)造性地構思出合適的機械型式，以滿足運動要求。具體選型時，還應考慮到原動機的類型，并注意機構選型的基本原則。執(zhí)行機構的輸入運動都是從原動機經(jīng)過變速、傳動

11、裝置傳遞過來的，原動機的型式直接影響執(zhí)行機構選用的型式，所以機構選型時要考慮采用何種原動機。表2-2列出了常用原動機的運動型式。不同的原動機型式，在同樣的執(zhí)行構件運動形式下，要求選用不同的執(zhí)行機構，表2-3列舉一些為實現(xiàn)某一執(zhí)行構件運動形式采用不同的原動機可以采用的執(zhí)行機構型式。表2-2 常用原動機的運動型式序 號運動型式原動機類型性 能 與 特 點1連續(xù)轉(zhuǎn)動電動機結構簡單、價格低、維修方便、單機容量大內(nèi)燃機機動靈活性好，但初始成本高2往復移動直線電動機結構簡單、維修方便活塞式油缸或氣缸尺寸小、易調(diào)速、速度低、運轉(zhuǎn)費用較高3往復擺動雙向電動機結構簡單、維修方便擺動活塞式油缸或氣缸尺寸小、易調(diào)速

12、、速度低、運轉(zhuǎn)費用較高表2-3 采用不同原動機實現(xiàn)同一執(zhí)行構件運動形式的分析序 號原動機類型執(zhí)行構件運動型式可采用的執(zhí)行機構型式1電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動雙曲柄機構、齒輪機構、轉(zhuǎn)動導桿機構、萬向聯(lián)軸節(jié)等。2電動機往復擺動曲柄搖桿機構、擺動導桿機構、擺動從動桿凸輪機構、曲柄搖塊機構等。3電動機往復移動曲柄滑塊機構、直動從動件凸輪機構、齒輪齒條機構等。4電動機單向間歇轉(zhuǎn)動槽輪機構、曲柄搖桿機構與棘輪機構串聯(lián)而成的機構組合、不完全齒輪機構等。5擺動活塞式氣缸往復擺動平行四邊形機構、曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、雙曲柄機構。6擺動活塞式氣缸單向間歇轉(zhuǎn)動棘輪機構、曲柄搖桿機構與槽輪機構的組合、曲柄搖桿機構與不完全齒輪

13、機構的組合等。各執(zhí)行構件的運動形式已經(jīng)確定之后，選用什么樣的執(zhí)行機構，機構選型時應遵循的原則列于表2-4。表2-4 選用執(zhí)行機構的原則與方法序 號機 構 選 型 原 則實 施 辦 法1依照生產(chǎn)工藝要求,選擇恰當?shù)臋C構型式和運動規(guī)律 按執(zhí)行構件運動形式選用相應的機構型式； 選用機構的運動誤差不超過允許限度，可以采用近似的實現(xiàn)運動規(guī)律的機構； 機構的執(zhí)行構件在工作循環(huán)中的速度、加速度的變化應符合要求，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。2結構簡單、尺寸適度、在整體布置上占的空間小，達到布局緊湊 機構的結構在滿足要求時力求簡單、可靠； 由主動（輸入）件到從動件（執(zhí)行構件）間的運動鏈要盡量短，它包括構件和運動副數(shù)盡量減少

14、。3制造加工容易 在采用低副機構時，轉(zhuǎn)動副容易加工，易保證運動副元素的配合精度，移動副元素加工較困難，不易保證配合精度； 采用高副機構可以減少運動副和構件數(shù)，但高副元素形狀一般較為復雜，制造較困難。4考慮動力源的形式 有氣、液源時常利用氣動、液壓機構以簡化機構結構，便于調(diào)節(jié)速度； 一般采用電動機，但要考慮合適的傳動裝置將原動機的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機構的相關運動。5動力特性要好 考慮機構的平衡，使動載荷最??； 執(zhí)行構件的速度、加速度變化應符合要求； 采用最大傳動角的機構以減小原動軸上的力矩。6具有較高的生產(chǎn)效率與機械效率 機構的傳動鏈盡量短； 盡量少采用移動副（易發(fā)生楔緊或自鎖現(xiàn)象）； 合適的機

15、構型式，可提高生產(chǎn)效率； 機構的動力特性要好； 執(zhí)行機構的選擇要考慮到動力機的運動方式、功率、扭矩及其載荷特性能夠相互匹配協(xié)調(diào)； 機構的傳力特性好，有利于機械效率的提高。 機械系統(tǒng)運動方案綜合當按照工藝動作要求選擇好執(zhí)行機構后，則要進一步擬定總體方案，即作動力源、傳動系統(tǒng)及執(zhí)行機構的確定。通過前面求各執(zhí)行機構的解所建立起的形態(tài)學矩陣，經(jīng)排列組合可以得到大量的系統(tǒng)設計方案，但在組合時要注意考慮以下幾點：(1) 設計的附加要求；（2）設計的全局要求；（3）功能元解的相容性。在方案組合的基礎上，再對這些方案深入分析，進行評價和決策選優(yōu)，其中評價是對各種方案進行比較和評定，而決策則是根據(jù)目標和評價結果

16、選定最佳方案。評價的目標一般包括三個方面的內(nèi)容：(1) 技術評價：評價方案技術上的可行性和先進性，包括工作性能指標、可靠性、使用維護性等；(2) 經(jīng)濟評價：評價方案的經(jīng)濟效益，包括成本（生產(chǎn)成本和使用成本要綜合考慮）、利潤、實施方案的措施費用及投資的回收期以及市場占有率等。(3) 社會評價：評價方案實施后對社會帶來的利益和影響，包括是否符合國家科技發(fā)展的政策，是否有益于改善環(huán)境（環(huán)保因素），是否有利于資源開發(fā)和新能源的利用，是否有利于可持續(xù)性發(fā)展等。常用評價方法可以分為簡單評價法、數(shù)學分析法、試驗評價法三大類。具體選用哪種方法可以根據(jù)問題的復雜程度和重要程度來決定。常用的方法有：排隊法、點評價

17、法、評分法等。這些方法操作簡單，一般適合初評或定性評價。另外像技術經(jīng)濟評價法、有效價值法、模糊評價法的評價結論則更趨合理。 執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào)設計(即運動循環(huán)圖設計)1. 概述運動循環(huán)圖是保證執(zhí)行機構動作協(xié)調(diào)配合不發(fā)生干涉及保證高生產(chǎn)率的一個重要環(huán)節(jié)，在機械設計，以及在以后的制造、安裝、調(diào)試、維修中都將有重要作用。其應用主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1) 確定各執(zhí)行機構原動件在主軸上的方位，或者控制各個執(zhí)行機構原動件的凸輪安裝在分配軸上的方位；(2) 指導各執(zhí)行機構的具體設計；(3) 作為裝配、調(diào)試自動機械的依據(jù)；(4) 作為分析、研究提高機械生產(chǎn)率途徑的基本文件；(5) 作為分析、研究各執(zhí)行機構的

18、動作如何緊密配合，相互協(xié)調(diào)的重要文件。常用的運動循環(huán)圖有三種表示方法，即直線式循環(huán)圖、圓周式循環(huán)圖和直角坐標式循環(huán)圖。三種方法各有其特點。直線式循環(huán)圖能清楚地表示整個運動循環(huán)由各執(zhí)行機構的執(zhí)行構件行程之間的相互順序和時間（或轉(zhuǎn)向）的關系，繪圖簡單，但無法顯示執(zhí)行構件的運動規(guī)律。圓周式循環(huán)圖直觀性較強，因為機器的運動循環(huán)通常是在分配軸轉(zhuǎn)周的過程中完成。所以通過它能直接看出各個執(zhí)行機構原動件在分配軸上所處的相位，便于凸輪機構的設計、安裝、調(diào)試。但同心圓太多時，看起來不清楚。直角坐標式循環(huán)圖不僅能清楚地看出各執(zhí)行機構的運動起止時間，而且各機構執(zhí)行機構的運動規(guī)律、位移情況及相互關系一目了然，并可指導執(zhí)

19、行機構的幾何尺寸設計。圖2-6是以牛頭刨床為例用三種方法表示的運動循環(huán)圖圖2-6 牛頭刨床的運動循環(huán)圖2. 運動循環(huán)圖的設計步驟與方法運動循環(huán)圖一般是在機器的傳動方式以及執(zhí)行機構的結構均已初步擬定好后再進行。(1) 首先確定執(zhí)行機構的運動循環(huán)時間T執(zhí)。實際就是指執(zhí)行機構的一個工作循環(huán)所占用的時間。例如一曲柄搖桿機構，曲柄為原動件，n曲 = 20 r/min，搖桿為執(zhí)行構件，曲柄每轉(zhuǎn)一周360º，搖桿往復一次完成一個工作循環(huán)，則其運動循環(huán)時間為T執(zhí) = 1/ n曲 = 3 s。(2) 確定組成循環(huán)的各個區(qū)段 運動循環(huán)中一般有工作行程、空回行程和停歇區(qū)段，為了提高生產(chǎn)率，一般應使空回行程

20、盡量短，這樣機構就存在急回特性，要根據(jù)工藝要求確定其行程速比系數(shù)K。(3) 確定執(zhí)行構件各區(qū)段運動的時間及相應的分配軸轉(zhuǎn)角在確定了執(zhí)行機構的運動循環(huán)時間T執(zhí) 和組成循環(huán)的各個區(qū)段后，即可進一步確定執(zhí)行構件各區(qū)段運動的時間及相應的分配軸轉(zhuǎn)角。例如：在曲柄搖桿機構中，執(zhí)行機構搖桿的運動循環(huán)時間為：T執(zhí) = t工作 + t空程 = 2 + 1 = 3 s，與此相應的曲柄軸轉(zhuǎn)角（即分配軸轉(zhuǎn)角）360°= 工作 + 空程 = 240°+ 120°。(4) 初步繪制執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖根據(jù)以上計算，選定比例系數(shù)即可畫出相應執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖。(5) 對各執(zhí)行機構作同步化設計

21、，最后畫出整機的運動循環(huán)圖。同步化設計包括：運動循環(huán)的時間同步化和空間同步化。當各個執(zhí)行機構的運動循環(huán)圖都繪制好以后，必須按其工藝動作的順序?qū)⑺鼈兦‘數(shù)亟M合在一起，繪出整臺機器的工作循環(huán)圖。這時應考慮到各執(zhí)行機構在時間和空間的協(xié)調(diào)性，即不僅在時間上各執(zhí)行機構要按一定的順序進行（稱為運動循環(huán)的同步化），而且在空間上各執(zhí)行機構在工作過程中不產(chǎn)生空間位置的相互干涉（稱為運動空間的空間同步化）。在滿足時間同步化時，不是簡單地讓最大運動循環(huán)時間等于各執(zhí)行機構循環(huán)時間之和，還應考慮盡量提高生產(chǎn)率，各執(zhí)行機構在不發(fā)生干涉的情況下可以交錯運行，空間同步化的協(xié)調(diào)也是同樣。 機構尺度設計運用所學方法設計各執(zhí)行機構

22、，初步確定機構尺寸，畫機構運動簡圖。 性能參數(shù)計算運用所學方法對各初選方案進行運動分析、動力學分析及相關計算。 方案評價與決策對方案作技術、經(jīng)濟及社會評價，必要時作反饋修改，最后從中選擇最優(yōu)方案。 繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫設計計算說明書將選定的最優(yōu)方案繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫總體方案設計計算說明書。2.2 機械運動方案設計舉例 壓片機加壓機構方案創(chuàng)新設計 設計要求1. 工藝參數(shù)：(1) 要求將陶瓷干粉壓制成直徑為35 mm，厚度為5 mm的圓形片坯；(2) 沖頭壓力：15噸（150000 N）；(3) 生產(chǎn)率：25片/分鐘；(4) 機器運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù) = 0.1。2. 工藝流程： (1) 干粉料均

23、勻篩入圓筒形型腔（圖2-7 a）；(2) 下沖頭下沉3 mm，預防上沖頭進入型腔時把粉料撲出（圖2-7b）；(3) 上、下沖頭同時加壓（圖2-7 c），并保壓一段時間； (4) 上沖頭退出，下沖頭隨后頂出壓好的片坯（圖2-7 d）；(5) 篩料同時推出片坯（圖2 -7e）。圖2-7 干粉壓片機工藝過程 設計過程1. 功能分析根據(jù)任務書要求，由圖2-8黑箱圖分析得知該系統(tǒng)的主功能為將粉料壓制成型，為完成主功能又可分解為四個分功能，即上沖頭的壓下，下沖頭的壓上，篩料推片和成型模具(圓筒形型腔)，如圖2-9所示。然后，尋求滿足各分功能元的盡可能多的物理解。圖2-8總功能分析 圖2-9 總功能分解2.

24、 功能元求解要實現(xiàn)上沖頭運動的主加壓機構應有下述幾種基本運動功能： (1) 上沖頭要完成每分鐘25次往復移動運動，所以機構的主動構件轉(zhuǎn)速應為25 r¤min，若以電動機作為原動力，則主加壓機構應有運動縮小的功能； (2) 因上沖頭是往復運動，故機構要有運動交替的功能； (3) 原動機的輸出運動是轉(zhuǎn)動，上沖頭是直移運動，所以機構要有運動轉(zhuǎn)換的功能； (4) 因有保壓階段，所以機構上沖頭在下移行程末端有較長的停歇或近似停歇的功能； (5) 因沖頭壓力較大，所以希望機構具有增力的功能，以增大有效作用力，減小原動機的功率。先取上述(1)、(2)、(3) 三種必須具備的功能來組成機構方案。若每

25、一功能僅由一類基本機構來實現(xiàn)，如圖2-10所示，共有六種動作結構，可組合成100多種方案。在這許多方案中，有些機構，如曲柄滑塊機構，就兼有運動轉(zhuǎn)換和交替換向的功能。這樣，有些方案的動作結構或機構組合就顯得繁瑣而不合理，因而可以直觀進行判斷，從而舍棄一些方案。例如，我們可從中選出如圖2-11所示的四種方案作為評選方案。這種做法似乎比較繁瑣，但它的好處是可以開闊思路，盡量考慮周全，少漏掉一些可行方案。特別對于初次進行設計者更顯必要。由于上沖頭在下移行程的末端還有停歇和增力的附加要求，所以對上述方案要再作增改。圖2-10 實現(xiàn)給定功能的基本機構要使機構從動件(執(zhí)行構件)在行程末端停歇，即運動速度為零

26、，大致有下述幾種方法： 使機構的運動副或運動鏈暫時脫離，這可采用基本機構的變異機構，如槽輪機構(圖2-12 b)。也可采用換向機構或離合器（圖2-12 c），當換向輪處于中間位置時，從動件A、B 螺桿停歇。 如圖2-11中方案一、三用轉(zhuǎn)動凸輪推動從動件，則與從動件行程末端相應的凸輪廓線用同心圓弧廓線時，從動件在行程末端停歇。曲線導桿機構 (圖2-12 a) 也有同樣的作用。 在機構串聯(lián)組合時，使兩機構的從動件均在速度零位時串接。因為速度零位附近的速度一般也較小，這就使得串聯(lián)組合機構輸出構件的速度在較長一段時間內(nèi)接近為零。如圖2-11方案四所示。 用其它方式組合機構。如用軌跡點串聯(lián)時，當軌跡點在

27、直線段或圓弧段上運動時，從動件停歇。并聯(lián)組合時，將兩個輸入構件的運動規(guī)律相加，可使輸出構件的速度在預定區(qū)域接近于零。圖2-11 壓片機機構的四個方案圖2-12 按停歇要求補充的幾個方案至于機構增力的要求，它與機構停歇的要求，從功率傳遞的角度來看，有著內(nèi)在的聯(lián)系。因為，若不計摩擦損耗時，輸入、輸出功率應相等，即Mw M1w1，所以速度低時，發(fā)力大。根據(jù)這個道理，可使沖頭在下移行程末端8 mm的范圍內(nèi)有足夠低的速度，這是增力措施之一。此外，合適地安排機構構件的相對位置，使其得到良好的傳力條件即得到較大的有效作用力，也是一種“增力”的辦法。所以，這類要求不必另立方案，只需在選擇的方案中將構件作適當?shù)?/p>

28、配置就可以了。至此，在圖2-11、2-12等所示的幾種方案中，已充分考慮了所提出的功能要求。為了進一步評價選優(yōu)和下一步的系統(tǒng)方案綜合，可以將初選方案整理成圖表形式，畫出簡圖并作滿足功能情況和性能說明以作下一步備用。評價選優(yōu)機構方案: 按照前述的方案評選原則，充分分析各方案的優(yōu)缺點，然后選出幾個比較合適的方案。方案一、三都采用了凸輪機構。凸輪機構雖能得到理想的運動規(guī)律，但要使從動件達到90l00 mm的行程，凸輪的向徑比較大，于是凸輪機構的運動空間也較大。而且凸輪與從動件是高副接觸，不宜用于低速、大壓力的場合。 方案二采用曲柄滑塊機構，曲柄長度僅為滑塊行程的一半，機構結構簡潔，尺寸較小，但滑塊在

29、行程末端只作瞬時停歇，運動規(guī)律不理想。如用方案四，將曲柄搖桿機構和曲柄滑塊機構串聯(lián)，則可得到比較好的運動規(guī)律，尺寸也不致過大。又因為它是全低副機構，宜用于低速、重載的場合。 其余方案雖也可達到所要求的機構功能，但均不如前述幾個方案的結構簡潔。所以，選用方案四是比較適宜的。至于下沖頭機構和料篩機構，也可按照上述方法選定方案，不再詳述。前者因位移不大，運動規(guī)律復雜，可考慮用凸輪機構；后者因要完成振動動作，所以可用凸輪機構完成小振動動作，用串聯(lián)的連桿機構實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換和放大。3. 系統(tǒng)方案綜合及評價選優(yōu)將各功能元方案經(jīng)評價選優(yōu)列出若干方案并建立起形態(tài)學矩陣，經(jīng)排列組合可以得到大量的系統(tǒng)運動方案，再經(jīng)評

30、價選優(yōu)得出最佳系統(tǒng)運動方案。因為該機械系統(tǒng)包含從原動機到傳動機構到各執(zhí)行機構的傳動系統(tǒng)，該機械系統(tǒng)有三套工作執(zhí)行機構，為使其成為一個單自由度機器，故最后選擇了圖2-13所示等速聯(lián)接機構。圖2-13 機械傳動示意圖4. 完成機械運動循環(huán)圖 圖2-14 三執(zhí)行構件運動線圖要保證系統(tǒng)的正常工作，須使三個執(zhí)行機構協(xié)調(diào)運動，故需做機構運動的協(xié)調(diào)設計，即機械運動循環(huán)圖的設計，現(xiàn)分析如下：所選系統(tǒng)具有一個模具 (圓筒形型腔) 和三個執(zhí)行構件 (一個上沖頭，一個下沖頭和一個料篩)。根據(jù)工藝過程，三個執(zhí)行構件的運動形式為：(1) 上沖頭完成往復(鉛垂上下)直移運動，下移至終點后有短時間的停歇，起保壓作用，因沖頭

31、上升后要留有料篩進入的空間、故沖頭行程約為90100 mm。若機構主動件一轉(zhuǎn) (2p)完成一個運動循環(huán)，則上沖頭位移線圖的形狀大致如圖2-14 a所示。(2) 下沖頭先下沉3 mm，然后上升8 mm (加壓) 后停歇保壓，繼而上升16 mm，將成形片坯頂?shù)脚c臺面平齊后停歇，待料篩將片坯推離沖頭后再下移21 mm到待裝料位置。其位移線圖大致如圖2-14 b所示。(3) 料篩在模具型腔上方往復振動篩料，然后向左退回，待坯料成形并被推出型腔后，料篩再在臺面上右移約4550 mm推移成形片坯，其位移線圖大致如圖2-14 c所示。(4) 各執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào) 擬定運動循環(huán)圖的目的是確定各機構執(zhí)行構件動作

32、的先后順序、相位，以利于設計、裝配和調(diào)試。上沖頭加壓機構主動件每轉(zhuǎn)完成1個運動循環(huán)，所以擬訂運動循環(huán)圖時，以該主動件的轉(zhuǎn)角作為橫坐標 (0°360°)，以各機構執(zhí)行構件的位移為縱坐標畫出位移曲線。運動循環(huán)圖上的位移曲線主要著眼于運動的起止位置，而不必準確表示出運動規(guī)律。圖2-15 壓片機運動循環(huán)圖例如，料篩退出加料位置 (圖2-15中線段) 后停歇。料篩剛退出，下沖頭即開始下沉3 mm (圖2-15中)。下沖頭下沉完畢，上沖頭可下移到型腔入口處 (圖2-15中)，待上沖頭到達臺面下3 mm處時，下沖頭開始上升，對粉料兩面加壓，這時，上、下沖頭各移8 mm (圖2-15中)，

33、然后兩沖頭停歇保壓 (圖2-15中)，保壓時間約0.4秒，即相當于主動件轉(zhuǎn)60°左右。以后，上沖頭先開始退出，下沖頭稍后并稍慢地向上移動到和臺面平齊，頂出成形片坯 (圖2-15中)。下沖頭停歇待卸片坯時，料篩推進到型腔上方推移片坯 (圖2-15中)。下沖頭下移21 mm的同時，料篩振動粉料 (圖2-153中) 而進入下一個循環(huán)。擬定運動循環(huán)圖 (圖2-15) 時，還要注意一個問題，即各機構執(zhí)行構件的動作起止位置可視具體情況重疊安排。例如上沖頭還未退到上頂點，料篩即可開始移動送進；而料篩尚未完全退回，上沖頭已開始下行，只要料篩和上沖頭不發(fā)生碰撞 (阻擋) 即行。這樣安排，可增長執(zhí)行構件

34、的運動時間，減小加速度，從而改善機構的運動和動力性能。確定運動循環(huán)圖后，即可據(jù)此擬訂合適的運動規(guī)律曲線，進行機構設計。必要時，再對設計的機構進行運動分析，用分析得到的位移規(guī)律到運動循環(huán)圖上觀察機構運動是否協(xié)調(diào)。若有不當之處，應將運動循環(huán)圖作適當修正。5. 機構的尺度設計 根據(jù)運動循環(huán)圖所確定的運動規(guī)律對三個機構分別進行設計。此外，當各機構按運動循環(huán)圖確定的相位關系安裝以后，應能作適當?shù)恼{(diào)整，故在機構之間還需設置能調(diào)整相位的環(huán)節(jié) (也可能是機構)。要完成上述幾種機構的設計，對課程設計來說，工作量太大，因此，這里也只就其中的一個機構上沖頭主加壓機構敘述其設計過程。機構尺度設計的方法很多，這里僅介紹

35、一種方法，供參考。方案四是由曲柄搖桿機構和曲柄滑塊機構串聯(lián)而成的組合機構，屬構件固接式串聯(lián)組合。今將第一個機構的輸出構件 (在速度為零的位置) 和第二個機構的輸入構件 (在其輸出構件速度接近為零時的位置) 固接起來，即機構串聯(lián)起來，那么，在這個位置附近（一段較長時間）組合機構的輸出構件將近似停歇。其原理說明如下：假設已知曲柄滑塊機構的運動規(guī)律s-j2 (圖2-16 a)，圖2-16 b所示為該機構正處于滑塊速度接近于零的位置；曲柄搖桿機構的運動規(guī)律y1-j1如圖2-16c實線所示，而圖2-16 d所示為該機構搖桿OA¢A¢正處于速度為零的位置。若將圖2-16 b、d所示的兩

36、個機構就在圖示位置串聯(lián)，則串聯(lián)以后構件OAA和OA¢A¢成為一個構件 (圖2-16 e)，因此，第一個機構中的jl和第二個機構中的j2有如下關系式中j0為一常數(shù)，所以若將圖2-16 c的坐標j1用j2表示，則相當于曲線平移了一個距離j0 (如虛線所示)。當s-j2和y1-j2如圖2-16 a、c所示安排時，則沿圖中箭頭所示定向從得，由得s¢，而從、得到y(tǒng)1-s曲線上的一點，依此可得出一條y1-s曲線。從圖a、c的局部放大圖f中可知，在y1由b-c-0-a的區(qū)域內(nèi)(轉(zhuǎn)角約70°)，滑塊的位移s約在接近零的一個很小的范圍 (約0.37 mm) 內(nèi)運動，依靠運

37、動副的間隙，可近似認為這時滑塊是停歇的。由此看來，若使s-j2曲線上s為零的附近的一段曲線變化比較平緩，y1-j1曲線在y1的最小值附近的曲線也比較平緩的話，滑塊近似停歇所占的y1角就比較大；又為了使構件A¢B¢受的力小些，同時也使機構能得到比較合理的布置，可將曲柄搖桿機構OA¢A¢B¢OB¢整個繞逆時針向轉(zhuǎn)一個角度j0，如圖2-16 g所示，這并不影響機構的運動性能，反而改善了構件的受力條件。圖2-16 主加壓機構設計原理圖2-17 曲柄滑塊機構和曲柄搖桿機構特性 根據(jù)上述分析，該機構可按如下步驟設計：(1) 確定曲柄滑塊機構尺寸。

38、根據(jù)曲柄滑塊機構特性(圖2-17 a)，llr愈小，在s 0處的位移變化愈大，所以應選較大的l；但l 愈大，從s = 0到90100 mm的位移所需曲柄的轉(zhuǎn)角q 也愈大；又因為曲柄是與曲柄搖桿機構中的搖桿串聯(lián)的，而搖桿的轉(zhuǎn)角應小于180°，且希望取小一些為好。所以，應取一個合適的曲柄長度和l 值，滿足滑塊有90l00 mm的行程而曲柄轉(zhuǎn)角則在60°左右，同時在j2 178°182°的范圍內(nèi)滑塊位移不大于0.4 mm或更小 (可近似看作滑塊停歇)。如圖2-18所示。(2) 確定曲柄搖桿機構尺寸。在壓片位置，機構應有較好的傳動角。所以，當搖桿在OAA位置時，

39、曲柄搖桿機構的連桿AB¢與OAA的夾角應接近90°。此時，OB¢若選在AB¢的延長線上，則AB¢受力最小。故在此線上選一適當位置作OB¢。具體選定OB¢的位置時，可再考慮急回特性的要求，或搖桿速度接近零的區(qū)域中位移變化比較平緩的要求。它與機構尺寸的大致關系是：行程速度變化系數(shù)K或q1愈大，在位置A時的位移變化較大 (圖2-17 b )，所以OB¢距點A遠一些好，但又受到機構尺寸和急回特性的限制，不能取得太遠。選定OB¢以后，可定出與OAA兩個位移j3、j4（或I、II、III三個位置）對應的OB¢

40、;B¢的兩個位移y3、y4（或I、II、III三個位置）。按上述命題設計出曲柄搖桿機構的尺度，角j0為兩機構串聯(lián)的相位角。設計結果如圖2-18所示。其后，再對設計結果進行運動分析，可得到機構正確的運動規(guī)律。最后，再回到運動循環(huán)圖上，檢查它與其它執(zhí)行構件的運動有否干涉的情況出現(xiàn)。必要時可修正運動循環(huán)圖。6. 性能參數(shù)計算7. 方案評價與決策8. 繪制系統(tǒng)運動簡圖、編寫設計計算說明書圖 2-18 主加壓機構設計2.3 用桿組法作運動分析 桿組法由機構的組成原理可知，任何平面機構都可以分解為若干基本桿組、單桿構件的原動件和機架三個部分。因此，只要分別對單桿構件和常見的基本桿組進行運動分析并

41、編制相應的程序段（即“過程”又叫“子程序”，Visual Basic中的過程可以看作編寫程序的功能模塊），那么在對機構進行運動分析時，就可以根據(jù)機構組成的不同結構，依次調(diào)用這些過程，從而完成對整個機構的運動分析。這就是桿組法的基本思路。該方法的主要特點在于將一個復雜的機構分解成一個個較簡單的基本桿組，在用計算機對機構進行運動分析時，即可直接調(diào)用過程，從而大大簡化了主程序的編寫。II級機構是工程實際中最常使用的機構，它是由一個或多個II級桿組分別聯(lián)接于原動件和機架上所組成，最常見的II級桿組有三種形式，如圖2-19所示。圖2-19 常見的II級桿組 單桿構件的運動分析及Function CRAN

42、K( )的定義1. 單桿構件的運動分析單桿構件如圖2-20所示，已知其上A、B兩點間的距離l，A點的位置坐標xA，yA，速度vA，加速度aA，構件的角位置j，角速度w和角加速度e，求構件上另一點B的位置坐標xB，yB，速度vB和加速度aB。1) 位置分析圖2-20 單桿構件運動分析圖如圖，構件上點A，B的位置分別用矢量rA，rB表示，用矢量l連接運動已知點A和待求點B，可得點B的位置矢量方程rB = rA + l上式在x軸和y軸上的投影分別為 （2-1）2) 速度分析將(2-1)式對時間求導，即得速度方程 （2-2）3) 加速度分析將式（2-2）對時間求導，即得加速度方程 （2-3）對于作定軸

43、轉(zhuǎn)動的曲柄，因A點固定不動，其速度vA和加速度aA均為零，故其上B點的位置、速度和加速度方程為 （2-4） （2-5） （2-6）2. Function CRANK( )的定義Public Function CRANK(ByVal n1 As Integer, ByVal n2 As Integer, ByVal r As Single, ByVal theta As Single, _ByVal w As Single, ByVal a As Single, p() As Single, vp() As Single, ap() As Single)Dim c As Single, s As

44、 Single, rx As Single, ry As Single c = Cos(theta) s = Sin(theta) vp(n1, 1) = 0 vp(n1, 2) = 0 ap(n1, 1) = 0 ap(n1, 2) = 0 rx = r * c ry = r * s p(n2, 1) = p(n1, 1) + rx p(n2, 2) = p(n1, 2) + ry vp(n2, 1) = -ry * w vp(n2, 2) = rx * w ap(n2, 1) = -ry * a - rx * w * w ap(n2, 2) = rx * a - ry * w * wEnd

45、 FunctionFunction CRANK( )中各形參的含義說明如下n1 ¾ 節(jié)點A（運動參數(shù)已知點）編號n2 ¾ 節(jié)點B（運動參數(shù)待求點）編號r ¾ 桿長l（輸入?yún)?shù)）theta ¾ 直角坐標系中AB桿與x軸的夾角j（輸入?yún)?shù)）w ¾ AB桿的轉(zhuǎn)速（輸入?yún)?shù)）a ¾ AB桿的角加速度（輸入?yún)?shù)）p() ¾ 用二維數(shù)組p記錄機構中若干個節(jié)點的位置坐標，p(n ,1)記錄節(jié)點n的x坐標分量，p(n,2)記錄節(jié)點n的y坐標分量vp() ¾ 記錄若干個節(jié)點的速度分量ap()¾ 記錄若干個節(jié)點的加速度分量

46、RRR II級桿組的運動分析及Function RRR( )的定義1. RRR II級桿組的運動分析RRR II級桿組如圖2-21所示，它由三個轉(zhuǎn)動副組成。圖2-21 RRR II級桿組運動分析圖已知兩外副B，D的位置坐標xB，yB，xD，yD，速度vB，vD，加速度aB，aD，桿長l2，l3。求構件2和3的角位置j2，j3，角速度w2，w3，角加速度e2，e3，以及其內(nèi)副C的坐標xC，yC，速度vC，加速度aC。1) 位置分析由圖2-21可知，該II級桿組的裝配條件為d £ l2 + l3和。若不滿足此裝配條件，則該II級桿組不能成立。因此，在對該II級桿組進行運動分析時，應首先由

47、已知條件計算d值。 （2-7）若計算出的d值不滿足上述裝配條件，則應令停機。若矢量d與x軸夾角為 （2-8）矢量d與矢量l2的夾角為 （2-9）由圖可知，構件2的位置角為 （2-10）式中的正負號表明j2有兩個解，它們分別對應于圖中的實線位置BCD和虛線位置BCD。由圖中可以看出，當II級桿組處于圖中實線位置BCD時, 角 g 是由矢量d沿逆時針方向轉(zhuǎn)到矢量l2的，故 g 前應取正號；當II級桿組處于圖中虛線位置BCD時，角 g 是由矢量d沿順時針方向轉(zhuǎn)到矢量l2的，故 g 前應取負號。一般情況下，當機構的初始位置確定后，由運動連續(xù)條件可知，機構在整個運動循環(huán)中 g 角的方向是不變的，因此在編

48、寫該II級桿組運動分析子程序時，可將上式寫成 （2-11）式中M稱為“位置模式系數(shù)”。在調(diào)用該子程序時，應預先根據(jù)機構的初始位置確定裝配形式，給M賦以 +1或 -1。 求得 j2 后，即可根據(jù)已知條件確定C點的位置方程 （2-12）而構件3的位置角 （2-13）2) 速度分析由圖可知rC = rB + l2 = rD + l3 （2-14）其在x軸上的投影式為 （2-15）將2-15式對時間求導可得即 (2-16)用 (2-17)代入上式中得 (2-18)解上述方程組可得 (2-19)由于B、C同為構件2上的兩點，故在求得w2的情況下，C點的速度可由式 (2-2) 求得，即 (2-20)3)

49、加速度分析將（2-16）式對時間求導，并用（2-17）式代入，整理后可得式中解上述方程可得 (2-21)由于B、C同為構件2上的兩點，故在求得e2后，C點的加速度可由式（2-3）求得，即 (2-22)2. Function RRR( )的定義Public Function RRR(ByVal m As Integer, ByVal n1 As Integer, ByVal n2 As Integer, ByVal n3 As Integer, _ByVal r1 As Single, ByVal r2 As Single, th1p As Single, th2p As Single, p()

50、 As Single, w1p As Single, _w2p As Single, vp() As Single, a1p As Single, a2p As Single, ap() As Single) Dim delx As Single, dely As Single, phi As Single, ssq As Single, s As Single, test1 As Single, test2 As SingleDim cosin As Single, alpha As Single, theta As Single, r2x As Single, r2y As SingleD

51、m r1x As Single, r1y As SingleDim a1 As Single, a2 As Single, det As Single, b1 As Single, b2 As Single, e As Single, f As Single delx = p(n2, 1) - p(n1, 1) If Abs(delx) <= 0.0000000001 Then delx = 0.0000000001 dely = p(n2, 2) - p(n1, 2) phi = Atn(dely / delx) ssq = delx * delx + dely * dely s =

52、Sqr(ssq) test1 = s - (r1 + r2): test2 = Abs(r1 - r2) - s If (test1 > 0 And test2 > 0) Then MsgBox "*RRR Dyad cannot be assembled" GoTo 77 Else cosin = (r1 * r1 + ssq - r2 * r2) / (2 * r1 * s)alpha = Atn(-cosin / Sqr(-cosin * cosin + 1) + 2 * Atn(1) 'Arccos(X) = Atn(-X / Sqr(-X *

53、X + 1) + 2 * Atn(1) End If If m >= 0 Then theta = phi + alpha Else theta = phi - alpha End If p(n3, 1) = p(n1, 1) + r1 * Cos(theta): p(n3, 2) = p(n1, 2) + r1 * Sin(theta) r2x = p(n3, 1) - p(n2, 1): r2y = p(n3, 2) - p(n2, 2) r1x = p(n3, 1) - p(n1, 1): r1y = p(n3, 2) - p(n1, 2) th1p = Atn(r1y / r1x

54、): th2p = Atn(r2y / r2x) a1 = (vp(n2, 1) - vp(n1, 1) * r2x: a2 = (vp(n2, 2) - vp(n1, 2) * r2y det = r2y * r1x - r1y * r2x b1 = (vp(n2, 1) - vp(n1, 1) * r1x: b2 = (vp(n2, 2) - vp(n1, 2) * r1y w1p = (a1 + a2) / det: w2p = (b1 + b2) / det vp(n3, 1) = vp(n1, 1) - w1p * r1y: vp(n3, 2) = vp(n1, 2) + w1p * r1x e = ap(n2, 1) - ap(n1, 1) + w1p * w1p * r1x - w2p * w2p * r2x f = ap(n2, 2) - ap(n1, 2) + w1p * w1p * r1y - w2p * w2p * r2y a1p = (e * r2x + f * r2y) / det: a2p = (f * r1y + e * r1x) / det ap(n3, 1) = ap