機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計

1、   機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計   機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的一般考慮以下幾個方面：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的一般原則      機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成      機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的一般原則機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計      機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計      動力機(jī)類型的選擇      機(jī)構(gòu)選型      機(jī)構(gòu)的

2、組合應(yīng)用      機(jī)械系統(tǒng)的工作循環(huán)圖 機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成    機(jī)械的種類是五花八門十分繁多，常見的機(jī)械有動力機(jī)械、生產(chǎn)機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、建筑機(jī)械、礦山機(jī)械、林業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類生產(chǎn)機(jī)械的速度和精度要求越來越高，同時要考慮環(huán)境保護(hù)、節(jié)省原材料、節(jié)約能源，而且大量的采用機(jī)、電或機(jī)、電、液的一體化以滿足自動化生產(chǎn)的新要求。一批又一批的新機(jī)械不斷涌現(xiàn)。    盡管各種機(jī)械的結(jié)構(gòu)和用途多種多樣千差萬別，大體上均由四部分組成：動力機(jī)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和操縱控制裝置

3、，如圖1所示。此外，為保證機(jī)械正常工作還設(shè)有一些輔助裝置，如潤滑、冷卻、安全保護(hù)，計數(shù)及照明裝置等。圖 1返回 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的一般原則    一臺較復(fù)雜的機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)中常包括多個工藝動作，相互協(xié)調(diào)配合以完成預(yù)定的工藝目的。工藝目的及工藝動作確定之后，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計主要包括動力機(jī)的類型、功率和額定轉(zhuǎn)速的選擇，運(yùn)動變換機(jī)構(gòu)的選擇以及協(xié)調(diào)各工藝動作的機(jī)械運(yùn)動循環(huán)圖的擬定。這些工作在很大程度上決定了所設(shè)計機(jī)構(gòu)的性能、造價，因而是設(shè)計工作中關(guān)鍵的一環(huán)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計又是一項繁難的工作，它不但要求設(shè)計者有多方面的知識，還要有廣博的見識和豐富的經(jīng)驗。由于機(jī)構(gòu)種類的繁多、功用各異，因

4、此機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計難以找出共同的模式，這里討論的僅是設(shè)計過程中的一般性原則。 采用簡短的運(yùn)動鏈    擬定機(jī)械的傳動系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，盡可能采用簡單、緊湊的運(yùn)動鏈。因為運(yùn)動鏈越簡短，組成傳動系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)所使用的機(jī)構(gòu)和構(gòu)件數(shù)目越少，這不僅降低制造費(fèi)用、減小體積和重量，而且使機(jī)械的傳動效率相對提高。由于減少傳動環(huán)節(jié)，使傳動中的積累誤差也隨之減小，結(jié)果將提高機(jī)械的傳動精度和工作準(zhǔn)確性。 有較高的機(jī)械效率    傳動系統(tǒng)的機(jī)械效率主要取決于組成機(jī)械的各基本機(jī)構(gòu)的效率和它們之間的聯(lián)接方式。因此，當(dāng)機(jī)械中含有效率較低的機(jī)構(gòu)時，如蝸輪蝸桿傳動裝置，

5、這將降低機(jī)械的總效率。在機(jī)械傳動中的大部分功率是由主傳動所傳遞，應(yīng)力求使其具有較高的傳動效率；而輔助傳動鏈，如進(jìn)給傳動鏈、分度傳動鏈、調(diào)速換向傳動鏈等所傳遞的功率很小，其傳動效率的高低對整個機(jī)械的效率影響較小。對輔助傳動鏈主要著眼于簡化機(jī)構(gòu)、減小外部尺寸、力求操作方便、安全可靠等要求。 合理安排傳動順序    機(jī)械的傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般均由若干基本機(jī)構(gòu)和組合機(jī)構(gòu)組成，它們的結(jié)構(gòu)特點和傳動作用各不相同，應(yīng)按一定規(guī)律合理的安排傳動順序。一般將減速機(jī)安排在運(yùn)動鏈的起始端，盡量靠近動力機(jī)，例如采用帶有減速裝置的電動機(jī)；將變換運(yùn)動形式的機(jī)械安排在運(yùn)動鏈的末端，使其與執(zhí)行構(gòu)

6、件靠近，如將凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等靠近執(zhí)行構(gòu)件布置；將帶傳動類型的摩擦傳動安排在運(yùn)動鏈中的轉(zhuǎn)速高的起始端，以減小傳遞的轉(zhuǎn)矩、降低打滑的可能性。在傳遞同樣轉(zhuǎn)矩的條件下，與其他傳動形式比較摩擦傳動機(jī)構(gòu)尺寸比較大，為了減小其外部尺寸應(yīng)將其布置在運(yùn)動鏈的起始端。傳動鏈中采用圓錐齒輪時，應(yīng)考慮到圓錐齒輪制造較困難，造價高，避免用大尺寸的圓錐齒輪，而采用較小的圓錐齒輪也應(yīng)布置在運(yùn)動鏈中轉(zhuǎn)速較高的位置。    上述順序安排只是一般性的考慮，具體安排時需要同時考慮的因素較多，如充分利用空間、降低傳動噪音和振動，以及裝配維修的方便等，相關(guān)的各因素都要權(quán)衡利弊給予適當(dāng)?shù)目紤]。

7、 合理分配傳動比    運(yùn)動鏈的總傳動比應(yīng)合理地分配到各級傳動機(jī)構(gòu)，既充分利用各種傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，又能利于尺寸控制得到結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)械。每一級傳動機(jī)構(gòu)的傳動比應(yīng)控制在其常用的范圍內(nèi)。如果某一級傳動比過大，則對其性能和尺寸都將有不利的影響。所以當(dāng)齒輪傳動比大于810時，一般應(yīng)設(shè)計為兩級傳動；當(dāng)傳動比在30以上時，常設(shè)計兩級以上的齒輪傳動。但是對于傳動來說，由于外部尺寸較大實際很少采用多級帶傳動。    電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都超過執(zhí)行構(gòu)件所需要的轉(zhuǎn)速，而需要采用減速傳動系統(tǒng)。這時，對于減速運(yùn)動鏈應(yīng)按照“前小后大”的原則分配傳動比，而且相鄰兩級傳

8、動比的差值不要相差太大。設(shè)有K級減速傳動，其各級傳動比為i1、i2、iK，取值應(yīng)符合i1i2iK的順序，相鄰兩級差不得過大。安排這種逐級減速的運(yùn)動鏈，可使各級中間軸有較高的轉(zhuǎn)速及較小的轉(zhuǎn)矩，因此可選用尺寸較小的軸徑和軸承，油封等零件。 保證機(jī)械安全運(yùn)轉(zhuǎn)    設(shè)計機(jī)械的傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須充分重視機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，防止發(fā)生人身事故或損壞機(jī)械構(gòu)件的現(xiàn)象出現(xiàn)。一般在傳動系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)有安全裝置、防過載裝置、自動停機(jī)等裝置。例如在起重機(jī)的起吊部分必須防止在載荷作用下發(fā)生倒轉(zhuǎn)，造成起吊物件突然下落砸傷工人或損壞貨物的后果，所以在傳動鏈中應(yīng)設(shè)置具有足夠自鎖能力的機(jī)構(gòu)或

9、有效的制動器。又如為防止機(jī)械因短時過載而損壞，可采用具有過載打滑的摩擦傳動裝置或設(shè)置安全聯(lián)軸器和其他安全過載裝置。    在某些機(jī)械中各執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動是彼此獨(dú)立的，所以在設(shè)計傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，不必考慮它們之間運(yùn)動的協(xié)調(diào)。例如起重機(jī)的吊鉤的起落、吊桿的擺動是各自獨(dú)立的，并不存在協(xié)調(diào)配合的問題，將其設(shè)計成各自獨(dú)立的運(yùn)動鏈，而且可以采用不同的動力機(jī)，在另外一些機(jī)構(gòu)中各執(zhí)行構(gòu)件間必須保持嚴(yán)格的協(xié)調(diào)配合，保持準(zhǔn)確的傳動比關(guān)系和動作的協(xié)調(diào)，否則無法完成生產(chǎn)工藝要求。例如齒輪加工機(jī)床按范成法切制齒輪時，刀具和輪坯的范成運(yùn)動必須保持某一恒定的傳動比，這樣才能保證切制出所要求的

10、齒數(shù)。又如在車床上車制螺紋時，必須保證主軸帶動工件的轉(zhuǎn)動速度和刀架上刀具的走刀速度按一定的速度比運(yùn)轉(zhuǎn)，否則難以車制出工藝所要求的螺紋。為保證這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件之間有嚴(yán)格傳動比，而且能協(xié)調(diào)動作，應(yīng)將相互有關(guān)的運(yùn)動鏈同用一個動力機(jī)驅(qū)動。  返回 機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計    在設(shè)計機(jī)械的過程中，當(dāng)工藝動作確定之后，就要選擇適宜的機(jī)構(gòu)型式來實現(xiàn)所要求的工藝動作。雖然，在這個過程中有可能根據(jù)特定的工藝動作要求，創(chuàng)造和研制出新的機(jī)構(gòu)，但多數(shù)情況下是可以利用已有的機(jī)構(gòu)，借助于資料和設(shè)計經(jīng)驗來完成，因此習(xí)慣上把這一步工作稱為機(jī)構(gòu)的選型。   

11、; 機(jī)構(gòu)的選型需要考慮多方面的因素，如運(yùn)動變換要求、尺寸限制、制造成本、運(yùn)轉(zhuǎn)性能、效率高低、操作方便安全可靠等等。其中首要的是運(yùn)動變換要求，我們將側(cè)重于這方面來介紹機(jī)構(gòu)選型問題。    機(jī)構(gòu)是用來實現(xiàn)運(yùn)動變換并傳遞運(yùn)動和力，變換的一端是執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作，這是設(shè)計之初給定的運(yùn)動，變換的另一端是動力機(jī)的運(yùn)動。動力機(jī)的選擇是機(jī)械設(shè)計的重要問題之一。返回 動力機(jī)類型的選擇    現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用的動力機(jī)類型規(guī)格繁多，除了熱機(jī)(蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī))主要應(yīng)用于經(jīng)常變換工作場所的機(jī)械設(shè)備和運(yùn)輸車輛外，用于一般機(jī)械上的動力機(jī)為電機(jī)、液動機(jī)和氣動機(jī)。 電動

12、機(jī)尤其是交流異步電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，動力源方便，在機(jī)械中應(yīng)用廣泛，但它的轉(zhuǎn)速只有固定的幾種，而且調(diào)速不便。對調(diào)速平滑程度要求不高，調(diào)速比不大者可采用繞線型異步電動機(jī)。當(dāng)調(diào)速范圍較大，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速時可采用直流電動機(jī)。選擇電動機(jī)首先滿足所需要的功率，在其勝任負(fù)載要求的條件下，還應(yīng)考慮電動機(jī)發(fā)熱、允許過載能力和起動能力等；其次電動機(jī)類型的選擇，還應(yīng)考慮機(jī)械的負(fù)載特性、工作平穩(wěn)性、沖擊程度、調(diào)速范圍和起動、制動的頻繁程度；最后擬定電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，必須和機(jī)械的傳動裝置的傳動比相匹配，一般額定功率相同電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速越高，則電動機(jī)尺寸越小，重量、價格也越低。  

13、60; 液動機(jī)有輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的液壓馬達(dá)和輸出直線運(yùn)動的液壓油缸。液動機(jī)一般調(diào)速方便，易于現(xiàn)速度和運(yùn)動方向的控制，應(yīng)用它往往可以使傳動鏈簡短，并能直接驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件，但需要配備液壓站。    在氣源比較方便的地方，只要求實現(xiàn)簡單的運(yùn)動變換，如只要求從動件作位置移動，并不十分苛求運(yùn)動規(guī)律時應(yīng)用氣缸是很方便的，但動作過程中常伴有噪音。    在具體條件下，選擇哪種類型的動力機(jī)，要做技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的綜合分析。動力機(jī)的類型與機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)直接有關(guān)，應(yīng)慎重對待。返回 機(jī)構(gòu)選型    在機(jī)械的傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計中都存

14、在機(jī)構(gòu)選型的問題，我們僅以運(yùn)動型式的變換要求介紹一些較適用的機(jī)構(gòu)作為機(jī)構(gòu)選型的入門，設(shè)計時可參閱有關(guān)的設(shè)計手冊加以分析比較，選擇或設(shè)計最佳方案。 定速比轉(zhuǎn)動變換機(jī)構(gòu)    在以交流異步電動機(jī)作為動力機(jī)的機(jī)械中，這類定速比轉(zhuǎn)動變換機(jī)構(gòu)是最常見的減速或增速機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用各種齒輪、蝸桿、帶或鏈傳動、摩擦輪等。常用的減速、增速機(jī)構(gòu)的類型和性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍等在各種機(jī)械設(shè)計手冊上均有介紹，也可查閱有關(guān)產(chǎn)品目錄、產(chǎn)品介紹。 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為往復(fù)移動或擺動機(jī)構(gòu)    常應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)或某些組合機(jī)構(gòu)，選用的著眼點首先在于對往復(fù)行程中的運(yùn)動規(guī)律是

15、否有具體要求，如工作行程的速度和加速度，空行程的急回等。凸輪機(jī)構(gòu)的特點是便于實現(xiàn)給定運(yùn)動規(guī)律，尤其是帶有間歇運(yùn)動規(guī)律。但從承載能力和加工方便比較，連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)于凸輪機(jī)構(gòu)。 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為周期變速轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)    應(yīng)用雙曲柄機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和非圓齒輪等機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)這種變換，但非圓齒輪機(jī)構(gòu)的加工較為困難，在傳動中應(yīng)用較少。 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為步進(jìn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)    常見于自動機(jī)的送進(jìn)、轉(zhuǎn)位部分，常用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)有棘輪、槽輪、凸輪等機(jī)構(gòu)和齒輪一連桿組合步進(jìn)機(jī)構(gòu)、凸輪一齒輪組合機(jī)構(gòu)等，通用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)的類型和性能指標(biāo)請參閱有關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計手冊。 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為

16、軌跡運(yùn)動機(jī)構(gòu)    一般應(yīng)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線實現(xiàn)所要求的軌跡運(yùn)動，特殊形狀的軌跡曲線或?qū)γ枸E點的速度有要求時可采用凸輪一連桿組合機(jī)構(gòu)或齒輪一連桿組合機(jī)構(gòu)等。 運(yùn)動的合成與分解機(jī)構(gòu)    可以應(yīng)用各種差動機(jī)構(gòu)，它們是具有兩個自由度的機(jī)構(gòu)，由兩個主動件輸入運(yùn)動，其輸出運(yùn)動是輸入運(yùn)動的合成，之中由齒輪組成的差動機(jī)構(gòu)，其輸入和輸出運(yùn)動是線性關(guān)系，設(shè)計比較簡單，故應(yīng)用廣泛。差動螺旋常用于位移的精確調(diào)節(jié)，此外還有差動連桿等機(jī)構(gòu)。返回 機(jī)構(gòu)的組合應(yīng)用    選擇若干個不同類型的基本機(jī)構(gòu)(或由基本機(jī)構(gòu)變異而成的新機(jī)

17、構(gòu))，通過適當(dāng)?shù)穆?lián)接方式，組成一個彼此協(xié)調(diào)配合的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以實現(xiàn)復(fù)雜的或某些特殊的運(yùn)動要求，也是運(yùn)動方案設(shè)計的一種常用方法，下面舉幾例說明。 凸輪連桿機(jī)構(gòu)組合    圖2所示凸輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)是由凸輪機(jī)構(gòu)1-2-3和擺桿滑塊機(jī)構(gòu)2-4-5-3串聯(lián)組合而成。由于凸輪輪廓曲線可按任何運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行設(shè)計，使執(zhí)行構(gòu)件滑塊5的運(yùn)動規(guī)律充分滿足生產(chǎn)工藝的要求。    例如要求滑塊5在工作行程等速運(yùn)動，而在工作行程開始的一小段和結(jié)束的一小段，設(shè)計成局部的加速段和減速段，以避免在工作行程的兩端發(fā)生較大的沖擊。同時在回程設(shè)計成具有一定的急回特性。可見該組合機(jī)

18、構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的選擇余地較大。 齒輪連桿機(jī)構(gòu)組合    圖3所示齒輪一連桿機(jī)構(gòu)是由一對定軸齒輪機(jī)構(gòu)1-4-5封閉雙自由度的五桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4-5組合而成。其中AE為機(jī)架5，曲柄AB、ED分別與齒輪1、4為一體。當(dāng)齒輪1作等速轉(zhuǎn)動時，連桿2、3的鉸接點C將描繪出復(fù)雜的運(yùn)動軌跡。當(dāng)五桿機(jī)構(gòu)各桿長度確定后，鉸接點C的軌跡取決于齒輪傳動比i14和兩曲柄AB、ED的初始相位角。如圖3b)所示，齒輪傳動比i14=-1。如果兩曲柄處在AB1、ED1時，C1點的軌跡為實線S1；當(dāng)兩曲柄處在AB1、ED2時，C2點的軌跡為點劃線S2；當(dāng)兩曲柄處在AB1、ED3時，C3點的軌跡為虛直

19、線S3。而當(dāng)齒輪的傳動比i14=z4/z1=m/n1時，C點軌跡形狀將得復(fù)雜。如果m與n為不可通約的整數(shù)，則當(dāng)齒輪1轉(zhuǎn)過m轉(zhuǎn)、齒輪4轉(zhuǎn)過n轉(zhuǎn)時，C點軌跡方可形成閉合曲線。 連桿、凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)組合    圖4所示一全自動機(jī)械式粉末壓機(jī)的主機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)將連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等巧妙的組合起來，實現(xiàn)了預(yù)壓、保壓、三次非同時壓制的復(fù)雜運(yùn)動過程。    如圖所示，該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分為上沖膜機(jī)構(gòu)和凹模機(jī)構(gòu)兩部分，上沖模機(jī)構(gòu)由曲柄1、連桿3、搖桿4、連桿5、滑塊6和沖頭12組成，實現(xiàn)上沖頭的壓制運(yùn)動。凹模機(jī)構(gòu)由曲柄2、連桿7、搖桿8、凸輪9、

20、不完全齒輪10和固定不動的齒條11組成，實現(xiàn)脫模運(yùn)動。凹模機(jī)構(gòu)的主動曲柄2等速轉(zhuǎn)動，運(yùn)動經(jīng)連桿轉(zhuǎn)換成搖桿的往復(fù)擺動，擺桿上鉸接一弧形滑塊12與凸輪輪廓接觸，迫使凸輪運(yùn)動，凸輪本身又是一不完全齒輪，并與齒條嚙合，因此凸輪的運(yùn)動就是不完齒輪沿齒條的滾動，不完全齒輪的節(jié)圓圓心點的軌跡是一條直線，該點的運(yùn)動規(guī)律就是凹模的運(yùn)動規(guī)律。兩機(jī)構(gòu)的協(xié)同動作實現(xiàn)了三次非同時壓制。    機(jī)構(gòu)的組合方式有多種，通常分為串聯(lián)式組合，封閉式組合和其他型式的組合。串聯(lián)式組合由兩個或兩個以上的單自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，前一機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件恰是后一機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，以此改變單一基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。封閉式組合通常是由一個單自由度機(jī)構(gòu)去封閉一個雙自由度的機(jī)構(gòu)組成。封閉式組合的設(shè)計思路比較靈活，它可以實現(xiàn)多種多樣的運(yùn)動變換。常用的雙自由度機(jī)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)和差動輪系，封閉雙自由度機(jī)構(gòu)的單自由度機(jī)構(gòu)常用凸輪機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)易于實現(xiàn)任意給定的運(yùn)動規(guī)律，連桿、齒輪機(jī)構(gòu)傳力性能好，運(yùn)動可靠。其他類型的組合方式不再詳述，請參看有關(guān)資料。返回 機(jī)械系統(tǒng)的工作循環(huán)圖    有相當(dāng)數(shù)量的機(jī)械要求各執(zhí)行構(gòu)件之間的傳動和工藝動作必須協(xié)調(diào)配合，否則將發(fā)生運(yùn)動的干涉或工藝動作的混亂而無法完成機(jī)械的工藝要求，甚至還會損壞機(jī)械設(shè)