第十章-機械系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設計及運動循環(huán)圖PPT幻燈片課件

1、MECHANISMS AND MACHINETHEORY主講教師:徐林林 機械原理第章 機械的運動方案及機構的創(chuàng)新設計8.1 概述8.3 機構運動方案設計8.4 機構系統(tǒng)運動循環(huán)圖 8.2 機構的類型和選擇 8.1 概述 機械是機器和機構的總稱，機器是由單一機構、多個同一機構或多種機構所組成的。牛頭刨床就是一部典型的機器。在牛頭刨床中，連桿機構用以實現(xiàn)切削運動，棘輪機構及絲杠傳動用以實現(xiàn)工作臺的水平進給，另一絲杠傳動用以實現(xiàn)工作臺及刀架的垂直進給。工作臺、刀架與滑枕是執(zhí)行構件。一部機器的設計，一般應遵循以下步驟：第一確定其所要完成的工作任務。第二，根據(jù)機器的工作要求，對需要采取的工藝方法或工作

2、原理進行分析。第三，運動方案設計。第四，施工圖設計。一、運動方案設計的主要步驟 一部機器主要由四大部分組成：原動機、傳動機構、執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)。組成機器的四大部分都必須選擇和設計得當才能保證整部機器的性能優(yōu)良。傳動部分原動機部分執(zhí)行部分控制系統(tǒng)1、工藝參數(shù)的給定及運動參數(shù)的確定；2、執(zhí)行構件間運動關系的確定及運動循環(huán)圖的繪制；3、動力源的選擇及傳動機構的確定；4、方案的比較與決策。 機械運動方案設計的結果是繪出機械運動簡圖。其主要步驟如下：(1). 分析機械產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程或其功能要求，區(qū)分出主操作部分和輔助操作部分，然后確定所需的執(zhí)行構件數(shù)及其基本運動形式和運動特性。 (2). 合理選擇

3、機構類型，擬定機械運動方案。 由上確定了執(zhí)行構件后，也就確定了所需執(zhí)行機構數(shù)，根據(jù)對機械產(chǎn)品的總體要求，合理地選擇執(zhí)行機構的類型。 再根據(jù)所選原動機（如電動機、液壓泵等）的類型，確定傳動類型和傳動機構，通過各種聯(lián)接方式，將所有機構組合成若干條機構系統(tǒng)， 并畫出示意圖，即為機械運動方案。 (3). 擬定機構系統(tǒng)的運動循環(huán)圖。 運動循環(huán)圖反映了機械在一個工作循環(huán)中，各執(zhí)行構件的運動先后順序關系的一種圖示。它直觀而清晰地表示了各執(zhí)行構件的運動在機械整體運動中的作用、地位，也是對每個機構進行運動設計和整個機構系統(tǒng)安裝、調(diào)試的依據(jù)之一。 (4). 對所選的機構進行運動設計，確定各機構具體的幾何尺寸，最后

4、按比例繪制出機構系統(tǒng)的運動簡圖。 8.2 機構的類型和選擇一、執(zhí)行機構的選擇 由上述機械系統(tǒng)運動方案設計步驟可知，在了解并確定了機械所要求實現(xiàn)的若干個基本運動形式（或基本動作）和運動特性后，如何選擇能實現(xiàn)各個執(zhí)行構件所需運動的機構，就稱為機構選型問題。執(zhí)行構件的基本運動形式有： 連續(xù)轉動 往復擺動 往復移動 單向間歇轉動 間歇往復移動 間歇往復擺動 平面一般運動 點的軌跡運動 運動要求及其相應機構舉例 對執(zhí)行構件的運動要求 可供選擇的機構類型 等速連續(xù)轉動 平行四邊形機構、雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構、各種齒輪機構、輪系等。 非等速連續(xù)轉動 雙曲柄機構、轉動導桿機構、單萬向聯(lián)軸節(jié)機構等。 往復擺動（只有行

5、程角或若干位置要求） 曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、搖塊機構、擺動導桿機構、搖桿滑塊機構（滑塊為原動件）、擺動從動件凸輪機構等。 往復擺動（有復雜運動規(guī)律要求） 擺動從動件凸輪機構、凸輪齒輪組合機構等。 間歇旋轉運動 棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構、凸輪機構、凸輪齒輪組合機構等。 等速直線移動 齒輪齒條機構、移動從動件凸輪機構、螺旋機構等。 往復移動（只有行程或若干位置要求） 曲柄滑塊機構、搖桿滑塊機構、正弦機構、正切機構等。 往復移動（有復雜運動規(guī)律要求） 移動從動件凸輪機構、連桿凸輪組合機構等。 平面一般運動（或稱剛體導引運動） 鉸鏈四桿機構、曲柄滑塊機構、搖塊機構等。（連桿作平面一般運動

6、） 近似實現(xiàn)點的軌跡運動 各種連桿機構等。 精確實現(xiàn)點的軌跡運動 連桿凸輪組合機構、雙凸輪機構等。 典型機構1、實現(xiàn)直線運動的機構2、實現(xiàn)回轉運動的機構3、實現(xiàn)運動軌跡的機構4、點到點的運動機構5、位到位的運動機構二、傳動機構的類型及功用常用的傳動機構有1、齒輪機構2、螺旋機構3、帶傳動及鏈傳動4、平面連桿機構5、凸輪機構6、間歇機構7、組合機構8.3 機構運動方案設計 機構系統(tǒng)運動方案設計首要的任務是滿足執(zhí)行構件的運動要求，包括運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡要求。除此之外，通常應遵循以下幾個基本原則。一、機構盡可能簡單，運動鏈盡可能簡短1).在選擇平面連桿機構時，有時寧可采用有一定設計誤差的簡

7、單的近似機構，而不采用理論上無設計誤差的較復雜的精確機構。2).合理選擇動力源的類型，可使運動鏈簡短。 在只要求執(zhí)行構件實現(xiàn)簡單的工作位置變換的機構中，采用液壓缸或氣壓缸作為原動機，直接推動執(zhí)行構件運動較為簡便，它同采用電動機驅動相比，可省去一些減速傳動裝置和運動變換機構。而且還有傳動平穩(wěn)、操作方便、易于調(diào)速等優(yōu)點。3).高副機構與低副機構的比較。 在基本機構中，高副機構（如凸輪機構、齒輪機構）只有三個構件和三個運動副，而低副機構（如四桿機構）有四個構件和四個運動副。因此，從運動鏈盡可能簡短考慮，似乎應優(yōu)先選用高副機構。但在實際設計中，不只是考慮運動鏈簡短問題，還需要根據(jù)高副機構和低副機構各自

8、在傳動與傳力特點、加工制造、使用維護等各方面進行全面比較，才能作出最終選擇。 二、盡可能減小機構的尺寸 在滿足工作要求的前提下，總希望機械產(chǎn)品的結構緊湊、尺寸小、重量輕，這是機械設計所追求的目標之一。 機械產(chǎn)品的尺寸和重量隨所選用的機構類型不同而有很大的差別。例如： 1).實現(xiàn)同樣大小傳動比的情況下，周轉輪系的尺寸比普通定軸輪系的尺寸要小很多。 2).要獲得移動從動件有較大行程(h)，顯然圓柱凸輪機構的凸輪徑向尺寸比盤型凸輪機構的凸輪徑向尺寸要小得多，所需凸輪活動空間也小。當然，圓柱凸輪機構可以減少徑向尺寸，但是它的軸向尺寸卻增大了，因此在實際設計中，還應根據(jù)允許的空間大小，選擇哪一種凸輪機構

9、。 三、機構系統(tǒng)應有良好的動力學特性 1).要選擇有良好動力學特性的機構，首先是盡可能選擇壓力角較小的機構，特別注意機構的最大壓力角是否在允許值范圍內(nèi)。例如在獲得執(zhí)行件往復擺動的連桿機構中，擺動導桿機構最為理想，其壓力角始終為零。2).從減少運動副摩擦、防止機構出現(xiàn)楔緊現(xiàn)象，甚至自鎖，則盡可能采用全由轉動副組成的連桿機構，尤其是少采用固定導路的移動副。轉動副制造方便，摩擦小，機構傳動靈活。3).對于高速運轉的機構，如果作往復運動或平面一般運動構件的慣性質量較大，或轉動構件有較大的偏心質量（如凸輪構件），則在設計機構系統(tǒng)時，應考慮平衡慣性質量措施，以減少運轉過程中的動負荷和振動。 四、機構系統(tǒng)運

10、動方案設計舉例 工作原理 如圖所示為印刷機蘸油機構系統(tǒng)。構件1為整個機構系統(tǒng)的原動件，通過待設計的機構系統(tǒng)帶動構件4上的蘸油輥5繞O3軸作往復擺動。蘸油輥5在上極限位置停留時，與供油輥2相接觸，供油輥2則在同一個原動件1的另一條機構系統(tǒng)帶動下，作間歇轉動，轉動時先將油盒3中的油墨帶到輥的表面上，然后通過摩擦作用再將油墨傳到蘸油輥5的表面上。蘸油輥5在下極限位置停留時，與水平運動的墨板6相接觸，將油墨刷至墨板6上。 設計條件與要求 印刷機的原動件為電動機，經(jīng)過減速后原動件1的轉速為30r/min。供油輥2和蘸油輥5的直徑D均為60mm。 各固定鉸鏈的相對位置及有關尺寸列于表中。 y1y2y3x2

11、 5005508020058090 要求執(zhí)行構件4（蘸油輥5）和供油輥2滿足的運動規(guī)律y4=y4(j1)和y2=y2(j1)如圖所示，即原動件1在轉一周的周期內(nèi)，由下極限位置以等加速等減速運動規(guī)律順時針轉過27至上極限位置，然后停歇不動，最后又以等加速等減速運動規(guī)律返回至下極限位置。 供油輥2在蘸油輥5同其接觸中轉過60，以何種運動規(guī)律轉過60無特殊要求。 設計任務 設計由原動件1至蘸油輥5和供油輥2的兩條機構系統(tǒng)運動方案，并畫出機構系統(tǒng)運動示意圖。 設計思考1).執(zhí)行構件4有往復運動規(guī)律要求，因此應選擇一個擺動從動件凸輪機構。2).供油輥2有單向間歇轉動的要求，且有較長時間的停歇，因此應選擇

12、一個間歇運動機構。3).因為給定原動件固定鉸鏈O1的位置距執(zhí)行構件有相當大的距離，因此，每條機構系統(tǒng)需要選擇一個以上的機構。4).由于是印刷機械，帶動執(zhí)行構件運動不需要機構去克服大的載荷，故機構類型的選擇和設計以滿足運動要求為主。擬定出以下三種可行的機構系統(tǒng)運動方案供分析、比較。運動方案之一 組成:原動件1擺動從動件凸輪機構 平行雙搖桿機構曲柄搖桿機構 平行雙搖桿機構 棘輪機構運動方案之二 組成:原動件1鏈條傳動擺動從動件凸輪機構擺動從動件凸輪機構雙搖桿機構棘輪機構運動方案之三 組成:原動件1擺動從動件凸輪機構 兩個平行雙搖桿機構鏈條傳動 不完全齒輪機構（構件11和2）8.4 機構系統(tǒng)運動循環(huán)

13、圖 當按機械的運動要求或工藝要求初步設計出機構系統(tǒng)運動方案示意圖后，還不能充分反映出機構系統(tǒng)中各個執(zhí)行構件間的相互協(xié)調(diào)配合的運動關系。 用來描述機構系統(tǒng)在一個工作循環(huán)中各執(zhí)行構件運動間相互協(xié)調(diào)配合的示意圖稱為機構系統(tǒng)運動循環(huán)圖，簡稱運動循環(huán)圖。 由于機械在主軸或分配軸轉動一周或若干周內(nèi)完成一個工作循環(huán)，故運動循環(huán)圖常以主軸或分配軸的轉角為位置變量，以某主要執(zhí)行構件有代表性的特征位置為起始位置，在主軸或分配軸轉過一個周期時，表示出其他執(zhí)行構件相對該主要執(zhí)行構件的位置先后順序關系。按其表示的形式不同，通常有直線式運動循環(huán)圖（或稱矩形運動循環(huán)圖）、圓周式運動循環(huán)圖和直角坐標式運動循環(huán)圖。 現(xiàn)以半自動

14、制釘機為例，說明制造如圖所示一枚鞋釘?shù)墓に囘^程所繪制的運動循環(huán)圖。 該鞋釘分為釘頭、釘桿、釘尖三部分，釘桿成四方錐形。為將鋼絲料制成一枚鞋釘，其工藝過程示意圖如圖所示。整個機構系統(tǒng)由四個機構所組成（圖中只畫出各機構的執(zhí)行構件），分別完成四個工序，其一個工作循環(huán)的順序如下： 鐓頭：沖頭1左進鐓出釘頭。在鐓鍛過程中，沖頭3壓緊鋼絲料。 送料：由送料夾持器2分四次間歇送進，前三次每次送進量約為三分之一釘長度，第四次送進略大于前三次送進量。 壓緊、擠方：由沖頭3在前三次送料后的停歇時間內(nèi)將釘桿擠壓成方錐，在其余工作循環(huán)中沖頭3保持與釘桿接觸，起壓緊作用。 擠尖、切斷：在第四次送料后，由切斷刀4同時完成

15、擠尖、切斷工序，最后完成一枚鞋釘?shù)闹谱鳌?描述以上一個工作循環(huán)，按四個執(zhí)行構件的運動協(xié)調(diào)配合繪制運動循環(huán)圖。1.直線式運動循環(huán)圖 繪制方法：將機械在一個工作循環(huán)中各執(zhí)行構件各運動區(qū)段的起止時間（或轉角）和先后順序，按比例繪制在直線軸上，形成長條矩形圖，如圖所示。 特點：繪制方法簡單，能清楚地表示出一個運動循環(huán)內(nèi)各執(zhí)行構件間運動的先后順序和位置關系。但由于不能顯示各執(zhí)行構件的運動變化情況，只有簡單的文字表述，使運動循環(huán)圖的直觀性較差。 2.圓周式運動循環(huán)圖 繪制方法：以原點O為圓心，作若干個同心圓環(huán)，每一個圓環(huán)代表一個執(zhí)行構件。由各相應圓環(huán)分別引徑向直線表示個執(zhí)行構件不同運動區(qū)段的起始和終止位置

16、，如圖所示。 特點：因為機械的運動循環(huán)通常是在主軸或分配軸轉一周的過程中完成的，因此，能直觀地看出各執(zhí)行機構中原動件在主軸或分配軸上所處的相位，便于各執(zhí)行機構的設計、安裝和調(diào)試。但當執(zhí)行構件較多時，因同心圓環(huán)太多而不夠清晰，同樣也不能顯示執(zhí)行構件的運動變化情況。 3.直角坐標式運動循環(huán)圖 繪制方法：以橫坐標軸代表機械的主軸或分配軸的轉角，以縱坐標軸代表各執(zhí)行構件的角位移或線位移，如圖所示，實際上就是各執(zhí)行構件的位移線圖。為簡明起見，通常忽略實際的運動規(guī)律，將各運動區(qū)段用直線連接，只反映出個執(zhí)行構件間運動的協(xié)調(diào)配合關系即可。 特點：形象、直觀，不僅能清楚地表示出各執(zhí)行構件的運動先后順序，還能表示

17、出執(zhí)行構件的運動狀態(tài)及運動變化情況。并能作為下一步機構幾何尺寸設計的依據(jù)，因此得到廣泛的應用。 機構系統(tǒng)運動循環(huán)圖的擬定 擬定機構系統(tǒng)運動循環(huán)圖是各執(zhí)行機構協(xié)調(diào)設計的重要內(nèi)容，它的主要任務是根據(jù)機械對工藝過程及運動要求，建立各執(zhí)行機構運動循環(huán)之間的協(xié)調(diào)配合關系。如果這種協(xié)調(diào)配合得好，即可保證機械有較高的生產(chǎn)率和效率及較低的能耗。一、滿足執(zhí)行機構之間運動的順序關系 某產(chǎn)品外包裝上需要打印生產(chǎn)日期 ，在一條生產(chǎn)線上首先由推送機構的推桿1將產(chǎn)品3送至待打印的位置，然后打印機構的打印頭2向下完成打印操作。 兩執(zhí)行構件1和2的運動規(guī)律已按工藝要求基本確定，在一個運動周期內(nèi)的周期相同，即T1=T2。 下面

18、給出該機構系統(tǒng)運動循環(huán)圖的三種安排方式，說明每一種方式的合理性 。方式一：推桿1先完成一個運動循環(huán)，然后打印頭2再完成一個運動循環(huán)，如此反復交替，機構系統(tǒng)的運動及運動循環(huán)圖如圖所示。 點評：整個打印工作循環(huán)所需時間最長，即T=T1+T2。顯然這種安排不大合理。 方式二：打印頭2先運動，推桿1經(jīng)過DT時間后也開始運動，使得產(chǎn)品剛到打印位置，打印頭2也同時到達打印位置，機構系統(tǒng)的運動及運動循環(huán)圖如圖所示。 點評：理論上整個打印工作循環(huán)所需時間最短，即T=Tmin=T1=T2。但由于制造、安裝等誤差而導致機構產(chǎn) 生運動誤差，有可能產(chǎn)品還未到預定位置，而打印頭2已經(jīng)到達打印位置。顯然這種運動循環(huán)圖的安排不大合理。 方式三：調(diào)整推桿1在一個運動循環(huán)內(nèi)運動區(qū)段與停歇區(qū)段的相對位置，使產(chǎn)品提前Dt時間到達預定位置，機構系統(tǒng)的運動及運動循環(huán)圖如圖所示。 點評：如圖所示的打印機構系統(tǒng)的運動循環(huán)圖較為合理。一個打印工作循環(huán)所需的時間仍為最短。時間提前量Dt的數(shù)值可根據(jù)產(chǎn)品大小及實際可能的誤差因素綜合地加以確定。 二、滿足執(zhí)行機構之間的順序關系和空間關系 如圖所示為某包裝自動線上兩折紙機構（機構未畫出）的執(zhí)行構件1和2對產(chǎn)品3進行折紙的順序原理圖。 折紙過程產(chǎn)生干涉的原因是構件2運動過早了。在構件1返回過程中，其上N點應該在通過M點后，構件2上K點才到達M點，如