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1、第十三章第十三章 机械运动方案及创新设计机械运动方案及创新设计13-1 机械设计过程机械设计过程 1.机械总体方案设计机械总体方案设计 2.机械的运动设计机械的运动设计 3.机械的动力设计机械的动力设计 4.机械的结构设计机械的结构设计一、机构选型一、机构选型 选型分为选出与选定。选型分为选出与选定。1.选择执行机构的类型选择执行机构的类型 a.首先应满足执行构件运动形式要求，另外还应保证机械的结首先应满足执行构件运动形式要求，另外还应保证机械的结构简单、紧凑，便于制造与安装；构简单、紧凑，便于制造与安装；b.具有足够的强度和工作寿命，工作安全可靠；具有足够的强度和工作寿命，工作安全可靠；c.
2、各执行机构之间的动作与运动便于协调配合等。各执行机构之间的动作与运动便于协调配合等。首先根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能首先根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在要求，先在基本机构基本机构中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机构，或选用组合机构。有时很难找到满足工作要求的现有机构，这构，或选用组合机构。有时很难找到满足工作要求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作，或创造新型机构。时要求改
3、变机械的工作原理和工艺动作，或创造新型机构。13-2机械创新设计机械创新设计二二、机构选型时应注意原则、机构选型时应注意原则 1）按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或按已拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或接近运动形式要求；接近运动形式要求；2）机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑；上占的空间小，达到布局紧凑；3）机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证较高的配合精度的机构；较高的配合精度的机构；4）机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性；
4、机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性；5）机构选型时应考虑机械效率等问题；机构选型时应考虑机械效率等问题；6）机构选型时还要考虑动力源的形式。机构选型时还要考虑动力源的形式。三、机构组合三、机构组合 机构组合是指机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，机构组合是指机构选型的基础上，根据使用要求或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统。统。在以下几个方面常常需机构组合：在以下几个方面常常需机构组合：1）机构的工艺动作较复杂）机构的工艺动作较复杂 若若采采用用简简单单的的、单单一一的的基
5、基本本机机构构无无法法实实现现复复杂杂的的工工艺艺动动作作，这这种种情情况况下下减减小小机机构构组组合合常常采采用用并并联联式式、复复合合式式或或叠叠加加式式的的组组合合方方式式，组组合时应注意各个子工艺动作协调配合问题。合时应注意各个子工艺动作协调配合问题。2）所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选 这这种种情情况况下下常常用用串串联联组组合合方方式式来来改改善善机机构构的的性性能能，如如增增程程、增增力力，实现各种特殊运动要求等。实现各种特殊运动要求等。3）由由于于不不具具备备某某种种动动力力源源，或或受受其其它它条条件
6、件的的限限制制，只只有有进进行行机机构构组组合才能实现所要求的工艺动作。合才能实现所要求的工艺动作。AB串联式机构组合框图串联式机构组合框图 机构的组合方式可划分为以下四种：串联式机构组合，并联式机构机构的组合方式可划分为以下四种：串联式机构组合，并联式机构组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。串联式机构组合是指若干个单自由串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序连接，每个前置机构度的基本机构顺序连接，每个前置机构的输出构件作为后一机构的输入件。的输出构件作为后一机构的输入件。ia a45-450普通槽论机构普通槽论机构槽论连杆机构槽论连杆机构1.串
7、联式机构组合串联式机构组合2.并联式组合机构并联式组合机构 一种是并联时几个机构类型相同、尺寸相同、且对称一种是并联时几个机构类型相同、尺寸相同、且对称布置。布置。另一种是并联的几个机构类型、尺寸不一定相同，也另一种是并联的几个机构类型、尺寸不一定相同，也不是对称布置，但须满足一定时序要求，轨迹配合要求，运不是对称布置，但须满足一定时序要求，轨迹配合要求，运动形式配合要求，位置要求等。动形式配合要求，位置要求等。并联式机构组合是指又两个或多个基本机构并列布置的并联式机构组合是指又两个或多个基本机构并列布置的组合形式。组合形式。ABABABb)a)c)并联式机构组合框图并联式机构组合框图1234
8、56V型双缸发动机型双缸发动机123襟翼操纵机构襟翼操纵机构3.复合式机构组合复合式机构组合 如差动齿轮机构，五连杆机构，或引入空间运动副如差动齿轮机构，五连杆机构，或引入空间运动副的可见运动机构；的可见运动机构；如单自由度的连杆机构，凸轮机构，齿轮机构等。如单自由度的连杆机构，凸轮机构，齿轮机构等。一个两（多）自由度作为基础机构一个两（多）自由度作为基础机构A，一个（几个）单，一个（几个）单自由度基本机构自由度基本机构B（这里指附加机构）的输出构件接入基础（这里指附加机构）的输出构件接入基础机构所构成的并联组合形式称为复合式机构组合。机构所构成的并联组合形式称为复合式机构组合。复合式机构组合
9、框图复合式机构组合框图ABa)b)AB12345凸轮凸轮-行星轮机构行星轮机构1凸轮凸轮-连杆组合机构连杆组合机构叠加式机构组合框图叠加式机构组合框图BA四、叠加式机构组合四、叠加式机构组合 将一个机构安装在另一个机构的将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式称为叠加某个运动构件上的组合形式称为叠加式机构组合，其输出运动是若干个机式机构组合，其输出运动是若干个机构输出运动的合成。构输出运动的合成。各机构的运动关系是相互独立的，如各种机械手；各机构的运动关系是相互独立的，如各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响，相互关联，另一种则是各机构之间的运动有一定的影响，相互关联，
10、如摇头电扇的传动机构。如摇头电扇的传动机构。叠加式机构组合的主要功能是实现特定的输出，完成复叠加式机构组合的主要功能是实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。在此基础上可以继续叠加等一系列机构。杂的工艺动作。在此基础上可以继续叠加等一系列机构。1.运动独立式运动独立式2.运动相关式运动相关式液压挖掘机机构液压挖掘机机构电风扇摇头机构电风扇摇头机构BAC电动玩具马电动玩具马13-3 机械传动系统方案设计机械传动系统方案设计一、设计任务一、设计任务1.对象对象 2.设计一个以加工平面为主的金属切削机床的机械传动系统。设计一个以加工平面为主的金属切削机床的机械传动系统。3.该机床的使用场合及应满足的精度
11、如下：该机床的使用场合及应满足的精度如下：1)该机器主要用于单件小批量生产场合，希望造价较低，工作可靠，该机器主要用于单件小批量生产场合，希望造价较低，工作可靠，使用和维修较简单；使用和维修较简单；2)机器具有一般的工作精度：机器具有一般的工作精度：3)加工表面的平面度：加工表面的平面度：89级精度级精度4)加工表面的垂直度：加工表面的垂直度：89级精度级精度二、机器工作原理的确定二、机器工作原理的确定1.选定机器工作原理的一般原则选定机器工作原理的一般原则2.不仅是一般性地满足工作要求，必须从技术经济指标出不仅是一般性地满足工作要求，必须从技术经济指标出发，作细致的、科学的综合分析与对比。发
12、，作细致的、科学的综合分析与对比。3.2.机器工作原理的选定机器工作原理的选定1)加工工艺的选择加工工艺的选择2)用于金属材料表面加工的工艺方法很多：铸造、金属切用于金属材料表面加工的工艺方法很多：铸造、金属切削加工、压力加工、电蚀加工、光切割等。削加工、压力加工、电蚀加工、光切割等。3)2)机器传动类型的选择机器传动类型的选择4)4)按动作原理划分的传动类型按动作原理划分的传动类型5)5)机械传动、液压传动、气压传动、液力机械传动、液压传动、气压传动、液力机械传动、电机械传动、电力力机械传动，以及其它复合传动等类中选择合用的传动类型。机械传动，以及其它复合传动等类中选择合用的传动类型。按组成
13、方式划分的传动类型的选择按组成方式划分的传动类型的选择 在同种传动类型中，因机器执行构件运动形式的不同，传动系统还可在同种传动类型中，因机器执行构件运动形式的不同，传动系统还可以分为不同的组成方式。不同的传动系统组成方式，可看成是机器工作原以分为不同的组成方式。不同的传动系统组成方式，可看成是机器工作原理在较小范围之内的差异。理在较小范围之内的差异。V2V3V1刨削：刨刀往复直线急回运动刨削：刨刀往复直线急回运动立式铣削：铣刀回转，工作台进给立式铣削：铣刀回转，工作台进给w w2V3V1三、机器传动系统方案的拟定与主运动机构的选型三、机器传动系统方案的拟定与主运动机构的选型1.机器传动系统方案
14、的拟定机器传动系统方案的拟定 起始端采用电动机驱动；起始端采用电动机驱动；末端有刨刀和夹持工件的工末端有刨刀和夹持工件的工作台两个执行部件；作台两个执行部件；刨刀作连续往复运动，一个来刨刀作连续往复运动，一个来回分为工作形成与空回行程两个阶段；回分为工作形成与空回行程两个阶段；工件的移动应在刨刀空回行程工件的移动应在刨刀空回行程的期限内完成，故工件的进给是作间的期限内完成，故工件的进给是作间歇运动；歇运动；刨刀与工作台的运动在时间上刨刀与工作台的运动在时间上有协调配合要求，且用一台电动机驱有协调配合要求，且用一台电动机驱动。动。刨床传动系统机构组合情况的初步方案图刨床传动系统机构组合情况的初步
15、方案图减速传动机构（带传动减速传动机构（带传动+齿轮传动）齿轮传动）刨刀往复直线急回运动机构刨刀往复直线急回运动机构工作台间歇直线步进机构工作台间歇直线步进机构w w1原动机原动机V2V3w w1w w1 在在后部串联一个能将转动后部串联一个能将转动(或间歇转动或间歇转动)变为移动变为移动(或间歇或间歇移动移动)的基本机构的基本机构；在在前部串联能减少间歇运前部串联能减少间歇运动冲击又容易获得任意运动规动冲击又容易获得任意运动规律的高副机构律的高副机构；w w=w w。刨床传动系统机构组合情况的初步方案图刨床传动系统机构组合情况的初步方案图w w1原动机原动机V2V3w w1w w1 高副机构
16、（输入角速度高副机构（输入角速度w w1，输出线速度，输出线速度w w3）间歇运动机构（输入角速度间歇运动机构（输入角速度w w3，输出线速度，输出线速度w w3）转动（摆动）转动（摆动）移动转换机构（输入角速度移动转换机构（输入角速度w w3，输出线速度，输出线速度V3）原动机原动机V2V3w w1w w1w w1w w3 w w3刨床传动系统机构组合情况的最终方案图刨床传动系统机构组合情况的最终方案图2.主运动机构的选型及分析主运动机构的选型及分析1)选型原则概述选型原则概述 2)机构功能的优劣机构功能的优劣(机构行程能否达到要求机构行程能否达到要求?空间尺寸是否空间尺寸是否合适合适?能否
17、满足运动规律要求能否满足运动规律要求?传力特性如何传力特性如何?动力性能动力性能惯性力平衡、冲击振动、噪声惯性力平衡、冲击振动、噪声)，运动精度能否民族要求？，运动精度能否民族要求？3)机构结构的合理性；机构结构的合理性；4)机构的经济性；机构的经济性；5)机构的实用性。机构的实用性。6)2)按上述原则对刨床主运动机构按上述原则对刨床主运动机构作如下评选作如下评选7)第一次筛选第一次筛选选出能够实现往复运动的运动机构选出能够实现往复运动的运动机构8)第二次筛选第二次筛选选出具有急回运动特性往复运动的运动选出具有急回运动特性往复运动的运动机构机构9)第三次筛选第三次筛选选出选出运动特性与传力特性
18、等综合性选出选出运动特性与传力特性等综合性能优良的机构能优良的机构1-电机；电机；2-V带传动；带传动；3-高速级齿轮传动；高速级齿轮传动；4-低速级齿轮传动；低速级齿轮传动；5-摆动到感机构；摆动到感机构；6-凸轮机构；凸轮机构；7-双摇杆机构；双摇杆机构；8-升降机构；升降机构；9-工作台；工作台；10-棘轮棘轮丝杠进给机丝杠进给机构；构；11-工件；工件；12-让刀机构；让刀机构；13进刀机构；进刀机构；14-滑枕滑枕牛头刨床机构传动系统示意图牛头刨床机构传动系统示意图19106234578111213141.机器的运动分类机器的运动分类 根据机器所完成功能及其生产工艺的不同，有无周期根
19、据机器所完成功能及其生产工艺的不同，有无周期循环循环(起重运输机械、建筑机械、工程机械等起重运输机械、建筑机械、工程机械等)和有周期循和有周期循环环(包装机械、轻工自动机、自动机床等包装机械、轻工自动机、自动机床等)之分。之分。2.机器的运动循环机器的运动循环(工作循环工作循环)图图 定义定义描述各执行机构之间有序的、既相互制约又相描述各执行机构之间有序的、既相互制约又相互协调配合的运动关系的示意图。互协调配合的运动关系的示意图。形式形式四、机器工作循环图和机器传动系统示意图的绘制四、机器工作循环图和机器传动系统示意图的绘制 直线式运动循环图直线式运动循环图(矩形运动循环图矩形运动循环图)送料筛送料筛上冲头上冲头下冲头下沉下冲头下沉下冲头加压下冲头加压0 90 180 270 360加压加压送料送料向下向下下沉下沉加压加压 圆周式运动循环图圆周式运动循环图270090180送送下下冲冲头头加加压压下下冲冲头头下下沉沉筛筛料料停停止止送送料料上上冲冲头头提提升升上上冲冲头头向向下下0HSF刨刨头头作作行行程程270090180工工工作台进给工作台进给 本章结束本章结束