机械运动方案设计机械系统通常由原动机､传动部分､执行机构和控制部分等组成｡机械运动方案设计的主要内容是:根据给定机械的工作要求,确定机械的工作原理,拟定工艺动作和执行构件的运动形式,绘制工作循环图;选择原动机的类型和主要参数,并进行执行机构的选型与组合,随之形成机械系统的几种运动方案,对运动方案进行分析､比较､评价和选择;对选定运动方案中的各执行机构进行运动综合,确定其运动参数,并绘制机构运动简图,在此基础上,进行机械的运动性能和动力性能分析｡一､机械运动方案设计的步骤机械运动方案设计的一般过程如下:构思机械工作原理,针对设计任务书中的规定的机械功能,构思实现该功能所采用的科学原理和技术手段,即机械的工作原理;由工作原理进一步确定机械所要实现的工艺动作,复杂的工艺动作可分解为几种简单运动的合成,选用适当的机构实现这些运动就是机械运动方案设计的主要任务｡二､绘制机械工作循环图(又称运动循环图)针对机械要实现的工艺动作,确定执行构件的数目,为了实现机械的功能,各执行构件的工艺动作之间往往有一定的协调配合要求,为了清晰地表述各执行构件运动协调关系,应绘制机械的工作循环图｡机械工作循环图也是进行机构的选型和拟定机构的组合方案的依据｡三､选择执行机构类型根据执行构件的运动形式和运动参数,选定实现执行构件工艺动作的执行机构,并将各执行机构有机的组合在一起,以实现机械的整体工艺动作｡在进行执行机构选型时,应首先满足执行构件运动形式的要求,然后通过对所选机构进行综合､组合､变异和调整等,以满足执行构件的运动参数和运动特性等要求｡一般来说,满足执行构件工艺动作的执行机构往往不是一种,而是多种,故应该进行综合评价,择优选用｡四､绘制机械运动示意图依据机械工作性质和工作环境等,合理选取原动机类型;原动机的运动和动力经传动系统的传递和转化后,驱动执行机构的主动件,使执行机构实现预期的工艺动作｡根据机械的工作原理､执行构件运动的协调配合要求,和所选定的各执行机构,拟定机构的组合方案,画出机械运动示意图,这种示意图就表示可机械运动配合情况和机构组成情况,代表机械运动系统的方案,对于运动情况比较复杂的机械,机械运动示意图还可以采用轴测投影的方法绘制出立体的机械运动示意图｡五､执行机构的尺度综合根据各执行构件和主动件的运动参数,以及各执行构件运动间的协调配合要求,同时考虑执行机构的动力性能要求,确定各执行机构中构件的尺寸和几何形状(如凸轮廓线)等｡六､绘制运动机械简图针对各机构尺度综合所得结果,进行机构的运动分析和动态静力分析,并从运动规律､动力条件､工作特性等多方面进行综合评价,确定机构其它相关尺寸｡然后绘制出运动简图｡根据机械运动简图所求得的运动参数､动力参数,可以作为机械零部件结构设计的依据｡七､编制设计说明书设计说明书是设计人员对整个设计计算过程的系统整理和归纳总结,是审核设计的主要技术文件之一,也是进行图纸设计的理论依据｡因此编定好设计说明书是整个设计工作中一项必不可少的重要组成部分｡设计说明书的内容应根据设计任务的要求而定,一般来讲包括以下几个方面: 1､目录(标题和页次);2､设计题目(设计条件和要求);3､全部原始数据;4､机械运动设计方案的拟定,(设计思路的说明,所选用机构的工作原理及运动特性);5､机构的组合方式;6､机械运动循环图;7､机械运动简图;8､采用的设计方法及其原理的简要说明;9､设计计算公式及其所调用的子程序名称;10､机械运动分析､动力分析的方法,分析计算公式及其抽调用的子程序名称;11､编程框及自编主程序,打印出自编的分部程序并作必要的说明;12､用表格列出计算结果,并绘制出主要的运动曲线图;13､对计算结果的分析讨论,作出概括性的结论;14､列出主要的参考资料｡设计说明书用钢笔书写,采用统一的16开报告纸;编写说明书时应作到条理清楚､叙述简明､重点突出､计算正确､文句通顺､书写整洁;所用的公式和数据应注明来源(参考资料的编写和页次);全部计算中所用的符号和脚注必须前后一致,不能混淆;对自成单元的内容应有大小标题,做到层次分明醒目突出;绘制机械运动简图时应采用规定的符号,按比例作图;对计算结果应有简明的结论,如果实际所取的数值与计算结果有较大差异,应作必要的解释,说明原因;说明书编定完毕后应加上封面,装订成册｡机械运动循环图机器的各个工艺动作是相互独立的,它们各自实现自己的子功能｡但为了实现机器的总功能,这些各自独立的动作又必须相互配合､相互协调以确保时间和空间上的同步｡用来表述各执行机构之间运动协调配合关系的图就是机械的运动循环图｡它是机器各执行机构的运动循环图(即执行机构的执行构件在一个循环中的运动状态图)按同一时间(或分配轴的转角)比例绘制的总图,它以某一主要执行机构的起点为基准,表示各执行机构的运动循环相对于该主要执行机构的动作顺序｡因此它是机器各执行机构之间的协调图,也是机器设计､安装､调试的依据｡一､机械运动循环图表示方法机械运动循环图常用的表示方法有如表1中三种｡表1 机械运动循环图的分类､表示方法和优缺点图1 平压印刷机直线式运动循环图图2 平压印刷机同心圆式运动循环图图3 平压印刷机直角坐标式运动循环图二､机械运动循环图的设计机械的运动循环是指完成其运动功能所需的总时间,通常以T表示｡机械的运动循环往往与各执行机构的运动循环相一致,因为执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏｡执行机构中执行构件的运动循环至少包括一个工作行程和一个空行程｡有时有的执行构件还有一个或若干个停歇阶段｡因此,执行机构的运动循环T执=T工作+T空程+T停歇式中 :T工作——执行机构工作行程时间;T空程——执行机构空回程时间;T停歇——执行机构停歇时间｡在设计机械的运动循环图(又称工作循环图)时,通常机械应实现的功能是已知的,它的理论生产率也已经确定,机器的传动方式以及执行机构的结构均已初步拟定,然后可以按以下步骤进行设计｡1､确定执行机构的运动循环时间T执;2､确定组成运动循环的各个区段;3､确定执构件各区段的运动时间及相应的分配轴转角;4､初步绘制执行机构的运动循环图;5､在完成执行机构的设计后,对初步绘制的运动循环图进行修改;6､分别画出各执行机构的运动循环图;进行各执行机构的协调设计,又称同步设计,最后画出整个机器的运动循环图｡三､机械运动循环图的应用运动循环图可以用来核算机器的生产率,并通过分析研究循环图,从中寻找提高机器生产率的途径｡运动循环图可以用来指导各个执行机构的设计､安装和调试｡应用运动循环图可以检验各执行机构中执行构件的运动是否紧密配合､相互协调｡机械运动简图设计的内容､方法和步骤为了实现生产过程的机械化､自动化或者某种动作功能,就必须按这些动作和动能要求,设计或开发相应的一系列机构,并将它们按动作过程要求组合成新的机械｡机械运动简图除了要表示出各构件本身各执行构件间真实运动关系外,还应表示各执行构件之间动作过程的次序和配合情况｡机械运动简图的设计,主要包括下列内容:1､功能原理方案的设计和构思根据机械所要实现的功能采用有关的工作原理,由工作原理出发设计和构思出工艺动作过程,这就是功能原理方案的设计｡值得指出的是,一个灵巧的功能原理方案是创新机械的出发点和归宿｡2､机械运动方按的设计机械运动方案通常用机械运动示意图来表示,它是根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各个动作的运动规律要求,选择相应的若干个执行机构,并按一定的顺序把它们组合成机械运动示意图｡这个机构系统应能合理地､可靠地完成上述工艺动作｡机械运动方案就是机械运动简图设计中的型综合｡机械运动方案中所画出的表示机构结构形式､机构相互联接情况的示意图是进行机械运动简图设计尺度设计的依据｡3､机械运动简图的尺度综合将机械运动方案中各个执行机构,根据工艺动作运动规律和机械运动循环图的要求进行尺度综合｡机械运动简图中各机构的运动尺寸(如果有高副机构还应包括高副的形状)都要通过分析､计算加以确定｡当然,在设计机械运动简图进行尺度综合时,应该同时考虑其运动条件和动力条件,否则不利于设计性能良好的新机械｡4､机械运动简图设计的一般程序根据产品功能要求､工作性质和动作过程等基本要求进行新机械的方案设计时,首先将总功能分解成多个功能元,找出功能元的运动规律和工作过程;其次按各功能元的运动规律和动作过程确定运动示意图(即机械运动方案图);然后,按各功能元的运动规律､动作过程､动力性能等要求进行机械运动简图的尺度综合｡机械运动方案的比较与优选由前述的机械运动方案设计可知,对于同一种功能,可选取不同的工作原理来满足要求,而同一种工作原理,还可选用､创造不同的机构及其组合来实现｡因此,对于要求满足某种功能的机械,可能的运动方案就有很多种,故有必要对机械运动方案进行比较和优选｡作为课程设计,目的在于完成评选方案的初步训练,所以,偏重于机构结构､运动和动力特性方面的比较,主要包括以下几方面的内容:1､机构功能的重量一般来说,所有方案都能基本满足机构的功能要求,然而,各种方案在实现功能的质量上还是有差别的,所以对实现功能的质量需首先进行比较分析｡如:工作行程是否达到设计要求,与预期运动规律符合程度,运动参数(vmax､amax)大小,传力性能(压力角､传动角)好坏,生产效率高低,所须原动机功率,振动､冲击､噪声的大小,传动精度与持久性,恢复精度的方便程度等｡2､机构结构的合理性机构结构的合理性是指机构中构件与运动副的数量及种类是否最少,机构组成是否最为简洁,运动链可否再作简化,动力源种类与原动机参数选择是否合理,各级传动机构的传动比分配是否合理｡通常,机械制造的难易程度与使用构件多少的平方成比例,这是因为零件的制造技术和零件间的接合(装配)技术两方面的问题同时存在的缘故,因此,减少构件数和运动副数可降低制造的困难程度｡同时还减少误差环节和摩擦损耗,提高机构的刚度,并且也降低机构产生故障的可能性,提高其工作的可靠性｡因此,有时宁用有设计误差但结构简单的近似机构,而不采用理论上没有误差但结构复杂的精确机构｡动力源的合理选择,也有利于机构的简化和改善运动质量｡例如,从动件作直线运动,若能从现场的现成气､电､液压源中选择一个合适的直线运动动力装置(如汽缸､直线电动机､液压缸等),就可省去运动变换机构,简化机械系统｡若现场不具备某些动力源,那么,为简化机构而特别设置一个新的动力源,也许是不合适的｡3､机构的经济性机械应具有良好的经济性,即加工制造成本低,使用维修费用低｡在材料确定后,加工制造成本主要与机构组成及运动副形式有关｡因此,设计中要考虑是否有更简捷廉价的方法完成预期任务,对机器的加工､安装与配合精度要求可否降低,需特殊加工零件(凸轮､靠模)的加工难度,各种消耗(能源､工具､辅料)可否降低,原材料利用率能否提高等｡4､在设计与制造的关系我们应从制造是否简便的观点出发来衡量｡如果这个方案的机构设计虽然比较繁难,但是制造容易,则还是应该优先选用,因为这有利于提高机构的经济性｡5､机构的使用性理论上可行的机构,到能够将其付诸实用,还是有一段距离的｡所以,设计者要为“用户”着想,除了满足功能要求,经济实惠以外,还应考虑机器的安全可靠问题,如操作强度,操作人员的体力､脑力消耗,使用､维护､保养､拆装､运输的方便程度,是否会造成污染或公害,对工作环境有无特殊要求(防尘､防爆､防电磁干扰､恒温､恒湿等)｡除了上述评价内容,在进行机械运动方案比较与优选时,还应考虑非机械传动方式的应用情况,机械中高科技含量与自动化､智能化程度,设计成果的新颖性,他人知识产权､专利技术的移植与运用情况等｡对于不同设计对象和设计要求,应按不同需要对上述内容加以合理取舍｡设计题目:专用机床的刀具进给机构和工作台回转机构设计专用机床外形及其尺寸如图4所示｡工作台有Ⅰ､Ⅱ､Ⅲ､Ⅳ四个工作位置,工位I是装卸工件,工位Ⅱ是钻孔,工位Ⅲ是扩孔,工位Ⅳ是铰孔｡主轴箱上装有三把刀具,对应于工位Ⅱ､位置装钻头,Ⅲ位置装扩孔钻,Ⅳ位置装铰刀｡刀具由专用电动机带动绕其自身的轴线转动｡主轴箱每向左栘动送进一次,分别在四个工位上完成对应的装卸图4专用机床工件､钻孔､扩孔和铰孔工作｡当主轴箱右移快速退回到刀具离开工件后,工作台回转90度,然后主轴箱再次左移｡这时对其中每一个工件来说,它进入了下一个工位的加工｡依次循环4次,一个工件完成装､钻､扩､铰､卸等工序｡由于主轴往复一次,在四个工位上同时进行工作,所以每次就有一个工件完成上述全部工序｡一､原始数据和设计要求1) 刀具顶端离开工作表面65mm,快速移动送进60mm后,再匀速送进60mm(包括5mm刀具切入量､45mm工件孔深､10mm刀具切出量,如右图所示),然后快速返回｡回程和进程的平均速度之比K=2｡2) 刀具匀速进给速度为2mm/s,工件装卸时间不超过10s｡1) 机床生产率每小时约75件｡2) 执行机构及传动机构能装入机体内｡3) 传动系统电机为交流异步电动机,功率1.5Kw,转速960r/min｡二､方案设计与选择1) 回转台的间歇转动,可采用槽轮机构､不完全齿轮机构､凸轮式间歇运动机构｡2) 主轴箱的往复移动,可采用圆柱凸轮机构､移动从动件盘形凸轮机构､凸轮-连杆机构､平面连杆机构等｡3) 由生产率可求出一个运动循环所需时间T=48s,刀具匀速送进60mm所需时间t匀=30s,刀具其余移动(包括快速送进60mm,快速返回120mm)共需18s｡回转工作台静止时间为40s,因此足够工件装卸所需时间｡回转工作台作单向间歇运动,每次转过90度｡主轴箱作复移动,在工作行程中有快进和慢进两段,回程具有急回特性｡图5､图6､图7所示为其中的三个参考方案｡选择运动方案时应注意以下几点:工作台回转以后是否有可靠的定位功能,主轴箱往复运动的行程在115mm以上,所选机构是否能在给定空间内完成运动要求｡机构的运动和动力性能､精度在满足要求的前提下,传动链是否能尽可能短,且制造和安装方便｡加工工件的尺寸变化后,是否能够方便的进行调整和改装｡图5圆柱凸轮运动方案图6齿轮——凸轮运动方案图7凸轮——连杆运动方案三､设计任务与内容1) 按工艺动作过程拟定运动循环图｡2) 进行回转台间歇转动机构､主轴箱刀具移动机构的选型｡并进行机械运动方案的评价和选择｡3) 根据电机参数和执行机构运动参数进行传动方案的拟订｡4) 画出机械运动方案图(CAD､A2),凸轮轮廓图(手工､A3)｡5) 机械传动系统和执行机构的尺度计算｡6) 编写设计说明书｡(用A4纸张,封面用标准格式)。
