第3章機械系統運動方案設計閻紹澤清華大學精密儀器與機械學系第3章機械系統運動方案設計1機械系統方案設計的重要性企業的生命線市場銷售開發設計制造機械系統方案設計的重要性企業的生命線市場銷售開發設計制造2機械產品的設計過程子設計方案結構方案裝配圖零件圖設計圖紙施工設計生產文檔說明書總體功能子功能原理組合總體方案設計任務初期規劃調研、論證報告市場調查技術調查同行調查機械產品的設計過程子設計方案結構方案裝配圖零件圖設計圖紙施工31.從系統的整體目標出發，將總體功能分解成若干功能單元。2.尋找出能完成各個功能的技術方案。3.把能完成各個功能的技術方案組成方案組，進行分析評價和優選。4.實現給定條件下的整體優化。技術方案總體功能子功能方案組最終方案設計任務評價和優選機械系統運動方案設計方法技術方案總體功能子功能方案組最終方案設計任務評價和優選機械系4機械系統方案設計的階段成果目標分析方案擬定方案評價方案決策總體方案示意圖；機械系統方案運動簡圖；運動循環圖；方案設計計算說明書。機械系統方案設計的階段成果目標分析方案擬定方案評價方案決策總51.基本要求針對某種簡單機械系統，進行：機械工作原理設計執行系統設計原動機的選擇傳動系統設計機構尺度設計運動與動力分析評價與決策

3.1基本要求及設計步驟1.基本要求3.1基本要求及設計步驟62.總體參數的確定總體技術參數主要包括：與機械系統的使用范圍、生產能力等有關的參數、結構尺寸、運動學和動力學參數。例如：對于機床而言，總體參數包括規格參數、運動參數、動力參數和結構參數；對于儀器類機械系統，總體參數包括測量范圍、示值范圍、放大倍數、靈敏度等。2.總體參數的確定總體技術參數主要包括：與機械系統的使用范圍7（1）生產能力生產能力是指機械系統在單位時間內生產的產品數量，根據選用的計量和計時單位的不同而不同。例如：（A）對于干粉壓片機，其生產率為每分鐘加工的片數；（B）對于書本打包機，其生產率為每小時能夠包裝書的本數。理想生產能力：機械系統在理想狀態下單位時間內加工出的產品數量。實際生產能力：機械系統在正常運行期間單位時間內平均生產合格產品的實際數量。實際生產能力一般小于理論生產能力。（1）生產能力生產能力是指機械系統在單位時間內生產的產品數量8（2）尺寸參數尺寸參數是指影響機械性能的一些重要的結構尺寸，如：總體極限尺寸（長、寬、高及可移動的極限位置和尺寸）特征尺寸（加工范圍、中心高度）運動零部件的工作行程主要部件之間位置關系及安裝尺寸。根據設計任務書中原始參數、方案設計時的總體布置草圖、同類機械系統的類比或通過理論分析獲得上述尺寸參數。（2）尺寸參數尺寸參數是指影響機械性能的一些重要的結構尺寸，9（3）工藝參數工藝參數包括運動參數和動力參數。運動參數：執行構件的轉速、移動速度及調速范圍等。如：機床等機械設備的主軸最高和最低轉速工作臺或刀架的移動速度移動機械的行駛速度范圍連續作業機械的生產拍節等。運動參數是由機械的工藝要求決定的，應包括：運動形式（直線運動、回轉運動、曲線運動）運動特點（連續式、間歇式、往復式）運動范圍（極限尺寸、轉角及位移）運動速度（等速、不等速）動力參數：機械系統中使用的動力源參數，如電動機、液壓馬達、內燃機的功率，液壓缸的牽引力、伺服電機的額定轉矩等。（3）工藝參數工藝參數包括運動參數和動力參數。動力參數：機械103.設計步驟

機械工作原理設計

執行系統設計

原動機的選擇及傳動系統設計

機械系統運動方案初步擬定

機構尺度設計

運動與動力分析方案評價與決策機械系統運動方案設計步驟常常是不可分的，例如方案選擇、尺度設計和性能分析等設計工作在某種程度上是并行和交叉的。3.設計步驟機械工作原理設計11機械方案設計需要考慮的問題：1）創造人工制造物2）受到諸多因素的影響和制約技術環境：1）產品趨向2）設計制造3）生產趨向自然環境：1）自然資源2）環境保護經濟環境：1）市場競爭2）經濟規律社會環境：1）政策法規2）道德文化機械方案設計需要考慮的問題：1）創造人工制造物2）受到諸多因123.2機械工作原理設計機械工作原理設計包括功能分析、功能原理設計和工藝動作設計。1.功能分析功能：機械系統所具有的傳遞和變換能量、物質和信息的特性。機械系統的功能歸結為兩大類：動作功能和工藝功能。工藝功能與動作功能的區別在于是否其執行構件對物體具有加工作用。3.2機械工作原理設計機械工作原理設計包括功能分析、功能13（1）動作功能動作功能是以實現動作為目的，不對物體進行加工。簡單動作一般是一次性動作，如由鏈齒和拉頭組成的拉鏈，只實現閉合和開啟的簡單動作。復雜動作功能不僅要實現連續的傳動，而且還要實現復雜的運動規律以及運動型式變換。實現這類功能的機構一般比較復雜，常采用機構的組合方式實現。如機械手的抓取與送料復合運動功能。（1）動作功能動作功能是以實現動作為目的，不對物體進行加工。14（2）工藝功能

工藝功能是以加工對象為目的，是對物體實施某種加工工藝，如刮削器的刮削功能、機床的切削功能、挖掘機的挖掘功能、犁的翻地功能。這些功能由執行構件實現，如機床的刀具、挖掘機的挖斗、犁的犁頭等。（2）工藝功能

工藝功能是以加工對象為目的，是對物體實施某種15功能要求考慮不周，導致機械系統設計失敗的案例圖3-2硬幣清點機構功能要求考慮不周，導致機械系統設計失敗的案例圖3-2硬幣清點162.功能原理設計綜合分析法：將機械系統的總功能分解成若干子功能元，然后求解子功能元，再將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價與選擇。圖3-3某包裝機的組成某自動包裝機的功能是將物料裝入袋中包裝。可分解為如下分功能：自動完成計量、填料、制袋、封合、打印生產批號、切斷、輸送等。2.功能原理設計綜合分析法：將機械系統的總功能分解成若干17功能原理實現的多樣性自動給料裝置是包裝機的一個子功能元，可以采用重力給料原理、振動輸送給料原理、帶式輸送給料原理、螺旋輸送給料原理等實現。圖3-4重力給料裝置原理圖圖3-5振動給料裝置原理圖圖3—6帶式輸送機原理圖圖3-7螺旋輸送機原理圖功能原理實現的多樣性自動給料裝置是包裝機的一個子功能元，可以183.工藝動作設計同一工作原理可以采用不同的工藝動作實現。例如：刨削加工（1）將工藝動作分解為刀具往復移動，工件進給運動，即為牛頭刨床；（2）工件往復移動，刀具進給

，即為龍門刨床。

（a）牛頭刨床（b）龍門刨床3.工藝動作設計同一工作原理可以采用不同的工藝動作實現。（a19工藝動作設計原則(1)工序集中原則圖3—9自動切書機工藝過程示意圖(2)工序分散原則圖3-10書本打包機的包、封工藝過程(3)各工序的工藝時間相等原則(4)多件同時加工原則(5)減少機器工作行程時間和空程時間某些原則是相互矛盾或制約的，在工藝動作設計時，應抓主要矛盾。工藝動作設計原則(1)工序集中原則圖3—9自動切書機工藝過程20運動規律的擬定應盡可能簡單工程中往往需要實現復雜的運動規律，通常采用的措施是將復雜的運動規律分解成轉動、擺動或移動等比較簡單的運動規律。圖3-11大型繪圖機運動方案1一主動輪；2一從動輪；3一鋼絲；4一繪圖紙；5—繪圖筆運動規律的擬定應盡可能簡單工程中往往需要實現復雜的運213.3執行機構的型式設計及協調設計3.3.1執行機構分類執行機構的作用：傳遞、變換運動與動力。主要功能：施力、夾持、搬運、檢測、分度與轉位等。1.按執行機構對運動和動力的不同要求分為：動作型、動力型及動作-動力型。動作型要求實現預期精度的動作，而對各構件的強度、剛度無特殊要求，如縫紉機、印刷機等。動力型要求各構件有足夠的強度和剛度，施加一定的力做功，而對運動精度無特殊要求，如曲柄壓力機、碎石機等。動作-動力型要求既能實現預期精度的動作，又施加一定的力做功，如滾齒機、插齒機等。

3.3執行機構的型式設計及協調設計3.3.1執行機構分類223.3.1執行機構分類

2.按執行系統中執行機構數量及其相互間的聯系情況分為：單一型：攪拌機、碎石機的執行機構相互獨立型：外圓磨床的砂輪轉動與進給相互聯系型：印刷機、包裝機的執行機構3.3.1執行機構分類

2.按執行系統中執行機構數量及其233.3.2執行構件運動形式執行構件：在執行機構中接觸工件或執行終端運動的構件。1.主要有五種運動形式：直線運動回轉運動任意軌跡運動（曲線運動）點到點的運動位到位的運動（剛體導引運動）2.每種運動形式又可以細分，例如：旋轉運動又可分為連續旋轉運動（如縫紉機主軸的轉動）、間歇旋轉運動（如自動機床工作臺的轉位）、往復擺動（如顎式破碎機的動顎板的打擊運動，電風扇的搖頭運動）等；直線運動又可分為往復移動（如壓縮機活塞的往復運動）、間歇往復移動（如輕工自動機中供料機構的間歇供料運動）、單向間歇直線移動（如刨床工作臺的進給運動）等。3.3.2執行構件運動形式執行構件：在執行機構中接觸工件或243.3.3執行機構型式設計執行機構型式設計是決定擬定的運動規律采用何種執行機構實現。執行機構型式設計方法有機構的選型和機構的構型。1.應遵循以下原則：滿足工藝動作和運動要求；結構最簡單，傳動鏈最短；動力源的選擇有利于簡化結構和改善運動質量；執行機構有盡可能好的傳力和動力特性；機器操縱方便、調整容易、安全耐用；加工制造方便，經濟成本低；具有較高的生產效率與機械效率。綜合考慮，統籌兼顧，抓主要矛盾，有所側重3.3.3執行機構型式設計執行機構型式設計是決定擬定的運動253.3.3執行機構型式設計2.機構的選型按照動作功能分解與組合原理進行機構選型的步驟：⑴根據機構的基本功能，歸納整理為功能元。⑵列出功能元解的目錄，可采用功能-技術矩陣。⑶功能求解。圖3-12功能-技術矩陣示例3.3.3執行機構型式設計2.機構的選型圖3-12功能-263.3.3執行機構型式設計3.機構的構型3.3.3執行機構型式設計3.機構的構型273.3.3執行機構型式設計4.執行機構型式設計應注意的問題(1)避免執行機構的運動不確定現象圖3-13平行四邊形機構中位置不確定問題及其解決方法（2）避免執行機構的“頂死”現象圖3-14曲柄搖桿機構3.3.3執行機構型式設計4.執行機構型式設計應注意的問題284.執行機構型式設計應注意的問題（3）減少導路的側推力(4）避免傳動角過小圖3-15連桿機構圖3-16連桿機構4.執行機構型式設計應注意的問題圖3-15連桿機構圖3-1294.執行機構型式設計應注意的問題（5）正確選擇從動件的偏置方向（6）注意工作原理的設計缺陷圖3-17偏置從動件盤形凸輪機構圖3-18手動輪椅工作原理示意圖4.執行機構型式設計應注意的問題圖3-17偏置從動件盤形凸303.3.4執行系統協調設計1.協調設計原則滿足各執行機構動作先后的順序性要求（動作先后）；滿足各執行機構動作在時間上的同步性要求(時間協調：周期性）；滿足各執行機構在空間布置上的協調性要求（空間協調：避免干涉）；滿足各執行機構操作上的協同性要求（針對同一對象施行同一動作）；各執行機構的動作安排要有利于提高勞動生產率（縮短循環周期）；各執行機構的布置要有利于系統的能量協調和效率的提高。對于固定運動循環的機械，當采用機械方式集中控制時，通常用分配軸或主軸與各執行機構的主動件聯接起來。各執行機構主動件在主軸上的安裝方位，均是根據執行系統協調設計的結果來決定的。3.3.4執行系統協調設計1.協調設計原則312.協調設計步驟確定機械的工作循環周期；確定機械在一個運動循環中各執行構件的各個行程段及其所需時間；繪制機械運動循環圖，確定各執行構件動作間的協調配合關系。運動循環圖常以主軸或分配軸的轉角為坐標來編制。2.協調設計步驟運動循環圖常以主軸或分配軸的轉角為坐標來編32圖3-19牛頭刨床原理圖（a）直線式

（b）圓周式（c）直角坐標式牛頭刨床的機械運動循環圖圖3-19牛頭刨床原理圖（a）直線式（b）圓周式333.4原動機的選擇與傳動系統設計3.4.1原動機的選擇1.原動機的類型一般地說，應首選電動機，但也并非盡然。在滿足工作性能要求、現場允許的條件下，有時也用液壓或氣壓驅動源。3.4原動機的選擇與傳動系統設計3.4.1原動機的選擇一般342.電動機的選擇電動機是已經系列化的產品，要根據工作載荷大小及性質、轉速高低、起動特性、過載情況、工作環境、安裝要求及空間尺寸限制和經濟性等要求，從產品目錄中選擇電動機的類型、結構列式、容量(功率)和轉速，最后確定具體型號。(1)選擇電動機的類型和結構型式如無特殊要求，一般選用Y系列三相交流異步電動機。常用Y系列三相異步電動機的技術數據和外形尺寸見相關機械設計手冊。3.4.1原動機的選擇2.電動機的選擇3.4.1原動機的選擇352.電動機的選擇(2)電動機容量的確定選擇電動機容量時應保證電動機的額定功率Ped等于或稍大于電動機的實際輸出功率Pd，即

電動機的實際輸出功率為傳動系統的總效率

2.電動機的選擇(2)電動機容量的確定電動機的實際輸出功率為362.電動機的選擇(3)確定電動機的轉速額定功率相同的同類型電動機，有幾種轉速可供選用，如三相異步電動機就有四種常用的同步轉速，即3000r／min、1500r／min，1000r/min及750r／min。設計中如無待殊要求，一般選用同步轉速為1500r／min或1000r／min的電動機。電動機的類型、結構、輸出功率Pd和轉速確定后，可由標準中查出電動機型號、額定功率、滿載轉速、外形尺寸、電動機中心高、軸伸長度、鍵連接長度等，將這些參數列表備用。2.電動機的選擇(3)確定電動機的轉速37傳動系統通常有機械式、液壓式、電氣式等幾種形式。3.4.2傳動系統設計傳動系統通常有機械式、液壓式、電氣式等幾種形式。3.4.238

按傳動比和輸出速度的變化選擇傳動機構按傳動比和輸出速度的變化選擇傳動機構39機械系統運動方案設計課件40傳動系統設計步驟：傳動系統設計步驟：41金屬卷帶間歇供送裝置的傳動示意圖1一偏心輪2一連桿(下端為球面副)3、4—擺桿套環5一星輪6、7—牽引棍8一制動器9,ll一帶輪10一同步齒形帶12一蝸形凸輪13一滾子輪

采用傳動方案(b)，定位精度高，并且運行平穩，噪聲輕微，生產率高。其主要原因，在于兩者所選的傳動類型不同,以致運動和動力特性和實際工作效果也有所區別。傳動類型的選擇金屬卷帶間歇供送裝置的傳動示意圖傳動類型的選擇42傳動鏈中機構的順序安排傳動鏈中機構順序安排應考慮相關原則，見教材。機構的順序安排失誤案例分析：輸送機傳動方案錯誤傳動鏈中機構的順序安排傳動鏈中機構順序安排應考慮相關原則，見433.5機械系統運動方案初步擬定3.5.1機械系統運動方案圖按比例尺繪制機械系統運動方案簡圖，以反映各機構的運動尺寸和幾何形狀。對于運動情況比較復雜的機械系統，機械系統運動方案圖可以采用斜軸測投影圖表示，使其比較清晰、直觀。圖3-28某電動卷揚機的傳統系統3.5機械系統運動方案初步擬定3.5.1機械系統運動方案圖443.5.2總體布置總體布置應有全局觀念：考慮機械系統的內部因素，以及人機關系、環境條件等外部因素。應按照簡單、合理、經濟的原則，確定機械中各零部件之間的相對位置和運動關系。總體布置時一般先布置執行系統，然后再布置傳動系統、操縱系統、控制系統及支撐系統等。3.5.2總體布置總體布置應有全局觀念：考慮機械系統的內453.5.2總體布置1.總體布置的原則（1）保證工藝過程的連續性（2）保證平衡穩定的工作（3）保證機械系統的精度指標（4）保證機械系統結構緊湊、層次分明（5）保證操作、調整、維修方便（6）力求造型美觀、裝飾宜人（7）充分考慮機械產品的標準化、規格化、系列化和未來發展的要求3.5.2總體布置1.總體布置的原則462.執行系統的布置根據擬定的工藝要求，將執行構件布置在預定的工作位置后，再布置原動件及中間連接件。執行系統布置時應注意以下問題：（1）盡量減少構件和運動副數目，縮小構件尺寸，盡量減少磨損和變形，構件受力以拉、壓為主。（2）使原動件盡量靠近執行機構。盡量將各原動件集中在一根軸或少數幾根軸上，對外部的執行機構應將原動件隱蔽布置，以提高操作時的安全性。（3）在布置執行構件和中間連接件時，應考慮作業對象裝夾和傳送時的方便與安全。2.執行系統的布置根據擬定的工藝要求，將執行構件布置在預定的473.傳動系統布置在布置傳動系統時要考慮以下原則：（1）簡化傳動鏈（2）合理布置傳動鏈圖示滾齒機工作臺的傳動機構中為了精確分度，將蝸桿蝸輪機構布置在傳動系統中的最后一級。3.傳動系統布置在布置傳動系統時要考慮以下原則：圖示滾齒機工48布置方案的選擇：多方案比較選優1）結構簡單、2）布置對稱、3）結構緊湊布置方案的選擇：多方案比較選優1）結構簡單、2）布置對稱、3493.6尺度設計根據各執行構件、原動件的運動參數，以及各執行構件運動的協調配合要求，同時考慮動力性能要求，確定各機構中構件的幾何尺寸（機構的運動尺寸）或幾何形狀（如凸輪的輪廓曲線）等。根據對各機構尺度綜合所得的結果，要從運動規律、動力條件和工作性能等多方面進行綜合評價，修正、確定合適的機構運動尺寸，然后繪制出機構運動簡圖，表達各構件的運動尺寸和幾何形狀。對連桿機構、凸輪機構、齒輪機構和間歇運動機構等常用機構的尺度設計參見機械原理教材3.6尺度設計根據各執行構件、原動件的運動參數，以及各執503.7運動與動力分析機械系統的運動與動力分析包括機構運動分析、動力分析、周期性速度波動調節、機械的平衡等：檢驗設計的機械系統運動方案是否滿足運動要求和動力性能要求、是否發生干涉？確定機構運動所需的空間大小，為機械系統運動方案評價提供基礎。3.7運動與動力分析機械系統的運動與動力分析包括機構運動分513.7.1機械系統的運動分析機械運動分析是計算機械系統運動方案在一個運動循環中從動件的位移（包括軌跡）、速度和加速度等隨原動件位置參數的變化情況。通過對機構的位移和軌跡分析，考察某構件或構件上某點能否實現預期的位置和軌跡要求，確定從動件行程所需的運動空間，判斷機構運動過程中是否可能發生干涉，或為確定機械的外殼尺寸提供依據。通過速度分析可以了解從動件的速度變化能否滿足工作要求，是否具有要求的急回特性。為了確定慣性力，并在此基礎上對機械的慣性力進行平衡，必須對設計的機構進行加速度分析。3.7.1機械系統的運動分析機械運動分析是計算機械系統運動523.7.1機械系統的運動分析機械設計綜合實踐課程要求：應用解析法推導從動件運動參數的解析式，編程計算在一個運動循環中從動件的位移、速度、加速度以及機構的壓力角等參數，打印計算結果，并繪制輸出構件的位移、速度、加速度變化曲線。對計算結果進行簡要分析，從運動性能方面對設計的運動方案進行簡要評價，若發現問題，應修正機構的尺度，并對修正后的運動方案進行下一輪的運動分析。3.7.1機械系統的運動分析機械設計綜合實踐課程要求：533.7.2機械系統的動力分析機械設計綜合實踐課程要求：對所設計的機械系統運動方案進行動力分析，計算在一個運動循環中系統所需的驅動力矩和等效阻力矩，繪制等效驅動力矩和阻力矩變化曲線，確定系統所需的電動機驅動功率，對計算結果進行簡要分析，從動力性能方面對所設計的運動方案進行簡要評價。若所設計的機械系統具有周期性速度波動，應考察速度波動系數是否在許可的范圍內。如需安裝飛輪抑制速度波動，先計算最大盈虧功，求出系統所需的飛輪最小轉動慣量。3.7.2機械系統的動力分析機械設計綜合實踐課程要求：543.8機械系統運動方案的評價與決策3.8.1評價指標系統功能：實現運動規律或運動軌跡、實現工藝動作的準確性、特定功能等；運動性能：運轉速度、行程可調性、運動精度等；動力性能：承載能力、增力特性、傳力特性、振動噪音等；工作性能：效率高低、壽命長短、可操作性、安全性、可靠性、適用范圍等；經濟性：加工難易、能耗大小、制造成本等；結構緊湊性：尺寸、重量、結構復雜性等。3.8機械系統運動方案的評價與決策3.8.1評價指標55表3.9四種典型機構的性能和評價表3.9四種典型機構的性能和評價563.8.2評價體系根據評價指標所列的具體項目，通過一定范圍的專家咨詢，確定評價方法并逐項分配評定的分數值。表3.10機構選型的評價體系3.8.2評價體系根據評價指標所列的具體項目，通過一定范圍573.8.3評價方法(1)經驗性的概略評價法(2)計算性的數學分析評價法

評分法技術-經濟評價法模糊評價法(3)實踐性的試驗評價法其中評分法最為簡單。評分法又分為加法評分法、連乘評分法和加乘評分法。本課程要求采用簡單的加法評分法對機械系統運動方案進行評價。3.8.3評價方法(1)經驗性的概略評價法58表3.11機械系統運動方案的評價表3.11機械系統運動方案的評價59機械系統運動方案設計課件603.8.4機械系統運動方案的決策設計-評價-再設計-再評價，直到達到最優方案。3.8.4機械系統運動方案的決策設計-評價-再設計-再評價61申永勝.機械原理教程.北京：清華大學出版社，1999曾惟慶，徐增蔭主編.機構設計.北京：機械工業出版社，1993孟憲源主編.現代機構手冊.北京：機械工業出版社，1994鄒惠軍編著.機械系統設計.上海：上海科學技術出版社，1996張永安,徐錦康,王超英.機械原理課程設計指導.北京：高等教育出版社,1995強建國.機械原理創新設計.武漢：華中科技大學出版社社,2008陸鳳儀.機械原理課程設計.北京:機械工業出版社,2002師忠秀.機械原理課程設計.北京:機械工業出版社,2009鄒慧君.機械原理課程設計手冊.北京:高等教育出版社,1998牛鳴岐,王保民,王振甫.機械原理課程設計手冊.重慶:重慶大學出版社,2001裘建新.機械原理課程設計指導書.北京:高等教育出版社,2005參考文獻申永勝.機械原理教程.北京：清華大學出版社，1999參考文62張曉玲.機械原理課程設計指導.北京:北京航空航天大學出版社,2008龔溎義.機械設計課程設計指導書(第二版).北京高等教育出版社，1990張春林曲繼方張美麟.機械創新設計.北京：機械工業出版社，1999楊家軍.機械系統創新設計.武漢：華中理工大學出版社，2000孟憲源,姜琪.機構構型與應用.北京:機械工業出版社,2004郭庚田.機械原理課程設計指示書及資料——書本打包機.清華大學機械原理教研組,1996年3月姜琪主編.機械運動方案及機構設計--機械原理課程設計題例及指導.北京:高等教育出版社,1991參考文獻張曉玲.機械原理課程設計指導.北京:北京航空航天大學出版63節點考核與設計評價第二周周四上午：機械系統運動方案設計報告，占課程總成績的20%。是否對多種可行的機構設計方案進行了論證，最終方案選擇的理由是否充分；完成執行機構設計，以及原動機的選擇和傳動系統設計，繪制機械系統運動方案圖；提交的機械系統運動方案設計報告word文檔和PPT講稿是否齊全，內容是否全面。課堂答辯闡述是否條理清晰，回答問題是否正確。節點考核與設計評價第二周周四上午：機械系統運動方案設計報告，64謝謝！

謝謝！65第3章機械系統運動方案設計閻紹澤清華大學精密儀器與機械學系第3章機械系統運動方案設計66機械系統方案設計的重要性企業的生命線市場銷售開發設計制造機械系統方案設計的重要性企業的生命線市場銷售開發設計制造67機械產品的設計過程子設計方案結構方案裝配圖零件圖設計圖紙施工設計生產文檔說明書總體功能子功能原理組合總體方案設計任務初期規劃調研、論證報告市場調查技術調查同行調查機械產品的設計過程子設計方案結構方案裝配圖零件圖設計圖紙施工681.從系統的整體目標出發，將總體功能分解成若干功能單元。2.尋找出能完成各個功能的技術方案。3.把能完成各個功能的技術方案組成方案組，進行分析評價和優選。4.實現給定條件下的整體優化。技術方案總體功能子功能方案組最終方案設計任務評價和優選機械系統運動方案設計方法技術方案總體功能子功能方案組最終方案設計任務評價和優選機械系69機械系統方案設計的階段成果目標分析方案擬定方案評價方案決策總體方案示意圖；機械系統方案運動簡圖；運動循環圖；方案設計計算說明書。機械系統方案設計的階段成果目標分析方案擬定方案評價方案決策總701.基本要求針對某種簡單機械系統，進行：機械工作原理設計執行系統設計原動機的選擇傳動系統設計機構尺度設計運動與動力分析評價與決策

3.1基本要求及設計步驟1.基本要求3.1基本要求及設計步驟712.總體參數的確定總體技術參數主要包括：與機械系統的使用范圍、生產能力等有關的參數、結構尺寸、運動學和動力學參數。例如：對于機床而言，總體參數包括規格參數、運動參數、動力參數和結構參數；對于儀器類機械系統，總體參數包括測量范圍、示值范圍、放大倍數、靈敏度等。2.總體參數的確定總體技術參數主要包括：與機械系統的使用范圍72（1）生產能力生產能力是指機械系統在單位時間內生產的產品數量，根據選用的計量和計時單位的不同而不同。例如：（A）對于干粉壓片機，其生產率為每分鐘加工的片數；（B）對于書本打包機，其生產率為每小時能夠包裝書的本數。理想生產能力：機械系統在理想狀態下單位時間內加工出的產品數量。實際生產能力：機械系統在正常運行期間單位時間內平均生產合格產品的實際數量。實際生產能力一般小于理論生產能力。（1）生產能力生產能力是指機械系統在單位時間內生產的產品數量73（2）尺寸參數尺寸參數是指影響機械性能的一些重要的結構尺寸，如：總體極限尺寸（長、寬、高及可移動的極限位置和尺寸）特征尺寸（加工范圍、中心高度）運動零部件的工作行程主要部件之間位置關系及安裝尺寸。根據設計任務書中原始參數、方案設計時的總體布置草圖、同類機械系統的類比或通過理論分析獲得上述尺寸參數。（2）尺寸參數尺寸參數是指影響機械性能的一些重要的結構尺寸，74（3）工藝參數工藝參數包括運動參數和動力參數。運動參數：執行構件的轉速、移動速度及調速范圍等。如：機床等機械設備的主軸最高和最低轉速工作臺或刀架的移動速度移動機械的行駛速度范圍連續作業機械的生產拍節等。運動參數是由機械的工藝要求決定的，應包括：運動形式（直線運動、回轉運動、曲線運動）運動特點（連續式、間歇式、往復式）運動范圍（極限尺寸、轉角及位移）運動速度（等速、不等速）動力參數：機械系統中使用的動力源參數，如電動機、液壓馬達、內燃機的功率，液壓缸的牽引力、伺服電機的額定轉矩等。（3）工藝參數工藝參數包括運動參數和動力參數。動力參數：機械753.設計步驟

機械工作原理設計

執行系統設計

原動機的選擇及傳動系統設計

機械系統運動方案初步擬定

機構尺度設計

運動與動力分析方案評價與決策機械系統運動方案設計步驟常常是不可分的，例如方案選擇、尺度設計和性能分析等設計工作在某種程度上是并行和交叉的。3.設計步驟機械工作原理設計76機械方案設計需要考慮的問題：1）創造人工制造物2）受到諸多因素的影響和制約技術環境：1）產品趨向2）設計制造3）生產趨向自然環境：1）自然資源2）環境保護經濟環境：1）市場競爭2）經濟規律社會環境：1）政策法規2）道德文化機械方案設計需要考慮的問題：1）創造人工制造物2）受到諸多因773.2機械工作原理設計機械工作原理設計包括功能分析、功能原理設計和工藝動作設計。1.功能分析功能：機械系統所具有的傳遞和變換能量、物質和信息的特性。機械系統的功能歸結為兩大類：動作功能和工藝功能。工藝功能與動作功能的區別在于是否其執行構件對物體具有加工作用。3.2機械工作原理設計機械工作原理設計包括功能分析、功能78（1）動作功能動作功能是以實現動作為目的，不對物體進行加工。簡單動作一般是一次性動作，如由鏈齒和拉頭組成的拉鏈，只實現閉合和開啟的簡單動作。復雜動作功能不僅要實現連續的傳動，而且還要實現復雜的運動規律以及運動型式變換。實現這類功能的機構一般比較復雜，常采用機構的組合方式實現。如機械手的抓取與送料復合運動功能。（1）動作功能動作功能是以實現動作為目的，不對物體進行加工。79（2）工藝功能

工藝功能是以加工對象為目的，是對物體實施某種加工工藝，如刮削器的刮削功能、機床的切削功能、挖掘機的挖掘功能、犁的翻地功能。這些功能由執行構件實現，如機床的刀具、挖掘機的挖斗、犁的犁頭等。（2）工藝功能

工藝功能是以加工對象為目的，是對物體實施某種80功能要求考慮不周，導致機械系統設計失敗的案例圖3-2硬幣清點機構功能要求考慮不周，導致機械系統設計失敗的案例圖3-2硬幣清點812.功能原理設計綜合分析法：將機械系統的總功能分解成若干子功能元，然后求解子功能元，再將其組合，得到滿足總功能要求的多種解決方案，以供評價與選擇。圖3-3某包裝機的組成某自動包裝機的功能是將物料裝入袋中包裝。可分解為如下分功能：自動完成計量、填料、制袋、封合、打印生產批號、切斷、輸送等。2.功能原理設計綜合分析法：將機械系統的總功能分解成若干82功能原理實現的多樣性自動給料裝置是包裝機的一個子功能元，可以采用重力給料原理、振動輸送給料原理、帶式輸送給料原理、螺旋輸送給料原理等實現。圖3-4重力給料裝置原理圖圖3-5振動給料裝置原理圖圖3—6帶式輸送機原理圖圖3-7螺旋輸送機原理圖功能原理實現的多樣性自動給料裝置是包裝機的一個子功能元，可以833.工藝動作設計同一工作原理可以采用不同的工藝動作實現。例如：刨削加工（1）將工藝動作分解為刀具往復移動，工件進給運動，即為牛頭刨床；（2）工件往復移動，刀具進給

，即為龍門刨床。

（a）牛頭刨床（b）龍門刨床3.工藝動作設計同一工作原理可以采用不同的工藝動作實現。（a84工藝動作設計原則(1)工序集中原則圖3—9自動切書機工藝過程示意圖(2)工序分散原則圖3-10書本打包機的包、封工藝過程(3)各工序的工藝時間相等原則(4)多件同時加工原則(5)減少機器工作行程時間和空程時間某些原則是相互矛盾或制約的，在工藝動作設計時，應抓主要矛盾。工藝動作設計原則(1)工序集中原則圖3—9自動切書機工藝過程85運動規律的擬定應盡可能簡單工程中往往需要實現復雜的運動規律，通常采用的措施是將復雜的運動規律分解成轉動、擺動或移動等比較簡單的運動規律。圖3-11大型繪圖機運動方案1一主動輪；2一從動輪；3一鋼絲；4一繪圖紙；5—繪圖筆運動規律的擬定應盡可能簡單工程中往往需要實現復雜的運863.3執行機構的型式設計及協調設計3.3.1執行機構分類執行機構的作用：傳遞、變換運動與動力。主要功能：施力、夾持、搬運、檢測、分度與轉位等。1.按執行機構對運動和動力的不同要求分為：動作型、動力型及動作-動力型。動作型要求實現預期精度的動作，而對各構件的強度、剛度無特殊要求，如縫紉機、印刷機等。動力型要求各構件有足夠的強度和剛度，施加一定的力做功，而對運動精度無特殊要求，如曲柄壓力機、碎石機等。動作-動力型要求既能實現預期精度的動作，又施加一定的力做功，如滾齒機、插齒機等。

3.3執行機構的型式設計及協調設計3.3.1執行機構分類873.3.1執行機構分類

2.按執行系統中執行機構數量及其相互間的聯系情況分為：單一型：攪拌機、碎石機的執行機構相互獨立型：外圓磨床的砂輪轉動與進給相互聯系型：印刷機、包裝機的執行機構3.3.1執行機構分類

2.按執行系統中執行機構數量及其883.3.2執行構件運動形式執行構件：在執行機構中接觸工件或執行終端運動的構件。1.主要有五種運動形式：直線運動回轉運動任意軌跡運動（曲線運動）點到點的運動位到位的運動（剛體導引運動）2.每種運動形式又可以細分，例如：旋轉運動又可分為連續旋轉運動（如縫紉機主軸的轉動）、間歇旋轉運動（如自動機床工作臺的轉位）、往復擺動（如顎式破碎機的動顎板的打擊運動，電風扇的搖頭運動）等；直線運動又可分為往復移動（如壓縮機活塞的往復運動）、間歇往復移動（如輕工自動機中供料機構的間歇供料運動）、單向間歇直線移動（如刨床工作臺的進給運動）等。3.3.2執行構件運動形式執行構件：在執行機構中接觸工件或893.3.3執行機構型式設計執行機構型式設計是決定擬定的運動規律采用何種執行機構實現。執行機構型式設計方法有機構的選型和機構的構型。1.應遵循以下原則：滿足工藝動作和運動要求；結構最簡單，傳動鏈最短；動力源的選擇有利于簡化結構和改善運動質量；執行機構有盡可能好的傳力和動力特性；機器操縱方便、調整容易、安全耐用；加工制造方便，經濟成本低；具有較高的生產效率與機械效率。綜合考慮，統籌兼顧，抓主要矛盾，有所側重3.3.3執行機構型式設計執行機構型式設計是決定擬定的運動903.3.3執行機構型式設計2.機構的選型按照動作功能分解與組合原理進行機構選型的步驟：⑴根據機構的基本功能，歸納整理為功能元。⑵列出功能元解的目錄，可采用功能-技術矩陣。⑶功能求解。圖3-12功能-技術矩陣示例3.3.3執行機構型式設計2.機構的選型圖3-12功能-913.3.3執行機構型式設計3.機構的構型3.3.3執行機構型式設計3.機構的構型923.3.3執行機構型式設計4.執行機構型式設計應注意的問題(1)避免執行機構的運動不確定現象圖3-13平行四邊形機構中位置不確定問題及其解決方法（2）避免執行機構的“頂死”現象圖3-14曲柄搖桿機構3.3.3執行機構型式設計4.執行機構型式設計應注意的問題934.執行機構型式設計應注意的問題（3）減少導路的側推力(4）避免傳動角過小圖3-15連桿機構圖3-16連桿機構4.執行機構型式設計應注意的問題圖3-15連桿機構圖3-1944.執行機構型式設計應注意的問題（5）正確選擇從動件的偏置方向（6）注意工作原理的設計缺陷圖3-17偏置從動件盤形凸輪機構圖3-18手動輪椅工作原理示意圖4.執行機構型式設計應注意的問題圖3-17偏置從動件盤形凸953.3.4執行系統協調設計1.協調設計原則滿足各執行機構動作先后的順序性要求（動作先后）；滿足各執行機構動作在時間上的同步性要求(時間協調：周期性）；滿足各執行機構在空間布置上的協調性要求（空間協調：避免干涉）；滿足各執行機構操作上的協同性要求（針對同一對象施行同一動作）；各執行機構的動作安排要有利于提高勞動生產率（縮短循環周期）；各執行機構的布置要有利于系統的能量協調和效率的提高。對于固定運動循環的機械，當采用機械方式集中控制時，通常用分配軸或主軸與各執行機構的主動件聯接起來。各執行機構主動件在主軸上的安裝方位，均是根據執行系統協調設計的結果來決定的。3.3.4執行系統協調設計1.協調設計原則962.協調設計步驟確定機械的工作循環周期；確定機械在一個運動循環中各執行構件的各個行程段及其所需時間；繪制機械運動循環圖，確定各執行構件動作間的協調配合關系。運動循環圖常以主軸或分配軸的轉角為坐標來編制。2.協調設計步驟運動循環圖常以主軸或分配軸的轉角為坐標來編97圖3-19牛頭刨床原理圖（a）直線式

（b）圓周式（c）直角坐標式牛頭刨床的機械運動循環圖圖3-19牛頭刨床原理圖（a）直線式（b）圓周式983.4原動機的選擇與傳動系統設計3.4.1原動機的選擇1.原動機的類型一般地說，應首選電動機，但也并非盡然。在滿足工作性能要求、現場允許的條件下，有時也用液壓或氣壓驅動源。3.4原動機的選擇與傳動系統設計3.4.1原動機的選擇一般992.電動機的選擇電動機是已經系列化的產品，要根據工作載荷大小及性質、轉速高低、起動特性、過載情況、工作環境、安裝要求及空間尺寸限制和經濟性等要求，從產品目錄中選擇電動機的類型、結構列式、容量(功率)和轉速，最后確定具體型號。(1)選擇電動機的類型和結構型式如無特殊要求，一般選用Y系列三相交流異步電動機。常用Y系列三相異步電動機的技術數據和外形尺寸見相關機械設計手冊。3.4.1原動機的選擇2.電動機的選擇3.4.1原動機的選擇1002.電動機的選擇(2)電動機容量的確定選擇電動機容量時應保證電動機的額定功率Ped等于或稍大于電動機的實際輸出功率Pd，即

電動機的實際輸出功率為傳動系統的總效率

2.電動機的選擇(2)電動機容量的確定電動機的實際輸出功率為1012.電動機的選擇(3)確定電動機的轉速額定功率相同的同類型電動機，有幾種轉速可供選用，如三相異步電動機就有四種常用的同步轉速，即3000r／min、1500r／min，1000r/min及750r／min。設計中如無待殊要求，一般選用同步轉速為1500r／min或1000r／min的電動機。電動機的類型、結構、輸出功率Pd和轉速確定后，可由標準中查出電動機型號、額定功率、滿載轉速、外形尺寸、電動機中心高、軸伸長度、鍵連接長度等，將這些參數列表備用。2.電動機的選擇(3)確定電動機的轉速102傳動系統通常有機械式、液壓式、電氣式等幾種形式。3.4.2傳動系統設計傳動系統通常有機械式、液壓式、電氣式等幾種形式。3.4.2103

按傳動比和輸出速度的變化選擇傳動機構按傳動比和輸出速度的變化選擇傳動機構104機械系統運動方案設計課件105傳動系統設計步驟：傳動系統設計步驟：106金屬卷帶間歇供送裝置的傳動示意圖1一偏心輪2一連桿(下端為球面副)3、4—擺桿套環5一星輪6、7—牽引棍8一制動器9,ll一帶輪10一同步齒形帶12一蝸形凸輪13一滾子輪

采用傳動方案(b)，定位精度高，并且運行平穩，噪聲輕微，生產率高。其主要原因，在于兩者所選的傳動類型不同,以致運動和動力特性和實際工作效果也有所區別。傳動類型的選擇金屬卷帶間歇供送裝置的傳動示意圖傳動類型的選擇107傳動鏈中機構的順序安排傳動鏈中機構順序安排應考慮相關原則，見教材。機構的順序安排失誤案例分析：輸送機傳動方案錯誤傳動鏈中機構的順序安排傳動鏈中機構順序安排應考慮相關原則，見1083.5機械系統運動方案初步擬定3.5.1機械系統運動方案圖按比例尺繪制機械系統運動方案簡圖，以反映各機構的運動尺寸和幾何形狀。對于運動情況比較復雜的機械系統，機械系統運動方案圖可以采用斜軸測投影圖表示，使其比較清晰、直觀。圖3-28某電動卷揚機的傳統系統3.5機械系統運動方案初步擬定3.5.1機械系統運動方案圖1093.5.2總體布置總體布置應有全局觀念：考慮機械系統的內部因素，以及人機關系、環境條件等外部因素。應按照簡單、合理、經濟的原則，確定機械中各零部件之間的相對位置和運動關系。總體布置時一般先布置執行系統，然后再布置傳動系統、操縱系統、控制系統及支撐系統等。3.5.2總體布置總體布置應有全局觀念：考慮機械系統的內1103.5.2總體布置1.總體布置的原則（1）保證工藝過程的連續性（2）保證平衡穩定的工作（3）保證機械系統的精度指標（4）保證機械系統結構緊湊、層次分明（5）保證操作、調整、維修方便（6）力求造型美觀、裝飾宜人（7）充分考慮機械產品的標準化、規格化、系列化和未來發展的要求3.5.2總體布置1.總體布置的原則1112.執行系統的布置根據擬定的工藝要求，將執行構件布置在預定的工作位置后，再布置原動件及中間連接件。執行系統布置時應注意以下問題：（1）盡量減少構件和運動副數目，縮小構件尺寸，盡量減少磨損和變形，構件受力以拉、壓為主。（2）使原動件盡量靠近執行機構。盡量將各原動件集中在一根軸或少數幾根軸上，對外部的執行機構應將原動件隱蔽布置，以提高操作時的安全性。（3）在布置執行構件和中間連接件時，應考慮作業對象裝夾和傳送時的方便與安全。2.執行系統的布置根據擬定的工藝要求，將執行構件布置在預定的1123.傳動系統布置在布置傳動系統時要考慮以下原則：（1）簡化傳動鏈（2）合理布置傳動鏈圖示滾齒機工作臺的傳動機構中為了精確分度，將蝸桿蝸輪機構布置在傳動系統中的最后一級。3.傳動系統布置在布置傳動系統時要考慮以下原則：圖示滾齒機工113布置方案的選擇：多方案比較選優1）結構簡單、2）布置對稱、3）結構緊湊布置方案的選擇：多方案比較選優1）結構簡單、2）布置對稱、31143.6尺度設計根據各執行構件、原動件的運動參數，以及各執行構件運動的協調配合要求，同時考慮動力性能要求，確定各機構中構件的幾何尺寸（機構的運動尺寸）或幾何形狀（如凸輪的輪廓曲線）等。根據對各機構尺度綜合所得的結果，要從運動規律、動力條件和工作性能等多方面進行綜合評價，修正、確定合適的機構運動尺寸，然后繪制出機構運動簡圖，表達各構件的運動尺寸和幾何形狀。對連桿機構、凸輪機構、齒輪機構和間歇運動機構等常用機構的尺度設計參見機械原理教材3.6尺度設計根據各執行構件、原動件的運動參數，以及各執1153.7運動與動力分析機械系統的運動與動力分析包括機構運動分析、動力分析、周期性速度波動調節、機械的平衡等：檢驗設計的機械系統運動方案是否滿足運動要求和動力性能要求、是否發生干涉？確定機構運動所需的空間大小，為機械系統運動方案評價提供基礎。3.7運動與動力分析機械系統的運動與動力分析包括機構運動分1163.7.1機械系統的運動分析機械運動分析是計算機械系統運動方案在一個運動循環中從動件的位移（包括軌跡）、速度和加速度等隨原動件位置參數的變化情況。通過對機構的位移和軌跡分析，考察某構件或構件上某點能否實現預期的位置和軌跡要求，確定從動件行程所需的運動空間，判斷機構運動過程中是否可能發生干涉，或為確定機械的外殼尺寸提供依據。通過速度分析可以了解從動件的速度變化能否滿足工作要求，是否具有要求的急回特性。為了確定慣性力，并在此基礎上對機械的慣性力進行平衡，必須對設計的機構進行加速度分析。3.7.1機械系統的運動分析機械運動分析是計算機械系統運動1173.7.1機械系統的運動分析機械設計綜合實踐課程要求：應用解析法推導從動件