机械原理-机构系统设计

第八章机构系统运动方案设计1.机构系统运动方案设计2.执行机构运动规律设计3.执行机构运动协调设计4.机械运动循环图设计§1发展趋势•制造科学是多学科交叉的学科–制造技艺→制造技术→制造科学；–制造活动的社会性、制造系统的开放性→制造科学综合性；–制造科学不可能在孤立、封闭的状态下发展，必然走兼采百家之长、交叉融合的道路；–现代物理、数学、化学、生命、信息、材料、管理和系统等科学的发展，为制造科学不断提供新的推动力，也不断丰富着现代制造学科的内涵和外延。制造业是国家的战略性产业高度发达的制造业，是实现工业化的必备条件高度发达的制造业，是衡量国家国际竞争力的重要标志高度发达的制造业，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素•许多高技术我国尚未掌握，许多重大装备我国不能自主制造，缺乏自主创新能力是制造大国，不是制造强国发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强关键装备大多依赖进口–光电子制造设备的100%–IC制造装备的85%–高档数控机床的70%发展趋势“数”是发展的核心“精”是发展的关键“极”是发展的焦点“自”是发展的条件“网”是发展的道路“集”是发展的方法“智”是发展的前景“绿”是发展的必然•据报道，由于日本地震及海啸的影响，iPod、iPhone、iPad和MacBook的锂电池供应短缺已经迫在眉睫，原因是日本Kureha公司由于地震原因，不得不关闭其日本工厂。•日本Kureha公司控制着全球聚偏二氟乙烯polyvinylidenefluoride（简写为PVDF）近70%市场份额，这种化合物是锂电池的重要原料之一。而Kureha公司唯一一家制造PVDF的工厂就位于此次地震的重灾区福岛磐城。•电池组里的电池单元似乎也是苹果日本子公司提供的，尽管最后的电池组组装是在中国进行。一则消息（2011.3.18网络检索关键词：日本地震、苹果电池）钢铁大国稀土大国汽车大国…？人无我有→创新人有我精→也是创新(现阶段)如何创新与设计？§1执行机构运动方案设计一、功能原理与工艺动作设计之间的关系1、实现同一使用要求或工艺要求，可能采用不同的功能原理。例：举升，可采用三种不同的功能原理。机械,电磁吸附,水浮力机械（连杆、凸轮、螺旋）举升1)采用往复移动的工艺动作改变容积；例：取水，可采用不同的功能原理。2)采用往复摆动的工艺动作改变容积；3)采用旋转工艺动作改变容积；2、采用不同的功能原理，必然导致采用不同的工艺动作a）采用改变水的动能的功能原理——叶片高速旋转b）采用改变容体容积——往复移动（往复泵）；C）往复摆动（摆动泵）；旋转运动（旋转泵）；二、工艺动作设计与运动方案设计的关系1、工艺动作设计得不相同，设计出的机构运动方案也就不相同；例洗衣机洗衣机单缸单洗洗衣机双缸半自动洗衣机全自动滚筒洗衣机2、不同的机构可能实现同一工艺动作，满足同样的使用要求；3、为获得好的运动方案，就应当拟定评价体系，并据此体系进行综合评价才能作出决策。采用相同的功能原理，也可能采用不同的工艺动作。并联机床对于比较复杂的使用要求和工艺要求，往往需要多个功能原理组合成一个总的功能原理来满足。（如自动机：工艺要求复杂）印刷机工艺过程设计根据已拟定的功能原理及工艺动作进行工艺过程设计。工艺过程设计的总要求：（1）工序集中原则（2）工序分散原则（工序能集中就尽量集中，集中有困难，就分散）（3）各工序的工艺时间相等原则（4）多工件同时加工原则（5）缩短工作周期原则（时间重叠）一、功能原理与工艺动作设计之间的关系1、实现同一使用要求或工艺要求，可能采用不同的功能原理。例：井中取水可采用多种不同的功能原理。2、采用不同的功能原理，必然导致采用不同的工艺动作。a）采用改变水的动能的功能原理-叶片高速旋转；b）采用改变容体容积--往复移动（往复泵）、往复摆动（摆动泵）、旋转运动（旋转泵）；3、采用相同的功能原理，也可能采用不同的工艺动作。4、对于比较复杂的使用要求和工艺要求，往往需要多个功能原理组合成一个总的功能原理来满足。（如自动机：工艺要求复杂）二、工艺动作设计与运动方案设计的关系1、工艺动作设计得不相同，设计出的机构运动方案也就不相同；2、不同的机构可能实现同一工艺动作，满足同样的使用要求；3、为获得好的运动方案，就应当拟定评价体系，并据此体系进行综合评价才能作出决策。提水1：采用往复移动的工艺动作改变容积；提水2：采用往复摆动的工艺动作改变容积提水3：采用旋转工艺动作改变容积三、工艺过程设计根据已拟定的功能原理及工艺动作进行工艺过程设计。工艺过程设计的总要求：1.工序集中原则；2.工序分散原则：•工序能集中就尽量集中，集中有困难，就分散。3.各工序的工艺时间相等原则；4.多工件同时加工原则；5.缩短工作周期原则：•各执行构件工作时间重叠；•工作时间与空行程时间互相重叠；•空行程与空行程时间互相重叠。§8.3执行机构运动规律设计1、根据使用要求和功能原理，制定合理的运动规律。1）应充分考虑使用要求和功能原理。2）在满足使用要求的前提下，应尽可能设计出简单且易于实现的运动规律。3）必要时，应重新构思新的功能原理。4）为使工艺过程自动化，原封不动的按传统工艺动作去设计自动化机构系统，其效果往往是不好的。2、把复杂的运动规律（工艺动作）进行分解1）机构所能实现的基本运动行式：1.单向转动2.单向移动3.往复摆动4.往复移动5.间歇运动6.轨迹运动输入输出转动变速转动往复摆动移动变速移动往复移动间歇转动间歇摆动间歇移动轨迹运动转动齿轮平行连杆双万向节蜗轮蜗杆双摇杆曲柄导杆齿轮万向节曲柄摇杆曲柄导杆凸轮齿轮齿条螺旋机构凸轮槽轮不完全齿凸轮凸轮连杆往复摆动摇杆曲柄导杆曲柄双摇杆棘轮齿条棘轮棘轮移动齿轮齿条往复移动滑块曲柄移动凸轮各种机构的运动特性2）常见的运动分解合成情况（1）某些周期性运动（包括间歇运动机构与非匀速运动)一般可分解为一个匀速运动与一个附加的往复运动，并且分别用比较简单的机构予以实现，然后合成之。（2）不同特性的非匀速运动合成往往可以实现比较复杂的运动。（3）相同特性运动合成往往可以得到增加或减小输出位移量的效果。（4）复杂的曲线运动往往可以分解成不同方向的简单移动或一个简单移动和转动。12123456abc123456s123451245xy3235(a)(b)3、要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。（2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。（3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。§8-4执行机构运动协调设计一、执行机构的布置二、执行机构运动协调设计应满足的要求三、执行机构运动协调设计的分析计算一、执行机构的布局1.执行构件的布置–特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便2.执行机构的布置1.与执行构件的联接是否方便；2.执行机构原动件布置的位置是否恰当；–尽可能接近执行构件；–使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数几根轴上；–各原动件应保持等速或定速比。二、执行机构运动协调设计应满足的要求1.保证各执行机构动作的顺序性；2.各执行构件的动作在时间上同步；3.保证空间的同步性；4.保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性；5.二执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处发生干涉；设计实例：粉料压片机粉料片?运动方案设计•运动规律设计•运动协调设计1、运动方案设计：工艺过程及运动分析①移动料斗3至模具11的型腔上方，并准备将粉料装入型腔；②料斗振动，将粉料装入型腔；③下冲头5下沉，以防止上冲头9下压时将型腔内粉料抖出；④上冲头下压,下冲头上压，加压粉料并保压一定时间，使药片成型；⑤上冲头快速退出,下冲头将压好的药片推出型腔，完成压片工艺过程。执行构件：3、9、535911其他方案138957462ⅠⅡⅢⅣ611凸轮/连杆机构Ⅰ凸轮机构Ⅱ多杆机构Ⅲ凸轮机构Ⅳ2、运动规律设计3、运动协调设计1s1分配轴IIIIIIIV234s2s3s4思考：存在的问题？三、执行机构运动协调设计的分析计算1.各执行机构运动循环时间同步化计算–确定最大工作循环周期Tmax；–确定机械最小工作循环周期Tmin；–确定合理的机构系统的工作循环周期T；–确定各机构分配轴的转速和工作行程的起始角。2.各执行机构运动循环空间同步化计算–合理确定各执行机构的运动错位角，避免空间上的干涉。§8-5机械运动循环图设计一、机械运动循环图1、机械运动循环图定义表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明确图，称机械运动循环图。2、机械运动循环图的类型1）直线式循环图（矩形循环图）主轴转角0°90°180°270°360°195°印头往复摆动机构印头工作行程（印刷）印头空回行程油辊往复摆动机构油辊空回行程（匀油）60°油辊工作行程（给铅字上油）油盘间歇运动机构油盘转动油盘静止2）圆形循环图（极坐标式）油辊工作室（给铅字上油）印头空回行程盘转动油油盘静止（刷工作行程印头印）油辊空回行程（油匀）3）直角坐标式循环图主轴转角印头往复摆动机构油辊往复摆动机构油盘间歇运动机构90°180°270°360°195°195°60°60°110°0°70°二、机械运动循环图的设计1、设计要点–完成系统的协调设计;–确定参照机构（构件）;–设计单一执行机械运动循环图;–设计机械运动循环图.myhⅠⅢⅤⅡ1213459101314151617181978ⅣKba6112018126卧式多工位冷墩机121091166614135141516Ⅱ1）完成工序：进料截料整形压角冲孔冷墩978Ⅲ齿轮机构2）选型（1）进料机构机构系统Ⅲ曲柄摇杆机构棘轮机构2）选型（2）断料机构机构系统Ⅱ直动从动件凸轮机构曲柄滑块机构2、示例ⅠⅢⅤⅡ1213459101314151617181978ⅣKba611201812662、示例myh2）选型（3）冷墩机构机构系统I：曲柄滑块机构（+阴模），完成整形、压角、冲孔ⅠⅢⅤⅡ1213459101314151617181978ⅣKba6112018126卧式多工位冷墩机2）选型（4）顶料机构机构系统Ⅳ：铰链四杆机构；完成顶料19Ⅳ201312连杆机构2）选型（5）运料机构机构系统Ⅴ圆锥齿轮机构等宽凸轮机构181817冷镦机构的运动循环图机构执行件工艺动作ⅠⅢⅤⅡⅣ冲头断料刀辊轮顶杆钳架向前向后前停后停停停停停切刀向前切刀后退切刀前停切刀向前切刀后停停送料摆动摆动S10º180º360º0向前向后机械运动循环图前切停顶停O