第七十七讲机械运动循环图

第七十七讲机械运动循环图1、机器的运动循环根据机器完成功能及生产工艺的不同，其运动可分为无周期性循环和周期性循环两大类。无周期性循环的机器如起重运输机械、建筑机械、工程机械等，它们的工作往往没有固定的周期性循环，随着机器的工作地点、条件的不同而随时改变。周期性循环的机器如包装机、轻工自动机、自动机床等，机器的各执行构件每经过一定的时间间隔后位移、速度和加速度便重复一次，完成一个运动循环。生产中大部分机器都属于具有固定运动循环的机器。机器的运动循环是指机器完成其功能所需的总时间，用字母表示。机器的运动循环（又称工作循环）往往与各执行机构的运动循环相一致，因为一般来说执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏。但是，也有不少机器，从实现某一工艺动作过程要求出发，某些执行机构的运动循环周期与机器的运动循环周期并不相等，机器的一个运动循环内有些执行机构可完成若干个运动循环。机器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回行程，有的执行构件还有一个或若干个停歇阶段，执行机构的运动循环可表示为：T执=T工作+T空程+T停歇2、机器运动循环图的类型机器的运动循环图又称工作循环图，它是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示意图。机器的工作循环图反映了生产节奏，可用来核算机器的生产率、作为分析和研究提高机械生产率的依据，可用来确定各个执行机构原动件在主轴上的相位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位，指导机器中各个执行机构的具体设计、装配和调试，以保证机器的工艺动作过程能顺利地实现。通常运动循环图有如下几种：1）直线式运动循环图如图11—16所示为干粉压片机的直线运动循环图，其横坐标表示上冲头机构中曲柄转角φ。这种运动循环图把运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘制在直线坐标轴上。其特点是：它能清楚地表示整个运动循环内各执行机构的执行构件行程之间的相互顺序和时间（或转角）的关系，并且绘制比较简单，但执行构件的运动规律无法显示，因而直观性较差。2）圆周式运动循环图图11—17所示为干粉压片机的圆周式运动循环图。它以上冲头中的曲柄作为定标构件，曲柄每转一周为一个运动循环。这种运动循环图将运动循环的各运动区间的时间和顺序按比例绘在圆形坐标上，其特点是：直观性强。因为机器的运动循环通常是在分配轴转一转的过程中完成。所以通过它能直接看出各个执行机构原动件在分配轴上所处的相位，因而便于凸轮机构的设计、安装、调试。但是，当同心圆太多时，看起来不很清楚。3）直角坐标式运动循环图图11—18所示为干粉压片机的直角坐标式运动循环图。图中横坐标式定标构件——曲柄的运动转角φ，纵坐标表示上冲头、下冲头、料筛的运动位移。这种运动循环图将运动循环的各运动区段的时间和顺序按比例绘在直角坐标轴上。实际上它就是执行构件的位移线图，但为了简单起见通常将工作行程、空回行程、停歇区段分别用上升、下降和水平的直线来表示。其特点是能清楚地看出各执行机构的运动状态及起迄时间，并且各执行机构的位移情况及相互关系一目了然。因而便于指导执行机构的几何尺寸设计。图11—16图11—17图11—18在上述三种类型的运动循环中，直角坐标式运动循环图不仅能表示出这些执行机构中构件动作的先后，而且还能描述它们的运动规律及运动上的配合关系，直观性强，比其他两种运动循环图更能反映执行机构的运动特征，所以在设计机器时，通常优先采用直角坐标式运动循环图。4）机器运动循环图的功用（１）机器的工作循环图反映了它的生产节奏，因此可用来核算机器的生产率，并可用来作为分析、研究提高机械效率的依据；（２）用来确定各执行机构原动件在主轴上的相位，或者控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位；（３）用来指导机器中各执行机构的具体设计；（４）用来作为装配、调试机器的依据；（５）用来分析、研究各执行机构的动作如何能紧密配合、相互协调，以保证机器的工艺动作过程能顺利实现。3、机器运动循环图的设计步骤与方法在设计机器的运动循环图（工作循环图）时，通常机器应实现的功能已知，理论生产率已确定，机器的传动方式及执行机构的结构均已初步拟订好，可根据各机构运动时既不干涉、而机器完成一个产品所需要的时间又最短的原则，按以下步骤进行：1）确定执行机构的运动循环时间；2）确定组成执行构件运动循环的各个区段；3）初步绘制执行机构执行构件的运动循环图；4）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；5）进行各执行机构的协调设计（又称同步化设计）；6）画出机器的工作循环图；下面以自动打印机和饼干自动包装机为例说明来机器运动循环图的设计步骤与方法。例：自动打印机（1）确定执行机构的运动循环时间如图11—19所示，该机构有两个执行机构：打印机和送料机构。我们选择打印机的执行构件——打印头作为定标件，以它的运动位置（转角或位移）作为确定各个执行构件的运动先后次序的基准。所以先绘制打印头的运动循环图。已知自动打印机的生产率为４５００件／班，即：图11—19min4.96084500pcQ由于实际生产率总是低于理论生产率，为了满足每班打印4500件的总功能要求，所以：min10pcQ。即自动打印机的分配转速为：min10r。分配轴转一周即完成一个产品打印，所需时间为：snTp　　　分6min10111。（2）确定组成执行机构运动循环的各个区段根据打印工艺要求，打印头的运动循环由如下四段组成：tk1——打印头的前进运动时间tok1——打印头在产品上停留的时间td1——打印头退回运动时间to1——打印头停歇时间因此，打印头的运动循环tp1为：11111odokkpttttT相应的分配轴转角为：1111360odokk（3）确定打印头各区段运动的时间及转角为保证打印质量，打印头在产品上停留的时间为：stok2.01相应的分配轴转角为：1262.0360360111pokokTt为保证送料机构有充分的时间来装料、送料，取：sto31相应的分配轴转角为：18063360360111pooTt根据打印头的运动规律要求，分别取其前进和退回运动的时间为：ststdk3.15.111相应的分配轴转角为：9065.1360360111pkkTt7863.1360360111pddTt（4）初步绘制执行机构的执行构件的运动循环图根据以上计算结果，绘制出打印头的直角坐标式循环图如图11—20（a）所示。同样，可以画出送料机构的执行构件——送料推头的运动循环图如图11—20（b）所示，（2kt、2dt、2ot分别为送料推头的前进运动、退回运动和停歇时间）。（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根据加工工艺要求初步拟定的执行构件运动规律设计出的执行机构，往往由于整体布局和结构方面的原因，或者由于加工工艺方面的原因，在实际使用中要作必要的修改。例如为了满足压力角、传动角等条件，构件尺寸必须进行调整。又比如当零部件加工装配有困难时，也必须对执行机构进行调整。这样执行机构所实现的运动规律与原先设想的就不完全相同，因此必须根据执行构件的实际运动规律对运动循环图进行修改。（a）（b）图11—20（6）进行各执行机构的协调设计各执行机构的协调设计又称同步化设计，最后画出实际机器的工作循环图。我们以打印机构的起点为基准，把打印头和送料推头的运动循环图按同一时间（或分配轴的转角）比例组合起来画成总图，这就是自动打印机的机器工作循环图。但是当把这两个执行构件的运动循环图组合起来时可能出现两种情况。一种是打印头从开始打印，到打到工件并在它上面停留一段时间再退回到原处等待送料，完成图11—21一个运动循环后，送料机构才开始送料、退回、停歇。这样组成的机器运动循环，即为机器的最大运动循环，如图所示。显然，这样两个执行机构一个工作完后另一个才开始工作，不会产生任何干涉，但这种运动循环图是极不经济的，机器的运动循环时间很长，而且其中许多时间是空等在那里，生产效率极低，如图11—21所示。如果当送料机构刚把产品送到打印工位时，打印头正好压在产品上，即如图11—22所示的，点１和点２在时间上重合，这样，两执行机构的运动循环完全重合，即可使机器获得最小的运动循环：（a）（b）21minppTTT图图1111——2222这种循环图在时间和顺序上能基本满足设计要求，但这仅是一种临界状态，实际上点１和点２不可能精确重合。因为实际的执行机构由于尺寸有误差、运动副之间存在间隙等原因，存在着运动规律误差，其结果势必影响产品的加工质量和机器的正常工作。例如，当打印头打倒工件时，工件还未到位，正在移动，于是印到工件上的图象就会模糊不清，影响打印质量。为了确保打印机能正常工作，应使点２超前１t时间，即将相应的分配轴转角也根据实际情况超前，通常取10~5，经修改后就可得到比较合理的机器工作循环T（图b），这样的工作循环图既满足机器生产率的要求，又符合产品加工过程的实际，并且能保证机器的正常可靠地运转。因为自动打印机的工作原理是：送料机构首先将产品送至打印工位，然后打印机构对产品进行打印工艺，故它们之间只有时间上的顺序关系，而没有空间上的相互干涉，所以前面阐述的只是机器运动循环图的时间同步化设计。如图11—23所示就是经过时间同步化设计后的机器工作循环图。除了进行运动循环图的时间同步化设计外，有的机器因为其各执行构件会产生空间干涉，所以还必须进行运动循环图的空间同步化设计，下面以饼干自动包装机为例来说明。图11—23例：饼干自动包装机的运动循环图设计如图11—13所示，该机器的两个折边机构会在空间产生干涉。这两个折边构件顶端的轨迹在Ｍ点相交，也就是在Ｍ点会产生干涉，所以必须进行空间同步化设计。为了避免产生空间干涉，我们可以使左折边构件１返回至原位置后，右折边构件４再压下去。但这样会产生两个不良后果：一是循环时间太长，不经济；二是被压下去已折过边的包装纸有可能会回弹到虚线位置，影响包装质量。为了保证左、右两个折边构件在生产过程中运动时间最短、包装质量最好，同时又不发生相互干涉，可以采用的空间同步化的方法和步骤如下所示。（1）首先分别绘制出左、右折边执行机构的运动循环图，如图11—24（a）、（b）所示。（2）分别绘出左、右折边构件的位移线图。因为左、右折边构件均作往复摆动，其摆角是时间的函数，所以可分别作出左、右折边构件的t位移曲线图如图11—25（a）、（b）所示。（a）（b）图11—24（a）（b）图11—25（3）对左、右折边执行机构进行运动循环的同步化设计。左折边构件先摆动1角把左侧边压下，然后返回至Ｍ点相应摆角为M1回时正好与压右侧边的右折边构件相遇，此时右折边构件正处于工作行程，相应摆角为M4工。。在这两构件的t位移曲线图上可以找到相应的Ｍ１点和Ｍ４点。如果把这两折边构件的位移线图上Ｍ\－１点的Ｍ４点重合，则可得到最短的工作循环minT，这时它们恰好处于空间运动干涉的临界点。考虑到机构实际上不可避免地有制造误差，所以还需给出适当的安全余量，则两者再错开t，于是可得到经过空间同步化后的即合理‘而又实用的运动循环时间Ｔ（如图11—26所示）。图11—26（4）画出机器（左、右折边机构）的同步化运动循环图。把两折边机构经过空间同步化的运动循环图中的时间横坐标转换成主轴或分配轴上的相应的转角，就可以得到左、右折边机构以转角为横坐标的空间同步化运动循环图（如图11—27所示）。图11—274、在绘制机器运动循环图时还必须注意以下几点：1）以生产的工艺过程为开始点作为机器运动循环的起点，并且确定最先开始运动的那个执行构件在运动循环图上的位置，其他执行机构则按工艺程序先后次序列出。2）因为运动循环图是以主轴或分配轴的转角为横坐标，所以对于不在主轴或分配轴上各执行机构的原动件象凸轮、曲柄、偏心轮等，应把它们运动时所对应的转角换算成主轴或分配轴上相应的转角。3）考虑到机器在制造、安装时不可避免地会产生误差