机构的选型、组合及机械系统运动方案设计(2006.10.27)

第八章机械系统传动方案设计第一节机械总体方案设计传动装置――在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构控制系统１、机械总体方案设计的目的和内容目的产品功能是否齐全、性能是否优良、经济效益是否显著，在很大程度上取决于总体方案设计的构思和方案拟定时的设计思想。内容执行系统的方案设计执行系统方案评价与决策执行系统协调设计执行机构型式设计运动规律设计系统功能原理设计机构尺度设计运动和动力分析原动机类型的选择和传动系统的方案设计各级传动比的分配传动链中机构顺序的安排传动路线选择传动类型选择控制系统的方案设计其它辅助系统的设计照明系统设计安全保障系统设计故障检测系统设计冷却系统设计润滑系统设计第二节机械执行系统运动方案设计重要性执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械系统预期工作任务。机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核心，是整个机械设计工作的基础。机械执行系统的组成由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。一、机械执行系统运动方案设计的主要内容和过程功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案二、执行系统的功能原理设计1.功能原理的选择与构思产品的功能产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活需要提出。确定功能指标的考虑因素先进性可行性经济性功能原理设计的重要性决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型式、制造成本等。功能原理设计的多方案性工作原理不同，运动方案也不同齿轮加工剃齿范成原理仿形原理工作原理相同，运动方案不同齿轮加工插齿滚齿三、执行系统的运动规律设计1.工艺动作分解和运动方案选择刀具作复合运动刀具与工作台分别运动运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。立式钻床工艺动作分解直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度四、执行机构的型式设计1.设计原则●满足执行构件的工艺动作和运动要求●尽量简化和缩短运动链●尽量减小机构尺寸●选择合适的运动副形式●考虑动力源的形式●使执行系统具有良好的传力和动力特性●使机械具有调节某些运动参数的能力●保证机械的安全运转2.机构的选型目的选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。⑴传递连续转动的机构啮合传动机构连杆机构传递连续转动机构摩擦传动机构摩擦轮传动蜗杆传动链传动齿轮传动平行四边形机构双曲柄机构带传动12摩擦轮传动摩擦传动机构的优缺点结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。传动比不准确、传递功率小、效率低。123平面盘式无级变速器123圆锥式无级变速器⑵实现单向间歇转动的机构棘轮机构齿轮--连杆机构单向间歇转动机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇运动机构适用于转角固定的转位运动每次转角小，或转角大小可调的低速场合大转角而速度不高的场合运动平稳、分度、定位准确，但制造困难、高精度定位、高速场合特殊要求的输送机构⑶实现往复移动往复摆动运动的机构凸轮机构组合机构往复运动机构连杆机构螺旋机构齿轮齿条机构液压缸、气缸正弦机构正切机构多杆机构曲柄滑块机构连杆机构特点制造容易、承载能力大，但难以实现精确运动，适用于无严格运动规律的场合。凸轮机构特点能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动协调，承载能力不大。⑷再现轨迹的机构齿轮—连杆组合机构联动凸轮机构再现轨迹机构连杆机构凸轮—连杆组合机构一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外，其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。齿轮—连杆组合机构搅拌机构CBADE联动凸轮机构凸轮—连杆组合机构此抓片机构采用了联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。此装配线采用了联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。3.机构的构型目的当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。⑴组合法串联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。输入输出子机构II子机构I后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。后一级机构的子主动件为在前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。子机构n1子机构III子机构I子机构II子机构n输入输出直线电机襟翼直线电机某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构某航空发动机附件传动系统主动轴IVIIIVVIIII各子机构间无严格的运动协调配合关系各子机构在动作的先后次序上有严格的要求自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。工件(铆钉)外圆车刀棒料切断刀倒角刀凸轮轴挡板IIIIII主轴凸轮I凸轮II凸轮III凸轮转角090˚180˚270˚360˚放松(送料)切断夹紧车外圆倒角挡料各子机构有运动形式配合要求磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式上有配合要求。砂轮砂轮架工件反馈式组合在机构组合系统中，其多自由度子机构的一个输入运动，是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的组合方式。校正原理蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗杆得到一附加运动，以校正误差。输入输出4凸轮机构2自由度蜗杆蜗轮机构机床校正机构输入414213K2复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式5杆机构输入输出凸轮机构五、执行系统的协调设计⑴执行系统协调设计原则●满足各执行机构动作先后的顺序性要求●满足各执行机构动作在时间上的同步性要求●满足各执行机构在空间布置上的协调性要求●满足各执行机构在操作上的协同性要求●各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率●各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高执行构件动作的协调配合●送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压●冲头上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件左折边构件MBA让刀运动执行构件运动速度的协调配合0范成运动切削运动i0齿轮插刀加工0让刀运动范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。⑵执行系统协调设计方法●确定机械的工作循环周期●确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及其所需时间●确定各执行构件动作间的配合关系⑶机械运动循环图用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互协调配合的图。通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。运动循环图形式直线式圆周式直角坐标式退回停止冲制进给冲头送料器曲柄转角0º90º180º270º360º直线式工作循环图主轴作为参考构件圆周式工作循环图图示单缸四冲程内燃机的工作循环图。曲轴为参考构件，转动2转为一个工作循环。启排气门开启进气门开进气排气压缩膨胀闭进气门关火点曲轴0º540º360º180º排门闭关气直角坐标式工作循环图饼干包装机工作循环图中，横坐标表示参考构件的转角，纵坐标表示执行构件的转角。进退静止静止静止进退MM饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件左折边构件MBA左执行机构1右执行机构2分配轴转角0º90º180º270º360º一、机械传动系统方案设计1.设计过程⑴确定传动系统总传动比⑵选择传动类型⑶拟定传动链布置方案⑷分配传动比⑸确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数⑹绘制传动系统运动简图第三节机械传动系统方案设计和原动机选择2.传动类型选择类型与特点挠性(件)传动摩擦轮传动绳传动圆形齿轮传动挠性啮合传动带传动啮合传动机械传动摩擦传动单级齿轮传动齿轮系传动同步齿形带传动螺旋齿轮传动蜗杆蜗轮传动圆锥齿轮传动圆柱齿轮传动定轴轮系传动周转轮系传动链传动非圆齿轮传动行星轮系传动差动轮系传动液压、液力传动利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。气压传动以压缩空气为工作介质的传动电气传动利用电动机和电气装置实现的传动按速度变化情况划分的传动类型传动类型原动机输出速度传动类型举例定传动比传动恒定齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调速的电力，液压及气压传动变传动比传动有级变速恒定带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱可调电力、液压传动中的有级调速传动无级变速恒定机械无级变速器，液力耦合器及变矩器，电磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性传动可调内燃机调速传动，电力、液压及气压无级调速传动周期性变速恒定非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合机构可调数控的电力传动选择原则●执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配●考虑工作要求传递的功率和运转速度●有利于提高传递效率●尽可能结构简单的单级传动装置●考虑结构布置●考虑经济性●考虑机械安全运转条件传动比的合理分配传动机构种类平带V带摩擦轮齿轮蜗杆链圆周速度ms52553015251512015351540减速比58157104880610最大功率kW2007501200150250500005503750常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点三相异步电动机结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般机械系统中应用最多。同步电动机能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网吸收无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于大功率离心式水泵和通风机等。直流电动机能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速范围宽，启动转矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格较高；机械特性较软、需直流电源。二、原动机的选择常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点控制电动机能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速特性均为直线。广泛用于工业控制、军事、航空航天等领域。内燃机功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求高、排气污染环境、噪声大、结构复杂。多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。液压马达可获得很大的动力和转矩，运动速度和输出动力、转矩调整控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密