第十二章机械系统运动方案设计 内容提要 本章围绕机械系统运动方案的设计过程展开说明，主要内容包括机械工作原理的拟定、执行 构件的协调设计和原动机的选择、机构的选型与组合、机械运动方案的拟定、机械运动方案的评 价。 12.1概述 12.1.1机械系统设计的一般过程 机械是机器和机构的统称，系统就是具有特定功能的、相互之间具有有机联系的若干要素所 组成的一个整体。机械系统是由若干个机械基本要素所组成的，完成所需的动作过程、实现机械 能的转化、代替人类劳动的系统。机械系统设计，简称机械设计，是一个复杂的分析、规划、推 理及决策的过程。机械系统设计的目的是，根据既定的设计目标，获取机械系统相关的设计信息 包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案，经过评估、改进和制造后，最终形 成满足设计要求的机械产品。 现代机械种类繁多，结构也愈米愈复杂。不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计 过程不尽相同。机械设计的一般过程大致包括规划设计、方案设计、结构设计和技术文件编制等 五个阶段。 1.产品规划阶段 这一阶段的主要任务是，根据市场调查和用户的需求分析，通过可行性分析，明确设计任务 编制出设计任务书。设计任务书的具体内容主要包括：(1)产品功能、技术性能、规格及外型要 求：(2)主要物理、力学参数、可靠性、寿命要求：(3)生产能力与效率的要求：(4)环境适应 性与安全保护要求：(5)经济性要求：(6)操纵、使用维护要求：(7)设计进度要求等 2.运动方案设计阶段 机械系统运动方案的设计是根据设计任务书的要求完成功能分析，然后提出若干个实现功能 的原理方案，选择合理的传动路线，确定合适的传动机构形式及布置顺序，用机构运动简图或机 构示意图表示出运动和动力的传递路线以及各部分之间的组成和连接关系，最后经过分析、对比 评价、决策，确定最佳方案的过程。 3.结构设计阶段 246
246 第十二章 机械系统运动方案设计 内容提要 本章围绕机械系统运动方案的设计过程展开说明，主要内容包括机械工作原理的拟定、执行 构件的协调设计和原动机的选择、机构的选型与组合、机械运动方案的拟定、机械运动方案的评 价。 12.1 概述 12.1.1 机械系统设计的一般过程 机械是机器和机构的统称，系统就是具有特定功能的、相互之间具有有机联系的若干要素所 组成的一个整体。机械系统是由若干个机械基本要素所组成的，完成所需的动作过程、实现机械 能的转化、代替人类劳动的系统。机械系统设计，简称机械设计，是一个复杂的分析、规划、推 理及决策的过程。机械系统设计的目的是，根据既定的设计目标，获取机械系统相关的设计信息， 包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案，经过评估、改进和制造后，最终形 成满足设计要求的机械产品。 现代机械种类繁多，结构也愈来愈复杂。不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计 过程不尽相同。机械设计的一般过程大致包括规划设计、方案设计、结构设计和技术文件编制等 五个阶段。 1．产品规划阶段 这一阶段的主要任务是，根据市场调查和用户的需求分析，通过可行性分析，明确设计任务， 编制出设计任务书。设计任务书的具体内容主要包括：（1）产品功能、技术性能、规格及外型要 求；（2）主要物理、力学参数、可靠性、寿命要求；（3）生产能力与效率的要求；（4）环境适应 性与安全保护要求；（5）经济性要求；（6）操纵、使用维护要求；（7）设计进度要求等。 2．运动方案设计阶段 机械系统运动方案的设计是根据设计任务书的要求完成功能分析，然后提出若干个实现功能 的原理方案，选择合理的传动路线，确定合适的传动机构形式及布置顺序，用机构运动简图或机 构示意图表示出运动和动力的传递路线以及各部分之间的组成和连接关系，最后经过分析、对比、 评价、决策，确定最佳方案的过程。 3．结构设计阶段
结构设计阶段的主要任务是将机械运动简图得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。 此阶段的主要成果包括各零件的工作图、部件装配图和机械的总装图。 4.技术文件编制阶段 技术文件包括：设计说明书、使用说明书、零件明细表、标准件汇总表、外购件明细表、专 用工具明细表和产品验收条件等。 本章只着重讨论机械系统的方案设计 12.1.2机械系统运动方案的设计步骤 机械系统运动方案设计得正确、合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与维护 费用等影响很大，甚至决定者机械设计的成败。机械系统运动方案的设计方法、技巧、形式多样， 设计出来的解也表现出多样化，但其基本步案基本一致。 1.机械系统的功能原理设计 所谓机械系统的功能原理设计，就是对机械系统进行功能分析并拟定工作原理的过程。根据 设计任务书所提出的总功能和基本要求，通过功能分析，将机械系统的总功能分解成为可容易实 现的分功能和基本功能，构思和选择各功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺要 求。 2.执行机构和原动机的运动设计 根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，从中选择最简 单、最适用、最可靠的运动规律，从而确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调 配合关系，并由此选定原动机的类型和运动参数。 3.机构的选型、变异与组合 根据机械的运动及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统 方案，绘制机械系统的示意图。 4,机构的尺寸综合 确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。 5。方案分析 对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能要求，对机械系统方案进行 适当的调整，以便为机械的结构设计提供必要的依据。 6.方案评价 通过机构的不同组合可以得到多种方案，需要从技术、经济、社会等方面对各个候选方案进 行评价，从中选出最佳的机械系统方案。 12.2机械系统的功能原理设计 机械工作原理设计的任务，就是根据其预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理， 加以分析比较，并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作 又简单的工作原理。 实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理。例如，要求实现在轮坯上加工出轮齿这 247
247 结构设计阶段的主要任务是将机械运动简图得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。 此阶段的主要成果包括各零件的工作图、部件装配图和机械的总装图。 4．技术文件编制阶段 技术文件包括：设计说明书、使用说明书、零件明细表、标准件汇总表、外购件明细表、专 用工具明细表和产品验收条件等。 本章只着重讨论机械系统的方案设计。 12.1.2 机械系统运动方案的设计步骤 机械系统运动方案设计得正确、合理与否，对提高机械的性能和质量、降低制造成本与维护 费用等影响很大，甚至决定着机械设计的成败。机械系统运动方案的设计方法、技巧、形式多样， 设计出来的解也表现出多样化，但其基本步骤基本一致。 1．机械系统的功能原理设计 所谓机械系统的功能原理设计，就是对机械系统进行功能分析并拟定工作原理的过程。根据 设计任务书所提出的总功能和基本要求，通过功能分析，将机械系统的总功能分解成为可容易实 现的分功能和基本功能，构思和选择各功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺要 求。 2．执行机构和原动机的运动设计 根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种运动规律，从中选择最简 单、最适用、最可靠的运动规律，从而确定执行构件的数目、运动形式、运动参数以及运动协调 配合关系，并由此选定原动机的类型和运动参数。 3．机构的选型、变异与组合 根据机械的运动及动力的要求，选定机构的类型，在机构变异、组合的基础上获得机械系统 方案，绘制机械系统的示意图。 4．机构的尺寸综合 确定各构件的运动尺寸，绘制机械系统的机构运动简图。 5．方案分析 对机械系统进行运动和动力分析，根据机械对运动和动力的功能要求，对机械系统方案进行 适当的调整，以便为机械的结构设计提供必要的依据。 6．方案评价 通过机构的不同组合可以得到多种方案，需要从技术、经济、社会等方面对各个候选方案进 行评价，从中选出最佳的机械系统方案。 12.2 机械系统的功能原理设计 机械工作原理设计的任务，就是根据其预期实现的功能要求，构思出所有可能的功能原理， 加以分析比较，并根据使用要求或者工艺要求，从中选择出既能很好的满足功能要求，工艺动作 又简单的工作原理。 实现同一种功能要求，可以采用不同的工作原理。例如，要求实现在轮坯上加工出轮齿这一
功能，既可以选择仿形原理，也可以选择范成原理：要求实现在螺栓上加工出螺纹这一功能，既 可以采用车削加工的原理，也可以采用套丝工作的原理，还可以采用滚压的工作原理。 不同工作原理的机械，其运动方案也就不同。例如，仿形原理和范成原理加工齿轮时的工艺 动作除了有切削运动和进给运动外，仿形原理还需要准确的分度运动，范成原理还需要刀具和轮 坯的范成运动 机械的工作原理确定之后，为了便于设计，应将机械的总功能分解成许多分功能，并形成机 械的工艺动作过程。例如，预设计一台生产某规格圆盘形金属片的设备，若决定采用冲压的工作 原理，则将其总功能分解成送料、冲压、退回等分功能，其工艺动作过程如图121所示。 (a)送料 (b)冲压 (c)退回 图12.1某规格圆盘形金属片的加工工艺动作过程 12.3执行构件的选择和执行机构的运动设计 12.3.1执行机构的运动规律设计 所谓运动规律设计，就是根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种 运动规律，然后从中选择最简单、最适用、最可靠的运动规律，作为机械的运动方案。一个复杂 的工艺过程往往需分解成多种最基本的工艺动作才能实现。工艺动作分解的方法不同，所得到的 运动规律也各不相同，所形成的运动方案也不相同。 例如，在插齿机上用插刀切制齿轮和在滚齿机上用滚刀切制齿轮，虽同属于范成加工原理， 但由于所用的刀具不同，两者的运动方案也就不同。插齿工艺动作可以分解为齿条插刀（或齿轮 插刀)与轮坯的范成运动、齿条插刀（或齿轮插刀）的上下往复的切削运动以及齿条插刀（或齿 轮插刀)的进给运动等，按照这种工艺动作分解方法，就得到插齿机床的运动方案；滚齿的工艺 动作可分解成滚刀与轮坯的连续转动和滚刀沿轮坯轴线方向的移动，按照这种工艺动作分解方 法，就得到滚齿机床的运动方案。前者由于其切削运动是不连续的，所以其生产率相对较低：后 者的在滚刀连续运转时相当于是一根无限长的齿条连续向前移动，其切削运动和范成运动合为 体，生产率大大提高。 可见，同一工艺动作可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规 律和运动方案也大不相同，它们在很大程度上决定了机械工作的特点、性能、生产率、适用场合 好复杂程度。 248
248 功能，既可以选择仿形原理，也可以选择范成原理；要求实现在螺栓上加工出螺纹这一功能，既 可以采用车削加工的原理，也可以采用套丝工作的原理，还可以采用滚压的工作原理。 不同工作原理的机械，其运动方案也就不同。例如，仿形原理和范成原理加工齿轮时的工艺 动作除了有切削运动和进给运动外，仿形原理还需要准确的分度运动，范成原理还需要刀具和轮 坯的范成运动。 机械的工作原理确定之后，为了便于设计，应将机械的总功能分解成许多分功能，并形成机 械的工艺动作过程。例如，预设计一台生产某规格圆盘形金属片的设备，若决定采用冲压的工作 原理，则将其总功能分解成送料、冲压、退回等分功能，其工艺动作过程如图 12-1 所示。 （a） 送料 （b）冲压 （c）退回 图 12-1 某规格圆盘形金属片的加工工艺动作过程 12.3 执行构件的选择和执行机构的运动设计 12.3.1 执行机构的运动规律设计 所谓运动规律设计，就是根据工作原理所提出的工艺要求构思出能够实现该工艺要求的各种 运动规律，然后从中选择最简单、最适用、最可靠的运动规律，作为机械的运动方案。一个复杂 的工艺过程往往需分解成多种最基本的工艺动作才能实现。工艺动作分解的方法不同，所得到的 运动规律也各不相同，所形成的运动方案也不相同。 例如，在插齿机上用插刀切制齿轮和在滚齿机上用滚刀切制齿轮，虽同属于范成加工原理， 但由于所用的刀具不同，两者的运动方案也就不同。插齿工艺动作可以分解为齿条插刀（或齿轮 插刀）与轮坯的范成运动、齿条插刀（或齿轮插刀）的上下往复的切削运动以及齿条插刀（或齿 轮插刀）的进给运动等，按照这种工艺动作分解方法，就得到插齿机床的运动方案；滚齿的工艺 动作可分解成滚刀与轮坯的连续转动和滚刀沿轮坯轴线方向的移动，按照这种工艺动作分解方 法，就得到滚齿机床的运动方案。前者由于其切削运动是不连续的，所以其生产率相对较低；后 者的在滚刀连续运转时相当于是一根无限长的齿条连续向前移动，其切削运动和范成运动合为一 体，生产率大大提高。 可见，同一工艺动作可以分解成各种简单运动，工艺动作分解的方法不同，所得到的运动规 律和运动方案也大不相同，它们在很大程度上决定了机械工作的特点、性能、生产率、适用场合 好复杂程度
12.32执行构件的选择 1.执行构件的数目 执行构件数目取决于机械分功能或者分动作数目的多少，但两者不一定相等。要针对机械的 工艺过程及结构的复杂性进行相应的分析。例如在钻床工作时要实现钻削和进给两种功能，可采 用钻头和工作台两个执行构件分别完成：也可采用钻头一个执行构件同时完成两种功能。 2.执行构件的运动形式和运动参数 执行构件的运动形式，取决于执行系统完成的工作任务。不同的工作任务使得执行构件的运 动形式也有所不同。常见的基本运动如图12-2所示，任何复杂的运动都可看成是基本运动的组 合，如曲线运动和复合运动都是基本运动的复合。 连续移动 ·移动 间歌移动 ,往复移动 基本运动 「连续转动 转动 间微转动 往复摆动 图123基本运动形式 当执行构件的运动形式确定后，还必须确定其运动参数，如表121所示为常见运动形式对 应的运动参数。 表12-1常见运动形式对应的运动参 运动形式 主要运动参数 备注 连续移动 速度v、位移s 运动时间1、停顿时间。、运动周期T、运动系数： r=1/T,r越接近于1，移动时间 间歇移动 速度，、加速度a、位移s 越长，停倾时间越短 行程速比系数K用于衡量机构急回 往复移动 速度v、位移s、行程速比系数K、极位夹角日 特性 连续转动 角速度。或转速n 转动时间1、停顿时间1。、转动周期T、运动系数： :=11T,:越接近于1，转动时间 间歇转动 转角p、转动角速度0、转动角加速度a 越长，停顿时问越短 摆角p、角速度o、角加速度a、行程速比系数K、极 往行摆动 位夹角0 249
249 基本运动 移动 转动 间歇移动 连续移动 往复移动 间歇转动 连续转动 往复摆动 12.3.2 执行构件的选择 1．执行构件的数目 执行构件数目取决于机械分功能或者分动作数目的多少，但两者不一定相等。要针对机械的 工艺过程及结构的复杂性进行相应的分析。例如在钻床工作时要实现钻削和进给两种功能，可采 用钻头和工作台两个执行构件分别完成；也可采用钻头一个执行构件同时完成两种功能。 2．执行构件的运动形式和运动参数 执行构件的运动形式，取决于执行系统完成的工作任务。不同的工作任务使得执行构件的运 动形式也有所不同。常见的基本运动如图 12-2 所示，任何复杂的运动都可看成是基本运动的组 合，如曲线运动和复合运动都是基本运动的复合。 图 12-3 基本运动形式 当执行构件的运动形式确定后，还必须确定其运动参数，如表 12-1 所示为常见运动形式对 应的运动参数。 表 12-1 常见运动形式对应的运动参数 运动形式 主要运动参数 备注 连续移动 速度 v 、 位移 s 间歇移动 运动时间 t 、停顿时间 0 t 、运动周期 T 、运动系数 、 速度 v 、加速度 a 、 位移 s = t /T ， 越接近于 1，移动时间 越长，停顿时间越短 往复移动 速度 v 、位移 s 、行程速比系数 K 、极位夹角 行程速比系数 K 用于衡量机构急回 特性 连续转动 角速度 或转速 n 间歇转动 转动时间 t 、停顿时间 0 t 、转动周期 T 、运动系数 、 转角 、转动角速度 、转动角加速度 = t /T ， 越接近于 1，转动时间 越长，停顿时间越短 往复摆动 摆角 、角速度 、角加速度 、行程速比系数 K 、极 位夹角
12.3.3执行机构的协调设计 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律，并确定了各执行机构 的型式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定 的次序协调工作、互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程，这就需要进行执行系统的协调 设计。 对村于各个执行构件之间的运动不需要协周配合而是被此独立的机械，如图12.3所示的外圆 磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立，应分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独 的原动机驱动。 但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协 调关系。如图124所示的冲床两个执行构件C、H中，要求送料构件H将原科送入模孔上方后 冲头C才可进入模孔进行冲压，当冲头C上移一段距离后，才能进行下次送料动作。 执行机构的协调设计必须遵循以下原则： (1)满足各执行构件动作先后的顺序性要求。 (2)满足各执行构件动作在时间上的同步性要求。 (3)满足各执行构件在空间布置上的协调性要求。 (4)满足各执行构件操作上的协同性要求 (5)各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率。 (6)各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。 12.3.4机械运动循环图 工程实际中，大多数机械的工作都是周期性的，即经过一定的时间间隔后，各执行构件的位 移、速度和加速度等运动参数作周期性的重复。因此执行系统的协调设计可按以下步骤进行。 ()确定机械的工作循环周期。 (2)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。 (3)确定各执行构件动作间的协调配合关系。 砂轮 砂轮架 工件 图123外圆磨床 图12-4冲床 1.机械的运动循环 机械的运动循环是指机械完成其功能所需要的总时间，常用字母T表示。从运动过程考虑， 机械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 250
250 12.3.3 执行机构的协调设计 当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律，并确定了各执行机构 的型式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定 的次序协调工作、互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程，这就需要进行执行系统的协调 设计。 对于各个执行构件之间的运动不需要协调配合而是彼此独立的机械，如图 12-3 所示的外圆 磨床的砂轮和工件的四个运动彼此独立，应分别为每一种运动设计一个独立的运动链，并有单独 的原动机驱动。 但是对于只有依靠各执行构件的协调配合才能完成工作的机械就必须使其满足所需要的协 调关系。如图 12-4 所示的冲床两个执行构件 C、H 中，要求送料构件 H 将原料送入模孔上方后， 冲头 C 才可进入模孔进行冲压，当冲头 C 上移一段距离后，才能进行下次送料动作。 执行机构的协调设计必须遵循以下原则： （1）满足各执行构件动作先后的顺序性要求。 （2）满足各执行构件动作在时间上的同步性要求。 （3）满足各执行构件在空间布置上的协调性要求。 （4）满足各执行构件操作上的协同性要求。 （5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率。 （6）各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高。 12.3.4 机械运动循环图 工程实际中，大多数机械的工作都是周期性的，即经过一定的时间间隔后，各执行构件的位 移、速度和加速度等运动参数作周期性的重复。 因此执行系统的协调设计可按以下步骤进行。 （1）确定机械的工作循环周期。 （2）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。 （3）确定各执行构件动作间的协调配合关系。 图 12-3 外圆磨床 图 12-4 冲床 1．机械的运动循环 机械的运动循环是指机械完成其功能所需要的总时间，常用字母 T 表示。从运动过程考虑， 机械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