《机械原理》教案——第11章 机械系统运动方案的设计.docx

机械原理教案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木要素所组成的，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、退问等分功能，其工艺动作过程如图12-1所示。1市（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）与轮坏的范成运动、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坏轴线方向的移动，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。I.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Z-移动"间歇移动、往复移动基本运动Yr连续转动I转动间歇转动1.往复摆动图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5间歇移动运动时间八停顿时间%、运动周期T、运动系数一速度V、加速度。、位移Sr=T,r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6»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"间歇转动转动时间，、停顿时间%、转动周期7、运动系数r、转角0、转动角速度0、转动角加速度。f="T,r越接近于1,转动时间越长，停顿时间越短往复摆动摆角V、角速度0、角加速度。、行程速比系数K、极位夹角912.3.3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12Y所示的冲床两个执行构件C、"中，要求送料构件"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利效率的提高。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。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段。因此机械的运动循环T可表示为：T=r工作+空程+'停歇等式右边三项分别表示机构工作行程时间、空回行程时间和停歇时间。2.机械运动循环图机械运动循环图，又称工作循环图，是用来表示在机械的一个工作循环中各执行构件间动作协调配合关系的图形。1）机械运动循环图的功用机械运动循环图对执行系统的设计起到非常重要的作用，特别是有多个执行机构协同工作的执行系统。（1）机器的工作循环图反映其生产节奏，可以用来衡量核算机器的生产率，并可用来作为分析、研究提高机械生产率的依据。（2）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。（3）指导机器中各个执行机构的具体设计。（4）作为装配、调试机器的依据.（5）分析、研究各执行机构的动作如何能够紧密配合、相互协调，以保证机器的工艺动作过程顺利实现。2）机器运动循环图的绘制绘制工作循环图时，首先应选择一个定标构件，其它构件的运动时间都以此构件的运动基准来表示。通常以机器的主轴或分配轴作定标构件，因为这些轴和机器中所有的轴都有联系，且其整转数往往就是机器的一个工作循环。工作循环图的绘制步骤如下：（1）确定所有执行机构的运动循环；（2）确定所有运动循环的组成区段；（3）确定运动循环内各区段的时间或分配轴的转角；（4）绘制执行系统的运动循环图。绘制机器运动循环图是一个复杂的过程，应考虑以下诸多注意事项。（1）以工艺过程的开始点作为机器运动循环起始点，确定最先开始运行的执行机构在运动循环图中的位置，其他执行机构则按照工艺程序先后次序列出。（2）因为运动循环图以主轴或者分配轴的转角为横坐标，对于不在主轴或分配轴上各执行机构的原动件比如凸轮、曲柄、偏心轮等等，应把它们运动时所对应的转角转换成主轴或分配轴上相应的转角。（3）考虑到机器制造、安装时不可避免的会产生误差，为防止两机构在工作过程中发生干涉，应在理论计算正好不发生干涉的临界基础上再给以适当的余量，即把两机构的运动相位错开到足够大，以确保动作可靠。（4）应尽量使执行机构的动作重合，以便缩短机器的工作循环周期，提高生产率。（5）在不膨响工艺动作要求和生产率的条件下，尽可能使各执行机构工作行程对应的中心角增大些，以减小凸轮的压力角。3）机械运动循环图的类型常见的机械运动循环图有直线式运动循环图、圆周式运动循环图和直角坐标式运动循环图。 下面以粉料成型压片机为例说明各种机械运动循环图的绘制方法和特点，并列于表12-2中。如图12-5所示的粉料成型压片机中，执行机构有料斗送料机构、上冲头运动机构、下冲头 运动机构。其压片过程的工艺流程由六个工艺动作完成：（1）加料斗a下料到料筛6中，如图12-6a所示；（2）料筛8右移模腔C上方，同时顶开已成型的片坯e,如图12-6b所示；（3）料筛b在模腔C上方往复振动，送入干粉后，退出，如图12-6C所示；（4）下冲头/下沉，以防粉料扑出，然后上冲头"进入模腔c,如图12-6d所示；（5）上下冲头同时加压，并保压一段时间，如图12-6e所示；（6）上冲头d退出，下冲头顶出片坯e,如图12-6f所示图12-5粉料成型压片机图12-6粉料成型压片机工艺流程设计粉料成型压片机工作循环图时，以上冲头机构中的曲柄作为定标构件如图12-7a所示下江加压为粉料成型压片机的直线式运动循环图，其横坐标表示定标曲柄的转角p;图127b所示为粉料 成型压片机的圆周式运动循环图，定标曲柄每旋转一周为一个运动循环；图12-7c所示的是粉料 成型压片机的直角坐标式运动循环图，图中横坐标是定标曲柄的运动转角外纵坐标表示上冲头、 下冲头、送料筛的运动位移。(a)直线式运动循环图(b)圆周式运动循环图、J 压 V、送制篇上冲头下冲头下沆下冲头加压(C)直角坐标式运动循环图图12-7机械运动循环图的类型表12-2给出了三种机械运动循环图的绘制方法与各自的特点通过比较可以发现直角坐标式的运动循环图不仅可以表示出这些执行机构中构件动作的先后，而且还能够描述出它们的运动规律以及运动上的配合关系，直观性最强，较其他两种运动循环图更能够反映执行机构的运动特征，所以在设计机器时，优先采用直角坐标式运动循环图。表12-2机器运动循环图绘制方法和特点形式绘制方法特点直践式将机械在一个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序,按比例绘制在直线坐标轴上绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系：直观性差，不能显示各执行构件的运动规律圆周式以极坐标系原点为圆心作若干同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位：当执行机构多时，同心圆环太多不一目了然，无法显示各构件的运动规律直角坐标式用横坐标表示机械主轴或分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移，各区段之间用直线相连不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动规律12.4机构的选型和组合12.4.1常用机构的特点任何机器都是由若干个机构组成的，传统的机构型式有：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、摩擦机构、螺旋机构和间歇运动机构等。当然随着科学技术迅速发展，引入液、气、声、光、电、磁等工作原理的新型运动机构(广义机构)应用日益广泛。本章对广义机构不作详细介绍。上述传统机构己经相对成熟，各具优点，如连杆机构结构简单，运动平稳，可获得较大行程:齿轮机构结构紧凑、工作可靠、承载能力大、效率高；凸轮机构能够实现精确的曲线轨迹；螺旋机构可获得较大的传动比和较高的运动精度；凸轮式间歇运动机构分度、定位准确等。但是它们在结构特点、运动特性、动力性能及制造工艺等诸多方面仍存在以下不可逾越的局限。1.连杆机构(1)难以精确地实现预期的运动规律或运动轨迹，设计理论较复杂。(2)不易实现从动件较长时间的停歇。(3)运动铢较长，占用空间大，运动累积误差大，运动副磨损后不易调整，影响运动精度和工作可靠性。(4)连杆惯性力不易平衡，动力性能差，不宜用于高速场合。2.齿轮机构(1)运动形式简单，圆形齿轮不能实现变速比的运动规律。(2)对误差较为敏感，制造和安装的精度要求高。(3)非圆形齿轮可以实现变速比的运动规律，但其制造困难。3.凸轮机构(1)高副接触，易磨损，在高速场合下影响运动精度和工作可靠性。(2)直动从动件行程不宜过大，摆动从动件摆角不宜过大。(3)凸轮轮廓加工较困难。4.其他机构(1)螺旋机构的机械效率低，需要反向机构才能反向运动。(2)棘轮机构工作时有冲击，传动精度较低。(3)槽轮机构每次转角不宜太大或太小，且不可调。(4)凸轮式间歇运动机构的凸轮加工困难，安装调整精度要求高。12.4.2机构的选型1.机构选型机构的选型是指选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构.根据已知的设计要求，按执行构件的运动形式及运动功能要求，先在基木机构中进行类比选择，当基本机构不能满足运动或动力要求时，才考虑对基本机构进行组合、变异等方法形成新的机构，或选用组合机构。如果很难找到满足工作要求的现有机构，这时要求改变机械的工作原理和工艺动作或创造新型机构。表12-3列举了各种运动形式与实现运动要求的机构类型；表12-4列举了各种功能要求与对应的机构类型，可供机构选型时参考。表12-3各种运动形式与实现运动要求的机构类型连续定传动比匀速平行四杆机构、双万向联轴节机构、齿轮机构、轮系、谐波传动机构、摆线针轮机构、摩擦轮传动机构、挠性传动机构等转变传动比匀速轴向滑移圆柱齿轮机构、混合轮系变速机构、摩擦传动机构、行星无级变速机构、劫挠性无级变速机构等非匀速双曲柄机构、转动导杆机构、单万向连轴节机构、非圆齿轮机构、某些组合机构等往往复移动曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、复楔块机构、螺旋机构、气动、液压机构等运往复摆动曲柄摇杆机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构、空间连杆机构、摆动动从动件凸轮机构、某些组合机构等问间歇转动棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式问歇运动机构、某些组合机构等跋间歇摆动特殊形式的连杆机构、搓动从动件凸轮机构、齿轮-连杆组合机构、利用连杆曲线圆运弧段或直线段组成的多杆机构等劫间歇移动棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间歇往复运动的凸轮机构、反凸轮机构、气动、液压机构、移动杆有停歇的斜面机构等表12-4各种功能要求与对应的机构类型预定轨迹直线轨迹连杆近似直线机构、八杆精确直线机构、某些组合机构等曲线轨迹利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮连杆组合机构、行星轮系与连杆组合机构等特殊运动要求换向双向式棘轮机构、定轴轮系（三星轮换向机构）等超越齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构等过载保护带传动机构、摩擦传动机构等2.机构选型的原则机构选型时应注意以下原则：（1）按己拟定的工作原理进行机构选型时，应尽量满足或接近运动形式要求。（2）机构选型时应力求结构简单、尺寸适度、在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑。（3）机构选型时要注意选择那些加工制造简单、容易保证较高的配合精度的机构。(4)机构选型时要保证在高速运转时有良好的动力特性。(5)机构选型时应考虑机械效率等问题。(6)机构选型时还要考虑动力源的形式12.4.3机构的组合方式机构组合是指在机构选型的基础上，根据使用或工艺动作要求，将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的、新的机构系统为了实现执行构件的运动型式、运动参数及运动协调关系，或者为了改善机械的动力特性，常常在以下三个方面需要机构组合：(I)机构的工艺动作较复杂。(2)所选择的机构其运动和动力特性不好，但又无更好的机构可选。(3)由于不具备某种动力源，或受其它条件的限制，只有进行机构组合才能实现所要求的工艺动作.机构的组合方式可分为串联式、并联式、复合式和叠加式等四种组合方式1.串联式机构组合串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序连接，前一级机构(称为前置机构)的输出构件作为后一级机构(称为后置机构)的输入件。根据后置机构中主动件的来源串联式机构组合可分为一般组合和特殊组合式两种。1)一般串耳关组合一般串联组合指后置机构的主动件固连在前置机构的一个连架杆上。如图12-8a所示，后置曲柄滑块机构B'C的主动曲柄AB'固连在前置摆动凸轮机构的摆杆AB上。图12-8b所示为一般串联组合方式的运动传递框图。一般串联组合机构的特点在于，它有可能改善单一基本机构中不太理想的的运动特性。如图12-8a所示的机构中，对心摇杆滑块机构既无急回特性，而旦在工作行程中滑块的速度也不恒定。但是两机构组合后，只要适当设计凸轮廓线，便可使滑块4在工作行程中具有急ISI特性，旦匀速运动。(a)(b)图12-8-般串联组合2)特殊串联组合特殊串联组合指后置机构的主动件串接在前置机构中不与机架相连的浮动件上。如图12-9a所示的六杆机构，后置连杆机构MEF的主动件固连在前置连杆机构ABa)的连杆M点上，M点的运动轨迹在-段为近似圆弧。设计时，如果取杆长4长度为圆弧-的曲率半径，则当M点沿此段圆弧运动时，E点刚好位于该圆弧的圆心处，从动件5的运动也将作较长时间的近似停歇。图12-9b所示为特殊串联组合方式的运动传递框图。图12-10并联式机构组合示意框图1） 一般并联组合-般并联组合的各分支机构间无任何严格的运动协调配合关系，可根据各自的工作需要进行 独立设计。如图12-IIa所示的某航空发动机附件传动系统中，各输出轴的转速没有直接的关系, 其示意框图见图I2-Ilb图12-9特殊串联组合串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积,运动链过长会降低系统的机械效 率，同时也会导致传动误差的增大，所以在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。2.并联式机构组合当几个单自由度机构共用同一输入构件但却具有各自的输出构件（如图12-10a所示），或 几个单自由度机构同时为一个多自由度机构输入运动（如图12-1Ob所示），或若干个单自由度 基本机构有共同的输入与输出构件（如图12-1OC所示）时，称为并联式机构组合。图12-IOa所 示的并联方式，又称为一般并联组合方式。图12-IOb、C所示的并联方式，又称为特殊并联组合 方式。并联式机构组合可实现机构的惯性力完全平衡或部分平衡，改善机构受力状态，还可实现运 动的分流或合成。机构2 _-主动轴A(a)(b)图12-11某航空发动机附件传动系统及其并联组合示意框图2)特殊并联组合特殊并联组合的各分支机构间往往有运动协调要求，如速比要求、轨迹配合要求或时序要求。(1)速比要求当各分支机构间有严格的速比要求时，各分支部分常共用一台原动机(或集中数控)驱动。如图12-12所示的滚齿机范成运动传动简图，滚刀与轮坯之间必须满足/刀坏="刀/"坏=2耳/z刀的传动比关系。运动路线从主动轴开始，一条路线由锥齿轮1、2传到滚刀11,另一条路线是由齿轮3、4、5,6、7、蜗杆8、蜗轮9传到轮坯10。图12-12滚齿机范成运动传动简图(2)轨迹配合要求当执行构件间有轨迹配合要求时，各分支机构共同驱动一个从动件，使其沿特定轨迹运动。如图12-13所示的圆珠笔芯自动送料机构中，两个分支凸轮1、r共同驱动一个从动件3,使其实现矩形轨迹来完成圆珠笔芯的送料工作。外IiI车刀切断刀倒角刀图12-13圆珠笔芯自动送料机构（3）时序要求如图12-14a所示为自动车床上车削加工抑钉的传动系统图，图12-14b所示为运动循环图。 可见，凸轮轴上的三个并联凸轮I、H、HI在工作时有严格的先后顺序要求。图12-14自动车床车削钢钉传动系统图和运动循环图3）汇集式并联组合凸轮转角270*4送料凸轮I _/ 挡料凸轮II ,车外圆、倒角凸轮皿Ul 工件（柳钉）ZLV/ vr/77777直线电机汇集式并联组合是指若干单自由度分支机构汇集一道共同驱动后续机构的组合方式。如图12-15所示的飞机的襟翼操纵机构，它由两个直线电机共同驱动，若一个电机发生故障，另一个电机还可以单独驱动，这样就增大了操纵系统的安全裕度。直线电机3.复合式机构组合在机构组合中若由一个或若干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，这种组合方式与串联组合及并联组合既有相同之处又有不同之处，因此称为复合式机构组合，其示意框图如图12-16所示。图12-16复合式机构组合示意框图如图12-17所示为凸轮机构1-4-5与双自由度的五杆机构1-2-3-4-5所构成的复合式组合。该机构可使C点实现预期的运动轨迹。图12-17复合式机构组合4.叠加式机构组合叠加式机构组合是指在一个机构（称为基础机构）的可动构件上再安装一个以上机构（称为附加机构）的组合方式。一般取自由度大于1的差动机构作为基础机构，自由度为1的基本机构作为附加机构。叠加式机构组合有I型叠加组合和Il型叠加组合两类。图12-18a所示为I型叠加组合的示意框图，驱动力作用在附加机构上，附加机构在驱动基础机构运动的同时，也可以有自己的运动输出。附加机构安装在基础机构的可动构件上，同时附加机构的输出构件驱动基础机构的某个构件。图12-18b所示为II型叠加组合的示意框图，附加机构和基础机构分别有各自的动力源，最后由附加机构输出运动。II型叠加组合的特点是附加机构安装在基础机构的可动构件上，再由设置在基础机构可动构件上的动力源驱动附加机构运动。进行多次叠加时，前一个机构即为后一个机构的基础机构。相对于1型叠加组合，Il型叠加机构之间的连接方式较为简单，且规律性强，应用最为普遍。图12-18叠加式机构组合示意框图如图12-19所示的电风扇是I型叠加组合机构的示例，由蜗杆1、蜗轮2组成的蜗杆传动机构为附加机构，由齿轮3、4、及蜗轮2（行星架H）组成的行星轮系机构为基础机构，蜗杆传动机构安装在行星轮系机构的行星架H上，由蜗轮给行星轮提供输入运动，带动行星架缓慢转动。附加机构驱动扇叶转动，并通过基础机构的运动实现附加机构360。全方位慢速转动。如图12-20所示的户外摄影车机构是II型叠加组合机构的示例，平行四边形机构ABCD为基础机构，由液压缸1驱动BC杆运动。平行四边形机构Cz）EF为附加机构，并安装在基础机构的CD杆上。安装在基础机构AD杆上的液压缸2驱动附加机构的DF杆运动，使附加机构相对基础机构运动。12.4.4常用组合机构的类型通过以上各种组合方式得到机构系统称为组合机构在组合机构时，各基本机构不能单独进行分析与综合，必须在一个整体机构系统的环境中来考虑.组合机构类型很多，这里只介绍其中常用的几种。1.凸轮一连杆组合机构凸轮一连杆组合机构由自由度为2的连杆机构和自由度为1的凸轮机构组成。该机构能较容易并准确地实现较复杂的运动轨迹和运动规律，应用广泛。如图12-21所示的刻字、成型机构，两个凹槽凸轮1和r固接在一起，两个推杆2和3的运动为自由度为2的四移动副连杆机构输入运动，从而形成并联组合的凸轮连杆机构。当凸轮转动时，推杆2和3分别在X和Y方向上移动，从而十字滑块4上的Af点描绘出复杂的运动轨迹。2.齿轮一连杆组合机构齿轮一连杆组合机构是由定传动比的齿轮机构和变传动比的连杆机构组合而成的。该机构运动特性多，精度易保证，运转可靠，齿轮、连杆便于加工，而且能实现复杂的运动轨迹和运动规律。如图12-22所示为工程上长用的用以实现复杂运动规律的齿轮一连杆组合机构。它是一个由定轴轮系14-5（附加机构）和自由度为2的五杆机构（基础机构）的叠加式组合机构。只要改变两齿轮的传动比、相对相位角或各杆长度，连杆上的M点即可描绘出不同的轨迹曲线。图12-21凸轮一连杆组合机构图12-22齿轮一连杆组合机构3.齿轮凸轮组合机构齿轮-凸轮组合机构一般由差动轮系和凸轮机构叠加组合而成的。该机构多用来使从动件实现复杂的运动规律.如图12-23所示的基础机构是由齿轮1、行星轮2（扇形齿轮）和行星架H组成的差动轮系，附加机构是由与行星轮2固接的摆杆和槽形凸轮4所组成的凸轮机构。当主动件系杆H转动时，行星轮2的5转轴线便作整周转动，同时较接在行星轮2上的滚子3也在固定凸轮4的迫使下使行星轮2相对于系杆H转动。从而使得从动齿轮1获得预期的运动规律。图12-23齿轮凸轮组合机构12.5机械运动方案的拟定确定了机械的工作原理，完成了执行机构构件和原动机的运动设计，通过机构的选型、变异及组合，就可完成机械传动系统方案的设计，通过分析与评价，从众多的传动系统方案中拟定出最佳方案。12.5.1机械传动系统方案的拟定原则拟定机械传动系统方案时，必须熟悉常用传动机构以及其结构特点和运动、动力性能。表12-5列举了常用传动机构及其性能，以供参考。机械传动系统方案的拟定要遵循以下七点原则。I.采用简短的运动链拟定机械的传动系统时，尽可能采用简单、紧凑的运动链因为运动链越简短，组成传动系统所使用的机构和构件数目越少，这不仅降低制造费用、减小体积和重量，而且使机械的传动效率相对提高。由于减少传动环节，使传动中的积累误差也随之减小，结果将提高机械的传动精度和工作准确性。2.优先选用基本机构选择机械传动机构时，应考虑原动机和工作机是否相互匹配，是否满足功率和速度的范围要求，传动比是否准确性及合理范围，结构布置和外廓尺寸是否满足要求，另外还要考虑机器质量和经济性等因素。在满足上述条件后，应优先选用基本机构，因为基本机构结构简单、设计方便、技术成熟。在不满足要求时，才考虑机构变异或机构组合。3.应使机械有较高的机械效率传动系统的机械效率主要取决于组成机械的各基本机构的效率和它们之间的联接方式。因此，当机械中含有效率较低的机构时，如蜗轮蜗杆传动装置，这将降低机械的总效率。在机械传动中的大部分功率是由主传动所传递，应力求使其具有较高的传动效率；而辅助传动链，如进给传动链、分度传动链、调速换向传动链等所传递的功率很小，其传动效率的高低对整个机械的效率影响较小。对辅助传动链主要着眼于简化机构、减小外部尺寸、力求操作方便、安全可靠等要求。4.合理安排不同类型传动机构的顺序机械的传动系统和执行机构一般均由若干基本机构和组合机构组成，它们的结构特点和传动作用各不相同，应按一定规律合理的安排传动顺序。一般将减速机安排在运动链的起始端，尽量靠近动力机，例如采用带有减速装置的电动机；将变换运动形式的机械安排在运动链的末端，使其与执行构件靠近，如将凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等靠近执行构件布置：将带传动类型的摩擦传动安排在运动链中的转速高的起始端，以减小传递的转矩、降低打滑的可能性。在传递同样转矩的条件下，与其他传动形式比较摩擦传动机构尺寸比较大，为了减小其外部尺寸应将其布置在运动链的起始端。传动链中采用圆锥齿轮时，应考虑到圆锥齿轮制造较困难，造价高，避免用大尺寸的圆锥齿轮，而采用较小的圆锥齿轮也应布置在运动链中转速较高的位置。上述顺序安排只是一般性的考虑，具体安排时需要同时考虑的因素较多，如充分利用空间、降低传动噪音和振动，以及装配维修的方便等，相关的各因素都要权衡利弊给予适当的考虑。5.合理分配传动比运动链的总传动比应合理地分配到各级传动机构，既充分利用各种传动机构的优点，又有利于尺寸控制得到结构紧凑的机械。每一级传动机构的传动比应控制在其常用的范围内，。如果某一级传动比过大，则对其性能和尺寸都将有不利的影响。所以当齿轮传动比大于810时，一般应设计为两级传动；当传动比在30以上时，常设计两级以上的齿轮传动。但是对于传动来说，由于外部尺寸较大实际很少采用多级带传动。电动机的转速一般都超过执行构件所需要的转速，而需要采用减速传动系统。这时，对于减速运动链应按照"前小后大"的原则分配传动比，而r相邻两级传动比的差值不要相差太大。安排这种逐级减速的运动链，可使各级中间轴有较高的转速及较小的转矩，因此可选用尺寸较小的轴径和轴承，油封等零件。6.保证机械的安全运转设计机械的传动系统和执行机构，必须充分重视机构的安全运转，防止发生人身事故或损坏机械构件的现象出现。一般在传动系统或执行机构中设有安全装置、防过载装置、自动停机等装置。例如在起重机的起吊部分必须防止在载荷作用下发生倒转，造成起吊物件突然下落砸伤工人或损坏货物的后果，所以在传动链中应设置具有足够自锁能力的机构或有效的制动器。又如为防止机械因短时过载而损坏，可采用具有过载打滑的摩擦传动装置或设置安全联轴器和其他安全过载装置。7.考虑经济性要求传动方案的设计应在满足功能要求的前提下，从设计制造、能源和原材料消耗、使用寿命、管理和维护等各方面综合考虑，使传动方案的费用最低。表12-5常用传动机构及其性能传动类型传动效率传动比圆周速度Zms1外尺寸相对成本性能特点带传动0.940.96（平带）0.92-0.97（V带）<5-7525（30）大低过载打滑，传动平稳，能缓冲吸振，不能保证定传动比，远距离传动0.950.98（齿型带）1050中传动平稳，能保证固定传动比链传动0.900.92（开式）0.96-0.97（闭式）5（8）525大中平均传动比准确，可在高温下传动，远距离传动，高速有冲击振动传动比恒定，功率和速度适用齿轮0.920.96（开式）355中中范围广，效率高，寿命长。传动0.96-0.99（闭式）710200小蜗轮0.40-0.45（自锁）88015-50小高传动比大，传动平稳，结构紧传动0.700.9.不自锁）（1000）凑，可实现自锁，效率低螺旋0.30-0.6滑动）中小中传动平稳，能自锁，增力效果传动V0.9（X滚动）低好结构简单，易制造，能传递较连托高1中小低大载荷，耐冲击，可远距离传传动动凸轮低中小高从动件可实现各种运动规律，传动高副接触磨损较大摩擦0.85095，571525大低过载打滑，工作平稳，可在运轮传动转中调节传动比12.5.2机械传动系统方案的拟定方法机械传动系统方案的拟定，是一个从无到有