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在题 !"#$ 图 % 所示电动机为原动件的冲床中,已知电机转数 !! & ! ’""干式恒温仪 ()*+,。该 冲床每分钟冲孔 ’" 个,冲孔力 " &!#$%,且实际冲孔时间为冲孔时间间隙的 !- ,钢板材料为 .’/-,剪切弹性模数 % & /#! 0 !"1 2)*’ ,板厚为 $ & !3**,冲孔直径 # & !$ **。试求: (!)若不加飞轮,电动机所需功率? (’)若加飞轮,并设运转不均匀系数!& "#!,求飞轮转动惯量及电动机功率。 题 !"#$ 图 !"#% 某四缸汽油机的曲柄输出力矩 &4 随曲柄转角" 的变化曲线如题 !"#1 图所示,其 运动周期"5 &!,曲柄的平均转速 !* & 6’" ()*+,。当用该机驱动一个阻抗力矩为常数的机械 时,如果要求其速度不均匀系数!& "#"!,试求: (!)装在曲柄上的飞轮的转动惯量 ’7 ( 其他构件的转动惯量略去不计); (’)飞轮的最大角速度#*%8 与最小角速度#*+, 及其对应的曲柄转角位置"*%8 和"*+, 。 题 !"#1 图 习 题 ’3$ 第 !! 章 机械运动系统方案的设计 本章在介绍机械运动系统的概念和机械运动系统方案设计的基本内容的基 础上,逐一介绍产品的功能结构、工艺动作过程的构思、执行机构的选型、机械运 动循环图及运动的协调设计、机械系统运动方案的构思及设计、机械运动方案设 计评价的方法等内容。 !!"! 机械运动系统方案设计的内容 机械系统运动方案的设计,是指机械运动系统的方案设计。方案设计阶段 是决定产品性能、成本及竞争能力的关键环节。对设计师而言,则是最具吸引 力,同时也最具挑战性的工作。 !!"!"! 机械运动系统的概念 一般而言,机械系统是由动力系统、传动系统、执行系统以及控制系统组成。 图 !!"! 所示为机械系统的组成示意图。 图 !!"! 机械系统的组成示意图 从运动学角度考察,机械系统的基本功能是机械运动的生成、传递与变换。 在机械系统中,动力系统(即原动机)生成原始的机械运动,然后经传动系统(传 动机构)的传递,最后由执行系统(执行机构)变换成为期望的运动形式之后输 出。操纵系统或控制系统的功能则在于使此过程更加有效地进行。 运动的传递与运动形式的变换是机构的基本特性。从而,一般将传动系统 与执行系统统称为“机械运动系统”,亦称为“机构系统”。 !!"!"# 机械运动系统方案设计的流程 机械运动系统的方案设计,是指在设计任务明确之后,通过建立功能结构、 确定工作原理、工艺动作过程的构思与分解、机构的选型与组合以及方案评价等 步骤,形成机械系统运动方案的过程。 机械运动系统方案设计的基本程序是:首先,由设计任务出发,将机械运动 系统的总功能进行分解,建立机械运动系统的功能结构;然后,根据相应的功能 来选择工作原理
,不同的工作原理将形成不同的运动方案;其后,从工作原理出 发,进行工艺动作过程的构思与分解,并进行组合以形成原理解;通过机构选型 与组合来选择合适的机构及机构组合来实现所要求的工艺动作,至此形成各种 备选方案;最后,通过方案评价来选择最佳方案。 机械运动系统方案设计的流程可用图 !!"# 表示。 图 !!"# 机械运动系统的方案设计流程 !!"# 机械运动系统功能结构的建立 对于机械产品而言,其用途或所具有的特定工作能力,称为机械产品的功 能。一台机器所能完成的功能,则称为机器的总功能。在实际工作中,要设计的 机械产品往往比较复杂,难以直接求得满足总功能的功能原理方案,因此必须采 用系统分解的原理进行功能分解,将总功能分解为多个功能元,再分别对这些较 简单的功能元求解,然后利用组合的方法,形成多个对总功能求解的功能原理 !!"# 机械运动系统功能结构的建立 #$$ 方案。 而所谓的“功能结构”,则是指通过功能分析,将机械系统的总功能分解成为 分功能和基本功能后,总功能、分功能和功能元之间的关系。 机械运动系统功能结构以及相应的工艺动作及执行机构框图如图 !!"# 所 示。 图 !!"# 机械运动系统功能结构的建立 !!"#"! 建立机械运动系统功能结构的步骤 (!)确定总功能 在此阶段,设计者从设计任务出发,通过对机械运动系统进行合理的抽象来 确定设计任务的核心,最终提炼出实现本质功能的解。 ($)功能分解 功能分解是指将总功能分解为分功能,再将分功能继续分解至不可再分的 基本功能。 (#)功能合成 功能合成是指将分功能与基本功能合成简单、明确的功能结构。 !!"#"# 举例 以自动钻床为例。图 !!"%& 所示为半自动钻床的简图,其功能—工艺动作 —执行机构框图如图 !!"%’ 所示。 #(( 第!!章 机械运动系统方案的设计 图 !!"# 半自动钻床示意图和功能结构图 !!"# 确定机械运动系统的工作原理 确定工作原理,是指根据机械运动系统的功能来选择工作原理的阶段。 !!"# 确定机械运动系统的工作原理 %$! 同一种功能可以应用不同的工作原理来实现,相应的工艺动作过程也不同, 运动方案图也必然各不相同。工作原理的选择与产品的批量、生产率、工艺要 求、产品质量、市场定位等等有密切关系。在选定机器的工作原理时,不应墨守 成规,而是要进行创新构思。构思一个优良的工作原理可使机器的结构既简单 又可靠,动作既巧妙又高效。 !!"#"! 确定工作原理的基本方法 !" 传统的辅助手段 (!)文献检索 文献来源包括专业书刊、专利以及产品说明等。 (")利用“仿生学”或“生物力学”原理,从自然系统中引出具有多种用途而 技术上新颖的解。 (#)类比考察 将系统与类比物进行比较以启发求解,并且提供了在早期开发阶段就通过 仿真和模型技术来研究系统性态的可能性。 ($)实验研究 包括产品检测、模型实验、样机实验等。 #" 直觉方法 利用设计者的个人直觉,以及联想法等群动效应,往往可获得困难问题的 解。 $" 逻辑方法 运用逻辑思维的方法,可制定清晰的工作步骤。在逻辑方法中,应用最为成 功的是设计目录法。该方法的基本原理,是将为实现某一功能元的所有可能的 解用矩阵表形式列出,形成物料运送解法目录。例如,表 !!%! 为物料运送的解 法目录。 表 !!"! 为物料运送的解法目录 功 能 元 解 机械力 气液力 电磁力 推力 重力 摩擦力 负压吸力 流体摩擦 磁吸力 简 图 特 点 用途广 简单 可靠性较差 耗能较大 多条件限制 较小物体 #&" 第!!章 机械运动系统方案的设计 !!"#"$ 工作原理求解实例 对于机械运动系统而言,在原理求解阶段所确定的工艺过程对机械的生产 率、结构、运动和使用性能具有决定性的影响。以螺纹加工为例,传统
方法是在 车床上几次进给切削而成。图 !!"#$ 所示的螺纹车床通过几次进给切削来切制 螺纹,与普通车床相似,其结构较为复杂,工效也较低。图 !!"#% 所示是按照复 合运动原理设计的搓丝机,利用动搓丝板和送料板的往复运动来切制螺纹,其结 构大大简化,而生产率、工件质量和材料利用率都有所提高。图 !!"#& 所示的对 辊式搓丝机,把往复运动改成单向旋转运动,不但省掉了往复式搓丝机的空行程 而使生产率提高,而且缩小了机器的体积。图 !!"#’ 所示是根据行星机构原理 制造的行星搓丝机,工艺动作进一步简化,而生产率成倍提高。 图 !!"# 螺纹加工的几种工作原理 !!"# 机械运动系统工艺动作过程的构思与分解 !!"%"! 机械运动系统的工艺动作过程 机器的功能是通过它的工艺动作过程来完成的。例如,图 !!"( 所示的工业 缝纫机是通过!刺布!"供线!#勾线!$送布的工艺动作过程来实现缝纫功 能。又如图 !!") 所示的平板印刷机的功能则是通过如下的工艺动作过程来实 现印刷功能的:!取出已印刷好的纸张!"墨辊向印版上滚刷油墨!#墨盘间 歇转动一个位置,使油墨匀布于墨盘,以便墨辊滚过墨盘时得以均匀上墨!$将 !!"% 机械运动系统工艺动作过程的构思与分解 *+* 油墨容器内的油墨源源不断供应给油盘!!空白纸张合在印版上完成印刷。 图 !!"# 工业缝纫机的工艺动作过程 图 !!"$ 平板印刷机的工艺动作过程 工艺动作取决于所实现的功能的工作原理,不同的工作原理就会有不同的 工艺动作过程,例如滚齿原理和插齿原理二者的工艺动作过程是不同的。但是 同样的工作原理却可以用不同的工艺动作过程来实现。 工艺动作过程是实现机器功能所需的一系列动作形式、按一定顺序组合而 成的系列动作。一般来说,机器的工艺动作过程是比较复杂的,往往难以用某一 简单的机构来实现。因此,从设计机械运动方案需要出发,把工艺动作过程分解 成以一定时间序列表达的若干个工艺动作,这些工艺动作则称之为机械的执行 动作,简称为执行动作。相应地,我们把机械中完成执行动作的构件,称为执行 构件。而把实现各执行构件所需执行运动的机构,称为执行机构。 在机械系统运动方案的确定过程中,确定执行动作、选择执行机构是机械系 统运动方案设计中富有创造性的设计内容。而执行动作的多少、执行动作的形 式以及它们间的协调配合等都与机械的工作原理、工艺动作过程及其分解等有 着密切关系。 工艺动作过程的构思与分解,是指从机械运动系统的功能出发,根据工作原 理构思工艺动作过程,并将工艺动作按执行机构可以实现的动作分解成若干执 行动作,构成执行动作的时间序列。 ’&% 第!!章 机械运动系统方案的设计 !!"#"$ 工艺动作过程构思与分解的基本原则 工艺动作过程构思是由机械系统的功能出发,根据工作原理提出可能的动 作过程。而工艺动作过程分解的目的则是确定执行动作的数目以及它们之间的 时间序列。工艺动作过程构思与分解的总要求是保证产品质量、生产率、机器结 构力求简单、操作和维修方便、制造成本低和维护费用小等。为达到上述要求, 一般应遵循以下几个基本原则: !" 工艺动作集中与分散原则 所谓工艺动作集中原则,是指工件在一个工位上一次定位装夹,采用多刀、 多面、多个执行构件运动同时完成几个执行动作,以达到工件的工艺要求。工艺 动作集中原则使加工质量容易保证,机器的生产率也较高。例如自动切书机就 是采用了多刀、多面、多个执行构件同时完成加工工艺动作过程,这样即保证了 切纸质量,又提高了生产率。 图 !!"#
盒式冰淇淋包装的工艺动作分解 所谓工艺动作分散原则,是指将工件的加工工艺过程分解为若干工艺动作, 并分别在各个工位上用不同的执行机构进行加工,以达到工件的工艺要求。由 于工艺动作分散,执行机构完成每一工艺动作的动作较为简单,这样可以使机器 生产率有较大的提高。例如盒式冰淇淋包装机的工艺过程的分解可如图 !!"# 所示:!从纸库中取出纸盒!"打开纸盒!#撑开下塞耳!$关闭下前盖!% 关闭下后盖!&下塞耳插入耳孔!’撑开上前盖、上后盖和上塞耳!(灌装冰 淇淋!)关闭上前盖!*+,关闭上后盖!*+-上塞耳插入耳孔!*+.送往冰库冷藏。 因为工序数较多,所以其执行机构采取分散布置,这样每个执行机构只要完成简 单的动作,可以减少相互之间的干扰。又如微型电动机的自动嵌绝缘纸工艺过 !!"# 机械运动系统工艺动作过程的构思与分解 &%$ 程可分解为图 !!"# 所示的过程:!送纸!"切纸!#插纸!$推纸!%分度等 工艺动作,然后每一道工艺动作分别配置能完成简单工艺动作的执行机构。这 样不论从设计、制造、安装、调试及维修都十分简便,而且有利于某些机器生产率 的提高。 图 !!"# 自动切纸机的工艺动作分解 工艺动作集中原则和分散原则从表面上看是有矛盾的,其实是依据实际情 况,工艺动作能集中就尽量集中,工艺动作集中有困难就采取分散。集中是为了 提高机器生产率,分散也是为了提高机器生产率。两个原则为了同一目的,只是 在不同场合采用不同方法。