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2020-10-20
在題 !"#$ 圖 % 所示電動機為原動件的沖床中,已知電機轉(zhuǎn)數(shù) !! & ! ’""干式恒溫器 ()*+,。該 沖床每分鐘沖孔 ’" 個,沖孔力 " &!#$%,且實際沖孔時間為沖孔時間間隙的 !- ,鋼板材料為 .’/-,剪切彈性模數(shù) % & /#! 0 !"1 2)*’ ,板厚為 $ & !3**,沖孔直徑 # & !$ **。試求: (!)若不加飛輪,電動機所需功率? (’)若加飛輪,并設(shè)運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)!& "#!,求飛輪轉(zhuǎn)動慣量及電動機功率。 題 !"#$ 圖 !"#% 某四缸汽油機的曲柄輸出力矩 &4 隨曲柄轉(zhuǎn)角" 的變化曲線如題 !"#1 圖所示,其 運動周期"5 &!,曲柄的平均轉(zhuǎn)速 !* & 6’" ()*+,。當(dāng)用該機驅(qū)動一個阻抗力矩為常數(shù)的機械 時,如果要求其速度不均勻系數(shù)!& "#"!,試求: (!)裝在曲柄上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 ’7 ( 其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量略去不計); (’)飛輪的最大角速度#*%8 與最小角速度#*+, 及其對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角位置"*%8 和"*+, 。 題 !"#1 圖 習(xí) 題 ’3$ 第 !! 章 機械運動系統(tǒng)方案的設(shè)計 本章在介紹機械運動系統(tǒng)的概念和機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計的基本內(nèi)容的基 礎(chǔ)上,逐一介紹產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)、工藝動作過程的構(gòu)思、執(zhí)行機構(gòu)的選型、機械運 動循環(huán)圖及運動的協(xié)調(diào)設(shè)計、機械系統(tǒng)運動方案的構(gòu)思及設(shè)計、機械運動方案設(shè) 計評價的方法等內(nèi)容。 !!"! 機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計的內(nèi)容
機械系統(tǒng)運動方案的設(shè)計,是指機械運動系統(tǒng)的方案設(shè)計。方案設(shè)計階段 是決定產(chǎn)品性能、成本及競爭能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對設(shè)計師而言,則是最具吸引 力,同時也最具挑戰(zhàn)性的工作。 !!"!"! 機械運動系統(tǒng)的概念 一般而言,機械系統(tǒng)是由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。 圖 !!"! 所示為機械系統(tǒng)的組成示意圖。 圖 !!"! 機械系統(tǒng)的組成示意圖 從運動學(xué)角度考察,機械系統(tǒng)的基本功能是機械運動的生成、傳遞與變換。 在機械系統(tǒng)中,動力系統(tǒng)(即原動機)生成原始的機械運動,然后經(jīng)傳動系統(tǒng)(傳 動機構(gòu))的傳遞,最后由執(zhí)行系統(tǒng)(執(zhí)行機構(gòu))變換成為期望的運動形式之后輸 出。操縱系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的功能則在于使此過程更加有效地進行。 運動的傳遞與運動形式的變換是機構(gòu)的基本特性。從而,一般將傳動系統(tǒng) 與執(zhí)行系統(tǒng)統(tǒng)稱為“機械運動系統(tǒng)”,亦稱為“機構(gòu)系統(tǒng)”。 !!"!"# 機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計的流程 機械運動系統(tǒng)的方案設(shè)計,是指在設(shè)計任務(wù)明確之后,通過建立功能結(jié)構(gòu)、 確定工作原理、工藝動作過程的構(gòu)思與分解、機構(gòu)的選型與組合以及方案評價等 步驟,形成機械系統(tǒng)運動方案的過程。 機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計的基本程序是:首先,由設(shè)計任務(wù)出發(fā),將機械運動 系統(tǒng)的總功能進行分解,建立機械運動系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu);然后,根據(jù)相應(yīng)的功能 來選擇工作原理,不同的工作原理將形成不同的運動方案;其后,從工作原理出 發(fā),進行工藝動作過程的構(gòu)思與分解,并進行組合以形成原理解;通過機構(gòu)選型 與組合來選擇合適的機構(gòu)及機構(gòu)組合來實現(xiàn)所要求的工藝動作,至此形成各種 備選方案;最后,通過方案評價來選擇最佳方案。 機械運動系統(tǒng)方案設(shè)計的流程可用圖 !!"# 表示。 圖 !!"# 機械運動系統(tǒng)的方案設(shè)計流程 !!"# 機械運動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的建立 對于機械產(chǎn)品而言,其用途或所具有的特定工作能力,稱為機械產(chǎn)品的功 能。一臺機器所能完成的功能,則稱為機器的總功能。在實際工作中,要設(shè)計的 機械產(chǎn)品往往比較復(fù)雜,難以直接求得滿足總功能的功能原理方案,因此必須采 用系統(tǒng)分解的原理進行功能分解,將總功能分解為多個功能元,再分別對這些較 簡單的功能元求解,然后利用組合的方法,形成多個對總功能求解的功能原理 !!"# 機械運動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的建立 #$$ 方案。 而所謂的“功能結(jié)構(gòu)”,則是指通過功能分析,將機械系統(tǒng)的總功能分解成為 分功能和基本功能后,總功能、分功能和功能元之間的關(guān)系。 機械運動系統(tǒng)
功能結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的工藝動作及執(zhí)行機構(gòu)框圖如圖 !!"# 所 示。 圖 !!"# 機械運動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的建立 !!"#"! 建立機械運動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的步驟 (!)確定總功能 在此階段,設(shè)計者從設(shè)計任務(wù)出發(fā),通過對機械運動系統(tǒng)進行合理的抽象來 確定設(shè)計任務(wù)的核心,最終提煉出實現(xiàn)本質(zhì)功能的解。 ($)功能分解 功能分解是指將總功能分解為分功能,再將分功能繼續(xù)分解至不可再分的 基本功能。 (#)功能合成 功能合成是指將分功能與基本功能合成簡單、明確的功能結(jié)構(gòu)。 !!"#"# 舉例 以自動鉆床為例。圖 !!"%& 所示為半自動鉆床的簡圖,其功能—工藝動作 —執(zhí)行機構(gòu)框圖如圖 !!"%’ 所示。 #(( 第!!章 機械運動系統(tǒng)方案的設(shè)計 圖 !!"# 半自動鉆床示意圖和功能結(jié)構(gòu)圖 !!"# 確定機械運動系統(tǒng)的工作原理 確定工作原理,是指根據(jù)機械運動系統(tǒng)的功能來選擇工作原理的階段。 !!"# 確定機械運動系統(tǒng)的工作原理 %$! 同一種功能可以應(yīng)用不同的工作原理來實現(xiàn),相應(yīng)的工藝動作過程也不同, 運動方案圖也必然各不相同。工作原理的選擇與產(chǎn)品的批量、生產(chǎn)率、工藝要 求、產(chǎn)品質(zhì)量、市場定位等等有密切關(guān)系。在選定機器的工作原理時,不應(yīng)墨守 成規(guī),而是要進行創(chuàng)新構(gòu)思。構(gòu)思一個優(yōu)良的工作原理可使機器的結(jié)構(gòu)既簡單 又可靠,動作既巧妙又高效。 !!"#"! 確定工作原理的基本方法 !" 傳統(tǒng)的輔助手段 (!)文獻檢索 文獻來源包括專業(yè)書刊、專利以及產(chǎn)品說明等。 (")利用“仿生學(xué)”或“生物力學(xué)”原理,從自然系統(tǒng)中引出具有多種用途而 技術(shù)上新穎的解。 (#)類比考察 將系統(tǒng)與類比物進行比較以啟發(fā)求解,并且提供了在早期開發(fā)階段就通過 仿真和模型技術(shù)來研究系統(tǒng)性態(tài)的可能性。 ($)實驗研究 包括產(chǎn)品檢測、模型實驗、樣機實驗等。 #" 直覺方法 利用設(shè)計者的個人直覺,以及聯(lián)想法等群動效應(yīng),往往可獲得困難問題的 解。 $" 邏輯方法 運用邏輯思維的方法,可制定清晰的工作步驟。在邏輯方法中,應(yīng)用最為成 功的是設(shè)計目錄法。該方法的基本原理,是將為實現(xiàn)某一功能元的所有可能的 解用矩陣表形式列出,形成物料運送解法目錄。例如,表 !!%! 為物料運送的解 法目錄。 表 !!"! 為物料運送的解法目錄 功 能 元 解 機械力 氣液力 電磁力 推力 重力 摩擦力 負(fù)壓吸力 流體摩擦 磁吸力 簡 圖 特 點 用途廣 簡單 可靠性較差 耗能較大 多條件限制 較小物體 #&" 第!!章 機械運動系統(tǒng)方案的設(shè)計 !!"#"$ 工作原理求解實例 對于機械運動系統(tǒng)而言,在原理求解階段所確定的工藝過程對機械的生產(chǎn) 率、結(jié)構(gòu)、運動和使用性能具有決定性的影響。以螺紋加工為例,傳統(tǒng)方法是在 車床上幾次進給切削而成。圖 !!"#$ 所示的螺紋車床通過幾次進給切削來切制 螺紋,與普通車床相似,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,工效也較低。圖 !!"#% 所示是按照復(fù) 合運動原理設(shè)計的搓絲機,利用動搓絲板和送料板的往復(fù)運動來切制螺紋,其結(jié) 構(gòu)大大簡化,而生產(chǎn)率、工件質(zhì)量和材料利用率都有所提高。圖 !!"#& 所示的對 輥式搓絲機,把往復(fù)運動改成單向旋轉(zhuǎn)運動,不但省掉了往復(fù)式搓絲機的空行程 而使生產(chǎn)率提高,而且縮小了機器的體積。圖 !!"#’ 所示是根據(jù)行星機構(gòu)
原理 制造的行星搓絲機,工藝動作進一步簡化,而生產(chǎn)率成倍提高。 圖 !!"# 螺紋加工的幾種工作原理 !!"# 機械運動系統(tǒng)工藝動作過程的構(gòu)思與分解 !!"%"! 機械運動系統(tǒng)的工藝動作過程 機器的功能是通過它的工藝動作過程來完成的。例如,圖 !!"( 所示的工業(yè) 縫紉機是通過!刺布!"供線!#勾線!$送布的工藝動作過程來實現(xiàn)縫紉功 能。又如圖 !!") 所示的平板印刷機的功能則是通過如下的工藝動作過程來實 現(xiàn)印刷功能的:!取出已印刷好的紙張!"墨輥向印版上滾刷油墨!#墨盤間 歇轉(zhuǎn)動一個位置,使油墨勻布于墨盤,以便墨輥滾過墨盤時得以均勻上墨!$將 !!"% 機械運動系統(tǒng)工藝動作過程的構(gòu)思與分解 *+* 油墨容器內(nèi)的油墨源源不斷供應(yīng)給油盤!!空白紙張合在印版上完成印刷。 圖 !!"# 工業(yè)縫紉機的工藝動作過程 圖 !!"$ 平板印刷機的工藝動作過程 工藝動作取決于所實現(xiàn)的功能的工作原理,不同的工作原理就會有不同的 工藝動作過程,例如滾齒原理和插齒原理二者的工藝動作過程是不同的。但是 同樣的工作原理卻可以用不同的工藝動作過程來實現(xiàn)。 工藝動作過程是實現(xiàn)機器功能所需的一系列動作形式、按一定順序組合而 成的系列動作。一般來說,機器的工藝動作過程是比較復(fù)雜的,往往難以用某一 簡單的機構(gòu)來實現(xiàn)。因此,從設(shè)計機械運動方案需要出發(fā),把工藝動作過程分解 成以一定時間序列表達的若干個工藝動作,這些工藝動作則稱之為機械的執(zhí)行 動作,簡稱為執(zhí)行動作。相應(yīng)地,我們把機械中完成執(zhí)行動作的構(gòu)件,稱為執(zhí)行 構(gòu)件。而把實現(xiàn)各執(zhí)行構(gòu)件所需執(zhí)行運動的機構(gòu),稱為執(zhí)行機構(gòu)。 在機械系統(tǒng)運動方案的確定過程中,確定執(zhí)行動作、選擇執(zhí)行機構(gòu)是機械系 統(tǒng)運動方案設(shè)計中富有創(chuàng)造性的設(shè)計內(nèi)容。而執(zhí)行動作的多少、執(zhí)行動作的形 式以及它們間的協(xié)調(diào)配合等都與機械的工作原理、工藝動作過程及其分解等有 著密切關(guān)系。 工藝動作過程的構(gòu)思與分解,是指從機械運動系統(tǒng)的功能出發(fā),根據(jù)工作原 理構(gòu)思工藝動作過程,并將工藝動作按執(zhí)行機構(gòu)可以實現(xiàn)的動作分解成若干執(zhí) 行動作,構(gòu)成執(zhí)行動作的時間序列。 ’&% 第!!章 機械運動系統(tǒng)方案的設(shè)計 !!"#"$ 工藝動作過程構(gòu)思與分解的基本原則 工藝動作過程構(gòu)思是由機械系統(tǒng)的功能出發(fā),根據(jù)工作原理提出可能的動 作過程。而工藝動作過程分解的目的則是確定執(zhí)行動作的數(shù)目以及它們之間的 時間序列。工藝動作過程構(gòu)思與分解的總要求是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、機器結(jié) 構(gòu)力求簡單、操作和維修方便、制造成本低和維護費用小等。為達到上述要求, 一般應(yīng)遵循以下幾個基本原則: !" 工藝動作集中與分散原則 所謂工藝動作集中原則,是指工件在一個工位上一次定位裝夾,采用多刀、 多面、多個執(zhí)行構(gòu)件運動同時完成幾個執(zhí)行動作,以達到工件的工藝要求。工藝 動作集中原則使加工質(zhì)量容易保證,機器的生產(chǎn)率也較高。例如自動切書機就 是采用了多刀、多面、多個執(zhí)行構(gòu)件同時完成加工工藝動作過程,這樣即保證了 切紙質(zhì)量,又提高了生產(chǎn)率。 圖 !!"# 盒式冰淇淋包裝的工藝動作分解 所謂工藝動作分散原則,是指將工件的加工工藝過程分解為若干工藝動作, 并分別在各個工位上用不同的執(zhí)行機構(gòu)進行加工,以達到工件的工藝要求。由 于工藝動作分散,執(zhí)行機構(gòu)完成每一工藝動作的動作較為簡單,這樣可以使機器 生產(chǎn)率有較大的提高。例如盒式冰淇淋包裝機的工藝過程的分解可如圖 !!"# 所示:!從紙庫中取出紙盒!"打開紙盒!#撐開下塞耳!$關(guān)閉下前蓋!% 關(guān)閉下后蓋!&下塞耳插入耳孔!’撐開上前蓋、上后蓋和上塞耳!(灌裝冰 淇淋!)關(guān)閉上前蓋!*+,關(guān)閉上后蓋!*+-上塞耳插入耳孔!*+.送往冰庫冷藏。 因為工序數(shù)較多,所以其執(zhí)行機構(gòu)采取分散布置,這樣每個執(zhí)行機構(gòu)只要完成簡 單的動作,可以減少相互之間的干擾。又如微型電動機的自動嵌絕緣紙工藝過 !!"# 機械運動系統(tǒng)工藝動作過程的構(gòu)思與分解 &%$ 程可分解為圖 !!"# 所示的過程:!送紙!"切紙!#插紙!$推紙!%分度等 工藝動作,然后每一道工藝動作分別配置能完成簡單工藝動作的執(zhí)行機構(gòu)。這 樣不論從設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試及維修都十分簡便,而且有利于某些機器生產(chǎn)率 的提高。 圖 !!"# 自動切紙機的工藝動作分解 工藝動作集中原則和分散原則從表面上看是有矛盾的,其實是依據(jù)實際情 況,工藝動作能集中就盡量集中,工藝動作集中有困難就采取分散。集中是為了 提高機器生產(chǎn)率,分散也是為了提高機器生產(chǎn)率。兩個原則為了同一目的,只是 在不同場合采用不同方法。