機械原理課程設計指導書

三、機械創新設計

1. 機構選型

選型分為選出與選定。

1）選擇執行機構的型別

a. 首先應滿足執行構件運動形式要求，另外還應保證機械的結構簡單、緊湊，便於製造與安裝；

b. 具有足夠的強度和工作壽命，工作安全可靠；

c. 各執行機構之間的動作與運動便於協調配合等。

首先根據已知的設計要求，按執行構件的運動形式及運動功能要求，先在基本機構中進行模擬選擇，當基本機構不能滿足運動或動力要求時，才考慮對基本機構進行組合、變異等方法形成新的機構，或選用組合機構。有時很難找到滿足工作要求的現有機構，這時要求改變機械的工作原理和工藝動作，或創造新型機構。

2. 機構選型時應注意原則

1）按已擬定的工作原理進行機構選型時，應盡量滿足或接近運動形式要求；

2）機構選型時應力求結構簡單、尺寸適度、在整體布置上佔的空間小，達到布局緊湊；

3）機構選型時要注意選擇那些加工製造簡單、容易保證較高的配合精度的機構；

4）機構選型時要保證在高速運轉時有良好的動力特性；

5）機構選型時應考慮機械效率等問題；

6）機構選型時還要考慮動力源的形式。

3. 機構組合

機構組合是指機構選型的基礎上，根據使用要求或工藝動作要求，將幾個基本機構按一定的原則或規律組合成乙個複雜的、新的機構系統。

在以下幾個方面常常需機構組合：

1）機構的工藝動作較複雜

若採用簡單的、單一的基本機構無法實現複雜的工藝動作，這種情況下減小機構組合常採用並聯式、複合式或疊加式的組合方式，組合時應注意各個子工藝動作協調配合問題。

2）所選擇的機構其運動和動力特性不好，但又無更好的機構可選

這種情況下常用串聯組合方式來改善機構的效能，如增程、增力，實現各種特殊運動要求等。

3）由於不具備某種動力源，或受其它條件的限制，只有進行機構組合才能實現所要求的工藝動作。

機構的組合方式可劃分為以下四種：串聯式機構組合，並聯式機構組合，複合式機構組合，疊加式機構組合。

★ 串聯式機構組合

串聯式機構組合是指若干個單自由度的基本機構順序連線，每個前置機構的輸出構件作為後一機構的輸入件。

★ 並聯式組合機構

並聯式機構組合是指又兩個或多個基本機構並列布置的組合形式。

◆ 一種是併聯時幾個機構型別相同、尺寸相同、且對稱布置。

◆ 另一種是併聯的幾個機構型別、尺寸不一定相同，也不是對稱布置，但須滿足一定時序要求，軌跡配合要求，運動形式配合要求，位置要求等。

★ 複合式機構組合

乙個兩（多）自由度作為基礎機構a，乙個（幾個）單自由度基本機構b（這裡指附加機構）的輸出構件接入基礎機構所構成的併聯組合形式稱為複合式機構組合。

◆ 如差動齒輪機構，五連桿機構，或引入空間運動副的可見運動機構；

◆ 如單自由度的連桿機構，凸輪機構，齒輪機構等。

★ 疊加式機構組合

將乙個機構安裝在另乙個機構的某個運動構件上的組合形式稱為疊加式機構組合，其輸出運動是若干個機構輸出運動的合成。

◆ 各機構的運動關係是相互獨立的，如各種機械手；

◆ 另一種則是各機構之間的運動有一定的影響，相互關聯，如搖頭電扇的傳動機構。

疊加式機構組合的主要功能是實現特定的輸出，完成複雜的工藝動作。在此基礎上可以繼續疊加等一系列機構。

四、機械傳動系統方案設計

1. 設計任務

物件：設計乙個以加工平面為主的金屬切削工具機的機械傳動系統。該工具機的使用場合及應滿足的精度如下：

★ 該機器主要用於單件小批量生產場合，希望造價較低，工作可靠，使用和維修較簡單；

★ 機器具有一般的工作精度：

加工表面的平面度：8~9級精度

加工表面的垂直度：8~9級精度

2. 機器工作原理的確定

1）選定機器工作原理的一般原則

不僅是一般性地滿足工作要求，必須從技術經濟指標出發，作細緻的、科學的綜合分析與對比。

2）機器工作原理的選定

① 加工工藝的選擇

用於金屬材料表面加工的工藝方法很多：鑄造、金屬切削加工、壓力加工、電蝕加工、光切割等。

② 機器傳動型別的選擇

★ 按動作原理劃分的傳動型別

機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動、液力—機械傳動、電力—機械傳動，以及其它復合傳動等類中選擇合用的傳動型別。

★ 按組成方式劃分的傳動型別的選擇

在同種傳動型別中，因機器執行構件運動形式的不同，傳動系統還可以分為不同的組成方式。不同的傳動系統組成方式，可看成是機器工作原理在較小範圍之內的差異。

3. 機器傳動系統方案的擬定與主運動機構的選型

1）機器傳動系統方案的擬定

◆ 起始端採用電動機驅動；

◆ 末端有刨刀和夾持工件的工作台兩個執行部件；

◆ 刨刀作連續往復運動，乙個來回分為工作形成與空回行程兩個階段；

◆ 工件的移動應在刨刀空回行程的期限內完成，故工件的進給是作間歇運動；

◆ 刨刀與工作台的運動在時間上有協調配合要求，且用一台電動機驅動。

◆ 在ⅲ後部串聯乙個能將轉動(或間歇轉動)變為移動(或間歇移動)的基本機構ⅲ″；

◆ 在ⅲ前部串聯能減少間歇運動衝擊又容易獲得任意運動規律的高副機構ⅲ′；

◆ ω′= ω″。

2）主運動機構的選型及分析

① 選型原則概述

★ 機構功能的優劣(機構行程能否達到要求?空間尺寸是否合適?能否滿足運動規律要求?傳力特性如何?動力效能——慣性力平衡、衝擊振動、雜訊)，運動精度能否民族要求？

★ 機構結構的合理性；

★ 機構的經濟性；

★ 機構的實用性。

② 按上述原則對刨床主運動機構ⅱ作如下評選

★ 第一次篩選——選出能夠實現往復運動的運動機構

★ 第二次篩選——選出具有急回運動特性往復運動的運動機構

★ 第三次篩選——選出選出運動特性與傳力特性等綜合性能優良的機構

五、例題

1. 設計題目沖床沖壓機構、送料機構及傳動系統的設計

設計一衝制薄壁零件的沖壓機構、送料機構及其傳動系統。該沖床的工藝動作如圖所示，上模先以比較大的速度接近坯料，然後以勻速進行拉延成型工作，此後上模繼續下行將成品推出型腔，最後快速返回。上模退出後，送料機構從側面將坯料送至待加工位置，完成工作迴圈。

試設計能使上模按上述運動要求加工零件的沖壓機構和從側面將坯料推送至下模上方的送料機構，以及沖床的傳動系統。

2. 原始資料與設計要求

1）動力源是電動機，下模固定，上模作上下往復直線運動，其大致運動規律如圖所示，具有快速下沉、等速工作進給和快速返回的特性。

2.）機構應具有較好的傳力效能，特別是工作段的壓力角a應盡可能小；傳動角g大於或等於傳動角[g]=40。

3.）上模到達工作段之前，送料機構已將坯料送至待加工位置(下模上方)。

4）生產率約為每分鐘70件。

5）上模工作段長度=30~100，對應曲柄轉角0=(1/3-1/2)π；上模總行程長度必須大於工作段長度的兩倍以上。

6）上模在乙個運動迴圈內的受力如圖所示，在工作段所受的阻力f0=5000n，在其它階段所受的阻力f1=50n。

7）行程速比係數k≥1.5。

8）送料距離h=60~250mm。

9）機器運轉不均勻係數d不超過0.05。

3. 傳動方案設計

沖床傳動系統如圖所示。電動機轉速經帶傳動、齒輪傳動降低後驅動機器主軸運轉。原動機為三相交流非同步電動機，其同步轉速選為1500r/min，可選用如下型號：

電機型號額定功率(kw) 額定轉速(r/min)

y100l2-4 3.01420

y112m-4 4.01440

y132s-4 5.01440

1）沖床機構方案之一——齒輪—連桿沖壓機構和凸輪機構—連桿送料機構

如圖所示，沖壓機構採用了有兩個自由度的雙曲柄七桿機構，用齒輪副將其封閉為乙個自由度（齒輪1與曲柄ab固聯，齒輪2與曲柄固聯）。恰當地選擇點c的軌跡和確定構件尺寸，可保證機構具有急回運動和工作段近於勻速的特性，並使壓力角α盡可能小。

送料機構是由凸輪機構和連桿機構串聯組成的，按機構運動迴圈可確定凸輪推程運動角和從動件的運動規律，使其能在預定時間將坯料推至帶加工位置。

2）沖床機構方案之二——導桿—搖桿滑塊沖壓機構和凸輪送料機構

沖壓機構是在導桿機構機構的基礎上，串聯乙個搖桿滑塊機構組合而成的。導桿機構按給定的行程速比係數設計，它和搖桿滑塊機構組合可達到工作段近於勻速的要求。送料機構的凸輪軸通過齒輪機構與曲柄軸相連。

按機構運動迴圈圖可確定凸輪推程運動角和從動件的運動規律，則機構可在預定時間將坯料送至待加工位置。

3）沖床機構方案之三——六連桿沖壓機構和凸輪送料機構

沖壓機構是由鉸鏈四桿機構和搖桿串聯而成的。四桿機構可按行程速比係數用**法設計，然後選擇連桿長及導路位置，按工作段近於勻速的要求確定鉸鏈點e的位置。若尺寸選適當，可使執行構件在工作段中運動時機構的傳動角滿足要求。

凸輪——連桿送料機構的凸輪軸通過齒輪機構與曲柄軸相連，若按機構運動迴圈圖確定凸輪轉角及其從動件的運動規律，則機構可在預定時間將坯料送至待加工位

置。4）沖床機構方案之四——連桿沖壓機構和齒輪—連桿送料機構

依據滑塊的運動要求，確定固定凸輪的輪廓曲線。

送料機構是由曲柄搖桿、扇形齒輪與齒條機構串聯而成，若按機構運動迴圈圖確定曲柄搖桿機構的，則機構可在預定時間將坯料送至待加工位置。

六、說明書書寫內容

1. 目錄

2. 設計題目級及工藝過程描述

3. 設計條件（引數）

4. 設計任務及要求

5. 系統方案設計

5.1 方案功能模組設計（包括：電機、減速系統、執行系統）

5.2 方案選型（包括：繪製系統示意圖——指出各單元機構、工作原理描述、特點描述、優

缺點分析）

5.3 方案確定

6. 運動迴圈圖繪製

7. 減速系統傳動比、齒輪模數、齒數的確定；一對齒輪的有關尺寸設計、計算，重合度計算

8. 執行機構的尺寸設計、有關引數的校核與分析

9. 凸輪機構的設計及有關動力特性的分析與確定

10.所選用的其它常用機構的設計

11.設計總結

11.1 目的

11.2 機械設計步驟描述

11.3 設計中需要注意的問題

11.4 機械設計的基本準則

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