《機械原理》課件第10章

第10章機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計10.1機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計10.2機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計和運動規(guī)律設(shè)計10.3執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計10.4執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計思考題及習(xí)題10.1機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計機械系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的分析、規(guī)劃、推理與決策的過程，蘊含了人類對機械系統(tǒng)的發(fā)明和創(chuàng)新。機械系統(tǒng)設(shè)計的目的是：根據(jù)既定目標，獲取機械系統(tǒng)的設(shè)計信息(包括文字說明、設(shè)計方案、技術(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙和工藝方案)，經(jīng)過評估、改進和制造，最終形成滿足設(shè)計要求的機械產(chǎn)品。機械系統(tǒng)設(shè)計一般要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計、總體方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計等幾個階段。表10-1詳細介紹了這四個設(shè)計階段的設(shè)計內(nèi)容和階段成果。10.1.1機械產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計思想科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展引起了學(xué)科的交叉和綜合，使得機械產(chǎn)品設(shè)計已不再屬于工程技術(shù)范疇，而是自然科學(xué)、人文科學(xué)和社會科學(xué)相互交叉，科學(xué)理論與工程技術(shù)高度融合所形成的一門現(xiàn)代設(shè)計科學(xué)。系統(tǒng)論、控制論、信息論、智能理論等現(xiàn)代理論已經(jīng)進入機械設(shè)計領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、價值工程、反求工程等促進機械設(shè)計的深入，使機械設(shè)計擺脫了以經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)模式，進入了現(xiàn)代設(shè)計階段?，F(xiàn)代機械設(shè)計思想主要有以下幾方面。

1．設(shè)計的理論性傳統(tǒng)的機械設(shè)計偏重經(jīng)驗，設(shè)計過程中大量采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式。傳統(tǒng)的設(shè)計主要是改型設(shè)計，設(shè)計方法主要是仿照和類比，因而忽視了創(chuàng)新設(shè)計的重要性，甚至忽略了方案設(shè)計階段。機械設(shè)計雖屬工程設(shè)計，具有很強的工程性，但也具有很強的理論性。近年來，與機械設(shè)計有關(guān)的理論有了長足的發(fā)展，機械學(xué)科與其它學(xué)科交叉形成了新的現(xiàn)代設(shè)計理論，例如，方案設(shè)計中采用形態(tài)學(xué)矩陣，大大擴大了方案的數(shù)量；與運籌學(xué)中優(yōu)化理論相結(jié)合形成了機械優(yōu)化設(shè)計理論與方法；與人工智能理論相結(jié)合形成了機械設(shè)計專家系統(tǒng)。大量的設(shè)計理論和實驗數(shù)據(jù)構(gòu)成了龐大的知識庫，在推理機中不僅應(yīng)用精確的方法，還應(yīng)用模糊論，使得結(jié)論更可靠、更科學(xué)。由此可見，各種現(xiàn)代設(shè)計方法和設(shè)計系統(tǒng)都是以現(xiàn)代科學(xué)理論為基礎(chǔ)的，強調(diào)設(shè)計的理論性是現(xiàn)代機械設(shè)計的重要思想。

2．設(shè)計的創(chuàng)造性人類文明的源泉是創(chuàng)造，而設(shè)計的本質(zhì)就是創(chuàng)造性的思維活動。尤其在方案設(shè)計階段，更應(yīng)敢于創(chuàng)新，充分發(fā)揮創(chuàng)造力。由于傳統(tǒng)設(shè)計中仿形設(shè)計、改形設(shè)計多，只需借鑒現(xiàn)成資料改變現(xiàn)有產(chǎn)品中的某些結(jié)構(gòu)或尺寸，或只需消化引進產(chǎn)品，仿照生產(chǎn)，因此往往從一開始就進入了常規(guī)設(shè)計，躍過了創(chuàng)新構(gòu)思的方案設(shè)計階段。這就像生物遺傳中只有繼承，沒有變異。生物遺傳沒有突變，生物就不可能進化。設(shè)計中只有仿照，沒有創(chuàng)新就出不了新型產(chǎn)品。滿足設(shè)計任務(wù)書中的基本要求，不應(yīng)是設(shè)計的最終目標，為使產(chǎn)品更具競爭力，現(xiàn)代設(shè)計提倡使用創(chuàng)造性思維方式進行創(chuàng)新設(shè)計。在擬定方案的過程中沖破定型的思維方式，不斷提出：是否可找到新的更好的設(shè)計方案？是否可使用其它的設(shè)計方法？是否可增加新的功能？是否可進一步改善性能、延長使用壽命？是否可進一步減輕重量、降低成本？當(dāng)這些問題一個個解決時，設(shè)計便取得成功，便可得到一個功能更全、質(zhì)量更高、成本更低的新的設(shè)計方案。

3．設(shè)計的系統(tǒng)性機械產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計強調(diào)用系統(tǒng)工程的方法處理機械系統(tǒng)設(shè)計問題。設(shè)計時,應(yīng)分析各部分的有機關(guān)系，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，同時應(yīng)考慮技術(shù)系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，即人－機－環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。設(shè)計時，必須從系統(tǒng)角度來全面考慮各方面的問題，既要考慮產(chǎn)品本身，還要考慮對系統(tǒng)和環(huán)境的影響；不僅要考慮技術(shù)領(lǐng)域，還要考慮經(jīng)濟、社會效益；不但要考慮當(dāng)前問題，還需考慮長遠發(fā)展。例如，汽車設(shè)計，不僅要考慮汽車本身的有關(guān)技術(shù)問題，還要考慮使用者的安全、舒適、操作方便等；另外，還需考慮汽車的燃料供應(yīng)、車輛存放、環(huán)境污染、道路發(fā)展以及國家能源政策、資源條件、道路建設(shè)、城市規(guī)劃等政策及社會條件限制等問題。

4．設(shè)計的最優(yōu)化因為機構(gòu)、原動機的類型很多，組合的方式也很多，所以能滿足設(shè)計基本要求的可行性設(shè)計方案相當(dāng)多。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是按類比方式，憑現(xiàn)成的資料、手冊、數(shù)據(jù)和經(jīng)驗確定一個方案，經(jīng)校核后能滿足要求，即認為可行，予以確認?，F(xiàn)代設(shè)計則認為設(shè)計的方案不僅要可行，還必須最優(yōu)。設(shè)計過程中要避免主觀的直接決策，強調(diào)客觀的優(yōu)化決策。設(shè)計者在方案擬定階段，必須從方案群中探索出一組既滿足設(shè)計要求又各有特色的待選方案，然后以科學(xué)的標準來評價各方案，評價值最高者為最佳方案。隨著信息高速公路的開通，信息傳輸技術(shù)已達到了一個新階段，設(shè)計圖紙的異地甚至跨國傳輸、設(shè)計方案的實時異地討論、異地現(xiàn)場修改都已成為現(xiàn)實。每個跨世紀的機械設(shè)計人員，必須充分注重現(xiàn)代機械設(shè)計的思想，沖破傳統(tǒng)設(shè)計的框框，掌握現(xiàn)代設(shè)計的新理論、新技術(shù)、新方法，建立起現(xiàn)代設(shè)計的觀念。10.1.2總體方案設(shè)計的內(nèi)容總體方案設(shè)計的主要內(nèi)容有如下幾個方面：（1）執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計。它主要包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計、運動規(guī)律設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的形式設(shè)計、執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計和執(zhí)行系統(tǒng)的方案評價與決策。（2）原動機類型的選擇和傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。傳動系統(tǒng)方案設(shè)計主要包括傳動類型和傳動路線的選擇，傳動鏈中機構(gòu)的順序安排和傳動比的分配。（3）控制系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng)的設(shè)計。它主要是指潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)等的設(shè)計。10.1.3總體方案設(shè)計的評價與決策總體方案設(shè)計的評價就是從多種方案中尋求一種既能實現(xiàn)預(yù)期功能要求，又具備性能優(yōu)良、價格低廉的設(shè)計方案，這也是機械系統(tǒng)方案設(shè)計的最終目標。機械系統(tǒng)的方案設(shè)計是一個多解性問題。面對多種設(shè)計方案，設(shè)計者必須分析比較各方案的性能優(yōu)劣、價值高低，經(jīng)過科學(xué)評價和決策才能獲得最滿意的方案。機械系統(tǒng)方案設(shè)計的過程，就是一個先通過分析、綜合，使待選方案數(shù)目由少變多，再通過評價、決策使待選方案數(shù)目由多變少，最后獲得滿意方案的過程。通過創(chuàng)造性構(gòu)思產(chǎn)生多個待選方案，再以科學(xué)的評價和決策優(yōu)選出最佳的設(shè)計方案，而不是主觀地確定一個設(shè)計方案，通過校核來確定其可行性，這是現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的重要區(qū)別之一。如何通過科學(xué)評價和決策來確定最滿意的方案，是機械系統(tǒng)方案設(shè)計階段的一個重要任務(wù)。

1.評價指標體系評價一個設(shè)計方案的優(yōu)劣，需要有一定的依據(jù)，這些依據(jù)稱為評價準則。它包含兩方面的內(nèi)容：一是設(shè)計目標，二是設(shè)計指標。設(shè)計目標是指從哪些方面、以什么原則來評價方案，達到什么標準為優(yōu)。這是一項定性的評價，如結(jié)構(gòu)越簡單越好、尺寸越小越好、效率越高越好、加工制造越方便越好、操作越容易越好、成本越低越好等。設(shè)計指標是指具體的約束限制，如機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)等。由于在執(zhí)行機構(gòu)的形式設(shè)計完成后，已初步進行了各執(zhí)行機構(gòu)的運動設(shè)計和動力設(shè)計，因此這一項通常是可以進行定量評價的。對于不符合設(shè)計指標的方案，需通過重新設(shè)計來達到設(shè)計指標。若重新設(shè)計后仍達不到設(shè)計指標的，則必須放棄。評價就是在由約束條件限定的可行域范圍內(nèi)，按設(shè)計目標尋找優(yōu)選方案。機械系統(tǒng)設(shè)計方案的優(yōu)劣，通常應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟和安全可靠三方面予以評價。但是，由于在方案設(shè)計階段還不可能具體地涉及到機械的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計等細節(jié)，因此評價指標應(yīng)主要考慮技術(shù)方面的因素，即功能和工作性能方面的指標應(yīng)占有較大的比例。表10-2列出了機械系統(tǒng)設(shè)計方案的評價指標。需要指出的是，表10-2中所列的各項評價指標體系，是根據(jù)機械系統(tǒng)設(shè)計的主要性能要求和機械設(shè)計專家的咨詢意見設(shè)定的。對于具體的機械系統(tǒng)，這些評價指標和具體內(nèi)容還需要依實際情況加以增減和完善，以形成一個比較合適的評價體系。

2.評價方法系統(tǒng)運動方案的常用評價方法有：價值工程評價法、系統(tǒng)工程評價法和模糊評價法。

1)價值工程評價法價值工程是以提高產(chǎn)品實用價值為目的，以功能分析為核心，以最低成本去實現(xiàn)機械產(chǎn)品的必要功能的方法。價值工程的評價指標是價值，其定義為(10-1)式中：V為價值；

F為功能；C為壽命周期成本。機械運動方案的評價可以按它的各項功能求出的綜合評價值為評價對象，以金額為評價尺度，找出某一功能的最低成本。這種方法要求有充分的實際數(shù)據(jù)作為依據(jù)，其可靠性強，可比性好。而目標成本實際上是不斷變化的，需要不斷收集資料進行分析，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整收集到的成本值。有了運動方案功能成本和功能評價值就可以對幾個運動方案進行評價。但是，由于方案設(shè)計階段不確定的因素較多，因此困難較大。所以對某一種機械產(chǎn)品一定要在大量資料積累之后才能夠有效地進行評價。此外，該方法由于強調(diào)機械的功能和成本，因此可以對不同工作原理的方案進行評價，以便從多種方案中選出最佳方案。

2）系統(tǒng)工程評價法系統(tǒng)工程評價法是將整個機械運動方案作為一個系統(tǒng)，從整體上評價方案適合總功能要求的情況，以便從多種方案中客觀、合理地選擇最佳方案。系統(tǒng)工程評價就是根據(jù)預(yù)定的系統(tǒng)目標，在系統(tǒng)調(diào)查和可行性研究的基礎(chǔ)上，主要從技術(shù)和經(jīng)濟等方面，就各種系統(tǒng)設(shè)計的方案所能滿足需要的程度,以及消耗和占用的各種資源等進行評審和選擇，并選擇出技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理、實施上可行的最優(yōu)或滿意的方案。系統(tǒng)的評價因素主要有：性能、成本、可靠性、實用性、兼容性、適應(yīng)性、能量消耗等。解決評價問題時要確定一些主要指標，同時對每一指標給出評價系數(shù)而加以權(quán)衡，通過權(quán)衡求出系統(tǒng)的綜合評定價值，對各種不同方案進行比較，確定出最優(yōu)方案。但是，系統(tǒng)分析與評價人員應(yīng)盡量避免自己成為決策者，也不應(yīng)代替決策者進行決策。

3)模糊評價法模糊評價法的評分標準是將定性評價中使用的模糊概念，如“不好”、“不太好”、“較好”、“好”、“很好”等用［0，1］區(qū)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)值來表達評價值，使得評價值更趨精確、合理，評價結(jié)果更為準確。此方法的使用日趨普遍。評價結(jié)果為設(shè)計者的決策提供了依據(jù)，但究競選擇哪種方案，還取決于設(shè)計者的決策思想。在通常情況下，評價值最高的方案為整體最優(yōu)方案，但最終是否選擇這一方案，還需依設(shè)計問題的具體情況由設(shè)計者作出決策。例如，在實際工作中，有時為了滿足某些特殊要求，并不一定選擇總價值最高的方案，而是選擇總價值稍低但某些評價項目評價值較高的方案。10.2機械執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計和運動規(guī)律設(shè)計機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計包括功能原理設(shè)計、運動規(guī)律設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的形式設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的尺度設(shè)計和方案的評價與決策等內(nèi)容。10.2.1執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計任何一部機械的設(shè)計都是為了實現(xiàn)某種預(yù)期的功能要求，包括工藝要求和使用要求。所謂功能原理設(shè)計，就是根據(jù)機械預(yù)期實現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來實現(xiàn)這一功能要求。它是機械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計的第一步，也是十分重要的一步。

1.功能原理的構(gòu)思與選擇實現(xiàn)同一功能要求，可以有許多不同的工作原理。選擇的工作原理不同，執(zhí)行系統(tǒng)的方案也必然不同。功能原理設(shè)計的任務(wù)就是根據(jù)機械預(yù)期實現(xiàn)的功能要求，構(gòu)思出所有可能的功能原理加以分析比較，從中選出既能很好地滿足功能要求，工藝動作又簡單的工作原理。例如，要求設(shè)計一個齒輪加工設(shè)備，其預(yù)期實現(xiàn)的功能是在輪坯上加工出輪齒，為了實現(xiàn)這一功能要求，既可以選擇仿形原理，也可以選擇范成原理。若選擇仿形原理，則工藝動作除了切削運動、進給運動外，還需要準確的分度運動；若采用范成原理，則工藝動作除了切削運動和進給運動外，還需要刀具與輪坯之間的范成運動等。又如，為了加工螺栓上的螺紋，可以采用車削加工原理、套絲工作原理和滾壓工作原理。這幾種不同的螺紋加工原理適用于不同的場合，可滿足不同的加工需要和加工精度要求，其執(zhí)行系統(tǒng)的運動方案也不相同。

2.功能分析法功能分析法是將系統(tǒng)的總功能分解成若干簡單的功能元，通過對功能元的求解，然后進行組合，可以得到機械產(chǎn)品方案的多種解。功能的分解和原理方案的組合過程也是一個創(chuàng)新的過程。原理方案的組合可采用形態(tài)綜合法，即以系統(tǒng)的功能元為縱坐標，各功能元的解為橫坐標，構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣，如表10-3所示。從每項功能元中取出一種解進行組合，即可得到系統(tǒng)的解，最多可以組合的原理方案個數(shù)為(10-2)式中：m為功能元數(shù)；ni為第i種功能元解的個數(shù)。根據(jù)機構(gòu)形態(tài)學(xué)矩陣，先組成能完成系統(tǒng)總功能的不同機構(gòu)系統(tǒng)運動方案，然后根據(jù)評價指標，優(yōu)選出符合要求的最佳方案。功能分析法的設(shè)計步驟如圖10-1所示。圖10-1功能分析法設(shè)計步驟10.2.2執(zhí)行系統(tǒng)的運動規(guī)律設(shè)計實現(xiàn)同一工作原理，可以采用不同的運動規(guī)律。選擇的運動規(guī)律不同，執(zhí)行系統(tǒng)的方案也不同。所謂運動規(guī)律設(shè)計，就是根據(jù)工作原理所提出的工藝要求，構(gòu)思出能夠?qū)崿F(xiàn)該工藝要求的各種運動規(guī)律，然后從中選取最為簡單適用的運動規(guī)律作為機械運動方案。實現(xiàn)機械產(chǎn)品的功能是靠工藝動作來完成的，即一系列工藝動作的目的是完成所需實現(xiàn)的功能。工藝動作的分解往往對應(yīng)于功能的分解。例如，縫紉機的縫紉功能可分解為刺布、挑線、鉤線和送布料四大功能，它們所對應(yīng)的動作為機針上下運動、挑線桿供線和收線、梭子鉤線和推送布料四大動作。又如，啤酒灌裝機的灌裝功能可分解為送瓶、灌裝、壓蓋、出瓶四大功能，可用對應(yīng)的四個動作來完成。同一功能可以由不同的工藝動作來實現(xiàn)，因而工藝動作的構(gòu)思也是相當(dāng)重要的。根據(jù)功能原理方案構(gòu)思可設(shè)計出實現(xiàn)這種原理的運動規(guī)律(即執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律)，并擬定這些運動規(guī)律的運動參數(shù)。運動規(guī)律與運動參數(shù)定得是否合適，很大程度上取決于設(shè)計人員的經(jīng)驗和學(xué)識，需對其進行進一步的評價與修改。10.3執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計是根據(jù)功能原理方案中提出的工藝動作過程及各工藝動作的運動規(guī)律要求，選擇相應(yīng)的若干執(zhí)行機構(gòu)的型式，按某種方式將其組合成一個機構(gòu)系統(tǒng)。實現(xiàn)同一種運動規(guī)律，可以采用不同型式的機構(gòu)，從而得到不同的方案。所謂執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計，就是根據(jù)各基本動作或動作的要求，構(gòu)思出所有能實現(xiàn)這些動作或功能的機構(gòu)，從中選出最佳方案。選擇執(zhí)行機構(gòu)并不僅僅是簡單的挑選，而是包含著創(chuàng)新。因為要得到一個好的運動方案，必須構(gòu)思出新穎、靈巧的機構(gòu)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的各執(zhí)行機構(gòu)不一定是現(xiàn)存的，為此，應(yīng)根據(jù)機構(gòu)組成與演變原理，創(chuàng)造出新的機構(gòu)；或者在充分掌握各執(zhí)行機構(gòu)的運動、動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，進行巧妙的組合，往往也能獲得新穎、靈巧而又簡單的機構(gòu)系統(tǒng)。機構(gòu)系統(tǒng)運動方案設(shè)計是一種機構(gòu)系統(tǒng)型綜合設(shè)計方法。而平面機構(gòu)的型綜合是研究一定數(shù)量的構(gòu)件和運動副可以組成多少種機構(gòu)型式的綜合過程。通過機構(gòu)的型綜合，可提供用相同數(shù)目的構(gòu)件和運動副組合而成的各種機構(gòu)型式，為設(shè)計新機械提供擇優(yōu)選擇的條件。根據(jù)型綜合得到的機構(gòu)系統(tǒng)運動方案畫出的表示機構(gòu)及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式、連接和組合方式的示意圖,稱為機構(gòu)系統(tǒng)簡圖，它是進行機構(gòu)系統(tǒng)運動簡圖設(shè)計的基礎(chǔ)。10.3.1執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計的原則執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時應(yīng)注意遵循以下基本原則：

(1)滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求。滿足執(zhí)行構(gòu)件的運動要求，包括運動型式、運動規(guī)律或運動軌跡方面的要求，是執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時首先要考慮的基本因素。

(2)盡量簡化和縮短運動鏈，選擇較簡單的機構(gòu)。實現(xiàn)同樣的運動要求，應(yīng)盡量采用構(gòu)件數(shù)目和運動副數(shù)目最少的機構(gòu)，因為運動鏈愈短，構(gòu)件和運動副數(shù)目就愈少，制造費用愈低，機械的重量愈輕；可以減少運動副摩擦帶來的功率損耗，提高機械效率；可以減少運動鏈的累積誤差，提高傳動精度和工作可靠性，也可以提高機械系統(tǒng)的剛性。因此，在進行執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時，有時寧可采用具有較小設(shè)計誤差但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機構(gòu)。

3)盡量減小機構(gòu)的尺寸。設(shè)計機械時，在滿足工作要求的前提下，總希望機械結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕。而機械的尺寸和重量，隨機構(gòu)型式設(shè)計的不同有較大的差別。例如，在相同的參數(shù)下，行星輪系的尺寸和重量較定軸輪系顯著減?。辉趶膭蛹苿有谐梯^大的情況下，采用圓柱凸輪要比盤形凸輪尺寸更為緊湊等。(4)具有良好的傳力性能和動力特性。在進行執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時，應(yīng)注意選用具有最大傳動角、最大增力系數(shù)和效率較高的機構(gòu)，這樣可以減小主動軸上的力矩和原動機的功率及機構(gòu)的尺寸和重量。機構(gòu)中若有虛約束，則要求提高加工和裝配精度，否則將會產(chǎn)生很大的附加內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)a(chǎn)生楔緊現(xiàn)象而使運動發(fā)生困難。因此，在進行執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時，應(yīng)盡量避免采用虛約束。若為了改善受力狀況、增加機構(gòu)剛度或減輕機構(gòu)重量而必須引入虛約束時，則必須注意結(jié)構(gòu)、尺寸等方面設(shè)計的合理性，必要時還需增加均載等輔助裝置。對于高速運轉(zhuǎn)的機構(gòu)，如果作往復(fù)運動或平面復(fù)雜運動的構(gòu)件慣性質(zhì)量較大，或轉(zhuǎn)動構(gòu)件上有較大的偏心質(zhì)量，則在機構(gòu)型式設(shè)計時，應(yīng)考慮進行平衡設(shè)計，以減小機械運轉(zhuǎn)中的動載荷，使構(gòu)件和機構(gòu)達到最佳平衡狀態(tài)；否則會引起很大振動，甚至破壞機械的正常工作條件。

(5)保證機械的安全運轉(zhuǎn)。在進行執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時，必須考慮機械的安全運轉(zhuǎn)問題，以防止發(fā)生機械損壞或出現(xiàn)生產(chǎn)和人身事故的可能性。例如，為了防止機械因過載而損壞，可采用具有過載保護性的帶傳動或摩擦傳動機構(gòu)；為了防止起重機械的起吊部分在重物作用下自行倒轉(zhuǎn)，可在運動鏈中設(shè)置具有自鎖功能的機構(gòu)，如蝸桿蝸輪機構(gòu)等。執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計的方法有兩大類：機構(gòu)的選型和構(gòu)型，下面分別加以介紹。10.3.2機構(gòu)的選型

所謂機構(gòu)的選型，是指利用發(fā)散思維的方法，將前人創(chuàng)造發(fā)明出的各種機構(gòu)按照運動形式或?qū)崿F(xiàn)的特定功能進行分類。然后根據(jù)設(shè)計要求盡可能地將所有可能的機構(gòu)形式搜索到，通過比較和評價，確定出合適的機構(gòu)形式。執(zhí)行構(gòu)件的運動形式及功用和實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件各種運動形式的常用機構(gòu)列于表10-4中，可供機構(gòu)選型時參考。10.3.3機構(gòu)的構(gòu)型當(dāng)應(yīng)用選型的方法初選出的機構(gòu)形式不能完全實現(xiàn)預(yù)期的要求，或雖能實現(xiàn)功能要求但存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動精度不當(dāng)和動力性能欠佳等缺點時，設(shè)計者可以采用創(chuàng)新構(gòu)型的方法重新構(gòu)筑機構(gòu)的形式，這是比機構(gòu)選型更具有創(chuàng)造性的工作。機構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的基本思路是：以初選的機構(gòu)方案為雛型，通過機構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的方法進行突破，獲得新的機構(gòu)。常用機構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型的方法有以下幾種。

1.機構(gòu)的變異

為了實現(xiàn)某一功能要求，或為了使機構(gòu)具有某些特殊的性能，改變現(xiàn)有機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，演變發(fā)展出新機構(gòu)的設(shè)計，稱為機構(gòu)變異構(gòu)型。機構(gòu)變異構(gòu)型的方法主要有以下幾種：

1）機構(gòu)的倒置將機構(gòu)的運動構(gòu)件與機架轉(zhuǎn)換稱為機構(gòu)的倒置。按照運動相對性原理，機構(gòu)倒置后各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系不變，但可以得到不同特性的機構(gòu)。在連桿機構(gòu)一章，曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)及帶移動副的連桿機構(gòu)之間都可以看做是在滿足曲柄存在條件時利用機構(gòu)倒置法得到的。又如將定軸圓柱內(nèi)嚙合齒輪機構(gòu)的內(nèi)齒輪作為機架，則得到圖10-2所示的行星齒輪機構(gòu)。圖10-2行星齒輪機構(gòu)

2）機構(gòu)的擴展以原有機構(gòu)作為基礎(chǔ)，增加新的構(gòu)件，構(gòu)成一個新機構(gòu)，稱為機構(gòu)的擴展。機構(gòu)擴展后，原有各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系不變，但所構(gòu)成新機構(gòu)的某些性能與原機構(gòu)有很大差別。如圖10-3所示的三自由度挖掘機就是在擺動液壓缸機構(gòu)1-2-3-12上順序增加桿組4-5-6、7-8-9和10-11，從而實現(xiàn)構(gòu)件11的挖掘工作的。

圖10-3三自由度挖掘機機構(gòu)

3）機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)的改變改變機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)，可以獲得有特殊運動特性的機構(gòu)。圖10-4為左邊極限位置附近有間歇的導(dǎo)桿機構(gòu)。此機構(gòu)之所以有間歇的運動性能，是因為將導(dǎo)桿槽的中線某一部分做成了圓弧形，且圓弧半徑等于曲柄的長度。圖10-5所示的機構(gòu)中，構(gòu)件2可視為槽輪展直而成。圖10-4實現(xiàn)間歇運動的導(dǎo)桿機構(gòu)圖10-5移動槽輪機構(gòu)

4）運動副的變換改變機構(gòu)中運動副的形式，可構(gòu)型出不同運動性能的機構(gòu)。運動副的變換方式有很多種，常用的有高副與低副之間的變換、運動副尺寸的變換和運動副類型的變換。高副與低副之間的變換方法，即為第2章介紹的高副低代方法。圖10-6(a)所示為手套自動加工機的傳動裝置。機構(gòu)由原動件1、桿組2-3、4-5和機架6組成，為Ⅱ級機構(gòu)。當(dāng)原動件曲柄1連續(xù)回轉(zhuǎn)時，可使輸出件5實現(xiàn)大行程的往復(fù)移動。圖10-6手套自動加工機的傳動裝置但由于構(gòu)件3和4組成的移動副在上方，不僅潤滑困難，且易污染產(chǎn)品，因此，為了改善這一條件，將有關(guān)運動副變換，所得機構(gòu)如圖10-6(b)所示。該機構(gòu)由原動件1、桿組2-3-4-5及機架6組成，為Ⅲ級機構(gòu)。

2.機構(gòu)的組合機構(gòu)的組合方式和組合機構(gòu)的類型有很多，關(guān)于這方面的內(nèi)容詳見本書7.3節(jié)，這里不再贅述。

3.采用其它物理效應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代機械已不再是純機械系統(tǒng),而是集機、電、液為一體,充分利用力、聲、光、磁等工作原理驅(qū)動或控制的機械。利用上述工作原理驅(qū)動或控制的機構(gòu),由于巧妙地利用了一些其他工作介質(zhì)和工作原理,將比傳統(tǒng)機構(gòu)更為方便地實現(xiàn)運動和動力的轉(zhuǎn)換,并能實現(xiàn)某些傳統(tǒng)機構(gòu)難以完成的復(fù)雜運動。如圖10-7所示為工作臺送進機構(gòu)，液壓缸（或氣缸）1驅(qū)動兩凸輪2和3，當(dāng)活塞往復(fù)移動時，帶動兩凸輪繞各自的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使工作臺4上、下往復(fù)移動。圖10-8為增力機構(gòu)，液壓缸（或氣缸）1驅(qū)動移動凸輪2，控制壓緊擺桿3壓緊工件4，并保持自鎖。圖10-7工作臺送進機構(gòu)圖10-8增力機構(gòu)

例10-1設(shè)計便攜式手動剃須刀的原理方案，要求體積小，使用方便，價格低廉。

解(1）功能分析。剃須刀的總功能是須膚分離。

(2）工作原理分析。機械式去須的原理有：拔須、剪須、剃須等。剃須可采用移動刀剃削或回轉(zhuǎn)刀剃削。刀具運動要均勻，以提高去須效果并保護皮膚?，F(xiàn)選取往復(fù)手動回轉(zhuǎn)刀剃削的工作原理進行分析。

(3）功能分解?；剞D(zhuǎn)刀剃削的功能樹如圖10-9所示。圖10-9回轉(zhuǎn)刀剃削的功能樹

(4）功能求解。各功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣見表10-5。由表10-5可組成往復(fù)移動或往復(fù)擺動各48種方案供選擇。（5）原理方案確定。通過評價決策，選擇一種較好的原理方案如圖10-10所示，即采用往復(fù)式移動-齒條齒輪-定軸輪系-飛輪-盒式儲須組合。圖10-10手動剃須刀原理方案圖10.4執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計當(dāng)根據(jù)功能原理的設(shè)計要求，確定了實現(xiàn)各功能元的機構(gòu)形式后，需要將各執(zhí)行機構(gòu)形成一個整體，使這些機構(gòu)以一定的次序協(xié)調(diào)動作，互相配合，完成機械預(yù)定的總功能，同時在空間布置上也應(yīng)滿足協(xié)調(diào)性和操作上協(xié)同性的要求，這一過程稱為執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計。10.4.1執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的原則當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定了機械的工作原理和各執(zhí)行機構(gòu)的運動規(guī)律，并確定了各執(zhí)行機構(gòu)的形式及驅(qū)動方式后，還必須將各執(zhí)行機構(gòu)統(tǒng)一于一個整體，形成一個完整的執(zhí)行系統(tǒng)，使這些機構(gòu)以一定的次序協(xié)調(diào)工作，互相配合，以完成機械預(yù)定的功能和生產(chǎn)過程。這方面的工作稱為執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計。執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的主要原則如下：

(1)滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作先后的順序性要求。執(zhí)行系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)的動作過程和先后順序，必須符合工藝過程所提出的要求，以確保系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)最終完成的動作及物質(zhì)、能量、信息傳遞的總體效果能滿足設(shè)計要求。

(2)滿足各執(zhí)行機構(gòu)動作在時間上的同步性要求。為了保證各執(zhí)行機構(gòu)的動作不僅能夠以一定的先后順序進行，而且整個系統(tǒng)能夠周而復(fù)始地循環(huán)協(xié)調(diào)工作，必須使各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)時間間隔相同，或按工藝要求成一定的倍數(shù)關(guān)系。

(3)滿足各執(zhí)行機構(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求。各執(zhí)行機構(gòu)的空間位置應(yīng)協(xié)調(diào)一致，對于有位置制約的執(zhí)行系統(tǒng)，必須進行各執(zhí)行機構(gòu)在空間位置上的協(xié)調(diào)設(shè)計，以保證在運動過程中各執(zhí)行機構(gòu)間及機構(gòu)與環(huán)境間不發(fā)生干涉。(4)滿足各執(zhí)行機構(gòu)操作上的協(xié)同性要求。當(dāng)兩個或兩個以上的執(zhí)行機構(gòu)同時作用于同一對象完成同一執(zhí)行動作時，各執(zhí)行機構(gòu)之間的運動必須協(xié)調(diào)一致。

(5)各執(zhí)行機構(gòu)的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率。為了提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡量縮短執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)周期。通常有兩種辦法，一是盡量縮短各執(zhí)行機構(gòu)工作行程和空回行程的時間；二是在前一個執(zhí)行機構(gòu)回程結(jié)束之前，后一個即開始工作行程，即在不產(chǎn)生干涉的前提下，充分利用兩個執(zhí)行機構(gòu)的空間裕量。

(6)各執(zhí)行機構(gòu)的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高。當(dāng)系統(tǒng)中包含多個低速大功率執(zhí)行機構(gòu)時，宜采用多個運動鏈并行的聯(lián)接方式；當(dāng)系統(tǒng)中有幾個功率不大，效率均很高的執(zhí)行機構(gòu)時，采用串聯(lián)方式比較適宜。10.4.2執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的方法根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，機械的運動循環(huán)可分為兩大類：一類是機械中各執(zhí)行機構(gòu)的運動規(guī)律是非周期性的，它取決于工作條件的不同而隨時改變，具有相當(dāng)大的隨機性，例如起重機、建筑機械和某些工程機械；另一類是機械中各執(zhí)行機械的運動是周期性的，即經(jīng)過一定的時間間隔后，各執(zhí)行構(gòu)件的位移、速度和加速度等運動參數(shù)就周期性地重復(fù)，生產(chǎn)中大多數(shù)機械都屬于這種固定運動循環(huán)的機械。本節(jié)介紹這類有固定周期性運動循環(huán)的機械執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的方法。對于固定運動循環(huán)的機械，當(dāng)采用機械方式集中控制時，通常用分配軸或主軸與各執(zhí)行機構(gòu)的主動件聯(lián)接起來，或者用分配軸上的凸輪控制各執(zhí)行機構(gòu)的主動件。各執(zhí)行機構(gòu)主動件在主軸上的安裝方位，或者控制各執(zhí)行機構(gòu)主動件的凸輪在分配軸上的安裝方位，均是根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的結(jié)果來決定的。執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計的步驟如下：

(1)確定機械的工作循環(huán)周期。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書中所定的機械理論生產(chǎn)率，確定機械的工作循環(huán)周期。機械的運動循環(huán)是指一個產(chǎn)品在加工過程中的整個工藝動作過程（包括工作行程、空回行程和停歇階段）所需要的總時間，它通常以T表示。在機械的工作循環(huán)內(nèi)，其各執(zhí)行機構(gòu)必須實現(xiàn)符合工件（產(chǎn)品）的工藝動作要求和確定的運動規(guī)律，有一定順序地協(xié)調(diào)動作。執(zhí)行機構(gòu)完成某道工序的工作行程、空回行程（回程）和停歇所需時間的總和，稱為執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期。各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)與機器的工作循環(huán)，一般來說在時間上應(yīng)是相等的。但是，也有不少機器，從實現(xiàn)某一工藝動作過程要求出發(fā)，某些執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)周期與機器的工作循環(huán)周期并不相等。此時，在機器的一個工作循環(huán)內(nèi)有些執(zhí)行機構(gòu)可完成若干個運動循環(huán)。

(2)確定各執(zhí)行構(gòu)件的各個行程段及其所需時間。根據(jù)機器生產(chǎn)工藝過程，分別確定各個執(zhí)行機構(gòu)的工作行程段、空回行程段和可能具有的若干個停歇段，并確定各執(zhí)行構(gòu)件在每個行程段所需花費的時間及對應(yīng)于原動件（主軸或分配軸）的轉(zhuǎn)角。

(3)確定各執(zhí)行構(gòu)件動作間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。根據(jù)機械生產(chǎn)過程對工藝動作先后順序和配合關(guān)系的要求，協(xié)調(diào)各執(zhí)行構(gòu)件各行程段的配合關(guān)系。此時，不僅要考慮動作的先后順序，還應(yīng)考慮各執(zhí)行機構(gòu)在時間和空間上的協(xié)調(diào)性，即不僅要保證各執(zhí)行機構(gòu)在時間上按一定順序協(xié)調(diào)配合，而且要保證在一定過程中不會產(chǎn)生空間位置上的相互干涉。10.4.3機械的運動循環(huán)圖用來描述各執(zhí)行構(gòu)件運動間相互協(xié)調(diào)配合的圖稱為機械的運動循環(huán)圖。由于機械在主軸或分配軸轉(zhuǎn)動一周或若干周內(nèi)完成一個運動循環(huán)，因此運動循環(huán)圖常以主軸或分配軸的轉(zhuǎn)角為坐標來編制。通常選取機械中某一主要的執(zhí)行構(gòu)件為參考件，取其有代表性的特征位置作為起始位置（通常以生產(chǎn)工藝的起始點作為運動循環(huán)的起始位置），由此來確定其他執(zhí)行構(gòu)件的運動相對于該主要執(zhí)行構(gòu)件運動的先后次序和配合關(guān)系。為了清楚地了解執(zhí)行系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)在完成總功能中的作用和次序，必須先繪出整個機器中各執(zhí)行機構(gòu)的運動循環(huán)圖。運動循環(huán)圖不但表明了各機構(gòu)的配合關(guān)系，給出了各執(zhí)行機構(gòu)運動設(shè)計的依據(jù)，同時也是設(shè)計控制系統(tǒng)和調(diào)試設(shè)備的重要依據(jù)