3 机械系统运动方案设计
机械系统运动方案设计是机械产品创新与质量保证的首要环节。一般而言，机械产品是以机械运动为特征的系统，机械系统运动方案设计的优劣，决定了机械系统的性能、造价和市场前景。因此，机械系统运动方案设计是机械系统设计的核心，也是最具创造性和综合性的设计环节。
本章主要介绍机械系统运动方案设计的基本要求、设计方法及设计过程。
3.1 基本要求及设计步骤
3.1.1 基本要求  
机械系统一般由原动机、传动系统、执行系统、操纵与控制装置等部分组成，如图3-1所示。此外，为保证机器的正常工作，还需要一些辅助系统，如润滑系统、冷却系统、故障检测系统、安全保障系统和照明系统。“机械设计综合实践”课程中机械系统运动方案设计主要包括执行系统方案设计、原动机的选择和传动系统方案设计。其基本要求为针对某种简单机械系统，进行功能分析、工艺动作及运动规律拟定、执行系统设计、原动机的选择、传动系统设计、机构尺度综合以及运动方案的评价与决策等。
3.1.2 设计步骤
关于机械系统运动方案设计步骤的提法较多，但并无本质差别。本课程的机械系统运动方案设计按以下步骤进行： 
 (1)  机械工作原理方案设计。根据机械系统预期实现的功能要求，构思机械系统功能原理，拟定工作原理和工艺动作。
 (2)  执行系统设计。执行系统可以是简单机构，更多的情况是多个机构的组合。将多个执行机构的运动按机械设计要求协调起来，绘制出机械运动循环图。图3-1 机械系统的结构组成
3机械系统运动方案设计机械设计综合实践  
 (3)  原动机的选择及传动系统设计。根据各执行构件的运动参数和生产阻力，选择合适的原动机。选择传动类型，拟定传动路线，合理安排传动链中各机构的顺序，并合理分配各级传动比。
 (4)  机械系统运动方案初步拟定。根据机械的工作原理、机械运动循环图、各执行机构的形式、传动系统及原动机，进行机械系统的总体布局，拟定机械系统运动示意图(机械系统运动方案草图). 
 (5)  机构尺度设计。根据各执行构件、原动件的运动参数，以及各执行构件运动的协调配合要求，同时考虑动力性能要求，确定各机构中构件的几何尺寸(机构运动尺寸)或几何形状(如凸轮廓线)等，绘制由原动机-传动机构-执行机构组成的机械运动简图。
 (6)  运动与动力分析。对整个机械系统进行运动分析和动力分析，检验所设计的运动方案是否满足运动要求和动力性能要求。
 (7)  方案评价与决策。对所设计的机械系统运动方案的繁简、尺寸大小、加工难易进行定性评价；对设计方案的运动与动力性能进行定量评价。若评价的结果为否定所设计方案，则需改变设计策略，对原设计方案进行修改。修改设计方案的途径包括改变运动参数、改变机构形式、重新进行工艺动作分解等。
上述步骤常常是不可分的，例如方案选择、尺度设计和性能分析等设计工作，在某种程度上是并行和交叉的。
3.1.3 总体参数的确定
在机械系统方案设计之初必须确定总体参数。总体参数是总体方案设计和零部件设计时的依据，它反映了机械系统的概貌和特点。总体技术参数主要包括与机械系统的使用范围、生产能力等有关的参数、结构尺寸、运动学和动力学参数。对于不同的机械系统，其总体参数包括的内容和确定方法也不相同。例如，对于机床而言，总体参数包括规格参数、运动参数、动力参数和结构参数；对于仪器类机械系统，总体参数包括测量范围、示值范围、放大倍数、灵敏度等。
1. 生产能力
生产能力是指机械系统在单位时间内生产的产品数量，根据选用的计量和计时单位的不同而不同。例如，对于干粉压片机，其生产率为每分钟加工的片数；对于书本打包机，其生产率为每小时能够包装书的本数。
机械系统在理想状态下单位时间内加工出的产品数量，称为理想生产能力。它是机械系统的基本参数之一，设计者根据这个参数确定该机械系统的结构形式、执行机构的运行速度、各工序的运动速度以及与其他机械结构相衔接的相互关系。在实际生产中，生产能力与工作环境、操作水平、辅助操作时间、维护保养等因素有关。机械系统在正常运行期间单位时间内平均生产合格产品的实际数量，称为实际生产能力。实际生产能力一般小于理论生产能力。
2. 尺寸参数
尺寸参数是指影响机械性能的一些重要的结构尺寸，如总体极限尺寸（长、宽、高及可移动的极限位置和尺寸）、特征尺寸（加工范围、中心高度）、运动零部件的工作行程，以及主要部件之间的位置关系及安装尺寸。根据设计任务书中的原始参数、方案设计时的总体布置草图、同类机械系统的类比或通过理论分析获得上述尺寸参数。
3. 工艺参数
工艺参数包括运动参数和动力参数。运动参数一般是指执行构件的转速、移动速度及调速范围等，如机床等机械设备的主轴最高和最低转速、工作台或刀架的移动速度、移动机械的行驶速度范围、连续作业机械的生产拍节等。执行构件的速度一般根据工作对象的工艺过程要求和生产率等因素确定。通用机械往往需要多种工作速度，如摇臂钻床具有钻孔、扩孔、攻螺纹等多种加工功能，加工的孔径、工件材料及硬度也会不同，因此，要根据不同的作业需求确定相应的主轴转速。在确定运动参数时，必须全面分析机械系统可能出现的各种工况，计算出最高转速和最低转速以及变速范围。执行构件的不同转速可采用无级变速或有级变速传动系统获得。
动力参数是机械系统中各零部件结构尺寸设计的依据，它影响着机械系统的工作性能和机械系统的经济性。动力参数一般是指机械系统中使用的动力源参数，如电机、液压马达、内燃机的功率，液压缸的牵引力、伺服电机的额定转矩等。
工艺参数的变化范围受诸多因素影响。例如，牛头刨床运动方案设计中的主要工艺参数是运动参数以及由此而确定的力参数。切削力的大小影响着机构的选取，因为某些机构无法承受大的作用力。运动参数是由机械的工艺要求决定的，应包括运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）、运动特点（连续式、间歇式、往复式）、运动范围（极限尺寸、转角及位移）、运动速度（等速、不等速）等。力的参数，如牛头刨床中切削力的大小，锻压机械中压头的压力大小等都是由机械的工艺要求决定的。
3.2 机械工作原理方案设计
根据机械所要实现的功能要求，拟定工作原理，构思工艺动作过程，就是机械工作原理方案的设计。它包含了功能原理设计和工艺动作设计。工作原理方案设计的优劣决定了机械的设计水平和综合性能。因此，如何确定最优的工作原理方案，是一件十分困难而又复杂的设计和创新工作。
3.2.1 功能分析
机械系统的功能是对机械系统的特定工作能力进行抽象化的描述，可以理解为机械系统的功效。显然，机械系统功能的概念与机械系统用途、能力、性能是有关联的，但又不尽相同。机械系统对输入的物质、能量和信息（单独的或组合的）进行预定的交换（含加工、处理）、传递（含移动、输送）和存储（含保持、存储、记录），可以说功能就是机械系统所具有的传递和变换能量、物质和信息的特性。一台机器所能完成的功能，称为机器的总功能。对机械总功能要进行准确、简洁、合理的描述，这样有利于设计目的的明确，易于开拓设计思路。
执行系统的功用是用于完成机器功能要求的，执行系统中的执行构件直接实施运动和力的输出。例如一台打印机，其总功能是将计算机的各种信息打印在纸上供人阅读；可以利用打印头横向定位移动、送纸辊（摩擦轮）定距送纸完成打印。虽然机械系统的功能要求是多种多样的，但是可以将机械系统的功能归结为两大类： 动作功能和工艺功能。 
1. 动作功能
动作功能以实现动作为目的，不对物体进行加工。动作功能又可分为简单动作功能和复杂动作功能。简单动作一般是一次性动作，如由链齿和拉头组成的拉链，只实现闭合和开启的简单动作。实现简单动作功能的装置一般结构简单，如圆珠笔的伸缩双动功能、各种枪炮的击发功能等。
复杂动作功能不仅要实现连续的传动，而且还要实现复杂的运动规律以及运动形式变换。实现这类功能的机构一般比较复杂，常采用机构的组合方式实现。
2. 工艺功能
工艺功能以加工对象为目的，是对物体实施某种加工工艺，如刮削器的刮削功能、机床的切削功能、挖掘机的挖掘功能、犁的翻地功能。这些功能由执行构件实现，如机床的刀具、挖掘机的挖斗、犁的犁头等。工艺功能的实现也要有动作，驱动执行构件运动是由执行机构完成的。实现工艺功能要考虑两方面的问题： 采用什么工艺方法，以及执行构件采用什么形状和动作。
工艺功能与动作功能的区别在于是否其执行构件对物体具有加工作用。这种作用有时可能不是纯机械的，而采用其他物理效应，如采用激光和水射流实现对物体的切割。在进行机械设计综合实践时，要正确区分所设计的机械系统属于哪种功能类型，在此基础上构思机械系统实现预定功能的工作原理和工艺动作。
工程上经常出现对功能要求考虑不周，而导致机械系统设计失败的情况。例如，初期设计的硬币清点机发生卡币现象。硬币清点机构是使硬币一枚一枚通过光电计数器，以计算硬币数量。某设计方案如图3-2(a)所示。将硬币排列于承币槽内，从后方施加推力，并用传动带将硬币一枚一枚地从承币槽端部带走，通过光电计数器计数。带轮与承币槽端口之间的间隙t+Δt，已经考虑了硬币制造时的厚度偏差Δt。实践中在清点新币时没有发生什么问题，当处理市场流通币时，时而会发生卡币现象。分析事故原因发现： 由于某些流通的硬币材质较软，在市场流通过程中发生了较大变形，超出了硬币厚度公差范围。
图3-2 硬币清点机构
 (a)  错误的设计；  (b)  改进后的设计
1-带轮； 2-传动带； 3-光电计数器； 4-变形币； 5-硬币
改进方案如图3-2(b)所示，将承币槽的位置移动一定距离，让开带轮的位置。这样，当碰到变形较大的硬币时，由于传动带的弹性可适应不同厚度的变形币，使变形币在推力作用下能脱开承币槽而被传动带带出，不再出现卡币现象。
3.2.2 功能原理设计
根据机械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，并根据使用要求和工艺要求，选择出既能很好地满足功能要求，工艺动作又简单的工作原理方案。
综合分析法是拟定功能原理方案的主要方法。所谓综合分析法，就是将机械系统的总功能分解成若干子功能元，然后求解子功能元，再将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案，以供评价与选择。根据所要设计的机械总功能要求，拟定机械的工作原理并进行功能分解。例如，某自动包装机（见图3-3）的功能是将物料装入袋中包装。要实现这一总功能，可分解为如下分功能： 自动完成计量、填料、制袋、封合、打印生产批号、切断、输送等。功能分解对机械的工作性能、适应性、可靠性、先进性、工艺性、经济性等方面起着决定性的影响。根据机械的工作原理和功能分解，就可以确定出机械所需要的执行构件的数目、运动形式以及它们之间的运动协调配合关系等要求。采用不同的工作原理和功能分解，就会有多种不同的组合方案，可以通过对各方案的综合评价来选择最佳方案。
图3-3 某自动包装机的组成
1-传动箱； 2-进料输送链； 3-供纸架； 4-成形器； 5-纵封机构； 
6-横封切断机构； 7-控制箱； 8-压料毛刷； 9-输出机构
在进行机械的功能原理设计时一定要根据具体的使用要求，对各种可能的功能原理进行分析比较，确定既能很好地满足机械预期的功能要求，工艺动作又可简便实现的最佳工作原理方案。
为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现。下面以包装物品的给料装置为例说明工作原理构思的多样性。自动给料装置是包装机的一个子功能元，可以采用重力给料原理、振动输送给料原理、带式输送给料原理、螺旋输送给料原理等实现。图3-4为重力给料装置原理图，其工作原理是依靠重力使物品自料仓向转盘上的计量容腔给料。储存待包装物品的料斗2位于包装机的上部，物品3因处于高位，具有较大的势能，在重力作用下即能向低位流送。
图3-5为振动给料装置原理图。它由激振器3、工作体2、主振弹簧1和减振弹簧4以及座体5等部件组成，利用振动原理，对松散态颗粒物品进行中短距离输送及给料。
图3-4 重力给料装置原理图
1-刮板； 2-料斗； 3-物品； 
4-搅拌器； 5-转盘
图3-5 振动给料装置原理图
1-主振弹簧； 2-工作体； 3-激振器； 
4-减振弹簧； 5-座体
图3-6为带式输送机原理图。机架上装有驱动辊2、从动辊6、承托辊4、转向辊7、装料装置5和卸料装置1等。挠性输送带3绕在各辊上，由驱动辊2驱动物品自装料装置5处运送到卸料装置1处卸出。带式输送机一般用于散粒物品、块状物品及成件物品的输送。
图3-6 带式输送机原理图
1-卸料装置； 2-驱动辊； 3-挠性输送带； 4-承托辊； 5-装料装置； 6-从动辊； 7-转向辊
图3-7为螺旋输送机原理图。它由一根装有螺旋叶片的转轴和输送槽组成。螺旋转轴通过轴承安装在输送槽两端的轴承座上，螺旋转轴一端的轴头与驱动装置相连接。输送槽上开设有装料口和卸料口。装料口与送料装置或料斗相接；卸料口则设在槽底或槽端。有的还在装料口或卸料口上设置有物料流量控制阀。螺旋转轴由驱动装置驱动，送入输送槽中的物品由转动的螺旋叶片推动而沿输送槽轴向前进，直到卸料口排出。螺旋输送机是一种简单的连续式输送机，适用于输送松散状态的干燥物品。
图3-7 螺旋输送机原理图
1-料斗； 2-螺旋轴； 3-壳体； 4-轴承； 5-排料口
功能原理设计的过程是一个创造性设计的过程。如果在设计过程中没有创造性的思维，就很难跳出传统观念的束缚，难以设计出具有竞争力的产品。功能原理的创造性设计方法很多，但最基本的途径只有两条： 全新的发现和将已知的原理进行完美的组合。优秀的组合也是一种创新的体现，这就是分析综合法的精髓。功能原理设计除分析综合法外，还有还原创新法和思维扩展法等。任何发明创造都有创造的原点和起点，原点是预期要实现的功能要求，起点是可能实现这一功能要求的多种方法。所谓还原创新法，是指跳出已有的创造起点，重新返回到创造的原点，紧紧围绕机械预期实现的功能要求另辟蹊径，构思新的功能原理。在功能原理设计中，有些功能要求用机械装置是难以完成的，设计者切忌将思路局限在传统机构上，一定要扩展设计思路，考虑应用气、液、光、声、电、新材料等新技术的可能性，尽量采用先进、简单、廉价的技术，构思出新的功能原理。
3.2.3 工艺动作设计
工艺动作设计在工作原理确定后进行。同一工作原理可以采用不同的工艺动作实现，如图3-8所示的刨削加工，若将工艺动作分解为刀具往复移动，工件进给运动，即为牛头刨床；若将工艺动作分解为工件往复移动，刀具进给，即为龙门刨床。
图3-8 刨削加工
 (a)  牛头刨床；  (b)  龙门刨床
图3-9 自动切书机工艺过程示意图
1-送料； 2-压书； 3-两侧切书； 
4-横切； 5-书本； 6-工作台
在进行机器的工艺过程设计时应遵循以下设计原则： 
(1) 工序集中原则。工序集中原则是指工件在一个工位上一次定位装夹，采用多个执行构件同时完成作业工序。例如，自动切书机(见图3-9)就是采用了多刀、多面、多个执行构件同时完成加工工序，这样既保证了切纸质量，又提高了生产效率。
(2) 工序分散原则。工序分散原则是将工件的加工工艺过程分解为若干工序，分别在各个工位上采用不同的执行机构进行加工。例如，书本打包机的工艺过程可以分解成送书、推书、送纸、推书包三面、折侧边、折前角、折后角、推书并涂糨糊、贴封签、烘干等工序(见图3-10)，每一道工序分别采用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，而且有利于提高机器生产效率。
图3-10 书本打包机的包、封工艺过程
(3) 各工序的工艺时间相等原则。对多工位自动机工作循环的时间节拍有严格的要求，一般将各工位加工时间最长的一道工序的工作循环作为自动机的时间节拍。为了提高机器的生产率，应尽量设法缩短加工时间最长的一道工序的工作时间。
(4) 多件同时加工原则。多件同时加工是指在同一自动机上同时加工几个工件，也就是同时采用相同的几套执行机构来加工多个工件。例如，某电脑多头绣花机就是采用了多套相同的执行机构(机头)来进行绣花工作，提高了工作效率。
(5) 减少机器工作行程时间和空程时间。设计工艺过程时，在不妨碍各执行构件正常动作和相互协调配合的前提下，尽量使各执行机构的工作行程时间互相重叠、工作行程时间与空行程时间互相重叠、空行程时间互相重叠，从而缩短工件加工循环的时间，以提高机器的生产率。如某型号打印机，当送料器在送料时，打印头就可以向下打，即送料的工作行程与打印的工作行程适当地进行重叠，只要保证打印头在打到工件前把工件送到位，而不必等工件到位后打印头才开始动作。而在打印头完成打印工艺后空回时，送料器也同时退回原处，准备第二次推料，即它们的空行程时间也互相重叠，这样使在工件上打印的循环时间大为缩短，从而提高了打印机的工作效率。
以上介绍了工艺动作设计的基本原则。需要注意的是，同时满足以上各原则往往比较困难，某些原则甚至是相互矛盾或制约的。因此，在工艺动作设计时，应综合考虑，图3-11 大型绘图机运动方案
1-主动轮； 2-从动轮； 3-钢丝； 
4-绘图笔； 5-绘图纸
抓主要矛盾，有所侧重。
同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解；不同的工艺动作分解，将会得到不同的执行构件运动规律。运动规律的拟定应尽可能简单，以保证设计出来的执行机构简单、实用、可靠。但工程中往往需要实现复杂的运动规律，通常采用的措施是将复杂的运动规律分解成转动、摆动或移动等比较简单的运动规律。图3-11为某大型绘图机的机械系统运动方案图，其功能要求是在绘图纸上绘制出复杂的平面曲线，所采用的方法是将复杂的运动规律分解成x, y两个方向的移动，工艺动作的分解如下： 绘图笔作x方向的移动，绘图纸绕在卷筒上绕x轴作往复转动，从而使绘图机按计算机的指令绘出各种复杂的曲线。
运动规律设计也是一种创造性的工作。在进行运动规律创新设计中，可以模仿人或动物的动作将工艺动作进行分解，构思新的运动规律；也可以采用思维扩展法，充分考虑工作对象的几何特性、力学特性，并综合考虑相关学科进展，构思奇妙的、有独创性的运动规律设计方案。
3.3 执行系统设计
执行系统是直接完成机械系统预期工作任务的部分，它由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，影响着整个执行系统结构方案的确定。
3.3.1 执行机构分类
执行系统由执行机构组成，执行机构是机器中最接近被作业工件一端的机构，其作用是传递、变换运动与动力，即将传动系统传递来的运动与动力进行变换，以满足机械系统的功