机构运动设计方案的探讨

刚海峰

（沧州师范学院 河北 沧州 061001）

摘 要：机构运动方案在整个机械设计过程中起着关键作用，决定着机器的质量，一个好的机构运动方案就是一个创造发明。

关键词：机构运动；运动方案；方案评价

中图分类号：THll2 文献标识码：A

机械产品实现不同的功能，因而执行机构的运动方式及运动规律自然也是多种多样的。又由于能够实现同一种运动转变的运动方式往往有许多种，为实现同一个运动方案，在运动方式的选择上有很大的灵活性，从功能原理方案到供生产用的图纸，期间所做的工作很多，而第一步就是要进行机械系统运动方案的设计，也就是根据功能原理方案所需实施的各分功能，构想出一些动作过程，然后合理确定实现这些动作过程的各个执行机构。机构运动方案的设计与构思是一件创造性很强的工作，它不但需要有较丰富的机构设计理论知识和实践经验，而且需要采用各种有助于启迪创新思维和进行创造性设计的方法和模式。

一、机构运动方案设计的方法

1. 创造性设计法创造性设计法是提出新方案、探求新解法、提高设计质量、开发创新产品的重要基础。创造设计法的基本任务，是从已经获得成功的创造性活动中，总结出一般的规律、规则和方法，然后将它应用到方案设计之中。

2. 系统化设计法系统化设计法是将工程设计任务或机械产品看作一个技术系统，作为一个整体系统来研究，从系统出发，分析各组成部分之间的有机联系与外界环境的关系，是一种较全面的综合研究方法。

3. 机构系统创新法机构运动方案设计与构思，实质上是对机构系统进行综合，采用创新方法创造出一些最佳的机构系统来，如机构综合创新法、逻辑积木法等，都是有助于机构系统创新设计的技术方法.

在机械系统方案设计过程中，所采用的设计与构思方法是多种多样的，随着机械产品开发工作的深入和发展，还会产生更多的设计与构思方法。

二、机构运动方案设计的过程

2.1 构思执行构件的运动过程和运动规律

实现同一运动要求可以有不同的方法和途径，因此运动方案的设计是最富有创造性的工作。运动方案设计的任务是根据给定的运动要求和各种约束条件，确定机构所需的构件及运动副的类型、数量及其配置关系，确定机构系统简图。

执行构件的运动方案与产品的工作原理有密切的联系。根据不同的工作原理，采用不同机构及不同的组合方式，可得到不同的运动方案，即使是同一工作原理，也可拟出不同的运动方案。例如，要制造齿轮，可以采用铸造法、冲压法，挤压法及切削法等多种加工原理，其中切削法又有仿形法（如铣削、拉削）和范成法。就连同样是用范成法原理加工齿轮，也可在滚齿机上用滚刀加工，或在插齿机上用齿轮插刀加工。由于拟定刀具的运动不同，两种切齿机床的运动方案也就不一样了。

2.2 进行机构的选型

机构选型的正确与否将直接影响到机构使用的效果、结构的繁简程度等。一般应在熟悉各种不同类型的基本机构运动特性的基础上，依据设计人员的生产实践经验，根据已知的生产要求，按执行机构的功用以及执行构件的运动形式，进行机构的选型或型综合。选型的好坏，将直接影响到机械的使用效果、结构的繁简程度及经济效益等，选型时应考虑到：

1. 机构的结构：任何一部机械，在满足同一生产要求时，应力求机构结构简单、制造方便和可靠、耐用。由主动（输入）件到从动（输出）执行构件间的运动链要短，构件和运动副数应尽量少。因构件和运动副增多后，不但增加了制造和装配的困难，而且增加了设计困难和加大了机构的积累误差。在选型时，有时宁可采用具有较小设计误差但结构简单的近似机构，而不采用理论上没有误差但结构复杂的机构。此外，还应考虑运动副的类型选择，因为运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重要的作用，它直接影响到机械的结构、耐用性及机械的效率和灵敏度。一般说来，转动副易保证运动副元素的配合精度，效率高；移动副元素效率低，且可能发生自锁：高副元素形状一般较复杂，磨损快，但较容易实现执行构件的运动规律和轨迹。

2. 动力源的形式：动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。在现代的原动机中，原动件的运动方式有转动（如电动机）、移动或摆动（采用气、液机构或直线电机）等。在机构选型时应充分考虑生产和动力源情况，当有液、气压动力源时，可尽量采用液压油缸，以简化传动链和改善运动。

3. 机构的虚约束：在设计中应尽量避免有虚约束的机构，否则会增加加工精度和导致装配困难，有时尺寸不当还会引起构件的内力或楔紧现象，使虚约束成为真正的约束。

4. 动力特性：对高速机构往往要求平衡惯性力，使动载荷最小，并使构件和机构达到最佳平衡；采用最小压力角或最大传动角作工作行程的机构可减小原动轴上的力矩，从而减小原动机的功率、机构的尺寸和重量。

2.3 绘制机构运动循环图

机构传动方案初步确定后，当设计的机械有多个执行构件，而且各执行构件间有运动配合要求时，绘制机构系统运动循环图是保证整个机构系统的各部分协调运动，实现机械预期工作要求必不可少的一环。

各机构运动的协调配合，可分为两类：一类是各执行构件运动速度的协调，如用范成法原理加工齿轮的齿廓时，刀具和齿坯必须保持一定的速度比传动；另-类是各执行构件的动作在时间和位置上的协调，如牛头刨床刨削工件时，其工作台的送进运动必须在刨刀非切削时间内进行。大多数机械的工作过程是呈周期性循环的，而机械中完成各种基本动作的各个机构的执行构件，又往往有它自己的工作循环，：这个循环有三个阶段：工作行程-空回行程-静止阶段。为了使整个机械中各个机构的执行构件的相对位置都能够周期性地重复，机械的工作循环应当等于各机构中执行构件工作循环的整数倍。-般常用图表的方式来表示机械的工作循环过程，以及各执行构件在循环中的相对时间间隔，以保证各执行构件间动作的协调性，且这种动作协调关系常呈现期性循环，即稱机构的运动循环图。

循环图可以作成直角坐标系的直线循环图，或极坐标系的圆循环图，并取某一执行构件有代表性的特征位置作为起始位置，且设定分配轴或主轴转过一周或若干周时，各执行构件均完成一个运动循环。通过运动循环图应清楚地看到各执行机构在一个机运动循环中的先后顺序及运动和停歇时间与主轴或分配轴转角之间的对应关系。由此可见，编制机构运动循环图是整个机构系统设计中的一个重要的工作，它是提高机构系统设计合理性、可靠性和生产效率的重要设计步骤，特别是对于复杂的机构系统，其作用更是不可替代的。

三、机构运动方案的评价和选择

机构运动方案的设计是要解决机械产品的工作原理方案，它是机械设计过程中方案设计阶段的初步工作，如何评价初步设计得到的若干种不同的机构系统运动方案，并在评价的基础上作出决策，是机构系統设计的一个重要步骤。因为只有根据运动方案的设计特点，建立合理的评价体系，采用科学的评价、优选方法，才能在正确评价的基础上，作出合理的决策。常常要采用价值工程法、模糊综合评价法、系统工程评价法对方案进行评价后设计出最佳方案。

价值工程法价值工程法，是以提高产品实用价值为目的，即要以最低成本去实现机械产品的必要功能。价值工程法的评价指标是价值，其定义式为：V=F/C（V为价值；F为功能：C为寿命周期成本，其中C=生产成本Cv+使用成本Cu）。机构系统运动方案的评价，可以按它的各项功能求出综合功能评价值，然后按公式求出V值，以便从多种方案选取最佳方案。在设计技术方案时，运用价值工程，可提高产品质量、降低产品成本、研制和生产出物美价廉的产品，打开产品销路，扩大市场占有率。通过价值分析活动，可以把设计、工艺、生产、采购、销售、财务、成本等各部门和各类人员的活动，以提高产品的价值为目标，有组织地结合起来，沟通业务，提高工作效率和工作质量。

模糊综合评价法机构运动方案的评价指标体系是有多项评价指标组成的，由于评价指标的评价常常带有模糊性，因此可应用模糊数学方法，将模糊信息数值化进行综合评价。

系统工程评价法系统工程评价法就是将一个机构运动方案作为一个系统，从总体上对其各项评价指标进行综合评价，以便选择出整体最优方案，其基本原则是要保证评价的客观性；要保证方案的可比性；要建立合适的评价指标体系。

机械系统运动方案的设计在整个机械设计过程中起着关键的作用，它从根本上决定了机器的质量、使用功能、经济性、机器水平及市场竞争能力，而且，其设计过程蕴含着创新。一个好的机构运动方案就是一个创造发明或专利。只要合理地运用设计人员的实践经验和想象力，仔细分析各种可能的组成方案，就能设计出性能良好的机械。

参考文献

[1]邹慧君.机构系统设计[M].上海：上海科学技术出版社，1995.

[2]廖林清等.机械设计方法学[M].重庆：重庆大学出版社，1996.

[3]朱龙根等.机械系统设计[M].北京：机械工业出版社，1992.