《机构课程设计》指导书.docx
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《机构课程设计》指导书
《机构课程设计》指导书
主编朱中仕
主审曾德江
广东机电职业技术学院
目录
一、课程设计题目1
二、课程设计目的及要求1
（一）机构课程设计目的1
（二）机构课程设计要求：
1
三、课程设计内容1
四、课程设计步骤2
（一）机构设计方案的确定2
（二）机构运动方案模型制作9
（三）编写机构设计和计算说明书11
五、课时安排12
六、考核方式12
七、参考文献13
一、课程设计题目
联系生产、生活实际，根据课程学习过程中所学的知识、查阅相关的设计手册及相关的技术资料自定功能目标设计一部机构。
要求能解决生产、生活中的一项具体问题，要有两个或两个以上工艺动作，至少要用到两个单一机构。
二、课程设计目的及要求
（一）机构课程设计目的：
1.巩固和运用所学的理论知识，培养学生具有初步设计常见的机构和机械的能力；
2.掌握常见机构和一般传动装置的设计方法、步骤，为今后专业课的学习及实际生产的应用打好基础；
3.达到对学生进行基本技能的训练，如：
计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、标准、图册和规范等）能力；
4.加强学生的动手能力，以培养学生的创新意识。
（二）机构课程设计要求：
1.三人一组，设计过程中，应充分发挥自己的想象力和创造力，对每个细节认真考虑，并提出自己的见解，反对盲从。
2.设计方案可根据所学知识从日常生活、生产或查阅相关资料，确定设计方案。
3.设计方案在设计周的星期三前确定完成，在确定之前，最好与指导教师商讨方案的可行性。
4.设计作品和设计说明书于设计周的星期五上午下课前上交，下午进行设计作品成绩评定，本设计成绩由设计作品成绩和设计说明书成绩组成。
三、课程设计内容
1.课题组自拟定机构设计题目。
2.确定机构运动方案。
（原则上要求每种设计方案至少要具有机构的二种运动特性？
）。
绘制机构方案的运动简图，并计算机构的自由度，判断机构是否具有确定的相对运动。
3.机构的运动分析与受力分析。
4.适当确定各构件的材料，结构形状和尺寸。
5.按比例制作各构件，并将各构件的边缘打磨光滑、进行组装。
组装完后，检查构件组装的是否牢固、设计作品是否能够实现预期的运动规律。
6.编写设计说明书（要求用16开纸书写）：
1）目录。
2）设计任务书。
3）设计题目：
设计内容、技术指标、机构预期的功能目标。
4）机构运动目标的拟定。
5）机械工作原理的拟定。
6）机构的选型及其组合协调。
7）模型中各构件的轮廓形状和尺寸。
8）模型的机构运动简图。
9）设计任务的分配情况。
10）对设计后的评价。
11）参考文献资料。
四、课程设计步骤
（一）机构设计方案的确定
机构设计也称机械运动方案设计，是机械产品设计中最具创造性的一个设计阶段。
机构设计方案设计的优劣，将直接影响机械产品的质量好坏、性能优劣和经济效率的高低，因此机构方案设计在机械产品中占有重要地位。
机构方案设计的主要内容包括：
机械功能目标的拟定；机械工作原理的拟定；机构的选型与组合协调等。
机构方案设计的结果是：
绘制出能反映机械系统工作原理的机构运动简图。
1.设计题目的确定
联系生产、生活实际，可根据课程学习过程中所学的知识、查阅相关的设计手册及相关的技术资料自定功能目标设计一部机构。
要求能解决生产、生活中的一项具体问题，要有两个或两个以上工艺动作，至少要用到两个单一机构。
2.机构功能目标的拟定
机械功能目标是指该机械产品所具有的功用。
如图1所示的筛料机构示意图，当分选筛杆7作变速往复直线运动时，能对物料颗粒起筛选作用，这里分选
图1筛料机
筛杆7的变速往复直线运动，就是筛料机的功能目标。
又如图2所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图。
在该机构中，液压油缸3绕铰链C摆动，同时活塞杆4在油缸3内的移动，使得车厢1随A点绕B点转动而达到自卸货物的功能目标。
除此之外，像机械的运动速度、效率的高低、移动距离、制品规格、
图2自卸卡车翻斗机构及其运动简图
使用要求、操作程序、维护与保养、对环境的影响、安全可靠性、价格成本、经济效率等都是机械功能的目标范畴。
3.机械工作原理的拟定
机械的功能目标确定后，就要按功能目标的要求，拟定机械的工作原理。
拟定工作原理的过程就是把机械的功能目标转化为机械工艺动作的过程，对于只有单一而简单动作的机械功能目标（如图1中的筛料机）来说，该过程可以省略，但对于具有较复杂运动的机械功能目标来说，这是一个必不可少的过程。
该过程一般分为两个步骤：
1）工艺动作的分解
将复杂的运动形式用一种机械方法来实现，往往是很困难的，有时甚至是
不可能的。
这就要求我们改变策略，不要仅局限于某一机构，要考虑机械的运动特性。
机械最容易实现的运动形式是转动和直线运动，而机械中的许多运动都可以由这两种运动形式合成。
因此，对于复杂的运动可以采用先分解后合成的方法来实现。
如图3所示的插齿机原理示意图，插刀的基本动作有切削、展成、让刀等运动。
可以看出插刀的运动方式是比较复杂的，很难构思出一个单一机构来完成这样一个复杂的工艺动作。
但若将复杂的动作进行分解，如将切削运动看成是往复运动，展成运动是看成是转动，让刀运动看成是间歇往复移动，各子运动分别由不同的机构来实现，然后再将各子运动合成进行协调配合。
如：
转动和移动的同时实现可以利用插刀轴上的导向滑键，即在插刀因键的联接而随蜗轮一起作展成转动的同时，又可以使插刀沿插刀轴作轴向移动，两种运动各又一个机构来实现。
而让刀的间歇往复运动，则可以设计成被加工齿轮与工作台一起动作的结构，其动作由另一机构来实现。
最后对这3种子运动进行合成，同时为防止产生干涉，对切削和让刀的动作在时间上作好协调配合。
图3插齿机原理示意图
2）各子工艺动作的协调与配合
按工艺动作类型，机械运动循环可分为两种，即可变运动循环和固定运动循环。
其中可变运动循环是指各执行机构的运动是彼此独立的，或其运动规律是非周期性的，如起重机对重物的起吊和对重物的水平移动动作。
对于这类运动循环，设计时可不考虑动作间的协调配合问题。
而固定运动循环则是指各执行机构的运动是周期性的，各运动关系相互关联、相互制约，如插齿机的切削运动和让刀运动。
对于具有固定循环特征的机械，设计时必须保证各执行机构的运动和动作的协调配合，不至于使一些动作超前、或另一动作滞后，发生运动干涉，导致机器无法正常工作。
为此需要制定一个机械运动循环图，规定每个工艺动作在运动循环周期内应处的位置，并以此为依据，对各子工艺动作进行协调和配合，以确保各工艺动作的先后次序。
运动循环图的制定可按下列步骤进行：
（1）分析每个子工艺动作的特点，从中确定一个定标构件，以此作为其他动作的位置基准。
（2）设定定标构件动作的位置起点、终点和运动循环周期。
（3）分析其他动作相对于定标构件主要动作的衔接位置，并且注意两个动作衔接处要有一定的时间间隔，以避免干涉。
3.机构选型及其组合协调
机械的工作原理确定后，就要选择合宜的机构并对其进行组合协调来实现。
此工作是机构方案设计的重要步骤。
1）机构的选型
机构的选型就是在对所学的各种机构进行功能类比的基础上，根据对机械功
能目标所要求的工艺动作所进行的分解，为所设计的机械选择合宜的机构类型，以此作为机构方案设计的初解。
各种机构可以从有关的机构手册、图册或资料上查阅获得，为了便于机构的选型，表1列出了一些常用机构的类型及其主要功能。
表1.常用机构的类型及其主要功能特性
机构类型
主要功能特性
连杆机构：
曲柄摇杆机构
一般双曲柄机构
正（逆）平行四边形机构
双摇杆机构
曲柄滑块机构
导杆机构
摇块机构
可以实现定速转动、变速转动、移动、摆动；可以实现一定轨迹和位置要求如利用止点可用于夹紧、自锁装置；运动副为面接触，承载能力大；动平衡困难，不宜于用于高速。
凸轮机构：
移动凸轮机构
摆动凸轮机构
可以输出任意运动规律的移动、摆动，但行程不大；若固定凸轮，从动件作复合运动，可以实现任意运动轨迹；因运动副为高副，不适用于重载。
（续）
机构类型
主要功能特性
齿轮机构：
圆柱齿轮机构
圆锥齿轮机构
蜗杆蜗轮机构
可实现定传动比传动，传动比准确可靠，功率和转速适应范围都很大，两传动轴可平行、相交和垂直相错。
不完全齿轮机构
可实现间歇回转运动
螺旋机构
可输出移动或转动，还可实现微动、增力、定位等功能；工作平稳，精度高，但效率低
棘轮机构
输出间歇运动，并且形成可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载
棘轮机构
输出间歇运动，并且形成可调；但工作时冲击、噪声较大，只适用于低速轻载
斜面机构
输出移动，可实现增力即夹持功能
在进行机构选型时要注意一下一些问题：
（1）按已拟定的工作原理进行选型时，应尽量满足或接近功能目标。
能满足某种动作形式要求的机构类型可能很多，因此机构选型时应多方案进行比较，择优选用。
（2）机构选型时应力求结构简单。
运动链要短，构件和运动副数目要少，尺寸要适度、紧凑。
这样不仅耗材少、成本低，而且还可减少机械运动时的积累误差，提高机械的运动精度和机械的效率。
（3）应尽量选择易加工，且易得到较高配合精度的机构。
在平面机构中，低副机构比高副机构易制造，转动副比移动副易保证配合精度。
（4）高速机构应注意使其具有良好的动力特性。
机构的动力特性就是在机械运转时，机械要具有良好的振动稳定性，机械的振动要处于最低水平。
杆式机构高速运转时的动力特性较差，因此高速运转机械尽量不用杆式机构。
若必须采用时，可采用多套机构合理布置的方法，使各套机构运转时产生的不平衡力能相互抵消达到动态平衡。
例如图4所示用两套相同的曲柄滑块机构对称布置，可使其总惯性力得到平衡。
对于凸轮机构，则应尽量避免刚性冲击和柔性冲击。
图4机构的平衡方法
（5）应使机构具有较高的机械效率。
机构的机械效率取决于机构的压力角或传动角，因此应尽量选择具有较大传动角的机构。
2）机构的组合协调
机构的组合协调就是在机构选型的基础上，依据制定的运动循环图，对机构运动方案设计所确定的初解进行改造、创新、协调和配合，最后形成最终的机构运动方案图。
下面举一实例分析机构的选型与组合协调问题。
设计如图5所示简易冲床的机构运动方案。
冲头的工艺动作为：
冲头以较大的力向下冲压，冲头动作完成后，冲头再向上抬升，这里冲头的工艺动作较为简单，为往复直线移动，能实现这一工艺运动的常用机构见表2。
图5简易机床
表2实现移动的常用机构
性能特点
曲柄滑块机构
凸轮机构
齿轮齿条机构
螺旋机构
运动速度
高
较高
高
一般
形成大小及可调性
取决于曲柄尺寸，可调
行程小，可调节
不受限，可调
不受限，可调
动力性能
平衡困难
取决于凸轮形状
好
好
机械效率
一般
一般
较高
低
承载能力
高
较低
高
高
其他特性
有急回特性
可实现复杂运动规律
传动平稳
可实现自锁
设具体技术指标和动力源条件如下：
冲头的移动行程H＝20mm，冲压行程h＝6mm；
冲压时冲头的压力F不小于2000N，机构传动角不小于700；
动力源为电动机，可提供的驱动转矩为15N.m。
机构运动方案设计步骤如下：
（1）先制定简易冲床的工艺运动循环图。
设定冲头为定标构件，以冲头向下运动的起点为运动循环的起点，指定工艺循环图，如图6所示。
图6简易冲床的工艺运动循环图
（2）根据表2采取排除和逐一淘汰法进行机构选型。
按行程范围，若用一种单一机构实现冲头冲压动作，表中所列的机构都可以采用，但凸轮机构的承载能力较低，采用单一机构时该机构不宜被选用；齿轮齿条机构中的齿条能作往复移动，但齿轮则要摆动，会使机构变得较为复杂；螺旋机构效率低，不适用于加工效率高的冲床。
故最后较为合适的只有曲柄滑块机构。
现按受力条件，对曲柄滑块进行受力分析。
如图7a所示，由于冲头的行程较小，当冲头处于冲压行程的起点时，曲柄与连杆间的夹角与900相差不远，可估算出冲头的冲压力难以达到规定的2000N。
因此，单独用一个曲柄滑块机构作为机构方案不太可行，需要另一个机构与之配合，将作用力放大。
现再筛选一套凸轮机构与之配合，利用杠杆原理将力放大，可使冲力满足要求，如图7b所示。
图7曲柄滑块机构的受力分析
（3）依图6对初定的机构方案进行组合协调。
如图7b所示，机构要求传动角γ≥700，冲头行程H＝20mm，按此条件适当确定机构中杆长lAB和lOA，再按增力要求定出lOC（如按增力一倍以上计），从而可定出凸轮的轴心位置和杆lOC的摆角行程。
最后选定凸轮机构中从动件的运动规律和凸轮的基圆半径，进而设计出凸轮的轮廓。
4.能实现夹持功能的机构特点
在生产和日常中，许多地方要用到夹持机械或装置，图8中列举了几个例子，为供参考。
图8夹持机械或装置
（二）机构运动方案模型制作
机构运动方案设计完成以后，为便于从运动的角度检验方案的正确性和可行性，可将方案制作成模型。
制作时应注意一下几个方面的问题：
1.要适当确定机构模型方案的制作比例
模型制作时，最好按1：
1的比例制作，这样做出的模型最具真实感。
通常要求模型最大外廓尺寸为L×B×H=300×200×250为宜。
2.要适当确定各构件的轮廓形状和尺寸
完成之后的机构运动方案设计通常为一机构运动简图，图中仅包括一些运动副的位置尺寸，各构件和运动副也为一些规定符号。
显然仅靠这些是不能做成机构模型的。
因此，模型制作前必须为每一构件确定其结构形状和尺寸大小。
1）构件的轮廓形状
构件的轮廓线首先应保证满足机构的运动要求，如凸轮的轮廓曲线等。
对于
与机构运动无关的轮廓线，则需自己设定。
设计轮廓线时，为便于构件的制作，应优先采用直线轮廓，其次是圆弧轮廓等，避免采用一般曲线，像椭圆、二次曲线以及任意曲线等。
当有不同的轮廓线相接过渡时，则应采用相切过渡，若定位方便时，也可以采用相交过渡，如图9所示。
对于构件的轮廓线形状，若为图10a的形状则便于加工制作，而图10b的形状则不便于制作加工。
图9轮廓线过渡
图10轮廓线形状
a－便于加工制作的形状b－不便于加工制作的形状
2）模型构件的尺寸
制作模型的材料选用板状非金属材料，对此类材料主要是确定构件的板面尺寸。
对于杆状构件，构件的板面宽度以取15～25mm为宜，以保证在模型构件上作完转动副圆孔后，圆孔四周的材料宽度仍在5mm以上，如图11所示。
对于运动副尺寸，转动副主要看所选取的销子直径的大小，孔和销之间的“公差”也应控制在0.5mm范围内，否则制作出的模型将有明显的运动失真。
移动副的尺寸可以适当自定。
图11杆状构件板面宽度的确定
3.要按尺寸划线下料
制作构件时应先定好运动副之间的主要尺寸，然后再定下构件的轮廓尺寸。
划线时，尺寸尽可能准确，尤其是运动副间的主要尺寸。
4.要注意构件间运动层位间的关系
构件模型制作好以后，在最后组装机构时，要注意各构件之间的层位关系。
若构件的层位关系安放不当，则制作的机构模型就会不能实现完整的预定机构运动。
如图12a所示，由于曲柄摇杆机构中的连杆与曲柄和摇杆的层位发生了错位，曲柄不能作3600整周转动，因而该曲柄和摇杆不能实现预定的机械运动。
若如图12b所示，改变连杆所在的层位，使连杆独处一层，曲柄与摇杆共处另一层，则整个机构模型的运动就会顺畅。
图12机构间的运动层位
（三）编写机构设计和计算说明书
1.设计说明书内容包括：
（1）目录。
（2）设计任务书。
（3）设计题目：
设计内容、技术指标、机构预期的功能目标。
（4）机构运动目标的拟定。
（5）机械工作原理的拟定。
（6）机构的选型及其组合协调。
（7）模型中各构件的轮廓形状和尺寸。
（8）模型的机构运动简图。
（9）设计任务的分配情况。
（10）对设计后的评价。
（11）参考文献资料。
2.说明书一律采用十六开纸按一定格式书写，装订成册，封面格式可参照
附件1，说明书格式可参照附件2；
3.说明书中应附有必要的插图；
4.计算中所引用的公式和数据应有根据，并注明其来源（如由资料[]p．×式（×-×）等）；
5.说明书中每一自成单元的内容，应有大小标题，使其醒目便于查阅。
五、课时安排
1.准备阶段（0.5天）
1）设计前详细研究和分析设计任务书和指导书，明确设计要求和设计内容。
根据拟定的数据和工作条件，初定一个较合理的设计方案。
2）复习有关课程，参考有关资料，对所设计项目进行方案比较选出最优方
案。
2.设计和计算阶段（1.5~2天）
1）确定机构运动方案、绘制机构运动简图。
2）机构的运动与动力分析。
3）确定各构件的形状和尺寸。
3.机构模型的制作（2~2.5天）
1）材料与零配件的购置。
2）构件的加工与装配。
3）机构的装配与测试。
4.设计答辩（0.5天）
设计作品的展示与作品设计答辩，作品成绩的评定。
六、考核方式
设计作品评分标准：
（设计作品与设计说明书各占50%）
1.设计作品能够实现预期设计任务，做工较精细、无多少创意的作品30~37分。
2.设计作品能够实现预期设计任务，做工精细、较有创意的作品38~44分。
3.设计作品能够实现预期设计任务，做工精美、有创意并构件色彩的搭配完美的作品可达45~50分。
4.未按时完成设计任务，延迟一天扣10分，直至扣完为止。
5.未完成制作和设计任务的学生，本课程设计成绩为零分。
七、参考文献
1.李培根.机械工程基础[M].北京：
机械工业出版社，2002
2.全沅生.工程力学[M].武汉：
华中科技大学出版社，2001
3.卢晓春.汽车机械基础[M].北京：
机械工业出版社，2002
4.陈国发.机械工程设计基础实训[M].北京：
机械工业出版社，2003
5.胡家秀.简明机械零件设计实用手册[M].北京：
机械工业出版社，2001
6.陈立德.机械设计基础课程设计指导书[M].北京：
高等教育出版社，2000
7.张春林.机械创新设计[M].北京：
机械工业出版社，1994
8.陆玉.机械设计课程设计[M].北京：
机械工业出版社2004
9.徐灏.机械设计手册[M].北京：
机械工业出版社1989
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