工艺动作过程构思与运动协调设计.ppt

第四章工艺动作过程构思与运动协调设计,4.1 工作原理设计和工艺动作设计,4.2 工艺动作过程和运动规律设计,4.3 执行机构的运动协调设计,4.4 机械运动循环图设计,本章将介绍工作原理方案设计及工艺动作设计的基本概念，并根据工作原理设计中提出的工艺动作过程及各动作的运动规律选择合适的运动形式。同时，还将介绍各机构之间的协调设计以及机械运动循环图的分类、作用与设计原理。,§4-1 工作原理设计及工艺动作设计,产品设计一般过程,能量1 物料1 信号1,内燃机的功能是把热能转变为机械能 织布机则把棉纱编织成布匹,特别是工艺类机器,工艺过程+工艺协调设计,根据机器所要实现的功能(功用)，采用有关的工作原理，由工作原理设计构思出工艺动作的过程。这些设计内容就是工作原理方案的设计。在进行功能原理设计时，首先要明确机器的总功能，然后进行功能分解，使其成为一系列独立的工艺动作。,右图是一台微机控制的提花织物自动纹版冲孔系统中的扫描机。该机器的总功能是通过光学扫描把设计好的图像作为信息输送给计算机进行图像处理。为实现此功能就要运用机械的高精度无回差转动原理、光学自动分色原理、计算机图像处理、计算机自动控制等先进的科学原理以及采用光导纤维、步进电机、高精度加工等技术手段。,图4-1 图像扫描机,功能分析: 明确总功能功能分解(直到元功能)求解(综合),1 明确总功能,工作原理设计是根据机器的总功能的要求，对设计对象总的功能描述要准确、简洁，要合理抽象抓住本质。 要做到以下三个方面的研究。 搜集有关技术资料、设计需求和用户要求。 详细列出机械功能分析需求表。 对列出的功能需求作综合分析研究 。 2 功能分解与工艺动作 要设计的机械往往比较复杂，功能也各式各样，其使用要求或工艺要求需要很多工作原理组合成一系列相对独立的工艺动作，以此作为分功能（或称功能元），然后用树状功能图来描述，使机器的总功能及各分功能一目了然。,设计一部能够完成装卸工作、钻孔、扩孔、铰孔四个工位的专用机床。分解其工艺动作，并表示其工艺动作树状功能图。,图4-2 四工位机床工艺动作图,例:,总功能: 在零件上完成钻孔工艺。可分解成四个工位：装卸工件、钻孔、扩孔、铰孔。其独立工艺动作如下： 1)安置工件的工作台要求进行间歇转动，转动转速n2； 2)装置刀具的主轴箱能实现静止、快速进给、进给、快速退刀等工艺动作； 3)刀具以n1转速转动来切削工件。,图4-3 四工位专用机床树状功能图,3 工作原理与工艺动作,在进行机械的功能分解时还要考虑到机械完成同一种功能可以应用不同的工作原理来实现。而不同的工作原理也可以采用不同的工艺动作。,1 工艺过程设计的原则 应满足机器的总功能要求。应遵循以下5原则： 工序集中原则,指工件在一个工位上一次定位装夹，采用多刀、多面、多个执行构件运动同时完成加工工序，以达到工件的工艺要求。例如自动切书机(右图,多刀、多面、多执行构件运动保证了切纸工艺的高质高效) 。,（b） 自动切书机运动简图,§4-2 工艺过程和运动规律设计,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，并分别在各个工位上用不同的执行构件进行加工，以达到工件的工艺要求。例如微型电机的自动嵌绝缘纸工艺过程可分解成:送纸、切纸、插纸、推纸、分度等工序，然后每一道工序分别配置能完成简单工艺动作的执行机构。,图4-5 自动嵌纸机的工艺过程,嵌绝缘纸到电机转子线圈槽中：用于汽车起动电机这一微电机中,各工序的工艺时间相等原则,对于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。为此，可以采取提高这一工序的工艺速度或者把这一工序再分解。 多件同时加工原则 多件同时加工原则是指在同一自动机上同时加工几个工件，也就是采用相同的几套执行机构来加工几个工件。使工作效率提高。, 减少机器工件行程和空程时间,设计工艺过程时，在不妨碍各执行构件正常工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相互重叠，工作行程时间与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。,右图打印机工作时，当送料器送料时，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，即它们的空行程的时间也是互相重叠。,图4-6 自动打印机示意图,2 工艺过程应该考虑的几个问题, 被加工对象的材料特性、所需达到的工艺要求等。如齿轮的加工，就要根据齿面的材料采用不同的加工方法。调质的轴和淬火的轴的工艺过程就不一样 。, 机器的工序数和工序转移过程中采用的运动形式。如冰淇淋包装机的工艺过程可以分解为12个工序。,图4-7 (a) 冰淇淋包装盒,1、2 从纸库中取出纸盒并打开纸盒 3 撑开下塞耳 4关闭下前盖 5、6关闭后下盖并把下塞耳塞入耳孔,盒式冰淇淋包装机的工艺过程可分解如下：,7撑开上前盖 8灌装冰淇淋 9、10关闭上前盖和上后盖 11、12上塞耳塞入耳孔后送往冰库冷藏,图4-7 (b) 盒式冰淇淋包装机的工艺过程图,工艺程序和工艺路线 工艺程序是指完成各个工艺动作的先后顺序, 如图4-7所示的冰淇淋包装的工艺程序。 完成同一工艺程序的工艺路线可以是多种型式。,3 工艺路线的类型,直线型 物料的运动路线为一直线，根据运动方式又可分为立式和卧式。如纹版自动冲孔机中纹版的运动路线。,图4-8 纹版的运动路线,用于提花织物行业中,卧式直线型工艺路线,立式直线型工艺路线,阶梯型: 物料的运动方式兼有垂直和水平两个方向,圆弧型: 物料的运动沿圆弧轨迹,组合型: 物料的运动既作圆弧运动又作直线运动,4-11 牙膏的灌装(圆弧)包装(直线)生产线,成形(铝质板材或复合材料牙膏管) 灌装封口加牙膏盖装入纸盒：直线/阶梯/圆弧形的混合,(b),4 按工艺过程要求确定运动规律,右图的计算机绘图机能按计算机的指令绘出各种y=f(x)的曲线，所采用的方法就是把复杂的曲线运动规律分解成x、y两个方向的移动。, 运动规律或工艺动作的选择应尽可能简单。 把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4-15 纸动型绘图机,按机器的功能要求配置运动规律。,(P66表4-2/4-3),§4-3 执行机构的运动协调设计,机械的总功能可分解成若干分功能，它们对应着若干相应的工艺动作，我们把这些工艺动作称为机械的执行动作。完成执行动作的构件称为执行构件(或输出构件) 。与此相匹配的能实现各执行构件所需执行动作的机构称为执行机构。通常一个执行动作由一个执行机构来完成。但也有用多个执行机构完成一个执行动作，或用一个执行机构完成多个执行动作。 机械的各执行动作是有序的、相互协调配合的。由此机械的各执行机构的运动必须进行协调设计，并应满足一定的要求。,执行机构的运动协调设计应满足的要求,为了使各执行机构的执行动作按工艺动作过程要求进行有序的、相互协调配合的动作，执行机构的运动协调设计应满足以下要求： 执行机构中的执行构件的动作必须满足工艺要求。 执行机构中的执行构件的动作保证空间同步。 为提高机器生产率应使各执行机构的动作周期尽量重合。 一个执行机构动作结束到另一个执行机构动作起始点之间应有适当间隔避免发生干涉。 执行机构的运动协调设计可以从以下几个方面来阐述。,1 各执行机构的动作在时间上协调配合,如图粉料压片机。根据生产工艺路线方案，此粉料压片机必须要实现以下5个动作：,图4-16 粉料压片机,移动料斗至模具的型腔上方准备将粉料装 入型腔，同时将已经成形的药片推出。,料斗振动，将料斗内粉料筛入型腔。,下冲头下沉至一定深度，以防止上冲头向下压制时将型腔内粉料扑出。,上冲头向下，下冲头向上，将粉料加压并保压一段时间，使药片成形较好。,上冲头快速退出，下冲头随着将已经成型的工件 药片推出型腔，完成压片工艺过程。,机器各执行机构的动作过程和先后顺序必须按此进行。,在送料期间上冲头不能压到料筛，只有当料筛不在上下冲头之间时，冲头才能加压。所以送料和上下冲头之间运动在时间上有严格的协调配合要求，否则就无法实现机器的粉料压片工艺。,2 各执行机构的动作在空间上协调配合,3 各执行机构运动速度的协调配合,有些机械要求执行构件运动之间必须保持严格的速比关系，例如滚齿或插齿机按范成法加工齿轮时，刀具和齿坯的范成运动必须保持某一预定的转速比。,图4-17 粉料压片机工艺,粉料压片机中执行机构3、9的运动轨迹相交，故在安排两执行机构的运动时，不仅要注意到时间的协调，还要注意到空间位置上的协调，即空间同步化。,4 多个执行机构完成一个执行动作时，其执行机构运动的协调配合,右图纹版冲孔机构在完成冲孔这一工艺动作时，要求有两个执行机构的组合运动来实现。一是曲柄摇杆机构中摇杆(打击钣)的上下摆动，带动安装在它上面的滑块(冲头)也做上下摆动。二是电磁铁动作，装有衔铁的曲柄在电磁吸力的作用下作往复摆动，带动滑块(冲头)沿打击钣上的导路作往复移动。显然这两个机构的运动必须精确协调配合。,图4-19 纹版冲孔机机构系统,5 执行机构的协调动作和机器的程序控制,为了使机器整个工作循环各个工序动作严格地按一定顺序进行，每台机器都有专门的程序控制系统，机器的程序控制系统可作如下分类：,分配凸轮轴方式。如图4-20所示的电阻压帽自动机的工艺过程。 辅助凸轮轴方式。例如机器中的送料、夹料等机构的空行程实现。 曲柄轴方式。如图4-21所示的微电机的自动嵌绝缘纸机的工艺实现过程。 机电结合的程序控制方式。 电子控制方式。目前应用最广泛的可编程控制器(PLC)就是一种在工业环境中使用的数字操作的电子系统。,实现空行程动作(由分配凸轮轴控制辅助凸轮轴作周期性间歇旋转) 的机械控制方式,用分配凸轮轴上的信号凸轮控制电路的通闭和通闭时间，以此控制各执行机构的动作。,使用可编程存储器内部存储用户设计的指令(逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算、数/模输入/输出)来控制各种类型的机械或过程，以实现生产自动化。特点：1)控制程序可变，具有很好的柔性；2)具有高度可靠性；13)功能完善；4)易于掌握、便于维修；5)体积小、省电；6)价格低廉。,图4-20 电阻压帽自动机机械运动简图,自动电阻压帽机的总功能是将电阻坯料的两端压上电阻帽。它的工艺动作可分解为送电阻坯料、坯料夹紧定位和送帽压帽三个动作,在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行机构的驱动构件。因此，分配轴每转一周所需要的时间就是产品加工工作循环所需时间,分配轴转一圈就可完成一个产品的工艺动作过程。,图4-21 自动嵌纸机的机构系统图,利用曲柄的错位使各执行机构按一定顺序来动作，对于不能将曲柄布置在一根轴上的机器，还应采用机械传动方式，将各曲柄的转动予以同步。,把推纸、分度、切纸、插纸等各个执行机构的驱动曲柄，相互错开一定的角度，即在各个执行机构之间形成相位差来实现它们按一定顺序的协调动作。,1 机器的运动分类,§4-4 机械运动循环图设计,2 机器的运动循环,机器的运动循环(又称工作循环)指机器完成其功能所需的总时间, 常用T表示, 它常与各执行机构的运动循环相一致(通常执行机构的生产节奏就是整台机器的运动节奏) 。但也有不少机器，从实现某一工艺动作过程要求出发, 某些执行机构的运动循环周期与机器的运动循环周期并不相等(此时机器的一个运动循环内有些执行机构可完成若干个运动循环)。机器执行机构中执行构件的运动循环至少包括一个工作行程和一个空回行程。有时有的执行构件还有一个或若干个停歇阶段。因此，执行机构的运动循环T执可以表示为： T执= t工作+ t空程+ t停歇,图4-22 干粉压片机的直线式运动循环图,3 机器运动循环图的类型,机器运动循环图又称机器工作循环图，分为3种形式,直线式运动循环图(即矩形运动循环图)，如下图。,直线式运动循环图是将机械在一个运动循环中各执行构件的各行程区段的起止时间和先 后顺序、按比例地绘制在直角坐标轴上得到的。 优点：绘制方法简单，能比较清楚地表示出一个循环内各执行构件行程之间的相互顺序和时间关系。 缺点: 无法显示出各执行构件的运动规律，因而直观性较差。,主轴为定标件,圆周式运动循环图是若干个同心圆环，每个圆环代表一个执行构件。各执行构件不同行程的起始和终止位置由各相应圆环的径向线表示。 优点：直观性强。因为一般机械的一个运动循环对应分配轴转一周，所以通过这种循环图能直接看出各执行机构的主动件在分配轴上所处的位置，便于各执行机构的设计、安装和调试。 缺点：当执行机构的数目较多时，由于同心圆环太多不能一目了然，也不能显示各执行构件的运动规律。,图4-23单缸四冲程内燃机的圆周式运动循环图,曲轴为定标件/转2圈为一个工作循环, 圆周式运动循环图,横轴表示定标件的转角 纵轴表示执行构件的转角,两个构件不能同时位于区域MAB中，以免在M点产生干涉。,饼干包装机的直角坐标式运动循环图, 直角坐标式运动循环图,直角坐标式运动循环图是将各执行构件的各运动区段的时间和顺序按比例绘制在直角坐标系里而得到的。用横坐标表示分配轴或主要执行机构主动件的转角，用纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移。为了简单起见，各区段之间均用直线连接。这种运动循环图的特点是不仅能清楚地表示出各执行构件动作的先后顺序，而且能表示出各执行机构在各区段的运动规律，便于指导各执行机构的设计。,画一个圆，将直线式运动循环图以执行构件为层绕到该圆上便得圆周式运动循环图；将直线式运动循环图中各执行构件的位移图画上便得直角坐标式运动循环图。,(1) 运动循环图三种形式间的关系,(2) 机器运动循环图的设计要点,以工艺过程开始点作为机器工作循环的起始点，并确定开始工作的那个执行机构在工作循环图上的机构运动循环图，其他执行机构则按工艺动作顺序先后列出。 不在分配轴上的控制构件(一般是凸轮)，应将其动作所对应的中心角，换算成分配轴相应的转角。,尽量使各执行机构的动作重合，以便缩短机器工作循环的周期，提高生产率。 按顺序先后进行工作的执行构件，要求它们前一执行构件的工作行程结束之时，与后一执行构件的工作行程开始之时，应有一定的时间间隔和空间裕量，以防止两机构在动作衔接处发生干涉。 在不影响工艺动作要求和生产率的条件下，应尽可能使各执行机构工作行程所对应的中心角增大些，以便减小速度和冲击等。,4 机器运动循环图的设计步骤与方法,确定执行机构的运动循环时间Tp。 确定组成执行构件运动循环的各个区段。 初步绘制执行机构的执行构件的运动循环图。 在完成执行机构的设计后对初步绘制的运动循环图进行修改。 进行各执行机构的协调设计。,5 机器工作循环图的功用,1) 机器的工作循环图反映了生产节奏，可用来核算机器的生产率，并作为分析、研究提高机械生产率的依据； 2) 用来确定各个执行机构原动件在主轴上的相位，或控制各个执行机构原动件的凸轮安装在分配轴上的相位； 3) 用来指导机器中各个执行机构的具体设计； 4) 用来作为装配、调试机器的依据； 5) 用来分析、研究各执行机构的动作如何能紧密配合、相互协调，以保证机器的工艺动作过程能顺利实现。,用于小型印刷厂的简易平板印刷机可以印刷各种表格、联单、帐单、商标和名片等八开以下的印刷品。该印刷机需要完成油辊上添加油墨、铜锌板上刷油墨、白纸与刷墨后的铜锌板贴合印刷和取出印刷品4个分功能。 (1) 给油辊上墨 用槽轮机构使油盘间歇转动来实现。油盘有两个行程，即转动(工作行程)和停歇。一般采用在一个运动循环内作定向间歇转过60°。 (2) 往铜锌板上均匀刷墨 采用连杆机构带动油辊上下往复摆动来完成。也有两个行程，油辊的工作行程(给铜锌板刷墨)和空回行程。为了使油辊均匀地把油墨刷在铜锌板上，要求油辊在工作行程尽可能等速运动。 (3) 白纸与铜锌板的贴合印刷 用凸轮连杆机构带动印头(上面装有纸)往复摆动完成与固定不动的铜锌板的贴合。其两个行程是印头的工作行程(印刷)和空回行程。 (4) 取印刷品和装白纸手工完成.,例题,油盘、油辊和印头三个执行构件中，印头是印刷的主要执行构件，故取印头为参考构件。带动印头往复摆动的执行机构的主动件每转一周完成一个运动循环，以该主动件作为直线式和直角坐标式运动循环图的横坐标。 简易式平板印刷机的直线式、圆周式和直角坐标式的运动循环图如图a、b、和c所示。,简易式平板印刷机的直角坐标式的运动循环图,一、基本概念,工艺路线参与加工物料的供给路线、加工物料的传送路线以及成品的输出路线。 工艺程序完成各个工艺动作的先后顺序。 机器运动循环图机器的运动循环图又称工作循环图，它是描述各执行机构之间有序的、既相互制约又相互协调配合的运动关系的示意图。 二、本章重点 工作原理方案的设计；工艺过程和运动规律的设计 三、本章难点 机器的运动循环图设计,小结与例题,例4-1 打印机构的工作原理如下图所示。打印头在控制系统的控制下，完成对产品的打印。试绘出打印机的运动循环图。 解: (1) 确定打印头的运动循环 若给定打印机构的生产批量为4500件/班，理论生产率为： QT4500/(8×60 ) 9.4件/min 可取 QT 10件/min 则打印机构的工作循环时间为： TP1/n=l/10min6s,图4-6 打印机构,典型例题精解,根据打印的工艺功能要求，打印头的运动循环由下列四段组成： Tk打印头向下接近产品； Ts打印头打印产品时的停留； Td打印头的向上返回运动； T0打印头在初始位置上的停留。 因此有：Tp TkTsTd T0。 (3) 确定运动循环内各区段的时间及分配轴转角 根据工艺要求，打印头应在产品上停留的时间为： Ts= 2s 相应的Tk和Td可根据执行机构的可能运动规律初步确定为： Tk2 s，Td= 1 s 则得 T01 s,(2) 确定运动循环的组成区段,(4) 绘制执行机构的运动循环图,打印机的循环图,当系统中有多个执行构件时，将它们的运动循环画在同一个图中，就构成了系统的运动循环图。,S,f,0 90 180 270 360,f1,f2,f3,f4,将以上的计算结果绘成直角坐标式循环图，如下图。,相应的分配转角为：360= k1+ S1+ d1+ 01,k1= 360× Ts/Tp =120 S1 = 120 d1= 01= 60,(1) 功能分析,功能要求：自动换刀，并能沿工件轴向完成进给运动。,例4-2 机器的功能分解与运动循环图设计,右图所示的C1325自动车床刀架机械传动系统。分析其功能分解并作出它的运动循环图。 功能要求： 自动换刀 轴向进给,C1325自动车床刀架机械传动系统,功能分解： 转位转塔刀架每次转过60 ； 让刀转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉； 定位将保证加工精度的定位销，转位之前拔出； 进、退刀不转时，精确实现预定的进退刀运动。 退刀：压簧12 推杆13回程齿轮6 齿条7 活动支架8向右完成退刀。,让刀：退刀的同时，齿轮1 的离合器结合并开始转动 过宽齿轮2 锥齿轮3 圆柱凸轮机构4拔出销10 ；同时，曲柄5旋转支架8快速向右让刀。 转位：让刀快结束时，槽轮开始转位曲柄5的后半圈支架8向左移动完成复位。 定位：转位结束时，凸轮机构4的推杆摆动插入定位销10，齿轮1离合器脱开并停止运转。 进给: 推杆13推程齿轮6齿条7活动支架8向左完成进给。,刀架机械传动系统的工作循环图如下图所示 ：,刀架机械传动系统的工作循环图,