机构组合方式的优化方案

一般来说，一部机器可能是由多种机构组成的组合体，也可能是一个基本的机构，如电动机。

前面项目所介绍的常用机构，如带轮机构、链轮机构、齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、棘轮机构、槽轮机构、螺旋机构等，这些机构以独立的形式出现，能够单独实现运动和动力的传递，称为基本机构。

实际上，由于单一基本机构本身所固有的局限性，往往难以满足机器对运动形式复杂的设计要求，因而设计时通常根据需要把各种基本机构进行适当的组合，使各基本机构的优势互补，从而形成结构简单、设计方便、性能良好的机构组合系统，称之为组合机构。采用机构组合是进行机械系统设计的常用方法之一。

一、常见的机构组合方式

机构的组合方式有多种，在机构的组合系统中，单个基本机构成为组合机构的子机构。常见的组合方式有串联式、并联式、反馈式以及复合式等。机构的组合是发展新机构的重要途径之一。

组合机构可以由同一类型的基本机构组成，也可以是不同类型的基本机构的组合。下面仅对一些比较简单的典型组合机构进行简单的介绍，以对机构的组合方法有所了解。

（一）串联式组合

图7－3　书籍打包机的送书机构

在机构组合系统中，若前一级子机构的输出构件即为后一级子机构的输入构件，则这种组合方式称为串联式，串联式组合机构应用比较广泛。

图7－3（a）所示为书籍打包机的送书机构。它是由凸轮机构和摇杆滑块机构组成的组合机构，凸轮机构由构件1－2－3－5（子机构Ⅰ）组成，摇杆滑块机构由构件3－4－5－6（子机构Ⅱ）组成。当具有曲线凹槽的盘形凸轮1等速回转时，通过嵌入凹槽内的滚子从动件2，带动摇杆滑块机构的摇杆3按凸轮机构给定的规律摆动，再通过摇杆滑块机构的放大，实现较大的滑块位移，推动书堆进入包装位置。凸轮继续回转时，滑块有一停止期（凸轮机构从动件处于休止位置）。包装完后，再进行下一个送书运动循环。这种运动规律，用连杆机构是难以实现的，而单一的凸轮机构若要实现较大推程，又会使机构过于庞大。利用凸轮－连杆机构的串联组合就可以实现运动的放大和机构优势的互补。图7－3（b）所示为这种组合机构的方框图。

（二）并联式组合

在机构组合系统中，若干子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统。这种组合方式称为并联式。

图7－4（a）所示为双色胶版印刷机中的接纸机构。图中凸轮1、1′为同一构件，当其转动时，同时带动四杆机构ABCD（子机构Ⅰ）和四杆机构GHKM（子机构Ⅱ）运动，而这两个四杆机构的输出运动又同时传给五杆机构DEFNM（子机构Ⅲ），从而使连杆9上的P点描绘出所要求的运动轨迹。图7－4（b）所示为这种机构的方框图。

图7－4　双色胶版印刷机中的接纸机构

任务实施

任务内容：

图7－2所示牛头刨床运动要求为滑枕沿机身上的水平导轨作往复直线运动。滑枕的前端装有刀架。横梁可沿床身的垂直导轨移动。工作台可在横梁的导轨上作水平方向的进给运动，工作台横向进给机构通过丝杠实现进给运动。滑枕的往复运动和工作台的进给运动通过电动机来驱动。根据牛头刨床的运动要求设计机械系统方案。

任务步骤：

机械系统方案设计是一项创造性的工作，无成规可循，需根据使用要求、工艺要求进行设计。现以牛头刨床为例，说明机械执行系统的方案设计的一般思路和方法。

一、确定牛头刨床的工作原理

牛头刨床的功能是加工长度比较大的平面。其工作原理是：刨刀作往复纵向刨削和退刀运动；同时，夹持工件的工作台作间歇横向进给运动，即当刨刀刨削时工作台静止不动，而退刀时工作台横向进给。

为了提高加工表面的质量，刨削时，装有刨刀的刀架应速度均匀，同时每次工作台的进给量应相同，并能在一定范围内调整。为了提高生产率，刀架应有空程急回特性；同时工作台应能作正反两个方向的间歇进给运动，即当工件表面被刨削一层后，调整刨刀下移一个切削深度，简单调整进给机构，工作台即可反向间歇进给，刨削工件的深一层表面。如此往复，直至达到要求。

由以上分析可知，牛头刨床的刀架和工作台即是机械系统中的两个执行构件。

二、确定牛头刨床的执行机构类型

（一）刀架切削运动执行机构类型选择(www.xing528.com)

图7－5　摆动导杆与摆动滑块串联组合机构

切削工具是安装在刀架上的刨刀，刀架的运动为往复直线运动。可实现刀架运动的机构有齿轮齿条机构、螺旋机构、直动从动件盘形凸轮机构、曲柄滑块机构及摆动导杆与摆动滑块组合机构等。

对以上机构进行对比分析，螺旋机构、齿轮齿条机构虽然工作行程速度均匀，但必须有换向和变速机构，才能使刀架往复运动并具有空程急回特性，且两端冲击大；直动从动件盘形凸轮机构虽容易满足刀架工作行程速度均匀和空程急回特性的运动要求，但高副机构力的传递能力差，易磨损；曲柄滑块机构虽传力性能好，且偏置有急回特性，但其工作行程速度不均匀。以上机构都不是理想的刀架切削运动执行机构。

图7－5所示为摆动导杆与摆动滑块串联组合机构，当曲柄2等速回转时，导杆4往复摆动，摇块1绕O1摆动，滑块5则作往复直线运动，这种低副组合机构的传力性能好。工作可靠，工作行程较为均匀，有空程急回特性。与上述几种机构相比，其具有明显的优势，故可选定为刀架切削运动执行机构。

（二）工作台进给运动机构方案设计

工作台的进给运动为：刨削时工作台静止不动，刨刀空程急回时工作台作等量直线进给运动，同时还要求工作台可作反向进给运动。

螺旋机构和齿轮齿条机构都可实现工作台的等量直线进给和反向进给。但螺旋机构具有自锁性，故不进给时工作台会自行锁定不动。齿轮齿条机构没有自锁特性，要使进给时工作台固定不动，必须另设定位机构。相比之下，螺旋机构结构简单，制造容易，应优先选用。

螺旋机构虽可直线进给并自锁，但要做到间歇进给、正反向进给和进给量可调整，必须选择能满足以上要求的间歇运动机构来驱动螺旋机构。可供选择的间歇机构有槽轮机构、棘轮机构等。槽轮机构虽能实现间歇回转运动，但槽轮机构每次转过的角度不能调节，故不宜采用。棘轮机构能够实现间歇回转运动，且转角大小可根据工作需要调节，双向式棘轮机构可实现正反转驱动螺旋机构，因而棘轮机构是可供选用的理想机构。

图7－6　可改变棘轮转角的组合机构

棘轮机构的动停时间之比，可选用一曲柄长度可调节的曲柄摇杆机构与双向式棘轮机构串联起来，组成一组合机构。如图7－6所示，通过转动螺杆1改变曲柄的长度r来改变摇杆3的摆角大小，从而达到棘轮转角的改变。待棘爪4翻到双点画线位置时，棘轮将作反向间歇运动，工作台即反向进给。最后的进给机构方案应是一个螺旋机构——双向式棘轮机构和曲柄摇杆机构的串联式组合机构。

二、原动机选择

按照拟定的牛头刨床工作原理，在可选择的原动机中，交流异步电动机最为适宜，可满足回转运动的要求，且价格低廉、运行可靠、使用维护方便。如前所述，牛头刨床的刨刀运动须与工作台运动协调配合，故原动机应为同一台电动机。

三、传动系统方案的拟定

如何把原动机的运动和动力传递给工作机构，这需要根据牛头刨床的工作特性和原动机的特性来选择适当的传动类型。显然，电动机的转速较高，而刨刀运动执行机构的原动件曲柄和工作台运动执行机构的原动件曲柄所要求的转速较低。因此，整个传动系统的总传动比较大。根据所需要的传动比初估值，并考虑各类传动机构的单级传动比值，传动系统选用带轮机构和传动比恒定、结构紧凑、效率高的齿轮机构组成。

对于刨刀动作与工作台动作的协调配合，由于在一个工作循环中，刀架运动执行机构的原动件曲柄轴和工作台送进机构的原动件曲柄轴都回转一周，所以这两根曲柄轴之间须用一对齿数相同的齿轮连接起来，以使两曲柄轴以相同的转速等速回转，从而使刀架和工作台作协调配合，实现刨削平面的切削加工。

四、绘制牛头刨床机构的运动简图

图7－7所示为根据上面分析选定的具体机构后，绘制出的牛头刨床的机械系统方案设计图——机构运动简图。

图7－7　牛头刨床机构运动简图

电动机1经V带传动机构2和齿轮变速机构（定轴轮系）3带动齿轮4作连续转动，齿轮4与大齿轮5相啮合，驱使大齿轮5连续转动。大齿轮5上装有用销轴连接的滑块8，它一面可绕销轴转动，同时又可在导杆21的导槽中滑动。导杆的下部与另一滑块6相连接，而滑块6可绕机架7上的销轴转动。大齿轮5转动时便可通过滑块8带动导杆往复摆动。导杆的上端用销轴与滑枕24相连，刀架17固定在滑枕的前端用来安装刨刀，随同滑枕一起运动。这样，当导杆往复摆动时，即可驱动刨刀作切削运动。

工作台15的横向间歇进给运动是通过齿轮9与齿轮22的啮合传动来实现的。齿轮22与齿轮9的齿数相等，齿轮22与大齿轮5固联在一起。连杆11的一端通过销轴与齿轮9相连接，另一端与棘轮机构的摇杆12相连接。这样，当大齿轮5转一周时，齿轮9也转过一周，摇杆往复摆动一次。此时，由棘爪14拨动棘轮13与横向进给丝杠一起间歇转动，从而实现工作台的横向间歇移动。切削运动和横向进给运动协调配合，以保证横向进给运动在刨刀非切削行程中进行。锥齿轮机构23、18和16分别用来转动丝杠19、20和10，以改变滑枕的行程、调整滑枕与机架的相对位置和调整工作台的高度。