机械原理 — 机械执行系统方案设计
第 14章 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.1 执行系统方案设计的过程和内容
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.2 执行系统的功能原理设计
根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作
原理来实现这一功能要求。
14.2.1功能原理的构思与选择
功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现
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或者工艺要求，从中选择出
既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作
原理。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
举例,
自动送料板装置的功能原理设计
? 机械推拉原理
? 摩擦传动原理 (摩擦板 )
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 摩擦传动原理 (摩擦轮 )
? 气吸原理 (底吸法 )
? 气吸原理 (顶吸法 )
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总结
? 实现某种预期的要求，可以采用多种不同
的工作原理；
? 不同的工作原理需要不同的工艺动作，这
样所设计出的机械在工作性能、工作品质
和适用场合等方面都会有很大的差别。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.2.2 功能原理的创造性
? 分析综合法
将机械预期实现的功能分解为各种分功能, 分
析其本质, 进行各分功能原理设计, 最后把分功能
原理组合起来, 组成一个新的系统 。
美国阿波罗登月
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 思维扩展法
在进行机械功能原理设计时，设计者一定要拓
宽自己的思路，广泛采用气、液、光、声。电、新
材料等新技术，构思出新的功能原理。
挖土机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 还原创新法
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劈新径，构思
新的功能原理。
洗衣机
揉搓原理 刷擦原理 捶打原理
设计模仿人手的
机械手，难度大
易损坏衣物 很难把衣物各处
都刷洗到
机械原理 — 机械执行系统方案设计
波轮洗衣机 滚筒洗衣机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
工艺动作十分简单, 针杆做往复移动,
拉线杆和摆梭做往复摆动, 送布牙的轨迹由
复合运动实现, 这几个动作的协调配合, 便
实现了缝联布料的功能要求 。
? 家用缝纫机的发明
采用摆梭使底线
绕过面线将布料
加紧的原理
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.3 执行系统的运动规律设计
14.3.1 工艺动作分解和运动方案选择
工艺动作分解是运动规律设计的基础，工艺动
作分解的方法不同，形成的运动方案也相同。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 内孔加工
车床
拉床
钻床
镗床
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总结
? 同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工
艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运
动方案也相同，它们很大程度上决定了机械的特
点、性能和复杂程度。
? 在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合
考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规
律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最
佳方案。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.3.2 运动规律设计的创造性
运动规律的设计是一种创造性的工作。
?仿真法
模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，
构思出实现某一工作原理的运动规律。
吊车, 模仿人手拿东 西的动作
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 搓元宵机
整个装置由旋转圆盘 1、
连杆 2和 3,转动构件 4和机架
5所组成的空间五杆机构 。 运
动由圆盘 1输入, 通过装在圆
盘外圈上的球形铰链带动连
杆 3,2和转动构件 4运动, 从
而使工作箱做空间振摆运动,
工作箱中的元宵馅在些许湿
润的元宵粉末中多方向滚动,
即可制成元宵 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 思维扩展法
从传统的定式思维方式转向发散思维，拓展思
路，尽可能采用简单易行的运动规律。
钢球综合检测的装置
利用滚珠在平面上
跳动所走的路线来
判定其是否合格。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 分选不同直径钢珠的装置
钢珠沿着两个斜放
的不等距棒条滚动,
实现钢珠尺寸分级
的目的 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
典型例题
? 绘图机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4 执行机构的型式设计
14.4.1 执行机构型式设计的原则
1.满足执行构件的工艺动作和运动要求
运动形式、运动规律和运动轨迹
2,尽量简化和缩短运动链
机械原理 — 机械执行系统方案设计
精确直线导向机构 近似直线导向机构
机械原理 — 机械执行系统方案设计
简化结构
减轻重量
冲压机：保证曲柄转速不变
机械原理 — 机械执行系统方案设计
3,尽量减小机构的尺寸
? 保证滑块行程不变
利用杠杆行程放大原理
利用活动齿轮倍增行程原理
机械原理 — 机械执行系统方案设计
4,选择合适的运动副形式
运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重
要作用, 它直接影响到机械的结构形式, 传动效率,
寿命和灵敏度等 。
一般来说, 转动副易于制造, 易于保证运动副
元素的配合精度, 且效率较高；移动副制造较困难,
不易保证配合精度, 效率低且易自锁或楔紧, 故一
般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
转动副代替移动副实例
? 近似直线导向机构
机械原理 — 机械执行系统方案设计
5,考虑动力源的形式
? 选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善
机械性能。
例：执行构件作等速往复直线运动
需要单独的电动机和传动
机构驱动原动件, 且采用
连杆机构把转动变为执行
机构的等速往复直线运动,
结构复杂 。
不仅省去了传动机构，而且
一个动力源可以驱动多个执
行机构，机构简单紧凑，反
向时运转平稳，易于调节移
动速度。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
6,使执行系统具有良好的传力条件和动力特性
设计时，应注意选用具有最大传动角、最大增
力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上
的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽
量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计
等。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
7, 使机械具有调节某些运动参数的能力
? 具有调节滑块最大行程功能的机构
摆杆 1可绕铰链转动, 它
所处的位置不同, 滑块的
最大行程也随之变化 。 摆
杆 1调到合适的位置后锁
紧, 则机构只有一个自由
度 。 此时滑块 2在 1上上下
滑动 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
8,保证机械的安全运转
必须考虑防止出现机械意外损坏或生产,
人身事故 。 例如可以采取具有过载保护功能
的带传动, 设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机
构等 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4.2 机构的选型
利用发散思维的方法, 将前人创造发明的各种
机构按照运动特性或动作功能进行分类, 然后根据
设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能
进行搜索, 选择, 比较和评价, 选出执行机构的合
适形式 。
1．按照执行构件所需的运动特性进行机构选型
从具有相同运动特性的机构中, 按照执行构件
所需的运动特性进行搜寻 。 当有多种机构均可满足
所需要求时, 则可根据上节所述原则, 对初选的机
构形式进行分析和比较, 从中选择出较优的机构 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
2．按照动作功能分解与组合原理及型机构选型
任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些
基本机构组成的, 这些基本机构具有如下基本功能,
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 动作功能分解组合原理
总体功能可以分解成若干分功能,
U=(Ui) i=1,2,…,m
每一个分功能又可以用不同的机构来实现,
Tj=(ti1,ti2,…,tin ) j=1,2,…,n
功能 -技术矩阵,
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找
出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能
的方案。
? 在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为,
N=nm
? 得到各种方案后，先剔除一些明显不成立的、不
符合要求的方案，然后按照上节所述的原则，筛
选出一些较合理的方案，以供进一步评价。这种
方法有利于利用计算机存储、分析和选择，具有
广阔前景。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
精锻机主机构选型举例
? 总体功能
当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出
较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平
布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执
行机构的若干方案。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 动作功能分解
(1)运动形式变换功能：将驱动轴的转动变换为冲
头的移动；
(2)运动轴线变向功能 将水平轴运动变换为铅垂方
向运动；
(3)运动位移或速度缩小功能 减小位移量 （ 或速
度 ）, 以实现增力要求 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 功能 -技术矩阵图
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 将各分功能进行组合，得出可行方案
将三个分功能按不同的顺序排列，得到各种方
案的示例
机械原理 — 机械执行系统方案设计
几种典型方案示例
? 方案 1
先由曲柄滑块机构
将转动变换成移动并实
现运动大小变换功能,
再采用斜面机构将水平
轴运动变换为铅垂方向
运动并实现运动大小变
换功能 。
特点,采用斜面机构增强了系统刚度，经过两次
运动大小变换增加了锻压力。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 2
先由曲柄滑块机构
将转动变换成移动并实
现运动大小变换功能,
再采用液压机构将水平
轴运动变换为铅垂方向
运动并实现运动大小变
换功能 。
特点,经过两次运动大小变换，可见有较大的锻
压力。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 3
先由曲柄滑块机构实现运动大
小变换功能, 再采用摆杆滑块机构
将水平轴运动变换为铅垂方向的移
动并实现运动大小变换功能 。
特点,经过两次运动大小变换, 具有较大的力 。
缺点,系统刚度较差。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 4
先由摩擦轮机构将水平
轴转动变换为铅垂轴转动,
再采用螺旋机构将转动变换
为往复移动并实现运动大小
变换功能 。
特点,螺旋机构具有很好的运动大小变换功能,
可产生很大的锻压力 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4.3 机构的构型
机械原理 — 机械执行系统方案设计
1.选择
对现有的数千种机构进行分析、研究，通过类
比选择出基本机构的雏形。
2.突破
以选择的雏形作为创新构型的生长点，通过扩
展、组合和变异等方法去尝试突破，以获得新构思。
3.重新构型
在突破的基础上，重新构筑能完成预期功能且
性能优良的新机构。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(1) 扩展法
用类比法选择的基本机构雏形在满足运
动特性或功能上有欠缺时, 可以以此机构为
生长点, 在其上联接若干基本杆组构筑出新
的机构形式 。
优点,是在不改变机构自由度的情况下, 能
增加或改善机构的功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大
的执行机构
以摆动导杆机构 ABC
为基本机构, 在其导杆
CB的延长线上 D点处连接
一个双杆组, 形成六杆
机构, 满足急回, 扩大
行程等工作要求 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(2) 组合法
将几种基本机构用适当的方式组合起来，实现
基本机构不易实现的运动或功能。
常用组合方式
?
?
?
?
?
?
?
复合式组合
反馈式组合
并联式组合
串联式组合
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 组合法实例
要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特
性和较大摆动行程, 当不能完全满足要求时, 可
将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合, 这样, 固
结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性,
且可获得较大的摆动行程 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(3) 变异法
通过运动副形状, 尺寸和位置安排上的变化生
成新的机构型式 。 常用的方法有运动倒置和运动副
变换等 。
? 运动倒置
运动倒置就是机架变换 。 利用
机架变换发现现有机构的内在
联系是机构发生变异 。
例,人类正常步行时, 脚跟相
对于腰部的轨迹
机械原理 — 机械执行系统方案设计
以六杆机构来模拟人脚的运动, 以不同构件为
机架可得到不同的方案 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 运动副变换
运动副是机构运动变换的主要元素, 通过运动
副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之
一 。
常用的变换方式
?
?
?
?
?
低副变高副
高副变低副
转动副变移动副
机械原理 — 机械执行系统方案设计
低副变异为高副
?
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 典型例题
干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压
成圆型片坯 。 根据生产条件和粉料的特性, 决定
选用电动机作为动力源, 选择刚体推压传动原理 。
其工作过程如下,
加入粉料 → 下冲头下沉 → 上下冲头加压 → 上冲头
退回, 下冲头上顶 → 推走片坯 。
试对上冲头主加压机构进行
机构型式设计 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 根据动作功能分解与组合原理进行机构选型
基本功能
?运动形式变换功能（将驱动轴的转动变为冲头的
移动）
?运动方向交替变换功能（冲头往复运动）、运动
缩小功能（减小速度，以获得较大压力）
?运动停歇功能（冲头加压）。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 功能技术矩阵
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 初选方案
方案 1
方案 2
方案 3
方案 5
方案 4
机械原理 — 机械执行系统方案设计
由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附
加要求, 而初选方案均不具备这种功能, 故需进
行机构创新构型, 以达到设计要求 。
? 选择 方案 4 作为原型进行机构创新构型
(1)扩展法
机械原理 — 机械执行系统方案设计
在四杆机构连杆 BC的延长线上找一点 H,该点的
运动轨迹中有一段直线或近似直线 。 在该点加一个
RPR双杆组, 且使 GH与此直线轨迹段平行, 则当 H点
运动在直线段上时, 导杆 GH将处于停歇状态, 即使
冲头 F有了停歇功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(2) 组合法
采用四杆机构与曲柄滑块
机构的串联组合, 将两机构于
极限位置时串联, 则该位置时
滑块 F的速度为零, 即滑块实
现了近似的停歇 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(3) 变异法
? 将铰链四杆机构变为摆杆机
构, 得到摆动导杆机构与摆杆
滑块机构的串联组合方案 。
? 再将导杆槽改为曲线槽, 则
可使冲头 F获得准确的停歇功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5 执行系统的协调设计
14.5.1 执行系统协调设计的原则
当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和
各执行机构的运动规律, 并确定了各执行机构的型
式及驱动方式后, 还必须将各执行机构统一于一个
整体, 形成一个完整的执行系统, 使这些机构以一
定的次序协调工作, 互相配合, 以完成机械预定的
功能和生产过程 — 执行系统的协调设计 。
? 满足各执行机构动作先后的顺序性要求；
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求；
? 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；
? 满足各执行机构操作上的协同性要求；
? 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产
率；
? 各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和
效率的提高 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5.2 执行系统协调设计的方法
工程实际中的大多数机械的工作都是周期性的,
即经过一定的时间间隔后, 各执行构件的位移, 速
度和加速度等运动参数就周期性的重复 。
1.协调设计的步骤
? 确定机械的工作循环周期；
? 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行
程段及其所需时间；
? 确定各执行构件动作间的协调配合关系 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：冷霜自动灌装机
? 确定机械的工作循环周期
根据设计任务书中给定的理论生产率 Q=30 盒 /min，
计算出该机械运动的循环周期 T=60/30=2s
? 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行
程段及其所需时间
基本动作
机械原理 — 机械执行系统方案设计
1．输送带的连续运动
2．轮盘的间歇转动
3．顶杆的往复运动
4．定量泵活塞的往复运动
机械原理 — 机械执行系统方案设计
各行程区段所需时间的计算详见 14.5.3机械运
动循环图 。
? 确定各执行构件动作间的协调配合关系
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 冷霜自动灌装机各执行机构协调配合的完
整的执行系统
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5.3 机械运动循环图
描述各执行构件运动间相互协调配合的图 — 机
械运动循环图
由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内
完成一个运动循环, 故运动循环图常以主轴或分配
轴的转角为坐标来编制 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：冷霜自动灌装机的运动循环图
? 直线式
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 圆周式
? 直角坐标式
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.6 方案评价与决策
1,方案评价的意义
? 寻求一种既能实现预期功能要求, 又性能优良,
价格低廉的设计方案 。
? 由于工作原理, 工艺动作分解方法及机构型式的
不同, 会形成多种设计方案 。 方案评价的目的在
于通过科学的评价, 决策来优选出最佳的方案 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
2,评价准则、评价指标和评价体系
评价准则
? 设计目标
从哪些方面、以什么原则、达到什么标
准为优；
? 设计指标
具体的约束限制。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
评价指标
? 系统功能, 实现运动规律或运动轨迹, 实现工艺
动作的准确性, 特定功能等；
? 运动性能, 运转速度, 行程可调性, 运动精度等；
? 动力性能, 承载能力, 增力特性, 传力特性, 振
动噪音等；
? 工作性能, 效率高低, 寿命长短, 可操作性, 安
全性, 可靠性, 适用范围等；
? 经济性, 加工难易, 能耗大小, 制造成本等；
? 结构紧凑性, 尺寸, 重量, 结构复杂性等 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
评价体系
通过一定范围内的专家咨询, 确定评价指标及
其评定方法 。 建立评价体系, 要注意其针对性和科
学性 。
3.评价方法
(1)经验性的概略评价法
请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排
除法直接评价 。
(2)计算性的数学分析评价法
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 评分法
建立评价体系 → 选择评分方法 → 选择评分标准
→ 对各个项目进行评分 → 选择总分计分法, 计算总
分 → 选取高分者为优选方案 。
评分方法有直接评分法和加权系数法 。 后者按
各评价项目的重要程度确定其权重, 每项打分都乘
以相应的加权系数 。
评分标准
分值 0 1 2 3 4
优劣程度 不能用 达标 比较好 良好 理想
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总分计算
方法 计算公式
相加法 Q=Σ qi
连乘法 Q=Π qi
均值法 Q=Σ qi/n i=1,2,…,n
相对值法 Q=Σ qi/nQ0 i=1,2,…,n Q0为理想值
有效值法 N=Σ wiqi wi为加权系数
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 技术 -经济评价法
综合考虑了技术类指标和经济类指标, 评价值
一般为相对于理想状态的相对值 。
? 模糊评价法
用 [0,1]区间内的连续数值代替评分法中的离
散数值来表达评价值, 使评价结果更为准确 。
(3)实践性的试验评价法
对重要的方案设计问题, 可通过模型试验或计
算机模拟实验来进行评价 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
4,评价结果的处理 -再设计
设计的过程是一个设计 -评价 -再设计 -再评价的
过程, 直到达到最优方案 。
典型例题
推纸机构的功能是将
纸库中的纸一张一张推出,
主运动为往复直线运动 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
现有三个方案,
凸轮摆杆机构 曲柄摆杆机构 施蒂芬森机构
试用评分法进行评价。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
P1— 系统功能； p2 — 运动性能；
p3— 动力性能； p4 — 工作性能；
p5— 结构紧凑性
解：选用直接评分法、相加法，则有
? 凸轮摆杆机构,Q=1+0.75+0.75+0.75+0.75=4
? 曲柄摆杆机构,Q=0.75+0.75+0.75+0.75+0.6=3.6
? 施蒂芬森机构,Q=0.75+0.75+0.75+0.6+0.6=3.45
故凸轮摆杆机构较优
机械原理 — 机械执行系统方案设计
参考文献
1.曾惟庆, 徐增荫主编, 机构设计, 北京：机械工
业出版社, 1993
2.孟宪源主编, 现代机构手册,北京：机械工业出
版社, 1994
3.邹惠军编著, 机械系统设计, 上海：上海科学技
术出版社, 1996
第 14章 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.1 执行系统方案设计的过程和内容
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.2 执行系统的功能原理设计
根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作
原理来实现这一功能要求。
14.2.1功能原理的构思与选择
功能原理设计的任务，就是根据机械预期实现
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或者工艺要求，从中选择出
既能很好的满足功能要求，工艺动作又简单的工作
原理。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
举例,
自动送料板装置的功能原理设计
? 机械推拉原理
? 摩擦传动原理 (摩擦板 )
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 摩擦传动原理 (摩擦轮 )
? 气吸原理 (底吸法 )
? 气吸原理 (顶吸法 )
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总结
? 实现某种预期的要求，可以采用多种不同
的工作原理；
? 不同的工作原理需要不同的工艺动作，这
样所设计出的机械在工作性能、工作品质
和适用场合等方面都会有很大的差别。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.2.2 功能原理的创造性
? 分析综合法
将机械预期实现的功能分解为各种分功能, 分
析其本质, 进行各分功能原理设计, 最后把分功能
原理组合起来, 组成一个新的系统 。
美国阿波罗登月
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 思维扩展法
在进行机械功能原理设计时，设计者一定要拓
宽自己的思路，广泛采用气、液、光、声。电、新
材料等新技术，构思出新的功能原理。
挖土机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 还原创新法
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劈新径，构思
新的功能原理。
洗衣机
揉搓原理 刷擦原理 捶打原理
设计模仿人手的
机械手，难度大
易损坏衣物 很难把衣物各处
都刷洗到
机械原理 — 机械执行系统方案设计
波轮洗衣机 滚筒洗衣机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
工艺动作十分简单, 针杆做往复移动,
拉线杆和摆梭做往复摆动, 送布牙的轨迹由
复合运动实现, 这几个动作的协调配合, 便
实现了缝联布料的功能要求 。
? 家用缝纫机的发明
采用摆梭使底线
绕过面线将布料
加紧的原理
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.3 执行系统的运动规律设计
14.3.1 工艺动作分解和运动方案选择
工艺动作分解是运动规律设计的基础，工艺动
作分解的方法不同，形成的运动方案也相同。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 内孔加工
车床
拉床
钻床
镗床
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总结
? 同一个工艺动作，可以分解成各种简单运动，工
艺动作分解的方法不同，所得到的运动规律和运
动方案也相同，它们很大程度上决定了机械的特
点、性能和复杂程度。
? 在进行运动规律设计和运动方案选择时，应综合
考虑各方面的因素，根据实际情况对各种运动规
律和运动方案加以认真分析和比较，从中选出最
佳方案。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.3.2 运动规律设计的创造性
运动规律的设计是一种创造性的工作。
?仿真法
模拟人或者动物的动作将工艺动作进行分解，
构思出实现某一工作原理的运动规律。
吊车, 模仿人手拿东 西的动作
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 搓元宵机
整个装置由旋转圆盘 1、
连杆 2和 3,转动构件 4和机架
5所组成的空间五杆机构 。 运
动由圆盘 1输入, 通过装在圆
盘外圈上的球形铰链带动连
杆 3,2和转动构件 4运动, 从
而使工作箱做空间振摆运动,
工作箱中的元宵馅在些许湿
润的元宵粉末中多方向滚动,
即可制成元宵 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 思维扩展法
从传统的定式思维方式转向发散思维，拓展思
路，尽可能采用简单易行的运动规律。
钢球综合检测的装置
利用滚珠在平面上
跳动所走的路线来
判定其是否合格。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 分选不同直径钢珠的装置
钢珠沿着两个斜放
的不等距棒条滚动,
实现钢珠尺寸分级
的目的 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
典型例题
? 绘图机
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4 执行机构的型式设计
14.4.1 执行机构型式设计的原则
1.满足执行构件的工艺动作和运动要求
运动形式、运动规律和运动轨迹
2,尽量简化和缩短运动链
机械原理 — 机械执行系统方案设计
精确直线导向机构 近似直线导向机构
机械原理 — 机械执行系统方案设计
简化结构
减轻重量
冲压机：保证曲柄转速不变
机械原理 — 机械执行系统方案设计
3,尽量减小机构的尺寸
? 保证滑块行程不变
利用杠杆行程放大原理
利用活动齿轮倍增行程原理
机械原理 — 机械执行系统方案设计
4,选择合适的运动副形式
运动副在机械传递运动和动力的过程中起着重
要作用, 它直接影响到机械的结构形式, 传动效率,
寿命和灵敏度等 。
一般来说, 转动副易于制造, 易于保证运动副
元素的配合精度, 且效率较高；移动副制造较困难,
不易保证配合精度, 效率低且易自锁或楔紧, 故一
般只宜用于作直线运动或将转动变为移动的场合 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
转动副代替移动副实例
? 近似直线导向机构
机械原理 — 机械执行系统方案设计
5,考虑动力源的形式
? 选择合适的动力源，有利于简化机构结构和改善
机械性能。
例：执行构件作等速往复直线运动
需要单独的电动机和传动
机构驱动原动件, 且采用
连杆机构把转动变为执行
机构的等速往复直线运动,
结构复杂 。
不仅省去了传动机构，而且
一个动力源可以驱动多个执
行机构，机构简单紧凑，反
向时运转平稳，易于调节移
动速度。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
6,使执行系统具有良好的传力条件和动力特性
设计时，应注意选用具有最大传动角、最大增
力系数和最高效率的机构，这样可以减小主动轴上
的力矩和原动机的功率及机构的尺寸和重量；应尽
量避免采用虚约束；高速运转机构应考虑平衡设计
等。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
7, 使机械具有调节某些运动参数的能力
? 具有调节滑块最大行程功能的机构
摆杆 1可绕铰链转动, 它
所处的位置不同, 滑块的
最大行程也随之变化 。 摆
杆 1调到合适的位置后锁
紧, 则机构只有一个自由
度 。 此时滑块 2在 1上上下
滑动 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
8,保证机械的安全运转
必须考虑防止出现机械意外损坏或生产,
人身事故 。 例如可以采取具有过载保护功能
的带传动, 设置具有自锁功能的蜗杆蜗轮机
构等 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4.2 机构的选型
利用发散思维的方法, 将前人创造发明的各种
机构按照运动特性或动作功能进行分类, 然后根据
设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能
进行搜索, 选择, 比较和评价, 选出执行机构的合
适形式 。
1．按照执行构件所需的运动特性进行机构选型
从具有相同运动特性的机构中, 按照执行构件
所需的运动特性进行搜寻 。 当有多种机构均可满足
所需要求时, 则可根据上节所述原则, 对初选的机
构形式进行分析和比较, 从中选择出较优的机构 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
2．按照动作功能分解与组合原理及型机构选型
任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些
基本机构组成的, 这些基本机构具有如下基本功能,
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 动作功能分解组合原理
总体功能可以分解成若干分功能,
U=(Ui) i=1,2,…,m
每一个分功能又可以用不同的机构来实现,
Tj=(ti1,ti2,…,tin ) j=1,2,…,n
功能 -技术矩阵,
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找
出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能
的方案。
? 在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为,
N=nm
? 得到各种方案后，先剔除一些明显不成立的、不
符合要求的方案，然后按照上节所述的原则，筛
选出一些较合理的方案，以供进一步评价。这种
方法有利于利用计算机存储、分析和选择，具有
广阔前景。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
精锻机主机构选型举例
? 总体功能
当加压执行构件（冲头）上下运动时，能锻出
较高精度的毛坯。根据空间条件，驱动轴必须水平
布置，加压执行构件沿铅垂方向移动。试构思该执
行机构的若干方案。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 动作功能分解
(1)运动形式变换功能：将驱动轴的转动变换为冲
头的移动；
(2)运动轴线变向功能 将水平轴运动变换为铅垂方
向运动；
(3)运动位移或速度缩小功能 减小位移量 （ 或速
度 ）, 以实现增力要求 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 功能 -技术矩阵图
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 将各分功能进行组合，得出可行方案
将三个分功能按不同的顺序排列，得到各种方
案的示例
机械原理 — 机械执行系统方案设计
几种典型方案示例
? 方案 1
先由曲柄滑块机构
将转动变换成移动并实
现运动大小变换功能,
再采用斜面机构将水平
轴运动变换为铅垂方向
运动并实现运动大小变
换功能 。
特点,采用斜面机构增强了系统刚度，经过两次
运动大小变换增加了锻压力。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 2
先由曲柄滑块机构
将转动变换成移动并实
现运动大小变换功能,
再采用液压机构将水平
轴运动变换为铅垂方向
运动并实现运动大小变
换功能 。
特点,经过两次运动大小变换，可见有较大的锻
压力。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 3
先由曲柄滑块机构实现运动大
小变换功能, 再采用摆杆滑块机构
将水平轴运动变换为铅垂方向的移
动并实现运动大小变换功能 。
特点,经过两次运动大小变换, 具有较大的力 。
缺点,系统刚度较差。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 方案 4
先由摩擦轮机构将水平
轴转动变换为铅垂轴转动,
再采用螺旋机构将转动变换
为往复移动并实现运动大小
变换功能 。
特点,螺旋机构具有很好的运动大小变换功能,
可产生很大的锻压力 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.4.3 机构的构型
机械原理 — 机械执行系统方案设计
1.选择
对现有的数千种机构进行分析、研究，通过类
比选择出基本机构的雏形。
2.突破
以选择的雏形作为创新构型的生长点，通过扩
展、组合和变异等方法去尝试突破，以获得新构思。
3.重新构型
在突破的基础上，重新构筑能完成预期功能且
性能优良的新机构。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(1) 扩展法
用类比法选择的基本机构雏形在满足运
动特性或功能上有欠缺时, 可以以此机构为
生长点, 在其上联接若干基本杆组构筑出新
的机构形式 。
优点,是在不改变机构自由度的情况下, 能
增加或改善机构的功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：设计一个急回特性比较显著、运动行程比较大
的执行机构
以摆动导杆机构 ABC
为基本机构, 在其导杆
CB的延长线上 D点处连接
一个双杆组, 形成六杆
机构, 满足急回, 扩大
行程等工作要求 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(2) 组合法
将几种基本机构用适当的方式组合起来，实现
基本机构不易实现的运动或功能。
常用组合方式
?
?
?
?
?
?
?
复合式组合
反馈式组合
并联式组合
串联式组合
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 组合法实例
要使做往复摆动的执行构件具有显著急回特
性和较大摆动行程, 当不能完全满足要求时, 可
将摆动导杆机构与齿轮机构串联组合, 这样, 固
结在小齿轮上的执行构件不仅具有显著急回特性,
且可获得较大的摆动行程 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(3) 变异法
通过运动副形状, 尺寸和位置安排上的变化生
成新的机构型式 。 常用的方法有运动倒置和运动副
变换等 。
? 运动倒置
运动倒置就是机架变换 。 利用
机架变换发现现有机构的内在
联系是机构发生变异 。
例,人类正常步行时, 脚跟相
对于腰部的轨迹
机械原理 — 机械执行系统方案设计
以六杆机构来模拟人脚的运动, 以不同构件为
机架可得到不同的方案 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 运动副变换
运动副是机构运动变换的主要元素, 通过运动
副变换生成新的机构型式是机构创新构型的途径之
一 。
常用的变换方式
?
?
?
?
?
低副变高副
高副变低副
转动副变移动副
机械原理 — 机械执行系统方案设计
低副变异为高副
?
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 典型例题
干粉压片机的功能是将不加粘结剂的干粉料压
成圆型片坯 。 根据生产条件和粉料的特性, 决定
选用电动机作为动力源, 选择刚体推压传动原理 。
其工作过程如下,
加入粉料 → 下冲头下沉 → 上下冲头加压 → 上冲头
退回, 下冲头上顶 → 推走片坯 。
试对上冲头主加压机构进行
机构型式设计 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 根据动作功能分解与组合原理进行机构选型
基本功能
?运动形式变换功能（将驱动轴的转动变为冲头的
移动）
?运动方向交替变换功能（冲头往复运动）、运动
缩小功能（减小速度，以获得较大压力）
?运动停歇功能（冲头加压）。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 功能技术矩阵
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 初选方案
方案 1
方案 2
方案 3
方案 5
方案 4
机械原理 — 机械执行系统方案设计
由于上冲头在下移行程的末端还有停歇的附
加要求, 而初选方案均不具备这种功能, 故需进
行机构创新构型, 以达到设计要求 。
? 选择 方案 4 作为原型进行机构创新构型
(1)扩展法
机械原理 — 机械执行系统方案设计
在四杆机构连杆 BC的延长线上找一点 H,该点的
运动轨迹中有一段直线或近似直线 。 在该点加一个
RPR双杆组, 且使 GH与此直线轨迹段平行, 则当 H点
运动在直线段上时, 导杆 GH将处于停歇状态, 即使
冲头 F有了停歇功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(2) 组合法
采用四杆机构与曲柄滑块
机构的串联组合, 将两机构于
极限位置时串联, 则该位置时
滑块 F的速度为零, 即滑块实
现了近似的停歇 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
(3) 变异法
? 将铰链四杆机构变为摆杆机
构, 得到摆动导杆机构与摆杆
滑块机构的串联组合方案 。
? 再将导杆槽改为曲线槽, 则
可使冲头 F获得准确的停歇功能 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5 执行系统的协调设计
14.5.1 执行系统协调设计的原则
当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和
各执行机构的运动规律, 并确定了各执行机构的型
式及驱动方式后, 还必须将各执行机构统一于一个
整体, 形成一个完整的执行系统, 使这些机构以一
定的次序协调工作, 互相配合, 以完成机械预定的
功能和生产过程 — 执行系统的协调设计 。
? 满足各执行机构动作先后的顺序性要求；
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求；
? 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；
? 满足各执行机构操作上的协同性要求；
? 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产
率；
? 各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和
效率的提高 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5.2 执行系统协调设计的方法
工程实际中的大多数机械的工作都是周期性的,
即经过一定的时间间隔后, 各执行构件的位移, 速
度和加速度等运动参数就周期性的重复 。
1.协调设计的步骤
? 确定机械的工作循环周期；
? 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行
程段及其所需时间；
? 确定各执行构件动作间的协调配合关系 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：冷霜自动灌装机
? 确定机械的工作循环周期
根据设计任务书中给定的理论生产率 Q=30 盒 /min，
计算出该机械运动的循环周期 T=60/30=2s
? 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行
程段及其所需时间
基本动作
机械原理 — 机械执行系统方案设计
1．输送带的连续运动
2．轮盘的间歇转动
3．顶杆的往复运动
4．定量泵活塞的往复运动
机械原理 — 机械执行系统方案设计
各行程区段所需时间的计算详见 14.5.3机械运
动循环图 。
? 确定各执行构件动作间的协调配合关系
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 冷霜自动灌装机各执行机构协调配合的完
整的执行系统
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.5.3 机械运动循环图
描述各执行构件运动间相互协调配合的图 — 机
械运动循环图
由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内
完成一个运动循环, 故运动循环图常以主轴或分配
轴的转角为坐标来编制 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
机械原理 — 机械执行系统方案设计
例：冷霜自动灌装机的运动循环图
? 直线式
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 圆周式
? 直角坐标式
机械原理 — 机械执行系统方案设计
14.6 方案评价与决策
1,方案评价的意义
? 寻求一种既能实现预期功能要求, 又性能优良,
价格低廉的设计方案 。
? 由于工作原理, 工艺动作分解方法及机构型式的
不同, 会形成多种设计方案 。 方案评价的目的在
于通过科学的评价, 决策来优选出最佳的方案 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
2,评价准则、评价指标和评价体系
评价准则
? 设计目标
从哪些方面、以什么原则、达到什么标
准为优；
? 设计指标
具体的约束限制。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
评价指标
? 系统功能, 实现运动规律或运动轨迹, 实现工艺
动作的准确性, 特定功能等；
? 运动性能, 运转速度, 行程可调性, 运动精度等；
? 动力性能, 承载能力, 增力特性, 传力特性, 振
动噪音等；
? 工作性能, 效率高低, 寿命长短, 可操作性, 安
全性, 可靠性, 适用范围等；
? 经济性, 加工难易, 能耗大小, 制造成本等；
? 结构紧凑性, 尺寸, 重量, 结构复杂性等 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
评价体系
通过一定范围内的专家咨询, 确定评价指标及
其评定方法 。 建立评价体系, 要注意其针对性和科
学性 。
3.评价方法
(1)经验性的概略评价法
请多名有经验的专家根据经验采用排队法或排
除法直接评价 。
(2)计算性的数学分析评价法
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 评分法
建立评价体系 → 选择评分方法 → 选择评分标准
→ 对各个项目进行评分 → 选择总分计分法, 计算总
分 → 选取高分者为优选方案 。
评分方法有直接评分法和加权系数法 。 后者按
各评价项目的重要程度确定其权重, 每项打分都乘
以相应的加权系数 。
评分标准
分值 0 1 2 3 4
优劣程度 不能用 达标 比较好 良好 理想
机械原理 — 机械执行系统方案设计
总分计算
方法 计算公式
相加法 Q=Σ qi
连乘法 Q=Π qi
均值法 Q=Σ qi/n i=1,2,…,n
相对值法 Q=Σ qi/nQ0 i=1,2,…,n Q0为理想值
有效值法 N=Σ wiqi wi为加权系数
机械原理 — 机械执行系统方案设计
? 技术 -经济评价法
综合考虑了技术类指标和经济类指标, 评价值
一般为相对于理想状态的相对值 。
? 模糊评价法
用 [0,1]区间内的连续数值代替评分法中的离
散数值来表达评价值, 使评价结果更为准确 。
(3)实践性的试验评价法
对重要的方案设计问题, 可通过模型试验或计
算机模拟实验来进行评价 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
4,评价结果的处理 -再设计
设计的过程是一个设计 -评价 -再设计 -再评价的
过程, 直到达到最优方案 。
典型例题
推纸机构的功能是将
纸库中的纸一张一张推出,
主运动为往复直线运动 。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
现有三个方案,
凸轮摆杆机构 曲柄摆杆机构 施蒂芬森机构
试用评分法进行评价。
机械原理 — 机械执行系统方案设计
P1— 系统功能； p2 — 运动性能；
p3— 动力性能； p4 — 工作性能；
p5— 结构紧凑性
解：选用直接评分法、相加法，则有
? 凸轮摆杆机构,Q=1+0.75+0.75+0.75+0.75=4
? 曲柄摆杆机构,Q=0.75+0.75+0.75+0.75+0.6=3.6
? 施蒂芬森机构,Q=0.75+0.75+0.75+0.6+0.6=3.45
故凸轮摆杆机构较优
机械原理 — 机械执行系统方案设计
参考文献
1.曾惟庆, 徐增荫主编, 机构设计, 北京：机械工
业出版社, 1993
2.孟宪源主编, 现代机构手册,北京：机械工业出
版社, 1994
3.邹惠军编著, 机械系统设计, 上海：上海科学技
术出版社, 1996
