自動機械及其典型機構

機械行業體系龐雜，種類繁多，對于機械設計而言，除了共性基礎理論外，各個領域的技術發展也都有自己獨特的理論體系，輕工自動機械的發展，伴隨著我國輕工業的發展軌跡，逐步形成了具有典型輕工特色的自動機械設計理論和方法，起初的輕工自動機械主要面向造紙、皮革、紡織、印刷、包裝等民用消費品領域，作為操作工具機，用于替代手工生產，如自動卷煙機、自動灌裝機、自動封盒機等，而這些工具機械往往通過凸輪機構控制，實現可定制的、復雜的關聯運動，從而逐步形成了以凸輪機構為核心的自動機械機構學理論。隨著伺服控制技術的進步，以及伺服電機、氣缸等元件的廣泛應用，以模塊化選型和快速定制為設計特點的非標自動化設備應運而生，大大促進了輕工自動機械的發展，輕工機械作為操作機和末端執行器，逐漸拓展到航空、航天、汽車等重工業領域，煥發出了勃勃生機。 目前，系統性和針對性地論述輕工自動機械設計方面的書籍還比較匱乏，知識體系比較滯后，一些機械創新設計思想還沒有融入現有書籍中，理論深度不夠，成為制約自動機設計人才培養的短板。本書在傳統輕工自動機械內容的基礎上，匯集了作者們多年來在現代自動機械的一些創新性成果,系統論述了自動機械設計的基礎理論，包括驅動機構、傳動機構、執行機構、機械結構、控制系統的設計原理和方法，詳細介紹了一些典型自動機機構：如多分支傳動、凸輪機構、夾持、上下料、分揀等的設計與應用。本書在內容的編排上，注重理論與實踐相結合，機構設計與機構創新相結合，為讀者提供全面的自動機械設計參考。

面對新一輪科技革命和產業變革帶來的新變化，為了服務創新驅動發展、制造強國等一系列國家戰略，培養實踐創新型應用人才成為目前高等工程教育的迫切任務。對于創新型機械設計人才而言，工程設計和實踐能力是基礎，創新能力是關鍵，面對新裝備、新技術、新工藝帶來的挑戰，如何實現傳統自動機械設計理論的繼承與創新、新舊知識體系的交叉與融合，是急需解決的問題。
機械行業體系龐雜，種類繁多，機械設計除了共性基礎理論外，各個領域也都有自己獨特的理論體系。伴隨著我國輕工業的發展，輕工自動機械逐步形成了具有典型輕工特色的自動機械設計理論和方法。最初的輕工自動機械作為專用工作機械，用于替代手工生產，如自動卷煙機、自動灌裝機、自動封盒機等，而這類機械往往通過凸輪機構控制，實現可定制、復雜的運動，從而逐步形成了以凸輪機構為核心的自動機械機構學理論。隨著伺服控制技術的進步，以及伺服電機、氣缸等元件的廣泛應用，以模塊化選型和快速定制為設計特點的非標自動化設備應運而生，大大促進了輕工自動機械的發展，其自動機械設計理論及其典型機構也越來越廣泛地影響航空、航天、汽車等領域。
工程實踐中，我們逐步認識到，科技發展日新月異，參數化、模塊化、自動化和智能化已經成為未來機械學科發展的必然趨勢，但是一些基礎的設計理論和方法仍舊發揮著不可替代的作用，智能裝備核心的機械結構設計方法本質上并沒有改變，在總結和繼承傳統設計方法的同時，還要進行機構創新和設計方法的優化與創新，技術不可能一成不變，在技術變革的過程中，既要善于總結又要敢于創新。本書在傳統輕工自動機械內容的基礎上，匯集了筆者多年來在現代自動機械領域的一些創新性成果，系統論述了自動機械設計的基礎理論， 包括驅動機構、傳動機構、執行機構、機械結構、控制系統的設計原理和方法，詳細介紹了一些典型自動機構，如多分支傳動、凸輪、夾持、上下料、分揀等機構的設計與應用，同時也介紹了一些新型機構，如曲柄群機構、弧面凸輪行星減速機構等。本書在內容編排上，注重理論與實踐相結合、機構設計與機構創新相結合，為讀者提供全面的自動機械設計參考。
多年來，陜西科技大學致力于輕工自動機械設計的研究，本書的出版可以說是工程實踐與研究的有機融合和系統性總結。本書主要由陜西科技大學曹巨江統稿， 其中： 第1、4 章由張彩麗編寫，第2、5 章由張淳編寫， 第3 章由劉慶立編寫， 第6 章由曹巨江編寫， 第7章由吉濤編寫，第8 章由曹巨江、閆茹編寫， 第9 章由曹巨江、梁金生編寫， 第10 章由劉言松、梁金生編寫，第11 章由張艷華編寫， 第12 章由劉言松編寫， 第13 章由張彩麗、劉言松編寫，第14 章由曹巨江、劉慶立編寫。本書在編寫過程中參閱的文獻資料均已列入參考文獻中。書中的插圖由譚志樸、陳佳林協助繪制， 徐通、黑飛飛協助完成了部分設計案例，在此表示感謝！
本書如有疏漏和不妥之處，敬請讀者批評指正。

編著者 

曹巨江，陜西科技大學，教授，陜西科技大學機械工程學科帶頭人，聘教授二級崗，博導。國家科學技術獎評審專家；社會主要兼職：陜西機械工程學會副理事長；《輕工機械》編委會副主任；《包裝與食品機械》編委會副主任。曾任中國機械工程學會包裝與食品工程分會副理事長；中國食品和包裝機械工業協會副理事長；中國機械工程學會機械傳動分會機構學委員會委員。曾歷任我?？萍继幐碧庨L、研究生部主任、機電學院院長、副校長。
長期從事機械工程專業的教學和科研工作，主要學術研究方向和專長：自動機械理論、設計方法和創新設計研究；曲面加工；專業裝備開發。主持并完成國家自然科學基金2項；國家科技重大專項分課題1項；國家科技攻關項目子課題1項，主持完成國家科技支撐計劃項目1項。還完成了省、部、廳、地市縱向項目和企業委托項目多項。年陜西省科技進步獎（二等）一項；中國輕工總會優秀新產品一等獎一項。發明專利8項、實用新型專利10項。

本書在傳統輕工自動機械內容的基礎上，匯集了筆者多年來在現代自動機械領域的一些創新性成果，系統論述了自動機械設計的基礎理論，包括驅動機構、傳動機構、執行機構、機械結構、控制系統的設計原理和方法，詳細介紹了一些典型自動機構，如多分支傳動機構、凸輪機構、夾持機構、上下料機構、分揀機構等的設計與應用，同時也介紹了一些新型的機構，如曲柄群機構、弧面凸輪行星減速機構等，最后還給出了綜合設計實例，為設計實踐提供借鑒。本書在內容編排上，注重理論與實踐相結合、機構設計與機構創新相結合，為自動機械設計提供參考。
本書可供高等學校本科及碩士學習參考，可為機械專業學生畢業設計提供參考，也可作為科研院所、工業企業等的工程技術人員進行產品設計的參考書。

第1章　緒論001
1.1　自動機械的概念與特點001
1.1.1　自動機械的概念001
1.1.2　自動機械的特點003
1.2　自動機械的系統組成003
1.3　自動機械設計的幾個問題005
1.3.1　自動機械設計的技術性能指標005
1.3.2　自動機械設計的經濟性要求006
1.3.3　自動機械設計的人機工程學要求007

第2章　自動機械的設計原理008
2.1　自動機械設計目標的分析與確定008
2.2　自動機械的功能分析與工藝原理設計009
2.2.1　自動機械的功能分析009
2.2.2　自動機械的工藝原理設計009
2.3　自動機械的生產率分析011
2.3.1　概述011
2.3.2　間歇作用型自動機械的理論生產率分析013
2.3.3　連續作用型自動機械的理論生產率分析014
2.3.4　提高自動機械生產率的途徑015
2.4　自動機械工作循環圖的原理與作用017
2.4.1　自動機械的工作循環時間與執行機構的運動循環時間017
2.4.2　自動機械的工作循環圖018
2.5　執行機構運動循環圖的設計021
2.6　自動機械工作循環圖的設計022
2.6.1　自動機械工作循環圖的設計步驟022
2.6.2　執行機構運動循環的時間同步化設計023
2.6.3　執行機構運動循環的空間同步化設計032

第3章　驅動系統的設計040
3.1　概述040
3.2　電機040
3.2.1　電機概述040
3.2.2　電機選型計算040
3.3　氣壓驅動系統設計050
3.3.1　氣壓系統概述050
3.3.2　氣缸的結構與種類051
3.3.3　氣缸的選型與計算053
3.3.4　設計選型算例055
3.4　液壓驅動系統設計056
3.4.1　液壓系統概述056
3.4.2　液壓缸的結構與分類057
3.4.3　液壓缸的選型與計算059

第4章　傳動系統的設計066
4.1　傳動系統概述066
4.1.1　傳動系統的作用與設計要求066
4.1.2　傳動系統的分類066
4.1.3　傳動系統的組成070
4.2　傳動系統的設計步驟及其選擇072
4.2.1　傳動系統的設計步驟072
4.2.2　傳動系統的選擇072
4.3　自動機械的原始運動參數和運動原理圖074
4.3.1　自動機械的原始運動參數074
4.3.2　自動機械的運動原理圖075
4.4　自動機械傳動系統的設計要點076
4.4.1　外聯傳動鏈的設計076
4.4.2　內聯傳動鏈的設計082

第5章　執行機構的設計085
5.1　執行機構概述085
5.1.1　執行機構的功能和種類085
5.1.2　執行機構的設計原則085
5.2　執行機構的選型和構型087
5.2.1　執行機構的選型087
5.2.2　執行機構的構型087
5.3　自動機械中幾種常用的執行機構088
5.3.1　連桿機構089
5.3.2　凸輪機構089
5.3.3　間歇運動機構089
5.3.4　組合機構091

第6章　自動機械結構設計093
6.1　自動機械的結構特點093
6.2　機架設計094
6.2.1　機架設計的準則和要求094
6.2.2　機架的結構類型095
6.2.3　機架的設計步驟097
6.2.4　鑄造機架的結構設計要點098
6.2.5　焊接機架的結構設計要點101
6.3　支承設計104
6.3.1　回轉支承的設計105
6.3.2　導軌110

第7章　控制系統設計118
7.1　運動控制概述118
7.2　控制系統的設計119
7.3　控制系統設計舉例125
7.3.1　項目分析127
7.3.2　項目實施128

第8章　凸輪機構現代設計理論148
8.1　凸輪機構的分類應用148
8.2　平面凸輪機構和空間凸輪機構的運動學分析152
8.2.1　復極矢量和平面嚙合原理152
8.2.2　基本平面凸輪機構的輪廓曲線及壓力角、曲率半徑的計算156
8.2.3　空間凸輪機構分析158
8.3　機構運動規律160
8.3.1　凸輪機構運動規律的規范化160
8.3.2　常用的凸輪機構運動規律161
8.4　凸輪機構的運動特性分析165
8.4.1　運動規律特性值165
8.4.2　運動規律的選擇166
8.5　運動規律優化設計簡介167
8.6　電子凸輪168
8.6.1　電子凸輪概述168
8.6.2　電子凸輪曲線定義及建模168
8.6.3　電子凸輪取置機械手案例171
8.6.4　電子凸輪在弧面凸輪機構中的應用案例174

第9章　分度凸輪機構178
9.1　平行分度凸輪機構178
9.1.1　平行分度凸輪機構的工作原理180
9.1.2　平行分度凸輪機構運動分析180
9.1.3　平行分度凸輪機構運動設計計算186
9.1.4　平行分度凸輪機構CAD/CAM 簡介187
9.1.5　平行分度凸輪機構設計示例188
9.1.6　內置式平行分度凸輪機構簡介192
9.1.7　平行分度凸輪機構運動規律的反求方法簡介193
9.2　圓柱分度凸輪機構194
9.2.1　圓柱分度凸輪機構的工作原理195
9.2.2　圓柱分度凸輪機構的主要參數196
9.2.3　圓柱分度凸輪的輪廓方程199
9.2.4　圓柱分度凸輪機構的壓力角和曲率計算202
9.2.5　圓柱分度凸輪機構設計203
9.2.6　新型冗余圓柱分度凸輪機構204
9.3　弧面分度凸輪機構206
9.3.1　弧面分度凸輪機構的工作原理207
9.3.2　弧面分度凸輪機構的主要結構參數207
9.3.3　弧面分度凸輪的輪廓方程209
9.3.4　弧面分度凸輪機構的壓力角和曲率計算211

第10章　多分支傳動機構213
10.1　鏈條分支傳動機構213
10.2　曲柄群分支傳動機構215
10.2.1　曲柄群分支傳動機構的工作原理215
10.2.2　曲柄群分支傳動機構運動分析215
10.2.3　曲柄群分支傳動機構運動設計計算222
10.2.4　結構分析與設計223

第11章　弧面凸輪行星減速機構230
11.1　弧面凸輪行星減速機構的工作原理230
11.2　弧面凸輪行星減速機構運動分析231
11.2.1　傳動原理231
11.2.2　運動機構簡圖232
11.3　弧面凸輪行星減速機構運動設計計算233
11.3.1　傳動比的計算233
11.3.2　正確嚙合條件234
11.3.3　整機裝配條件235
11.3.4　運動連續條件237
11.4　設計示例238
11.4.1　半定子式小型超環面行星蝸桿機構示例238
11.4.2　弧面凸輪行星減速機構示例239

第12章　機械手夾持機構241
12.1　機械手夾持機構設計準則241
12.2　常見機械手夾持機構242
12.2.1　手指242
12.2.2　傳動機構243
12.2.3　夾持機構驅動方式245
12.3　仿生多指靈巧手246
12.3.1　柔性手爪246
12.3.2　多指靈巧手247
12.4　機械手夾持機構設計實例247
12.4.1　設計要求247
12.4.2　設計參數247
12.4.3　夾持機構方案選擇248
12.4.4　夾持機構結構設計248

第13章　其他執行機構251
13.1　自動供料機構的基本組成及分類251
13.1.1　自動供料機構及其基本組成251
13.1.2　自動供料機構的分類252
13.2　液體料供料機構253
13.2.1　液體料特性及其供料過程分析253
13.2.2　液體料供料機構的形式及供料原理254
13.2.3　液體料供料機構的設計與計算258
13.3　粉粒料供料機構260
13.3.1　粉粒料特性及其供料過程分析260
13.3.2　粉粒料供料機構的形式及供料原理261
13.4　卷料供料機構265
13.4.1　卷料供料過程分析265
13.4.2　卷料供料機構的形式及供料原理265
13.4.3　卷料供料機構的設計與計算266
13.5　單件物品供料機構269
13.5.1　單件物品供料過程分析269
13.5.2　單件物品供料機構的形式及供料原理272
13.5.3　單件物品供料機構的設計與計算283
13.6　分揀機構286
13.6.1　分揀機構及原理286
13.6.2　分揀機構實例——藥品分揀機構（合格品與不合格品） 290
13.7　計數機構293
13.7.1　計數機構原理（有規則排列和無規則排列） 293
13.7.2　常見計數機構293
13.7.3　計數機構設計實例——人工寶石顆粒自動計數機295

第14章　自動機械設計訓練實例298
14.1　藥液自動灌裝機298
14.1.1　設計任務298
14.1.2　設計內容298
14.1.3　運動循環圖繪制300
14.1.4　尺寸計算301
14.1.5　計數裝置設計302
14.2　棒棒糖包裝機304
14.2.1　棒棒糖包裝工藝流程304
14.2.2　總體方案304
14.2.3　運動循環圖設計305
14.2.4　結構設計307
14.3　平板式鋁塑泡罩包裝機308
14.3.1　平板式鋁塑泡罩包裝機工藝流程設計309
14.3.2　平板式鋁塑泡罩包裝機總體方案設計310
14.3.3　平板式鋁塑泡罩包裝機運動循環圖設計311
14.3.4　平板式鋁塑泡罩包裝機結構與機構設計312
14.3.5　平板式鋁塑泡罩包裝機電氣設計簡述314
14.3.6　平板式鋁塑泡罩包裝機控制系統設計簡述314

參考文獻317