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[摘要]机械系统的运动方案设计是机械系统设计的重要组成部分，是决定机械系统的功效与功能的关键环节。在设计的过程中，设计师需要根据各种运动方案的特点，进行进一步的细化，设计出具有实用性和可行性的机械系统。
[关键词]机械系统；运动方案；设计方法
事实上，机械系统是一个较为广泛的概念，具体来说，其就是由各个机械基本要素组成的，用以完成所需的动作过程，实现机械能的转化，代替人类劳动的系统。这也就决定了机械系统设计的复杂性，可以说机械系统设计是一个复杂的分析、规划、推理与决策的过程。而我们之所以要进行机械系统设计，主要是为了根据既定目标，获取包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案的机械系统的设计信息，然后经过评估、改进和制造，最终形成满足设计要求的机械产品。
机械系统的运动方案包括工功能分析与功能原理设计、工艺动作与运动规律分析、机构系统运动协调的设计等这几个主要方面。
一、功能分析与功能原理设计
（一）功能原理的构思与选择
机械设计的前提和依据是机构系统运动方案设计。方案的优劣对机械有着多方面的影响，比如说其会直接影响到机械结构形式的繁简、制造成本的高低及操作使用的难易、技术性能的好坏等都有着决定性的影响。如果设计人员在设计中不能避免运动方案设计存在的明显缺陷，就很难设计出好的机械产品，而且也很难找到补救的措施。工艺要求或使用要求是运动方案设计的主要依据。在明确了这一要求后，设计人员首先要考虑的是采用何种功能原理来实现给定要求。因为只有合理的选定了功能原理之后，才可以根据功能的原理设计出工艺动作和这些动作的执行机构的运动规律。
功能原理设计的主要任务，就是要按照机械预期的工艺要求或者使用要求，探索出一切能够实现给定要求的功能原理，同时进行比较分析，并且从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。
比如说要求设计一自动输送料板的装置。那设计人员在设计的过程中，必须要考虑到这些方面，一可以考虑选择机械推拉原理，把料板从底层推出，然后再用夹料板将其抽走，；二可以考虑选用摩擦传动原理，首先利用摩擦板从顶层推出一张料板，然后再用夹料板把它抽走；三用底层吸取法，先把料板的边缘吸住，然后再用夹料板将其抽走；四可以考虑使用气吸原理，运用用顶层吸取法，就能够直接吸走顶层一张料板；五可以用摩擦轮把料板从底层滚出，接着再用夹料板将其抽走。
其实上述的几种功能原理，都是可实现预期的工艺要求的，但是在使用的过程中，其执行构件的工艺动作与运动规律是不一样的，同时其使用的条件也不相同。这就需要设计人员根据自己设计经验和实际的设计要求，进行比较选择，选用最合适的功能原理。
二、功能分析法
系统方案设计中选择功能原理方案的主要方法就是功能分析法。这种方法的主要特点就是，把机械产品的总功能分解成许多个简单的功能元，然后进行功能元求解，接着进行组合，这样通常能够得到机械产品方案的多种解。也就是说功能分析法实际上是简化了实现机械产品总功能的功能原理方案的构思方法，使得设计人员在设计中容易找到到最优化的功能原理方案和机械系统运动方案。
当然，如果是系统有比较复杂的使用要求或者是工艺要求，那通常需要确定多个功能原理，同时需要把这多个功能原理组合成一个总的功能原理，才能满足实际的需要。比如说常见的自动机，一般会有自动上料、下料、检测、加工等工艺要求。那么，就要求每种工艺都要拟定相应的功能原理，然后才能再根据相应的功能原理，设计出相应的工艺动作。
设计师在根据使用要求和工艺要求设计机构或机构系统运动方案时，必须要先研究它需要完成的总功能。所谓的机械产品的功能，就是指机械产品所具有的转化能量、物料、信息的能力。
（一）机构动作功能分解与原理方案组合的表达形式——形态学矩阵
一般来说，形态综合法也适用于原理方案的组合，也就是把系统的功能元列为纵坐标，把各功能元的相应解法列为横坐标，这样就构成了形态学矩阵。
在形态学矩阵中，只要从每项功能元中取出一种解进行合理组合，就可能会得到系统解，按照这个原理最多可以组合的原理方案个数为N = n1·n2·n3·ni·nm
式中：m表示功能元数；ni表示第i种功能元解的个数。
（二）基本运动和机构的基本功能
机构系统的总体功能需要根据使用要求或工艺要求而得出，一般是通过一个复杂的运动过程来实现的。但是不管是何种复杂的运动过程，都是由一些最基本的运动合成的。也就是说，所有的复杂的机构系统，都可以根据相关的规定，进一步分解为一些单一机构。如果我们把复杂机构系统与机构系统总功能相对应，那就可以把组成这一复杂机构系统的各单一机构与组成机构系统总功能的分功能相对应。这就意味着，设计师能够通过这种对应关系，完成机构系统运动方案的设计。
在一般的机构系统运动方案设计中，常见的基本运动形式主要包括：往复摆动、单向转动、间歇运动、往复移动及实现某种轨迹的运动；基本机构所具有的基本功能主要有：运动形式变换、运动放大与缩小、运动方向交替变换、运动合成与分解、运动轴线换向、运动脱离与连接等，
（三）机构系统运动方案的组成
根据机构形态学矩阵，组合成能完成系统总功能的不同机构系统运动方案，然后根据评估指标，优选出符合要求的最佳方案，即可完成机构系统方案的设计。
三、工艺动作与运动规律分析
执行构件是完成工艺动作的载体，也就是说不同的各执行构件在完成工艺动作过程中，会有不同的运动规律，所以执行构件的运动规律设计，是直接关系到机械的运动学、动力学特性的。在进行执行构件运动规律设计的过程中，设计师需要解决几个问题：
（一）制定合理的运动规律
充分考虑使用要求和功能原理，是制定执行构件的运动规律时必须要注意的。一般的设计原理是要求在满足使用要求的条件下，应该尽量设计出简单且易于实现的运动规律。如果有需要，设计人员还可重新构思新的功能原理。通常情况下，机构系统是必须要按照具体的工作原理提出的工艺动作要求进行设计的，也就是说要按照运动规律来进行设计的。所以，这就要求设计师在运动规律设计时，必须要对工作原理进行认真分析。如果说为了让工艺过程实现自动化，而按照传统工艺动作去设计自动化机构系统，那一般是收不到理想的效果的，所以需要设计者采用创新原理方案。
（二）复杂工艺动作和运动规律的分解
如前所述所有复杂的运动过程，都是由一些最基本的运动合成的，所以往往能够以将执行构件所要完成的运动，进一步分解为机构容易实现的基本运动。机构所能实现的基本运动形式有单向移动、单向转动、往复移动、往复摆动及间歇运动等。
（三）分解后的运动规律协调设计
一般来说，设计师在完成工艺动作分解，并且设计出实现各分解运动规律的机构之后，还需要保证各分解动作能够协凋配合，所以需要根据相关的原理和原则，来认真思考探索各分解动作之间的协调关系及合成方法。
1.对简单的情况可采用机构合成法。基本上可以采用机构合成法。也就是把多个分解运动输入到具有多自由度的机构中，进而能够合成为一个复杂的运动。
2.可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。为了能够控制各执行机构的输入运动的方法使各分解运动协调配合，也就是从一根轴或分配轴向执行机构输入运动，在明确执行机构后，可以把执行机构的原动件尽量设置在一根或少数几根轴上。也就是说，在设计中只要考虑到把控制分配轴的运动，以及向各执行机构输入运动的起始、终止时间，就能够顺利实现各分解运动的协调配合。
3.可采用电气控制或计算机数字控制的方法，使各分解运动协调配合。
四、结语
总的来说，机械系统的运动方案及机构的设计是较为复杂的，这需要设计师根据自身的设计理念以及相关的设计原理，在设计中进行广泛的分析论证，通过对各种设计方案的分析比较，选择最合适的方案，保证机械系统的有效运作。
[参考文献]
[1]李涛.基于简单曲线自适应逼近的平面连杆机构优化综合理论与方法的研究[D].大连理工大学,2000.
2 张利萍.机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法[D].大连理工大学,2006.
3 张德珍.串联机械系统运动方案设计的状态空间理论与方法的研究[D].大连理工大学,2003.
[关键词]机械系统；运动方案；设计方法
事实上，机械系统是一个较为广泛的概念，具体来说，其就是由各个机械基本要素组成的，用以完成所需的动作过程，实现机械能的转化，代替人类劳动的系统。这也就决定了机械系统设计的复杂性，可以说机械系统设计是一个复杂的分析、规划、推理与决策的过程。而我们之所以要进行机械系统设计，主要是为了根据既定目标，获取包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案的机械系统的设计信息，然后经过评估、改进和制造，最终形成满足设计要求的机械产品。
机械系统的运动方案包括工功能分析与功能原理设计、工艺动作与运动规律分析、机构系统运动协调的设计等这几个主要方面。
一、功能分析与功能原理设计
（一）功能原理的构思与选择
机械设计的前提和依据是机构系统运动方案设计。方案的优劣对机械有着多方面的影响，比如说其会直接影响到机械结构形式的繁简、制造成本的高低及操作使用的难易、技术性能的好坏等都有着决定性的影响。如果设计人员在设计中不能避免运动方案设计存在的明显缺陷，就很难设计出好的机械产品，而且也很难找到补救的措施。工艺要求或使用要求是运动方案设计的主要依据。在明确了这一要求后，设计人员首先要考虑的是采用何种功能原理来实现给定要求。因为只有合理的选定了功能原理之后，才可以根据功能的原理设计出工艺动作和这些动作的执行机构的运动规律。
功能原理设计的主要任务，就是要按照机械预期的工艺要求或者使用要求，探索出一切能够实现给定要求的功能原理，同时进行比较分析，并且从中选择出既能很好地满足预期要求、工艺动作又简单的功能原理。
比如说要求设计一自动输送料板的装置。那设计人员在设计的过程中，必须要考虑到这些方面，一可以考虑选择机械推拉原理，把料板从底层推出，然后再用夹料板将其抽走，；二可以考虑选用摩擦传动原理，首先利用摩擦板从顶层推出一张料板，然后再用夹料板把它抽走；三用底层吸取法，先把料板的边缘吸住，然后再用夹料板将其抽走；四可以考虑使用气吸原理，运用用顶层吸取法，就能够直接吸走顶层一张料板；五可以用摩擦轮把料板从底层滚出，接着再用夹料板将其抽走。
其实上述的几种功能原理，都是可实现预期的工艺要求的，但是在使用的过程中，其执行构件的工艺动作与运动规律是不一样的，同时其使用的条件也不相同。这就需要设计人员根据自己设计经验和实际的设计要求，进行比较选择，选用最合适的功能原理。
二、功能分析法
系统方案设计中选择功能原理方案的主要方法就是功能分析法。这种方法的主要特点就是，把机械产品的总功能分解成许多个简单的功能元，然后进行功能元求解，接着进行组合，这样通常能够得到机械产品方案的多种解。也就是说功能分析法实际上是简化了实现机械产品总功能的功能原理方案的构思方法，使得设计人员在设计中容易找到到最优化的功能原理方案和机械系统运动方案。
当然，如果是系统有比较复杂的使用要求或者是工艺要求，那通常需要确定多个功能原理，同时需要把这多个功能原理组合成一个总的功能原理，才能满足实际的需要。比如说常见的自动机，一般会有自动上料、下料、检测、加工等工艺要求。那么，就要求每种工艺都要拟定相应的功能原理，然后才能再根据相应的功能原理，设计出相应的工艺动作。
设计师在根据使用要求和工艺要求设计机构或机构系统运动方案时，必须要先研究它需要完成的总功能。所谓的机械产品的功能，就是指机械产品所具有的转化能量、物料、信息的能力。
（一）机构动作功能分解与原理方案组合的表达形式——形态学矩阵
一般来说，形态综合法也适用于原理方案的组合，也就是把系统的功能元列为纵坐标，把各功能元的相应解法列为横坐标，这样就构成了形态学矩阵。
在形态学矩阵中，只要从每项功能元中取出一种解进行合理组合，就可能会得到系统解，按照这个原理最多可以组合的原理方案个数为N = n1·n2·n3·ni·nm
式中：m表示功能元数；ni表示第i种功能元解的个数。
（二）基本运动和机构的基本功能
机构系统的总体功能需要根据使用要求或工艺要求而得出，一般是通过一个复杂的运动过程来实现的。但是不管是何种复杂的运动过程，都是由一些最基本的运动合成的。也就是说，所有的复杂的机构系统，都可以根据相关的规定，进一步分解为一些单一机构。如果我们把复杂机构系统与机构系统总功能相对应，那就可以把组成这一复杂机构系统的各单一机构与组成机构系统总功能的分功能相对应。这就意味着，设计师能够通过这种对应关系，完成机构系统运动方案的设计。
在一般的机构系统运动方案设计中，常见的基本运动形式主要包括：往复摆动、单向转动、间歇运动、往复移动及实现某种轨迹的运动；基本机构所具有的基本功能主要有：运动形式变换、运动放大与缩小、运动方向交替变换、运动合成与分解、运动轴线换向、运动脱离与连接等，
（三）机构系统运动方案的组成
根据机构形态学矩阵，组合成能完成系统总功能的不同机构系统运动方案，然后根据评估指标，优选出符合要求的最佳方案，即可完成机构系统方案的设计。
三、工艺动作与运动规律分析
执行构件是完成工艺动作的载体，也就是说不同的各执行构件在完成工艺动作过程中，会有不同的运动规律，所以执行构件的运动规律设计，是直接关系到机械的运动学、动力学特性的。在进行执行构件运动规律设计的过程中，设计师需要解决几个问题：
（一）制定合理的运动规律
充分考虑使用要求和功能原理，是制定执行构件的运动规律时必须要注意的。一般的设计原理是要求在满足使用要求的条件下，应该尽量设计出简单且易于实现的运动规律。如果有需要，设计人员还可重新构思新的功能原理。通常情况下，机构系统是必须要按照具体的工作原理提出的工艺动作要求进行设计的，也就是说要按照运动规律来进行设计的。所以，这就要求设计师在运动规律设计时，必须要对工作原理进行认真分析。如果说为了让工艺过程实现自动化，而按照传统工艺动作去设计自动化机构系统，那一般是收不到理想的效果的，所以需要设计者采用创新原理方案。
（二）复杂工艺动作和运动规律的分解
如前所述所有复杂的运动过程，都是由一些最基本的运动合成的，所以往往能够以将执行构件所要完成的运动，进一步分解为机构容易实现的基本运动。机构所能实现的基本运动形式有单向移动、单向转动、往复移动、往复摆动及间歇运动等。
（三）分解后的运动规律协调设计
一般来说，设计师在完成工艺动作分解，并且设计出实现各分解运动规律的机构之后，还需要保证各分解动作能够协凋配合，所以需要根据相关的原理和原则，来认真思考探索各分解动作之间的协调关系及合成方法。
1.对简单的情况可采用机构合成法。基本上可以采用机构合成法。也就是把多个分解运动输入到具有多自由度的机构中，进而能够合成为一个复杂的运动。
2.可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合。为了能够控制各执行机构的输入运动的方法使各分解运动协调配合，也就是从一根轴或分配轴向执行机构输入运动，在明确执行机构后，可以把执行机构的原动件尽量设置在一根或少数几根轴上。也就是说，在设计中只要考虑到把控制分配轴的运动，以及向各执行机构输入运动的起始、终止时间，就能够顺利实现各分解运动的协调配合。
3.可采用电气控制或计算机数字控制的方法，使各分解运动协调配合。
四、结语
总的来说，机械系统的运动方案及机构的设计是较为复杂的，这需要设计师根据自身的设计理念以及相关的设计原理，在设计中进行广泛的分析论证，通过对各种设计方案的分析比较，选择最合适的方案，保证机械系统的有效运作。
[参考文献]
[1]李涛.基于简单曲线自适应逼近的平面连杆机构优化综合理论与方法的研究[D].大连理工大学,2000.
2 张利萍.机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法[D].大连理工大学,2006.
3 张德珍.串联机械系统运动方案设计的状态空间理论与方法的研究[D].大连理工大学,2003.