機械工程導論第三章

1、第三章第三章 機械創(chuàng)新設(shè)計簡介機械創(chuàng)新設(shè)計簡介3.1 3.1 機械的基礎(chǔ)知識機械的基礎(chǔ)知識一、機械及其組成一、機械及其組成 1 1機械的概念機械的概念 1 1）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置 2 2）機械必須進行物料或信息的變換與傳遞，并完成）機械必須進行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功有用的機械功 機械的分類：原動機，工作機和信息機機械的分類：原動機，工作機和信息機 2 2機械的組成機械的組成 原動機，工作機（包括傳動裝置），控制裝置，見原動機，工作機（包括傳動裝置），控制裝置，見圖圖 2 21 1、2 22 2、2 23 3原動機：三相交流異步

2、電動機、單相交流異步電動機、直流 電動機、步進電動機、（電能機械能） 柴油機、汽油機、蒸汽機、燃氣輪機、原子能發(fā)動機 （熱能 機械能） 水輪機、風力機、潮汐發(fā)動機、地熱發(fā)動機、太陽能 發(fā)動機（自然能 機械能）單相交流異步電動機在家用電器上廣泛應用；直流電動機因其可以調(diào)速，易于實行自動控制，在機電一體化設(shè)備中廣泛應用；工作機：指利用原動機提供的動力實現(xiàn)物料或信息的傳遞，克服外載而作有用機械功的機械。在要求分度或步進運動的場合，可用步進電動機。在遠離電源或要求 遠距離移動的地方，內(nèi)燃機得到廣泛應用；柴油機能提供的功率大于汽油機能提供的功率。水輪發(fā)電機二坐標機床的工作臺3.2 機構(gòu)運動形態(tài)分析全轉(zhuǎn)動

3、副四桿機構(gòu)的基本型含有一個移動副四桿機構(gòu)的基本型 見圖3-4含有二個移動副四桿機構(gòu)的基本型（1）四桿機構(gòu)（2）齒輪機構(gòu) 圓柱齒輪傳動機構(gòu)圓錐齒輪傳動機構(gòu) 蝸桿傳動機構(gòu)行星齒輪傳動機構(gòu)見圖3-5（3）凸輪機構(gòu) 的分類直動從動件平面凸輪機構(gòu)擺動從動件平面凸輪機構(gòu)直動從動件圓柱凸輪機構(gòu)擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)見圖3-6、3-7（4）齒輪的分類 外嚙合齒輪 內(nèi)嚙合齒輪 齒輪傳動 圓錐齒輪 蝸輪蝸桿 齒輪系機構(gòu) 見圖3-8、3-9圖3-8 齒輪傳動機構(gòu)圖3-9 齒輪系機構(gòu)圖3-10 摩擦輪傳動機構(gòu)22121121cos21eeeAPBPi1（6）瞬心線機構(gòu)：實現(xiàn)連續(xù)的、周期性的、變速傳動輸出 1）橢圓型瞬

4、心線機構(gòu) 圖3-11 a 平行軸圓柱摩擦輪類型 圓錐摩擦輪 圖3-10 垂直軸圓柱摩擦輪 為輪1的轉(zhuǎn)角，e為橢圓的偏心率（5）摩擦輪傳動機構(gòu)：傳遞的力較小，主要應用于儀器中傳遞運動。長軸直徑焦距e2）四葉卵型線輪傳動 圖3-4bApBPi2112瞬心線機構(gòu)可以靠摩擦傳遞運動和動力，也可在瞬心線上制成輪齒圖3-11 瞬心線機構(gòu)（7）間歇運動機構(gòu)圖3-12 步進機構(gòu)示意圖（8）螺旋傳動 圖3-13 螺旋傳動（9）帶傳動（10）鏈傳動 圖3-14 帶傳動、鏈傳動機構(gòu)（11）繩索傳動機構(gòu)：不能傳遞較大的載荷，圖3-14圖3-15 為繩索傳動示意圖（12）液力傳動，液力藕合器 圖3-16a（13）鋼絲軟

5、軸傳動機構(gòu) 圖3-16b 圖3-16 液力藕合器與鋼絲軟軸示意圖圖3-17 液壓傳動示意圖（14）萬向聯(lián)軸器：空間連桿機構(gòu)，圖3-9單萬向聯(lián)軸器 11223cossin1cos雙萬向聯(lián)軸器：等速傳動 變速傳動圖3-18 萬向聯(lián)軸器示意圖二、機構(gòu)及其功能一、連續(xù)轉(zhuǎn)動到連續(xù)轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)一、連續(xù)轉(zhuǎn)動到連續(xù)轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)1. 齒輪傳動機構(gòu)2. 摩擦輪傳動3. 瞬心線機構(gòu)4. 帶傳動5. 鏈傳動6. 繩索傳動7. 雙曲柄機構(gòu)二、連續(xù)轉(zhuǎn)動到步進轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)二、連續(xù)轉(zhuǎn)動到步進轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)1棘輪機構(gòu)2槽輪機構(gòu)3不完全齒輪機構(gòu)4分度凸輪機構(gòu) 三、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復擺動的

6、運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)三、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復擺動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄搖塊機構(gòu)，擺動導桿機構(gòu)擺動從動件凸輪機構(gòu)四、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復直線移動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)四、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復直線移動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)、正弦機構(gòu)、直動從動件凸輪機構(gòu)、帶或鏈傳動機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)及一些組合機構(gòu)、摩擦滾輪送料機構(gòu)五、直線移動轉(zhuǎn)換為直線移動的運動變換與實現(xiàn)五、直線移動轉(zhuǎn)換為直線移動的運動變換與實現(xiàn)液壓機構(gòu)，斜面機構(gòu)，具有二個移動副的連桿機構(gòu)移動凸輪機構(gòu)，直線電機，彈簧機構(gòu)圖3-19 直線移動轉(zhuǎn)換為直線移動的變換機構(gòu)六、直線移動轉(zhuǎn)換為定軸轉(zhuǎn)動或往復擺動的運動變換與實六、直線移動轉(zhuǎn)換為

7、定軸轉(zhuǎn)動或往復擺動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)現(xiàn)機構(gòu)曲柄滑塊，齒輪齒條，擺臂移動凸輪，螺旋組合機構(gòu)圖3-20 直動到擺動的運動變換機構(gòu) 2機構(gòu)的組合：把一些基本機構(gòu)通過適當?shù)姆绞竭B接起來，從而組成一個機構(gòu)系統(tǒng)，稱之為機構(gòu)的組合。 在機構(gòu)的組合系統(tǒng)中，各基本機構(gòu)都保持原來的結(jié)構(gòu)和運動特性，都有自己的獨立性。圖3-21 機構(gòu)的組合系統(tǒng)故機構(gòu)的分析和設(shè)計方法仍然適合機構(gòu)組合系統(tǒng)中的各機構(gòu)。串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)3組合機構(gòu) 組合機構(gòu)與機構(gòu)的組合有本質(zhì)不同。組合機構(gòu)是指若干基本機構(gòu)，通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構(gòu)。組合機構(gòu)中的各基本機構(gòu)已不能保持各自的獨立性，也不能用原基本機構(gòu)的分析和設(shè)計方法進行組合機構(gòu)

8、的設(shè)計。圖3-22 并聯(lián)機構(gòu)組合系統(tǒng)例：圖3-23圖3-23 組合機構(gòu)示意圖l 實現(xiàn)特殊功能 平行四邊形機構(gòu)（位移縮放機構(gòu)）3.2 3.2 機、電、液機構(gòu)組合的運動及控制機、電、液機構(gòu)組合的運動及控制一、機、液機構(gòu)組合的運動形態(tài)一、機、液機構(gòu)組合的運動形態(tài)液壓缸與連桿機構(gòu)系統(tǒng)的組合1機、液機構(gòu)組合的基本型a. 單出桿固定缸； b. 雙出桿固定缸； c. 擺缸2機、液機構(gòu)組合的常見運動形式 液壓傳動容易實現(xiàn)順序動作、換向動作、速度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)和壓力保持等多種復雜的要求，且易于實現(xiàn)自動控制所以機、液一體化的機械正在迅速發(fā)展。（1）固定液壓缸式機構(gòu) （2）擺動式液壓缸機構(gòu)圖3-24 機、液機構(gòu)組合

9、的基本型圖3-25 單出桿固定缸機構(gòu)的直接應用圖a) 實現(xiàn)夾緊工作的原理圖圖b) 送料工作原理圖圖3-26 固定缸式機構(gòu)應用舉例圖a) 為驅(qū)動機器人升降工作示意圖圖b) 機械手夾持機構(gòu)圖b) 機械手夾持機構(gòu)圖3-27 擺動式液壓缸機構(gòu)示意圖圖a) 控制機械臂俯仰 圖b) 飛機起落架（空間機構(gòu)）圖3-28 液壓挖掘機圖3-30 電磁機構(gòu)3機、液機構(gòu)的控制系統(tǒng)機、液機構(gòu)，一般，液壓元件 動力元件，控制元件 控制方法：手動、機動和微機控制。（1）手動控制：換向閥，流量閥（2）機動控制：檔塊實現(xiàn)換向（3）微機控制：由于液壓閥心的動作可由電磁力來完成，以通電與斷電的方式來控制閥心的動作，給實施微機控制提

10、供了很大的方便。圖3-29 手動換向閥 二、電磁機構(gòu)：二、電磁機構(gòu)：電磁機械運動（正）電磁機構(gòu)：開關(guān)機構(gòu)，電磁振動機構(gòu)反電磁機構(gòu)：磁電式位移傳感器或速度傳感器三、機電組合機構(gòu)三、機電組合機構(gòu)機、電一體，集自動控制、智能、機械運動為一體的柔性機械系統(tǒng)典型代表：計算機外設(shè)（打印機、傳真機、繪圖機） 微機接口輸出通道電磁閥圖3-30 微機控制框圖 圖3-31 針式打印機機構(gòu)示意圖圖3-32 打印機控制原理圖圖3-33 機械系統(tǒng)微機控制框圖 總之，機電機構(gòu)組合中的運動形態(tài)由機構(gòu)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而機械的運動參數(shù)（位置、位移、速度、加速度等）和各執(zhí)行機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)關(guān)系是靠微機系統(tǒng)（微機、接口電路、各種電子元

11、件組成的硬件及軟件）來實現(xiàn)的。 進行創(chuàng)新設(shè)計機電組合機械時，根據(jù)工藝動作要求設(shè)計出機械系統(tǒng)，必須同時充分考慮到控制元件的選擇以及控制方法的確定。 機械系統(tǒng)、微機系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)要作為一體來考慮，力求機械系統(tǒng)的簡化，更好地發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，以降低機器的成本。第三節(jié)第三節(jié) 機械運動與控制機械運動與控制一、機械運動的換向與控制一、機械運動的換向與控制1旋轉(zhuǎn)運動的換向與控制（正、反轉(zhuǎn)控制）（1）改變電機轉(zhuǎn)向 （2）限位開關(guān)換向 限位開關(guān)：機械式，光電式，磁開關(guān)對液壓傳動，通過限位開關(guān)控制電磁換向閥線圈的通電與斷電，改變液流的方向而達到旋轉(zhuǎn)油缸換向的目的。（3）介輪換向 （4）棘輪換向 改變棘爪的棘齒方向

12、 （5）摩擦輪換向 （6）自身換向機械：曲柄搖桿，擺動凸輪 圖3-34 三相交流異步電動機的換向控制電路圖 圖3-35 利用限位開關(guān)控制電機的換向的原理圖圖3-36 介輪換向示意圖介輪機構(gòu)l 介輪：兩個不互相接觸的傳動齒輪中間只傳遞扭矩的齒輪，同時跟這兩個齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)動方向，使之與主動輪相同。由于它的作用只是傳遞扭矩和改變轉(zhuǎn)向并不能改變傳動比，因此稱之為惰輪（介輪）。圖3-37 棘輪換向示意圖 圖3-38 摩擦輪換向 圖3-39 自身換向機構(gòu)示例2直線移動的換向與控制（1）改變電機轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)往復的直線移動絲桿傳動，電動大門 圖3-40 直線電機（2）液壓換向：控制換向閥 圖3

13、-41改變液流方向?qū)崿F(xiàn)油缸的往復運動。軟件定時（3）自身換向機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu)、正弦機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu)、直線凸輪機構(gòu)等二、機械運動的調(diào)速與控制二、機械運動的調(diào)速與控制減速器，變速器（1）調(diào)速電機：目標，低速大扭矩 直流電機調(diào)速 中小功率已商品化 交流電機調(diào)速（2）齒輪減速器普通齒輪減速器、行星齒輪減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器圖3-40 電動大門示意圖圖3-41 液壓換向控制原理圖圖3-42 工作臺換向示意圖圖3-43 自身移動換向機構(gòu) （4）變速器： 有級變速器： 圖3-44 無級變速器： 摩擦傳動 功率20KW 鏈式 連桿脈動 （3）其它減速裝置：帶傳動、鏈傳動、摩擦傳動圖3-44 減速器示意圖圖3-45