第四章機械功能原理的實現(xiàn)

1、第四章第四章 機械功能原理的實現(xiàn)機械功能原理的實現(xiàn)機械運動系統(tǒng)的方案設計機械運動系統(tǒng)的方案設計 目錄第一節(jié)第一節(jié) 機構能實現(xiàn)的動作功能機構能實現(xiàn)的動作功能第二節(jié)第二節(jié) 傳動機構和執(zhí)行機構傳動機構和執(zhí)行機構第三節(jié)第三節(jié) 按機械動作功能原理要求作機按機械動作功能原理要求作機械運動系統(tǒng)的方案設計械運動系統(tǒng)的方案設計第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)揮機構固有潛力的方法發(fā)揮機構固有潛力的方法機構的創(chuàng)新設計機構的創(chuàng)新設計第五節(jié)第五節(jié) 機械運動的協(xié)調設計和運動循機械運動的協(xié)調設計和運動循環(huán)圖環(huán)圖第一節(jié)第一節(jié) 機構能實現(xiàn)的動作功能機構能實現(xiàn)的動作功能一、機構能實現(xiàn)哪些動作功能一、機構能實現(xiàn)哪些動作功能 機構的輸出運動是多種多

2、樣的。利用機構可以進行構件運動形式的變換 1.利用機構實現(xiàn)運動形式或運動規(guī)律變換的利用機構實現(xiàn)運動形式或運動規(guī)律變換的動作功能動作功能 1)勻速運動(平動、轉動）與非勻速運動(平動、轉動或擺動)的變換。 2）連續(xù)轉動與間歇式的轉動或擺動的變換。 3)實現(xiàn)預期的運動軌跡運動。 2.2.利用機構實現(xiàn)開關、聯(lián)鎖和檢測等利用機構實現(xiàn)開關、聯(lián)鎖和檢測等的動作功能的動作功能 檢測機構可以檢查最后的成品也可以檢測中間工序，以自動校正與規(guī)定標準間的差異?？刂坡?lián)鎖機構的用途則是在機器工作過程中發(fā)現(xiàn)控制和檢測機構所不能排除的缺陷時停止或限制機器的工作。 1)用來實現(xiàn)運動離合或開停。 2)用來換向、超越和反向止動。

3、 3)用來實現(xiàn)聯(lián)鎖、過載保護、安全制動。 4)實現(xiàn)鎖止、定位、夾壓等。 5)實現(xiàn)測量、放大、比較、顯示、記錄、運算等。 3.3.利用機構實現(xiàn)程序控制或手動控制的功能利用機構實現(xiàn)程序控制或手動控制的功能 1)利用時間的序列進行控制利用時間的序列進行控制 2)利用動作的序列進行控制 3)利用運動的變化等進行控制 二、選擇機構來實現(xiàn)功能原理的原則二、選擇機構來實現(xiàn)功能原理的原則和范圍和范圍 根據(jù)目前科學技術的條件，下列幾方面的動作功能，一般較宜用機構來實現(xiàn)。 1.實現(xiàn)功率性的機械運動形式或規(guī)律的變換功能 在目前技術條件下，各式各樣的交直流變速電動機的一些特性還不夠理想，絕大多數(shù)的機械均使用運動特性好

4、，變換效率高的鼠籠型異步電動機，這就需要各式各樣的減速、變速機構，曲柄滑塊機構，正弦機構等的運動形式變換機構；2.實現(xiàn)固定軌跡或簡單可調的軌跡功能 例如各種自動機上的上、下料，加工，檢測等工序上需要的運動軌跡，均可全部用機構來完成。 3.在特定條件下能優(yōu)質地實現(xiàn)開關、聯(lián)鎖和檢測等功能 這些功能一般用機械或電均能實現(xiàn)，但究競用哪一種好，需要設計者仔細分析研究。 4.實現(xiàn)簡單的固定程序或可變程序的控制功能 以上幾方面均適宜用機構來實現(xiàn)，但這不是絕對的。隨著科學技術的進步，將會有變化，因此設計者要密切注意當前的科技進步的動向 第二節(jié)第二節(jié) 傳動機構和執(zhí)行機構傳動機構和執(zhí)行機構 一切機器都包含有四個部

5、分：動力源、傳動機構、執(zhí)行機構和控制部分。 一、傳動機構一、傳動機構 傳動機構的作用是將原動機的運動和動力傳遞給工作機，以完成預期的功能。 常用的傳動機構：齒輪機構、連桿機構、凸輪機構、螺旋機構、楔塊機構、棘輪機構、槽輪機構、摩擦輪機構、撓性件機構、彈性件機構、液氣動機構、電氣機構以及利用以上一些常用機構進行組合而產(chǎn)生的組合機構。 傳動機構在使用中最主要的目的是為了實現(xiàn)速度或力的變換，或實現(xiàn)特定運動規(guī)律的要求。 1.1.運動速度或力的大小變換運動速度或力的大小變換P=Fv 常見的用于運動速度或力的大小變換的傳動機構主要有以下幾種：1)通過嚙合方式進行傳動(例如：齒輪、蝸輪蝸桿、鏈傳動、同步齒形

6、帶等)。 2)通過摩擦方式進行傳動(例如：摩擦輪傳動、摩擦式無級變速器、帶傳動、滑輪傳動等)。3)利用楔塊原理進行傳動(例如：螺旋傳動等)。 4)利用流體作用原理進行傳動(例如：液壓；氣動傳動等)。 2.2.運動形式或傳力方式的變換運動形式或傳力方式的變換 原動機的輸出較為常見的運動形式是勻速轉動，而工作機的輸出要求是多種多樣的，有轉動、平動、擺動等。因此進行運動形式的變換是傳動機構的一個很重要的任務。由于運動形式的變化，機構的傳力方式也就隨之改變。二二. .執(zhí)行機構執(zhí)行機構執(zhí)行機構：帶動工作頭進行工作并使之獲得工作力或力矩的機構稱為執(zhí)行機構。執(zhí)行機構的主要作用：給工作頭產(chǎn)生工作力同時帶動工作

7、頭實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或特定的運動軌跡等。 1.1.滿足特定運動規(guī)律滿足特定運動規(guī)律 特定的運動規(guī)律是指那些輸出中有速度的規(guī)律變化要求，如有等速輸出，瞬時或長時間停歇，有急回特性，周期性轉位和步進分度動作等。 一般機器中常常由多個執(zhí)行機構組成的，以完成各種預定的機械工作要求。2.2.滿足特定的運動軌跡滿足特定的運動軌跡當運動軌跡要求比較復雜時，一般通過連桿機構或通過組合機構來完成。 3.3.滿足某種特殊的信息傳遞滿足某種特殊的信息傳遞這些信息傳遞包括檢測、計數(shù)、定時、顯示或控制等功能。這一類應用很多，例如家用水表、電表等使用的機械式計數(shù)器，家用洗衣機、電風扇等使用機械式定時器。三、工作頭三、工作

8、頭1.1.什么是工作頭什么是工作頭 工作頭是直接接觸并攜帶工作對象完成一定的工作(例如：夾持、搬運、轉位等)，或是在其上完成一定的工藝動作(例如噴涂、洗滌、鍛壓等)的裝置。例如，挖掘機的鏟斗，縫紉機的機針等。2.2.工作頭的作用工作頭的作用 工作頭的形式根據(jù)機構執(zhí)行的工藝功能不同而多種多樣。 (1)夾持 例如，機床要加工零件，必須先將零件夾緊，然后才能進刀加工。 (2)搬運、輸送及轉換工位 例如：起重機吊鉤吊起重物后要將其移到另一個位置。 (3)施力 例如，鍛壓、沖壓機等。四、選擇機構類型和擬定機構四、選擇機構類型和擬定機構簡圖中的幾個問題簡圖中的幾個問題1.在滿足工藝功能動作和運動要求的情況

9、下應使機構最簡單，傳動鏈最短 從原動機到執(zhí)行構件之間機構數(shù)量應盡量少，運動鏈應盡可能短，運動副數(shù)目要盡量少，這樣不僅可以減少制造和裝配的困難、減輕重量、縮小尺寸、降低成本，而且還可以減少機構的累積運動誤差，提高機器的效率和工作可靠 。2.使機構有有利的傳力條件 在 外載一定的條件下完成同樣的動作要求，不同形式、尺寸的機構和運動副中構件受力是不同的，原動機消耗功率的大小也可能不同。 對行程不大但克服工藝阻力很大的連桿機構，應采用使其在近于死點位置工作增力機構，這種增力機構用于剪切機、沖壓機、破碎機等機械中，在主動件上施加較小的驅動力，可以克服從動構件上很大阻力。 3.使機構有盡可能好的動力性能在

10、高速機構中，為了使動載荷最小，對機構或回轉構件進行靜平衡和動平衡。對于傳動力的機構則要盡量增大機構的傳動角，以防止機構的自鎖，增大機器的傳動效益，減少原動機的功率及其損耗。 4.使機器操縱方便，調整容易，安全耐用 在擬定機器運動方案時適當?shù)丶尤胍恍╅_、停、離合、正反轉、剎車、手動等裝置，可使操縱方便，調整容易；機器中加入過載保護裝置，可預防機器的損壞等。第三節(jié)第三節(jié) 按機械動作功能原理要求作機械運動系按機械動作功能原理要求作機械運動系統(tǒng)的方案設計統(tǒng)的方案設計一、功能原理解與機械運動系統(tǒng)的方案設計一、功能原理解與機械運動系統(tǒng)的方案設計 在功能原理解與機械運動系統(tǒng)的方案設計之間在功能原理解與機械運

11、動系統(tǒng)的方案設計之間存在以下兩個問題：存在以下兩個問題：1)1)在功能結構圖中，有的分功能比較復雜，不可能在功能結構圖中，有的分功能比較復雜，不可能用一個已知的機構來完成。這里就需要根據(jù)分功能用一個已知的機構來完成。這里就需要根據(jù)分功能的特點，挑選幾個機構組成一個機械運動系統(tǒng)，由的特點，挑選幾個機構組成一個機械運動系統(tǒng)，由這些機構共同完成這個分功能的機械動作。這就是這些機構共同完成這個分功能的機械動作。這就是所謂所謂“機械運動系統(tǒng)的方案設計機械運動系統(tǒng)的方案設計”，或稱為，或稱為“機構機構的創(chuàng)新設計的創(chuàng)新設計”。2)2)當功能結構圖中的各機械分功能均已根據(jù)分功能當功能結構圖中的各機械分功能均已

12、根據(jù)分功能的要求選擇好相應的機構后，怎樣使這些分散的機的要求選擇好相應的機構后，怎樣使這些分散的機構組成一個協(xié)調運動的整體，這也稱為構組成一個協(xié)調運動的整體，這也稱為“機械運動機械運動系統(tǒng)的方案設計系統(tǒng)的方案設計”，也稱為也稱為“機械運動系統(tǒng)的協(xié)調機械運動系統(tǒng)的協(xié)調設計設計”。 二、功能原理的分解和機構的選擇二、功能原理的分解和機構的選擇 當分功能比較復雜。不能用單一機構完成時，就要將這分功能分解成幾個分功能。分解的原則：所分解出的分功能能夠用一個簡單機構去完成，即將這復雜的動作功能分解成一組由直線和圓弧組成的運動。因為直線和圓弧是機構能夠最容易且最精確完成的運動。 能完成同一功能的機構有很多

13、種，如直線運動就有曲柄滑塊機構、凸輪機構、四桿機構的連桿曲線、齒輪齒條機構等。 選哪一個機構，這除了要按第二節(jié)的原則外，還要看這些機構能否組合在一起，即所謂機構間的相容問題。 實例例如工廠備料車間用的鋸床，它是將整根元鋼鋸成小段送到各制造車間加工。這種鋸床的鋸弓所要求的鋸斷分功能至少應包含以下三個運動特性要求：旋轉運動變換成直線往復運動；工作行程的時間大于回程時間的急回特性；防止鋸齒在工作時受到?jīng)_擊載荷，要求在工作行程的中間段具有近似的等速運動。這三個運動特性要求均有多種機構可以選擇：1)轉動(或擺動)變成移動的機構有：曲柄(或擺桿)滑塊機構、正弦機構、凸輪機構、齒輪齒條機構等。2)具有急回特

14、性的機構有：偏置曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構、凸輪機構、曲柄導桿機構等。3)工作行程具有近似等速段的機構：這個功能特性要求除凸輪機構能單獨完成外，其余機構均需要相互配合才行。 設想 根據(jù)這個設想，能滿足有等速段子功能的機構，除了凸輪機構外還有曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、曲柄導桿機構及橢圓齒輪機構等與曲柄(或擺桿)滑塊機構、正弦機構等的組合。 經(jīng)運動分析知為雙曲柄機構偏心曲柄滑塊機構的組合，它在工作行程的70范圍內有良好的等速運動性能，且有較好的急回特性，結構尺寸也合理。其次是曲柄導桿機構擺動滑塊機構，其運動性能與上述機構不相上下，但結構尺寸比較大，制造比較復雜，用在鋸床中有些大材小用，但卻廣泛用于

15、各種類型的牛頭刨床中。三、機械運動系統(tǒng)方案設計舉例三、機械運動系統(tǒng)方案設計舉例家用家用縫紉機的送布機構設計縫紉機的送布機構設計1.家用縫紉機送布機構的功能原理要求 1)衣料必須在壓腳板與入口平板之間作步進式移動。 2)送布牙的軌跡為近似矩形，特別是在送進階段應是近似直線。 3)送布牙用棘齒狀零件構成，其送布量在一定范圍內可作無級調節(jié)。2.送布機構的功能分解 1)發(fā)生矩形軌跡的子功能。 2)能控制矩形軌跡各段生成時，與引線機構相配合的控制子功能。 3)改變送布牙送進量的調節(jié)子功能。 4)送布機構與傳動軸之間的運動傳遞子功能。3.實現(xiàn)子功能的機構選擇(1)矩形軌跡生成機構 先根據(jù)選擇機構要力求簡單

16、的原則，作如下分析： 1)選用四桿低副機構 2)全鉸鏈四桿機構 3)全鉸鏈五桿機構 (2)矩形軌跡生成的控制機構 (3)送布量的調節(jié)機構 調節(jié)機構的任務是將擺桿BB的送布輸出信息 ，改變成大小可調的送布多少的參數(shù)。 4.機械運動系統(tǒng)的方案設計 機構選擇完后，就要根據(jù)功能分解的原理將這些機構組合在一起，完成送布的分功能，這就稱為送布機構的運動方案設計。從上可知，分功能的分解方法不同，每個部分所選擇機構的不同，得出的機械運動方案也就不同，設計者應該在這眾多的方案中選擇一個最優(yōu)的方案 4-18a送布機構的運動系統(tǒng)方案設計方框圖5.小結 上面通過家用縫紉機的送布機構設計闡述了按功能原理作機械運動系統(tǒng)方

17、案設計的內容和過程。軌跡發(fā)生器的控制機構采用最簡單的凸輪機構。但凸輪控制已無法滿足現(xiàn)代高速縫紉的需要。因此，用連桿機構來代替凸輪機構已成了高速縫紉機的一種趨勢，因為連桿機構制造方便，成本低而高速運轉性能良好。由此可知，送布機構的運動系統(tǒng)方案設計可以有很多種。 第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)揮機構固有潛力的發(fā)揮機構固有潛力的方法方法機構的創(chuàng)新設計機構的創(chuàng)新設計 上節(jié)所述的兩種送布機構，后者的優(yōu)異性能代替了前者(在高速縫紉機中)，如把這個機構，拆成單個機構來看，均是大家都熟悉的機構，它們都無法單獨表現(xiàn)出無級調節(jié)的運動特性，但將它們組合在一起時，這個潛在的調節(jié)性能就充分發(fā)揮出來了，對于這樣種新的機構設計，誰也不能

18、否認這是一種創(chuàng)造或發(fā)明。下面介紹幾種方法用來發(fā)明或創(chuàng)造出新的機械。一、改變機構的某些尺寸參數(shù)，使機構出現(xiàn)一種新的功能 在機械原理中研究過四桿機構，當改變四連桿機構各桿的相對尺寸時，就會出現(xiàn)曲柄搖桿機構，雙曲柄機構和雙搖桿機構，這三種機構均有其互不相同的運動特性，這已是大家公認的事實?，F(xiàn)再舉如圖420a所示的“六桿增力機構”，其設計的初意是當主動構件AB作較小功率的旋轉運動時，滑塊能產(chǎn)生巨大的沖壓力。因此這機構被應用于大噸位的沖壓機床中。 瞬時停歇的運動特性 二次壓印機 二、運用機構的串聯(lián)組合，改變機構的運動特性例子：鋸床、篩面粉機 采用凸輪機構，由于壓力大，壓邊滑塊的行程又長，因而這個凸輪就要

19、做得很大，這不但占據(jù)了機器中很大的空間，而且凸輪的制造也較困難。 運用機構的串聯(lián)組合改變后的壓力機構。三、運用機構的并聯(lián)組合，得到某種特殊的運動規(guī)律或軌跡 典型的實例是上節(jié)所述的送布機構中的軌跡生成機構。 四、利用機構組成原理發(fā)現(xiàn)新的機構 機 構 組 成原理認為，機構是由若干個構件組成，其最基本的形式是構件間全部用轉動副組成。例子：送布機構高副均代換成轉動副 五、引進當前的最新技術，使舊的機械功能得到新的生命 例如機床引進數(shù)控技術，電子計算機的控制技術，使機械加工功能不斷地提高。 第五節(jié)第五節(jié) 機械運動的協(xié)調設計機械運動的協(xié)調設計和運動循環(huán)圖和運動循環(huán)圖一、機械運動協(xié)調設計一、機械運動協(xié)調設計 當功能結構圖中各分功能均設計完畢后，怎樣將這些分功能協(xié)調動作，共同完成總功能?這就需進行總體范圍內的運動系統(tǒng)方案設計機械運動協(xié)調設計。 使各執(zhí)行機構嚴格按規(guī)定的時間運動的設計，就是機械運動協(xié)調設計的關鍵控制方法設計。 一般有如下兩種方法。1.集中驅動、分散控制 在比較小型的機器上，一般均采用本方法，它由一個總驅動源(一般是電動機)，經(jīng)過變速后達到合適的工作轉速，作為機器