機械工程導論第三章

第三章機械創(chuàng)新設計簡介3.1機械的基礎知識一、機械及其組成

1．機械的概念

1）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置

2）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機械的分類：原動機，工作機和信息機

2．機械的組成原動機，工作機（包括傳動裝置），控制裝置，見圖2—1、2—2、2—3原動機：三相交流異步電動機、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速，易于實行自動控制，在機電一體化設備中廣泛應用；工作機：指利用原動機提供的動力實現物料或信息的傳遞，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機構運動形態(tài)分析①全轉動副四桿機構的基本型②含有一個移動副四桿機構的基本型見圖3-4③含有二個移動副四桿機構的基本型（1）四桿機構（2）齒輪機構圓柱齒輪傳動機構圓錐齒輪傳動機構蝸桿傳動機構行星齒輪傳動機構見圖3-5（3）凸輪機構的分類直動從動件平面凸輪機構擺動從動件平面凸輪機構直動從動件圓柱凸輪機構擺動從動件圓柱凸輪機構見圖3-6、3-7（4）齒輪的分類外嚙合齒輪內嚙合齒輪

齒輪傳動

圓錐齒輪蝸輪蝸桿齒輪系機構見圖3-8、3-9圖3-8齒輪傳動機構圖3-9齒輪系機構圖3-10摩擦輪傳動機構（6）瞬心線機構：實現連續(xù)的、周期性的、變速傳動輸出

1）橢圓型瞬心線機構圖3-11a

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的轉角，e為橢圓的偏心率（5）摩擦輪傳動機構：傳遞的力較小，主要應用于儀器中傳遞運動。2）四葉卵型線輪傳動圖3-4b瞬心線機構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（7）間歇運動機構圖3-12步進機構示意圖（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（11）繩索傳動機構：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）鋼絲軟軸傳動機構圖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）萬向聯軸器：空間連桿機構，圖3-9單萬向聯軸器雙萬向聯軸器：等速傳動

變速傳動圖3-18萬向聯軸器示意圖二、機構及其功能一、連續(xù)轉動到連續(xù)轉動的運動變換與實現機構1.齒輪傳動機構2.摩擦輪傳動3.瞬心線機構4.帶傳動5.鏈傳動6.繩索傳動7.雙曲柄機構二、連續(xù)轉動到步進轉動的運動變換與實現機構1．棘輪機構2．槽輪機構3．不完全齒輪機構4．分度凸輪機構三、連續(xù)轉動到往復擺動的運動變換與實現機構曲柄搖桿機構，曲柄搖塊機構，擺動導桿機構擺動從動件凸輪機構四、連續(xù)轉動到往復直線移動的運動變換與實現機構曲柄滑塊機構、正弦機構、直動從動件凸輪機構、帶或鏈傳動機構、齒輪齒條機構、螺旋傳動機構及一些組合機構、摩擦滾輪送料機構五、直線移動轉換為直線移動的運動變換與實現液壓機構，斜面機構，具有二個移動副的連桿機構移動凸輪機構，直線電機，彈簧機構圖3-19直線移動轉換為直線移動的變換機構六、直線移動轉換為定軸轉動或往復擺動的運動變換與實現機構曲柄滑塊，齒輪齒條，擺臂移動凸輪，螺旋組合機構圖3-20直動到擺動的運動變換機構

2．機構的組合：把一些基本機構通過適當的方式連接起來，從而組成一個機構系統(tǒng)，稱之為機構的組合。在機構的組合系統(tǒng)中，各基本機構都保持原來的結構和運動特性，都有自己的獨立性。圖3-21機構的組合系統(tǒng)故機構的分析和設計方法仍然適合機構組合系統(tǒng)中的各機構。串聯機構并聯機構3．組合機構組合機構與機構的組合有本質不同。組合機構是指若干基本機構，通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構。組合機構中的各基本機構已不能保持各自的獨立性，也不能用原基本機構的分析和設計方法進行組合機構的設計。圖3-22并聯機構組合系統(tǒng)例：圖3-23圖3-23組合機構示意圖實現特殊功能

平行四邊形機構（位移縮放機構）3.2機、電、液機構組合的運動及控制一、機、液機構組合的運動形態(tài)液壓缸與連桿機構系統(tǒng)的組合1．機、液機構組合的基本型a.單出桿固定缸；b.雙出桿固定缸；c.擺缸2．機、液機構組合的常見運動形式液壓傳動容易實現順序動作、換向動作、速度調節(jié)、壓力調節(jié)和壓力保持等多種復雜的要求，且易于實現自動控制所以機、液一體化的機械正在迅速發(fā)展。（1）固定液壓缸式機構（2）擺動式液壓缸機構圖3-24機、液機構組合的基本型圖3-25單出桿固定缸機構的直接應用圖a)實現夾緊工作的原理圖圖b)送料工作原理圖圖3-26固定缸式機構應用舉例圖a)為驅動機器人升降工作示意圖圖b)機械手夾持機構圖b)機械手夾持機構圖3-27擺動式液壓缸機構示意圖圖a)控制機械臂俯仰圖b)飛機起落架（空間機構）圖3-28液壓挖掘機圖3-30電磁機構3．機、液機構的控制系統(tǒng)機、液機構，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，給實施微機控制提供了很大的方便。圖3-29手動換向閥二、電磁機構：電磁機械運動（正）電磁機構：開關機構，電磁振動機構反電磁機構：磁電式位移傳感器或速度傳感器三、機電組合機構機、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（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，機電機構組合中的運動形態(tài)由機構的結構來實現，而機械的運動參數（位置、位移、速度、加速度等）和各執(zhí)行機構的運動協(xié)調關系是靠微機系統(tǒng)（微機、接口電路、各種電子元件組成的硬件及軟件）來實現的。

進行創(chuàng)新設計機電組合機械時，根據工藝動作要求設計出機械系統(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)機械運動與控制一、機械運動的換向與控制1．旋轉運動的換向與控制（正、反轉控制）（1）改變電機轉向（2）限位開關換向

限位開關：機械式，光電式，磁開關對液壓傳動，通過限位開關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（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自身換向機構示例2．直線移動的換向與控制（1）改變電機轉向來實現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3-41改變液流方向實現油缸的往復運動。軟件定時（3）自身換向機構曲柄滑塊機構、正弦機構、雙滑塊機構、直線凸輪機構等二、機械運動的調速與控制減速器，變速器（1）調速電機：目標，低速大扭矩直流電機調速中小功率已商品化交流電機調速（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

（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go圖3-44減速器示意圖圖3-45齒輪變速器簡圖表中L為離合器，Z為制動器?！?”號