第五章 常用机构

第五章 常用机构 机器人的结构十分复杂，它的操纵控制系统也非常先进；毕竟，机器人肢体动作的传动还是要由各种各样的基本机构来完成。 牛头刨床加工工件时，刀架（随着滑枕）的直线往复运动是通过摆动导杆机构来实现的51 铰链四杆机构一、铰链四杆机构的组成及基本形式 缝纫机踏板的上下摆动是应用曲柄摇杆机构而转化为带轮转动的。内燃机活塞的冲程直线运动是应用曲柄滑块机构而转化为旋转运动的。铰链（即转动副）的形式很多，在日常生活中，门和家具上用的合页也是铰链连接的具体应用。 铰链四杆机构是由四个杆件通过铰链连接而成的传动机构，简称四杆机构 。 在机构简图中，小圆圈表示铰链，线段表示构件；带一组短斜线的线段或者两固定铰链间的假想连线表示机构中固定不动的构件。 铰链四杆机构中各构件名称 在铰链四杆机构中固定不动的构件 4 称为机架，与机架直接相连的构件 1、3 称为连架杆，与机架不直接相连的构件 2 称为连杆。 在连架杆中，能做整周转动的称为曲柄，不能作整周转动的称为摇杆。铰链四杆机构的基本形式：根据两连架杆中曲柄存在形式的不同，铰链四杆机构分为三种基本形式： 1）曲柄摇杆机构2）双曲柄机构3）双摇杆机构二、曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构的两连架杆中，若一个为曲柄，而另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构 。 铰链四杆机构中，曲柄存在的杆长条件为： 最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和。曲柄摇杆机构应用实例 ： 剪板机 雷达天线俯仰摆动机构 搅拌器 汽车窗刮雨器 缝纫机踏板机构 曲柄摇杆机构运动特性分析 当曲柄为主动件并作匀速转动时，摇杆作往复摆动且有急回运动特性； 而当摇杆为主动件驱动曲柄作整周转动时，机构会出现两个止点位置。 急回特性 若曲柄匀速转动，很明显曲柄转过角 1=180+ 比转过角 2=180- 需要的时间要多，这说明摇杆往复摆动的平均速度不同。铰链四杆机构的这种特性称为摇杆的急回运动特性。 止点位置 摇杆处于 C1D 或 C2D 两极限位置时，连杆 BC 与曲柄 AB 两次共线，此时，摇杆经连杆施加给曲柄的力 F1 或 F2 必然通过铰链中心 A，曲柄不能获得转矩，机构将趋于静止状态。机构所处的这种位置称为止点位置。 三、双曲柄机构 若将曲柄摇杆机构中的最短杆固定为机架时，根据转动副运动的可逆性原理，与机架相连的两连架杆均可作整周转动，即形成双曲柄机构。常见的双曲柄机构形式有：1)两曲柄长度不同的不等长双曲柄机构；2)四个杆件形成平行四边形的平行双曲柄机构；3)相对的两杆件分别等长但互不平行的反向双曲柄机构。 双曲柄机构应用实例 1惯性筛 双曲柄机构应用实例 2天平 双曲柄机构应用实例 3码垛机械手 双曲柄机构应用实例 4汽车门启闭机构 四、双摇杆机构将曲柄摇杆机构中的最短杆的对杆固定为机架时，即形成双摇杆机构；若铰链四杆机构中，最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆的长度之和，不论以哪一杆为机架，均为双摇杆机构。 双摇杆机构应用实例 1起重吊车机构 两摇杆 AB 和 DC 往复摆动，连杆 BC 外伸端部 E 点的运动轨迹近似水平，能使重物平稳移动 双摇杆机构应用实例 2车轮转向机构 四杆件构成等腰梯形，按箭头方向牵动摇杆 CD 的延伸端点 E ，可使两摇杆 AB，CD 同向摆动并带动两轮同时转向 。 双摇杆机构应用实例 3飞机起落架机构 主动摇杆 AB 通过连杆 BC 带动从动摇 CD 杆动作，实现起落架的收放。 图示状态，摇杆 AB 与连杆 BC 共线，机构处于止点位置，可防止起落架自行收回 。 双摇杆机构应用实例 4夹紧机构 手柄与连杆 BC 连为一体，扳动手柄可夹紧或松开工件。图示状态，连杆 BC 与摇杆 CD 共线，机构处于止点位置，可提高工件夹紧的可靠性。五、曲柄滑块机构及其演化形式曲柄滑块机构，它是将曲柄摇杆机构中的摇杆转化为滑块而得来的一种演化形式。当曲柄 AB 匀速转动时，通过连杆 BC 带动滑块 3 在机架导轨上作往复直线运动。曲柄滑块机构应用实例 1内燃机气缸 曲柄滑块机构应用实例 2冲压机 曲柄滑块机构应用实例 3滚轮送料机 曲柄滑块机构的演化形式摆动导杆机构 取曲柄滑块机构中的曲柄作机架，使原有连杆缩短于机架并转化为新的曲柄。 （原导轨转化为摆动导杆） 曲柄滑块机构的演化形式摇块机构 取曲柄滑块机构中的连杆作机架。 （原滑块转化为摇块） 曲柄滑块机构的演化形式移动导杆机构 以曲柄滑块机构中的滑块为机架。 （原导轨转化为移动导杆）52 凸轮机构凸轮是具有控制从动件运动规律的曲线轮廓的构件，含有凸轮的机构称为凸轮机构。多缸内燃机配气机构工作时，匀速回转的凸轮 1 迫使气门 3 往复移动，以使气口开启或关闭；通过多个凸轮的协调动作，控制着各个气缸按预定规律完成进气和排气的工作循环。 一、凸轮机构的组成和特点 凸轮机构的组成 凸轮机构，它主要由凸轮、从动件和固定机架三个构件组成。从动件靠重力或弹簧力与凸轮紧密接触，凸轮转动时，从动件作往复移动。 凸轮机构的特点 凸轮机构的基本特点是能使从动件获得较复杂且准确的预期运动规律； 凸轮轮廓与从动件的接触面积小，所以接触处压强大，易磨损，因而不能承受很大的负荷； 凸轮是一个具有特定曲线轮廓的构件，轮廓精度要求高时需用数控机床进行加工。二、凸轮机构的分类和应用1、凸轮机构的分类 凸轮机构的种类很多，通常按凸轮形状和从动件的端部结构分类。2、凸轮机构的应用 凸轮机构应用实例 1靠模车削机构 靠模板 4（相当于移动凸轮）固定在车床床身上。车削加工时，工件旋转，刀架 3 带动车刀 2（从动件）沿工件轴向移动，由靠模板曲线轮廓控制车刀相对于工件的径向进给；车刀按预定规律动作，从而车削出具有曲面轮廓的工件凸轮机构应用实例 2自动进刀机构 在圆柱表面开出曲线凹槽的圆柱凸轮 1 转动时，凹槽的侧面推动摆杆 2 端部的滚子，使摆杆绕固定铰链 C 的回转中心摆动，摆杆另一端的扇形齿轮与刀架底部的齿条相啮合，使刀架实现进刀和退刀动作。 三、从动件常用的运动规律 凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律，而从动件的运动规律是指从动件在运动时，其位移 s、速度 v 和加速度 a 随时间 t 变化的规律。由于一般凸轮为匀速转动，其转角 与时间 t 成正比，所以从动件的运动规律通常表示为从动件的运动参数随凸轮转角 变化的规律。 凸轮机构的工作原理 凸轮机构从动件的运动规律有很多种，常用的运动规律有匀速运动规律和匀加速匀减速运动规律。1.匀速运动规律 匀速运动规律是指从动件在上升过程和下降过程中其速度保持不变的运动规律。 从动件匀速运动规律的特点是：在从动件运动的起始点、转折点和终了点都有速度的突变，使加速度趋于无限大，因此会引起强烈的惯性冲击，这种冲击对凸轮机构的工作影响很大，所以匀速运动规律一般只适用于低速或从动件质量较小的场合。2.匀加速匀减速运动规律 从动件在上升行程的前半段按匀加速上升，后半段按匀减速继续上升至最大行程；回程时前半段按匀加速下降，后半段按匀减速继续下降至初始位置。 匀加速匀减速运动规律的特点是：在一个运动循环中，从动件的运动速度逐步增大又逐步减小，避免了运动速度的突变；但在从动件运动的起始点、转折点和终了点仍存在着加速度的有限突变，还会有一定的惯性冲击，所以这种运动规律适用于凸轮为中、低速转动，从动件质量不大 等 加 速 上 升 等 加 速 下 降 等 减 速 上 升 等 减 速 下 降 h 1 2 0 S 1 /2 1 /2 2 /2 2 /2 的场合。53 棘轮机构和槽轮机构棘轮机构和槽轮机构都属于间歇运动机构。间歇运动机构是指主动件作连续运动而从动件作间歇运动的机构。这种机构多用于机械的进给、送料等装置。一、棘轮机构 1、棘轮机构的特点 棘轮机构是间歇机构的一种形式，它将主动件的连续运动转换为从动件的间歇运动。棘轮机构的特点是结构简单，制造方便，棘轮的转角可在一定范围内调节，但工作时易产生冲击和噪声，适用于低速、转角不大和传动平稳性要求不高的场合。2、棘轮机构的组成 棘轮机构主要由摇杆 1、棘轮 4、棘爪 2、止回棘爪 6 和机架等组成。 3、棘轮机构的工作原理 棘轮机构通常由曲柄摇杆机构来驱动，棘轮用键与传动轴相联接，摇杆空套在棘轮轴上。当摇杆逆时针摆动时，铰接在摇杆上的棘爪 2 插入棘轮的齿槽内，推动棘轮同向转过一定角度； 当摇杆顺时针摆动时，棘爪 2 从棘轮的齿背上滑过，棘轮静止不动；止回棘爪 6 起阻止棘轮回转作用。这样，摇杆连续往复摆动，棘轮则间歇地作单方向转动。 4、棘轮机构的常用类型棘轮有外齿棘轮和内齿棘轮两种 ，常用的外齿棘轮机构有如下几种形式：1.单动式棘轮机构 该机构的特点是摇杆往复摆动一次，棘爪单方向推动棘轮间歇地转动一次。2.双动式棘轮机构 该机构在工作原理上可看作为两个 单动式棘轮机构轮流工作的组合， 摇杆往复摆动时，两个棘爪交替地推动 棘轮作间歇的转动。这种机构的特点是摇杆往复摆动一次，能使棘轮沿同一方向间歇地转动两次，但每次停歇的时间较短，棘轮每次的转角也较小。 3.可变向棘轮机构 该机构的棘轮轮齿为矩形齿，棘爪做成对称形状。摇杆连续往复摆动，这种机构的基本特点是可使从动件实现双向间歇运动4.摩擦式棘轮机构 该机构的棘轮是一个没有齿的摩擦轮，靠棘轮与棘爪之间的摩擦力进行传动。这种机构的特点是能无级地调节棘轮转角的大小，传动平稳，噪声小；但传递能力不大，适用于轻载场合。 内齿棘轮机构应用实例自行车后轮传动 自行车后轮传动，飞轮体与自行车后轮轮毂用螺纹紧固为一体，飞轮外圈的内表面加工成内齿棘轮，棘爪靠弹簧力作用与棘轮齿紧密接触。 当向前蹬动脚踏板时，动力通过中轴链轮和链条带动飞轮外圈转动，再由其内表面上的内齿通过棘爪来驱动后轮使自行车前行。在自行车行进中，若不蹬动脚踏板，飞轮外圈停止转动时，自行车在运动惯性的作用下仍会向前滑行，后轮继续转动使棘爪在内齿棘轮的齿背上滑过。 二、槽轮机构 槽轮机构的特点 槽轮机构结构简单、 工作可靠， 机械效率高， 在进入和脱离接触时运动比较平稳，能准确控制转动的角度。 但槽轮的转角不可调节， 故只能用于定转角的间歇运动机构中， 如自动机床、 电影机械、 包装机械等。 槽轮机构组成 槽轮机构由主动杆 1、圆销 2 和槽轮 3 及机架等组成。 O 1 O2 1 2 3 内 凹 锁 止 弧 外 凸 弧 O 2 O 1 a） b） 槽轮机构工作原理 主动杆作逆时针连续转动，在主动杆上的圆销进入槽轮的径向槽之前，槽轮的内凹锁止弧被主动杆的外凸弧卡住，不能转动； 当圆销开始进入槽轮径向槽时，锁止弧开始脱开，圆销推动槽轮沿顺时针方向转动； 当圆销开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮上的另一内凹锁止弧又被主动杆上的外凸弧锁住，使槽轮不能转动，直至主动杆上的圆销再次进入槽轮上的另一个径向槽，重复上述的运动循环。 槽轮机构的常用类型1）外啮合槽轮机构2）内啮合槽轮机构 槽轮机构应用实例刀架转位机构 自动机床工作时，刀架的转位由预定程序来控制，而具体动作是由槽轮机构来实现的。 本章小结1、本章重点为铰链四杆机构及其演化形式的组成、运动特性和应用。 2、铰链四杆机构有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式，其中曲柄摇杆机构是最基本的形式，它能够演化成很多其它的形式。 3、铰链四杆机构中，曲柄存在的杆长条件为：最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和。但应注意，满足曲柄存在的杆长条