第四章机械产品的功能原理的实现.ppt

1,第四章机械功能原理的实现机械运动系统的方案设计,第一节机构能实现的动作功能第二节传动机构和执行机构第三节按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计第五节机械运动的协调设计和运动循环图,2,一、机构能实现的动作功能通过一系列机构和电气电子装置实现。机构一般能实现下列动作功能：1实现运动形式或运动规律变换的动作功能原动机的转动通过机构进行构件运动形式变换，例如：1)匀速运动(平动、转动)与非匀速运动(平动转动或摆动)的变换2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。3）实现预期的运动轨迹。,第一节机构能实现的动作功能,3,第一节机构能实现的动作功能,4,简谐运动:,第一节机构能实现的动作功能,5,曲柄滑块机构,从动轴又转又移的蜗轮连杆机构：图中5为蜗轮箱体，蜗杆4和轴1以滑键连接，蜗轮3与杆2铰接。当轴1转动时，从动蜗轮3又转又移。印刷机色辊的运动即用此机构实现。,图5,第一节机构能实现的动作功能,6,2利用机构实现开关、联锁和检测等动作功能1）用来实现运动离合或开停。2）用来换向、超越和反向止动。3）用来实现联锁、过载保护、安全制动4)实现锁止、定位、夹压等。5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。,第一节机构能实现的动作功能,7,例1起停和换向时的制动机构：电动机反接法制动：优点：操作方便、制动时间短等。缺点：反接时的制动电流大，传动系统受的惯性冲击力大。离合器进行起停或换向时，必须在传动链中安装制动装置。制动器和离合器的操纵机构必须互锁。,第一节机构能实现的动作功能,8,图示为曲柄压力机：操纵杆1使离合器接合或脱开，控制曲柄滑块机构的运动或停止。制动器5与离合器6的动作要协调配合：工作前，制动器先放松，离合器后接合；停车前，离合器先脱开，制动器后接合。,第一节机构能实现的动作功能,9,例2过载保护装置：常用的安全保护装置有以下几种：1销钉安全联轴器,第一节机构能实现的动作功能,10,2钢珠安全离合器,第一节机构能实现的动作功能,11,第一节机构能实现的动作功能,12,3摩擦式安全离合器单圆锥形摩擦安全离合器。摩擦面由内圆锥摩擦盘1和外圆锥面摩擦盘2组成。在弹簧3作用下使两个锥面压紧，由此产生的摩擦力矩即为该离台器允许的输出转矩。螺母5用来调整压紧力。,第一节机构能实现的动作功能,13,第一节机构能实现的动作功能,14,斜楔杠杆式夹持器：,第一节机构能实现的动作功能,15,3.利用机构实现程序控制或手动控制的功能1)利用时间的序列进行控制图示一种凸轮程序装置。它由一系列的微动开关和凸轮组成。凸轮轴由同步电动机驱动。凸轮旋转一周，对应着工件的整个加工循环。,第一节机构能实现的动作功能,16,2)利用动作的序列进行控制图示一种利用电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程。,第一节机构能实现的动作功能,17,3)利用运动的变化等进行控制汽车发动机的离心调速器：,第一节机构能实现的动作功能,18,二、选择机构来实现功能原理的原则和范围上述机构实现的动作功能，也可用电气或电子的原则来实现在什么情况下选用机构来完成这些功能呢?考虑因素;1)完成设计时提出的功能目标。2)考虑工作可靠，运行安全，操作方便，制造和运行的经济性等。根据目前科学技术的条件，下列几方面的动作功能，一般较宜用机构来实现:1实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能鼠笼型异步电动机+变速机构,第一节机构能实现的动作功能,19,2实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能如:各种自动机的上、下料，加工、检测等工序需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成。对于复杂轨迹，采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机绘图仪的绘图笔的动作等。3在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能如:电灯开关一般是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务。,第一节机构能实现的动作功能,20,4实现简单的固定程序或可变程序的控制功能技术发展决定了采用机构或微电子技术的相对性：例如目前很少采用直线电动机来实现直线运动，但由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，直线电动机将使用在磁悬浮的高速列车上。飞机上的自动导航仪，可以自动按给定路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控制装置。,第一节机构能实现的动作功能,21,一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机构、执行机构和控制部分。一、传动机构传动机构（系统）：将原动机的运动和动力传给执行机构的中间装置，其类型主要有机械传动、流体动力传动、电力和磁力传动等。作用：实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求。传动链：原动机与执行机构间组成传动联系的一系列传动件。,第二节传动机构和执行机构,22,具体内容：1)把原动机输出的速度降低或增高；2)实现变速传动；3)把原动机输出的转矩、变换为执行机构所需要的转矩或力；4)把原动机输出的等速旋转运动，转变为执行机构所要求的、其速度按某种规律变化的旋转或其它类型的运动；5)由于受机体外形、尺寸的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与原动机直联时，也需要用传动装置来联接。,第二节传动机构和执行机构,23,1、传动机构的类型变速装置，启动、停止和换向装置，制动装置及安全保护装置等。,1)变速装置及其机构,第二节传动机构和执行机构,运动由轴输入；轴输出。,24,2)启动、停止和换向装置（1)原动机为电动机电动机的启动电流通常是额定电流的57倍，因此在功率大、启停和换向频繁时，发热大而缩短电机的使用寿命。离合器启停和换向：若执行机构的旋转速度高时可采用摩擦离合器；若执行机构的旋转速度较低时可采用刚性的啮合式离合器。（2)原动机为内燃机由于内燃机既不能在负载下启动，也不能反转运行，故必须用摩擦离合器或液力偶合器来实现启动，执行机构需要反向时，应在传动链中设置反向机构。,第二节传动机构和执行机构,25,第二节传动机构和执行机构,手动两级变速器：,26,3)制动装置用离合器启停和换向时，必须在传动链中安装制动装置。常用制动器有下列类型：,第二节传动机构和执行机构,27,4)安全保护装置装在转速高的传动构件上，可使结构尺寸小些。靠近执行机构安装，发生过载时，能迅速停止运动，使传动链中其它传动构件避免超负荷运行。所以安全保护装置宜安装在靠近执行机构且转速较高的传动构件上。（1）销钉安全联轴器（2）钢珠安全离合器（3）摩擦式安全离合器,第二节传动机构和执行机构,28,常用的传动机构有齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。2运动速度或力的大小变换根据功率、速度、输出力三者之间的关系P=Fv在输出功率一定的情况下：速度与输出力的变化关系,第二节传动机构和执行机构,29,用于运动速度或力的大小变换的传动机构：1)通过啮合方式进行传动(例如；齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等)。2)通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等)。带传动：具有柔软性、吸收振动的特性且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。,第二节传动机构和执行机构,30,3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动、偏心轮传动等)。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成。螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力。4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气动传动等)。液体可以看作是一种不可压缩物体。因而液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况。,第二节传动机构和执行机构,31,3运动形式或传力方式的变换原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作机的输出要求是多种多样的。机械传动机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等。常见的用运动形式的变换机构主要有：凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、挠性体机构、摩擦轮机构、流体机构等。,第二节传动机构和执行机构,32,二、执行机构带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构称为执行机构。作用：是给工作头产生工作力，同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。如：挖掘机中推动铲斗运动的多杆机构；使起重机吊钩运动的起重臂；使飞机轮子起落的起落架；机器人的手臂等。,第二节传动机构和执行机构,33,1、基本类型：夹持、搬运、输送、分度与转位、检测与分类、施力等。夹持：弹簧杠杆式、斜楔杠杆式、液压连杆式、电气式等型式夹持器，人力夹持器，虎钳等。图示为JK系列提升机广泛使用的油压盘闸制动器工作原理图。油压盘闸成对使用，对称地布置在制动盘两边。,第二节传动机构和执行机构,34,分度与转位,第二节传动机构和执行机构,35,2、实现特定运动规律等速输出，瞬时或长时间停歇，急回特性、周期性转位和步进分度动作等。一般常由多个执行机构组成，图示牛头刨床执行机构。,第二节传动机构和执行机构,36,3满足特定的运动轨迹机构完成某种特定的运动轨迹，如直线、圆弧。当运动轨迹较复杂时，一般通过连杆机构或通过组合机构来完成。如左图利用两个凸轮A及B的协调配台控制X及y方向的运动轨迹为一“8”,第二节传动机构和执行机构,37,4满足某种特殊的信息传递利用机构完成检测、计数、定时、显示或控制等功能。如：杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数器，家用洗衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆等功能。,第二节传动机构和执行机构,38,三.选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题1.在满足功能动作和运动要求下应使机构最简单，传动链最短。图4-9a)移动从动件圆柱凸轮机构；图49b）摆动从动件盘状凸轮机构与摇杆滑块机构的组合。,第二节传动机构和执行机构,39,2使机构具备有利的传力条件对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构(如冲压机构)，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。这种增力机构常用于剪切机、冲压机、破碎机等机械中，在主动件上施加较小的驱动力，可以克服从动构件上很大阻力。注：CD为主动件,第二节传动机构和执行机构,40,第二节传动机构和执行机构,41,图示是一快速夹紧机构，当工件被夹紧时连杆BC与摇杆CD成一直线。即在工件的反力F2作用下，连杆与从动杆共线。机构处于死点位置。（这是利用机构在死点位置附近具有自锁特性进行工作的实例。,第二节传动机构和执行机构,42,3使机构有尽可能好的动力性能对于传力机构应尽量增大机构的传动角，以防止机构的自锁，增大机器的传动效益。,第二节传动机构和执行机构,43,4使机器操纵方便调整容易，安全耐用在拟定机器运动方案时适当地加入一些开、停、离合、正反转、刹车，可使操纵方便，调整容易；机器中加入过载保护装置，可预防机器的损坏等。,第二节传动机构和执行机构,44,一、功能原理解与机械运动系统的方案设计功能原理设计可得到“功能分解图”与“功能结构图”，表达了总功能的各个分功能及其相互关系。按第一节的原理就可以分析这些分功能中哪些适合用机械功能来完成；按第二节的原理分析这些功能是属于传动类型还是属于执行类型。再根据选择机构的原则从已有的机构中选出能完成这些分功能的最佳机构。但在这些工作中将会存在以下两个问题需解决：,第三节机械运动系统的方案设计,45,1)在功能结构图中，有的分功能比较复杂：挑选几个机构组成一个机械运动系统，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作。这就是所谓“机械运动系统的方案设计”，或称为“机构的创新设计”。2)当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能的要求选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动系统的方案设计”。这种机械运动系统方案设计也称为“机械运动系统的协调设计”。,第三节机械运动系统的方案设计,46,二、功能原理的分解和机构的选择分解的原则：分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，即将复杂的动作功能分解成一组由直线和圆弧组成的运动。因为直线和圆弧是机构能够最容易且最精确完成的运动。但能完成同一功能的机构有很多种，如直线运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。选哪一个机构，需考虑机构间的相容问题。如在要求精密运动的系统中，不能有摩擦传动；在高速旋转传动中不能有双曲柄机构等。,第三节机械运动系统的方案设计,47,1合理安排传动机构的顺序例：三轴钻床中，传动机构的顺序是这样安排的：主运动链：电动机皮带传动齿轮传动钻头转动；进给运动链：电动机皮带传动蜗杆传动凸轮机构工作台升降进给,第三节机械运动系统的方案设计,48,在机构的排列顺序上一般遵循的规律：转变运动方式的机构(如凸轮机构)通常总是安置在运动链的末端，与执行机构最近，这样使传动环节简单；皮带传动及其他摩擦传动在传递同样转矩的条件下，与其他传动相比，其外廓尺寸要大很多。皮带传动既可过载保护，又不影响主轴与各执行构件之间的运动协调关系，且传动中心距大。为减小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。,第三节机械运动系统的方案设计,49,2合理分配传动比大传动比可分多级传动，在同类的几级传动装置中，通常把传动比最大的一级装在转速最低的位置，因而可使其他各级在较高的转速下工作，使各级中间轴上的转矩较小，这样可使轴和轴上零件尺寸较小，从而获得较为紧凑的机构。,第三节机械运动系统的方案设计,50,3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床,第三节机械运动系统的方案设计,将整根元钢锯成小段送到各制造车间加工。锯弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运动特性：A)旋转运动变换成直线往复运动；B)工作行程的时间大于回程时间的急回特性；C)防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在工作行程的中间段具有近似的等速运动。这三个运动特性均有多种机构可选择：,51,1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。2)具有急回特性的机构：偏置曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、曲柄导杆机构等。,第三节机械运动系统的方案设计,52,3）工作行程具有近似等速段的机构：除凸轮机构能单独完成外，其余机构均需要相互配合才能完成。如：双曲柄机构、曲柄摇杆（导杆）机构,第三节机械运动系统的方案设计,53,根据分析，能满足有等速段的机构，除了凸轮机构外，有：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、曲柄导杆机构及椭圆齿轮机构等与曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构等的组合。,第三节机械运动系统的方案设计,54,除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合而成，因而就有：双曲柄机构偏置曲柄滑块机构；双曲柄机构正弦机构；椭圆齿轮一正弦机构；椭圆齿轮一偏置曲柄滑块机构；曲柄导杆机构一摇杆滑块机构等近十种方案。,第三节机械运动系统的方案设计,55,方案中性能最好的，经运动分析知：双曲柄机构一偏置曲柄滑块机构的组合，它在工作行程的70%范围内有良好的等速运动性能且有较好的急回特性，结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构一摇杆滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下，但结构尺寸比较大，制造比较复杂，用在锯床中有点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。,第三节机械运动系统的方案设计,56,三、机械运动系统方案设计举例家用缝纫机的送布机构设计1.缝纫机的总功能：将线按一定规律缝于缝料上。2.主要分功能为实现缝纫功能、形成双线锁式线迹，它由以下四个主要分功能构成：1)引面线造环功能,第三节机械运动系统的方案设计,57,2)钩面线扩环，使底面线交织的功能,第三节机械运动系统的方案设计,58,第三节机械运动系统的方案设计,3)供给和收回面线的功能；4)输送缝料的功能,59,3送布机构的功能原理要求（完成输送缝料的功能）1）衣料必须在压脚板与入口平板之间作步进式移动。2)送布牙的轨迹为近似矩形，特别是在送进阶段应是近似直线。3)送布牙用棘齿状零件构成，其送布量在一定范围内可作无级调节,第三节机械运动系统的方案设计,60,4送布机构的功能分解1）发生矩形轨迹的子功能。2）能控制矩形轨迹各段生成时，与引线机构相配合的控制子功能3)改变送布牙送进量的调节子功能。4)送布机构与传动轴之间的运动传递子功能。,第三节机械运动系统的方案设计,61,5实现子功能的机构选择1)矩形轨迹生成机构选择机构力求简单的原则。,第三节机械运动系统的方案设计,62,第三节机械运动系统的方案设计,机构简化：用高副低代的办法，将五杆变成四杆2自由度高副机构。,63,2)矩形轨迹生成的控制机构由和两个转角独立控制，因此控制机构变得简单。（1）：矩形的上下运动：采用凸轮机构控制上下运动。方法：在凸轮摆动时，当需要送布牙作上升运动时，在凸轮上作一段上升曲线其余部分均用圆弧即可；当凸轮反转时上升曲线就变成下降曲线。（2）：矩形的前后运动。送布牙的前后运动控制比较难设计，因为前后运动的送布量要无级可调，要达到这个要求，控制凸轮必须与主轴直接相联。送布与后退的时间和大小由主轴控制，然后通过一调节机构，它只改变送进量的大小，即改变传递给轨迹发生机构的角。,第三节机械运动系统的方案设计,64,为一等宽摆动凸轮机构，凸轮上有相对应的两个大小圆弧R及r。图示a位置：凸轮转动时摆杆不动，对应轨迹发生机构运动停止；两圆弧间用直线相联：对应送布牙作上、下运动。图b，摆杆CD为调节杆C点的上下调节，造成凸轮摆动时，BB的上下移动，即：B绕O的转动，与之连接的转轴为控制送布量的机构，无级控制送布牙的送布大小。,第三节机械运动系统的方案设计,65,6.家用缝纫机的送布机械运动系统的方案设计机构选择完后，根据功能分解原理将这些机构组合在起，完成送布的分功能，这就称为送行机构的运动方案设计。从上可知，分功能的分解方法不同，每个部分所选择机构的不同，得到的机械运动方案也就不同。本例的机械运动方案的方框图如图418a，图418b为其机构示意图。,第三节机械运动系统的方案设计,66,第三节机械运动系统的方案设计,高速缝纫：控制机构均改成连杆机构。,67,从机械运动系统方案设计中可知，功能原理的分解和按分解后的分功能选择设计机构是一个很重要的工作，分解得不合理，选择机构不当，都会影响分功能的完成。按功能原理来选择或设计机构是一个创造性的工作，能否设计出个优秀的新机构是方案设计中的一项重要工作。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,68,一.改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一种新的功能1）a)图AB小功率的旋转运动时，滑块能产生巨大的冲压力。2）AB的尺寸增加：“瞬时停歇”现象。有利于被冲压工件的永久变形，提高冲压零件的尺寸精度。3）AB尺寸继续增加，曲柄相应的转角也增大，滑块有明显的上、下二次运动。利用此运动特性制成压力机：“二次压印机”,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,69,二、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性拉延压力机的冲头向下冲压时，把钢板拉延成杯状零件但当冲头还未与钢板接触时，压力机的压边机构的压边滑块应先下降，把钢板的四周压紧。当拉延完毕冲头上升至脱离模具后，压边滑块才能松压上升，准备下一次的拉延工作。（占整个周期的1/3，约100）1、以往都是采用凸轮机构。2、80年设计了一个全连杆组成的压边机构：1）优点：加工制造简单；机器的体积缩小；使用寿命延长。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,70,2）设计思路：利用机构的串联组合拓宽机构原有的瞬时停歇特性。图422a中的六杆增力机构ABCDE，当主动构件转过20时，滑块作瞬时停歇运动(图422中为了作图清楚将放大到40)。如将滑块E用作压边机构，只要滑块二次摆动的升距不超过0.05mm，就可以看作滑块E是作连续压紧动作。产生问题：停歇时间太短，与100相比还差得太多。拓宽停歇时间：增加曲柄摇杆机构FGHA：若把主动连架杆改成摆动、滑块在最下面的位置时，作为主动摆杆的一个极限位置，如粗实线ABCDE；ABCDE（细实线）为主动摆杆的另一个极限位置。压边角度：A1转到AB，经过四次微小摆动（位移0.05mm）。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,71,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,72,三、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹典型的实例:送布机构中的轨迹生成机构，它是以二自由度的轨迹发生机构为基础机构，然而采用两个单自由度的凸轮机构作为其两个输入而并行接入，经基础机构叠加后得到任意的轨迹。如将上述送布机构，略去送布调节机构和运动传动机构，并把两个控制凸轮安装在同一主轴上。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,73,图a中构件l、2、4、5组成二自由度基础机构。凸轮8与构件5及凸轮8与构件2组成两个单自由度机构，并行输入这个二自由度基础机构，它将这两个输入运动叠加后得到一个期望的输出轨迹。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,74,四、利用机构组成原理发现新的机构机构组成原理：机构是由若干个构件组成，其最基本的形式是构件间全部用转动副组成。用相同数目的构件组合起来完成给定的运动规律的机构将不止一种，研究机构组成的结构形式，探讨其组成原理，用不同的组合方法，将可演变出具有各种不同运动特性的各种机构。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,75,76,“0”表示：不分配n2构件而直接连接；用“1”、“2”分别表示连接两顶点间n2构件数。以上组成8杆单自由度机构的运动链，共得16种变型结构。在这些结构中选用不同的构件作机架，就可得到各种不同的机构，在这些机构中可找出最优的机构供选用。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,77,图4-24a其特征号为“111100”如把其中6、7、8三构件代换成高副，以构件1为机架，构件5为凸轮作主动构件，就得到图424b所示的新机构。,第四节发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计,78,第五节机械运动的协调设计和运动循环图,一、机械运动协调设计当功能结构图中各分功能均设计完毕后，怎样将这些分功能协调动作，共同完成总功能?这就需进行总体范围内的运动系统方案设计机械运动协调设计。完成各分功能的机构(执行机构)均是相对独立的，其运动动作的先后是根据总功能的要求，在一个周期中按时间序列安排。但怎样使各执行机构严格按规定的时