机械创新设计-基础

1、问题实例v为了使钳口上下受力均衡，希望其做平动，采用何种机构来实现？第二章第二章 机械创新设计的基础适应机械创新设计的基础适应第一节第一节 机械的基础知识机械的基础知识一、机械及其组成一、机械及其组成 1 1机械的概念机械的概念 1 1）机械首先必须是执行机械运动的装置）机械首先必须是执行机械运动的装置 2 2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功有用的机械功 3 3）机械中要完成能量的转换）机械中要完成能量的转换 机械的分类：原动机，工作机和信息机机械的分类：原动机，工作机和信息机 原动机：三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、

2、直流 电动机、步进电动机、（电能机械能） 柴油机、汽油机、蒸汽机、燃气轮机、原子能发动机 （热能 机械能） 水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能 发动机（自然能 机械能） 原动机的选择：有电力供应处，优先考虑使用各类电动机三相交流异步电机常作工、矿、企业等单位设备的原动机 单相交流异步电动机在家用电器上广泛应用；直流电动机因其可以调速，易于实行自动控制，在机电一体化设备中广泛应用；工作机：指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载而作有用机械功的机械。信息机：也是一种工作机。只是通过各种复杂的信息来控制机械运动。在要求分度或步进运动的场合，可用步进电动机。在远离电源或要求

3、远距离移动的地方，内燃机得到广泛应用；柴油机能提供的功率大于汽油机能提供的功率。在环保时代，利用自然能源的原动机正在逐步普及。图2-1 机器的组成机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统从机构学的角度看，传动机构和工作执行机构是相同的，二者统称机械运动系统从机构学的角度看，传动机构和工作执行机构是相同的，二者统称机械运动系统原动机原动机传动机构传动机构控制系统控制系统工作执行机构工作执行机构2机器的组成机器的组成 原动机，工作机（包括传动装置），控制装置，见图原动机，工作机（包括传动装置），控制装置，见图 21、22、23机械传动系统机械传动系统1 1、

4、啮合传动：齿轮传动、链传动、啮合传动：齿轮传动、链传动2 2、摩擦传动：带传动、摩擦轮传动、摩擦传动：带传动、摩擦轮传动3 3、螺旋传动、螺旋传动4 4、万向轴传动、万向轴传动5 5、钢丝软轴传动、钢丝软轴传动6 6、液压传动、液压传动7 7、液力传动、液力传动8 8、电磁传动、电磁传动水轮发电机二坐标机床的工作台工作执行系统工作执行系统1 1、连杆机构、连杆机构2 2、凸轮机构、凸轮机构3 3、齿轮机构、齿轮机构4 4、间歇运动机构、间歇运动机构6 6、螺旋机构、螺旋机构7 7、电磁机构、电磁机构控制系统控制系统1 1、机械控制、机械控制2 2、电器控制、电器控制3 3、自动控制、自动控制二

5、、机构运动二、机构运动 指机械中的传动机构和工作执行机构，可以是机构的基本型，也可以是机构组合，或组合机构。 1机构的基本型：指最基本的、最常用的机构型式 主要有以下几种：（1）四杆机构（2）齿轮机构 （3）凸轮机构 带传动带传动链传动链传动（4）挠性元件传动（5）液、气传动基本型（7）电磁传动机构的基本型 （6）螺旋传动机构（8）间歇运动机构的基本型：外棘轮机构 外槽轮机构（1 1）、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构）、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构（2 2）、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构）、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构（3 3）、连续转动到往复摆动的运动变

6、换与实现机构）、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构（4 4）、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构）、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构（5 5）、连续转动到平面运动的变换与实现机构）、连续转动到平面运动的变换与实现机构（6 6）、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构）、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构（7 7）、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构）、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构2 2、机构及其运动形态分析、机构及其运动形态分析10.绳索传动机构绳索传动机构11.液力传动机构液力传动机构12.钢丝软轴传动机构钢丝软轴传动机构13.万向节传动机

7、构等万向节传动机构等1.齿轮传动机构齿轮传动机构2.连杆机构连杆机构6.摩擦轮传动机构摩擦轮传动机构8.带传动机构带传动机构9.链传动机构、链传动机构、（1）连续转动到连续转动的运动变换与实现机构）连续转动到连续转动的运动变换与实现机构椭圆齿轮传动椭圆齿轮传动具有变速传动性能（变传动比）转动到转动（连杆机构）双曲柄机构双曲柄机构例：惯性筛例：惯性筛转动导杆机构转动导杆机构注意与摆动导杆的区别：都是曲柄导杆机构，LBC LBA,则是转动导杆，否则是摆动导杆机构带传动机构带传动机构液力传动机构液力传动机构绳索传动机构绳索传动机构钢丝软轴传钢丝软轴传动机构动机构摩擦轮传动机构摩擦轮传动机构同步带传动

8、机构同步带传动机构钢丝软轴汽车传动软轴专利：软轴传动潜水泵特点：主、从动件的位置具有随意性（2 2）连续转动到步进转动的运动变换与实现机构）连续转动到步进转动的运动变换与实现机构间歇运动机构间歇运动机构槽轮机构槽轮机构棘轮机构棘轮机构不完全齿轮机构不完全齿轮机构分度凸轮机构分度凸轮机构（3 3）连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构）连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构摆动导杆机构摆动导杆机构连杆机构连杆机构摆动从动件摆动从动件凸轮机构凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮机构凸轮机构（4 4）连续转动到往

9、复直线移动的运动变换）连续转动到往复直线移动的运动变换 与实现机构与实现机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构正弦机构正弦机构直动从动件凸轮机构直动从动件凸轮机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构螺旋机构螺旋机构 （5 5）连续转动到平面运动的变换与实现机构）连续转动到平面运动的变换与实现机构行星齿轮机构行星齿轮机构行星轮行星轮（6 6）直线移动到直线移动的运动变换与实现机构）直线移动到直线移动的运动变换与实现机构双滑块机构双滑块机构移动凸轮机构移动凸轮机构双滑块机构（椭圆仪）双滑块机构双滑块机构移动凸轮机构移动凸轮机构（7 7）直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与）直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与 实现机构

10、实现机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构滑块主动滑块主动齿轮齿条机构齿轮齿条机构齿条主动齿条主动滑块主动滑块主动齿条主动齿条主动专利：专利：往复齿轮发动机往复齿轮发动机 将曲轴传动改成齿条将曲轴传动改成齿条带动齿轮旋转运动带动齿轮旋转运动配重配重配重配重曲轴配重（8）机、气、液机构组合 气缸或液压缸系统与连杆系统的组合，气缸或液压缸系统与连杆系统的组合，也可称其为气、液驱动连杆机构。也可称其为气、液驱动连杆机构。 由动作缸和活塞杆组合而成，主动件由动作缸和活塞杆组合而成，主动件一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作，可采用多缸来完成。作，可采用多缸来完成。 第四节第

11、四节 多功能平口钳的创新设计案例分析多功能平口钳的创新设计案例分析北京化工大学全国一等奖 3、 机构的组合：把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称之为机构的组合。 在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。故机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各机构。串联机构并联机构4、组合机构 组合机构与机构的组合有本质不同。组合机构是指若干基本机构，通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。三、机械的控制系统：三、机械的控制系统：机械的控制

12、从手工操作向自动化、智能化发展的。控制方法：机械、 电气、 液压、 气动 综合控制1电气控制系统的基本要求： 1）满足机械的动作要求或工艺条件； 2）电气、电子元件合理，工作安全可靠； 3）停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电； 4）有较强的抗干扰能力，避免误操作； 5）便于维护与管理、经济指标好； 6）使用寿命长； 7）应设置紧急手动装置。电气控制应用最广泛。3机械控制系统的发展趋势： 应用计算机技术和自动控制技术，控制对象不断增加，控制系统更加复杂、准确。两类控制对象：（1）位移、速度、加速度、温度、压力数量的大小（2）以物体的有、无、动、停逻辑量控制方法：开环、闭环（单变量）反馈控制

13、现代控制理论（多变量）2控制对象 1）对原动机进行控制：可实现、开、关、停、正转、反转及调速、限位 2）对电磁铁的控制：实现控制机械中执行机构的各种不同动作。 将检测到的输出结果与输入指令的误差随时进行修正，此种控制方式为闭环控制。将输出结果返回输入端与输入指令比较的过程，称为反馈控制伺服电动机模拟伺服控制数字伺服控制软件伺服控制智能控制（机电机构组合） 智能技术是集计算机技术、电子技术、传感智能技术是集计算机技术、电子技术、传感器技术和控制技术融为一体的先进控制手段。器技术和控制技术融为一体的先进控制手段。v 机械系统的微机控制框图机械系统的微机控制框图四、机械系统类型四、机械系统类型1、单

14、一基本机构组成的机械2、多个独立的基本机构协调工作的机械3、多个基本机构连接组成的机械4、智能机械1、单一基本机构组成的机械、单一基本机构组成的机械由一个基本机构组成的简单机械具有多样化、由一个基本机构组成的简单机械具有多样化、用途广泛且实用性好的特点。用途广泛且实用性好的特点。许多基本机构都有应用价值。许多基本机构都有应用价值。在简单机械中的应用最为普遍。在简单机械中的应用最为普遍。2、多个独立的基本机构协调工作组成的机械、多个独立的基本机构协调工作组成的机械由多个基本机构独立工作，但他们之间的运动由多个基本机构独立工作，但他们之间的运动必须互相协调配合，完成特定的工作任务。必须互相协调配合

15、，完成特定的工作任务。3、多个基本机构连接组成的机械、多个基本机构连接组成的机械多个基本机构通过串联组合、并联组合、叠加多个基本机构通过串联组合、并联组合、叠加组合、封闭组合等连接方式，组成一个完整的组合、封闭组合等连接方式，组成一个完整的机械系统，完成特定的工作。机械系统，完成特定的工作。此类机械在工程中应用最为广泛。此类机械在工程中应用最为广泛。4、智能机械、智能机械智能机械也是近代产智能机械也是近代产生的体现高科技的机生的体现高科技的机械，其本质是把机械械，其本质是把机械运动、传感技术、测运动、传感技术、测试技术和现代控制技试技术和现代控制技术有机结合在一起，术有机结合在一起，形成的具有

16、智能的新形成的具有智能的新机械。机械。智能机器人智能机器人第二节第二节 机械运动简图及其结构设计机械运动简图及其结构设计 1机构系统的运动简图设计：根据产品的功能目标和动作要求，设计出机械系统的运动方案，并确定传动机构、执行机构以及各种控制的参数和尺寸。 2运动简图 机械的结构设计 机械的结构图（装配图）一、构件的结构设计一、构件的结构设计 1构件的结构设计原则 1）选材料；2）选择毛坯；3）确定形状与尺寸；4）强度、刚度、安全性、可靠性的校核；5）与其它构件的关系；6）运动空间及运动干涉；6）经济性；8）维修、安装方便。 2常用构件的结构设计常用构件：齿轮、凸轮、杆状构件、块状构件、具有复杂

17、形状的构件（1）齿轮的结构设计 齿轮轴 整体式：圆盘状，腹板式，轮副式 图2-19图2-19 外齿轮的结构示意图分体式：齿圈+轮毂内齿轮的退刀槽 图2-20图2-20 内齿轮的结构示意图（2）凸轮类构件的结构设计 按尺寸：凸轮轴，盘状凸轮 弹簧锁合 （图2-21） 按锁合方式 沟槽式（图2-22a） 几何锁合 封闭形状结构 （图2-22b、c） 尖底按从动件型式 滚子 平底滚子的结构型式 图2-25 滚动轴承、锥面、弧面、球面共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆 图2-26b 可调摆杆臂式从动件 图2-26c图2-22 形封闭凸轮结构示意图图2-23 双滚子结构示意图图2-24 圆柱滚子

18、改为圆锥滚子结构示意图滚子的结构型式 图2-25 滚动轴承、锥面、弧面、球面共轭凸轮的摆动滚子从动件：可调滚子位置摆杆 图2-26b 可调摆杆臂式从动件 图2-26c图2-25 滚子结构图2-26 共轭凸轮的摆动滚子从动件图2-26 共轭凸轮的摆动滚子从动件图2-27 曲柄的结构（3）杆类构件的结构设计）杆类构件的结构设计曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状 图图2-27连杆、摇杆：视具体情况设计连杆、摇杆：视具体情况设计图2-28 连杆组件图2-29 转动副的结构示意图（4）块状类构件的结构设计）块状类构件的结构设计：块状类构件大都作移动，其结构与运动副的结构有关

19、。3机械零件组合成构件的方法组合方法：螺纹联接、焊接、粘接、过盈配合常见的例子：较大的蜗轮（铸铁轮毂与青铜轮缘组合） 内燃机连杆 滑动轴承座二、运动副的结构设计二、运动副的结构设计v运动副的结构创新设计对提高机械的性能与寿命有重大帮助v1转动副的结构设计v滚动轴承：机械效率高v滑动轴承：结构简单，形成动压润滑时也有较高的效率v2移动副的结构设计v 高副式移动副：低副式移动副v 重力封闭 ： 形封闭图2-30：a.常见移动副 b.重力封闭 c.重力封闭与形封闭组合 d.重力封闭点接触式 e.柱面移动副 f.带滑键的柱面移动副 g. 形封闭点接触式移动副 h. 形封闭结构 i.滚子与轮轨接触形成的

20、移动副构图 j.滚子与滑槽形成的移动副3高副的结构设计 滚子导轨（滚动导轨）代替平面摩擦导轨：滚子直径、宽度、滚子的间距，定位措施等都需进行严格的结构设计。滚珠丝杠代替普通丝杠也需进行结构设计；所有的运动副结构设计，为了相对运动中的摩擦，应考虑：密封，润滑的方式。图2-30 常见移动副的结构示意图图2-31 低副的高副结构设计三、机构系统的结构设计三、机构系统的结构设计连杆机构设计较难，杆件形状千变万化，也是创新成果最多的领域同一机构可设计出性能、用途、外形完全不同的机械。连杆机构的杆状变化尚没有找出一定的规律，目前主要凭坚实的基础知识、丰富的实践经验。如机构简图为图示的双曲柄机构，既可设计成

21、泵；也可设计成轴系结构。图2-32 双曲柄机构结构设计示例连杆机构设计时要注意的问题 1）各构件的运动不能发生干涉 图2-32 2）在机械平衡的基础上，把安装配重与结构设计一并考虑。 3）机构系统的运动精度。 尺寸误差影响机构系统运动精度的因素 运动副的间隙误差 构件的弹性变形尺寸误差对机构运动位置的影响图2-33 连杆机构安装位置示意图 第三节第三节 机械系统的发展机械系统的发展一、机械系统的发展与演变一、机械系统的发展与演变 1刚性机械系统：系统的运动不具可控性，机械装置与电气装置独立组合的机械系统。 2柔性机械系统：运动具有可控性，可借助传感器，控制电路、计算机实施智能化控制。数控机床和

22、机器人属于柔性机械系统。3机械系统的发展机械技术与电子技术控制技术的结合，机械系统由刚性机械向柔性机械系统演化，使机电一体化的机械系统发展很快刚性机械系统 图2-18a改进的刚性机械系统 图2-18b柔性机械系统 图2-18c直接驱动式的机械系统 图2-18d图2-18 机械系统的演变过程框图机械系统的发展趋势简介机械系统的发展趋势简介刚性机械系统正在向柔性机械系统发展刚性机械系统正在向柔性机械系统发展。伺服电机伺服电机负载负载全柔性机械全柔性机械减速或变速机构减速或变速机构工作执行机构工作执行机构伺服电机伺服电机负载负载柔性机械柔性机械减速或变速机构减速或变速机构工作执行机构工作执行机构普通

23、电机普通电机负载负载刚性机械刚性机械一、机械运动的换向与控制一、机械运动的换向与控制v(1)(1)旋转运动的换向与控制旋转运动的换向与控制1)1)改变电机转向改变电机转向 2 2）限位开关换向）限位开关换向 第四节第四节 机械运动及其控制机械运动及其控制1)1)改变电机转向改变电机转向L1L2L3QSU11V11W11FU2U12V12W12U13V13W13FRUVWPEM3KM1KM2FRSB3SB1SB20KM2KM2KM1KM1KM2KM1FU11234567 滚轮式行程开关外形图(a) 单轮旋转式； （b） 双轮旋转式； （c） 电气符号 2）限位开关换向）限位开关换向v3)3)介轮

24、换向介轮换向 轮轮2 2、3 3为介轮，左图轮为介轮，左图轮1 1、4 4反向转动；反向转动；右图轮右图轮1 1、4 4同向转动。同向转动。 v4)4)摩擦轮换向摩擦轮换向控制摩擦轮控制摩擦轮A A、B B在轴上的滑动在轴上的滑动位置，使得与位置，使得与C C交替接触，实现交替接触，实现C C轮的正反转，轮的正反转，完成螺旋完成螺旋D D的往复的往复移动。移动。v5)5)自身换向机构自身换向机构利用机构本身的结构特点，利用机构本身的结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构 v(2)(2)直线移动的换向与控制直线移动的换向与控制 v1)1)改变电机转向来实现往复直线移动改变电机转向来实现往复直线移动 电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图使大门往复移动。图b b为电动感应推拉门示意图，为电动感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电机的正反转两扇门固定在带的上下两侧，利用电机的正反转和上下皮带的反向运动完成门的开启与