第三章机械产品的功能原理的实现

1、1第三章第三章 机械产品的功能原理的实现机械产品的功能原理的实现 机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计第一节第一节 机构能实现的动作功能机构能实现的动作功能一、机构能实现哪些动作功能一、机构能实现哪些动作功能 机械产品的动作功能要通过一系列的机构和电气电子装置去机械产品的动作功能要通过一系列的机构和电气电子装置去具体实现。机构一般能实现下列各种动作功能：具体实现。机构一般能实现下列各种动作功能：1利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能 在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动，而机构的输在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动，而机构的

2、输出运动是多种多样的。利用机构可以进行构件运动形式的变换，出运动是多种多样的。利用机构可以进行构件运动形式的变换，例如；例如； 1)匀速运动匀速运动(平动、转动平动、转动)与非匀速运动与非匀速运动(平动转动或摆动平动转动或摆动)的变换的变换 2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。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。）实现预期的运动轨迹。23简谐运动简谐运动:4曲柄滑块机构曲柄滑块机构图为从动轴又转又移的蜗轮连杆机图为从动轴又转又移的蜗轮连杆机构。图中构。图中5为蜗轮箱体，蜗杆为蜗轮箱体，蜗杆4和轴和轴1以滑键连接，蜗轮以滑键连接，蜗轮3与杆与杆2铰接。当铰接。当轴轴

3、1转动时，从动蜗轮转动时，从动蜗轮3又转又移。又转又移。印刷机色辊的运动即用此机构实现。印刷机色辊的运动即用此机构实现。5非匀速转动机构非匀速转动机构非匀速转动机构包括双曲柄机构、非圆齿轮机非匀速转动机构包括双曲柄机构、非圆齿轮机构、曲柄导杆及组合机构等。构、曲柄导杆及组合机构等。由于双曲柄机构和偏置由于双曲柄机构和偏置曲柄滑块机构均有急回曲柄滑块机构均有急回特性，二者并用加强了特性，二者并用加强了急回效果，使筛子在运急回效果，使筛子在运动时有较大的加速度。动时有较大的加速度。 对于创床用的旋转导对于创床用的旋转导杆机构、单万向联轴节杆机构、单万向联轴节机构和反平行四边机构机构和反平行四边机构

4、等均属于非匀速等均属于非匀速转动机构。转动机构。62利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能 开关、联锁和检测是自动机中的重要内容。开关、联锁和检测是自动机中的重要内容。 检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序，以检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序，以自动校正与规定标准间的差异。自动校正与规定标准间的差异。 控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中发现控制和控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作。例检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作。例如：如：1）用来实现运动离合或开停。）

5、用来实现运动离合或开停。2）用来换向、超越和反向止动。）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）用来实现联锁、过载保护、安全制动4) 实现锁止、定位、夹压等。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。实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。7举例举例1 制动机构：制动机构：制动装置的基本要求是：工作可靠，操作方便，制动乎制动装置的基本要求是：工作可靠，操作方便，制动乎稳且时间短，结构简单，尺寸小，重量轻，磨损小散稳且时间短，结构简单，尺寸小，重量轻，磨损小散热性好。热性好。 用电动机起停和换向时，常采用反接法制动。它具有用电动机起停和换向

6、时，常采用反接法制动。它具有操作方便、制动时间短等优点。但，反接时的制动电流操作方便、制动时间短等优点。但，反接时的制动电流大，传动系统受的惯性冲击力也较大。故它只适用于制大，传动系统受的惯性冲击力也较大。故它只适用于制动不频繁、传动系统惯性较小或电动机功率较小的系统。动不频繁、传动系统惯性较小或电动机功率较小的系统。 用离合器进行起停或换向时，必须在传动链中安装制用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。当离合动装置。制动器和离合器的操纵机构必须互锁。当离合器脱开时，制动器应制动，接通离合器前。制动器必须器脱开时，制动器应制动，接通离合器前。制动

7、器必须可靠地放松，以免损坏传动件或造成过大的功率损失。可靠地放松，以免损坏传动件或造成过大的功率损失。8图示的曲柄压力机只有一个图示的曲柄压力机只有一个执行机构，即曲柄滑块机构，执行机构，即曲柄滑块机构，电机电机9通过齿轮副通过齿轮副8、7及离及离合器合器6带动曲轴带动曲轴4旋转，再通旋转，再通过连杆过连杆3使滑块使滑块2在机身在机身10的的导轨中作往复运动，操纵杆导轨中作往复运动，操纵杆1使离合器接合或脱开，控使离合器接合或脱开，控制曲柄滑块机构的运动或停制曲柄滑块机构的运动或停止。制动器止。制动器5与离合器与离合器6的动的动作要协调配合：工作前，制作要协调配合：工作前，制动器先放松，离合器

8、后接合；动器先放松，离合器后接合；停车前，离合器先脱开，制停车前，离合器先脱开，制动器后接合。动器后接合。9举例举例2 过载保护装置：过载保护装置：常用的安全保护装置有以下几种：常用的安全保护装置有以下几种：1销钉安全联轴器销钉安全联轴器102钢珠安全离合器钢珠安全离合器11123摩擦式安全离合器摩擦式安全离合器图示为单圆锥形擦安全离合器。摩擦面由内圆锥摩擦盘图示为单圆锥形擦安全离合器。摩擦面由内圆锥摩擦盘1和和外圆锥面摩擦盘外圆锥面摩擦盘2组成。在弹簧组成。在弹簧3作用下使两个锥面压紧，由作用下使两个锥面压紧，由此产生酌摩擦力矩即为该离台器允许的输出转矩。螺母此产生酌摩擦力矩即为该离台器允许

9、的输出转矩。螺母5用用来调整压紧力。来调整压紧力。1314举例举例3 斜楔杠杆式夹持斜楔杠杆式夹持器。器。15 3. 3.利用机构实现程序控制或手动控制的功能利用机构实现程序控制或手动控制的功能 程序控制或手动控制是自动机械中不可缺少的一部分，控制程序控制或手动控制是自动机械中不可缺少的一部分，控制的方法很多，用机构来控制的方法就有；的方法很多，用机构来控制的方法就有； 1)1)利用时间的序列进行控制利用时间的序列进行控制 例如图例如图4-14-1是一种凸轮程序装是一种凸轮程序装置。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

10、轮旋转一周，驱动。凸轮旋转一周，对应着工件的整个加工对应着工件的整个加工循环。循环。16 2) 2)利用动作的序列进行控制利用动作的序列进行控制 例如图例如图4242是一种利用电磁阀控制液压缸进行工作是一种利用电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程。的顺序操作过程。17 3) 3)利用运动的变化等进行利用运动的变化等进行控制控制 例如图例如图4-34-3是汽车发动机的是汽车发动机的离心调速器。离心调速器。18二、选择机构来实现功能原理的原则和范围二、选择机构来实现功能原理的原则和范围上面叙述了机构所能实现的动作功能，实际上。这些上面叙述了机构所能实现的动作功能，实际上。这些功能也完全可以用电气

11、或电子的原则来实现。但是在功能也完全可以用电气或电子的原则来实现。但是在什么情况下选用机构来完成这些功能呢什么情况下选用机构来完成这些功能呢? ?当然首先是当然首先是要完成设计时提出的功能目标。还要考虑到工作可靠，要完成设计时提出的功能目标。还要考虑到工作可靠，运行安全，操作方便，制造和运行的经济性等等。其运行安全，操作方便，制造和运行的经济性等等。其中前两条是必须满足的，后两条则在有条件的情况下，中前两条是必须满足的，后两条则在有条件的情况下，尽可能的满足。尽可能的满足。根据目前科学技术的条件，下列几方面的动作功能，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。一般较宜

12、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实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能功能鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机+ +变速机构变速机构192实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能 例如各种自动机上的上、下料，加工、检测等工序需例如各种自动机上的上、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，但其轨迹功作部分还必迹，采用电子或电气来控制，但其轨迹功作部分还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机绘图仪的绘

13、图笔的动作等。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、联锁和检测等功在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能能如电灯开关一般是用机械式的，但也有触模式、光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，至于操电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。204实现简单的固定程序或可变程序的控制功能实现简单的固定程序或可变程序的控制功能例如目前很少采用直线电动机来实现直线运动，但由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

14、成熟，直线电动机将使于超导的发现，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。电视机最初出现时当时用在磁悬浮的高速列车上。电视机最初出现时当时电视频道少显象管屏幕也小，因而广泛使用安全可电视频道少显象管屏幕也小，因而广泛使用安全可靠、操作方便、经济性好的机械式频道变换开关，但靠、操作方便、经济性好的机械式频道变换开关，但当电视机屏幕的不断增大，频道的增多，经济性好的当电视机屏幕的不断增大，频道的增多，经济性好的机械式频道变换开关，愈来愈感到操作的不便而被遥机械式频道变换开关，愈来愈感到操作的不便而被遥控开关所取代。但是也应看到电子技术的发展虽然能控开关所取代。但是也应看到电子技术的

15、发展虽然能控制许多复杂的自动化机器和设备，但其本身的结构控制许多复杂的自动化机器和设备，但其本身的结构也日趋复杂，因而引起可靠性、安全性的下降。例如也日趋复杂，因而引起可靠性、安全性的下降。例如飞机上的自动导航仪，可以自动按给走路线飞行，而飞机上的自动导航仪，可以自动按给走路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，这种不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，这种飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控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。制装置。21第二节第二节 传动机构和执行机构传动机构和执行机构 一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机一切机器都包含有四

16、个部分：动力源、传动机构、执行机构和控制部分。构、执行机构和控制部分。 一、传动机构一、传动机构传动机构（系统）是将原动机的运动和动力传给执传动机构（系统）是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。原动机与执行机构动力传动、电力和磁力传动等。原动机与执行机构间组成传动联系的一系列传动件称为传动链，所有间组成传动联系的一系列传动件称为传动链，所有传动链以及它们之间的相互联系组成传动机构（系传动链以及它们之间的相互联系组成传动机构（系统）。统）。主要目的：为了实现速度或力的变换，或实现特定主要目的

17、：为了实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求。运动规律的要求。22作用：是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完作用：是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能。具体内容：成预期的功能。具体内容： (1)把原动机输出的速度降低或增高，以适合执行机构的需要；把原动机输出的速度降低或增高，以适合执行机构的需要； (2)实现变速传动以满足执行机构经常变速的要求；实现变速传动以满足执行机构经常变速的要求； (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；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）把原动机输出的

18、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；的、其速度按某种规律变化的旋转或其它类型的运动； (5)实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的执行机构；执行机构； (6)由于受机体外形、尺寸的限制，或为了安全和操作方便，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。执行机构不宜与原动机直联时，也需要用传动装置来联接。23 1、传动机构的类型、传动机构的类型变速装置，启动、停止和换向装置，制动装置变速装置，启动、停止和换向装置，制动装置及安全保护

19、装置等。及安全保护装置等。241)变速装置及变速装置及其机构其机构25 2)启动、停止和换向装置启动、停止和换向装置常用的启停和换向装置有两类：常用的启停和换向装置有两类：一类是通过按钮或操纵杆直接控制原动机实现启停和换向，一类是通过按钮或操纵杆直接控制原动机实现启停和换向，另一类是用离合器实现启停和换向。选择方案时应考虑执行机另一类是用离合器实现启停和换向。选择方案时应考虑执行机构所要求的启停和换向的颇繁程度、原动机的类型与功率。构所要求的启停和换向的颇繁程度、原动机的类型与功率。 （1)原动机为电动机时，电动机允许在负载下启动，可以正原动机为电动机时，电动机允许在负载下启动，可以正反运转，

20、但电动机的启动电流通常是额定电流的反运转，但电动机的启动电流通常是额定电流的57倍，因此倍，因此在功率大、启停和换向频繁的情况下，将导致因发热大而缩短在功率大、启停和换向频繁的情况下，将导致因发热大而缩短电机的使用寿命，同时因电流过大影响局部电网的正常供电。电机的使用寿命，同时因电流过大影响局部电网的正常供电。其优点是操作方便，能简化机械结构。其优点是操作方便，能简化机械结构。 用离合器启停和换向：用离合器启停和换向： 中等以上功率且启停和换向频繁时，中等以上功率且启停和换向频繁时，常采用各种离合器启动和换向。若执行机构的旋转速度高时可常采用各种离合器启动和换向。若执行机构的旋转速度高时可采用

21、摩擦离合器，若执行机构的旋转速度较低时可采用刚性的采用摩擦离合器，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。啮合式离合器。26 （2)原动机为内燃机原动机为内燃机 由于内燃机既不能在负载下启动，也不能反转运行，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。需要反向时，应在传动链中设置反向机构。离合器启停和换向举例：离合器启停和换向举例： 图示为齿轮图示为齿轮摩擦离摩擦离合器换向机构的传动原理合器换向机构的传动原理图，齿轮图，齿轮Z1和和Z3均空套在

22、均空套在轴轴I上，摩擦离合器向左上，摩擦离合器向左接合时，通过接合时，通过Z2传动轴传动轴，摩擦离合器向右接合时，摩擦离合器向右接合时，通过通过Z0、Z4传动轴传动轴 、实现反转，摩擦离合器处实现反转，摩擦离合器处于中间位置时，轴于中间位置时，轴不转。不转。这样就可实现轴这样就可实现轴的启动、的启动、停止和换向。停止和换向。27运动由轴运动由轴输入；输入；轴轴输出输出283)制动装置制动装置对制动装置的基本要求是：结构简单，操作方便，工作可靠，对制动装置的基本要求是：结构简单，操作方便，工作可靠，制动平稳，耐磨和散热性能良好。制动平稳，耐磨和散热性能良好。 用电动机启停和换向时，一般采用电动机

23、反接制动，它具用电动机启停和换向时，一般采用电动机反接制动，它具有操作方便制动时间短等优点，但在反接制动时制动电流有操作方便制动时间短等优点，但在反接制动时制动电流大，传动系统所受的惯性冲击力也较大，故只适用于制动不大，传动系统所受的惯性冲击力也较大，故只适用于制动不频繁、传动系统惯性较小或电动机功率较小的传动系统。频繁、传动系统惯性较小或电动机功率较小的传动系统。 用离合器启停和换向时，必须在传动链中安装制动装置。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：常用制动器有下列类型：294)安全保护装置安全保护装置 安全保护装置装在转速高的传动构件上，可使结构尺寸小安

24、全保护装置装在转速高的传动构件上，可使结构尺寸小些。若靠近执行机构安装，则发生过载时，能迅速停止运些。若靠近执行机构安装，则发生过载时，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故在靠近执行机构且转速较高的传动构件上。保护装置宜故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）销钉安全联轴器（2）钢珠安全离合器）钢珠安全离合器（3）摩擦式安全离合器）摩擦式安全离合器前已举例。前已举例。30 常用的传动机构有齿轮机构、连杆机构、凸轮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

25、、槽轮机构、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。而产生的组合机构。2运动速度或力的大小变换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根据功率、速度、输出力三者之间的关系P= F v 在输出功率一定的情况下：速度与输出力的变化关在输出功率一定的情况下：速度与输出力的变化关系系31 常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几

26、种：要有以下几种： 1)通过啮合方式进行传动通过啮合方式进行传动(例如；齿轮、蜗轮蜗杆、例如；齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等链传动、同步齿形带等)。其中齿轮传动可以在平。其中齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用。靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用。 2)通过摩擦方式进行传动通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等擦式无级变速器、带传动、滑

27、轮传动等)。这类机构。这类机构结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性、吸收振动的特性且有缓冲和安全保护的作用性、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。特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。323)利用楔块原理进行传动利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动、偏心例如：螺旋传动、偏心轮传动等轮传动等)。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组。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结构简单，传动精度高，平矩得到较大的

28、轴向力结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。稳无噪声等。 4)利用流体作用原理进行传动利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气例如：液压、气动传动等动传动等)。液体可以看作是一种不可压缩物体。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下但液压传动速度需十分精确但载荷很大的情况下但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。而较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。而气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度快。快。33 3运动形式或传力

29、方式的变换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，因此进行运动形式工作机的输出要求是多种多样的，因此进行运动形式的变换是传动机构的一个很重要的任务。机械传动机的变换是传动机构的一个很重要的任务。机械传动机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等。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

30、。它们能将转动变换成移动，或机构、流体机构等。它们能将转动变换成移动，或反之。出于运动形式的变化，机构的传力方式也就随反之。出于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。之改变。34 二、执行机构二、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，如挖掘机中推动铲斗运动的多杆机构，使起重为执行机构，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。执行机构的主要作用是给工作头产生工作力，同时手臂等。执行机构的主要作用是给工

31、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。带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。 执行机构最常见的运动变换是旋转与直线运动的变换如执行机构最常见的运动变换是旋转与直线运动的变换如蒸汽机将活塞的直线运动变换成旋转运动，而空气压缩机中蒸汽机将活塞的直线运动变换成旋转运动，而空气压缩机中曲轴、连杆和滑块执行机构则是将旋转运动变换成活塞的往曲轴、连杆和滑块执行机构则是将旋转运动变换成活塞的往复直线运动。复直线运动。1、基本类型：、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、搬运、输送、分度与转位、检测与分类、施力等35 1）夹持）夹持 夹持工作是

32、加工、搬运及安全系统中最常见的动作，如弹夹持工作是加工、搬运及安全系统中最常见的动作，如弹簧杠杆式、斜楔杠杆式、液压连杆式、电气式等型式夹持器，簧杠杆式、斜楔杠杆式、液压连杆式、电气式等型式夹持器，其基本原理多采用杠杆式原理，动力源有机械、电力、液力、其基本原理多采用杠杆式原理，动力源有机械、电力、液力、气压及人力等，易简单的形式是人力夹持器，如夹煤球的钳气压及人力等，易简单的形式是人力夹持器，如夹煤球的钳子、虎钳等。子、虎钳等。 图示为图示为JK系列提升机广泛使用的系列提升机广泛使用的油压盘闸制动器工作原理图。油油压盘闸制动器工作原理图。油压盘闸成对使用，对称地布置在压盘闸成对使用，对称地布

33、置在制动盘两边。制动盘两边。 2）搬运）搬运3）输送）输送364）分度与转位）分度与转位37 5）检测与分类）检测与分类 检测是为了检验工件的大小、形状及性能是否能满足要求，检测是为了检验工件的大小、形状及性能是否能满足要求，而分类是机械系统在工作过程中对工件对象进行分类以将其而分类是机械系统在工作过程中对工件对象进行分类以将其区分开来。区分开来。 6）施力）施力执行系统不仅可完成一定的运动和动作，有许多执行系统还执行系统不仅可完成一定的运动和动作，有许多执行系统还可对工件或外界产生一定的作用力或作用力矩，以满足生产可对工件或外界产生一定的作用力或作用力矩，以满足生产要求。要求。382、满足特

34、定运动、满足特定运动规律规律 指那些输出中有指那些输出中有速度的规律变化要速度的规律变化要求，如有等速输出，求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇，瞬时或长时间停歇，有急回特性、周期有急回特性、周期性转位和步进分度性转位和步进分度动作等。一般机器动作等。一般机器中常常由多个执行中常常由多个执行机构组成，以完成机构组成，以完成各种预定的机械工各种预定的机械工作要求。例如图作要求。例如图4-4中的牛头刨床中的牛头刨床3940 2满足特定的运动轨迹满足特定的运动轨迹 在生产实际中，需要机构完成某种特定的运动轨迹，如直线、在生产实际中，需要机构完成某种特定的运动轨迹，如直线、圆弧等等。当运动轨迹要求比较复

35、杂时，圆弧等等。当运动轨迹要求比较复杂时， 一般通过连杆机构或一般通过连杆机构或通过组合机构来完成。利用组合机构不仅能满足生产上的各种通过组合机构来完成。利用组合机构不仅能满足生产上的各种要求，而且能综合应用和发挥各种基本机构的特长，例如图要求，而且能综合应用和发挥各种基本机构的特长，例如图4-5所示为利用联动凸轮机构实现任意预定的运动轨迹。图中利用所示为利用联动凸轮机构实现任意预定的运动轨迹。图中利用两个凸轮两个凸轮A及及B的协调配台控制的协调配台控制X及及y方向的运动轨迹为一方向的运动轨迹为一“8”41 3满足某种特殊的信息传递满足某种特殊的信息传递 利用机构不仅能完成机械运动利用机构不仅

36、能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如杠功能。这一类应用很多，例如杠杆千分尺、家用水表、电表等使杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数器，家用用的机械式计数器，家用洗衣机、电风扇等使用机械式定洗衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用机构来实现速度、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加速度等的测量和数据记忆等功能。能。42三、工作头三、工作头1什么是工作头什么是工作头 各种工艺类机械都有一定的工艺功能，其功能是通过与工作各种工艺类机械都有一定的工艺功能，

37、其功能是通过与工作对象相关的工作头来表现出来的。例如挖掘机的铲斗，推土对象相关的工作头来表现出来的。例如挖掘机的铲斗，推土机的刀架，起重机的吊钩，铣床的铣刀，轧钢机的轧辊，缝纫机的刀架，起重机的吊钩，铣床的铣刀，轧钢机的轧辊，缝纫机的机针，工业机器人的手爪等等。工作头是直接接触并携带机的机针，工业机器人的手爪等等。工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工作工作对象完成一定的工作(例如：夹持、搬运、转位等例如：夹持、搬运、转位等)，或是，或是在其上完成一定的工艺动作在其上完成一定的工艺动作(例如喷涂、洗涤、锻比等例如喷涂、洗涤、锻比等)。432、工作头的作用、工作头的作用工作头的形式根据机构执

38、行的工艺功能不同而多种多工作头的形式根据机构执行的工艺功能不同而多种多样。常见的工艺功能主要包含以下几个方面：样。常见的工艺功能主要包含以下几个方面： (1)夹持：夹持： 工作头要对工件进行操作，要对工件施工作头要对工件进行操作，要对工件施加作用力，需要首先将工件夹持住。例如。机床要加加作用力，需要首先将工件夹持住。例如。机床要加工工件；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深工工件；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深入土中。入土中。 (2)搬运、输送及转换工位搬运、输送及转换工位 ： (3)施力：施力： 工作头有时要对工作对象施加力或力矩工作头有时要对工作对象施加力或力矩以达到完成任务的目

39、的。例如，材料的压力加工与实以达到完成任务的目的。例如，材料的压力加工与实验，重物起吊与搬运等。验，重物起吊与搬运等。44四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题选型时除应满足工艺功能的动作和运动的基本要求外，选型时除应满足工艺功能的动作和运动的基本要求外，还应注意以下几个问题：还应注意以下几个问题：1 1 在满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构在满足工艺功能动作和运动要求的情况下应使机构最简单，传动链最短。最简单，传动链最短。图图4-9a)4-9a)移动从动移动从动件圆柱凸轮机构；件圆柱凸轮机构；图图49b49b）所示的）所示的摆动从动件盘状

40、凸摆动从动件盘状凸轮机构与摇杆滑块轮机构与摇杆滑块机构的组合。机构的组合。45 2使机构有有利的传力条件使机构有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对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构(如冲压如冲压机构机构)，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。，应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。图图4-10是一种利用死点位置作为增力机构的运动简是一种利用死点位置作为增力机构的运动简图。这种增力机构常用于剪切机、冲压机、破碎机图。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。服从

41、动构件上很大阻力。46关于死点的问题。关于死点的问题。注：注：CD为主动件为主动件47 图图4-11是一快速夹紧机构，当工件被夹紧时连杆是一快速夹紧机构，当工件被夹紧时连杆BC与摇杆与摇杆CD成一直线。即在工件的反力成一直线。即在工件的反力F2作用下，连杆与从动杆共作用下，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有自锁特性进行工作的实例 。48 3使机构有尽可能好的动力性能使机构有尽可能好的动力性能 在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用在高速机构中，为了使动载荷最小，在机构选用时要尽量考

42、虑其对称性。对机构或回转构件进行平时要尽量考虑其对称性。对机构或回转构件进行平衡使其质量分布合理，对于传动力的机构则要尽衡使其质量分布合理，对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角，以防止机构的自锁，增大机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，减少原动机的功率及其损耗。器的传动效益，减少原动机的功率及其损耗。传动角与压传动角与压力角的关系力角的关系及对运动的及对运动的影响。影响。494使机器操纵方便调整容易，安全耐用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、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、受动装置，可使操停、离合、

43、正反转、刹车、受动装置，可使操纵方便调整容易；机器中加入过载保护装置，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。可预防机器的损坏等。50第三节第三节 按机械动作功能原理要求作机械运动系统的按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计方案设计一、功能原理解与机械运动系统的方案设计一、功能原理解与机械运动系统的方案设计 机械产品的功能原理设计完成后，得到一个机械产品的功能原理设计完成后，得到一个“功能功能结构图结构图”，有：总功能的各个分功能和它们之间的，有：总功能的各个分功能和它们之间的相互关系。按本章第一节的原理就可以分析这些分相互关系。按本章第一节的原理就可以分析这些分功

44、能中哪些适合用机械功能来完成；按第二节的原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：存在以下两个问题：51 1)在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能用一个巳知的机构来完成。这里就需要根据分功能用一个巳知的机构来完成。这里就需要根据分功能的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统

45、，由的特点，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。这就是这些机构共同完成这个分功能的机械动作。这就是所谓所谓“机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计”，或称为，或称为“机构机构的创新设计的创新设计”。 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，这也称为构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动机械运动系统的方案设计系统的方案设计”，只是这个系统比较大，其综合，只是这个系统比较大，其综合后完成的

46、机械功能，就是整个机械产品的总功能中后完成的机械功能，就是整个机械产品的总功能中的全部机械功能。这种机械运动系统方案设计也称的全部机械功能。这种机械运动系统方案设计也称为为“机械运动系统的协调设计机械运动系统的协调设计”。52二、功能原理的分解和机构的选择二、功能原理的分解和机构的选择 当分功能比较复杂。不能用单一机构完成时，就要将分功能当分功能比较复杂。不能用单一机构完成时，就要将分功能分解成几个分功能分解的原则是所分解出的分功能能够用一分解成几个分功能分解的原则是所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一组由个简单机构去完成，故经常将这复杂的动作功能分解成一

47、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，这除了要按第二节的原则外，还要看这些机构能否一个机构，这除了要按第二节的原则外，还要看这些机构能否组合在一起即所谓机构间的相容问题。如在要求精密运动的组合在一起即所谓机构间的相容问题。如在要求精密运动的系统中，不能插入摩擦传动；在高速旋转传动中不能插入双曲系统中，不

48、能插入摩擦传动；在高速旋转传动中不能插入双曲柄机构等等。虽然这样，每个分功能还均有几种机构可选择，柄机构等等。虽然这样，每个分功能还均有几种机构可选择，因而能完成这复杂功能组成的机械运动系统的方案就有很多个因而能完成这复杂功能组成的机械运动系统的方案就有很多个。这时就应该用机械原理的加识将这些方案进行详细的运动。这时就应该用机械原理的加识将这些方案进行详细的运动学和动力学分析，比较各个方案的优缺点后，选择其中最优的学和动力学分析，比较各个方案的优缺点后，选择其中最优的。如有必要，还应该进行实验验证。如有必要，还应该进行实验验证。531合理安排传动机合理安排传动机构的顺序构的顺序例：三轴钻床中，

49、传例：三轴钻床中，传动机构的顺序是这样动机构的顺序是这样安排的：安排的：主运动链：电动机主运动链：电动机皮带传动皮带传动齿轮齿轮传动传动钻头转动；钻头转动；进给运动链：电动进给运动链：电动机机皮带传动皮带传动蜗扦传动蜗扦传动凸轮机凸轮机构构工作台升降进工作台升降进给给54 可知：在机构的排列顺序上一般遵循的规律是：转变可知：在机构的排列顺序上一般遵循的规律是：转变运动方式的机构运动方式的机构(如凸轮机构如凸轮机构)通常总是安置在运动链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，与带传

50、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。为诚小尺寸和重量，这些调关系，且传动中心距大。为诚小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。传动机构一般安装在靠近原动机的地方。2合理分配传动比合理分配传动比 大传动比可分多级传动，在同类的几级传动装置中，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，因而通常把传动比最大的一级装在转速最低的位置

51、，因而可使其他各级在较高的转速下工作，使各级中间轴上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。获得较为紧凑的机构。55 3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床，、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床，56它是将整根元钢锯成小段送到各制造车间加它是将整根元钢锯成小段送到各制造车间加工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至工。这种锯床的锯弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运动特性要求：少应包含以下三个运动特性要求：A)旋转运动变换成直线往复运动；旋转运动变换成直线往复运动；B)工作行

52、程的时间大于回程时间的急回特性；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。这工作行程的中间段具有近似的等速运动。这三个运动特性要求均有多种机构可以选择，三个运动特性要求均有多种机构可以选择，如：如：57 1)转动转动(或摆动或摆动)变成移动的机构有：曲柄变成移动的机构有：曲柄(或摆杆或摆杆)滑滑块机构、正弦机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。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具有急回特性的机构有：偏置曲柄滑块机构有：偏置曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮、曲柄

53、摇杆机构、凸轮机构、曲柄导杆机构等。机构、曲柄导杆机构等。583）工作行程具有近似等速段的机构：这个功能）工作行程具有近似等速段的机构：这个功能特性要求除凸轮机构能单独完成外，其余机构均特性要求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、曲柄需要相互配合才能完成。如：双曲柄机构、曲柄摇杆（导杆）机构摇杆（导杆）机构59根据这个设想，根据这个设想，能满足有等速段能满足有等速段子功能的机构，子功能的机构，除了凸轮机构外除了凸轮机构外还有曲柄摇杆机还有曲柄摇杆机构、双曲柄机构、构、双曲柄机构、曲柄导杆机构及曲柄导杆机构及椭圆齿轮机构等椭圆齿轮机构等与曲柄与曲柄(或摆杆或摆

54、杆)滑块机构、正弦滑块机构、正弦机构等的组合。机构等的组合。60 除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合除凸轮机构外，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而成，因而就有双曲柄机构偏置曲柄滑块机构、偏置曲柄滑块机构、双曲柄机构双曲柄机构正弦机构、椭圆齿轮一正弦机构、椭正弦机构、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。滑块机构等近十种方案。 在这些方案中性能最好的，经运动分析知为双曲在这些方案中性能最好的，经运动分析知为双曲柄机构一偏心曲柄滑块机构的组合，它在工作行程柄机构一偏心曲柄滑块

55、机构的组合，它在工作行程的的70%范围内有良好的等速运动性能且有较好的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急回特性，结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构一摆动滑块机构。其运动性能与上述机构不相上下，一摆动滑块机构。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。点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。61三、机械运动系统方案设计举例三、机械运动系统方案设计举例家用缝纫机的送布机构设计家用缝纫机的送布机构设计1家用缝纫机送布机构的功能

56、原理要求家用缝纫机送布机构的功能原理要求1）衣料必须在压脚板与入口平板之间作步进式移动。）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。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节2 送布机构的功能分解送布机构的功能分解根据送布机构的功能原理要求可分解成以以下几个子功能：根据送布机构的功能原理要求可分解成以以下几个子功能：1）发生矩形轨迹的子功能。）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

57、合的控制子功能）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。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。送布机构与传动轴之间的运动传递子功能。623 3实现子功能的机构选择实现子功能的机构选择()()矩形轨迹生成机构矩形轨迹生成机构 先根据选择机构要力求简先根据选择机构要力求简单的原则，作如下分析：单的原则，作如下分析：6364 (2) (2)矩形轨迹生成的控制机构矩形轨迹生成的控制机构 由于上述轨迹生成由于上述轨迹生成机构，己把矩形的上下和前后运动分开，由机构，己把矩形的上下和前后运动分开，由和和两个转角独立控制，因此控

58、制机构就变得简单。在两个转角独立控制，因此控制机构就变得简单。在目前情况下用凸轮机构特别方便，如：控制上下的目前情况下用凸轮机构特别方便，如：控制上下的凸轮机构，只要在凸轮摆动时，当需要送布牙作上凸轮机构，只要在凸轮摆动时，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。圆弧即可。当凸轮反转时上升曲线就变成下降曲线。 比较难设计的是送布牙的前后运动控制、因为前比较难设计的是送布牙的前后运动控制、因为前后运动的送布量要无级可调，要达到这个要求，控后运动的送布量要无级可调，要达到这个要求，控制凸轮

59、必须与主轴直接相联。送布与后退的时间和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送进量的大小，即改变传递给轨迹发生机构的角。角。65凸轮机构如图凸轮机构如图4-16a所示，为一等宽摆所示，为一等宽摆动凸轮机构，凸轮动凸轮机构，凸轮上有相对应的两个上有相对应的两个大小圆弧大小圆弧R及及r，摆，摆杆上槽宽杆上槽宽L恰等于恰等于R十十r。在图示位置，。在图示位置，凸轮转动时摆杆不凸轮转动时摆杆不动、这两圆弧的对动、这两圆弧的对应角应角就是送布牙就是送布牙作上、下运动的时作

60、上、下运动的时间，两圆弧间用直间，两圆弧间用直线相联，凸轮的转线相联，凸轮的转角为角为180- ，这，这时摆杆摆动时摆杆摆动角，角，这就是输给轨迹发这就是输给轨迹发生机构控制送布牙生机构控制送布牙的送布大小。的送布大小。66(3)送布量的调节机构送布量的调节机构 调节机构的任务是将摆杆调节机构的任务是将摆杆BB的送布输出信息的送布输出信息，改变成大小可调的送布多少的参，改变成大小可调的送布多少的参数数 。调节机构的种类很多。如图。调节机构的种类很多。如图4-17所示的四连杆所示的四连杆机构，如改变曲柄的长度机构，如改变曲柄的长度r就可改变摆杆的摆角。当就可改变摆杆的摆角。当曲柄的长度为曲柄的长