机械创新设计-基础

1、问题(wnt)实例v为了使钳口上下(shngxi)受力均衡，希望其做平动，采用何种机构来实现？精品资料第二章第二章 机械创新设计的基础机械创新设计的基础(jch)适应适应第一节第一节 机械机械(jxi)(jxi)的基础知识的基础知识一、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，

2、工作机和信息机 精品资料原动机：三相交流异步电动机、单相(dn xin)交流异步电动机、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(rnqlnj)、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；精品资料工作机：指利用(lyng)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。

3、信息机：也是一种工作机。只是通过各种复杂(fz)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 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。精品资料图2-1 机器(j q)的组成机械创新设计机械创新设计(shj)的内容主要涉及到机械运动系统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，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

4、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精品资料机械传动机械传动(j xi chun dn)系统系统1 1、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、钢丝(n s)(n s)软轴传动软轴传动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、电磁传动精品资料水轮(shu ln)发电机二坐标(zubio)机床的工作台精品资料工作工作(gngzu)

5、执行执行系统系统1 1、连杆机构、连杆机构2 2、凸轮、凸轮(tln)(tln)机构机构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、自动控制精品资料精品资料二、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。机构的基本型，也可以是机构组合，或组合机构。 1 1机构的基本型：指最基本的、最常用的机机构的基本型：指最基本的、最常用的机构型式构型式(x

6、n sh)(xn sh) 主要有以下几种：主要有以下几种：（1）四杆机构(jgu)精品资料（2）齿轮(chln)机构 （3）凸轮(tln)机构 精品资料带传动带传动(chundng)链传动链传动(chundng)（4）挠性元件(yunjin)传动精品资料（5）液、气传动(chundng)基本型精品资料（7）电磁(dinc)传动机构的基本型 （6）螺旋传动(chundng)机构精品资料（8）间歇运动(yndng)机构的基本型：外棘轮机构 外槽轮机构精品资料（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

7、）、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）、连续转动到往复摆动(bidng)(bidng)的运动变换与实现机构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）、直线移动到定轴转动或摆动(bidng)(bidng)的运动变换与实现的运动变换与实现机构机构2 2、机构、机构(jgu)(

8、jgu)及其运动形态分析及其运动形态分析精品资料10.绳索绳索(shn su)传动传动机构机构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13.万向节传动机构等万向节传动机构等1.齿轮传动齿轮传动(chundng)机构机构2.连杆机构连杆机构6.摩擦轮传动摩擦轮传动(chundng)机构机构8.带传动带传动(chundng)机构机构9.链传动链传动(chundng)机构、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精品资料椭圆椭圆(tuyun)齿轮传动齿轮传动具有(jyu)变速传动性能（变传动比）精品资料转动(zhun dn

9、g)到转动(zhun dng)（连杆机构）双曲柄双曲柄(qbng)机构机构例：惯性筛例：惯性筛精品资料转动转动(zhun dng)导杆机构导杆机构注意与摆动导杆的区别：都是曲柄(qbng)导杆机构，LBC LBA,则是转动导杆，否则是摆动导杆机构精品资料带传动带传动(chundng)机机构构液力传动机构液力传动机构(jgu)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机构同步带传动机构精品资料钢丝(n s)软轴汽车(qch)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精品资料（2 2）连续转动到步进转动的运动变换与实现机构）连续

10、转动到步进转动的运动变换与实现机构(jgu)(jgu)间歇运动机构间歇运动机构(jgu)(jgu)槽轮机构槽轮机构(jgu)棘轮机构棘轮机构(jgu)不完全齿轮机构不完全齿轮机构(jgu)分度凸轮机构分度凸轮机构(jgu)精品资料（3 3）连续转动到往复摆动）连续转动到往复摆动(bidng)(bidng)的运动变换与实的运动变换与实现机构现机构曲柄曲柄(qbng)摇杆机构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精品资料（4 4）连续转动到往复直线移

11、动）连续转动到往复直线移动(ydng)(ydng)的运动变换的运动变换 与实现机构与实现机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构(jgu)正弦机构正弦机构(jgu)直动从动件凸轮机构直动从动件凸轮机构(jgu)齿轮齿条机构齿轮齿条机构(jgu)螺旋机构螺旋机构(jgu)精品资料 （5 5）连续转动到平面）连续转动到平面(pngmin)(pngmin)运动的变换与实运动的变换与实现机构现机构行星行星(xngxng)齿轮机构齿轮机构行行星星(xngxng)轮轮精品资料（6 6）直线移动到直线移动的运动变换与实现）直线移动到直线移动的运动变换与实现(shxin)(shxin)机构机构双滑块机构双滑块机构移动移动

12、(ydng)凸轮机凸轮机构构精品资料双滑块机构(jgu)（椭圆仪）双滑块机构双滑块机构(jgu)精品资料移动移动(ydng)凸凸轮机构轮机构精品资料（7 7）直线移动到定轴转动或摆动的运动变换）直线移动到定轴转动或摆动的运动变换(binhun)(binhun)与与 实现机构实现机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构(jgu)滑块主动滑块主动齿轮齿条机构齿轮齿条机构(jgu)齿条主动齿条主动精品资料滑块主动滑块主动(zhdng)齿条齿条(ch tio)主动主动专利：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精品资料（8）

13、机、气、液机构组合 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。 由动作缸和活塞杆组合而成，主动件一般(ybn)均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作，可采用多缸来完成。 精品资料第四节第四节 多功能平口钳的创新设计案例多功能平口钳的创新设计案例(n l)(n l)分析分析北京化工大学全国(qun u)一等奖精品资料精品资料 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(y )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。精品资料故机构(jgu)的分析和设计方法仍然适合机构(jgu)组合系统中的

14、各机构(jgu)。串联机构(jgu)并联机构(jgu)精品资料4、组合机构(jgu) 组合机构(jgu)与机构(jgu)的组合有本质不同。组合机构(jgu)是指若干基本机构(jgu)，通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构(jgu)。组合机构(jgu)中的各基本机构(jgu)已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构(jgu)的分析和设计方法进行组合机构(jgu)的设计。精品资料三、机械三、机械(jxi)(jxi)的控制系统：的控制系统：机械机械(jxi)(jxi)的控制从手工操作向自动化、智的控制从手工操作向自动化、智能化发展的。能化发展的。控制方法：机械控制方法：机械(jxi)(jxi

15、)、 电气、电气、 液压、液压、 气动气动 综合控制综合控制1 1电气控制系统的基本要求：电气控制系统的基本要求： 1 1）满足机械）满足机械(jxi)(jxi)的动作要求或工艺的动作要求或工艺条件；条件； 2 2）电气、电子元件合理，工作安全可靠；）电气、电子元件合理，工作安全可靠； 3 3）停机时，控制系统的电子元器件不应）停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电；长期带电； 4 4）有较强的抗干扰能力，避免误操作；）有较强的抗干扰能力，避免误操作； 5 5）便于维护与管理、经济指标好；）便于维护与管理、经济指标好； 6 6）使用寿命长；）使用寿命长； 7 7）应设置紧急手动装置。）应设置

16、紧急手动装置。电气控制应用(yngyng)最广泛。精品资料3机械控制系统(kn zh x tn)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(kn zh x tn)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(jxi)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

17、与输入指令比较的过程，称为反馈控制精品资料精品资料精品资料伺服电动机模拟(mn)伺服控制数字(shz)伺服控制软件伺服控制精品资料智能(zh nn)控制（机电机构组合） 智能(zh nn)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。 机械系统的微机机械系统的微机(wi j)控制框控制框图图精品资料四、机械系统类型四、机械系统类型1、单一基本、单一基本(jbn)机构组成的机械机构组成的机械2、多个独立的基本、多个独立的基本(jbn)机构协调工作机构协调工作的机械的机械3、多个基本、多个基本(jbn)机构连接组成的机械机构连接组成的机械4、智能机械、智能机械精品资料1

18、、单一、单一(dny)基本机构组成的机械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由一个基本机构组成的简单机械具有(jyu)多样化、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。精品资料2、多个独立的基本机构协调、多个独立的基本机构协调(xitio)工作组成的机械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必须互相协调配合(pih)，完成特定的工作任务。，完成特定的工作任务。精品资料3、多个基本、多个

19、基本(jbn)机构连接组成机构连接组成的机械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合、封闭组合等连接方式(fngsh)，组成一个完整的，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。精品资料4、智能、智能(zh nn)机械机械智能机械也是近代智能机械也是近代(jndi)产生的体现高产生的体现高科技的机械，其本质科技的机械，其本质是把机械运动、传感是把机械运动、传感技术、测试技术和现技术、测试技术和现代控制技术有机结合代控制技术有机结合在一起，

20、形成的具有在一起，形成的具有智能的新机械。智能的新机械。智能机器人智能机器人精品资料第二节第二节 机械运动机械运动(jxiyndng)(jxiyndng)简图及其结构设计简图及其结构设计 1机构系统的运动简图设计：根据(gnj)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

21、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、具有复杂形状的构件精品资料（1）齿轮(chln)的结构设计 齿轮(chln)轴 整体式：圆盘状，腹板式，轮副式 图2-19图2-19 外齿轮(chln)的结构示意图精品资料分体式：齿圈+轮毂(lng)内齿轮的退刀槽 图2-20图2-20 内齿轮(chln)的结构示意图精品资料（2）凸轮(tln)类构件的结构设计 按尺寸：凸轮(tln)轴，盘状凸轮(tln) 弹簧锁合 （图2-21） 按锁合方式 沟槽式（图2-22a） 几何(j h)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

22、 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精品资料精品资料图2-22 形封闭(fngb)凸轮结构示意图精品资料图2-23 双滚子(n z)结构示意图精品资料图2-24 圆柱滚子(n z)改为圆锥滚子(n z)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(tln)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精品资料图2-25 滚子(n z)结构精品资料图2-26 共轭凸轮的摆动(bidng)滚子从动件精品资料图2-26 共轭凸轮的摆动(bidng)滚子从动

23、件精品资料图2-27 曲柄(qbng)的结构（3）杆类构件的结构设计）杆类构件的结构设计曲柄曲柄(qbng)：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状：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：视具体情况设计精品资料图2-28 连杆(lin n)组件精品资料图2-29 转动(zhun dng)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：块状类构件大都块状类构件大都(ddu)作移动，其结构与运动副的结构有关。作移动，其结构与运动副的结构有关。精品资料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(zhti

24、)轮毂与青铜轮缘组合） 内燃机连杆 滑动轴承座精品资料二、运动二、运动(yndng)副的结构设计副的结构设计v运动副的结构创新设计对提高机械(jxi)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(jxi)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v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移动副构图 j.滚子与滑槽形成的移动副精品资料3高

25、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(jnxng)严格的结构设计。滚珠丝杠代替普通丝杠也需进行(jnxng)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。精品资料图2-30 常见(chn jin)移动副的结构示意图精品资料图2-31 低副的高副结构设计精品资料三、机构三、机构(jgu)系统的结构设计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(fngf)的

26、实践经验。如机构简图为图示的双曲柄机构，既可设计成泵；也可设计成轴系结构。精品资料图2-32 双曲柄(qbng)机构结构设计示例精品资料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(pi zhn)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(yndng)精度的因素 运动(yndng)副的间隙误差 构件的弹性变形尺寸误差对机构运动(yndng)位置的影响精品资料图2-33 连杆机构安装(nzhung)位置示意图 精品资料第三节第三节 机械系统的发展机械系统的发展(fzhn)(fzhn)一、机械系统的发展一、机

27、械系统的发展(fzhn)(fzhn)与演变与演变 1 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。独立组合的机械系统。 2 2柔性机械系统：运动具有可控性，可借助传感器，控制电路、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。数控机床和机器人属于柔性机械系统。计算机实施智能化控制。数控机床和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

28、-18b柔性机械系统 图2-18c直接驱动式的机械系统 图2-18d精品资料图2-18 机械系统的演变(ynbin)过程框图精品资料机械系统的发展趋势简介机械系统的发展趋势简介(jin ji)刚性机械系统正在向柔性刚性机械系统正在向柔性(ru xn)机械系统发展。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电机普通电机负载负载刚性机械刚性机械精品资料一、机械运动的换向与控制一、机械运动的换向与控制(1)(1)旋转旋转(xunzhun)

29、(xunzhun)运动的换向与控制运动的换向与控制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 机械运动机械运动(jxiyndng)(jxiyndng)及其控制及其控制精品资料1)1)改变电机改变电机(dinj)(dinj)转向转向L1L2L3QSU11V11W11FU2U12V12W12U13V13W13FRUVWPEM3KM1KM2FRSB3SB1SB20KM2KM2KM1KM1KM2KM1FU11234567精品资料 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(dinq)符号 2）限位开关）限位开关(kigun)换向

30、换向精品资料v3)3)介轮换介轮换(lnhun)(lnhun)向向v 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。 精品资料v4)4)摩擦轮换向摩擦轮换向v控制摩擦轮控制摩擦轮A A、vB B在轴上的滑动在轴上的滑动v位置，使得位置，使得(sh de)(sh de)与与C Cv交替接触，实现交替接触，实现vC C轮的正反转，轮的正反转，v完成螺旋完成螺旋D D的往复的往复v移动。移动。精品资料v5)5)自身自身(zshn)(zshn)换向机构换向机构利用机构本身的利用机构本身的结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构机构 精品资料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)改变电机改变电机(dinj)(dinj)转向来实现往复直转向来实现往复直线移动线移动 电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图大门往复移动。图b b为电动为电动(din dn(din dn) )感应推拉感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电机门示意图，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关的正反转和上下皮带的