机械工程导论第三章

第三章机械创新设计简介3.1机械的基础知识一、机械及其组成

1．机械的概念

1）机械首先必须是执行机械运动的装置

2）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机械的分类：原动机，工作机和信息机

2．机械的组成原动机，工作机（包括传动装置），控制装置，见图2—1、2—2、2—3原动机：三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、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、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）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。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。水轮发电机二坐标机床的工作台3.2机构运动形态分析①全转动副四杆机构的基本型②含有一个移动副四杆机构的基本型见图3-4③含有二个移动副四杆机构的基本型（1）四杆机构（2）齿轮机构圆柱齿轮传动机构圆锥齿轮传动机构蜗杆传动机构行星齿轮传动机构见图3-5（3）凸轮机构的分类直动从动件平面凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构直动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构见图3-6、3-7（4）齿轮的分类外啮合齿轮内啮合齿轮

齿轮传动

圆锥齿轮蜗轮蜗杆齿轮系机构见图3-8、3-9图3-8齿轮传动机构图3-9齿轮系机构图3-10摩擦轮传动机构（6）瞬心线机构：实现连续的、周期性的、变速传动输出

1）椭圆型瞬心线机构图3-11a

平行轴圆柱摩擦轮类型圆锥摩擦轮图3-10

垂直轴圆柱摩擦轮为轮1的转角，e为椭圆的偏心率（5）摩擦轮传动机构：传递的力较小，主要应用于仪器中传递运动。2）四叶卵型线轮传动图3-4b瞬心线机构可以靠摩擦传递运动和动力，也可在瞬心线上制成轮齿图3-11瞬心线机构（7）间歇运动机构图3-12步进机构示意图（8）螺旋传动

图3-13螺旋传动（9）带传动（10）链传动

图3-14带传动、链传动机构（11）绳索传动机构：不能传递较大的载荷，图3-14图3-15为绳索传动示意图（12）液力传动，液力藕合器图3-16a（13）钢丝软轴传动机构图3-16b图3-16液力藕合器与钢丝软轴示意图图3-17液压传动示意图（14）万向联轴器：空间连杆机构，图3-9单万向联轴器双万向联轴器：等速传动

变速传动图3-18万向联轴器示意图二、机构及其功能一、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构1.齿轮传动机构2.摩擦轮传动3.瞬心线机构4.带传动5.链传动6.绳索传动7.双曲柄机构二、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构1．棘轮机构2．槽轮机构3．不完全齿轮机构4．分度凸轮机构三、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，曲柄摇块机构，摆动导杆机构摆动从动件凸轮机构四、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构曲柄滑块机构、正弦机构、直动从动件凸轮机构、带或链传动机构、齿轮齿条机构、螺旋传动机构及一些组合机构、摩擦滚轮送料机构五、直线移动转换为直线移动的运动变换与实现液压机构，斜面机构，具有二个移动副的连杆机构移动凸轮机构，直线电机，弹簧机构图3-19直线移动转换为直线移动的变换机构六、直线移动转换为定轴转动或往复摆动的运动变换与实现机构曲柄滑块，齿轮齿条，摆臂移动凸轮，螺旋组合机构图3-20直动到摆动的运动变换机构

2．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。图3-21机构的组合系统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3．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。图3-22并联机构组合系统例：图3-23图3-23组合机构示意图实现特殊功能

平行四边形机构（位移缩放机构）3.2机、电、液机构组合的运动及控制一、机、液机构组合的运动形态液压缸与连杆机构系统的组合1．机、液机构组合的基本型a.单出杆固定缸；b.双出杆固定缸；c.摆缸2．机、液机构组合的常见运动形式液压传动容易实现顺序动作、换向动作、速度调节、压力调节和压力保持等多种复杂的要求，且易于实现自动控制所以机、液一体化的机械正在迅速发展。（1）固定液压缸式机构（2）摆动式液压缸机构图3-24机、液机构组合的基本型图3-25单出杆固定缸机构的直接应用图a)实现夹紧工作的原理图图b)送料工作原理图图3-26固定缸式机构应用举例图a)为驱动机器人升降工作示意图图b)机械手夹持机构图b)机械手夹持机构图3-27摆动式液压缸机构示意图图a)控制机械臂俯仰图b)飞机起落架（空间机构）图3-28液压挖掘机图3-30电磁机构3．机、液机构的控制系统机、液机构，一般，液压元件动力元件，控制元件控制方法：手动、机动和微机控制。（1）手动控制：换向阀，流量阀（2）机动控制：档块实现换向（3）微机控制：由于液压阀心的动作可由电磁力来完成，以通电与断电的方式来控制阀心的动作，给实施微机控制提供了很大的方便。图3-29手动换向阀二、电磁机构：电磁机械运动（正）电磁机构：开关机构，电磁振动机构反电磁机构：磁电式位移传感器或速度传感器三、机电组合机构机、电一体，集自动控制、智能、机械运动为一体的柔性机械系统典型代表：计算机外设（打印机、传真机、绘图机……）微机→接口→输出通道→电磁阀图3-30微机控制框图

图3-31针式打印机机构示意图图3-32打印机控制原理图图3-33机械系统微机控制框图

总之，机电机构组合中的运动形态由机构的结构来实现，而机械的运动参数（位置、位移、速度、加速度等）和各执行机构的运动协调关系是靠微机系统（微机、接口电路、各种电子元件组成的硬件及软件）来实现的。

进行创新设计机电组合机械时，根据工艺动作要求设计出机械系统，必须同时充分考虑到控制元件的选择以及控制方法的确定。

机械系统、微机系统以及传感系统要作为一体来考虑，力求机械系统的简化，更好地发挥软件的优势，以降低机器的成本。第三节机械运动与控制一、机械运动的换向与控制1．旋转运动的换向与控制（正、反转控制）（1）改变电机转向（2）限位开关换向

限位开关：机械式，光电式，磁开关对液压传动，通过限位开关控制电磁换向阀线圈的通电与断电，改变液流的方向而达到旋转油缸换向的目的。（3）介轮换向（4）棘轮换向改变棘爪的棘齿方向（5）摩擦轮换向（6）自身换向机械：曲柄摇杆，摆动凸轮图3-34三相交流异步电动机的换向控制电路图

图3-35利用限位开关控制电机的换向的原理图图3-36介轮换向示意图※介轮机构介轮：两个不互相接触的传动齿轮中间只传递扭矩的齿轮，同时跟这两个齿轮啮合，用来改变被动齿轮的转动方向，使之与主动轮相同。由于它的作用只是传递扭矩和改变转向并不能改变传动比，因此称之为惰轮（介轮）。图3-37棘轮换向示意图

图3-38摩擦轮换向

图3-39自身换向机构示例2．直线移动的换向与控制（1）改变电机转向来实现往复的直线移动丝杆传动，电动大门图3-40直线电机（2）液压换向：控制换向阀图3-41改变液流方向实现油缸的往复运动。软件定时（3）自身换向机构曲柄滑块机构、正弦机构、双滑块机构、直线凸轮机构等二、机械运动的调速与控制减速器，变速器（1）调速电机：目标，低速大扭矩直流电机调速中小功率已商品化交流电机调速（2）齿轮减速器普通齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器图3-40电动大门示意图图3-41液压换向控制原理图图3-42工作台换向示意图图3-43自身移动换向机构

（4）变速器：有级变速器：图3-44

无级变速器：摩擦传动功率≤20KW

链式连杆脉动

（3）其它减速装置：带传动、链传动、摩擦传动go图3-44减速器示意图图3-45齿轮变速器简图表中L为离合器，Z为制动器。“+”号