机械创新设计-基础综述

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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 机械创新设计的基础适应 第一节 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 3）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 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） 原动机的选择：有电力供应处，优先考虑使用各类

2、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 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 从机构学的角

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

4、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 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）、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构 （2）、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构 （3）、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构 （4）、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构 （5）、连续转动到平面运动的变换与实现机构 （6）、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构 （

5、7）、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构 2、机构及其运动形态分析 10.绳索传动机构 11.液力传动机构 12.钢丝软轴传动机构 13.万向节传动机构等 1.齿轮传动机构 2.连杆机构 6.摩擦轮传动机构 8.带传动机构 9.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 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 例：惯性筛 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 液力传动机构 绳索传动机构 钢丝软轴传 动机构 摩擦轮传动机构 同步带传动机构 钢丝软轴 汽

6、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）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 槽轮机构 棘轮机构 不完全齿轮机构 分度凸轮机构 （3）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 摆动导杆机构 连杆机构 摆动从动件 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 凸轮机构 （4）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 齿轮齿条机构 螺旋机构 （5）连续转动到平面运动的变换与实现机构 行星齿轮机构行星轮 （6）直线移动到直线移动的运动变换与实现机构 双滑块机构 移动凸

7、轮机构 双滑块机构（椭圆仪） 双滑块机构 移动凸轮机构 （7）直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与 实现机构 曲柄滑块机构滑块主动 齿轮齿条机构齿条主动 滑块主动 齿条主动 专利： 往复齿轮发动机 将曲轴传动改成齿条 带动齿轮旋转运动 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， 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 般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作 ，可采用多缸来完成。 第四节 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

8、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： 机械的控制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

9、，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

10、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 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 四、机械系统类型 1、单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 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。 许多基本机构都有应用价值。 在简单机

11、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 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。 3、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 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。 此类机械在工程中应用最为广泛。 4、智能机械 智能机械也是近代产 生的体现高科技的机 械，其本质是把机械 运动、传感技术、测 试技术和现代控制技 术有机结合在一起， 形成的具有智能的新 机械。 智能机器人 第二节 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

12、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 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

13、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2-26

14、c 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 曲柄：圆盘销轴状、曲轴状、杆件状 图2-27 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： 块状类构件大都作移动，其结构与运动副的结构有关。 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 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