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1、机 械 原 理 哈尔滨工业大学 2004年 3月 Index 第八章 机械的运动方案及机构的创新设计 机械的运动方案及机构的创新设计 目 录 8-1 概述 Index Up First 机器的定义 超精密机床、机器人、平行关节机器人、高精密电子封装设备（香港 ASM）、 汽车、飞机、轮船、涡轮压缩机 机构与机器的统称 机器的设计有四个方面 机器在生产中的重要作用 机器运动方案设计 8-2 机械运动方案的设计的基本要求 Index Up First 一、运动方案设计的必备知识 充分了解并掌握各种常用机构的基本知识 必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求 必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围
2、环境的信息 充分重视其它学科的技术应用 Index Up First 二、运动方案设计的主要步骤 工艺参数的给定及运动参数的确定 执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制 动力源及减速器的选择 机构的选择及创新性设计 方案的比较与决策 8-3 原动机及减速器的基本知识及其选择 Index Up First 一、原动机的选定 电动机及其类型 异步电动机 直流电动机 伺服电动机 步进电动机 液压、气压传动动力源 液压缸 摆动液压缸 气动动力源 二、减速器（变速）系统 减速器传动类型简介 减速器与电机的选配 三、基本检测元件 角度编码器 直流编码器 8-4 机械运动方案设计 Index Up Fi
3、rst 传动机构的类型及功用 几种常用传动机构的基本特性 基本机构的组合 机构运动协调及运动循环图 运动方案设计应注意问题 运动方案设计实例 第八章 机械的运动方案及机构的创新设计 8-1 概述 Index Up First 机械在生产和生活中是必不可少的，它可以代替人们的劳动或延伸人们的劳动能力或完成一定的运动功能。 各种机床、锻压机械、纺织机械、食品机械、注塑机、吊车乃至机器人均可称之机器。 超精密加工机床 加工精度一般在 0.10.01m Index Up First 机器人 弧焊机器人 点焊机器人 Index Up First 平行关节机器人 双臂协调机器人 Index Up Firs
4、t 高精密电子封装设备 Index Up First Index Up First 涡轮压缩机 Index Up First 以上这些机器都是当今高科技的产物，它涉及到材料、制造、工艺等各个领域。 机器中那些用来传递运动的部分称之为 机构。 机构与机器的统称为机械。 Index Up First 为了组织现代化生产和产品的开发，各种生产组织方式相继出现，一些基于网络的制造生产方式已在世界各国出现，一些动态式联盟企业也已经产生。网络化产品制造已经普遍采用。 例如哈工大校友张曙教授提出的独立制造岛概念，在全世界产生了一定影响。 机器在生产中重要作用 Index Up First 张曙教授提出一种制
5、造组织形式 独立制造岛 独立制造岛的构思 Index Up First 独立制造岛的组成和特征 Index Up First 同一种机器在不同的生产线中它所起的作用可以是不同的。 无论何种生产方式，机器在生产过程中永远是一个最基本的制造单元。 机械运动方案设计必须根据生产方式和机器的基本功用进行设计。 Index Up First 第一、 确定其所要完成的工作任务； 第二、 根据机器的工作要求，对需要采取的工艺方法或工作原理进行分析； 第三、 运动方案设计； 第四、 施工图设计 对于一部机器的设计，一般应遵循以下步骤： 机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节。 所谓运动方案的设计，即
6、是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思，经过参数计算与选择用机构运动简图表示出来。 Index Up First 一、运动方案设计的必备知识 充分了解并掌握各种常用机构的基本知识 如齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等等。这些机构在前面已有专门论述，此外还应该了解间歇运动机构，如槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等，它在机械设计中也有着广泛的运用。 必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求 动力源一般形式有电驱动、汽动、液压驱动三种主要形式。 Index Up First 8-2 机械运动方案设计的基本要求 必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息
7、如车间动力源情况，是否有防爆要求，设备周围的振源等等。 充分重视其他学科的技术应用 机电一体化技术，新型材料，新工艺，现代控制技术等。 Index Up First 二、运动方案设计的主要步骤 工艺参数的给定及运动参数的确定 工艺参数是一部机器进行方案设计和机构设计的原始依据。工艺路线也取决于设备，不同的工装设备会产生不同的工艺路线，两者相辅相成。 执行构件间运动关系的确定及运动循环的绘制 一部机器的工作任务是由多个执行构件共同完成的。各执行构件间必然有一定的协同动作关系，确定这种关系的一种直接方法就是 运动循环图法 。 Index Up First 动力源及减速器（变速）的选择 动力源的选择
8、是一个非常重要的问题，必须熟悉各种动力源的特性及适应环境。减速器（变速）类型多种多样，动力源和减速器的配合不仅涉及到机械性能，而且还和经济性有很大关系。 机构的选择及创新性设计 执行机构是方案设计的关键，创新是其基础。 方案的比较与决策 方案的评价是一个很困难的事情，运动精度、结构强度、系统可靠性、稳定性等要全面考虑。 Index Up First 一部机器主要由四大部分组成： Index Up First 8-3 原动机及减速器的基本知识及其选择 一、原动机的选定 原动机、传动机构、执行机构和控制系统。组成机器的四大部分必须选择和设计得当，才能保证整部机器的性能优良。 1. 电动机及其类型
9、在电动机中有异步电动机、伺服电动机和步进电动机三大类。 异步电动机 转速（ r/min）： 3000、 1500、 1000、 750 额定功率（ kW）： 0.75、 1.1、 1.5、 2.2、 3.0、 4.0、5.5、 7.5、 11、 18.5、 22、 30、 37、45、 55、 75、 90、 110、 132、 160、200 效率（ %）： 0.750.95 n O M 交流异步电动机的机械特性曲线如图所示，它适应于启动时大扭距、低转速的要求。 Index Up First Index Up First 直流电动机 直流电动机可用作电动机或发电机，还有其它特殊用途。 它具有
10、下列特点： （ 1）优良的调速特性。 调速平滑、方便、范围广，转速比可达 1： 200； （ 2）过载能力大。 轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额定转矩的 2.5倍及以上，特殊要求的可以达到 10倍，并能在低速下连续输出较大转矩。 （ 3）能承受频繁的冲击性负载。 Index Up First M n 直流电机额定电压（ V）： 24、 60、 110、 220、 330、 440、550、 560 效率（ %）： 6194 转速（ r/min） ： 4003000 （ 4） 可实现频繁的无级快速起动、制动和反转。 （ 5）能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求。 （ 6）缺点是直流电动
11、机结构复杂，制造成本高，维护工作量大。 Index Up First 连续工作区 断续工作区 n O M 在精密的机械设备中，如数控机床、机器人等均采用伺服电动机作为原动机，伺服电动机的机械特性曲线如图所示。其最大的优点为：在非连续工作区可以给出大的扭矩。 伺服电动机的反馈环节是光电码盘来实现的。主要控制方式有位置反馈和速度反馈两种形式。 伺服电机 Index Up First 伺 服 电 机 伺服电动机有直流伺服和交流伺服两种电动机。它的主要特点是无刷驱动，它的驱动是由一个专门的驱动器来完成，驱动器可以与其它控制器相联接（公控机或 PLC等 ）。 交流伺服技术近几年得到快速发展，它将成为今后
12、伺服电机的主流产品。 Index Up First 步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速 ， 它主要用在精度不高 ， 工作阻力不大的开环控制中 。 步进电机有三相和五相输入形式 ， 输入频率一般小于 10K， 步距角一般有 0.75度 ， 一般运用转速较低 。 步进电机 Index Up First 电机的种类很多 ， 有些电动机直接电动装置 ， 可直接选用 。 电机的选择对整个机械方案选择是最为重要的 ，对设备的性能有十分重要影响 ， 必须充分重视 。 矩频特性曲线 Index Up First Index Up First 2. 液压动力源 液压缸是实现直线运动的基本动力原件。
13、直线运动液压缸的类型有：单作用液压缸、双作用液压缸、组合式液压缸。 摆动液压缸有：单片式、双片式等形式。 液压缸气缸缸筒内径尺寸系列 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 320 400 500 630 液压缸长度系列： 254000 大于 4000时，按 R10系数选用。 3. 气动动力源 气动系统已成为实用的工业设备，未来的发展前途更是无可限量，作为动力源气缸是最常用的气动原件。气动和液动的区别：液压系统输入功率大，在环境污染和泄露严重，气压系统无污染，动作快，但承受的载荷较小。 气缸种类极其繁多，不一一介绍。下图为 SMC公司的一种无杆气缸原件，这种气缸占据空间小，请分析其结构原理。 Index Up First 保证耐压力：1.2MPa12.2kgf/cm2 最高使用压力：0.8MPa8.2kgf/cm2 最低使用压力：0.1MPa1.0kgf/cm2 环境和流体温度： 560 活塞速度： 1001500mm/s 请注意，这是一种新型的机械接触式无杆气缸。 缸径（ mm）： 25、 32、 40 流体： 空气 动作型式： 双动 Index Up First
