机械设计学课件第四章机械产品的功能原理的实现2013

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1、1,第四章 机械功能原理的实现 机械运动系统的方案设计,2,机构能实现哪些动作功能？,第一节 机构能实现的动作功能,3,1) 匀速运动(平动、转动)与非匀速运动 (平动转动或摆动)的变换 2) 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,1运动形式或运动规律变换,4,1）用来实现运动离合或开停。 2）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 4) 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。,2实现开关、联锁和检测等,5,1)利用时间的序列进行控制,3.实现程序控制或手动控制,6,直列四缸发动机,V型六缸发动机,水平对置发动

2、机,利用时间的序列进行控制,7,2)利用动作的序列进行控制,电磁阀控制液压缸的顺序操作过程,8,3)利用运动的变化等进行控制,汽车发动机的离心调速器,利用速度变化进行控制的汽车发动机调速器 1-主动盘 2、3-齿轮 4-拉杆 5-供油量调节臂 6-调节弹簧 7-定轴 8-杠杆 9-平板 10-滑套 11-调速器轴,9,选择机构实现功能原理的原则和范围？,10,1实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能 各式各样的交直流变速电动机和直线电机 vs.鼠笼型异步电动机+变速机构 or 曲柄滑块机构、正弦机构,11,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

3、复杂轨迹，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、计算机绘图仪的绘图笔的动作等。,2实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能,12,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，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。,3在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能,13,4实现简单的固定程序或可变程序的控制,14,5. 具体情况，具体对待 由于超导的发现，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，采用机械式频道变换开关，已被遥控开关所取代。 电子技术的发展虽然能控制许多复杂

4、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。,15,LD50轮式液压钻车,16,特点：,工作腔和压油腔容积大,频率高，冲击能小,结构简单,17,液压马达旋转时， 配油阀就把压力 油周期性的交替 通入冲击活塞,冲击频率决定于配流装置的切换频率,18,19,20,21,第二节 传动机构和执行机构,22,传动机构,将原动机的运动和动力传给执行机构，以完成预期的功能。 齿轮机构 连杆机构 凸轮机构 螺旋机构 楔块机构 棘轮

5、机构 槽轮机构 摩擦轮机构 挠性件机构 弹性件机构 液气动机构 电器机构 及各种基本构件的组合机构,23,汽车变速器,运动速度或力的大小变换,啮合方式 摩擦方式 楔块原理 流体作用原理,24,运动形式或传力方式的变换,转动、平动、摆动,25,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,26,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。,直列四缸发动机,V型六缸发动机,水平对置发动机,27,1、实现特定运动规律 等速输出，瞬时或长时间停歇，有急回特性、周期性转

6、位和步进分度动作等。,28,2实现特定的运动轨迹,29,30,31,采用联动凸轮机构，通过两凸轮的联动作用，使抓片爪按矩形轨迹运动，从而达到间歇抓片的目的。,采用联动凸轮机构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运动，从而达到使圆珠笔芯步进式地向前送进的目的。,抓片机构,圆珠笔装配线,32,3实现某种特殊的信息传递 利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数器，家用洗衣机、电风扇等使用机械式定时器。还可以用机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆等功能。,差压计测液位,33,三、工作头 1什么是工作

7、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(例如：夹持、搬运、转位等)，或是在其上完成一定的工艺动作(例如喷涂、洗涤、锻压等)。,34,2、工作头的作用 (1)夹持： 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。机床要加工工件；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深入土中。 (2)搬运、输送及转换工位 (3)施力： 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的。

8、例如，材料的压力加工与实验，重物起吊与搬运等。,35,四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题,两种移动从动件机构的比较,1 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。,36,2使机构有有利的传力条件,37,3使机构有尽可能好的动力性能,38,4使机器操纵方便，调整容易，安全耐用 适当地加入一些开、停、离合、正反转、刹车、手动装置，可使操纵方便，调整容易；机器中加入过载保护装置，可预防机器的损坏等。,39,第三节 按机械动作功能原理要求做机械运动系统的方案设计,40,功能结构图,传动类型 or 执行类型,机械功能 or 非机械功能,41,挖掘机的结构,功能结构图？,机械

9、功能/ 非机械功能,传动类型 /执行类型,42,没有突出部件 没有管路,底盘,链轮 行星驱动,-涨紧调整 链条导向,43,工作装置组成,动臂,动臂缸,动臂缸销轴,铲斗缸,44,将一个基本机构装在另一个基本机构的输出构件上。,1）每一个基本机构都有一个动力源。 2）后一个基本机构的相对机架是前一个机构的输出构件。,45,46,47,卧式多工位冷墩机,6,48,卧式多工位冷墩机,49,冷镦机构的运动循环图,50,机械运动循环图,51,C1325自动车床刀架系统,自动换刀 轴向进给,功能分解, 让刀转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉, 转位转塔刀架每次转过60, 定位转位之前拔出保证加工精度的定位

10、销, 进、退刀不转时，精确实现预定的进退刀运动。,52,各子机构间无严格的运动协调配合关系,53,各子机构在动作的先后次序上有严格的要求,自动车床上三个并联凸轮的工作顺序有先后要求。,54,1) 选用现成的机构； 2）机构组合与创新； 3) 机械运动系统的协调设计。,55,56,功能原理的分解和机构的选择 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直线和圆弧组成的运动。 如直线运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等。 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柄机构等等。,57,1合理安排传

11、动机构的顺序 主运动链：电动机皮带传动齿轮传动钻头转动； 进给运动链：电动机皮带传动蜗扦传动凸轮机构工作台升降进给,三轴钻床中，传动机构的顺序,58,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(如凸轮机构)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。 皮带传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。为减小尺寸和重量，这些传动机构一般安装在靠近原动机的地方。 2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，通常把传动比最大的一级装在

12、转速最低的位置，因而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，从而获得较为紧凑的机构。,59,3、机构组合举例：工厂备料车间用的锯床,60,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； B)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，要求在工作行程的中间段具有近似的等速运动。,61,1)转动(或摆动)变成移动的机构有：曲柄(或摆杆)滑块机构、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 有：偏置曲柄滑块机构 、曲

13、柄摇杆机构、凸轮 机构、曲柄导杆机构等。,62,3）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，其余机构均需要相互配合才能完成。,63,3）工作行程具有近似等速段的机构,组合机构,那些机构可以实现？,凸轮机构,具有近似等速运动的机构构思 a)摇杆滑块机构 b)曲柄滑块机构 和a)串联用,64,除凸轮机构外，其它方案均由两个以上机构组合而成，如： 双曲柄机构偏置曲柄滑块机构、 双曲柄机构正弦机构、 椭圆齿轮正弦机构、 椭圆齿轮偏置曲柄滑块机构、 曲柄导杆机构摇杆滑块机构等近十种方案。,65,方案优选 “双曲柄机构偏心曲柄滑块机构”在工作行程的70%范围内有良好的等速运动

14、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，用在锯床中有点大材小用。但却广泛用于各种类型的牛头刨床中。,66,1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。 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。 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节,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,67,轨迹生成机构,轨迹控制机构,传动机构,送布牙的调节机构,输出,分配轴（输入）,手动调节（输入）,2 送布机构的功能分解 1）发

15、生矩形轨迹的子功能。 2）能控制矩形轨迹各段生成时，与引线机构相配合的控制子功能 3)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。,68,3实现子功能的机构选择 ()矩形轨迹生成机构,送布牙送料时的工作情况 1-压脚 2-缝料 3-送布牙 4-送布牙槽 4-针板,送布牙运动轨迹 a)理想轨迹 b)实际轨迹,四杆全移动副二自由度机构 1、2-主动件 3-从动件,四杆低幅机构,69,全铰链四杆及五杆机构,送布机构的演化,低副高代,位置调整,全铰链四杆机构,全铰链五杆机构,带有高副的四杆机构,其它？,70,(2)矩形轨迹生成的控制机构 1.凸轮机构 2.四连杆铰链机构

16、（无长时间停歇，只能得到近似的椭圆轨迹） 3.多杆铰链机构 （能得到精确的轨迹，但构件多，削弱了四杆机构的优点）,71,(3)传动机构,从分配轴到轨迹生成机构之间的传动,不用或用铰链四杆机构和它的变异机构,72,(4)送布量的调节机构 调节机构的任务是将摆杆BB的送布输出信息，改变成大小可调的送布多少的参数 。,四杆调节机构,控制送布量的凸轮机构 a)等宽凸轮 b)家用缝纫机的送布调节机构,73,4、机械运动系统的方案设计,机械运动的方案框图,74,机械运动机构示意图,高速缝纫机送布机构示意图,轨迹控制机构CDEF，手动调节E点的位置（调完后成为固定铰链），E点位于BC杆上时，B点不动，送布量为零。E点偏离BC杆越多，B点上下移动量越大。,轨迹发生机构未变,75,第四节 发挥机构固有潜力的方法 机构的创新设计 从机械运动系统方案设计中可知，功能原理的分解和按分解后的分功能选择设计机构是一个很重要的工