第三章機械創(chuàng)新設(shè)計簡介3.1機械的基礎(chǔ)知識一、機械及其組成

1．機械的概念

1）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置

2）機械必須進行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功機械的分類：原動機，工作機和信息機

2．機械的組成原動機，工作機（包括傳動裝置），控制裝置，見圖2—1、2—2、2—3原動機：三相交流異步電動機、單相交流異步電動機、直流電動機、步進電動機、（電能→機械能）

柴油機、汽油機、蒸汽機、燃?xì)廨啓C、原子能發(fā)動機（熱能→機械能）

水輪機、風(fēng)力機、潮汐發(fā)動機、地?zé)岚l(fā)動機、太陽能發(fā)動機（自然能→機械能）單相交流異步電動機在家用電器上廣泛應(yīng)用；直流電動機因其可以調(diào)速，易于實行自動控制，在機電一體化設(shè)備中廣泛應(yīng)用；工作機：指利用原動機提供的動力實現(xiàn)物料或信息的傳遞，克服外載而作有用機械功的機械。在要求分度或步進運動的場合，可用步進電動機。在遠(yuǎn)離電源或要求遠(yuǎn)距離移動的地方，內(nèi)燃機得到廣泛應(yīng)用；柴油機能提供的功率大于汽油機能提供的功率。水輪發(fā)電機二坐標(biāo)機床的工作臺3.2機構(gòu)運動形態(tài)分析①全轉(zhuǎn)動副四桿機構(gòu)的基本型②含有一個移動副四桿機構(gòu)的基本型見圖3-4③含有二個移動副四桿機構(gòu)的基本型（1）四桿機構(gòu)（2）齒輪機構(gòu)圓柱齒輪傳動機構(gòu)圓錐齒輪傳動機構(gòu)蝸桿傳動機構(gòu)行星齒輪傳動機構(gòu)見圖3-5（3）凸輪機構(gòu)的分類直動從動件平面凸輪機構(gòu)擺動從動件平面凸輪機構(gòu)直動從動件圓柱凸輪機構(gòu)擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)見圖3-6、3-7（4）齒輪的分類外嚙合齒輪內(nèi)嚙合齒輪

齒輪傳動

圓錐齒輪蝸輪蝸桿齒輪系機構(gòu)見圖3-8、3-9圖3-8齒輪傳動機構(gòu)圖3-9齒輪系機構(gòu)圖3-10摩擦輪傳動機構(gòu)（6）瞬心線機構(gòu)：實現(xiàn)連續(xù)的、周期性的、變速傳動輸出

1）橢圓型瞬心線機構(gòu)圖3-11a

平行軸圓柱摩擦輪類型圓錐摩擦輪圖3-10

垂直軸圓柱摩擦輪為輪1的轉(zhuǎn)角，e為橢圓的偏心率（5）摩擦輪傳動機構(gòu)：傳遞的力較小，主要應(yīng)用于儀器中傳遞運動。2）四葉卵型線輪傳動圖3-4b瞬心線機構(gòu)可以靠摩擦傳遞運動和動力，也可在瞬心線上制成輪齒圖3-11瞬心線機構(gòu)（7）間歇運動機構(gòu)圖3-12步進機構(gòu)示意圖（8）螺旋傳動

圖3-13螺旋傳動（9）帶傳動（10）鏈傳動

圖3-14帶傳動、鏈傳動機構(gòu)（11）繩索傳動機構(gòu)：不能傳遞較大的載荷，圖3-14圖3-15為繩索傳動示意圖（12）液力傳動，液力藕合器圖3-16a（13）鋼絲軟軸傳動機構(gòu)圖3-16b圖3-16液力藕合器與鋼絲軟軸示意圖圖3-17液壓傳動示意圖（14）萬向聯(lián)軸器：空間連桿機構(gòu)，圖3-9單萬向聯(lián)軸器雙萬向聯(lián)軸器：等速傳動

變速傳動圖3-18萬向聯(lián)軸器示意圖二、機構(gòu)及其功能一、連續(xù)轉(zhuǎn)動到連續(xù)轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)1.齒輪傳動機構(gòu)2.摩擦輪傳動3.瞬心線機構(gòu)4.帶傳動5.鏈傳動6.繩索傳動7.雙曲柄機構(gòu)二、連續(xù)轉(zhuǎn)動到步進轉(zhuǎn)動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)1．棘輪機構(gòu)2．槽輪機構(gòu)3．不完全齒輪機構(gòu)4．分度凸輪機構(gòu)三、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復(fù)擺動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄搖塊機構(gòu)，擺動導(dǎo)桿機構(gòu)擺動從動件凸輪機構(gòu)四、連續(xù)轉(zhuǎn)動到往復(fù)直線移動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)、正弦機構(gòu)、直動從動件凸輪機構(gòu)、帶或鏈傳動機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)及一些組合機構(gòu)、摩擦滾輪送料機構(gòu)五、直線移動轉(zhuǎn)換為直線移動的運動變換與實現(xiàn)液壓機構(gòu)，斜面機構(gòu)，具有二個移動副的連桿機構(gòu)移動凸輪機構(gòu)，直線電機，彈簧機構(gòu)圖3-19直線移動轉(zhuǎn)換為直線移動的變換機構(gòu)六、直線移動轉(zhuǎn)換為定軸轉(zhuǎn)動或往復(fù)擺動的運動變換與實現(xiàn)機構(gòu)曲柄滑塊，齒輪齒條，擺臂移動凸輪，螺旋組合機構(gòu)圖3-20直動到擺動的運動變換機構(gòu)

2．機構(gòu)的組合：把一些基本機構(gòu)通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來，從而組成一個機構(gòu)系統(tǒng)，稱之為機構(gòu)的組合。在機構(gòu)的組合系統(tǒng)中，各基本機構(gòu)都保持原來的結(jié)構(gòu)和運動特性，都有自己的獨立性。圖3-21機構(gòu)的組合系統(tǒng)故機構(gòu)的分析和設(shè)計方法仍然適合機構(gòu)組合系統(tǒng)中的各機構(gòu)。串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)3．組合機構(gòu)組合機構(gòu)與機構(gòu)的組合有本質(zhì)不同。組合機構(gòu)是指若干基本機構(gòu)，通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構(gòu)。組合機構(gòu)中的各基本機構(gòu)已不能保持各自的獨立性，也不能用原基本機構(gòu)的分析和設(shè)計方法進行組合機構(gòu)的設(shè)計。圖3-22并聯(lián)機構(gòu)組合系統(tǒng)例：圖3-23圖3-23組合機構(gòu)示意圖實現(xiàn)特殊功能

平行四邊形機構(gòu)（位移縮放機構(gòu)）3.2機、電、液機構(gòu)組合的運動及控制一、機、液機構(gòu)組合的運動形態(tài)液壓缸與連桿機構(gòu)系統(tǒng)的組合1．機、液機構(gòu)組合的基本型a.單出桿固定缸；b.雙出桿固定缸；c.擺缸2．機、液機構(gòu)組合的常見運動形式液壓傳動容易實現(xiàn)順序動作、換向動作、速度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)和壓力保持等多種復(fù)雜的要求，且易于實現(xiàn)自動控制所以機、液一體化的機械正在迅速發(fā)展。（1）固定液壓缸式機構(gòu)（2）擺動式液壓缸機構(gòu)圖3-24機、液機構(gòu)組合的基本型圖3-25單出桿固定缸機構(gòu)的直接應(yīng)用圖a)實現(xiàn)夾緊工作的原理圖圖b)送料工作原理圖圖3-26固定缸式機構(gòu)應(yīng)用舉例圖a)為驅(qū)動機器人升降工作示意圖圖b)機械手夾持機構(gòu)圖b)機械手夾持機構(gòu)圖3-27擺動式液壓缸機構(gòu)示意圖圖a)控制機械臂俯仰圖b)飛機起落架（空間機構(gòu)）圖3-28液壓挖掘機圖3-30電磁機構(gòu)3．機、液機構(gòu)的控制系統(tǒng)機、液機構(gòu)，一般，液壓元件動力元件，控制元件控制方法：手動、機動和微機控制。（1）手動控制：換向閥，流量閥（2）機動控制：檔塊實現(xiàn)換向（3）微機控制：由于液壓閥心的動作可由電磁力來完成，以通電與斷電的方式來控制閥心的動作，給實施微機控制提供了很大的方便。圖3-29手動換向閥二、電磁機構(gòu)：電磁機械運動（正）電磁機構(gòu)：開關(guān)機構(gòu)，電磁振動機構(gòu)反電磁機構(gòu)：磁電式位移傳感器或速度傳感器三、機電組合機構(gòu)機、電一體，集自動控制、智能、機械運動為一體的柔性機械系統(tǒng)典型代表：計算機外設(shè)（打印機、傳真機、繪圖機……）微機→接口→輸出通道→電磁閥圖3-30微機控制框圖

圖3-31針式打印機機構(gòu)示意圖圖3-32打印機控制原理圖圖3-33機械系統(tǒng)微機控制框圖

總之，機電機構(gòu)組合中的運動形態(tài)由機構(gòu)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而機械的運動參數(shù)（位置、位移、速度、加速度等）和各執(zhí)行機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)關(guān)系是靠微機系統(tǒng)（微機、接口電路、各種電子元件組成的硬件及軟件）來實現(xiàn)的。

進行創(chuàng)新設(shè)計機電組合機械時，根據(jù)工藝動作要求設(shè)計出機械系統(tǒng)，必須同時充分考慮到控制元件的選擇以及控制方法的確定。

機械系統(tǒng)、微機系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)要作為一體來考慮，力求機械系統(tǒng)的簡化，更好地發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，以降低機器的成本。第三節(jié)機械運動與控制一、機械運動的換向與控制1．旋轉(zhuǎn)運動的換向與控制（正、反轉(zhuǎn)控制）（1）改變電機轉(zhuǎn)向（2）限位開關(guān)換向

限位開關(guān)：機械式，光電式，磁開關(guān)對液壓傳動，通過限位開關(guān)控制電磁換向閥線圈的通電與斷電，改變液流的方向而達到旋轉(zhuǎn)油缸換向的目的。（3）介輪換向（4）棘輪換向改變棘爪的棘齒方向（5）摩擦輪換向（6）自身換向機械：曲柄搖桿，擺動凸輪圖3-34三相交流異步電動機的換向控制電路圖

圖3-35利用限位開關(guān)控制電機的換向的原理圖圖3-36介輪換向示意圖※介輪機構(gòu)介輪：兩個不互相接觸的傳動齒輪中間只傳遞扭矩的齒輪，同時跟這兩個齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)動方向，使之與主動輪相同。由于它的作用只是傳遞扭矩和改變轉(zhuǎn)向并不能改變傳動比，因此稱之為惰輪（介輪）。圖3-37棘輪換向示意圖

圖3-38摩擦輪換向

圖3-39自身換向機構(gòu)示例2．直線移動的換向與控制（1）改變電機轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)往復(fù)的直線移動絲桿傳動，電動大門圖3-40直線電機（2）液壓換向：控制換向閥圖3-41改變液流方向?qū)崿F(xiàn)油缸的往復(fù)運動。軟件定時（3）自身換向機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)、正弦機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu)、直線凸輪機構(gòu)等二、機械運動的調(diào)速與控制減速器，變速器（1）調(diào)速電機：目標(biāo)，低速大扭矩直流電機調(diào)速中小功率已商品化交流電機調(diào)速（2）齒輪減速器普通齒輪減速器、行星齒輪減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器圖3-40電動大門示意圖圖3-41液壓換向控制原理圖圖3-42工作臺換向示意圖圖3-43自身移動換向機構(gòu)

（4）變速器：有級變速器：圖3-44

無級變速器：摩擦傳動功率≤20KW

鏈?zhǔn)竭B桿脈動

（3）其它減速裝置：帶傳動、鏈傳動、摩擦傳動go圖3-44減速器示意圖圖3-45齒輪變速器簡圖表中L為離合器，Z為制動器?！?”號