機(jī)械工程導(dǎo)論第三章

第三章機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)簡介3.1機(jī)械的基礎(chǔ)知識(shí)一、機(jī)械及其組成

1．機(jī)械的概念

1）機(jī)械首先必須是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置

2）機(jī)械必須進(jìn)行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機(jī)械功機(jī)械的分類：原動(dòng)機(jī)，工作機(jī)和信息機(jī)

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

柴油機(jī)、汽油機(jī)、蒸汽機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、原子能發(fā)動(dòng)機(jī)（熱能→機(jī)械能）

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

圓錐齒輪蝸輪蝸桿齒輪系機(jī)構(gòu)見圖3-8、3-9圖3-8齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-9齒輪系機(jī)構(gòu)圖3-10摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（6）瞬心線機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、周期性的、變速傳動(dòng)輸出

1）橢圓型瞬心線機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)：傳遞的力較小，主要應(yīng)用于儀器中傳遞運(yùn)動(dòng)。2）四葉卵型線輪傳動(dòng)圖3-4b瞬心線機(jī)構(gòu)可以靠摩擦傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，也可在瞬心線上制成輪齒圖3-11瞬心線機(jī)構(gòu)（7）間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-12步進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖（8）螺旋傳動(dòng)

圖3-13螺旋傳動(dòng)（9）帶傳動(dòng)（10）鏈傳動(dòng)

圖3-14帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（11）繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：不能傳遞較大的載荷，圖3-14圖3-15為繩索傳動(dòng)示意圖（12）液力傳動(dòng)，液力藕合器圖3-16a（13）鋼絲軟軸傳動(dòng)機(jī)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(dòng)示意圖（14）萬向聯(lián)軸器：空間連桿機(jī)構(gòu)，圖3-9單萬向聯(lián)軸器雙萬向聯(lián)軸器：等速傳動(dòng)

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

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

平行四邊形機(jī)構(gòu)（位移縮放機(jī)構(gòu)）3.2機(jī)、電、液機(jī)構(gòu)組合的運(yùn)動(dòng)及控制一、機(jī)、液機(jī)構(gòu)組合的運(yùn)動(dòng)形態(tài)液壓缸與連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組合1．機(jī)、液機(jī)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(jī)、液機(jī)構(gòu)組合的常見運(yùn)動(dòng)形式液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作、換向動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所以機(jī)、液一體化的機(jī)械正在迅速發(fā)展。（1）固定液壓缸式機(jī)構(gòu)（2）擺動(dòng)式液壓缸機(jī)構(gòu)圖3-24機(jī)、液機(jī)構(gòu)組合的基本型圖3-25單出桿固定缸機(jī)構(gòu)的直接應(yīng)用圖a)實(shí)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(jī)構(gòu)應(yīng)用舉例圖a)為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人升降工作示意圖圖b)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)圖b)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)圖3-27擺動(dòng)式液壓缸機(jī)構(gòu)示意圖圖a)控制機(jī)械臂俯仰圖b)飛機(jī)起落架（空間機(jī)構(gòu)）圖3-28液壓挖掘機(jī)圖3-30電磁機(jī)構(gòu)3．機(jī)、液機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)機(jī)、液機(jī)構(gòu)，一般，液壓元件動(dòng)力元件，控制元件控制方法：手動(dòng)、機(jī)動(dòng)和微機(jī)控制。（1）手動(dòng)控制：換向閥，流量閥（2）機(jī)動(dòng)控制：檔塊實(shí)現(xiàn)換向（3）微機(jī)控制：由于液壓閥心的動(dòng)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(dòng)作，給實(shí)施微機(jī)控制提供了很大的方便。圖3-29手動(dòng)換向閥二、電磁機(jī)構(gòu)：電磁機(jī)械運(yùn)動(dòng)（正）電磁機(jī)構(gòu)：開關(guān)機(jī)構(gòu)，電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)反電磁機(jī)構(gòu)：磁電式位移傳感器或速度傳感器三、機(jī)電組合機(jī)構(gòu)機(jī)、電一體，集自動(dòng)控制、智能、機(jī)械運(yùn)動(dòng)為一體的柔性機(jī)械系統(tǒng)典型代表：計(jì)算機(jī)外設(shè)（打印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖機(jī)……）微機(jī)→接口→輸出通道→電磁閥圖3-30微機(jī)控制框圖

圖3-31針式打印機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖圖3-32打印機(jī)控制原理圖圖3-33機(jī)械系統(tǒng)微機(jī)控制框圖

總之，機(jī)電機(jī)構(gòu)組合中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)由機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而機(jī)械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位置、位移、速度、加速度等）和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系是靠微機(jī)系統(tǒng)（微機(jī)、接口電路、各種電子元件組成的硬件及軟件）來實(shí)現(xiàn)的。

進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)電組合機(jī)械時(shí)，根據(jù)工藝動(dòng)作要求設(shè)計(jì)出機(jī)械系統(tǒng)，必須同時(shí)充分考慮到控制元件的選擇以及控制方法的確定。

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

限位開關(guān)：機(jī)械式，光電式，磁開關(guān)對(duì)液壓傳動(dòng)，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(dá)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(jī)械：曲柄搖桿，擺動(dòng)凸輪圖3-34三相交流異步電動(dòng)機(jī)的換向控制電路圖

圖3-35利用限位開關(guān)控制電機(jī)的換向的原理圖圖3-36介輪換向示意圖※介輪機(jī)構(gòu)介輪：兩個(gè)不互相接觸的傳動(dòng)齒輪中間只傳遞扭矩的齒輪，同時(shí)跟這兩個(gè)齒輪嚙合，用來改變被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使之與主動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)示例2．直線移動(dòng)的換向與控制（1）改變電機(jī)轉(zhuǎn)向來實(shí)現(xiàn)往復(fù)的直線移動(dòng)絲桿傳動(dòng)，電動(dòng)大門圖3-40直線電機(jī)（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(yùn)動(dòng)。軟件定時(shí)（3）自身換向機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)、直線凸輪機(jī)構(gòu)等二、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的調(diào)速與控制減速器，變速器（1）調(diào)速電機(jī)：目標(biāo)，低速大扭矩直流電機(jī)調(diào)速中小功率已商品化交流電機(jī)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(dòng)大門示意圖圖3-41液壓換向控制原理圖圖3-42工作臺(tái)換向示意圖圖3-43自身移動(dòng)換向機(jī)構(gòu)

（4）變速器：有級(jí)變速器：圖3-44

無級(jí)變速器：摩擦傳動(dòng)功率≤20KW

鏈?zhǔn)竭B桿脈動(dòng)

（3）其它減速裝置：帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)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(dòng)器。“+”號(hào)