第四章华侨大学机械产品的功能原理的实现.ppt

1 第四章机械产品的功能原理的实现 机械运动系统的方案设计 第一节机构能实现的动作功能一 机构能实现哪些动作功能机械产品的动作功能要通过一系列的机构和电气电子装置去具体实现 机构一般能实现下列各种动作功能 1 利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动 而机构的输出运动是多种多样的 利用机构可以进行构件运动形式的变换 例如 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 2 3 滚子对心移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转 带动从动件往复移动 滚子接触 摩擦阻力小 不易摩擦 承载能力较大 但运动规律有局限性 滚子轴处有间隙 不宜高速 4 平底移动从动件盘形凸轮机构 机构中凸轮匀速旋转 带动从动件往复移动 压力角始终为零度 传力特性好 结构紧凑 润滑性能好 摩擦阻力较小 适用于高速 但凸轮轮廓不允许呈下凹 因此实现准确的运动规律受到限制 5 曲柄AB为原动件作匀速转动 当它由AB1转到AB2位置时 转角 1 180 摇杆由右极限位置C1D摆到左极限位置C2D摆角为 当曲柄从AB2转到AB1时 转角 2 180 摇杆由位置C2D返回C1D 其摆角仍为 因为 1 2 对应时间t1 t2 因此摇杆从C2D转到C1D较快 即具有急回特性 其中 为摇杆处于两极限位置时曲柄两个位置之间所夹的锐角 称为极位夹角 曲柄摇杆机构 6 双曲柄机构 当曲柄AB为原动件作匀速回转时 曲柄CD跟随作周期性的匀速圆周回转 当曲柄从位置AB1转过 1角到位置AB2时 从动件CD转过180 当曲柄从位置AB2转过 2角到位置AB1时 从动件CD转过180 因为 1 2 即t1 t2 从动曲柄的角速度不是常数 而是作变角速度回转 7 平行双曲柄机构 当机构处于AB1C1D和AB2C2D时 机构的传动角 0 即为死点位置 若在此位置由于偶然外力的影响 则可能使曲柄转向不定 出现误动作 当原动件曲柄作匀速回转 从动曲柄也以相同角速度匀速同向回转 连杆作平移运动 8 搅拌机 该机构是一曲柄摇杆机构的应用实例 利用连杆上E点的轨迹来进行搅拌 9 对心曲柄滑块机构 因导路的中线通过曲柄的回转中心而得名 该机构能把回转运动转换为往复直线运动或作相反的转变 广泛应用于蒸汽机 内燃机 空压机以及各种冲压机器中 10 偏置曲柄滑块机构 因导路的中线不通过曲柄的回转中心而得名 偏心距为e c1 c2为滑块的两极限位置 角为极位夹角 该机构具有急回特性 11 定块机构 该机构是通过将曲柄滑块机构中的滑块固定而演化得出 它可把主动件的回转或摆动转化为导杆相对于滑块的往复移动 12 牛头刨主机构 这是一个六杆机构 曲柄整周匀速转动 带动刨刀往复移动 该机构利用摆动导杆机构的急回特性使刨刀快速退回 以提高工作效率 13 正弦机构 该机构是具有2个移动副的四杆机构 因从动件的位移与原动曲柄的转角的正弦成正比而得名 常用于缝纫机下针机构和其他计算装置中 14 双滑块机构 该机构由曲柄滑块机构和摇杆滑块机构组成 曲柄绕A点匀速整周旋转 带动两滑块往复移动 15 椭圆规 动杆联接两回转副 固定导杆联接两移动副 导杆呈十字形 动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆 16 棘轮机构 在棘轮机构中 一般情况下棘爪是原动件 当工作的棘爪连续摆动时 棘轮作间歇转动 当棘轮停歇时 止动棘爪可防止其逆转 只要棘轮的齿数Z足够多 则每次间歇转动的角度就可以很小 而且可根据工作要求调节棘轮转角的大小 17 单圆销外啮合槽轮机构 槽轮机构以拨盘为主动件 当拨盘匀速连续回转时 槽轮作间歇转动 当槽轮停歇时 靠槽轮和拨盘上的锁止弧定位 由于槽轮每次转过的角度取决于槽数Z 而槽轮的槽数又不能过多 所以槽轮机构只能用于转角较大的间歇传动 18 非完整齿轮机构 非完整齿轮机构是由齿轮机构演化而来的 主动齿轮上只制出一个或几个轮齿 当主动齿轮匀速连续回转时 使从动齿轮作间歇运动 19 2 利用机构实现开关 联锁和检测等动作功能开关 联锁和检测是自动机中的重要内容 检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序 以自动校正与规定标准间的差异 控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作 例如 1 用来实现运动离合或开停 2 用来换向 超越和反向制动 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 20 举例1制动机构 制动装置的基本要求是 工作可靠 操作方便 制动平稳且时间短 结构简单 尺寸小 重量轻 磨损小 散热性好 用电动机起停和换向时 常采用反接法制动 它具有操作方便 制动时间短等优点 但 反接时的制动电流大 传动系统受的惯性冲击力也较大 故它只适用于制动不频繁 传动系统惯性较小或电动机功率较小的系统 用离合器进行起停或换向时 必须在传动链中安装制动装置 制动器和离合器的操纵机构必须互锁 当离合器脱开时 制动器应制动 接通离合器前 制动器必须可靠地放松 以免损坏传动件或造成过大的功率损失 21 安全联轴器离合器1 安全联轴器及安全离合器 作用 当工作转矩超过机器允许的极限转矩时 联接件将发生折断 脱开或打滑 从而使从动轴自动停止转动 以保护机器中的重要零件不致损坏 剪切销安全联轴器 区分 安全联轴器 断开联接后不能自动恢复工作能力 用于很少过载处 安全离合器 断开联接后能够自动恢复工作能力 用于经常过载处 双剪式 销钉装在经过淬火的钢套内 过载时即被剪断 单剪式 22 安全联轴器离合器2 滚珠安全离合器 安全联轴器及安全离合器 主动齿轮传来的转矩通过滚珠 从动盘 外套筒而传给从动轴 当转矩超过许用值时 弹簧被过大的轴向分力压缩 使从动盘向右移动 原来交错压紧的滚珠因被放松而相互滑动 此时主动齿轮空转 从动轴即停止转动 当载荷恢复正常时 又可重新传递转矩 弹簧压力的大小可用螺母来调节 23 特殊1 特殊功用及特殊结构的联轴器及离合器 定向离合器 超越离合器 当爪轮为主动轮并作顺时针回转时 滚柱将被摩擦力转动而滚向空隙的收缩部分 并楔紧在爪轮和套筒间 使套筒随爪轮一同回转 离合器即进入接合状态 当爪轮反向回转时 滚柱即被滚到空隙的宽敞部分 这时离合器即处于分离状态 因而定向离合器只能传递单方向的转矩 可在机械中用来防止逆转及完成单向传动 24 特殊2 离心离合器 如图所示为开式离心离合器的工作原理图 在两个拉伸螺旋弹簧的弹力作用下 主动部分的一对闸块与从动部分的鼓轮脱开 当转速达到某一数值后 离心力增加到能克服弹簧拉力时 便使闸块绕其支点向外摆动与从动鼓轮压紧 离合器即进入接合状态 当接合面上产生的摩擦力矩足够大时 主 从动轴即一起转动 特殊功用及特殊结构的联轴器及离合器 25 3 利用机构实现程序控制或手动控制的功能程序控制或手动控制是自动机械中不可缺少的一部分 控制的方法很多 用机构来控制的方法就有 1 利用时间的序列进行控制例如图4 1是一种凸轮程序装置 它由一系列的微动开关和凸轮组成 凸轮轴由同步电动机驱动 凸轮旋转一周 对应着工件的整个加工循环 26 凸轮程序装置如八音盒 工作原理 由滚筒和簧片两部分组成 滚筒上带有很多小凸起 相当于一个凸轮 小凸起位置不同 能演奏的乐曲也就不同 所以滚筒相当于是乐谱 簧片相当于琴键 是在一块大的钢板上切割为长短不一的细条做成的 发条带动滚筒转动 当凸起经过簧片时会拨动簧片 先将其慢慢抬起 然后突然放下 使簧片震动发出声音 也就形成了乐曲 1 利用时间的序列进行控制 缺点 这种装置一旦做好 程序就不能再有丝毫的变化 如将凸轮改成带有T型槽的鼓轮 在T型槽中装上触点撞块 撞块就相当于凸轮上的小凸起 但触点撞块在T型槽中的位置是可以调整的 所以可以根据实际需要调整后适应新的要求 但无论凸轮还是鼓轮 其控制效果仍远不及计算机数字程控技术方便 27 2 利用动作的序列进行控制 最典型的就是液压系统 通过各种液压阀 电磁阀等组成液压回路 以达到控制液压缸等的控制目的 特别适合于顺序动作的位置 动作循环经常改变的场合 例如图4 2是一种利用电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程 28 3 利用运动的变化等进行控制例如图4 3是汽车发动机的离心调速器 具体控制过程 载荷减小 发动机曲轴转速上升 即主动盘1转速增大 钢球在离心力作用下向盘外移动 推动滑套10向右移动 杠杆8逆时针转动 拉杆4向左移动 供油量调节臂5降低供油量 载荷增大时与上述相反 最终使供油量调节臂5增大供油量 以适应更大的载荷负担 通过发动机离心调速器的调节作用 发动机的转速便可以稳定在一个设定的范围内 29 二 选择机构来实现功能原理的原则和范围上面叙述了机构所能实现的动作功能 实际上 这些功能也完全可以用电气或电子的原则来实现 但是在什么情况下选用机构来完成这些功能呢 当然首先是要完成设计时提出的功能目标 其次还要考虑到工作可靠 运行安全 操作方便 制造和运行的经济性等等 根据目前科学技术的条件 下列几方面的动作功能 一般较宜用机构来实现 30 1 实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能 主要是考虑转换的效率 因为绝大多数机械动力都采用笼型异步电机 鼠笼型异步电动机具有运动特性好 变换效率高的特点 而最终的输出运动形式则多种多样 速率要求也各有不同 因此 都需要减速 变速 摆动 移动等传动系统 这些一般都是由机构完成的 只有一些非功率性的微小摆动或移动可以用电磁原理等来获得 鼠笼型异步电动机 变速机构 常用 31 2 实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能例如 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 对于复杂轨迹 一般采用电子或电气来控制 但其轨迹动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 32 3 在特定条件下能优质地实现开关 联锁和检测等功能 机械或电控方式均可实现这些功能 究竟采用哪一种方式并无定论 要视具体情况考虑操作方便和经济性而定 如电灯的开关 一般家用都是机械式的 但在一些公共部位 如楼梯 过道等 声控 感应开关就更方便 还有触摸式开关等 33 4 实现简单的固定程序或可变程序的控制功能 上述几方面均适应机构方式 但也不是绝对的 随着科技的进步也会有变化 例如目前很少采用直线电动机来实现直线运动 但由于超导的发现 磁悬浮技术的成熟 直线电动机却使用在磁悬浮的高速列车上 电视机最初出现时 当时电视频道少 显象管屏幕也小 因而广泛使用安全可靠 操作方便 经济性好的机械式频道变换开关 但当电视机屏幕的不断增大 频道的增多 经济性好的机械式频道变换开关 愈来愈感到操作的不便而被遥控开关所取代 但是也应看到电子技术的发展虽然能控制许多复杂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 可以自动按给定路线飞行 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 34 第二节传动机构和执行机构一切机器都包含有四个部分 动力源 传动机构 执行机构和控制部分 一 传动机构传动机构 系统 是将原动机的运动和动力传给执行机构 以实现预期的功能 其类型主要有机械传动 流体动力传动 电气和磁力传动等 原动机与执行机构间组成传动联系的一系列传动件称为传动链 所有传动链以及它们之间的相互联系组成传动机构 系统 主要目的 为了实现速度或力的变换 或实现特定运动规律的要求 35 作用 是将原动机的运动和动力传递给工作机 以完成预期的功能 具体内容 1 把原动机输出的速度降低或增高 以适合执行机构的需要 2 实现变速传动以满足执行机构经常变速的要求 3 把原动机输出的转矩 变换为执行机构所需要的转矩或力 4 把原动机输出的等速旋转运动 转变为执行机构所要求的 其速度按某种规律变化的旋转或其它类型的运动 5 实现由一个或多个原动机驱动若干个相同或不相同速度的执行机构 6 由于受机体外形 尺寸的限制 或为了安全和操作方便 执行机构不宜与原动机直联时 也需要用传动装置来联接 36 1 传动机构的类型变速装置 启动 停止和换向装置 制动装置及安全保护装置等 常用的传动机构有 啮合方式 摩擦方式 楔块原理 流体作用原理 运动速度或力的大小变换 运动形式或传力方式的变换 转动 平动 摆动 37 1 变速装置及其机构 38 2 启动 停止和换向装置常用的启停和换向装置有两类 一类是通过按钮或操纵杆直接控制原动机实现启停和换向 另一类是用离合器实现启停和换向 选择方案时应考虑执行机构所要求的启停和换向的颇繁程度 原动机的类型与功率 1 原动机为电动机时 电动机允许在负载下启动 可以正反运转 但电动机的启动电流通常是额定电流的5 7倍 因此在功率大 启停和换向频繁的情况下 将导致因发热大而缩短电机的使用寿命 同时因电流过大影响局部电网的正常供电 其优点是操作方便 能简化机械结构 用离合器启停和换向 中等以上功率且启停和换向频繁时 常采用各种离合器启动和换向 若执行机构的旋转速度高时可采用摩擦离合器 若执行机构的旋转速度较低时可采用刚性的啮合式离合器 39 2 原动机为内燃机由于内燃机既不能在负载下启动 也不能反转运行 故必须用摩擦离合器或液力偶合器来实现启动 执行机构需要反向时 应在传动链中设置反向机构 离合器启停和换向举例 40 3 制动装置对制动装置的基本要求是 结构简单 操作方便 工作可靠 制动平稳 耐磨和散热性能良好 用电动机启停和换向时 一般采用电动机反接制动 它具有操作方便 制动时间短等优点 但在反接制动时制动电流大 传动系统所受的惯性冲击力也较大 故只适用于制动不频繁 传动系统惯性较小或电动机功率较小的传动系统 用离合器启停和换向时 必须在传动链中安装制动装置 常用制动器有下列类型 41 4 安全保护装置安全保护装置装在转速高的传动构件上 可使结构尺寸小些 若靠近执行机构安装 则发生过载时 能迅速停止运动 使传动链中其它传动构件避免超负荷运行 所以安全保护装置宜放在靠近执行机构且转速较高的传动构件上 1 销钉安全联轴器 2 钢珠安全离合器 3 摩擦式安全离合器 42 常用的传动机构有机械传动 齿轮机构 连杆机构 凸轮机构 螺旋机构 楔块机构 棘轮机构 槽轮机构 摩擦轮机构 挠性件机构 弹性件机构 液气动机构 电气和电磁机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构 2 运动速度或力的大小变换根据功率 速度 输出力三者之间的关系P F V在输出功率一定的情况下 速度与输出力的变化关系 43 常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种 1 通过啮合方式进行传动例如 齿轮 蜗轮蜗杆 链传动 同步齿形带等 其中 齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动 适用功率和速度范围广 结构紧凑 传动效率高 工作可靠 寿命长 互换性好 因而得到广泛应用 2 通过摩擦方式进行传动例如 摩擦轮传动 摩擦式无级变速器 带传动 滑轮传动等 这类机构结构简单 维修方便 成本低廉 由于带具有柔软性 吸收振动的特性 且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动 44 3 利用楔块原理进行传动例如 螺旋传动 偏心轮传动等 螺旋传动主要由螺杆 螺母 机架组成 螺旋传动的优点是增力效果大 可用较小的转矩得到较大的轴向力 结构简单 传动精度高 平稳无噪声等 4 利用流体作用原理进行传动例如 液压 气动传动等 液体可以看作是一种不可压缩物体 因而液压传动能传动较大的力 经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下 但液压传动速度较慢 例如液压千斤顶 液压挖掘机的推杆等 而气动传动机构一般用于传递较小的力 但作用速度快 45 3 运动形式或传力方式的变换原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动 而工作机的输出要求是多种多样的 因此进行运动形式的变换是传动机构的一个很重要的任务 机械传动机构中常见的运动形式主要有 转动 平动 摆动等 常见的用运动形式的变换机构主要有 凸轮机构 螺旋机构 连杆机构 齿轮机构 挠性体机构 摩擦轮机构 流体机构等 它们能将转动变换成移动 或反之 出于运动形式的变化 机构的传力方式也就随之改变 46 带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构称为执行机构 如挖掘机中推动铲斗运动的多杆机构 使起重机吊钩运动的起重臂 使飞机轮子起落的起落架 机器人的手臂等 执行机构的主要作用是给工作头产生工作力 同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等 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 二 执行机构 47 1 满足特定运动规律指那些输出中有速度的规律变化要求 如有等速输出 瞬时或长时间停歇 有急回特性 周期性转位和步进分度动作等 一般机器中常常由多个执行机构组成 以完成各种预定的机械工作要求 例如图4 4中的牛头刨床 48 牛头刨主机构 这是一个六杆机构 曲柄整周匀速转动 带动刨刀往复移动 该机构利用摆动导杆机构的急回特性使刨刀快速退回 以提高工作效率 49 插床导杆机构 利用摆动导杆机构的急回特性使插刀快速退回 以提高工作效率 50 2 满足特定的运动轨迹在生产实际中 需要机构完成某种特定的运动轨迹 如直线 圆弧等等 当运动轨迹要求比较复杂时 一般通过连杆机构或通过组合机构来完成 利用组合机构不仅能满足生产上的各种要求 而且能综合应用和发挥各种基本机构的特长 例如图4 5所示为利用联动凸轮机构实现任意预定的运动轨迹 图中利用两个凸轮A及B的协调配合控制X及y方向的运动轨迹为一 8 51 3 满足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 52 三 工作头1 什么是工作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 53 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 例如 材料的压力加工与实验 重物起吊与搬运等 54 四 选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题选型时除应满足工艺功能的动作和运动的基本要求外 还应注意以下几个问题 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 图4 9a 移动从动件圆柱凸轮机构 图4 9b 所示的摆动从动件盘状凸轮机构与摇杆滑块机构的组合 55 2 使机构有有利的传力条件对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构 如锁紧 冲压等机构 应采用增力机构 使其在近于死点位置工作 这种增力机构常用于剪切机 冲压机 破碎机等机械中 在主动件上施加较小的驱动力 可以克服从动构件上很大阻力 当工件被夹紧后 BCD成一直线 机构处于死点位置 即使工件的反力很大 夹具也不会自动松脱 该例为利用死点位置的自锁特性来实现工作要求的 56 图4 11是一快速夹紧机构 当工件被夹紧时连杆BC与摇杆CD成一直线 即在工件的反力F2作用下 连杆与从动杆共线 机构处于死点位置 这是利用机构在死点位置附近具有自锁特性进行工作的实例 57 3 使机构有尽可能好的动力性能在高速机构中 为了使动载荷最小 在机构选用时要尽量考虑其对称性 对机构或回转构件进行平衡 使其质量分布合理 对于传动力的机构则要尽量增大机构的传动角 以防止机构的自锁 增大机器的传动效益 减少原动机的功率及其损耗 传动角与压力角的关系及对运动的影响 58 4 使机器操纵方便 调整容易 安全耐用 在拟定机器运动方案时适当地加入一些开 停 离合 正反转 刹车 制动装置 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 59 第三节按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计一 功能原理解与机械运动系统的方案设计机械产品的功能原理设计完成后 得到一个 功能结构图 明确了总功能的各个分功能和它们之间的相互关系 按本章第一节的原理就可以分析这些分功能中哪些适合用机械功能来完成 按第二节的原理分析这些功能是属于传动类型还是属于执行类型 再根据选择机构的原则从已有的机构中选出能完成这些分功能的最佳机构 但在这些工作中将会存在以下两个问题 60 1 在功能结构图中 有的分功能比较复杂 不可能用一个巳知的机构来完成 这里就需要根据分功能的特点 挑选几个机构组成一个机械运动系统 由这些机构共同完成这个分功能的机械动作 这就是所谓 机械运动系统的方案设计 或称为 机构的创新设计 2 当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能的要求选择好相应的机构后 怎样使这些分散的机构组成一个协调运动的整体 这也称为 机械运动系统的方案设计 只是这个系统比较大 其综合后完成的机械功能 就是整个机械产品的总功能中的全部机械功能 这种机械运动系统方案设计也称为 机械运动系统的协调设计 61 二 功能原理的分解和机构的选择当分功能比较复杂 不能用单一机构完成时 就要将分功能分解成几个分功能 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 因为直线和圆弧是机构能够最容易且最精确完成的运动 但能完成同一功能的机构有很多种 如直线运动就有曲柄滑块机构 凸轮机构 齿轮齿条机构等 选哪一个机构 这除了要按第二节的原则外 还要看这些机构能否组合在一起 即所谓机构间的相容问题 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 虽然这样 每个分功能还均有几种机构可选择 因而能完成这复杂功能组成的机械运动系统的方案就有很多个 这时就应该用机械原理的知识 将这些方案进行详细的运动学和动力学分析 比较各个方案的优缺点后 选择其中最优的 如有必要 还应该进行实验验证 62 实现各种运动变换可以采用的机构 63 二 功能原理的分解和机构的选择 分解的原则 分解出的分功能能够用一个简单机构完成 通常为直线和圆弧运动的某种组合 因为直线运动和圆弧运动是机构最容易且最精确完成的运动 能实现直线运动的机构 曲柄滑块机构 凸轮机构 四杆机构的连杆曲线 齿轮齿条结构 正弦机构能实现圆弧运动的机构 齿轮传动 摩擦轮传动 涡轮蜗杆传动 带传动等能实现间歇运动的机构 棘轮机构和槽轮机构 不完全齿轮机构 凸轮单向间歇运动机构和擒纵机构等机构选择的原则 能够完成所需功能 所选择的机构能够组合在一起 即机构的相容问题精密运动系统 摩擦传动高速旋转传动 双曲柄机构根据上述原则选择的机构组合一般会有多种 还需根据 机械原理 知识进行运动学和动力学分析 选择最优方案 64 例 要设计工厂备料车间用的锯床 功能分析如下 从上面分析看 能够同时满足三个运动特性的机构只有凸轮机构和曲柄滑块机构两种 1 凸轮机构 不仅同时满足三个运动特性 而且机构简单 65 2 曲柄滑块机构 要满足工作行程中间段具有近似等速运动的特性 只有曲柄滑块机构是肯定不行的 需要和其他机构配合才可以 现假定采用曲柄滑块机构实现转动变直线运动 如图4 12a 将工作行程中间段等分成若干段 每段经过的时间肯定相同 对应的角度肯定不同 再如图4 12b 所示的曲柄摇杆机构 在左边的曲柄匀速转动时 右面的摇杆对应转过的角度分别为和 若能保证在一定范围内 即满足了近似等速运动特性的要求 所以把ab两种机构串联起来 形成如图c所示的机构 即满足了输入为匀速转动 最终输出为直线运动 且具备急回特性和近似匀速运动的要求 所以c可以作为一种设计方案 66 除了上述双曲柄机构 曲柄滑块机构的组合外 还可以采用同样方法设计 采用双曲柄机构 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10种方案 有些方案因结构性能上明显不合适 就可以先直接淘汰掉 确定几种可用的方案后 要逐一对其进行运动学和动力学分析 挑出性能最好的方案 双曲柄机构 偏心曲柄滑块机构的组合 即上述我们分析的方案 67 1 合理安排传动机构的顺序例 三轴钻床中 传动机构的顺序是这样安排的 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 68 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 69 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 1 在传动机构中 误差可以传递 且随传动比而缩放 可有效减少高速级误差对整个传动的影响 2 在最末级传动前 只承载较小的转矩 有利于减小传动机构尺寸 70 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 在了解缝纫机送布机构设计前 我们要先了解一下缝纫机的工作原理 缝纫机工作原理 一 了解手工缝纫线迹和缝纫机线迹的不同 a 手工缝纫缝迹 b 缝纫机线迹 二 缝纫机面线和底线双绞线的形成原理 面线 摆梭 布料 71 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 机针从最高位置 向下运动至开始接触布料 调线杆向上运动 收紧上一个线迹从线团里拉出下一个线环所需的面线送布牙向前推送一个针脚大的布料摆梭开始逆时针方向旋转 面对摆梭而言 线始终在布料上方处于拉紧状态 第一段 72 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 机针开始接触布料 刺穿布料 达到最低极限位置 见图a 调线杆向下运动 松驰面线 供机针向下引线用送布牙向针板下运动摆梭逆时针旋转到极限位置线在布料上下都始终处于拉紧状态 第二段 73 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 第三段 机针最低极限位置 机针向上运动2 2 5毫米 见图b调线杆向下运动 调线杆暂停 以免影响线环的形状送布牙向后运动回到原来位置 摆梭开始向顺时针方向转动 摆梭尖正好到达机针线 逐步形成一个梨形的线环 短槽线环处与机针重合 从而勾住线环 74 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 机针从最低极限位置向上2 2 5毫米 机针退出布料 继续向上方运动 见图c挑线杆迅速下降 以供给摆梭扩大线环所需的线段送布牙在针板下面回到起始位置后向上运动摆梭继续顺时针旋转线环 梭床盖的分线斜面将其分到摆梭的两侧 使线环扩大并绕过装在摆梭内的梭心套 第四段 75 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 机针从布料上方退出 一直向上 见图d挑线杆在摆梭把线环刚绕过梭心套中线时 就开始向上运动送布牙继续向上运动摆梭继续顺时针旋转线 线环绕过摆梭梭心套中线后 在向上运动的挑线杆的拉力下紧贴在梭心套外壁上 第五段 76 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 缝纫机工作原理 三 缝纫机双绞线的形成过程 机针继续向上运动 到达最高极限位置 见图e挑线杆继续向上运动送布牙继续向上运动 露出针板摆梭继续顺时针旋转 到达顺时针方向的极限位置线 线环在面线的拉力下 脱离摆梭叉口处的斜面 向上收缩 由于底线就绕在梭心中 当线环绕过梭心套的时候 面线也就套住了底线 第六段 77 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 缝纫机工作原理 四 缝纫机基本功能和基本机构 基本功能有四个 引线 勾线 挑线 送料 对应可以把缝纫机机头划分为引线机构 钩线机构 挑线机构 送料机构等四大机构和另外一个独立的绕底线机构 引线机构 用于刺穿布料 引过面线并形成线环 执行构件的运动 针头作往复直线运动 钩线机构 用于钩住面线抛出的线环 使其套住底线 执行构件的运动 摆梭按一定规律作旋转运动或摆转运动 挑线机构 用于输线和收线 执行构件 调线杆 送布机构 用于推送缝料向前或向后运动 执行构件 送布牙 78 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 缝纫机工作原理 五 缝纫机的基本结构 1 衣料必须在压脚板与入口平板之间作步进式移动 2 送布牙轨迹为近似矩形 特别是在送进阶段应是近似直线 下面来看家用缝纫机的送布机构设计 79 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 1 家用缝纫机的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 以实现针脚大小的调节 1 发生矩形轨迹的子功能 2 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功能 2 送布机构的功能分解 送布牙送进量的调节方法 可在调节轨迹生成机构 轨迹控制机构或传动机构中任选一个 相应的功能结构图 送布牙的调节机构 手动调节 输入 分配轴 输入 传动机构 轨迹控制机构 轨迹生成机构 输出 80 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 3 实现子功能的机构选择 1 矩形轨迹生成机构 原则 选择机构要力求简单 所以先对几种连杆机构进行分析 以找到符合要求的机构 1 四杆低副机构 如图4 14四杆全移动副二自由度机构优点 只要分别控制构件1 2 就可以很容易得到精确的矩形轨迹缺点 移动导轨制造困难 只能用在低速 因此不适合移动速度较高的缝纫机 81 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 2 全铰链四杆机构如图4 15a 构件2上各点轨迹都不具备矩形的特性 所以也无法用在缝纫机处 3 实现子功能的机构选择 1 矩形轨迹生成机构 3 全铰链五杆机构如图4 15b 是一个二自由度全铰链五杆机构 只要合适的控制主动构件1 4的输入转角 连杆2 3上任意点均可生成任意轨迹 综合来看 这是一个构件最少 而且容易得到矩形轨迹的机构 往往被设计人员首先选用 82 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 但如果直接采用上述机构实现矩形轨迹 对 两转角的控制就比较复杂 如果能通过某种改进 使两个转角分别控制送布牙的上升 下降和前进 后退 则控制起来会更容易 如图4 15c 是在b图基础上将两个连架杆2 3的位置做了适当的调整后得到的 4 15d e是在b图基础上将构件2与3 1与2组成的转动副变换成移动副后的结果 c d e中上下运动轨迹实际是半径较大的圆弧 水平运动轨迹可以近似看作直线运动 3 实现子功能的机构选择 1 矩形轨迹生成机构 83 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 3 实现子功能的机构选择 1 矩形轨迹生成机构 4 用带有高副的四杆机构图4 16都是在4 15b 基础上进行高副低带后的结果 这几个机构都可以较容易的获得近似矩形轨迹 84 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 3 实现子功能的机构选择 1 矩形轨迹生成机构 5 用椭圆轨迹代替矩形轨迹 全铰链四杆机构全铰链四杆机构不能产生矩形轨迹 只能产生椭圆轨迹 在某些专用缝纫机上也有使用 如图4 17 85 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 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 3 实现子功能的机构选择 2 矩形轨迹生成的控制机构 1 凸轮机构 如图4 18a优点 简单方便缺点 凸轮制造困难 成本较高 且不能用于高速 但对于家用缝纫机来说 还是完全适用的 原则 控制的实现要方便因此做如下分析 86 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 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 3 实现子功能的机构选择 2 矩形轨迹生成的控制机构 3 传动机构 常用的传动机构是铰链四杆机构和它的变异机构 如曲柄滑块机构 正弦机构等 3 多杆铰链机构 构件较多 能获得精确矩形轨迹 实际很少用 2 四连杆铰链机构 优点 结构简单 运动可靠 造价低 且能用在高速 因此常用作控制机构 在工业用高速缝纫机上常用 缺点 不能产生精确的矩形轨迹 只能得到一个近似矩形的椭圆轨迹 87 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 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 可见 导轨CD倾斜的角度越大 摆杆OB的摆动幅度就越大 当把OB杆与轨迹生成机构上控制送布量的转轴轴线相连接 图4 15的构件1 就达到了无极调节送布牙的功能 而且还能实现反向送布 因为OB杆的运动是双向摆动 所以它可以无极 双向的控制 角实现无级双向送布 图4 18c是另一种调节摆角大小的机构原理图 是通过调节AB杆上AB间的距离r来达到调节摆杆CD的摆动幅度 摆角的目的的 3 实现子功能的机构选择 4 送布量调节机构 图4 18b c 88 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 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 4 家用缝纫机送布机械运动系统的方案设计 即把上述各子功能对应的机构组合在一起 完成送布的总功能 因每种子功能对应的机构都有若干种 所以要根据具体的设计要求选择一个最优的方案 矩形轨迹生成机构 带有高副的四杆机构 如图4 16b所示 送布量控制机构 等宽凸轮机构 如图4 18a所示 并直接安装在分配轴上 送布量的调节结构 滑块 导杆调节转动副C的机构 如图4 18b所示 送布牙的上下运动 曲柄摇杆机构 本例中 针对家用缝纫机的功能要求 能缝制多种家庭所需的各种衣服 体积要小 质量要轻 噪声小 价格低 使用方便等条件 分别选定如下 89 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 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 4 家用缝纫机送布机械运动系统的方案设计 运动路线 分配轴 轨迹生成机构 送布量控制机构 送布牙的上下运动 如图4 19a为本例确定的机械运动方案图4 19b所示为其对应的机构示意图 图4 19c所示机械运动方案 是近年出现的一种 微型全自动桌上缝纫机 作为家庭临时缝缝补补的机动设备 由于价格低廉 也很受消费者欢迎 90 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 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 4 家用缝纫机送布机械运动系统的方案设计 轨迹生成机构 全移动副二自由度机构 如图4 14b所示 送布量控制机构 滑块E上开的凸轮槽控制圆柱销F 属于轨迹生成机构 实现送布量的控制 送布牙的上下运动 滑块E上的两个凸块M N 控制摆动端面凸轮KH 最终控制圆柱销L 属于轨迹生成机构 传动机构 正弦机构 使得整个滑块E实现往复直线运动 可见 整个方案中没有送布量调节机构 因为每次送布量是一定的 大小等于滑块E上圆柱销F所在的凸轮槽的横向宽度 91 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 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 5 小结 上面通过家用缝纫机送布机构的设计 简述了按功能原理作机械运动系统方案设计的内容和过程 其中轨迹生成机构的控制机构均采用最简单的凸轮机构 但当今工业用高速缝纫机多数已经用电力取代了人力 缝纫速度也成倍提高 传统的凸轮控制已无法满足需要 若要通过提供凸轮精度满足使用要求 则会导致成本大大提高 所以目前工业用高速缝纫机的轨迹生成机构的控制机构已逐渐被制造方便 成本低廉且高速运转性能良好的连杆机构代替 如图4 19d所示为高速缝纫机送布机构示意图 其中 轨迹生成机构 全铰链五杆机构控制机构 连杆机构送布量控制机构 AHBO送布牙的上下运动 曲柄摇杆机构AKGB2 送布量调节机构 CDEF 主要是调节E点的位置调节完后 E点成为固定铰链 E点处于BC杆上时 E点不动 BC杆也不能动 0 送布量为0 E点不在BC杆上 即 ECB 0时 其值越大 对应的的 越大 送布量也越大 92 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作 分解得不合理 选择机构不当 都会影响分功能的完成 按功能原理来选择或设计机构是一个创造性的工作 现在要创造发明一种前所未有的新机构固然是十分困难的 但如能发现现有机构中尚未被发现的固有性能 并将其充分发挥出来 可能是当今机械发明创造的主要方向 93 一 简单机构运动特点的利用1 平行四边形移动式抓取机构如图4 6所示的平行四边形移动式抓取机构 当活塞1上的推杆2上移时 通过扇形齿轮3带动平行四边形机构OABO1 使手爪5 6作平行移动 而夹紧工件 图 b 为通过蜗杆 蜗轮带动平行四边形机构的移动式抓取机构 94 2 铸件供料机构图4 7所示为铸件供料机构 它的主机构是双摇杆机构1 2 3 6 该机构利用连杆的特殊构形的位置与姿态 将加热炉中出料后的铸件8运送到升降台7上 其中 构件4 5构成了液动机构 这种机构利用连杆导引运动特性构成了一种巧妙的出料机构 95 二 链传动的变异与创新将导轨链传动设计成各种输出机 导轨链传动中没有从动轮 96 三 无死点机构在曲柄滑块机构中 当滑块为主动件时 机构有死点出现 如何构思一个无死点机构 1 若采用图4 28 a 所示结构形式 则无死点出现 再如蒸汽机动力设备是90 开式双气缸结构 这样的结构也可避开死点 图4 28 b 97 2 图4 29所示为一种巧妙的无死点机构 其巧妙之处是 滑板与活塞杆相连接 利用滑板上的曲线形长孔及与之配合的曲柄销驱动曲柄轮转动 在曲柄销的左右死点位置上 由于滑板的曲线形长孔的斜面与曲柄销接触 所以就能消除一般曲柄机构的死点问题 曲线形长孔的倾斜方向确定了曲柄轴的旋转方向 并使其保持固定的旋转方向 98 四 连杆机构1 曲柄滑块与齿轮齿条机构图7 1所示为平台印刷机中的主传动机构 为了使印刷机构结构紧凑 采用了曲柄滑块机构与齿轮齿条机构 下齿条为固定的 串联组合而成的机构系统 上齿条往复运动的行程是齿轮转动中心点C往复运动行程的两倍 图7 1曲柄滑块与齿轮齿条机构 99 2 凸轮 连杆机构如图7 3所示 用于订扣机工作台纵向运动的凸轮 连杆机构 原动件为凸轮1 从动件为工作台5 被订的钮扣夹紧在该工作台上 随工作台作往复运动 同时缝针 图中未画出 作上下往复运动 完成订扣动作 凸轮轮廓线形状控制其每转一周工作台往复运动次数 即订扣针数 构件CB的长度可调节 以增大工作台的往复行程 100 3 齿轮 连杆机构在图7 4所示的包装机推包机构中 机构在凸轮1的驱动下 使推板5按一定的运动规律往复移动 将工件推到包装位置 其中 齿轮连杆机构主要是用于放大推板的行程 所需的放大比例可根据实际需要确定 其中 构件2为扇形齿轮 3为齿轮 4为摆杆 101 4 凸轮移动式行程放大机构利用凸轮机构来获取大运动距离时 常常感到需要较大的结构空间 不然就要求有很大的凸轮机构 这时 可以采用如图7 5所示的机构 与盘状凸轮相关的轴销带动滑杆左右移动 移动距离为凸轮升程S 滑杆上装有可摆动的扇形齿轮 扇形齿轮与齿条相啮合 由于滑杆的移动使扇形齿轮摆动 而扇形齿轮另一侧的臂杆摆动 将带动上边的滑杆 滑块 滑移 其滑移距离将依杆长与齿轮扇形半径之比而放大 102 103 五 改变机构的某些尺寸参数 使机构出现一种新的功能1 a 图AB小功率的旋转运动时 滑块能产生巨大的冲压力 2 AB的尺寸增加 瞬时停歇 现象 有利于被冲压工件的永久变形 提高冲压零件的尺寸精度 3 若把AB的尺寸继续增加 曲柄相应的转角也增大 这时可看到滑块有明显的上 下二次运动 利用此运动特性制成的压力机称为 二次压印机 104 曲柄压力机 该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构组成 其中CD杆是两机构的共用件 该机构的特点是原动件在用力不太大的情况下 可产生很大的压力 实现增力作用 常用于行程要求不大而压力要求很大的冲压 剪切等机械中 105 六 运用机构的串联组合 改变机构的运动特性拉延压力机的冲头向下冲压时 把钢板拉延成杯状零件 但当冲头还未与钢板接触时 压力机的压边机构的压边滑块应先下降 把钢板的四周压紧 如图4 21所示 当拉延完毕冲头上升至脱离模具后 压边滑块才能松压上升 准备下一次的拉延工作 占整个周期的1 3 约100 1 以往都是采用凸轮机构 2 80年代有人设计了一个全连杆组成的压边机构 1 优点 加工制造简单 机器的体积缩小 使用寿命延长 106 2 设计思路 就是利用机构的串联组合 拓宽机构原有的瞬时停歇特性 图4 22a中的六杆增力机构ABCDE 当主动构件转过 20 时 滑块作瞬时停歇运动 图4 22中为了作图清楚将 放大到40 如将滑块E用作压边机构 只要滑块二次摆动的升距不超过0 05mm 就可以看作滑块E是作连续压紧动作 但问题是这个停歇时间太短 与100 相比还差得太多 若把主动连架杆改成摆动 滑块在最下面的位置时 作为主动摆杆的一个极限位置 如粗实线ABCDE AB C D E 细实线 为主动摆杆的另一个极限位置 压边角度 A1转到AB 经过四次微小摆动 位移0 05mm 拓宽停歇时间 增加曲柄摇杆机构FGHA 107 108 七 运用机构的并联组合 得到某种特殊的运动规律或轨迹典型的实例 送布机构中的轨迹生成机构 它是以二自由度的轨迹发生机构为基础机构 然而采用两个单自由度的凸轮机构作为其两个输入而并行接入 经基础机构叠加后得到任意的轨迹 如将上述送布机构 略去送布调节机构和运动传动机构 并把两个控制凸轮安装在同一主轴上 即得图4 23a所示机构示意图 图中构件l 2 4 5组成二自由度基础机构 凸轮8与构件5及凸轮8 与构件2组成两个单自由度机构 并行输入这个二自由度基础机构 它将这两个输入运动叠加后得到一个期望的输出轨迹 这种经二自由度基础机构叠加而得到一个新的运动的原理也可用到运动特性的改变上 如要求旋转运动中有停歇 变速运动中有等速部分等 109 110 八 利用机构组成原理发现新的机构机构组成原理 机构是由若干个构件