第三章-机械创新设计的技术基础PPT课件

-,1,第三章机械创新设计的技术基础,第一节机器的组成分析第二节机构及其机械运动形态分析第三节机械的控制系统第四节机械运动及其控制第五节机械系统及其发展,-,2,一、机械及其分类机器机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。机构执行机械运动的装置。机械运动学观点看二者等同，统称为机械。,第一节机器的组成分析,1.概念,-,3,第一节机器的组成分析,2.机械的分类,根据机械的特点（能量物料信息主次）动力机以能量转换为主的机械。工作机以物料转换为主的机械。（机床、收割机、起重机等）信息机以信息转换为主的机械，（打印机、传真机等）行业作业机械、交通运输机械、起重机械、印刷机械、纺织机械等,-,4,原动机,电动机,内燃机,一次能源动力机：水力机、风力机（环保！）,液压马达（采矿、冶金、建筑机械）,三相交流异步电动机（工、矿、企业动力设备）,直流电动机(机电一体化设备）,步进电动机（要求分度或步进运动时）,汽油机（远离电源、功率小小汽车）,柴油机（功率大、远离电源重载车辆）,原动机,线性原动机,非线性原动机,单相交流异步电动机（电冰箱、洗衣机、空调）,-,5,机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统,第一节机器的组成分析,二机器的组成,机械运动系统,-,6,第一节机器的组成分析,-,7,第一节机器的组成分析,-,8,1、齿轮传动机构,第二节机构及其机械运动形态分析,直齿轮传动,斜齿轮传动,人字齿轮传动,内齿轮传动,蜗杆传动,锥齿轮传动,一、机构及其运动形态,-,9,1、齿轮传动机构,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,轮系：完成齿轮增速减速,-,10,2、连杆机构转动到转动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,全转动副四杆机构的基本型含有一个移动副四杆机构的基本型含有二个移动副四杆机构的基本型,四杆机构,-,11,2、连杆机构转动到转动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,全转动副四杆机构的基本型,-,12,2、连杆机构转动到转动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,含有一个移动副四杆机构的基本型,曲柄滑块,转动导杆机构,-,13,2、连杆机构转动到转动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,含有两个移动副四杆机构的基本型,1,2,3,D,A,4,双转块机构,-,14,椭圆齿轮传动,双曲柄机构,转动导杆机构,双转块机构,-,15,3、凸轮机构实现各种形式运动规律，转动移动相互转换，以及转动向摆动转化。,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,直动从动件平面凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构直动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构,凸轮机构,-,16,3、凸轮机构,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,直动从动件平面凸轮机构摆动从动件平面凸轮机构,-,17,3、凸轮机构,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,直动从动件圆柱凸轮机构摆动从动件圆柱凸轮机构,-,18,4、螺旋传动机构连续转动到往复直线移动，基本型三角形螺旋传动机构,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,-,19,5.间歇运动机构-主动件连续转动，从动件间歇转动或间歇移动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,棘轮机构槽轮机构,-,20,5,间歇运动机构,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,分度凸轮机构不完全齿轮机构,-,21,6,摩擦轮传动机构传递动力小（仪器磁带的前进后退）,第二节机构及其机械运动形态分析,垂直轴圆柱摩擦轮,平行轴圆柱摩擦轮,圆锥摩擦轮,-,22,（1）椭圆型瞬心线机构,7,瞬心线机构主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动。瞬心线机构可以实现连续的周期性的、变速转动输出。,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,为轮1的转角，e为椭圆的偏心率,-,23,2）四叶卵型线轮传动,7,瞬心线机构主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动。瞬心线机构可以实现连续的周期性的、变速转动输出。,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,-,24,8,带传动机构主动轮转动增速或减速为从动轮的转动适用于较大中心距的场合,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,-,25,9,链传动机构主动轮转动增速或减速为从动轮的转动适用于较大中心距的场合，输出同向的减速增速转动,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,-,26,10.绳索传动机构主动轮转动变换到从动轮的转动不能传递较大载荷。,第二节机构及其机械运动形态分析,一、机构及其运动形态,-,27,11.液、汽传动机构利用液体或气体的动能把主动件的运动传递到从动件。基本型刚体不动的液压油缸和气动缸及转化的摆动缸。,第二节机构及其机械运动形态分析,12.钢丝软轴传动机构软轴相连接，主从动件位置具有随意性,-,28,13.万向联轴器空间连杆机构单万向联轴器,第二节机构及其机械运动形态分析,双万向联轴器：等速传动,变速传动,-,29,14.电磁机构利用电磁转换原理，实现从动件的转动或移动，常用于开关机构、电磁振动机构等电动机械中。如电磁离合器接触器等新领域,利用超导现象控制导磁物体的悬浮.,第二节机构及其机械运动形态分析,-,30,15.机构的组合把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统。各机构保持原有结构和运动特性，有自身独立性。,第二节机构及其机械运动形态分析,-,31,16.机、液机构的组合主要是液压缸系统与连杆系统的组合，可满足执行机构的位置、行程、摆角、速度及复杂运动规律等多种要求。液压缸主动件。,第二节机构及其机械运动形态分析,a.单出杆固定缸；b.双出杆固定缸；c.摆缸,17.机电一体化机构在信息指令下实现机械运动。,-,32,第二节机构及其机械运动形态分析,二、机构及其功能,机械运动系统的主要作用是为了实现速度或力的变化、实现特定运动规律、实现特定运动轨迹、实现某种特殊信息的传递要求。,-,33,-,34,1、转动到转动的功能变换,齿轮传动机构最理想，从动轮的转速可按选定传动比计算。摩擦轮传动机构传力很小时可用带传动机构、链传动机构中心距较大时钢丝软轴传动机构两可动件之间转动连接万向节传动机构两交叉轴之间连续转动双转块机构相近平行轴之间转动转动导杆机构从动件变速运动，急回特性。,-,35,直齿轮传动,斜齿轮传动,人字齿轮传动,内齿轮传动,螺旋齿轮传动,蜗杆传动,锥齿轮传动,-,36,带传动机构,液力传动机构,绳索传动机构,钢丝软轴传动机构,摩擦轮传动机构,同步带传动机构,-,37,连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构,曲柄滑块机构正弦机构直动从动件凸轮机构齿轮齿条机构螺旋机构(自锁）,2、转动到移动的功能变换,-,38,曲柄滑块机构,直动凸轮机构,齿轮齿条机构,正弦机构,-,39,连续转动到平面运动的变换与实现机构,连杆机构连杆行星齿轮机构行星轮,单行星轮传动机构,连杆机构,双行星轮传动机构,-,40,3、转动到摆动的功能变换,曲柄摇杆机构死点摆动导杆机构死点摆动从动件凸轮机构压力角,-,41,曲柄摇杆机构,曲柄导杆机构,曲柄摇块机构,摆动凸轮机构,-,42,4.摆动到移动功能变换,正切机构摆动液压缸机构,A,H,4,D,1,3,2,C,Htan,-,43,5.间歇运动变换,槽轮机构棘轮机构不完全齿轮机构分度凸轮机构,-,44,外棘轮机构,换向棘轮机构,摩擦棘轮机构,外槽轮机构,内棘轮机构,棘条机构,-,45,空间槽轮机构,棘轮机构应用,槽轮机构应用,分度凸轮轮机构,不完全齿轮机构,-,46,双滑块机构(椭圆仪）,移动凸轮机构,6.直线移动到直线移动,-,47,6.实现特殊功能,位移缩放机构、微位移机构、自锁机构，力的放大机构,平行四边形,-,48,7.实现特定运动轨迹,-,49,8.实现某种特殊的信息传递,检测、计数，定时显示控制等功能。机械计数器机械定时器,-,50,-,51,-,52,第三节机械的控制系统,机械控制系统的主要任务:1.使各执行机构按一定规律和顺序动作2.改变各运动构件的位置、速度、加速度等3.协调各运动构件的运动和动作，完成给定的作业环节要求4.对整个系统进行监控及防止事故，对工作中出现的不正常现象及时报警并消除,-,53,一、机械控制系统的类型(元器件及装置）二、机械控制系统的发展趋势,机械式控制系统液压式控制系统气压式控制系统电气控制系统智能控制系统,第三节机械的控制系统,-,54,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,1.机械式控制系统,精确度高，微动开关可以任意放置。但凸轮制成后，程序不能改变。凸轮鼓轮,-,55,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,1.机械式控制系统,纯机械控制实现复杂运动轨迹，结构庞大，可调整性差。最好利用微机。,-,56,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,2.液压式控制系统液压控制元件液压执行机构根据液压原理建立起来的控制系统,1YA缸2右缸5停开关43YA缸2停缸5右开关72YA缸5停缸2左开关34YA缸2停缸5左开关6缸5停适合于顺序动作、动作循环经常要求改变场合,-,57,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,3.气压式控制系统,由于采用压缩空气为工作介质，气压控制对环境污染小，适合易燃、易爆和多尘工作场所，安全性、可靠性大大超过液压和电气控制系统，气动元件速度高于液压元件。,-,58,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,4.电气式控制系统,电气控制系统的基本要求：满足机械的动作要求或工艺条件电气、电子元件合理，工作安全可靠；停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电；有较强的抗干扰能力，避免误操作现象发生；便于维护与管理，经济指标好；使用寿命长；自动控制系统中应设置紧急手动控制装置。,电气控制系统体积小，操作方便、无污染、安全可靠，可进行远距离控制。通过不同传感器可把位移、速度、加速度、温度、压力等转变为电量变化，然后由控制系统进行处理。,-,59,-,60,第三节机械的控制系统,5.智能控制系统,针式打印机机构示意图,集计算机技术、电子技术、传感器技术和控制技术融为一体的先进控制手段。,步进电动机驱动齿轮系统,直流电动机齿轮摆杆系统,带编码器的伺服电动机、打印头、钢丝绳轮机构,打印头,打印头中打印钢针由安装在螺旋管线圈中的磁铁驱动微机控制：步进电机、直流电机、伺服电机和电磁铁四个可控元件。,-,61,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,打印机控制原理图,-,62,第三节机械的控制系统,一、机械控制系统的类型,机械系统微机控制框图,机械系统、微机系统、传感器系统要做为一体来考虑，力求机械系统简化，更好的发挥软件的优势，可降低机器的成本。,-,63,第三节机械的控制系统,二、机械控制系统的发展趋势,应用计算机技术和自动控制技术的发展，使控制对象不断增加，控制系统更加复杂、可靠性增加。两类控制对象：（1）位移、速度、加速度、温度、压力数量的大小为控制对象按表示数量的种类分：模拟控制数字控制（2）以物体的有、无、动、停逻辑量为控制对象控制方法：开环、闭环闭环控制：将检测到的输出结果与输入指令的误差随时进行修正的控制称开环控制：输出的结果不返回输入端反馈控制：将输出结果返回输入端与输入指令比较的过程，称为,-,64,第三节机械的控制系统,二、机械控制系统的发展趋势,伺服电动机控制方式；,模拟伺服控制,数字伺服控制,软件伺服控制,综上：现代机械控制系统集计算机、传感器、接口电路、电器元件、电子元件、光电元件等硬件环境及软件环境为一体，在向自动化、精密化、高速化、智能化方向发展，安全性、可靠性程度不断提高。,-,65,第四节机械运动及其控制,一、机械运动的换向与控制二、机械运动的调速与控制三、机械运动的离合与控制四、机械运动的制动与控制,机械的运动形态由机械的组成形式和机械的控制方式所决定。（鼓风机单项转动调速）（车床主轴正反转调速电机转向）（牛头刨床机构特性换向）（限位开关、传感器、换向阀、调速阀）,-,66,第四节机械运动及其控制,一、机械运动的换向与控制,1旋转运动的换向与控制（正、反转控制）（1）改变电机转向（2）限位开关换向限位开关：机械式，光电式，磁开关对液压传动，通过限位开关控制电磁换向阀线圈的通电与断电，改变液流的方向而达到旋转油缸换向的目的。（3）介轮换向（4）棘轮换向改变棘爪的棘齿方向（5）摩擦轮换向（6）自身换向机械：曲柄摇杆，摆动凸轮,-,67,图3-33三相交流异步电动机的换向控制电路图,-,68,图3-34利用限位开关控制电机的换向的原理图,-,69,图3-35介轮换向示意图,-,70,图3-36棘轮换向示意图,-,71,图3-37摩擦轮换向,-,72,图3-38自身换向机构示例,-,73,2直线移动的换向与控制（1）改变电机转向来实现往复的直线移动丝杠传动，电动大门图3-39直线电机（2）液压换向：控制换向阀图3-40改变液流方向实现油缸的往复运动。软件定时（3）自身换向机构曲柄滑块机构、正弦机构、双滑块机构、直线凸轮机构等,图3-39电动大门示意图,-,74,图3-40液压换向控制原理图,-,75,图3-41工作台换向示意图,-,76,图3-35自身移动换向机构,-,77,第四节机械运动及其控制,二、机械运动的调速与控制,减速器：降低速度、增大转矩的装置变速器：需要不断变换速度的装置（1）调速电机：目标，低速大扭矩直流电机调速中小功率已商品化交流电机调速恒转矩一定范围内调速（2）齿轮减速器普通齿轮减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器（3）其它减速装置：带传动、链传动、摩擦传动（4）变速器：有级变速器：无级变速器：摩擦传动功率20KW链式连杆脉动,-,78,图3-43减速器示意图,圆柱齿轮减速器圆柱齿轮锥齿轮减速器蜗轮蜗杆减速器行星齿轮减速器,-,79,图3-44齿轮变速器简图表中L为离合器，Z为制动器。“+”号表示接合状态，“-”为松开状态,二挡滑移齿轮变速器行星齿轮变速器,-,80,T38坦克行星变速器,-,81,图3-45无级变速器示意图,-