第四章机械功能原理的实现

1、第四章第四章 机械功能原理的实现机械功能原理的实现机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计 目录第一节第一节 机构能实现的动作功能机构能实现的动作功能第二节第二节 传动机构和执行机构传动机构和执行机构第三节第三节 按机械动作功能原理要求作机按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计械运动系统的方案设计第四节第四节 发挥机构固有潜力的方法发挥机构固有潜力的方法机构的创新设计机构的创新设计第五节第五节 机械运动的协调设计和运动循机械运动的协调设计和运动循环图环图第一节第一节 机构能实现的动作功能机构能实现的动作功能一、机构能实现哪些动作功能一、机构能实现哪些动作功能 机构的输出运动是多种多

2、样的。利用机构可以进行构件运动形式的变换 1.利用机构实现运动形式或运动规律变换的利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能动作功能 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运动。 2.2.利用机构实现开关、联锁和检测等利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能的动作功能 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。 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、 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。 3.3.利用机构实现程序控制或手动控制的功能利用机构实现程序控制或手动控制的功能 1)利用时间的序列进行控制利用时间的序列进行控制 2)利用动作的序列进行控制 3)利用运动的变化等进行控制 二、选择机构来实现功能原理的原则二、选择机构来实现功能原理的原则和范围和范围 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。 1.实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能 在目前技术条件下，各式各样的交直流变速电动机的一些特性还不够理想，绝大多数的机械均使用运动特性好

4、，变换效率高的鼠笼型异步电动机，这就需要各式各样的减速、变速机构，曲柄滑块机构，正弦机构等的运动形式变换机构；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，检测等工序上需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成。 3.在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能 这些功能一般用机械或电均能实现，但究竞用哪一种好，需要设计者仔细分析研究。 4.实现简单的固定程序或可变程序的控制功能 以上几方面均适宜用机构来实现，但这不是绝对的。随着科学技术的进步，将会有变化，因此设计者要密切注意当前的科技进步的动向 第二节第二节 传动机构和执行机构传动机构和执行机构 一切机器都包含有四个部

5、分：动力源、传动机构、执行机构和控制部分。 一、传动机构一、传动机构 传动机构的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。 常用的传动机构：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。 传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求。 1.1.运动速度或力的大小变换运动速度或力的大小变换P=Fv 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

6、带等)。 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)。3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动等)。 4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压；气动传动等)。 2.2.运动形式或传力方式的变换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，有转动、平动、摆动等。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。由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。二二. .执行机构执行机构执行机构：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构称为执行机构。执行机构的主要作用：给工作头产生工作力同时带动工作

7、头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等。 1.1.满足特定运动规律满足特定运动规律 特定的运动规律是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的，以完成各种预定的机械工作要求。2.2.满足特定的运动轨迹满足特定的运动轨迹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。 3.3.满足某种特殊的信息传递满足某种特殊的信息传递这些信息传递包括检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如家用水表、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。三、工作头三、工作

8、头1.1.什么是工作头什么是工作头 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)的装置。例如，挖掘机的铲斗，缝纫机的机针等。2.2.工作头的作用工作头的作用 工作头的形式根据机构执行的工艺功能不同而多种多样。 (1)夹持 例如，机床要加工零件，必须先将零件夹紧，然后才能进刀加工。 (2)搬运、输送及转换工位 例如：起重机吊钩吊起重物后要将其移到另一个位置。 (3)施力 例如，锻压、冲压机等。四、选择机构类型和拟定机构四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题简图中的几个问题1.在满足工艺功能动作和运动要求的情况

9、下应使机构最简单，传动链最短 从原动机到执行构件之间机构数量应尽量少，运动链应尽可能短，运动副数目要尽量少，这样不仅可以减少制造和装配的困难、减轻重量、缩小尺寸、降低成本，而且还可以减少机构的累积运动误差，提高机器的效率和工作可靠 。2.使机构有有利的传力条件 在 外载一定的条件下完成同样的动作要求，不同形式、尺寸的机构和运动副中构件受力是不同的，原动机消耗功率的大小也可能不同。 对行程不大但克服工艺阻力很大的连杆机构，应采用使其在近于死点位置工作增力机构，这种增力机构用于剪切机、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。 3.使机构有尽可能好的动力性能在

10、高速机构中，为了使动载荷最小，对机构或回转构件进行静平衡和动平衡。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。 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、手动等装置，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。第三节第三节 按机械动作功能原理要求作机械运动系按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计统的方案设计一、功能原理解与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 在功能原理解与机械运动系统的方案设计之间在功能原理解与机械运

11、动系统的方案设计之间存在以下两个问题：存在以下两个问题：1)1)在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能用一个已知的机构来完成。这里就需要根据分功能用一个已知的机构来完成。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。这就是这些机构共同完成这个分功能的机械动作。这就是所谓所谓“机械运动系统的方案设计机械运动系统的方案设计”，或称为，或称为“机构机构的创新设计的创新设计”。2)2)当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能当功能结构图中的各机械分功能均已

12、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，这也称为构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动机械运动系统的方案设计系统的方案设计”，也称为也称为“机械运动系统的协调机械运动系统的协调设计设计”。 二、功能原理的分解和机构的选择二、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，就要将这分功能分解成几个分功能。分解的原则：所分解出的分功能能够用一个简单机构去完成，即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。 能完成同一功能的机构有很多

13、种，如直线运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、四杆机构的连杆曲线、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。 实例例如工厂备料车间用的锯床，它是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：旋转运动变换成直线往复运动；工作行程的时间大于回程时间的急回特性；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。这三个运动特性要求均有多种机构可以选择：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

14、性的机构有：偏置曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、曲柄导杆机构等。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行。 设想 根据这个设想，能满足有等速段子功能的机构，除了凸轮机构外还有曲柄摇杆机构、双曲柄机构、曲柄导杆机构及椭圆齿轮机构等与曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构等的组合。 经运动分析知为双曲柄机构偏心曲柄滑块机构的组合，它在工作行程的70范围内有良好的等速运动性能，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，用在锯床中有些大材小用，但却广泛用于

15、各种类型的牛头刨床中。三、机械运动系统方案设计举例三、机械运动系统方案设计举例家用家用缝纫机的送布机构设计缝纫机的送布机构设计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。2.送布机构的功能分解 1)发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。3.实现子功能的机构选择(1)矩形轨迹生成机构 先根据选择机构要力求简单

16、的原则，作如下分析： 1)选用四杆低副机构 2)全铰链四杆机构 3)全铰链五杆机构 (2)矩形轨迹生成的控制机构 (3)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。 4.机械运动系统的方案设计 机构选择完后，就要根据功能分解的原理将这些机构组合在一起，完成送布的分功能，这就称为送布机构的运动方案设计。从上可知，分功能的分解方法不同，每个部分所选择机构的不同，得出的机械运动方案也就不同，设计者应该在这众多的方案中选择一个最优的方案 4-18a送布机构的运动系统方案设计方框图5.小结 上面通过家用缝纫机的送布机构设计阐述了按功能原理作机械运动系统方

17、案设计的内容和过程。轨迹发生器的控制机构采用最简单的凸轮机构。但凸轮控制已无法满足现代高速缝纫的需要。因此，用连杆机构来代替凸轮机构已成了高速缝纫机的一种趋势，因为连杆机构制造方便，成本低而高速运转性能良好。由此可知，送布机构的运动系统方案设计可以有很多种。 第四节第四节 发挥机构固有潜力的发挥机构固有潜力的方法方法机构的创新设计机构的创新设计 上节所述的两种送布机构，后者的优异性能代替了前者(在高速缝纫机中)，如把这个机构，拆成单个机构来看，均是大家都熟悉的机构，它们都无法单独表现出无级调节的运动特性，但将它们组合在一起时，这个潜在的调节性能就充分发挥出来了，对于这样种新的机构设计，谁也不能

18、否认这是一种创造或发明。下面介绍几种方法用来发明或创造出新的机械。一、改变机构的某些尺寸参数，使机构出现一种新的功能 在机械原理中研究过四杆机构，当改变四连杆机构各杆的相对尺寸时，就会出现曲柄摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构，这三种机构均有其互不相同的运动特性，这已是大家公认的事实。现再举如图420a所示的“六杆增力机构”，其设计的初意是当主动构件AB作较小功率的旋转运动时，滑块能产生巨大的冲压力。因此这机构被应用于大吨位的冲压机床中。 瞬时停歇的运动特性 二次压印机 二、运用机构的串联组合，改变机构的运动特性例子：锯床、筛面粉机 采用凸轮机构，由于压力大，压边滑块的行程又长，因而这个凸轮就要

19、做得很大，这不但占据了机器中很大的空间，而且凸轮的制造也较困难。 运用机构的串联组合改变后的压力机构。三、运用机构的并联组合，得到某种特殊的运动规律或轨迹 典型的实例是上节所述的送布机构中的轨迹生成机构。 四、利用机构组成原理发现新的机构 机 构 组 成原理认为，机构是由若干个构件组成，其最基本的形式是构件间全部用转动副组成。例子：送布机构高副均代换成转动副 五、引进当前的最新技术，使旧的机械功能得到新的生命 例如机床引进数控技术，电子计算机的控制技术，使机械加工功能不断地提高。 第五节第五节 机械运动的协调设计机械运动的协调设计和运动循环图和运动循环图一、机械运动协调设计一、机械运动协调设计 当功能结构图中各分功能均设计完毕后，怎样将这些分功能协调动作，共同完成总功能?这就需进行总体范围内的运动系统方案设计机械运动协调设计。 使各执行机构严格按规定的时间运动的设计，就是机械运动协调设计的关键控制方法设计。 一般有如下两种方法。1.集中驱动、分散控制 在比较小型的机器上，一般均采用本方法，它由一个总驱动源(一般是电动机)，经过变速后达到合适的工作转速，作为机器