机电创新设计的基础知识

1、课题三课题三 机电创新设计的基础知识机电创新设计的基础知识一一 机械的基础知识机械的基础知识1、机械及其组成、机械及其组成 机械是用来传递运动或动力的能完成有用机械功机械是用来传递运动或动力的能完成有用机械功的装置，用来变换或传递能量、信息。其特点如下的装置，用来变换或传递能量、信息。其特点如下: : 1) 1)执行机械运动的装置执行机械运动的装置 2) 2)物料或信息的传递物料或信息的传递, ,完成有用的机械功完成有用的机械功 3) 3)完成能量的转换完成能量的转换 分类分类: :动力机动力机, ,工作机工作机, ,信息机信息机12、机械组成的示意图、机械组成的示意图原动机原动机传动结构传动

2、结构执行结构执行结构控制系统控制系统注意注意: :工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。机直接驱动执行机构。23、运动方案设计的必备知识、运动方案设计的必备知识 为了顺利地进行机械运动方案设计，必须掌握必要的知识和环境信息，必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到的作用。 1 . 充 分 了 解 并 掌 握 各 种 常 用 机 构 的 基 本 知 识 ； 2 . 必 须 了 解 和 掌 握 各 种 动 力 源 的 性 能 和 使 用 要 求 ； 3.必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息； 4.充分重视其他学科的技术

3、应用。3二二 机构的基本类型机构的基本类型1、平面四杆机构、平面四杆机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构- -雷达雷达 刮雨器刮雨器 搅拌机搅拌机双曲柄机构双曲柄机构-惯性筛惯性筛 平行四边形机构平行四边形机构 反平行四边形机构反平行四边形机构双摇杆机构双摇杆机构-起落架起落架( (实际情景实际情景) ) 起重机起重机4压力角、传动角、死点位置压力角、传动角、死点位置-缝纫机缝纫机 夹紧机构夹紧机构5急回特性急回特性曲柄与机架长的平方曲柄与机架长的平方和等于连杆与摇杆长和等于连杆与摇杆长的平方和的平方和6曲柄摇块机构曲柄摇块机构 摆动导杆机构摆动导杆机构- -牛头刨床牛头刨床 曲柄滑块曲柄滑块( (摇

4、杆摇杆) )机构机构 偏心轮机构偏心轮机构- -发动机发动机 破破碎机碎机固定1：转动导杆机构转动导杆机构- -小型刨床小型刨床固定2：曲柄摇块机构曲柄摇块机构- -翻斗车翻斗车固定3：移动导杆机构移动导杆机构- -手压抽水机手压抽水机固定4：曲柄滑块机构曲柄滑块机构7设计连杆机构时注意以下问题：设计连杆机构时注意以下问题：1、各构件的运动不能发生干涉、各构件的运动不能发生干涉82 2、在机械平衡的基础上，把安装配重与结构设、在机械平衡的基础上，把安装配重与结构设计一并考虑计一并考虑3 3、机构的运动精度、机构的运动精度92、凸轮机构、凸轮机构 1 1、实现预期的位置要求、实现预期的位置要求-

5、分度凸轮分度凸轮2 2、实现预期的运动规律要求、实现预期的运动规律要求-自动车床走刀机构自动车床走刀机构 靠模车削靠模车削3 3、实现运动与动力特性要求、实现运动与动力特性要求内燃机的配气机构内燃机的配气机构分类：分类：按形状分：按形状分：盘形凸轮、移动凸轮、盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮圆柱凸轮按从动件端部形状分：按从动件端部形状分：尖底从动件、滚子从动件、平底从动件尖底从动件、滚子从动件、平底从动件按从动件的运动方式分：按从动件的运动方式分：直动从动件直动从动件、摆动从动件摆动从动件10凸轮结构设计注意的问题凸轮结构设计注意的问题: :1 1、力锁合、形锁合、力锁合、形锁合力锁合力锁合- -

6、靠模车削靠模车削形锁合形锁合- -沟槽凸轮沟槽凸轮 等宽凸轮等宽凸轮 等径凸轮等径凸轮2 2、凸轮的基圆半径较小，常做成凸轮轴；、凸轮的基圆半径较小，常做成凸轮轴； 凸轮的基圆半径较大，可做成的盘状凸轮轮。凸轮的基圆半径较大，可做成的盘状凸轮轮。113 3、凸轮的磨损、凸轮的磨损123、间歇运动机构、间歇运动机构1 1、棘轮机构棘轮机构双向棘轮双向棘轮 双棘爪双棘爪调整棘轮每次转过角度的方法：调整棘轮每次转过角度的方法：（1 1）调整摇杆摆角调整摇杆摆角（2 2）设置遮板设置遮板2 2、槽轮机构、槽轮机构- -电影放映机电影放映机外槽轮机构外槽轮机构内槽轮机构内槽轮机构双圆销槽轮双圆销槽轮空间

7、槽轮机构空间槽轮机构134、带传动、带传动 14优点优点：缓冲、吸振作用；运行平稳、噪音小；：缓冲、吸振作用；运行平稳、噪音小； 结构简单，增减带长适应不同的中心距要求结构简单，增减带长适应不同的中心距要求缺点缺点：普通带传动比不准确；传动带寿命短。：普通带传动比不准确；传动带寿命短。 同步带克服了其缺点。同步带克服了其缺点。欧拉公式：欧拉公式：弹性滑动弹性滑动打滑打滑eFF21155、链传动、链传动优点优点：传动比准确，传动效率高，能工作在恶劣环境下：传动比准确，传动效率高，能工作在恶劣环境下缺点缺点：瞬时速度变化，平稳性差，噪声大：瞬时速度变化，平稳性差，噪声大基本特性参数：基本特性参数：

8、链节距链节距链排数一般不超过链排数一般不超过4 4排，链节数取偶数。排，链节数取偶数。166、螺旋传动、螺旋传动 螺旋传动是利用螺纹副来传递运动和力的，主螺旋传动是利用螺纹副来传递运动和力的，主要功能是将回转运动变为直线运动。要功能是将回转运动变为直线运动。按用途分为三类：按用途分为三类：1、传力螺旋、传力螺旋-千斤顶千斤顶2、传导螺旋、传导螺旋-车床进给车床进给3、调整螺旋、调整螺旋-虎钳虎钳滑动螺旋滑动螺旋滚动螺旋滚动螺旋177、齿轮传动、齿轮传动18齿轮结构设计齿轮结构设计19控制方法控制方法: 机械、机械、电气电气、液压、气动和综合控制、液压、气动和综合控制.电气控制的优点：电气控制的

9、优点：体积小，操作方便，无污染，安全可靠，可进行远体积小，操作方便，无污染，安全可靠，可进行远程控制。程控制。1. 1. 电气控制系统的基本要求电气控制系统的基本要求1)1)满足机械的动作要求或工艺条件。满足机械的动作要求或工艺条件。2)2)电气、电子元件合理，工作安全可靠。电气、电子元件合理，工作安全可靠。3)3)停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电。停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电。4)4)有较强的抗干扰能力，避免误操作现象发生。有较强的抗干扰能力，避免误操作现象发生。三三 机械的控制系统机械的控制系统205)5)便于维护与管理，经济指标好。便于维护与管理，经济指标好。6)6)

10、使用寿命长。使用寿命长。7)7)自动控制系统中应设置紧急手动控制装置。自动控制系统中应设置紧急手动控制装置。2 2控制对象控制对象o对原动机进行控制对原动机进行控制o对电磁铁的控制对电磁铁的控制3 3机械控制系统的发展趋势机械控制系统的发展趋势- -数字控制数字控制控制对象可分为两类：控制对象可分为两类：o第一类是以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的第一类是以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象大小为控制对象(模拟和数字控制模拟和数字控制)o第二类是以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对第二类是以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，称为逻辑控制象，称为逻辑控制212

11、21、机械系统的基本组成形式、机械系统的基本组成形式四四 机械系统及其发展机械系统及其发展232 2、机械系统的发展与演变、机械系统的发展与演变1 1刚性机械系统刚性机械系统 刚性机械系统的运动不具有可控性。一般泛刚性机械系统的运动不具有可控性。一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求。求。2 2柔性机械系统柔性机械系统 柔性机械系统的运动具有可控性，可借助传感柔性机械系统的运动具有可控性，可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、器或控制电路，通过

12、微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。压力、温度等参数实施智能化控制。243 3机械系统的发展机械系统的发展25构件的结构设计原则构件的结构设计原则:1)1)根据受力大小、方向及对机械的具体要求，选择构件材根据受力大小、方向及对机械的具体要求，选择构件材 料，选择材料要合理。料，选择材料要合理。2)2)工艺过程要合理。工艺过程要合理。 3)3)选择横截面的形状与尺寸选择横截面的形状与尺寸, ,有适当的形状有适当的形状。4)4)结构化的构件要满足强度、刚度等项要求，符合安全性结构化的构件要满足强度、刚度等项要求，符合安全性 与可靠性指标。与可靠性指标。5)5)要考虑到与其它构件

13、的可联接性及联接待点。要考虑到与其它构件的可联接性及联接待点。6)6)构件之间不能发生运动干涉。构件之间不能发生运动干涉。7)7)要考虑到经济性，尽量降低成本。要考虑到经济性，尽量降低成本。8)8)维修、安装方便。维修、安装方便。五五 构件设计的原则构件设计的原则26机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计，它包括对原有机构的创新应用、新机构的构思和原动机的创新发展三个方面。1、机构的创新应用 机构的创新应用是仍然使用常见的机构，经过巧妙的构思，赋予机构以新的应用。如无脚蹬自行车即是将自行车后轮安装成偏心轮，恰似曲柄的形式，使后轮转动 六六 机构的创新设计机构的创新设计 272 2、新机构的

14、构思、新机构的构思1）.原有机构的发展 在对原有机构的应用中，由于其某些性能方面的不足，所以会出现一些新的机构。如齿轮传动的传动比较小，因而有蜗轮-蜗杆机构的出现，此后又有摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等。 2）.新机构的创造 如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于假手的研制中。283）.组合机构 将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构。组合机构是机构创新设计的一个重要方面。 齿轮-连杆组合机构包装机械中常用的一种齿轮-连杆组合机构，它可以实现复杂的运动规律，使齿轮5单向变速转动，瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变速转动等。293）.组合机构

15、复杂轨迹曲线的齿轮复杂轨迹曲线的齿轮- -连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动比及比及MM点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。303、原动机的创新发展 新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的结构，甚至改变了传动机构的设计。1）.新型电动机 今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同，交流变频调速技术的应用大大简化了机械变速机构。直线电动机可直接输出直线运动，采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构，并且具有非常高的传动定位精度（m级）。例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、不需要调整。直接驱动电动机，

16、不需要经齿轮等减速机构，而可直接用于机器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。即使是传统的电动机，随着高磁性材料和化学加工方法的应用，其尺寸也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为4mm。其中4层绕组总厚度为0.7mm，永久磁铁厚度为1mm。此外，还可采用硅技术（IC制造技术）制作微型电动机。312）.新材料驱动器 由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与新型驱动器，它们给机构设计带来了新思想。 3）.多自由度驱动器 多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需要一个驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理。多自由度驱动器在多自由度装置中

17、应用，可以减少驱动器的数目，省去这些作运动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小体积，提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二自由度驱动器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位置。32设计举例设计举例 印刷机的送纸机构为例进行机械运动方案设计。印刷机的送纸机构为例进行机械运动方案设计。 1)、任务的分析及运动参数的确定、任务的分析及运动参数的确定 要求要求 一叠纸中的第一张与其它纸张分离并送出，每分钟一叠纸中的第一张与其它纸张分离并送出，每分钟送出送出30张。因此有：张。因此有： (1)送出多远？送出多远？ (2)如何实现纸张分离？如何实现纸张分离？ (3)选用何种动力源驱动送纸机构

18、？选用何种动力源驱动送纸机构？ (4)送纸机构的执行构件应按何种轨迹运动？送纸机构的执行构件应按何种轨迹运动？ 吸头的三种运动轨迹图形。运动轨迹是吸纸机构方案设计的吸头的三种运动轨迹图形。运动轨迹是吸纸机构方案设计的重要依据。重要依据。 方案方案1中中 (1)为提纸，为提纸，(2) 为送纸，为送纸，(3)为回程；为回程； 方案方案2中中 (1)为提纸和送纸同时进行，为提纸和送纸同时进行，(2)及及(3)为回程；为回程； 方案方案3中中 (1)为提纸及送纸，为提纸及送纸，(2)为回程。为回程。33 2）动力源的选择与执行机构的确定）动力源的选择与执行机构的确定 采用电动机作为动力源，采用真空吸盘提起纸张。根据采用电动机作为动力源，采用真空吸盘提起纸张。根据吸头的运动轨迹，设计出三种机械运动方案。吸头的运动轨迹，设计出三种机械运动方案。 方案一是一个典型的凸轮方