机械原理第8章广义机构

第八章广义机构8.1内容提要及基本概念8.2本章重点、难点8.3典型例题精解8.1内容提要及基本概念8.1.1内容提要了解液气动机构、电磁机构、振动及惯性机构、光电机构以及微位移机构的工作原理和结构特点。8.1.2基本概念复习1.液、气动机构液、气动机构是以具有压力的液体、气体作为工作介质，来实现能量传递与运动变换的机构。它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。1）液动机构优点：

易无级调速，调速范围大；体积小、质量轻，输出功率大；工作平稳，易于实现快速启动、制动、换向等动作；控制方便；易于实现过载保护；由于液压元件自润滑、磨损小、工作寿命长；液压元件易于标准化、模块化、系列化。缺点：

由于油液的压缩性和泄漏，传动不准确；由于液体对温度敏感，不宜在变温或低温环境下工作；效率低不宜远距离传动；制造精度要求高。水稻联合收割机

履带式全液压挖掘机液压升降机进退升降回转12345通用机械手结构示意图1—真空吸头；2—水平缸；3—垂直缸；4—齿轮齿条；5—回转缸2）气动机构优点：工作介质为空气，易于获取和排放，不污染环境；空气粘度小，压力损失小，适于远距离输送和集中供气；比液压传动影响快，动作迅速；适于恶劣的工作环境下工作；易于实现过载保护；易于标准化、模块化、系列化。应用实例：图示为可移动式气动通用机械手的结构示意图。该机械手的工作循环是：垂直缸上升→水平缸伸出→回转缸转位→回转缸复位→回转缸退回→垂直缸下降气动机械式绷网机采用气动式机构固定网框，保证网框在印刷中无偏移，同时节约了调整时间。气动刀闸阀气动机械式绷网机设工作台的移动距离是Δd，当电磁铁的吸引力为F时工作台保持平衡。F应等于弹簧的拉力F’和由于工作台由初始位移Δdm所产生的吊簧拉力F’’，则

F=F’+F’’（1）电磁铁的吸引力

F=B2s/(2μ)（2）式中：B——电磁场磁通密度（Wb/m2）；

μ——磁导率（H/m）；

s——磁极截面面积（m2）。弹簧的拉力为

F’=k

Δd式中：k——弹簧常数（N/m）；

Δd——工作台移动距离（m）。设由于工作台移动而形成悬挂丝的偏角为θ，工作台向上移动为Δh，则

Δh=L（1-cosθ）式中：L为挂丝长度，当L足够长时，Δh/L=1－cos

θ，由于θ很小Δh/L→0，弹簧拉力F

与挂丝的拉力F

相比较，F

可以忽略不计，所以公式（1）变成（3）由上式可见工作台移动的距离Δd与磁通密度的平方成正比，通过改变电磁铁线圈中的电流可以改变磁通密度，以达到控制位移的目的。通过线圈的电流与磁通密度的关系为：（4）式中：N——绕在电磁铁上的线圈数；l——磁路长度(m)；

μ0——磁性材料的磁导率(H/m)；μ——空气隙的磁导率(H/m)；

d

——空气隙长度（m）;I——电流强度。将式（4）代入（3），得（5）当磁性材料的磁导率μ0比气隙的磁导率μ大的多时，即μ0

>>lμ

/d

，则公式(5)变为（6）可见，工作台移动的距离与电流强度和线圈圈数平方成正比。2）变频调速器由电机理论可知，交流电动机的同步转速为（7）故异步交流电动机的转速为（8）式中：f1——供电电源频率；P——电动机极数；S——转差率。由公式7和8可知，当连续改变供电电源的频率时，可平稳地改变电动机的同步转速，从而改变其对应的电机转速。这个方法称之为变频调速。由于在变频调速中，电机从高速至低速，其转差率都很小，故变频调速的效率和功率因数都很高。因此变频调速还是交流电机调速的一种理想方法，已广泛应用在各类机电设备中，可直接取代许多种机械变速器。变频调速具有调速广，调速精度高等特点。在高速传动机械，低速大容量设备驱动，大容量同步电机低频启动，高能耗设备，特殊条件与环境下可先采用变频调速。3.振动及惯性机构1）振动机构利用振动产生运动和动力的机构称为振动机构。方式有电磁式，机械式，音叉式或超声波式等。在轻工业中获得广泛应用，对于各种小型产品（如钟表元件、无线电元件、小五金制品）、粉粒料（如味精、洗衣粉、食盐、糖等），以及易碎物品（如玻璃和陶瓷制品等），都可以作为有效的供料机构。电磁振动送料机构与其他送料机构相比，具有如下的一些优点：结构简单，重量轻；供料速度容易调节；物料移动平稳；消耗功率小；适用范围广。2）惯性机构利用物体的惯性来进行工作的机构。如建筑机械中的夯土机，打桩机等。许多情况下，惯性与振动在这类机构中同时被利用。青蛙式夯土机打桩机直立式夯土机4.微位移机构微位移机构指工作时机构产生的工作位移小于毫米级的机构。这类机构有极高的灵敏度和精度。其核心部件是微位移器。根据微位移的原理分为机械式和机电式。微位移器的分类：微位移器机械式机电式精密丝杠、差动丝杠杠杆机构楔块机构、凸轮机构齿轮机构弹性机构电热式电磁式压电、电致伸缩式电热伸缩棒电热伸缩筒磁致伸缩电磁压电陶瓷电致伸缩器件扭簧弯曲弹簧横向压缩弹簧弹簧减压伸缩筒弹簧膜片膜盒1）压电、电致伸缩微位移机构压电、电致伸缩微位移机构是利用某些种类的介质在电场作用下会产生伸缩效应来进行工作的。属于一种新型微位移机构，其特点是结构体积小，精度高，定位精度可达0.01µm，使一种非常有效的微位移机构，在计算机芯片制造业中应有极为广泛。应用实例：x–y

–

θ三自由度微动工作台主要用于投影光刻机和电子束曝光机，粗动台行程120mm×120mm，速度为100mm/s，定位精度为±5µm。三自由度的微动工作台被固定在粗动台上，x，y行程为±8µm，定位精度为±0.05µm，±0.55×10-3rad。微动工作台的原理如下：整个微动工作台面由四个两端带有柔性铰链的柔性杆支承，有三个筒状电压晶体驱动，压电器件安装在两端带有柔性铰链的支架上，支架分别固定在粗动台和微动台上，只要控制三个压电器件上的外加电压，便可以获得Δx，Δy=(Δy1+Δy2)/2，Δθ=（Δy1-Δy2)/2三个微动自由度。电子束曝光机3）热变形微位移机构热变形微位移机构通常采用电加热方式，其结构形式有电热伸缩棒