机械优化设计第4章.docx

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机械优化设计第4章

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课程名称机械设计学任课教师李玉柱

第四章机械功能原理的实现计划学时3

教学目的和要求：

1.使学生了解机构能实现的动作功能；

2.使学生掌握传动机构、执行机构、工作头的定义、功能等；

3.使学生学会按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计。

重点：

机构能实现的动作功能；传动机构、执行机构、工作头。

难点：

按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计。

思考题：

增力机构，为何要在近于死点的位置工作？

并能利用图4-10证明之。

第四章机械功能原理的实现

——机械运动系统的方案设计

主要内容：

重点和难点：

机构能实现的动作功能；传动机构和执行机构。

由于课时限制，仅讲本章的重点和难点，即本章的第一节和第二节。

目的是使学生了解机构能实现的动作，知道常用的传动机构和执行机构，会用一些常用的机构解决一些生产实际中的问题。

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．为了完成某一项机械动作功能可能只需要一个简单的机构，也可能需要一个复杂的机构或一些基本机构的组合来完成。

随着机械技术的发展，机构的含义也在不断扩展，例如液体、气体也能直接参与机械运动的变换．挠性体等也在机械传动中起着重要作用。

机构的范畴不再停留在过去纯刚性体的意义上了。

机构—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运动。

2.利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能

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、超越和反向止动。

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。

3.利用机构实现程序控制或手动控制的功能

程序控制或自动控制是自动机械中不可缺少的—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，在整个加工循环中，某个微动开关需要触动几次．对应这个微功开关的凸轮上就制出几个凸起处，以实现对该开关的几次触动。

这种程序控制装置精确度高，它可以在任意—个所需要的位置上触动微动开关。

但是一旦凸轮制成，则整套程序就不能改变了。

如果将凸轮改成鼓轮，在鼓轮上加工出许多个T形槽用于固定触点撞块．撞块的作用相当于凸轮程序控制器中凸轮上的凸起部分．这样随着要求的程序不同便可以调整了。

在更换产品或更换程序时能迅速适应新的要求。

音乐盒能演奏出音乐来也是利用了这种机构。

但也应该指出，在利用机构程序控制实现精确复杂的运动轨迹方面还是不如利用计算机数字程控技术来得方便。

例如数控切割机、数控焊接机等，其走刀运动轨迹可以非常复杂，而如果用纯机械式机构来实现则必定结构非常庞大．可调整性差。

2）利用动作的序列进行控制例如图4—2是—种利用电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程。

图中以液压缸2和5的行程位置为依据来实现相应的顺序动作，工作中当按下启动电钮，电磁阀1YA吸合．液压缸2向右移动。

液压缸5因相应的控制电磁阀断开不进油而维持不动．当液压缸2挡块压下行程开关4时电磁阀3YA吸合．液压缸2停止运动液压缸2停止运动，缸5开始前进，当缸5挡块压下行程开关7时，电磁阀2YA吸合，缸5停止运动，缸2开始返回．当缸2的挡块压下行程开关3时，电磁阀4YA吸合，缸2的返回运动停止，缸5开始返回、当缸5的挡块压下行程开关6时，缸5的返回运动也停止。

完成一个工作循环、利用这种顺序动作进行控制对需要变更液压缸的动作行程和动作顺序来说比较方便，因此在机床液压系统中得到了广泛应用，特别适合于顺序动作的位置、动作循环经常要求改变的场合。

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，由曲轴通过齿轮驱动的调速器轴11上、固装有带径向槽的主动盘l，槽中放置钢球。

当钢球随固定盘旋转时，即受别离心力的作用而企图向外飞开。

钢球左侧为不可移动的钢板。

右侧为可左右滑动的滑套10，滑套的锥形盘在弹簧6的作用下保持与钢球相接触。

杠杆8一端与滑套相接触，另一端联接调节供油量的拉杆4。

当发动机因载荷减小而使曲轴转速上升时，钢球受到的离心力作用增大，向外移动并推动滑套向右移动而使杠杆8绕定轴7转动，拉杆4推动供油量调节臂5，降低发动机的供油量，使发动机的转速下降。

反之，当发动机因载荷增大而使曲轴转速下降时．钢球受到的离心力作用减小，向内移动，在调节弹簧6的作用下杠杆8绕定轴7顺钟向转动．拉杆4拉动供油量调节臂5，增加发动机的供油量，从而使发动机的速度增加。

通过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。

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理来实现，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。

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。

其中前两条是必须满足的．后两条则在有条件下，尽可能的满足。

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．已有各式各样的交直流变速电动机，以满足机械上的各种转速要求；有直线电动机产生直线运动，以满足运动形式变换的要求。

但是这些电动机的运动特性不理想．有的会受到载荷的变化而变化，或转换的效率较低。

因此，绝大多数的机械均使用运动特性好．变换效率高的鼠笼型异步电动机，故用机构来完成运动规律与形式的变换就变成必需的设备．例如各式各样的减速、变速机构，曲柄滑块机构，正弦机构等的运动形式变换机构。

只有非功率性的微小摆动或移动，除了可用机构外，还可以用电磁原理等来获得。

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。

对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分也还必须使用机构，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。

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．但究竟用哪—种好，需要设计者仔细分析研究。

例如开关功能，我们熟悉的电灯开关．均是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析。

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，因此设汁者要密切注意当前的科技进步的动向。

例如目前很少采用直线电动机来实现直线运动的功能，但由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，直线电动机将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设备、当飞机自动驾驶仪万一出现故障时，驾驶员可以利用这套设施确保安全。

因此使用“机”还是“电”尚处于互相补充互相依存的关系上，怎样协调利用好二者的关系也是当今机械设计者的任务。

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。

在一般机器中这四部分的区别是比较明显的。

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。

常用的传动机构有齿轮机构、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—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．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＝Fv

式中P—输出功率

F—输出力；

V—输出速度。

在传输功率一定的情况下，为得到一个比较大的力输出，可以降低输出速度。

如果要使输出力按某一规律变化，则可通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现。

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，有吸收振动的特性，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。

3）利用楔块原理进行传动（例如：

螺旋传动等）。

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—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。

相反气动传动机构—般用于传递较小的力，但作用速度快。

2．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。

由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。

二、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，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。

1.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。

例如图4—4中的牛头刨床．其执行机构有曲柄导杆机构ABCD．它带动工作头（刨刀）作往复运动，工作行程时有近似等速及急回的功能；螺杆E可调节曲柄AB的距离，以改变工作头（刨刀）的行程L。

执行机构齿轮Z1、Z2，曲柄摇杆机构FGHI．棘轮机构J，螺杆K带动工作台作进给运动s，进给运动的大小也可用螺杆调节曲柄FG的距离来获得。

此外，从图4—4中还可见到三个螺杆执行机构MI、M2、M3,它们分别执行刀具的上下，工作台的上下及刀具行程L的位置调整功能。

2、满足特定的运动轨迹

在生产实际中，往往需要机构完成某种特定的运动轨迹，如直线、圆弧等。

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来实现任意预定的运动轨迹。

图中利用两个凸轮A和B的协调配合控制x及y方向的运动就可使滑块上点E准确地实现预定的运动轨迹y=y（x），比如要求E点的运动轨迹为“8”，首先按运动轨迹拟定出描绘“8”时的路线，再按拟定的描绘路线确定凸轮单位转角的大小和矢径，作出位移一转角线图x=x（φA）及y=y（φB），再按凸轮设计方法设计出凸轮实现预期的运动轨迹。

利用凸轮-连杆机构和凸轮-齿轮机构进行组合也可以完成一些比较复杂的运动轨迹。

例如图4-6所示为一凸轮-连杆机构，再此机构未引入凸轮之前，当构件1等速回转时，可同时令连杆上C点沿预期的轨迹S运动，这时构件4的运动完全确定，于是可求出构件4与构件1之间的运动关系s4=f（φ1），当与构件1固联的凸轮能使构件4与构件1按此关系运动时，连杆上的C点必将沿曲线S运动。

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，例如杠杆式千分尺，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

使用的机械式定时器。

另外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。

下面举例说明利用机构实现的一些特殊信息的传递装置。

图4-7是一杠杆式千分表的原理图。

测量杆1向上移动时，杠杆2绕轴线A转动，其长端压在指针3的销子C上，使指针绕轴线B转动,弹簧4使指针3恢复到原始位置。

图4-8是利用蜗轮蜗杆机构的一个计数器。

绕固定轴线A-A转动的蜗杆与绕固定轴线B转动的蜗轮3啮合。

指示盘1与蜗杆2的轴固联，指示盘4与蜗轮3的轴固联。

蜗杆2的整转数在盘4上读出，分数部分利用游标a在指示盘1上读出。

利用机构进行信息传递的具体应用例子很多，此处不再一一枚举。

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，起重饥的吊钩，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—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）。

2.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。

常见的工艺功能主要包含以下几个方面：

（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,机床要加工零件，必须先将零件夹紧，然后才能进刀加工；挖掘机要实现铲土的功能，必须先将铲斗深入土中。

（2）搬运、输送及转换工位工作头对工件进行操作有时需要不断转换位置，工作头要起到搬运、输送及转换工位等作用，使工件从—个位置移到另一个位置。

例如：

起重机吊钩吊起重物后要将其移到另一个位置；自动机床加工零件时，铣完平面后工作头转动一个角度自动钻孔等等。

（3）施力机械为了完成一定的功能，要实现一定的运动和动作．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。

四、选择机构类型和拟定机构简图中的几个问题

通常机械产品要实现某一功能．可以选用不同形式的机构来完成。

究竟选用哪种形式的机构．就存在着机构选型的问题。

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

从原动机到执行构件之间机构数量应尽量少，从主动件到从动件的运动链应尽可能短，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性。

例如图4—9a,为了实现将回转运动转换为按一定运动规律进行的大行程往复直线运动，一般可采用移动从动件圆柱凸轮机构，而不用图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,尽管4-9b中可以缩小盘状凸轮的尺寸，但必须增加构件的数目和运动副数目。

但在许多机器里．为了使操纵机构比较集中，通常采用中间分配轴传动，这虽使传动环节增加了，但从机器整体考虑却有好处，因此并不是说传动越简短越好，要根据具体实际问题全面地权衡利弊，设计出合理的机构简图。

2．使机构有有利的传力条件

许多机构要克服各种阻力工作，各个构件都要传力，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（如冲压机构），应采用增力机构，使其在近于死点位置工作。

图4—10是一种利用死点位置作为增力机构的运动简图。

这种增力机构常用于剪切机、冲压饥、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。

由图4-10可得

（

）

（4—1）

（4—2）

将式（4—1）代入式（4—2）

（4—3）

由式（4—3）可知，若在机构死点位置附近，那么因sinβ＝0，所以当杆长一定时，施加很小的驱动力F1，就能克服在从动杆上所受很大的工作阻力F3。

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。

此时扳紧力F1去掉后，不论力F2有多大都不会使机构发生运动而松开工件，只有向上扳动BC杆，才能使机构运动而松开工件。

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。

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。

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的加入一些开、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。

小结：

本章是在讲机构，实际上是在复习机械原理课程中的重要内容以及机械原理课程中大量内容的应用。

课后希望同学们能到我办公室看一些大量机构应用的实例，以加深课程内容的理解，并扩大知识面。

思考题：

增力机构，为何要在近于死点位置工作？

并能用图4-10证明之。