机械原理第八章

机械原理哈尔滨工业大学2004年3月Index第八章机械的运动方案及机构的创新设计机械的运动方案及机构的创新设计目录§8-1概述IndexUpFirst机器的定义超精密机床、机器人、平行关节机器人、高精密电子封装设备（香港ASM）、汽车、飞机、轮船、涡轮压缩机机构与机器的统称机器的设计有四个方面机器在生产中的重要作用机器运动方案设计§8-2机械运动方案的设计的基本要求IndexUpFirst一、运动方案设计的必备知识充分了解并掌握各种常用机构的基本知识必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求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充分重视其它学科的技术应用IndexUpFirst二、运动方案设计的主要步骤工艺参数的给定及运动参数的确定执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制动力源及减速器的选择机构的选择及创新性设计方案的比较与决策§8-3原动机及减速器的基本知识及其选择IndexUpFirst一、原动机的选定电动机及其类型异步电动机直流电动机伺服电动机步进电动机液压、气压传动动力源液压缸摆动液压缸气动动力源二、减速器（变速）系统减速器传动类型简介减速器与电机的选配三、基本检测元件角度编码器直流编码器§8-4机械运动方案设计IndexUpFirst传动机构的类型及功用几种常用传动机构的基本特性基本机构的组合机构运动协调及运动循环图运动方案设计应注意问题运动方案设计实例第八章机械的运动方案及机构的创新设计§8-1概述IndexUpFirst机械在生产和生活中是必不可少的，它可以代替人们的劳动或延伸人们的劳动能力或完成一定的运动功能。各种机床、锻压机械、纺织机械、食品机械、注塑机、吊车乃至机器人均可称之机器。超精密加工机床加工精度一般在0.1~0.01μmIndexUpFirst机器人弧焊机器人点焊机器人IndexUpFirst平行关节机器人双臂协调机器人IndexUpFirst高精密电子封装设备IndexUpFirstIndexUpFirst涡轮压缩机IndexUpFirst以上这些机器都是当今高科技的产物，它涉及到材料、制造、工艺等各个领域。机器中那些用来传递运动的部分称之为机构。机构与机器的统称为机械。IndexUpFirst为了组织现代化生产和产品的开发，各种生产组织方式相继出现，一些基于网络的制造生产方式已在世界各国出现，一些动态式联盟企业也已经产生。网络化产品制造已经普遍采用。例如哈工大校友张曙教授提出的独立制造岛概念，在全世界产生了一定影响。机器在生产中重要作用IndexUpFirst张曙教授提出一种制造组织形式——独立制造岛独立制造岛的构思IndexUpFirst独立制造岛的组成和特征IndexUpFirst同一种机器在不同的生产线中它所起的作用可以是不同的。无论何种生产方式，机器在生产过程中永远是一个最基本的制造单元。机械运动方案设计必须根据生产方式和机器的基本功用进行设计。IndexUpFirst第一、确定其所要完成的工作任务；第二、根据机器的工作要求，对需要采取的工艺方法或工作原理进行分析；第三、运动方案设计；第四、施工图设计对于一部机器的设计，一般应遵循以下步骤：机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节。所谓运动方案的设计，即是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思，经过参数计算与选择用机构运动简图表示出来。IndexUpFirst一、运动方案设计的必备知识充分了解并掌握各种常用机构的基本知识如齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等等。这些机构在前面已有专门论述，此外还应该了解间歇运动机构，如槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等，它在机械设计中也有着广泛的运用。必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求动力源一般形式有电驱动、汽动、液压驱动三种主要形式。IndexUpFirst§8-2机械运动方案设计的基本要求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如车间动力源情况，是否有防爆要求，设备周围的振源等等。充分重视其他学科的技术应用机电一体化技术，新型材料，新工艺，现代控制技术等。IndexUpFirst二、运动方案设计的主要步骤工艺参数的给定及运动参数的确定工艺参数是一部机器进行方案设计和机构设计的原始依据。工艺路线也取决于设备，不同的工装设备会产生不同的工艺路线，两者相辅相成。执行构件间运动关系的确定及运动循环的绘制一部机器的工作任务是由多个执行构件共同完成的。各执行构件间必然有一定的协同动作关系，确定这种关系的一种直接方法就是运动循环图法。IndexUpFirst动力源及减速器（变速）的选择动力源的选择是一个非常重要的问题，必须熟悉各种动力源的特性及适应环境。减速器（变速）类型多种多样，动力源和减速器的配合不仅涉及到机械性能，而且还和经济性有很大关系。机构的选择及创新性设计执行机构是方案设计的关键，创新是其基础。方案的比较与决策方案的评价是一个很困难的事情，运动精度、结构强度、系统可靠性、稳定性等要全面考虑。IndexUpFirst一部机器主要由四大部分组成：IndexUpFirst§8-3原动机及减速器的基本知识及其选择一、原动机的选定原动机、传动机构、执行机构和控制系统。组成机器的四大部分必须选择和设计得当，才能保证整部机器的性能优良。1.电动机及其类型在电动机中有异步电动机、伺服电动机和步进电动机三大类。异步电动机转速（r/min）：3000、1500、1000、750额定功率（kW）：0.75、1.1、1.5、2.2、3.0、4.0、5.5、7.5、11、18.5、22、30、37、45、55、75、90、110、132、160、200效率（%）：0.75~0.95nOM交流异步电动机的机械特性曲线如图所示，它适应于启动时大扭距、低转速的要求。IndexUpFirstIndexUpFirst直流电动机直流电动机可用作电动机或发电机，还有其它特殊用途。它具有下列特点：（1）优良的调速特性。调速平滑、方便、范围广，转速比可达1：200；（2）过载能力大。轧钢用直流电动机短时过转矩可达到额定转矩的2.5倍及以上，特殊要求的可以达到10倍，并能在低速下连续输出较大转矩。（3）能承受频繁的冲击性负载。IndexUpFirstMn直流电机额定电压（V）：24、60、110、220、330、440、550、560效率（%）：61~94转速（r/min）：400~3000（4）可实现频繁的无级快速起动、制动和反转。（5）能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行要求。（6）缺点是直流电动机结构复杂，制造成本高，维护工作量大。IndexUpFirst连续工作区断续工作区nOM在精密的机械设备中，如数控机床、机器人等均采用伺服电动机作为原动机，伺服电动机的机械特性曲线如图所示。其最大的优点为：在非连续工作区可以给出大的扭矩。伺服电动机的反馈环节是光电码盘来实现的。主要控制方式有位置反馈和速度反馈两种形式。伺服电机IndexUpFirst伺服电机伺服电动机有直流伺服和交流伺服两种电动机。它的主要特点是无刷驱动，它的驱动是由一个专门的驱动器来完成，驱动器可以与其它控制器相联接（公控机或PLC等）。交流伺服技术近几年得到快速发展，它将成为今后伺服电机的主流产品。IndexUpFirst步进电机可以根据脉冲的个数和频率输出转角和转速，它主要用在精度不高，工作阻力不大的开环控制中。步进电机有三相和五相输入形式，输入频率一般小于10K，步距角一般有0.75度，一般运用转速较低。步进电机IndexUpFirst电机的种类很多，有些电动机直接电动装置，可直接选用。电机的选择对整个机械方案选择是最为重要的，对设备的性能有十分重要影响，必须充分重视。矩频特性曲线IndexUpFirstIndexUpFirst2.液压动力源液压缸是实现直线运动的基本动力原件。直线运动液压缸的类型有：单作用液压缸、双作用液压缸、组合式液压缸。摆动液压缸有：单片式、双片式等形式。液压缸气缸缸筒内径尺寸系列810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250320400500630液压缸长度系列：25~4000大于4000时，按R10系数选用。3.气动动力源气动系统已成为实用的工业设备，未来的发展前途更是无可限量，作为动力源气缸是最常用的气动原件。气动和液动的区别：液压系统输入功率大，在环境污染和泄露严重，气压系统无污染，动作快，但承受的载荷较小。气缸种类极其繁多，不一一介绍。下图为SMC公司的一种无杆气缸原件，这种气缸占据空间小，请分析其结构原理。IndexUpFirst保证耐压力：1.2MPa{12.2kgf/cm2}最高使用压力：0.8MPa{8.2kgf/cm2}最低使用压力：0.1MPa{1.0kgf/cm2}环境和流体温度：5~60℃活塞速度：100~1500mm/s请注意，这是一种新型的机械接触式无杆气缸。缸径（mm）：25、32、40流体：空气动作型式：双动IndexUpFirst综上可以看出，电机应用场合非常广泛，布置方便、结构紧凑，液压系统用于大功率驱动较多，但管路繁杂，需要液压泵站等；气动系统一般用于小功率场合，动作速度快，但控制较难，也需要气源。在考虑总体方案时，液压和气动一定要考虑周围环境是否有液或气源，否则系统造价高。IndexUpFirst二、减速器（变速）系统减速器是机械传动方案中一个重要部分，它的作用是变换运动，增加扭矩，减速器有各种类型，参见下列图表。IndexUpFirst谐波减速器IndexUpFirst减速器类型及用途IndexUpFirstIndexUpFirst减速器与电机的关系IndexUpFirst1.确定传递功率这要根据工作阻力及机械系统的效率确定。2.确定传动比3.确定电机和减速器的类型4.要校验扭矩、起动特性等等5.在一些特殊的情况要计算重量、空间尺寸等三、基本检测元件在有闭环控制的机械设计中，要考虑直线的测量和角度的测量的两种元器件。最常用的元器件是直线编码器和角度编码器，每种编码器又都有增量式和非增量式两种。角度编码器的测量精度可达到0.0001°。角度编码器IndexUpFirst直线编码器直线编码器的最高精度目前可达到测量步距为0.001μm。（HEIDENHAIN公司）IndexUpFirst实现铡体的位置导引实现函数的模拟机构实现预期轨迹的运动差动机构单向机构换向间歇转动间歇移动间歇摆动间歇运动可调行程机构行程放大机构构行程放大与可调行程机往复运动非匀速转动可变传动比定传动比转动机构匀速转动统系动传直线往复匀速转动原动机,原动机运动一般有均匀速运动、直线往复两种主要形式。机构设计一般常将原动件运动转变成如下的各种运动要求。（见有关参考书）IndexUpFirst§8-4机械运动方案设计任何构件从运动学来讲它最多有六个自由度，对执行构件的要求一般只能少于或等于六自由度的运动要求。总之，具体的工作要求需要根据具体问题决定。本篇介绍一些科研和工作实践中一些实用机构设计例。重点不是介绍具体的机构设计知识，而是通过这些设计介绍如何应用机构和如何进行创新。1.传动机构的类型及功用传动机构主要用于将原动机的运动和动力传动给执行机构（构件），使其完成特定的作业要求。常用的机构有：齿轮机构、螺旋机构、带传动与链传动、联杆机构、凸轮机构等。In