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LOGOClicktoaddyourtext河北联合大学机械工程学院工程训练中心机械创新设计第二章机械创新设计的基础知识第一节机械的基础知识第二节机械系统及其发展第三节机构运动简图及其结构设计第二章机械创新设计的基础知识第一节机械的基础知识进行机械创新设计除了具有良好的数学基础、外语基础、计算机基础、法律知识基础、经营管理知识基础等现代综合知识结构之外，还应具备一定的机械设计基础知识。第二章机械创新设计的基础知识一、机械及其组成1．机械的概念在机械工程的领域中，常把具体的机械叫机器，把机器中的机械运动系统叫机构。从运动学的观点看，机器与机构都是机械。从功能变换的观点看，机构与机器有很大的区别。本门课中的机械主要指由原动机和若干机构组合而成的机械系统。第二章机械创新设计的基础知识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、物料与信息。其特点如下：1）机械首先必须是执行机械运动的装置。2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功。3）机械中必须要完成能量的转换。第二章机械创新设计的基础知识2.根据机械的特点，还可把机械分为动力机、工作机和信息机。（1）动力机：一般也叫原动机，是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械。按原动机转换能量的方式可分为三大类：1）电能转化为机械能。如各种直流电动机等。2）热能转化为机械能。如柴油机、汽油机等。3）自然力转化为机械能。如水轮机、风力机等。第二章机械创新设计的基础知识根据原动机输出的运动函数的数学性质，可把原动机划分为：线性原动机--原动机输出的位移（或转角）函数为时间的线性函数。如交、直流电动机。非线性原动机--原动机输出的位移（或转角）函数为时间的非线性函数。如步进电机、伺服电机。第二章机械创新设计的基础知识（2）工作机工作机是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械。大部分的机械都是工作机，工作机中必须包含原动机。否则，只能称为机械装置。第二章机械创新设计的基础知识（3）信息机信息机也是一种工作机，只不过是通过各种复杂的信息来控制机械运动。如打印机是通过计算机的指令来控制打印工作的，绘图机、复印机、传真机、收音机都是信息机。第二章机械创新设计的基础知识3．机械的组成一般情况下，机械由原动机、机械运动系统、控制系统组成。原动机传动机构执行机构控制系统第二章机械创新设计的基础知识工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。图a为水轮发电机，图b为鼓风机，图c为二坐标机床的工作台第二章机械创新设计的基础知识有传动机构的机械占大多数。如图油田抽油机。第二章机械创新设计的基础知识二、机械运动系统机械运动系统主要指机械中的传动机构和工作执行机构。机械运动系统可以是机构的基本型，也可以是机构基本型的机构组合或组合机构。1．机构的基本型机构的基本型是指最基本的、最常用的机构型式。第二章机械创新设计的基础知识（1）全转动副四杆机构的基本型基本型为曲柄摇杆机构，可演化为双曲柄机构、双摇杆机构。第二章机械创新设计的基础知识（2）含一个移动副四杆机构的基本型基本型为曲柄滑块机构，可演化为转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。第二章机械创新设计的基础知识（3）含有二个移动副四杆机构的基本型基本型为正弦机构，可演化为正切机构、双转块机构、双滑块机构。第二章机械创新设计的基础知识（4）圆柱齿轮传动机构的基本型基本型为外啮合直齿圆柱齿轮传动机构，可演化为斜齿圆柱齿轮传动机构、人字齿圆柱齿轮传动机构，可用渐开线齿形，也可用摆线齿形和圆弧齿形，还可以演化为行星齿轮传动。第二章机械创新设计的基础知识（5）圆锥齿轮传动机构的基本型基本型为外啮合直齿圆锥齿轮传动机构，可演化为斜齿圆锥齿轮传动机构和曲齿圆锥齿轮传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（6）蜗杆传动机构的基本型基本型为阿基米德圆柱蜗杆传动机构，可演化为延伸渐开线圆柱蜗杆传动机构、渐开线圆柱蜗杆传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（7）内啮合行星齿轮传动机构的基本型基本型是指渐开线圆柱齿轮少齿差行星传动机构，可演化为摆线针轮传动机构、谐波传动机构、内平动齿轮传动机构、活齿传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（8）直动从动件平面凸轮机构的基本型基本型是指直动对心尖底从动件平面凸轮机构，可演化为直动对心滚子从动件平面凸轮机构、直动对心平底从动件平面凸轮机构、直动偏置从动件平面凸轮机构。第二章机械创新设计的基础知识（9）摆动从动件平面凸轮机构的基本型基本型是指摆动尖底从动件平面凸轮机构，可演化为摆动滚子从动件平面凸轮机构、摆动平底从动件平面凸轮机构。第二章机械创新设计的基础知识（10）直动从动件圆柱凸轮机构的基本型基本型主要指直动滚子从动件圆柱凸轮机构。第二章机械创新设计的基础知识（11）摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型基本型主要指摆动滚子从动件圆柱凸轮机构。第二章机械创新设计的基础知识（12）带传动机构的基本型基本型是指平带传动机构，它可演化为V带传动机构、圆带传动机构、活络V带传动机构、同步齿形带传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（13）链传动机构的基本型基本型是指套筒滚子链条传动机构，它可演化为多排套筒滚子链条传动机构、齿形链条传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（14）液、气传动机构的基本型基本型是指缸体不动的液压油缸和气动缸，它们可转化为摆动缸。第二章机械创新设计的基础知识（15）螺旋传动机构的基本型基本型是指三角形螺旋传动机构，它可演化为梯形螺旋传动机构、矩形螺旋传动机构、滚珠丝杠传动机构。第二章机械创新设计的基础知识（16）电磁传动机构的基本型电磁传动机构的基本型广泛应用在开关电路中。第二章机械创新设计的基础知识（17）间歇运动机构的基本型基本型有外棘轮机构、外槽轮机构。第二章机械创新设计的基础知识2．机构的组合把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称之为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识3．组合机构组合机构是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识三、机械的控制系统机械设备中的控制系统所应用的控制方法很多，有机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制。其中以电气控制应用最为广泛。第二章机械创新设计的基础知识1．电气控制系统的基本要求1）满足机械的动作要求或工艺条件。2）电气、电子元件合理，工作安全可靠。3）停机时，控制系统的电子元器件不应长期带电。4）有较强的抗干扰能力，避免误操作现象发生。5）便于维护与管理，经济指标好。6）使用寿命长。7）自动控制系统中应设置紧急手动控制装置。第二章机械创新设计的基础知识2．控制对象（1）对原动机进行控制对交流电动机的控制主要是开、关、停与正反转的控制，对直流电动机与步进电动机的控制主要是开、关、停、正反转及其调速的控制。第二章机械创新设计的基础知识三相异步电动机控制电路原理图第二章机械创新设计的基础知识（2）对电磁铁的控制电磁铁是重要的开关元件，接触器、继电器、各类电磁阀、电磁开关都是按电磁转换的原理实现接通与断开的动作，从而实现控制机械中执行机构的各种不同动作。第二章机械创新设计的基础知识模拟控制与数字控制以位移、速度、加速度、温度、压力等数量的大小为控制对象，并按表示数量信号的种类划分。把位移、速度、加速度、温度、压力的大小转换为对应的电压或电流信号，称之为模拟量。对模拟信号进行处理，称为模拟控制。对数字信号进行处理，称为数字控制。第二章机械创新设计的基础知识逻辑控制以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，称为逻辑控制。逻辑控制可用二值‘0’、‘1’的逻辑控制信号来表示。第二章机械创新设计的基础知识第二节机械系统及其发展一、机械系统的基本组成形式根据原动机、传动机构、执行机构的不同组合以及机械系统运动输出特性的不同，机械系统的基本组成形式见表所示。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识二、机械系统的发展与演变1．刚性机械系统运动不具有可控性，一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求。2．柔性机械系统运动具有可控性，可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。第二章机械创新设计的基础知识3．机械系统的发展机械系统的演变过程框图第二章机械创新设计的基础知识第三节机构运动简图及其结构设计根据产品的功能目标和具体的动作要求设计出机械系统的运动方案以后，进而再设计出传动机构、执行机构以及各种控制机构的参数或尺寸，即可完成机构系统的运动简图设计。第二章机械创新设计的基础知识一、构件的结构设计1．构件的结构设计原则1）选择材料要合理2）工艺过程要合理3）形状要合理4）符合安全性与可靠性指标5）要考虑到可联接性及联接特点6）构件之间不能发生运动干涉7）要考虑到经济性，尽量降低成本8）维修、安装方便第二章机械创新设计的基础知识2．常用构件的结构设计机械系统中的构件主要有齿轮类构件、凸轮类构件、杆状类构件、块状类构件以及其它具有复杂形状的构件。其运动形式有定轴转动（含摆动）、往复移动和平面运动三种。第二章机械创新设计的基础知识（l）齿轮类构件的结构设计齿轮的种类较多，但其结构化设计的原理相同。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识（2）凸轮类构件的结构设计凸轮类构件的结构设计与其从动件的形状、锁合方式、加工方法以及凸轮的尺寸有密切关系。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识滚子从动件的滚子可用滚动轴承、锥面滚子、弧面滚子或柱面滚子。采用滚动轴承时，可用单排或双排球轴承、滚柱轴承、滚针轴承等系列。第二章机械创新设计的基础知识对共扼凸轮的摆动滚子从动件，考虑到制造与安装误差，可设计成可调滚子位置的摆杆或可调摆杆臂式的从动件。第二章机械创新设计的基础知识（3）杆件类构件的结构设计杆件类构件有曲柄、连杆、摇杆，其结构主要根据杆件系统的构造而定。第二章机械创新设计的基础知识（4）块状类构件的结构设计块状类构件大都是作移动的构件，而作移动的构件的结构、形状与运动副的结构有关，因此，将在运动副的结构设计中讨论这一问题。第二章机械创新设计的基础知识3．机械零件组合成构件的方法工程中，很多构件是由许多机械零件组装而成的，即若干个零件通过螺纹联接、焊接、粘接、过盈配合联接后组成一个构件。第二章机械创新设计的基础知识二、运动副的结构设计运动副的结构对机械的性能有重大影响。运动副的结构创新设计对提高机械的性能与寿命有重大帮助。如在螺旋副中，安装一系列滚珠组成的滚珠丝杠传动，把滑动摩擦转换为滚动摩擦，大大提高了机械效率。第二章机械创新设计的基础知识1．转动副的结构设计根据相对运动速度和载荷的大小，可使用滚动轴承或滑动轴承。滚动轴承又有多种结构可供选择。一般情况，其内圈随轴转动，外圈不动。特殊情况下也可相反使用。第二章机械创新设计的基础知识2．移动副的结构设计移动副的结构比较复杂，可以用高副式的移动副，也可用低副式的移动副。设计时，其约束条件可采用重力封闭或形封闭。第二章机械创新设计的基础知识第二章机械创新设计的基础知识3．高副的结构设计在一些特定场合，涉及到高副的结构设计。如用滚子导轨代替平面摩擦导轨时，滚子的直径与宽度、滚子的间距、定位措施等都需进行设计。用滚珠丝杠代替普通丝杠时，原来的低副转变为高副，也需进行设计。第二章机械创新设计的基础知识三、机构系统的结构设计由齿轮、凸轮及间歇运动机构组成的机械系统的结构设计相对容易一些，而由连杆机构组成的机械系统的结构设计要难得多。第二章机械创新设计的基础知识在进行连杆机构的结构设计时，要注意以下问题：1）各构件的运动不能发生干涉。第二