第四章 机械功能原理的实现解读

四、选择机构类型和拟定机构 简图中的几个问题
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，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 。
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，有转动、平动、摆动等。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。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
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。 执行机构的主要作用：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。
2.满足特定的运动轨迹
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。
3.满足某种特殊的信息传递
这些信息传递 包括检测、计 数、定时、显 示或控制等功 能。这一类应 用很多，例如 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 机械式定时器。
实例
例如工厂备料车间用的锯床，它是将整根元钢 锯成小段送到各制造车间加工。这种锯床的锯 弓所要求的锯断分功能至少应包含以下三个运 动特性要求： 旋转运动变换成直线往复运动； 工作行程的时间大于回程时间的急回特性； 防止锯齿在工作时受到冲击载荷，要求在工作 行程的中间段具有近似的等速运动。
这三个运动特性要求均有多种机构可以选择： 1) 转动 ( 或摆动 ) 变成移动的机构有：曲 柄 ( 或摆杆 ) 滑块机构、正弦机构、凸轮 机构、齿轮齿条机构等。 2) 具有急回特性的机构有：偏置曲柄滑 块机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、曲 柄导杆机构等。 3)工作行程具有近似等速段的机构：这 个功能特性要求除凸轮机构能单独完成 外，其余机构均需要相互配合才行。
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。 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：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一些常用机构 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。
三、机械运动系统方案设计举例——家用缝 纫机的送布机构设计 1.家用缝纫机送布机构的功能原理要求 1)衣料必须在压脚板与入口平板之间作步 进式移动。 2)送布牙的轨迹为近似矩形，特别是在送 进阶段应是近似直线。 3) 送布牙用棘齿状零件构成，其送布量在 一定范围内可作无级调节。
2.送布机构的功能分解 1)发生矩形轨迹的子功能。 2) 能控制矩形轨迹各段生成时， 与引线机构相配合的控制子功能。 3) 改变送布牙送进量的调节子功 能。 4) 送布机构与传动轴之间的运动 传递子功能。
3.实现子功能的机构选择
(1)矩形轨迹 生成机构 先 根据选择机构 要力求简单的 原则，作如下 分析： 1)选用四杆低 副机构
3)全铰链五杆机构
2)全铰链四杆
机构
(2)矩形轨迹生成的控制机构
(3)送布量的调节机构 调节机构的任务是 将摆杆BB‘的送布输出信 息ε ，改变成大小可调的 送布多少的参数Ψ。
设 想
根据这个设想，能满足有等速段子功能的 机构，除了凸轮机构外还有曲柄摇杆机构、双 曲柄机构、曲柄导杆机构及椭圆齿轮机构等与 曲柄(或摆杆)滑块机构、正弦机构等的组合。 经运动分析知为双曲柄机构 —— 偏心曲柄滑 块机构的组合，它在工作行程的70％范围内有 良好的等速运动性能，且有较好的急回特性， 结构尺寸也合理。其次是曲柄导杆机构——摆动 滑块机构，其运动性能与上述机构不相上下， 但结构尺寸比较大，制造比较复杂，用在锯床 中有些大材小用，但却广泛用于各种类型的牛 头刨床中。
1.运动速度或力的大小变换
P=Fv 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)。 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)。 3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动等)。 4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压；气 动传动等)。ຫໍສະໝຸດ 二、功能原理的分解和机构的选择
当分功能比较复杂。不能用单一机构完成 时，就要将这分功能分解成几个分功能。 分解的原则：所分解出的分功能能够用一个简 单机构去完成，即将这复杂的动作功能分解成 一组由直线和圆弧组成的运动。因为直线和圆 弧是机构能够最容易且最精确完成的运动。 能完成同一功能的机构有很多种，如直线 运动就有曲柄滑块机构、凸轮机构、四杆机构 的连杆曲线、齿轮齿条机构等。 选哪一个机构，这除了要按第二节的原则 外，还要看这些机构能否组合在一起，即所谓 机构间的相容问题。
三、工作头
1.什么是工作头 工作头是直接接触并携带工作对象完成一定的工 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 )的装置。 例如，挖掘机的铲斗，缝纫机的机针等。 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。 (1) 夹持 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。 (2) 搬运、输送及转换工位 例如：起重机吊钩吊 起重物后要将其移到另一个位置。 (3)施力 例如，锻压、冲压机等。
目录
第一节 机构能实现的动作功能 第二节 传动机构和执行机构 第三节 按机械动作功能原理要求作机 械运动系统的方案设计 第四节 发挥机构固有潜力的方法——机 构的创新设计 第五节 机械运动的协调设计和运动循 环图
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 1.利用机构实现运动形式或运动规律变换的 动作功能 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.使机构有有利的传力条件
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，应 采用使其在近于 死点位置工作增 力机构，这种增 力机构用于剪切 机、冲压机、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。
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。 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 竞用哪一种好，需要设计者仔细分析研究。 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， 因此设计者要密切注意当前的科技进步的动向
2.利用机构实现开关、联锁和检测等 的动作功能
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。 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。
第四节 发挥机构固有潜力的 方法——机构的创新设计
上节所述的两种送布机构，后者的优异性 能代替了前者(在高速缝纫机中)，如把这个机 构，拆成单个机构来看，均是大家都熟悉的机 构，它们都无法单独表现出无级调节的运动特 性，但将它们组合在一起时，这个潜在的调节 性能就充分发挥出来了，对于这样 — 种新的机 构设计，谁也不能否认这是一种创造或发明。 下面介绍几种方法用来发明或创造出新的机械。
由此可知送布机构的运动系统方案设计可以有很多上节所述的两种送布机构后者的优异性能代替了前者在高速缝纫机中如把这个机构拆成单个机构来看均是大家都熟悉的机构它们都无法单独表现出无级调节的运动特性但将它们组合在一起时这个潜在的调节性能就充分发挥出来了对于这样种新的机构设计谁也不能否认这是一种创造或发明
第四章 机械功能原理的实现 ——机械运动系统的方案设计
第三节
按机械动作功能原理要求作机械运动系 统的方案设计 一、功能原理解与机械运动系统的方案设计 在功能原理解与机械运动系统的方案设计之间 存在以下两个问题： 1)在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能 用一个已知的机构来完成。这里就需要根据分功能 的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统，由 这些机构共同完成这个分功能的机械动作。这就是 所谓“机械运动系统的方案设计”，或称为“机构 的创新设计”。 2)当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能 的要求选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机 构组成一个协调运动的整体，这也称为“机械运动 系统的方案设计”，也称为“机械运动系统的协调 设计”。
4.机械运动系统的方案设计
机构选择完后，就要根据功能分解的原理将这些 机构组合在一起，完成送布的分功能，这就称为送布 机构的运动方案设计。从上可知，分功能的分解方法 不同，每个部分所选择机构的不同，得出的机械运动 方案也就不同，设计者应该在这众多的方案中选择一 个最优的方案 4-18a送布机构的运动系统方案设计方框图
一、改变机构的某些尺寸参数， 使机构出现一种新的功能
在机械原理中研究过四杆机构，当改变四 连杆机构各杆的相对尺寸时，就会出现曲柄摇 杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构，这三种机 构均有其互不相同的运动特性，这已是大家公 认的事实。现再举如图4—20a所示的“六杆增 力机构”，其设计的初意是当主动构件AB作较 小功率的旋转运动时，滑块能产生巨大的冲压 力。因此这机构被应用于大吨位的冲压机床中。
5.小结
上面通过家用缝纫机 的送布机构设计阐述了 按功能原理作机械运动 系统方案设计的内容和 过程。轨迹发生器的控 制机构采用最简单的凸 轮机构。但凸轮控制已 无法满足现代高速缝纫 的需要。因此，用连杆 机构来代替凸轮机构已 成了高速缝纫机的一种 趋势，因为连杆机构制 造方便，成本低而高速 运转性能良好。由此可 知，送布机构的运动系 统方案设计可以有很多 种。
瞬 时 停 歇 的 运 动 特
二 次 压 印 机
性
二、运用机构的串联组合，改变 机构的运动特性
例子：锯床、筛面粉 机 采用凸轮机构，由 于压力大，压边滑 块的行程又长，因 而这个凸轮就要做 得很大，这不但占 据了机器中很大的 空间，而且凸轮的 制造也较困难。
3.利用机构实现程序控制或手动控制的功能 1)利用时间的序列进行控制
2)利用动作的序列进行控制
3)利用运动的变化等进行控制
二、选择机构来实现功能原理的原则 和范围
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，各式各样的交直流变速 电动机的一些特性还不够理想，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，这就需要各式各样的减速、变速机构，曲 柄滑块机构，正弦机构等的运动形式变换机构；
3.使机构有尽可能好的动力性能 ①在高速机构中，为了使动载荷最小，对机构或 回转构件进行静平衡和动平衡。 ②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地加入一些开、 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。