《机械原理》-第八章-哈工大精品课程

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。
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对于一部机器的设计，一般应遵循
以下步骤：
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
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。
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§8-2 机械运动方案设计的基本要求
一、运动方案设计的必备知识
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（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。 n
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连续工作区 断续工作区
伺服电机
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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。
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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
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
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。
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§8-3 原动机及减速器的基本 知识及其选择

一部机器主要由四大部分组成：
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。
概念，在全世界产生了一定影响。
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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
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独立制造岛的组成和特征
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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
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。 O
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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；
§8-4 机械运动方案设计

传动机构的类型及功用
几种常用传动机构的基本特性Fra Baidu bibliotek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
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第八章 机械的运动方案 及机构的创新设计 §8-1 概述
机械在生产和生活中是必不可少的，它可以代
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
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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。
8 80 250 10 (90) 320 12 100 400 16 (110) 500 20 125 630 25 (140) 32 160 40 (180) 50 200 63 (220)
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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。
一、原动机的选定
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。
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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（%）：0.75~0.95 n
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。 First Up Index
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。
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二、减速器（变速） 系统
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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。 Up Index
谐波减速器
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减速器类型及用途
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机械原理
第八章 机械的运动方案及机构的创 新设计
哈尔滨工业大学
2004年3月
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机械的运动方案及机构的创新设计 目 录 §8-1 概述

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

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减速器与电机的关系
1. 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
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后伺服电机的主流产品。
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步进电机
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。
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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。
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超精密加工机床

加工精度一般在0.1~0.01μm
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机器人
点焊机器人
弧焊机器人
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。
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机器在生产中重要作用
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
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§8-4 机械运动方案设计
定传动比转动机构 原动机运 匀速转动 可变传动比 动一般有均匀 非匀速转动 速运动、直线 往复运动 行程放大机构 往复两种主要 行程放大与可调行程机 构 传 可调行程机构 形 式 。 机 构 设 原动机 动 间歇摆动 匀速转动 计一般常将原 系 间歇运动 间歇移动 直线往复 统 间歇转动 动件运动转变 换向, 单向机构 成如下的各种 差动机构 运 动 要 求 。 实现预期轨迹的运动 （见有关参考 实现函数的模拟机构 实现铡体的位置导引 书） First Up Index
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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
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§8-3 原动机及减速器的基本知识及其选择
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
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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）
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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 Up Index
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2. 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
机器在生产中的重要作用 机器运动方案设计
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§8-2 机械运动方案的设计的基本要求
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

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。 First Up Index
（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。
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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
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。
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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。
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平行关节机器人
双臂协调机器人
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高精密电子封装设备
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涡轮压缩机
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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。
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。
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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