机械的运动方案及机构的创新设计

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连续工作区 断续工作区
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。
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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。 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。
Hale Waihona Puke Baidu
一、运动方案设计的必备知识 为了顺利地进行机械运动方案设计，必须掌握必要的知识 和环境信息，必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到 的作用。 1. 充 分 了 解 并 掌 握 各 种 常 用 机 构 的 基 本 知 识 ； 2. 必 须 了 解 和 掌 握 各 种 动 力 源 的 性 能 和 使 用 要 求 ； 3.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； 4.充分重视其他学科的技术应用。 ▲
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。
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。
伺服电机
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。
自锁 0.4~0.45
三角带 0.92~0.94 闭式 0.95~0.97
同步齿形带 0.96~0.98 滚子链≤ 15 m/s 齿形链≤ 30 m/s 同步齿形带≤ 50m/s 三角带≤ 40 kW
率随时发生变化
压力角不同
效率亦不同
, 滚动 0.85~0.98
滑动速度 速 6 级精度非直齿 v ≤ 36 m/s 15~35m/s 度 5 级精度直齿 v ≤ 200m/s 圆弧齿轮 v ≤ 100m/s 功 率 传 动 比 其 他 渐开线齿轮≤ 50000 kW 圆弧齿轮≤ 6000 kW 锥齿轮≤ 1000 kW 一对圆柱齿轮 i ≤ 10 通常 i ≤5 一对圆锥齿轮 i ≤8 通常 i ≤3 主要用于传动 小于 750 kW
液压动力源与气动动力源 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。 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。
三、运动方案设计的主要步骤 1.工艺参数的给定及运动参数的确定； 2.执行构件间运动关系的确定及运动循环图的绘制； 3.动力源的选择及执行机构的确定； 4.机构的选择及创新性设计； 5.方案的比较与决策。
§10－2原动机、传动机构和执行机构的类型和选择 一、原动机的类型及应用 原动机的动力源主要有电、液及气三种。 电动机是最常用的原动机，交流异步电动机、直流电动机、 交流伺服电动机、直流伺服电动机及步进电动机等均有广泛的 应用。 液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。 气马达及气缸则是主要的气压原动机。
机械系统的运动形式
• 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。
定传动比转动机构 匀速转动 可变传动比 非匀速转动 往复运动 行程放大机构 行程放大与可调行程机 构 传 可调行程机构 原动机 动 间歇摆动 匀速转动 系 间歇运动 间歇移动 直线往复 统 间歇转动 换向, 单向机构 差动机构 实现预期轨迹的运动 实现函数的模拟机构 实现铡体的位置导引
2.回转运动的机构 1) 齿轮传动机构 2) 双曲柄机构 一曲柄回转可带动另一曲柄做等速或不等速回转运动 3) 链传动及带传动 可以实现较长距离的回转运动 3.任意轨迹运动的机构 1) 四杆机构（连杆曲线） 四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动
轨迹
2) 开式链机构 任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹， 工业机器人操作机大多是由开链机构组成的。
4.点到点的运动机构 1)曲柄滑块机构 合理的设计曲柄滑块机构的尺寸，可以实现滑块的点到点 的运动 2)凸轮机构 摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到 点的运动
5.位到位的运动机构 在四杆机构应用中，连杆及摇杆占据空间两个及两个以上 位置的情况随处可见，如： 1)热处理炉炉门开闭机构 炉门可以占据开启和闭合两个位置 2)飞机起落架机构 起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置
§10－3 机械运动方案的设计
机械的运动方案设计包括从原动机─传动机构─执行机构的整个系统的 设计，其结果是给出一份满足运动性能要求的运动简图。
一、工艺参数的给定及原动机的选择
在概述中对牛头刨床的运动方案设计已给出了主要的工艺参数 ——运 动参数，以及由此而确定的力参数。切削力的大小影响着机构的选取，因为 某些机构无法承受大的作用力。运动参数应包括运动形式（直线运动、回转 运动、曲线运动）、运动特点（连续式、间歇式、往复式）、运动范围（极 限尺寸、转角及位移）、运动速度（等速、不等速）等。运动参数是由机械 的工艺要求决定的。力的参数，如牛头刨床中的切削力的大小，锻压机械中 压头的压力大小等都是由机械的工艺要求决定的。有时，某些参数需由设计 者计算得到。 根据运动参数，参考力的参数，考虑粗略的、大致的传动方案（注意 对传动精度的要求），比较其繁简，并依据现有条件，综合选择原动机的类 型。一般地说，应首选电动机，但也并非尽然。在满足工作性能要求、现场 允许的条件下，有时也用液压或气压驱动源。 原动机的不同选择对机械传动系统的设计、组成的繁简以及性能的优 劣都有着重要的影响。
三、执行机构的运动类型及典型机构
机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构。执行机构中接触 工件或执行终端运动的构件称为执行构件。机器通过执行构件完成作业任 务。 执行机构的运动分为直线运动、回转运动、任意轨迹运动、点到点的 运动及位到位的运动等主要五种运动形式。实现不同运动形式的典型机构 主要有： 1.直线运动的机构 1) 齿轮-齿条机构 齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复直线运动 2) 螺旋机构 丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动 3) 曲柄滑块机构 当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线运动 4) 有特定尺寸的四杆机构（连杆曲线在某一区段的直线运动） 当四杆机构中的杆件尺寸满足 BC=CD=CM=2.5AB ， AD=2AB 时，曲 柄连续回转，则连杆上的M点在某一运动段上其轨迹为近似直线 5) 链传动（直线段部分的运动） 带有翼片的链传动，可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运 动。
第十章 机械的运动方案及机构的创新设计
§10－1 概 述 机械产品的设计过程：为成功创造出满足设计要求的装 置、产品或系统所遵循的逻辑过程。 设计过程的三个阶段：
产品的规划与任务分解 ---- 设计需求与约束条件的分析与分解，形 成设计要求与设计任务书。 方案设计-----提出机械运动方案，绘制机构运动简图。 详细设计-----结构设计、强度计算、形成技术文件。
二、传动机构的类型及功用 常用的传动机构有： 1.齿轮机构 齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不同 传递动力范围的场合。 2.螺旋机构 在许多机械设备中大量应用着螺旋机构（又称丝杠传 动），它主要用于将回转运动转变为直线运动。 3.带传动与链传动 带传动及链传动多用于中心距较大的传动。 4.连杆机构 连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。 5.凸轮机构。 由于凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要用于传 递运动。
（2）并联式
主动件1的运动(t)同时传给基本机构I和II，使它们具有相同的 运动规律 1(t)或不相同的运动规律 1(t)和 2(t)，并通过具有两个 自由度的差劝机构III使从动件2获得合成的运动规律(t) 。
III使运动叠加后，传给从动件2，其运动规律为(t) 。
（3）组合式
组成复合式 组合机构时， 基本机构有 机联结，互 相依存。基 本机构 I或 II中 主动件的运 动 ( t) ，通过 机构 I、 II中部 分构件组成 的差动机构 III 使运动叠加 后，传给从 动件 2 ，其运 动规律为(t) 。
几种常用传动机构的基本特性
齿轮机构 传动比准确，外廓尺寸 优 小，交率高，寿命长，功 率及速度范围广，适宜于 点 短距离传动 缺 制造精度要求高 点 开式 0.92~0.96 效 闭式 0.9 6 ~0.99 率 6 级精度直齿 v ≤ 18 m/s 开式 0.5~0.7 蜗杆—蜗轮机构 带传动 链传动 中心距变化范围 连杆机构 适用于宽广的载 凸轮机构 能实现各种运 螺旋机构 可改变运动形 转动变移 动, 传力比较大
常用于传动链的
常用于传动链中 速度较低处
既可做为传动机 构又可做为执行 机构
主要用于执行 机构
主要用于转变 运动形式 , 可做 为调整机构
三、 基本机构的组合 基本机构的组合大致可分为三种形式。 （1）串接式
主动件1的运动 (t)依次通过基本机构I和II，使从动件2获得某 一运动规律(t)，在这种组合机构中前一机构的从动件往往又是后 一机构的主动件。
二、机械运动方案的创新设计设计 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。 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,在设计时，应用各种技法（分析综合法、思维扩 展法、还原创新法等）借鉴同类产品的经验和最新科技成 果，拟订出合理的工作原理，对不同的工作原理及运动方 案进行综合评价，从中选出最优的工作原理和运动方案。
传动比大 , 可实现 中心距变化范围
反向自锁 , 用于空 广, 可用于长距离 广 , 可用于长距离 间交错轴传动 , 传 传动 , 可吸振 , 能 传动 , 平均传动比 动平稳 效率较低 保护作用 上受力较大 于传送物料 边形效应
菏范围 , 可实现不 动规律 , 机构 式 : 同的运动轨迹 , 可 紧凑 大或缩小行程等 速运动 在运动过程中效
• 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
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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
起到缓冲及过载 准确 , 特殊链可用 用于急回 , 增力 , 加 有打滑现象 , 轴 有振动冲击 , 有多 设计复杂 , 不宜高 易磨损 , 主要 滑动螺旋刚度 用于运动传递 较差 , 效率不高 随运动位置和 滑动 0.3~0.6 平皮带 0.92~0.98 开式 0.9~0.93
闭式 0.7~0.9
v ≤ 三角带≤ 25 k W
最大可达 3500 kW 通常为 100kW 以 下 滚子链 i ≤ 7~10 齿形链 i ≤ 15
常用为 50 kW 以 同步齿形带≤ 200~750 kW 下 开式 i ≤ 100 常用 i ≤ 15~60 闭式 i ≤ 60 常用 i ≤ 10~40 主要用于传动 平皮带 i ≤5 三角带 i ≤7 同步齿形带 10 高速端 i≤