第三章 机械创新设计的技术基础

原动机
线性原动机 非线性原动机
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第一节 机器的组成分析
二 机器的组成
回 章 首
机械运动系统
原动机
传动机构
执行机构
控制系统 机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统。
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第一节 机器的组成分析
回 章
首
图3-2 无传动机构的机械
图3-3 油田抽油机机构简图 1-电动机 2-带传动 3-减速箱 4-ABCDE连杆机构
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三相交流异步电动机（工、矿、企业动力设备回） 章
电动机 单相交流异步电动机（电冰箱、洗衣机、空调首）
原动机
直流电动机(机电一体化设备） 步进电动机（要求分度或步进运动时）
汽油机（远离电源、功率小－小汽车）
内燃机 柴油机（功率大、远离电源－重载车辆）
液压马达（采矿、冶金、建筑机械）
一次能源动力机：水力机、风力机（环保！）
图3-14 液、气传动机构与钢丝软轴示意图
1-动力源 2、3-接头 4-被驱动装置 5-软轴
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
13.万向联轴器－空间连杆机构
单万向联轴器
3

1
cos
sin 2
cos 2 1
1
双万向联轴器：等速传动
变速传动
图3-15 万向联轴器
1-主动叉 2-中间连接件 3-从动叉
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曲柄滑块机构
回 章 首
正弦机构 直动凸轮机构
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3、转动到摆动的功能变换
回 章 首
曲柄摇杆机构－死点 摆动导杆机构－死点 摆动从动件凸轮机构
摆动凸轮机构
曲柄摇杆机构 曲柄导杆机构
曲柄摇块机构
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4.摆动到移动功能变换
正切机构 摆动液压缸机构
2C 1
3 Aφ
H 4D
Htanφ
回 章 首 退出
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
2、连杆机构
③含有两个移动副四杆机构的基本型
2 B
1 φ A
I1sinφ
正弦机构
43 D
2
1
A
4
D3
双转块机构
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
3、凸轮机构－实现各种形式运动规律，转动移动相互转
换，以及转动向摆动转化。
5-抽油杆
传动机构起缓冲、过载保护、减速的作用。
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第二节 机构及其机械运动形态分析 回 章 首
一、机构及其运动形态
常用的机构
齿轮机构 连杆机构 凸轮机构 螺旋机构 间歇运动机构 带传动和链传动机构 组合机构
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回
章
1、齿轮传动机构
首
内齿轮传动
直齿轮传动 人字齿轮传动
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
2、连杆机构
①全转动副四杆机构的基本型
B A
C
D
退出
b
a 1
d
回 章 首
c
3
b
a
d
1 3
c
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
3
②含有一个移动副四杆机构的基本型
曲柄滑块
2
4
转 动 导 杆 机
1构
机械运动 系统
运动形 式变化
运动性 质变化
运动速 度变化
运动方 向变化
运动合 成分解
传动辅 信息传递 助系统
退出
回
章
1、转动到转动的功能变换
首
齿轮传动机构－最理想，从动轮的转速可按选定传动比计算。 摩擦轮传动机构－传力很小时可用 带传动机构、链传动机构－中心距较大时 钢丝软轴传动机构－两可动件之间转动连接 万向节传动机构－两交叉轴之间连续转动 双转块机构－相近平行轴之间转动 转动导杆机构－从动件变速运动，急回特性
第三节 机械的控制系统
回 章
首
一、机械控制系统的类型
1.机械式控制系统
纯机械控制实现复杂运 动轨迹，结构庞大，可调整 性差。
图3-25 利用速度变化进行控制的汽车发动机调速器 1-主动盘 2、3-齿轮 4-拉杆 5-供油量调节臂 6-调节弹簧
7-固定轴 8-杠杆 9-平板 10-滑套 11-调速器轴
3、凸轮机构
③直动从动件圆柱凸轮机构 ④摆动从动件圆柱凸轮机构
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
4、螺旋传动机构－连续转动到往复直线移动，
基本型——三角形螺旋传动机构
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
5.间歇运动机构--主动件连续转动，从动件间歇转动或间歇移动
回
内容回顾
章 首
1、思维有哪些特性？
间接性和概括性 多层性 自觉性与创造性
2、思维的类型有哪些？
形象、抽象、发 散、收敛、动态 、有序、直接、 创造性、质疑、 灵感
3、创造性思维形成过程的三个阶段？
酝酿准备阶段 潜心加工阶段 顿悟阶段
4、“635法”属于哪种创新方法，它的模式
又是怎样的呢？
“635法”属于群体集智法中的书面集智法，它的模式
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第三节 机械的控制系统
回 章
首
机械控制系统的主要任务:
1.使各执行机构按一定规律和顺序动作 2.改变各运动构件的位置、速度、加速度等 3.协调各运动构件的运动和动作，完成给定的作业环节要求 4.对整个系统进行监控及防止事故，对工作中出现的不正常 现象及时报警并消除
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回
章
第三节 机械的控制系统
是每次会议6个人，每人在卡片上写三个设想，每轮限定时
间为5分钟。
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第2章
机械创新设计的技术基础 回 章 首 第一节 机器的组成分析 第二节 机构及其机械运动形态分析 第三节 机械的控制系统 第四节 机械运动及其控制 第五节 机械系统及其发展 退出
第一节 机器的组成分析
回 章
首
一、机械及其分类
1.概念 机器－机器是执行机械运动的装置，用来变 换或传递能量、物料、信息。 机构－执行机械运动的装置。
棘轮机构
槽轮机构（可用于分拣物品）
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
5,间歇运动机构
分度凸轮机构
不完全齿轮机构
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回
章
首
6,摩擦轮传动机构－传递动力小
（仪器—磁带的前进后退）
①平行轴圆柱摩擦轮 ②圆锥摩擦轮 ③垂直轴圆柱摩擦轮
i12

R2 R1
i12

sin 2 sin 1
i12

R2 R1
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
7,瞬心线机构－主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动。
瞬心线机构可以实现连续的周期性的、变速转动输出。
（1）椭圆型瞬心线机构
i1 2

1 2

BP AP

1 2e cos1
律等多种要求。液压缸－主动件。
a. 单出杆固定缸； b. 双出杆固定缸； c. 摆缸
17.机电一体化机构－在信息指令下实现机械运动。
集自动控制、人工智能、机械运动为一体的新系统。
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
二、机构及其功能
机械运动系统的主要作用是为了实现速度或力的变化、 实现特定运动规律、实现特定运动轨迹、实现某种特殊信息 的传递要求。
凸轮机构
①直动从动件平面凸轮机构 ②摆动从动件平面凸轮机构 ③直动从动件圆柱凸轮机构 ④摆动从动件圆柱凸轮机构
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
3、凸轮机构
①直动从动件平面凸轮机构 ②摆动从动件平面凸轮机构
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
平行四边形
图3-20 位移缩放机构示意图
图3-21 自锁机构
退出
回
7.实现特定运动轨迹
章 首
图3-22 实现特定的运动轨迹
退出
8.实现某种特殊的信息传递
回 章 首
检测、计数，定时显示控制等功能。 机械计数器 机械定时器
图3-23 实现特定信息的传递 1-薄膜 2-连杆 3-齿条 4-齿轮
5-指针
1 e2
e2
1 为轮1的转角，e为椭圆的偏心率
焦距 e 长轴直径
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
7,瞬心线机构－主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动。
瞬心线机构可以实现连续的周期性的、变速转动输出。
2）四叶卵型线轮传动
i12

1 2

BP AP
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
10.绳索传动机构－主动轮转动变换到从动轮的转动
不能传递较大载荷。
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
11.液、汽传动机构－利用液体或气体的动能把主动件的运动
传递到从动件。基本型－刚体不动的液压油缸和气动缸及转化的摆
动缸。
12.钢丝软轴传动机构－软轴相连接，主从动件位置具有随意性。
机械运动学观点看二者等同，统称为机械。
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第一节 机器的组成分析
回
章
首
2.机械的分类
根据机械的特点（能量物料信息主次） 动力机－以能量转换为主的机械。（原动机） 工作机－以物料转换为主的机械。（机床、收割机、起重机等） 信息机－以信息转换为主的机械。（打印机、传真机等）
行业——作业机械、交通运输机械、起重机械、印刷机械、纺织 机械等
3.气压式控制系统
由于采用压缩空气为工作介 质，气压控制对环境污染小，适 合易燃、易爆和多尘工作场所， 安全性、可靠性大大超过液压和 电气控制系统，气动元件速度高 于液压元件。
图3-27 工业机械手电气-气压伺服控制系统
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第三节 机械的控制系统
回
一、机械控制系统的类型
章 首
4.电气式控制系统 电气控制系统体积小，操作方便、无污染、安全可靠，可
回 章
首
15.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。各机构保持原有结构 和运动特性，有自身独立性。
图3-17 机构的组合系统
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回
章
首
16.机、液机构的组合－主要是液压缸系统与连杆系统的组
合，可满足执行机构的位置、行程、摆角、速度及复杂运动规
首
一、机械控制系统的类型
(元器件及装置）
机械式控制系统 液压式控制系统 气压式控制系统 电气控制系统 智能控制系统
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第三节 机械的控制系统
回 章
首
一、机械控制系统的类型
1.机械式控制系统
精确度高，微动开关 可以任意放置。但凸 轮制成后，程序不能 改变。 凸轮 鼓轮
图3-24 凸轮程序控制装置
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斜齿轮传动
蜗杆传动
锥齿轮传动 退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回
章
首
一、机构及其运动形态
1、齿轮传动机构
轮系： 转动→转动 完成齿轮增速减速 转动方向的改变
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
2、连杆机构
四杆机构
①全转动副四杆机构的基本型 ②含有一个移动副四杆机构的基本型 ③含有二个移动副四杆机构的基本型
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第二节 机构及其机械运动形态分析
回
章
首
14.电磁机构－利用电磁转换原理，实现从动件的转动或移动，
常用于开关机构、电磁振动机构等电动机械中。如电磁离合器接
触器等新领域,利用超导现象控制导磁物体的悬浮.
图3-16 电磁机构
1、2-线圈 3-锤头 4-电磁铁 5-吸和杆 6-电路 7-弹簧
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第二节 机构及其机械运动形态分析
退出
第三节 机械的控制系统
回
章
一、机械控制系统的类型
首
2.液压式控制系统
液压控制元件 液压执行机构 根据液压原理建立 起来的控制系统
图3-26 利用动作序列进行控制的液压系统 1、8-换向阀 2/5-液压阀 3、4、6、7-行程开关 9-溢流阀
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第三节 机械的控制系统
回 章
首
一、机械控制系统的类型
5.间歇运动变换
回 章 首
槽轮机构 棘轮机构 不完全齿轮机构 分度凸轮机构
退出
回 章 首
外棘轮机构
内棘轮机构
棘条机构
Hale Waihona Puke Baidu
换向棘轮机构
外槽轮机构
摩擦棘轮机构
退出
回 章 首
空间槽轮机构
分度凸轮轮机构
不完全齿轮机构
棘轮机构应用
槽轮机构应用
退出
回 章 首 退出
回
6.实现特殊功能
章 首
位移缩放机构、微位移机构、自锁机构，力的放大机构
进行远距离控制。通过不同传感器可把位移、速度、加速度、 温度、压力等转变为电量变化，然后由控制系统进行处理。
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。
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
8,带传动机构－主动轮转动增速或减速为从动轮的转动
适用于较大中心距的场合
退出
第二节 机构及其机械运动形态分析
回 章
首
一、机构及其运动形态
9,链传动机构－主动轮转动增速或减速为从动轮的转动
适用于较大中心距的场合，输出同向的减速增速转动
退出
退出
回 章 首
直齿轮传动 斜齿轮传动 人字齿轮传动 内齿轮传动
螺旋齿轮传动
蜗杆传动
锥齿轮传动
退出
带传动机构
同步带传动机构
回
章
首
摩擦轮传动机构 液力传动机构
绳索传动机构
钢丝软轴传 动机构
退出
2、转动到移动的功能变换
回 章
首
曲柄滑块机构（空压机、内燃机） 正弦机构 直动从动件凸轮机构 齿轮齿条机构 螺旋机构(自锁，机床工作台的移动）