1、課題三課題三 機電創新設計的基礎知識機電創新設計的基礎知識一一 機械的基礎知識機械的基礎知識1、機械及其組成、機械及其組成 機械是用來傳遞運動或動力的能完成有用機械功機械是用來傳遞運動或動力的能完成有用機械功的裝置，用來變換或傳遞能量、信息。其特點如下的裝置，用來變換或傳遞能量、信息。其特點如下: : 1) 1)執行機械運動的裝置執行機械運動的裝置 2) 2)物料或信息的傳遞物料或信息的傳遞, ,完成有用的機械功完成有用的機械功 3) 3)完成能量的轉換完成能量的轉換 分類分類: :動力機動力機, ,工作機工作機, ,信息機信息機12、機械組成的示意圖、機械組成的示意圖原動機原動機傳動結構傳動

2、結構執行結構執行結構控制系統控制系統注意注意: :工程中，有些機械沒有傳動機構，而是由原動工程中，有些機械沒有傳動機構，而是由原動機直接驅動執行機構。機直接驅動執行機構。23、運動方案設計的必備知識、運動方案設計的必備知識 為了順利地進行機械運動方案設計，必須掌握必要的知識和環境信息，必須了解有關學科在實現運動方案設計中所能起到的作用。 1 . 充 分 了 解 并 掌 握 各 種 常 用 機 構 的 基 本 知 識 ； 2 . 必 須 了 解 和 掌 握 各 種 動 力 源 的 性 能 和 使 用 要 求 ； 3.必須熟悉對設計方案的選擇有重要影響的周圍環境的信息； 4.充分重視其他學科的技術

3、應用。3二二 機構的基本類型機構的基本類型1、平面四桿機構、平面四桿機構曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構- -雷達雷達 刮雨器刮雨器 攪拌機攪拌機雙曲柄機構雙曲柄機構-慣性篩慣性篩 平行四邊形機構平行四邊形機構 反平行四邊形機構反平行四邊形機構雙搖桿機構雙搖桿機構-起落架起落架( (實際情景實際情景) ) 起重機起重機4壓力角、傳動角、死點位置壓力角、傳動角、死點位置-縫紉機縫紉機 夾緊機構夾緊機構5急回特性急回特性曲柄與機架長的平方曲柄與機架長的平方和等于連桿與搖桿長和等于連桿與搖桿長的平方和的平方和6曲柄搖塊機構曲柄搖塊機構 擺動導桿機構擺動導桿機構- -牛頭刨床牛頭刨床 曲柄滑塊曲柄滑塊( (搖

4、桿搖桿) )機構機構 偏心輪機構偏心輪機構- -發動機發動機 破破碎機碎機固定1：轉動導桿機構轉動導桿機構- -小型刨床小型刨床固定2：曲柄搖塊機構曲柄搖塊機構- -翻斗車翻斗車固定3：移動導桿機構移動導桿機構- -手壓抽水機手壓抽水機固定4：曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構7設計連桿機構時注意以下問題：設計連桿機構時注意以下問題：1、各構件的運動不能發生干涉、各構件的運動不能發生干涉82 2、在機械平衡的基礎上，把安裝配重與結構設、在機械平衡的基礎上，把安裝配重與結構設計一并考慮計一并考慮3 3、機構的運動精度、機構的運動精度92、凸輪機構、凸輪機構 1 1、實現預期的位置要求、實現預期的位置要求-

5、分度凸輪分度凸輪2 2、實現預期的運動規律要求、實現預期的運動規律要求-自動車床走刀機構自動車床走刀機構 靠模車削靠模車削3 3、實現運動與動力特性要求、實現運動與動力特性要求內燃機的配氣機構內燃機的配氣機構分類：分類：按形狀分：按形狀分：盤形凸輪、移動凸輪、盤形凸輪、移動凸輪、圓柱凸輪圓柱凸輪按從動件端部形狀分：按從動件端部形狀分：尖底從動件、滾子從動件、平底從動件尖底從動件、滾子從動件、平底從動件按從動件的運動方式分：按從動件的運動方式分：直動從動件直動從動件、擺動從動件擺動從動件10凸輪結構設計注意的問題凸輪結構設計注意的問題: :1 1、力鎖合、形鎖合、力鎖合、形鎖合力鎖合力鎖合- -

6、靠模車削靠模車削形鎖合形鎖合- -溝槽凸輪溝槽凸輪 等寬凸輪等寬凸輪 等徑凸輪等徑凸輪2 2、凸輪的基圓半徑較小，常做成凸輪軸；、凸輪的基圓半徑較小，常做成凸輪軸； 凸輪的基圓半徑較大，可做成的盤狀凸輪輪。凸輪的基圓半徑較大，可做成的盤狀凸輪輪。113 3、凸輪的磨損、凸輪的磨損123、間歇運動機構、間歇運動機構1 1、棘輪機構棘輪機構雙向棘輪雙向棘輪 雙棘爪雙棘爪調整棘輪每次轉過角度的方法：調整棘輪每次轉過角度的方法：（1 1）調整搖桿擺角調整搖桿擺角（2 2）設置遮板設置遮板2 2、槽輪機構、槽輪機構- -電影放映機電影放映機外槽輪機構外槽輪機構內槽輪機構內槽輪機構雙圓銷槽輪雙圓銷槽輪空間

7、槽輪機構空間槽輪機構134、帶傳動、帶傳動 14優點優點：緩沖、吸振作用；運行平穩、噪音小；：緩沖、吸振作用；運行平穩、噪音小； 結構簡單，增減帶長適應不同的中心距要求結構簡單，增減帶長適應不同的中心距要求缺點缺點：普通帶傳動比不準確；傳動帶壽命短。：普通帶傳動比不準確；傳動帶壽命短。 同步帶克服了其缺點。同步帶克服了其缺點。歐拉公式：歐拉公式：彈性滑動彈性滑動打滑打滑eFF21155、鏈傳動、鏈傳動優點優點：傳動比準確，傳動效率高，能工作在惡劣環境下：傳動比準確，傳動效率高，能工作在惡劣環境下缺點缺點：瞬時速度變化，平穩性差，噪聲大：瞬時速度變化，平穩性差，噪聲大基本特性參數：基本特性參數：

8、鏈節距鏈節距鏈排數一般不超過鏈排數一般不超過4 4排，鏈節數取偶數。排，鏈節數取偶數。166、螺旋傳動、螺旋傳動 螺旋傳動是利用螺紋副來傳遞運動和力的，主螺旋傳動是利用螺紋副來傳遞運動和力的，主要功能是將回轉運動變為直線運動。要功能是將回轉運動變為直線運動。按用途分為三類：按用途分為三類：1、傳力螺旋、傳力螺旋-千斤頂千斤頂2、傳導螺旋、傳導螺旋-車床進給車床進給3、調整螺旋、調整螺旋-虎鉗虎鉗滑動螺旋滑動螺旋滾動螺旋滾動螺旋177、齒輪傳動、齒輪傳動18齒輪結構設計齒輪結構設計19控制方法控制方法: 機械、機械、電氣電氣、液壓、氣動和綜合控制、液壓、氣動和綜合控制.電氣控制的優點：電氣控制的

9、優點：體積小，操作方便，無污染，安全可靠，可進行遠體積小，操作方便，無污染，安全可靠，可進行遠程控制。程控制。1. 1. 電氣控制系統的基本要求電氣控制系統的基本要求1)1)滿足機械的動作要求或工藝條件。滿足機械的動作要求或工藝條件。2)2)電氣、電子元件合理，工作安全可靠。電氣、電子元件合理，工作安全可靠。3)3)停機時，控制系統的電子元器件不應長期帶電。停機時，控制系統的電子元器件不應長期帶電。4)4)有較強的抗干擾能力，避免誤操作現象發生。有較強的抗干擾能力，避免誤操作現象發生。三三 機械的控制系統機械的控制系統205)5)便于維護與管理，經濟指標好。便于維護與管理，經濟指標好。6)6)

10、使用壽命長。使用壽命長。7)7)自動控制系統中應設置緊急手動控制裝置。自動控制系統中應設置緊急手動控制裝置。2 2控制對象控制對象o對原動機進行控制對原動機進行控制o對電磁鐵的控制對電磁鐵的控制3 3機械控制系統的發展趨勢機械控制系統的發展趨勢- -數字控制數字控制控制對象可分為兩類：控制對象可分為兩類：o第一類是以位移、速度、加速度、溫度、壓力等數量的第一類是以位移、速度、加速度、溫度、壓力等數量的大小為控制對象大小為控制對象(模擬和數字控制模擬和數字控制)o第二類是以物體的有、無、動、停等邏輯狀態為控制對第二類是以物體的有、無、動、停等邏輯狀態為控制對象，稱為邏輯控制象，稱為邏輯控制212

11、21、機械系統的基本組成形式、機械系統的基本組成形式四四 機械系統及其發展機械系統及其發展232 2、機械系統的發展與演變、機械系統的發展與演變1 1剛性機械系統剛性機械系統 剛性機械系統的運動不具有可控性。一般泛剛性機械系統的運動不具有可控性。一般泛指機械裝置與電氣裝置獨立組合的機械系統，只指機械裝置與電氣裝置獨立組合的機械系統，只有簡單的開、關、正反轉、停止等獨立的控制要有簡單的開、關、正反轉、停止等獨立的控制要求。求。2 2柔性機械系統柔性機械系統 柔性機械系統的運動具有可控性，可借助傳感柔性機械系統的運動具有可控性，可借助傳感器或控制電路，通過微機按位置、位移、速度、器或控制電路，通過

12、微機按位置、位移、速度、壓力、溫度等參數實施智能化控制。壓力、溫度等參數實施智能化控制。243 3機械系統的發展機械系統的發展25構件的結構設計原則構件的結構設計原則:1)1)根據受力大小、方向及對機械的具體要求，選擇構件材根據受力大小、方向及對機械的具體要求，選擇構件材 料，選擇材料要合理。料，選擇材料要合理。2)2)工藝過程要合理。工藝過程要合理。 3)3)選擇橫截面的形狀與尺寸選擇橫截面的形狀與尺寸, ,有適當的形狀有適當的形狀。4)4)結構化的構件要滿足強度、剛度等項要求，符合安全性結構化的構件要滿足強度、剛度等項要求，符合安全性 與可靠性指標。與可靠性指標。5)5)要考慮到與其它構件

13、的可聯接性及聯接待點。要考慮到與其它構件的可聯接性及聯接待點。6)6)構件之間不能發生運動干涉。構件之間不能發生運動干涉。7)7)要考慮到經濟性，盡量降低成本。要考慮到經濟性，盡量降低成本。8)8)維修、安裝方便。維修、安裝方便。五五 構件設計的原則構件設計的原則26機構的創新設計是在新構思的基礎上進行的設計，它包括對原有機構的創新應用、新機構的構思和原動機的創新發展三個方面。1、機構的創新應用 機構的創新應用是仍然使用常見的機構，經過巧妙的構思，賦予機構以新的應用。如無腳蹬自行車即是將自行車后輪安裝成偏心輪，恰似曲柄的形式，使后輪轉動 六六 機構的創新設計機構的創新設計 272 2、新機構的

14、構思、新機構的構思1）.原有機構的發展 在對原有機構的應用中，由于其某些性能方面的不足，所以會出現一些新的機構。如齒輪傳動的傳動比較小，因而有蝸輪-蝸桿機構的出現，此后又有擺線針輪減速器和諧波減速器的出現等等。 2）.新機構的創造 如利用纖維連桿將可逆旋轉或擺動變換成直線往復運動的執行元件已用于假手的研制中。283）.組合機構 將幾個機構采用并聯封閉的形式組合后形成的機構稱之為組合機構。組合機構是機構創新設計的一個重要方面。 齒輪-連桿組合機構包裝機械中常用的一種齒輪-連桿組合機構，它可以實現復雜的運動規律，使齒輪5單向變速轉動，瞬時停歇變速轉動或具有反向轉動的變速轉動等。293）.組合機構

15、復雜軌跡曲線的齒輪復雜軌跡曲線的齒輪- -連桿機構。連桿的尺寸、齒輪的傳動連桿機構。連桿的尺寸、齒輪的傳動比及比及MM點的位置不同，軌跡曲線則發生變化。點的位置不同，軌跡曲線則發生變化。303、原動機的創新發展 新型電動機和新材料驅動器的出現，可大大的簡化機構的結構，甚至改變了傳動機構的設計。1）.新型電動機 今天的一些電動機已與傳統的形式有很大的不同，交流變頻調速技術的應用大大簡化了機械變速機構。直線電動機可直接輸出直線運動，采用這種電動機將不再需要諸如滾珠絲杠等直線傳動機構，并且具有非常高的傳動定位精度（m級）。例如使用直線驅動器的電子打字機運行穩定、機構簡單、不需要調整。直接驅動電動機，

16、不需要經齒輪等減速機構，而可直接用于機器人的關節驅動，大大簡化了機構的結構。即使是傳統的電動機，隨著高磁性材料和化學加工方法的應用，其尺寸也越來越小。如使用照相刻蝕、電鍍方法制作的盒式錄像機驅動用新型無刷直流電動機厚度僅為4mm。其中4層繞組總厚度為0.7mm，永久磁鐵厚度為1mm。此外，還可采用硅技術（IC制造技術）制作微型電動機。312）.新材料驅動器 由于新材料的出現，產生了許多新型驅動原理與新型驅動器，它們給機構設計帶來了新思想。 3）.多自由度驅動器 多自由度機械需要多個原動件，每個原動件都需要一個驅動器，有時多個驅動器間還需要有一些機構作運動協調處理。多自由度驅動器在多自由度裝置中

17、應用，可以減少驅動器的數目，省去這些作運動協調的機構，降低裝置的復雜程度，減小體積，提高運動精度。如專門設計的光盤讀寫頭二自由度驅動器，可實現驅動光盤旋轉并準確移動讀寫頭到所期望的軌道位置。32設計舉例設計舉例 印刷機的送紙機構為例進行機械運動方案設計。印刷機的送紙機構為例進行機械運動方案設計。 1)、任務的分析及運動參數的確定、任務的分析及運動參數的確定 要求要求 一疊紙中的第一張與其它紙張分離并送出，每分鐘一疊紙中的第一張與其它紙張分離并送出，每分鐘送出送出30張。因此有：張。因此有： (1)送出多遠？送出多遠？ (2)如何實現紙張分離？如何實現紙張分離？ (3)選用何種動力源驅動送紙機構

18、？選用何種動力源驅動送紙機構？ (4)送紙機構的執行構件應按何種軌跡運動？送紙機構的執行構件應按何種軌跡運動？ 吸頭的三種運動軌跡圖形。運動軌跡是吸紙機構方案設計的吸頭的三種運動軌跡圖形。運動軌跡是吸紙機構方案設計的重要依據。重要依據。 方案方案1中中 (1)為提紙，為提紙，(2) 為送紙，為送紙，(3)為回程；為回程； 方案方案2中中 (1)為提紙和送紙同時進行，為提紙和送紙同時進行，(2)及及(3)為回程；為回程； 方案方案3中中 (1)為提紙及送紙，為提紙及送紙，(2)為回程。為回程。33 2）動力源的選擇與執行機構的確定）動力源的選擇與執行機構的確定 采用電動機作為動力源，采用真空吸盤提起紙張。根據采用電動機作為動力源，采用真空吸盤提起紙張。根據吸頭的運動軌跡，設計出三種機械運動方案。吸頭的運動軌跡，設計出三種機械運動方案。 方案一是一個典型的凸輪方