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第六章　其他常用机构第一节　间歇运动机构第二节　螺旋机构第三节　摩擦传动机构第四节　液、气动机构及电磁传动机构第五节　机器人机构第六节　万向联轴器一)、槽轮机构的工作原理和类型槽轮机构平面槽轮机构空间槽轮机构外槽轮机构内槽轮机构一、槽轮机构第一节　间歇运动机构外槽轮机构内槽轮机构空间槽轮机构在外槽轮机构中，当主动销轮1回转一周时，从动槽轮2的运动时间与主动销轮1的运动时间之比，称为该槽轮机构的运动系数，用τ表示，即二)、槽轮机构的设计1、槽数z和圆销数n的选取设圆销数为n，则2、基本参数的设计三)、槽轮机构的特点和应用槽轮机构的优点是结构简单，制造容易，工作可靠，能准确控制转角，机械效率高。缺点主要为动程不可调节，转角不可太小，且槽轮在起动和停止是加速度变化大、有冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，不适用于高速。一)、棘轮机构的工作原理和类型右图所示的为常见的外啮合齿式棘轮机构，它主要由棘轮3，主动棘爪2，止回棘爪4和机架组成。当主动摆杆1逆时针摆动时，摆杆上铰接的主动棘爪2插入棘轮3的齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摆杆顺时针摆动时，止回棘爪4阻止棘轮反向转动。此时主动棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，棘轮静止不动，从而实现将主动件的连续摆动转换为从动棘轮的单向步进转动。为保证棘爪工作可靠，常利用弹簧6使棘爪紧压齿面。二、棘轮机构常用棘轮机构可分为齿式与摩擦式两大类1、齿式棘轮机构齿式棘轮机构内啮合棘轮机构棘齿条机构当棘轮的直径为无穷大时，变为棘齿条，此时，棘轮的单向转动变为棘齿条的单向移动。单向式棘轮机构的特点是摇杆向一个方向摆动时，棘轮沿同方向转过某一角度；而摇杆反向摆动时，棘轮静止不动。双动式棘轮机构单动式棘轮机构（1）单向式棘轮机构（2）双向式棘轮机构2、摩擦式棘轮机构摩擦棘轮二)、棘轮机构的设计1、齿面倾斜角的选取棘轮齿面与径向线所夹角α称为齿面倾斜角三)、棘轮机构的特点和应用棘轮机构的优点是结构简单，制造方便，运动角可在工作过程中并可在较大范围内调整等优点，缺点主要是棘爪在棘轮齿面滑行时引起噪声，冲击和齿尖摩损，传动精度较差等，不宜用于高速。棘轮机构所具有的单向步进运动特性，在生产实践中常用于以下几种工作要求中。1、步进运动为了实现工件台的双向间歇步进运动，由齿轮机构、曲柄摇杆机构和双向式棘轮机构组成了工作台横向进给机构，如右图所示2、转位、分度右图所示为利用棘轮机构做转位和分度用的一种装置，油缸内的液体推动齿条1作直线移动，通过齿轮2及铰接在其上的棘爪3，推动棘轮4并使从动轴5作单向步进转动，从而带动工件转位或分度运动。3、制动图示为棘轮机构。4、超越离合例：钻床在车床中以棘轮机构作为传动中的超越离合器，实现自动进给和快慢速进给功能。5、计数外啮合内啮合齿轮齿条啮合三、不完全齿轮机构不完全齿轮机构的特点和应用 设计灵活，从动轮的运动角范围大； 一个周期内实现多次动、停时间不等的间歇运动； 加工复杂； 刚性冲击，不适于高速。1．机构的工作原理及特点由主动轮和从动盘组成，主动凸轮作连续转动，通过其凸轮廓线推动从动盘作预期的间歇分度运动。（2）工作特点动载荷小，无刚性和柔性冲击，适合高速运转，无需定位装置，定位精度高，结构紧凑；但加工成本高，装配与调整的要求。（1）工作原理四、凸轮式间歇运动机构2．机构的类型及应用（1）圆柱凸轮式间歇运动机构常取单头螺杆凸轮z2≥6，从动盘按正弦加速度规律设计，可控制中心距消除间隙，承载能力高，间歇频率为1200次/分，分度精度为30″。常取凸轮槽数为1，柱销数一般取z2≥6，在轻载下间歇频率为1500次/分。（2）蜗杆凸轮式间歇运动机构（3）共轭凸轮式间歇机构动力特性好，分度精度高，成本较低。凸轮式间歇运动机构(2/2)圆柱凸轮间歇运动机构蜗杆凸轮间歇运动机构凸轮式间歇机构的特点和应用 结构简单，运转可靠，无需专门定位装置； 通过选择合适的运动规律，减小动载荷，适于高速运转； 精度要求高，加工复杂，安装调整困难。效率较低，特别是具有自锁性的螺旋机构效率低于50％。能获得很多的减速比和力的增益；选择合适的螺旋机构导程角，可获得机构的自锁性。1．螺旋机构的组成及特点（1）螺旋机构的组成通常它是将旋转运动转换为直线运动。但当导程角大于当量摩擦角时，它还可以将直线运动转换为旋转运动。螺旋机构是由螺杆、螺母和机架组成。（2）螺旋机构的特点主要优点：主要缺点：因此，螺旋机构常用于起重机、压力机以及功率不大的进给系统和微调装置中。第二节　螺旋机构一、螺旋机构的工作原理及类型 螺旋机构的类型 运动分析 普通螺旋机构 差动螺旋机构 复式螺旋机构应用 按摩擦状态分滑动螺旋机构滚动螺旋机构2．螺旋机构的运动分析当螺杆转过φ时，螺母沿其轴向移动的距离为s＝lφ/(2π)其中l为螺旋的导程mm。（1）微动螺旋机构设螺旋机构中A、B段的螺旋导程分别为lA、lB,且两端螺旋的旋向相同（即同为左旋或右旋），则当螺杆1转过φ时，螺母2的位移s为s＝(lA－lB)φ/(2π）因lA、lB相差很小时，位移s可能很小，故这种螺旋机构称为微动螺旋机构螺旋机构(2/4)动画如用于调节镗刀进刀量的螺旋机构。此种机构常用测微计、分度机构及调节机构中。（2）复式螺旋机构如果螺旋机构的两段螺旋导程分别为lA、lB，且两端螺旋的旋向相反。这种螺旋机构称为复式螺旋机构。此种螺旋机构常用于车辆的联接。螺旋机构(3/4)动画3．螺旋机构的设计要点螺旋设计的关键是选择确定合适的螺旋导程角、导程及头数等参数。根据不同的工作要求，螺旋机构应选择不同的几何参数。若要求螺旋具有自锁性或具有较大的减速比（微动）时，宜选用单头螺旋，宜选用较小的导程及导程角，但效率较低。若要求传递大的功率或快速运动的螺旋机构时，宜采用具有较大导程角的多头螺旋。螺旋机构(4/4)二、螺旋机构的特点、功能和应用优点：结构简单，制造方便，运动准确，降速比大，可传递很大的轴向力，工作平稳，无噪音，自锁。缺点：效率低，需有反向机构才能反向传动。 螺旋机构的主要功能 转变运动形式 传递运动和动力 用于微调和测量 用于机构调整回转直线运动一、摩擦轮机构的工作原理和特点利用主、从动轮接触处的摩擦力来传递运动和动力优点：结构简单、制造容易；超载时轮间自动打滑，防止零件损坏；工作平稳，噪声小，能无级改变传动比。缺点：压紧力大、零件磨损严重；传动比不稳定，承载能力低；效率较低；第三节　摩擦传动机构二、摩擦轮机构的类型和应用 圆柱摩擦轮机构 圆锥摩擦轮机构 带内滚轮的摩擦轮机构 带中间滚轮的摩擦轮机构第四节　液、气动机构及电磁传动机构一、液、气动机构(一)液动机构1.液压系统的组成及工作原理(1)动力元件(液压泵)　其作用是提供压力油，是系统的动力源，将电动机输出的机械能转变成液压能的能量转换装置。(2)执行元件(液压缸或液压马达)及工作机构(即液压机构)　它将液体的压力能转换为机械能，用以驱动负载。(3)控制元件(包括压力、流量、方向等控制阀)　分别用于控制系统的压力、流量和液流方向，以满足执行元件对力、速度和运动方向的要求。(4)辅助元件(如油管、油箱等)　在系统中起着输送、储存、散热等作用。图6-31　液压系统示意图1—油箱　2—电动机　3—液压泵　4—压力控制阀　5—方向控制阀6—液压缸　7—工作机构　8—流量控制阀2.液动机构的特点1)体积小、质量轻，输出功率大。2)工作平稳，冲击、振动和噪声较小，易于实现快速、频繁的起动、制动和换向。3)无级调速方便，调速范围大，调速比可达5000。4)操纵简单，控制方便，便于实现自动化。5)易于实现过载保护，工作安全可靠。6)由于液压元件自润滑、磨损小、工作寿命长。3.液动机构应用实例图6-32　机械手手臂伸缩液动机构(二)气动机构１.气动系统的组成及工作原理1)气压发生装置。2)执行元件及工作机构(即气动机构)。3)控制元件。4)辅助元件。２.气动机构的特点及应用1)以空气为工作介质，易于获取和排放，不污染环境。2)空气的粘度小，在管路中流动时压力损失小，适于集中供气和远距离输送。3)比液压传动响应快、维护简单。4)适于恶劣的工作环境下工作，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强振、潮湿、有辐射和温度变化大的恶劣环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气机构。5)易于实现过载保护。图6-33　可移动式气动通用机械手结构示意图1—真空吸头　2—水平缸　3—垂直缸4—齿轮齿条副　5—回转缸二、电磁传动机构图6-34　电磁回转机构图6-35　电锤机构机器人和机器人机构机器人是一种可编程的、能执行某些操作或移动作业的自动控制的机械。ISO定义：Arobotisamachinewhichcanbeprogrammedtoperformsometaskswhichinvolvemanipulativeorlocomotiveactionsunderautomaticcontrol。串联机器人:由机座、机身、臂部(大臂和小臂)、腕部和手部构成。是一种多自由度、多杆的、开链型空间机构第五节　机器人机构机器人应用及其前景展望 柔性制造系统及计算机集成制造系统； 微电子及制药业中； 军事、矿冶、核电工业和排险救灾； 恶劣环境下的工作；应用：前景： 办公用机器人； 医疗机器人； 康复机器人； 家务劳动机器人； 一、开式链机构的结构分析 1、机器人操作器 具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的装置。 2、机器人操作器的组成组成：机身、臂部、腕部和手部（末端执行器）等。 3、机器人操作器的自由度 每个关节具有一个自由度， 机构的自由度等于关节数。 该机构具有6个自由度 4、机器人操作器的结构分类 直角坐标型特点： 三个基本关节均为移动关节。 运动图形：长方体 占据空间大，相应的工作范围小优点：结构简单，运动直观性强，便于实现高精度。 4、机器人操作器的结构分类 圆柱坐标型 三个基本关节：2个移动关节，１个转动关节 工作空间：空心圆柱体． 优点：占据空间较小，结构紧凑，工作范围大。 缺点：受升降机构的限制，一般不能提升地面或较低位置的工件。4、机器人操作器的结构分类 球坐标型三个基本关节：2个转动关节，１个移动关节工作空间：空心球体．优点：结构紧凑，工作范围大，能完成地面提取工件的任务。缺点：结构较复杂。4、机器人操作器的结构分类 多关节型 三个基本关节均为转动型。 工作空间：复杂的几何形体． 优点：占据空间最小，工作范围最大，动作灵活。 缺点：驱动控制较复杂。 应用：焊接、装配等复杂操作。二、开式链机构的运动分析 开式运动链机构运动分析的主要内容(1).开式链机构的运动参数。末端执行器的位置和姿态关节运动参数(2).开式链机构运动分析主要问题正向运动学问题反向运动问题工作空间问题已知关节参数，求解位置和姿态坐标。2平面两连杆关节型操作器的运动分析1）正向运动学问题（1）位移分析2）反向运动学问题已知操作器臂端B的位置，求关节参数。（1）位移分析2）反向运动学问题（1）位移分析0o≤α≤180o3）工作空间：并联机器人机构优点：刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷小、动力性能好、控制容易。应用：航天飞船和航海潜艇救援对接器，精密操作的微动仪，虚拟六轴加工机床等。即为坐标系i相对于坐标系i-1的变换矩阵，此法称为D-H法。机器人操作机的运动分析1．操作机位置与姿态的确定（1）操作机位置和姿态的描述构件的空间位置和姿态是用该构件的位置列阵rij和姿态矩阵Rij来描述，或用该构件的位姿矩阵Mij来描述。（2）两杆间的位置矩阵杆i相对与杆i-1的位姿矩阵Mi-1,i，2．操作机位置方程建立及求解M0i＝M01M02…Mi-1,i即为操作机的运动方程。操作机的位姿矩阵方程为（1）操作机位姿方程的建立（2）操作机位姿方程的求解机器人操作机末端执行器的位姿分析有两类基本问题：1）位姿方程的正解已知各关节的运动参数，求末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态。2）位姿方程的逆解根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态，求各关节的运动参数。这是对机器进行控制的关键。因此只有使各关节按逆解中求得的运动，才能使末端执行器获得所需的位置和姿态。例1RRPR型操作机的正解例2RRPR型操作机的逆解机器人操作的运动分析(2/2)一、单万向联轴器的结构及运动分析1)一般情况下，当两轴间夹角α≠0，主动轴等速转动时，从动轴作变速转动。2)当α为定值时，由式(6-39)可得，当φ1=0或180°时，分母值最小，i31=ω3/ω1为极大值，即ω3max=ω1/cosα；当φ1=90°或270°时，式(6-39)分母值最大为1，i31=ω3/ω1为极小值，即ω3min=ω1cosα。3)两轴间夹角α越大，i31的波动值越大，即ω3的变化幅值越大，当α=90°时，i31=0，即此时单万向联轴器将不能传递运动。4)一般情况下十字轴作空间复杂运动，一方面随主动叉作牵连转动，同时绕A-A轴相对于主动叉作摆动。第六节　万向联轴器图6-51　单万向联轴器图6-52　万向联轴器的运动分析a)转角的投影　b)机构简图图6-53　单万向联轴器的传动比二、双万向联轴器及其运动传递1)α12=α32；2)φ2=φ′2，即当中间轴2的左端叉面位于轴1、2所的平面内时，中间轴2的左端叉面也应位于轴2、3所决定的平面内。图6-54　双万向联轴器的配置图6-55　万向联轴器的应用a)汽车传动　b)铣床工作台传动　c)轧辊传动