3.2　机械系统运动方案设计

3.2.1　机械运动系统

运动方案设计阶段需要解决运动的产生、传递和变换方法以及执行动作的设计。机械运动系统最主要的作用是为了实现速度或力的变化，或实现特定运动规律，或实现特定的运动轨迹，或实现某种特殊信息的传递的要求，如图3-6所示。工程中，各类原动机几乎都是输出一定的转速和力矩，因此以转动为原动件的功能变换需求最多。

①转动到转动的功能变换。一般情况下，主动件作等速转动，从动件大多数也要求作等速转动，但要求有特定的转动速度。最理想的机构是各类齿轮机构，其从动轮的转速可按选定的传动比计算。从动轮转速的变化会伴随着输出力矩的变化。传动力很小时，摩擦轮机构也是实现转动到转动功能变换的简单方式；当中心距较大时，一般采用各类带传动机构或链传动机构更好些。万向轴传动机构则用于两交叉轴之间的连接传动，双转块机构则用于连接相近的平行轴之间的转动，钢丝软轴用于两可动件之间的转动连接，转动导杆机构可实现从动件的变速转动，利用其急回特性可设计特定的机械系统。近期，随着制造水平的提高，瞬心线机构也得到了较好的应用。

②转动到移动的功能变换。工程中的移动大都是往复直线移动。齿轮齿条机构、曲柄滑块机构、正弦机构、直动从动件凸轮机构、螺旋传动机构都能实现转动到移动，这也是一种常见的运动方式。其中大部分机构的运动是可逆的，可以实现移动到转动的运动变换。但应注意具有自锁特性的螺旋传动机构不能实现移动到转动的运动变换。如曲柄滑块机构中的曲柄为主动件时，利用滑块的往复直线移动，可设计成空气压缩机；当滑块为主动件时，可设计成各类内燃机。许多机床工作台的往复移动是靠螺旋传动机构实现的。

③转动到摆动的功能变换。曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构是最常用的转动到摆动的功能变换机构。这类机构也具有运动的可逆性，即能实现摆动到转动的功能变换。但应注意曲柄摇杆机构和摆动导杆机构在极限位置的死点问题，注意摆动从动件凸轮机构的压力角问题。

④摆动到移动的功能变换。正切机构、摆动液压缸机构和无曲柄的滑块机构是实现这类运动变换的常用机构。

⑤间歇运动的变换。间歇性的转动或移动是自动化生产领域中的常见运动形式，棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和分度凸轮机构均能满足该类运动变换。

⑥实现的特殊功能。位移缩放机构、微位移机构、自锁机构、力的放大机构等都是具有特殊功能的机械装置。一般情况下，可采用平行四边形机构作位移缩放机构。

⑦实现特定的运动轨迹。在生产实际中，往往需要机构实现某种特定的运动轨迹，如直线、圆弧等。当运动轨迹要求比较复杂时，一般通过连杆机构或组合机构来完成。

⑧实现某种特殊的信息传递。机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。这一类应用很多，例如，杠杆千分尺、家用水表、电表等使用的机械式计数器，家用洗衣机、电风扇等使用的机械式定时器。另外，还可以用机构来实现速度、加速度等的测量和数据记忆等功能。

3.2.2　机械运动机构

机械运动系统可有齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、斜面机构、棘轮机构、槽轮机、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气传动机构、电气机构，以及利用一些常用机构进行组合而产生的组合机构。研究实现这种运动形态的机构种类，为机械创新设计提供了技术基础。随着科学技术的迅速发展，利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构日益增多，这类机构统称为广义机构，如液动机构、气动机构、声电机构、光电机构和电磁机构等。在广义机构中，由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构能更方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。

①齿轮传动机构。齿轮传动机构的种类很多。外啮合的圆柱齿轮机构传递反向运动、内啮合的圆柱齿轮机构传递同向运动、圆锥齿轮机构传递相交轴之间的运动、蜗杆蜗轮机构传递垂直交错轴之间的运动。齿轮传动机构的基本型为外啮合直齿圆柱齿轮传动机构，可演化为内啮合直齿圆柱齿轮传动机构、斜齿圆柱齿轮传动机构、人字齿圆柱齿轮传动机构，可用渐开线齿形，也可用摆线齿形和圆弧齿形，还可以演化为行星齿轮传动。圆锥齿轮传动机构的基本型为外啮合直齿圆锥齿轮传动机构，可演化为斜齿圆锥齿轮传动机构和曲齿圆锥齿轮传动机构。蜗杆传动机构的基本型为阿基米德圆柱蜗杆传动机构，可演化为延伸渐开线圆柱蜗杆传动机构、渐开线圆柱蜗杆传动机构。

②连杆机构。连杆机构能实现转动到转动的运动变换，其基本型为四杆机构。根据连接运动副的种类，四杆机构可分以下几种：a.全转动副四杆机构。其基本型为曲柄摇杆机构，可演化为双曲柄机构、双摇杆机构。b.含有一个移动副四杆机构。其基本型为曲柄滑块机构，可演化为转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。c.含有二个移动副的四杆机构。其基本型为正弦机构，可演化为正切机构、双转块机构、双滑块机构。双曲柄机构、转动导杆机构都有运动急回特征，广泛应用于要求周期性快、慢动作的机械装置。

③凸轮机构。凸轮机构可实现从动件的各种形式运动规律，可以实现转动和移动的相互转换，以及转动向摆动的转化。根据从动件的运动形式和凸轮形状可分为以下几种：a.直动从动件平面凸轮机构。其基本型是指直动对心尖底从动件平面凸轮机构，可演化为直动对心滚子从动件平面凸轮机构、直动对心平底从动件平面凸轮机构、直动偏置从动件平面凸轮机构。b.摆动从动件平面凸轮机构。其基本型是指摆动尖底从动件平面凸轮机构，可演化为摆动滚子从动件平面凸轮机构、摆动平底从动件平面凸轮机构。c.直动从动件圆柱凸轮机构。其基本型主要指直动滚子从动件圆柱凸轮机构。d.摆动从动件圆柱凸轮机构。其基本型主要指摆动滚子从动件圆柱凸轮机构。

④螺旋传动机构。螺旋传动机构可以实现连续转动到往复直线移动的运动变换。其基本型是指三角形螺旋传动机构，它可演化为梯形螺旋传动机构、矩形螺旋传动机构、滚珠丝杠传动机构。

⑤间歇运动机构。间歇运动机构是指主动件连续转动，从动件间歇转动或间歇移动的机构。基本型有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、分度凸轮机构等。每种机构都有不同的形式，可根据具体的要求进行设计。

⑥摩擦轮传动机构。摩擦轮传动难以传递过大的动力，主要应用在仪器中传递运动。如收录机中磁带的前进与倒退运动就是靠摩擦轮传动实现的。

⑦瞬心线机构。瞬心线机构是把主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动，其机构种类很多，但其设计原理基本相同。瞬心线机构可以靠摩擦传递运动或动力，也可在瞬心线上制成轮齿，形成啮合传动。瞬心线机构可以实现连续的、周期性的、变速转动输出。

⑧带传动机构。带传动机构是把主动轮的转动减速或增速为从动轮的转动，基本型是指平带传动机构，它可演化为V带传动机构、圆带传动机构、活络V带传动机构、同步带传动机构。其中平带传动和圆带传动可交叉安装、实现反向传动。带传动机构适用于较大中心距的传动场合，过载打滑可起到一定的保护作用。同步带齿形传动比准确，在低速情况下也能保持良好的运转效果。

⑨链传动机构。链传动机构是把主动轮的转动减速或增速为从动轮的转动，其基本型是指套筒滚子链条传动机构，它可演化为多排套筒滚子链条传动机构、齿形链条传动机构。链传动机构也是一种适合较大中心距的传动机构，其传动比为二链轮齿数之反比，输出同向的减速或增速连续转动。

⑩绳索传动机构。绳索传动机构也是把主动轮的转动变换到从动轮的转动，除具有带传动的功能外，绳索传动机构还具有独特的作用。由于一轮缠绕，另一轮退绕，二轮中间可有多个中间轮。绳索传动机构不能传递较大的载荷。

⑪液、气传动机构。液、气传动是利用液体或气体的压力能或动能把主动件的运动传递到从动件。液、气传动机构的基本型是指缸体不动的液压油缸和气动缸，它们可转化为摆动缸。在以内燃机为原动机的车辆中常使用液力传动装置。

⑫钢丝软轴传动机构。钢丝软轴的内部由钢丝分多层缠绕而成。由于用软轴相连接，主、从动件的位置具有随意性。

⑬万向联轴器。万向联轴器是一种空间连杆机构，用于传递不共线的二轴之间的运动和动力。可分为单万向联轴器和双万向联轴器。万向联轴器广泛应用在不同轴线的传动机构中。

⑭电磁机构。利用电与磁相互作用的物理效应来完成所需动作的机构称为电磁机构。电磁机构可用于开关、电磁振动等电动机械中，如电动按摩器、电动理发器、电动剃须刀都广泛应用了电磁机构。电磁机构的种类很多，但都是利用电磁转换产生机械运动的原理。图3-7（a）所示的电动锤机构中，利用两个线圈1、2的交变磁化，使锤头3产生往复直线运动。图3-7（b）所示机构为电磁开关。电磁铁1通电后吸合杆2，接通电路3。断电后，杆2在返位弹簧4作用下，脱离电磁铁，电路断开。图3-7（c）所示的钢板运送机构中，滚轮为磁性滚轮。工作人员操纵提升机构使滚轮下移将一块钢板吸住，然后将机构上移，使钢板对准两输送辊之间的位置，驱动磁性滚轮转动将钢板水平送入输送辊之间，完成钢板的运送作业。该机构由于采用了磁性滚轮作为钢板的抓取机构，使整个机构的结构和工艺动作大大简化，同时也节约了能耗，使维护变得简单而易于操作。

反电磁机构是利用机械运动的切割磁力线作用产生电信号，对电信号进行处理后可判断机械振动位移大小和频率。反电磁机构多用于磁电式位移或速度传感器中。

⑮压电机构。图3-8所示为一种以压电元件为动力的间歇移动机构，机构由压电元件1和两个电磁体2、3组成。当压电元件1被电磁体2夹紧时对其施加电压，压电元件伸长，驱动执行机构向左运动，然后左电磁体3将压电元件夹紧，右电磁体去磁后对压电元件断电，使压电元件收缩恢复原状。以后按这一过程频繁地给压电元件通电、断电，并使两电磁体交替励磁、去磁，执行机构便能产生向左的间歇直线运动。该机构结构简单，动力较大，高频通电可使执行机构有较高的运动速度。

⑯机构的组合。单一的机构经常不能满足不同的工作需要。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，称之为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。在机械运动系统中，机构的组合系统应用很多。

⑰机、液机构组合。机、液机构组合主要是液压缸系统与连杆机构系统的组合，可满足执行机构的位置、行程、摆角、速度及复杂运动规律等多方面的工作要求。机、液机构组合中，液压缸一般是主动件，并驱动各种连杆机构完成预定的动作要求。其基本型有图3-9（a）所示的单出杆固定缸、图3-9（b）所示双出杆固定缸以及图3-9（c）所示的摆动缸三种。其液压油路的设计可根据执行机构的动作要求设计。图3-9（a）所示的单出杆固定缸提供绝对移动，常用于夹紧、定位与送料装置中；图3-9（b）所示的双出杆固定缸常用于机床工作台的往复移动装置中；图3-9（c）所示的摆动缸在工程机械、交通运输机械等许多领域中都有广泛的应用。

⑱机电一体化机构。机电一体化机构是指在信息指令下实现机械运动的机构。随着科学技术的发展，机电一体化发展迅速。机电一体化是指电子学技术与机械学技术互相渗透、结合，集自动控制、智能、机械运动为一体的新系统。如打印机、传真机、绘图机等，离开信息传递与处理，将难以发挥机械运动的作用。因此，把它们列入机电一体化机构。

3.2.3　机械运动控制

机械的运动形态由机械的组成形式及其控制方式所决定，特别是现代机械，其机械运动形态的改变与控制方法的关系更为密切。控制系统随着控制器件的发展而发展，20世纪初出现了最早的机电传动控制系统，它借助简单的接触器与继电器等电器，控制对象的启动、停车以及有级调速等；20世纪30年代以后依次出现的电机放大机控制，它使控制系统从断续控制发展到连续控制；20世纪40～50年代出现了磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制，随后出现了晶闸管-直流电动无级调速系统、新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统，它们使控制系统从断续控制发展到连续控制，可以随时监控和自动调整对象的工作状态；随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，控制系统发展到一个新阶段——采样控制，它也是一种断续控制，但在客观上完全等效于连续控制。例如，电梯的电力拖动控制系统是保证电梯在运行效率和乘坐舒适感等方面具有良好性能的速度调节系统，它的发展主要经历了直流调速电梯拖动控制系统、交流双速电梯拖动控制系统、交流调压调速拖动控制系统、交流变频变压调速拖动控制系统。变频调速电梯正在取代其他类型电梯，为电梯的主流产品。

（1）运动的换向控制

要求不断改变机械运动方向的机械很多，各种车辆的前进与后退，旋转机械的正转与反转等许多机械都有换向的要求。

旋转运动的换向与控制：旋转运动的换向问题是工程中常见的运动变换，很多机械设备都有正转、反转或正向转过某一角度再反向转过某一角度的运动要求。主要有以下几种旋转运动的换向方式：

a.改变电动机转向。通过改变电动机的转向实现机械换向是一种最常用的换向方法。

b.限位开关换向。限位开关换向是最常用的控制换向方法。限位开关的种类很多，有机械式开关、光电式开关、磁开关等。对于液压传动，通过限位开关控制电磁换向阀线圈的通电与断电，以改变液流的方向而达到油缸换向的目的。利用机动换向阀也可达到换向的目的。

c.介轮换向。在齿轮传动中常采用介轮换向，汽车的前进与倒退运动就是利用变速箱中的介轮来实现的。图3-10是采用介轮换向的示意图。图3-10（a）中，齿轮啮合路线是齿轮1、2、3、4，有两个介轮参与啮合，轮1、轮4反向运转。图3-10（b）中，啮合路线是齿轮1、3、4，有一个介轮参与啮合，轮1、轮4同向运转。

d.棘轮换向。利用改变棘爪的方向带动棘轮换向在牛头刨床上的进给系统有广泛的应用。图3-11为棘轮换向示意图。改变棘爪的棘齿方向，可改变棘轮的转向。图3-11（a）中，棘爪带动棘轮逆时针方向旋转。图3-11（b）中，棘爪带动棘轮顺时针方向旋转。

e.摩擦轮换向。图3-12中，控制摩擦轮A、B在轴上的滑动位置，利用摩擦轮A与C、B与C的交替接触，实现C轮的正反转，完成螺旋D的往复移动。该机构广泛应用于摩擦压力机。

f.自身换向机构。利用机构本身的结构特点，使得从动件的运动自动换向，称之为自身换向机构。曲柄摇杆机构、摆动凸轮机构以及一些组合机构都能完成自动换向任务。

（2）直线移动的换向与控制

要求往复直线移动的机械种类很多，如内燃机、压缩机的活塞运动，刨床、插床的刀具运动，推拉电动大门的启闭运动，机床工作台的运动等均需要往复的直线移动。直线移动的换向方法主要有以下几种：

①改变电动机转向来实现往复的直线移动。利用直线电动机可直接完成直线运动，其换向控制方法同转动电动机。图3-13（a）为推拉式电动大门的启闭示意图。电动机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图3-13（b）为电动感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电动机的正反转和上下带的反向运动完成门的开启与关闭动作。

②液压换向。在液压传动中，改变液流方向可实现液压缸的往复直线运动。其移动的距离、移动速度、移动过程中所克服的阻力都可以进行调节。

③自身换向机构。自动进行往复直线移动的换向机构种类主要有曲柄滑块机构、正弦机构、双滑块机构、直动凸轮机构以及一些特殊设计的机构等，这些机构的特点是主动件连续转动，从动件作往复的直线移动。

（3）运动的调速控制

机械中的工作机转速一般不等于原动机转速，这就需要协调原动机和工作机之间速度的装置。减速器是用于降低速度增大转矩的装置。增速器是用来增速的装置。变速器是用于不断变换速度的装置。针对传动比和工作条件的不同，有多种常用的减速方式，以下介绍几种基本的减、变速方式。

①电动机调速。改变电动机的工作速度，使电动机能在低速大转矩的条件下工作，是最理想的调速方式。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。近年来随着变频调速技术的发展，使得交流异步电动机的调速和控制完全可以与直流电动机相比，大有取代直流电动机的趋势。

②齿轮减速器。齿轮减速器的特点是传动效率高、使用寿命长、工作可靠性好、维护简便、制造成本低，因而得到广泛应用。其产品已标准化、系列化，设计时可直接用。平行轴减速器可选用直齿圆柱齿轮减速器或斜齿圆柱齿轮减速器，也可选用人字齿圆柱齿轮减速器。一般按传动比、传递功率及安装条件选择减速器。输入输出同轴的减速器主要有行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器。交错轴减速器可选用蜗杆蜗轮减速器。垂直轴减速器可选用锥齿轮减速器，传动比大时可选用与圆柱齿轮组合应用的减速器。

③其他减速装置。各类带传动、链传动、摩擦传动都可起到减速作用。带传动、链传动多用在传动比不大、中心距较大的场合。

④变速器。变速器可分为有级变速器和无级变速器。有级变速器主要是通过控制不同齿轮的啮合来实现的。图3-14（a）为二挡滑移齿轮变速器，控制方式为手动控制。图3-14（b）为行星齿轮变速器。该减速器由五个行星排组成，有五个前进挡和一个倒退挡，控制方式为电动控制。

目前的无级变速器大都通过摩擦传动来实现，因此不能传递过大的功率（≤20kW）。摩擦无级变速器的种类很多。图3-15为几种常见的无级变速器示意图。图3-15（a）中，圆柱轮A沿轴向移动，通过改变与圆锥轮B的接触半径而实现变速的目的。图3-15（b）中，利用A、B轮的分开与靠近来调节V带轮的半径，同时调整中心距，从而实现变速的目的。图3-15（c）中通过改变B轮轴线的角度来改变摩擦半径，从而实现变速的目的。此外，还有链式无级变速器、连杆式脉动无级变速器等多种其他形式的变速器。

（4）运动的离合控制

有时在不停止原动机运转的状态下，需暂时中止执行机构的工作，因此，离合器在机械中得到广泛的应用。离合器的种类很多，但常用的离合器主要有手动离合器和电磁离合器。常用离合器的工作原理图如图3-16所示。图3-16（a）为两端面有牙的牙嵌式离合器。移动右半离合器，可实现运动的分离或接合。半滑环，可使摩擦片压紧或脱开，从而实现运动的分离或接合。图3-16（b）为多片式摩擦离合器。移动右半离合器的滑环，可使摩擦片压紧或脱开，从而实现运动的分离或接合。图3-16（c）为电磁离合器。空套在轴上的左半离合器的线圈通电后，可吸住右半离合器上的衔铁，实现运动的接合，反之则脱开。

（5）运动的制动控制

许多机械中都有制动器，以缩短机械的停车时间。制动器的种类有机械式制动器、电磁式制动器、液压制动器、液力制动器、气动制动器等多种类型。机械式制动器中，还可分为摩擦式、楔块式、杠杆式、棘轮式等多种。

工程中，经常使用电磁式或气动控制的制动器。制动器可用于刹车、防止逆转。其控制方式根据在机械中的作用不同有很大差别，为防止控制系统失灵造成的破坏作用，一般机械中都有采取手动或脚动的紧急刹车装置。

机械的运动形式与其控制方式有关。在对满足机械运动要求的机构进行机械创新设计时，要将其运动形式与控制方法共同考虑，可使设计的机械运动方案更加完善。