-机构构型方案的创新设计课件

大家好大家好目 录第一节机构的组合与创新第二节机构的演化与变异第三节广义机构的创新设计第五章第五章 机构构型方案的创新设计机构构型方案的创新设计为了实现复杂的运动与动作，机械常由简单的基为了实现复杂的运动与动作，机械常由简单的基本机构组合而成。本机构组合而成。机构的组合原理机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构，这个复杂的原则或规律组合成一个复杂的机构，这个复杂的机构一般有两种形式，一种是几种基本机构融合机构一般有两种形式，一种是几种基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构，被称为构，被称为组合机构组合机构；另一种则是几种基本机构；另一种则是几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特性，但需要各个机构的运动或动作协调配合，以性，但需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称作为实现组合的目的，这种形式被称作为机构组合机构组合。机构是机器中执行机械运动的主体装置机构是机器中执行机械运动的主体装置机机构构的的类类型型和和复复杂杂程程度度机器的性能机器的成本机器的制造工艺机器的使用寿命机器的工作可靠性机构的设计在机械设机构的设计在机械设计的整个过程中占有计的整个过程中占有举足轻重的地位举足轻重的地位任何复杂的机构都是由基本机构组合而成的任何复杂的机构都是由基本机构组合而成的基本机构：1.各类连杆机构2.凸轮机构3.齿轮机构4.间歇运动机构5.螺旋机构6.带传动机构7.摩擦轮机构1.1 基本机构的应用：基本机构的应用：（1）基本机构单独应用（2）互不连接的基本机构的组合ABC3214压片机1.1基本机构的应用：基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。基本机构的并联组合基本机构的串联组合1.1基本机构的应用：基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。1.2 常用机构组合方法常用机构组合方法常用的机构组合方式如下：1.利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，组成复杂的机构系统。2.按照串联规则组合基本机构，组成复杂的串联机构系统。3.按照并联规则组合基本机构，组成复杂的并联机构系统。4.按照叠加规则组合基本机构，组成复杂的叠加机构系统。5.按照封闭规则组合基本机构，组成复杂的封闭机构系统。6.上述方法的混合连接，可得复杂的机构系统。实际工作中，是上述方式的组合。1.2.1机构的串联组合机构的串联组合概念概念：机构的串联组合是指若干个单自由度的：机构的串联组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接在一起。前一个机构称为基本机构顺序联接在一起。前一个机构称为前前置机构置机构，后一个机构称为，后一个机构称为后置机构后置机构。每一个前。每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入。置机构的输出运动是后置机构的输入。1.2.1 机构的串联组合机构的串联组合分类分类：根据参与组合的前后机构连接点的不同：根据参与组合的前后机构连接点的不同进行划分。联接点可以设在前置机构中作简单进行划分。联接点可以设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称其为运动的连架杆上，称其为型串联型串联；联接点也；联接点也可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上，可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上，称作称作型串联型串联。做往复直线运动或定轴转动的构件连杆或行星轮型串联型串联型串联型串联串联机构组合的示例串联机构组合的示例连杆机构连杆机构连杆机构连杆机构棘轮机构棘轮机构齿轮机构齿轮机构 槽轮机构槽轮机构 凸轮机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构 连杆机构连杆机构齿轮机构齿轮机构 槽轮机构槽轮机构 凸轮机构凸轮机构(一一)I)I型串联组合型串联组合齿轮机构齿轮机构 连杆机构连杆机构齿轮机构齿轮机构 凸轮机构凸轮机构 前置机构前置机构后置机构后置机构双曲柄机构与槽轮机构的串联组合双曲柄机构与槽轮机构的串联组合前置机构后置机构牛头刨床导杆机构牛头刨床导杆机构毛纺毛纺针梳机针梳机导条机构导条机构前置机构后置机构前置机构后置机构使位移增加的凸轮使位移增加的凸轮连杆机构连杆机构凸轮凸轮连杆糖果连杆糖果包装机剪切机构包装机剪切机构前置机构后置机构前置机构后置机构连连杆杆齿齿轮轮机机构构 飞飞机机高高度度表表具有停歇的六杆机构具有停歇的六杆机构实现从动件两次动程的六杆机构实现从动件两次动程的六杆机构(一一)型串联式组合型串联式组合行星齿轮连杆机构行星齿轮连杆机构 一般直线轨迹或圆弧曲线轨迹可使后置一般直线轨迹或圆弧曲线轨迹可使后置子机构的输出构件实现运动的停歇，自交的子机构的输出构件实现运动的停歇，自交的曲线轨迹可使后置于机械的输出构件实现两曲线轨迹可使后置于机械的输出构件实现两个行程。个行程。串联组合的基本思路串联组合的基本思路串联组合的基本原则：串联组合的基本原则：1、实现后置机构的速度变换。串联组合的基本思路串联组合的基本思路串联组合的基本原则：串联组合的基本原则：1、实现后置机构的速度变换。串联组合的基本思路串联组合的基本思路串联组合的基本原则：串联组合的基本原则：2、实现后置机构的运动变换。获得预期的运动轨迹。曲柄滑块机构没有急回特性串联了曲柄摇杆机构后有急回特性串联组合的基本思路串联组合的基本思路串联组合的基本原则：串联组合的基本原则：3、在满足运动要求的前提下，运动链尽可能短。1.2.2 机构的并联组合机构的并联组合两个或多个基本机构并列布置，称为机构的并联组合。两个或多个基本机构并列布置，称为机构的并联组合。型并联型并联 型并联型并联 型并联型并联 并联式机构组合按输出运动性质可分为简单型和复杂型。并联式机构组合按输出运动性质可分为简单型和复杂型。v v形双缸发动形双缸发动机机 襟翼操纵机构襟翼操纵机构二二、机机构构并并联联组组合合的的示示例例缝纫机针杆传动缝纫机针杆传动钉扣机针杆传动钉扣机针杆传动二二、机机构构并并联联组组合合的的示示例例摆动导杆曲柄滑块摆动凸轮曲柄滑块 丝织机构开口机机构丝织机构开口机机构冲压机的凸轮连杆机构冲压机的凸轮连杆机构曲柄摇杆摇杆滑块摇杆滑块移动从动件盘形凸轮摆动从动件摆动滑块双棘爪机构双棘爪机构活塞机的齿轮杠杆机构活塞机的齿轮杠杆机构曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块并联组合的基本思路并联组合的基本思路串联机构组合的目的：串联机构组合的目的：改变后置机构的运动速度或运改变后置机构的运动速度或运动规律。动规律。并联机构组合的目的：并联机构组合的目的：用于实现运动的分解或运动的用于实现运动的分解或运动的合成，也可改变机构的动力性能。合成，也可改变机构的动力性能。并联组合的基本原则：1.对称并联相同的机构可实现机构的平衡。I型并联组合可实现惯性力的部分或完全平衡。2.实现运动的分解与合成。I型并联组合可实现分流，II型并联组合可实现运动的合成。3.改善受力状态。4.同类机构可以并联，不同类机构也可以并联。将将一一个个或或多多个个机机构构安安装装在在另另一一个个机机构构的的某某个个运运动动构构件件上上的的组组合合形形式式为为叠叠加加式式机机构构组组合合，其其输出的运动是若干个机构输出运动的合成输出的运动是若干个机构输出运动的合成。基本概念：分类一：分类一：叠加组合的运动关系有两种情况，一种是各机叠加组合的运动关系有两种情况，一种是各机构的运动关系是相互独立的称为构的运动关系是相互独立的称为运动独立式运动独立式，常见于各，常见于各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响称为称为运动相关式运动相关式，如摇头电扇的传动机构。，如摇头电扇的传动机构。1.2.3.机构的叠加机构的叠加基础机构：支撑其它机构的基本机构。附加机构：安装在基础机构可动构件上的机构。1.2.3 机构的叠加机构的叠加分类二：分类二：I型叠加组合和型叠加组合和II型叠加组合型叠加组合附加机构基础机构附加机构基础机构I型叠加机构II型叠加机构动力源动力源动力源主要功能：实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。主要功能：实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。设计的主要问题设计的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个是根据所要求的运动和动作如何选择各个附加机构的类型，如何解决输入运动的控制（借助于机械、附加机构的类型，如何解决输入运动的控制（借助于机械、液、气压、电磁等控制系统解决，使输出的复杂工艺动作液、气压、电磁等控制系统解决，使输出的复杂工艺动作适度，符合工作要求。）适度，符合工作要求。）选择附加机构的一般原则选择附加机构的一般原则：将附加机构设计成单自由度，使：将附加机构设计成单自由度，使其运动的其运动的 输入输出形式简单，以达到容易控制的目的。输入输出形式简单，以达到容易控制的目的。机构叠加组合的示例机构叠加组合的示例1 1运动独立式叠加机构运动独立式叠加机构电动玩具马电动玩具马II型叠加机构附加机构基础机构基础机构液压挖掘机机构液压挖掘机机构电风扇摇头机构电风扇摇头机构2.2.运动相关式叠加机构运动相关式叠加机构I型叠加机构一、机构的混合组合方式一、机构的混合组合方式工程中，串联组合、并联组合、叠加组合以及封闭组合等方法经常联合应用，称为混合组合法，如串联后再并联，串联后再叠加等。二、附加约束组合法二、附加约束组合法指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新的目的。1.2.4 1.2.4 其它类型的机构组合与创新设计其它类型的机构组合与创新设计二、附加约束组合法二、附加约束组合法指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新的目的。五杆机构中c点增加凸轮约束改变凸轮轮廓曲线，可以改变滑块的预期运动。凸轮-连杆机构印刷机械和纺织机械中常用。第二节第二节 机构演化与变异机构演化与变异 1机构的演化：以某机构为机构的演化：以某机构为原始机构原始机构，对组成机构的，对组成机构的各各元素元素（运动副，构件）进行各种性质的（运动副，构件）进行各种性质的改变或变换改变或变换，而形成，而形成一种一种功能不同功能不同的机构。的机构。2各种性质的改变或变换：各种性质的改变或变换：机构各元素形状和尺寸上的机构各元素形状和尺寸上的改变改变，运动形式的变换，运动形式的变换，运动等效变换运动等效变换，组成原理的仿效。，组成原理的仿效。3机构演化与变异的主要方法：机构演化与变异的主要方法：运动副及构件形状尺寸运动副及构件形状尺寸的改变的改变，机架变换，机架变换，机构的等效变换机构的等效变换，机构结构的仿效。，机构结构的仿效。4变异机构：通过变异机构：通过演化与变异演化与变异而获得新功能的机构而获得新功能的机构曲柄摇杆机构：具有急回运动特征曲柄摇杆机构：具有急回运动特征双曲柄机构：例如平行四边形机构双曲柄机构：例如平行四边形机构双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。转动副变为滑动副转动副变为滑动副 机构的机架变换称作机构的机架变换称作机构的倒置机构的倒置，机架变换，机架变换后，机构内各构件的后，机构内各构件的相对运动关系相对运动关系不变不变，但，但绝对绝对运动运动发生了发生了改变改变。2.1.1 平面四杆机构的机架变换平面四杆机构的机架变换1铰链四杆机构的机架变化铰链四杆机构的机架变化 2.1 2.1 机构的机架变换与创新设计机构的机架变换与创新设计曲柄摇杆机构：具有急回运动特征曲柄摇杆机构：具有急回运动特征双曲柄机构：例如平行四边形机构双曲柄机构：例如平行四边形机构双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。双摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。2含有一个移动副的四杆机构的机架变换含有一个移动副的四杆机构的机架变换曲柄滑块机构曲柄滑块机构导杆机构导杆机构（转动导杆，摆动导杆）（转动导杆，摆动导杆）摇块机构摇块机构 液压机构液压机构移动导杆机构（定块机构）移动导杆机构（定块机构）手动水压机手动水压机ABC32143含有两个移动副四杆机构的机架变换含有两个移动副四杆机构的机架变换 双滑块机构双滑块机构 双转块机构双转块机构 正弦机构正弦机构椭园规椭园规 数学运算器数学运算器2.1.2 齿轮机构及挠性件齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换传动机构的机架变换普通齿轮传动机构普通齿轮传动机构行星行星齿轮齿轮机构机构普通链传动或齿形带传动普通链传动或齿形带传动行星传动行星传动机构机构挠性传动机构只有具有啮合性质的挠性传动机构只有具有啮合性质的链传动链传动或或齿形带传动齿形带传动才才能进行这种变换。各种履带运输车辆的行走机构就可看成能进行这种变换。各种履带运输车辆的行走机构就可看成是将链传动机构倒置而设计制成的。另外，将链传动中的是将链传动机构倒置而设计制成的。另外，将链传动中的链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构。链固定成为机架，可代替造价昂贵的齿轮齿条机构。机架的变换2.1.3凸轮机构的机架变换凸轮机构的机架变换普通凸轮机构普通凸轮机构 图图 a)固定凸轮机构：固定凸轮机构：凸轮固定凸轮固定，从动件从动件作复合运动。图作复合运动。图 b)应用举例：图应用举例：图 c)凸轮凸轮-行星机构行星机构 图图 d)e)范例：范例：外槽轮机构的机架变换：外槽轮机构的机架变换后与一外槽轮机构的机架变换：外槽轮机构的机架变换后与一个行星齿轮机构串联，个行星齿轮机构串联，1为主动件，为主动件，1与与2啮合，啮合，2上固接着拨盘，上固接着拨盘，当拨盘上的圆销进入槽轮的槽子时，系杆转动输出运动，当圆销当拨盘上的圆销进入槽轮的槽子时，系杆转动输出运动，当圆销退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止，的锁止弧（凸对凹）锁止，系杆系杆4停歇。因为串联了行星齿轮机构，则可改善普通槽轮机构停歇。因为串联了行星齿轮机构，则可改善普通槽轮机构的动力特性。的动力特性。普通间普通间歇运动歇运动机构机构2.1.4 间歇运动机构的间歇运动机构的机架变换机架变换棘轮机构棘轮机构槽轮机构槽轮机构不完全齿轮机构不完全齿轮机构凸轮机构凸轮机构组合机构组合机构2.22.2 运动副形状变异与创新设计运动副形状变异与创新设计1主要目的：主要目的：（1）增强增强运动副元素的运动副元素的接触强度接触强度（2）减小减小运动副元素的摩擦、运动副元素的摩擦、磨损磨损（3）改变改变机构的机构的受力状态受力状态（4）改善机构的运动和动力效果）改善机构的运动和动力效果（5）开拓机构的各种新功能）开拓机构的各种新功能（6）寻求演化新机构的有效途径）寻求演化新机构的有效途径2主要方法：主要方法：（1）改变运动副的）改变运动副的尺寸尺寸（2）改变运动副的）改变运动副的接触性质接触性质（3）改变运动副的）改变运动副的形状形状机构的运动副演化与变异机构的运动副演化与变异 2.2 2.2 运动副形状变异与创新设计运动副形状变异与创新设计2.2.1 转动副的变异设计转动副的变异设计转动副转动副B B的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括A A转动副转动副C C的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括B B转动副转动副D D的尺寸扩大包括的尺寸扩大包括C CABCD曲柄滑曲柄滑块机构机构扩大大转动副副B2.2.2 移动副的变异设计移动副的变异设计滑块扩大将回转副包含2.2.2 移动副的变异设计移动副的变异设计滑块形状变异和组合2.3 运动副的等效代换与创新设计运动副的等效代换与创新设计 2.3.1 空间运动副与平面运动副的等效代换空间运动副与平面运动副的等效代换（1）球面副与转动副的等效代换）球面副与转动副的等效代换（2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换）圆柱副与转动副加移动副的等效代换 运动副的等效代换运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副是指组成机构的各种运动副相互转换或替代，而又不改变机构运动的输入相输相互转换或替代，而又不改变机构运动的输入相输出特性，出特性，这些特性这些特性主要指机构的自由度、机构中各主要指机构的自由度、机构中各相应构件的运动特征等。相应构件的运动特征等。球面副球面副 汇交于球心的三个转动副汇交于球心的三个转动副b图为圆柱副图为圆柱副 平面移动副、转动副平面移动副、转动副 2.3.1 空间运动副与平面运动副的等效代换空间运动副与平面运动副的等效代换万向联轴器就是球面副万向联轴器就是球面副 由三个转动副等效代换的例子。由三个转动副等效代换的例子。2.3.2 高副与低副的等效代换高副与低副的等效代换AB、ACAC、A A至切点等之至切点等之间的距离保持不的距离保持不变，故附加一个，故附加一个长为AB、AC并使其在并使其在A、B、C处分别与原机构的构件处分别与原机构的构件1与与2组成转动副和移动副，这样就构造出各自的同性异形机构。组成转动副和移动副，这样就构造出各自的同性异形机构。高副低代高副低代必须满足的条件：必须满足的条件：替代前后机构的自由度相同；替代前后机构的自由度相同；替代前后机构的运动特性替代前后机构的运动特性相同。相同。1212C当过高副接触点的二曲线曲率半径之和为常数时，可用当过高副接触点的二曲线曲率半径之和为常数时，可用低副机构代替高副机构。若曲率半径之和不为常数，只低副机构代替高副机构。若曲率半径之和不为常数，只能瞬时代替。能瞬时代替。12C第三节广义机构的创新设计3.1 利用液、气物理效应利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液动机构和气动机构，广泛应用于冶金、矿山、建筑和交通运输等行业。1.液动机构图升降机构第三节广义机构的创新设计液压夹紧机构第三节广义机构的创新设计铸锭供料机构第三节广义机构的创新设计挖掘机第三节广义机构的创新设计通用机械手结构1真空吸头2水平气缸3垂直气缸4齿轮齿条副5回转缸6小车2.气动机构第三节广义机构的创新设计商标自动粘贴机第三节广义机构的创新设计光电动机第三节广义机构的创新设计3.2 利用光电、电磁物理效应1.光电动机2.电磁机构电磁机构1电磁铁2杆3电路4复位弹簧第三节广义机构的创新设计磁性滚轮钢板运送机构第三节广义机构的创新设计压电式间歇移动机构1压电元件2右电磁体3左电磁体3.压电机构第三节广义机构的创新设计3.3 利用力学原理1.利用重力作用螺钉整列机构第三节广义机构的创新设计子弹整列机构第三节广义机构的创新设计自动装卸矿车第三节广义机构的创新设计应用平衡重锤作用的平移机构1工件2工件座3摆杆4平衡重锤5挡块第三节广义机构的创新设计工件夹紧切断机构第三节广义机构的创新设计送料机构1曲柄2连杆3摇杆4滑块5机架3推爪a、a挡销第三节广义机构的创新设计机车车轮制动机构第三节广义机构的创新设计振动送料机构1槽体2激振板簧3底座4橡胶减振弹簧5铁心线圈6衔铁7工件第三节广义机构的创新设计2.利用振动及惯性作用(1)振动机构利用振动产生运动和动力的机构称为振动机构，广泛应用于散装物料的捣实、装卸、输送、筛选、研磨、粉碎及混合等工艺。振动式锚头安装机1电动机2带轮3钻座4螺钉5板簧6橡胶块7锤杆8锤头第三节广义机构的创新设计惯性激振蛙式夯土机1夯头2支架3、5平带4电动机6带轮7偏心块第三节广义机构的创新设计(2)惯性机构利用物体的惯性来进行工作的机构称为惯性机构，如建筑机械中的夯土机、打桩机等。3.利用自锁原理爬杆机器人原理机构简图