机械创新设计课程 6 机构再生设计与创新

6 机构再生设计与创新,6.4 机构再生设计,6.1 一般化运动链,6.2 杆型类配,6.3 运动链组合,再生运动链法创新设计流程,原始机构,机构一般化原则,一般化运动链,杆型类配,再生运动 链,一般化原则,再生新机构,组合运动链,约束条件,6.1一般化运动链（“刚性杆”+转动副）,6.1.1一般化原则,将非刚性构件转化为“刚性”构件(弹簧、带、链）,将非杆形构件转化为一般化杆（二副杆、三副杆等）,将非转动副转化成转动副,将复合铰链转化成为简单铰链,解除机架，还原成运动链,转化前后自由度保持不变,机构一般化图例,6.1.2 常用机构的一般化,含有平面高副的机构,含有复合铰链的机构,含有液压油缸的机构,含有弹簧的机构,含有带、链的机构,6.2 杆型类配,6.2.1 杆型（机构的一般化杆件）,6.2.2 杆型类配,n2+n3+n4+nn=N (5-1),2n2+3n3+4n4+nnn=2P (5-2),式中：,n2,n3,n4,nn分别表示为二副杆、三副杆、四副杆、n副杆。,N为运动链的构件数（包含机架的构件数）,P为运动链中副的总数,用式（5-2）减去2式（5-1）得：,n3+2n4+（n-2)nn=2(P-N) (5-3),若已知运动链中的杆数与副数，则多副杆的数目及其组合关系就很容易判断。,二副杆数为：n2=N-n3-n4-nn (5-4),杆型类配时应注意机构结构退化问题：,六杆机构退化成四杆机构或五杆机构，八杆机构退化成六杆机构。,对策：内环路数目和含副数最多的杆型的限制,以六杆七副运动链为例。,外环路：a-d-e-f-g,内环路：a-b-c-d和b-c-e-f-g,内环路数目：L=P-N+1=7-6+1=2,为防止退化每内环路至少包含4个运动副，这样就约束了运动链中不同杆型的组合方式，也限制了运动链中含副数最多的杆型，即,nmax=nL+1,八杆十副运动链,内环数目：L=P-N+1=10-8+1=3,含副数最多的杆：nmax=nL+1=n3+1=n4,已知nmax=4,再按式（53）和式（54）进行杆型类配,八杆十副运动链的杆型类配方案,6.3 运动链组合,在杆型类配方案确定之后，怎样把各种杆型连接起来组合成各种结构类型的运动链，就是运动链的组合问题。若以运动链的形式进行组合将会很不方便，例如，一个二副杆具有两个外接副，其中一个副可以连接一个二副杆，另一个副可以连接多副杆；也可以两个外接副都连接二副杆，或两个外接副都连接多副杆。组合极其不便，引入拓扑图及缩图概念。,图中的点：运功链中的杆,图中的线：运功链中的副,A,B,三度点：点与三条线相连，如A,B,二度点：点与两条线相连，如C,D,E,F。,C,D,E,F,6.3.1 图的概念,六杆七副运动链全图,6.3.2 图的组合,1 构造缩图,六杆七副运动链的缩图（N=6,P=7）,内环数目：L=P-N+1=7-6+1=2,含副数最多的杆：nmax=nL+1=n2+1=n3,缩图,八杆杆十副运动链的缩图（N=8,P=10）,内环数目：L=P-N+1=10-8+1=3,含副数最多的杆：nmax=nL+1=n3+1=n4,2 构造全图,六杆七副运动链构造全图（nmax=n3,L=2),缩图,构造全图之一,构造全图之二,型缩图,1,2,3,形缩图的全图,Y形缩图,构造Y形缩图的全图,Y-1,Y-2,Y-3,Y-4,Y-5,Y-6,V形缩图,V-1,V-2,V-3,V-4,V-5,O形缩图,O-1,O-2,6.3.3 运动链的组合,六杆七副运动链,16种结构八杆十副运动链,16种结构八杆十副运动链,6.4 机构再生设计,6.4.1 气动压紧机构(六杆机构)再生设计,对图示气动压紧机构进行再生设计,要求压紧杆是与机架相连的移动构件,气缸部件为动力源,气缸与机架固接或铰接。,按照一般化原则：转动副替代移动副，复合铰链以简单铰链取代，解除机架成为运动链。,原始机构,一般化运动链,复合铰链A,若构件3看作三副构件,复合铰链A,若构件2或4看作三副构件,若将转动副B,C间距离变为零，则变异结构链可成为变异结构链,确定设计约束,气缸与机架固接，则活塞杆为主动件，且与机架组成移动副；压紧杆为输出构件，其也与机架组成移动副。,气缸与机架铰接，即连架杆相连的构件为活塞杆，且与气缸形成移动副，压紧杆为输出构件（与机架组成移动副）。,组合运动链,按照约束条件气缸与机架固接，则活塞杆为主动件，且与机架组成移动副；压紧杆为输出构件，其也与机架组成移动副。画决策树,机架（气缸） 6（3）,活塞,3,输出构件,（主动件）,1（5）,3,5,1（5）,方案号 ,有效方案 ,1（2、4、5）,2,6,6,2,气缸 1（5） 3,按照约束条件气缸与机架铰接，即连架杆相连的构件为活塞杆，且与气缸形成移动副，压紧杆为输出构件（与机架组成移动副）。画决策树,机架 6,活塞,2（4）,输出构件,（主动件）,2,3,5,1,方案号 ,有效方案 ,1（2、4、5）,2,6,3,2,5,6,3,2,5,按照约束条件气缸与机架固接，则活塞杆为主动件，且与机架组成移动副；压紧杆为输出构件，其也与机架组成移动副。画决策树,机架（气缸） 6（3）,活塞,5,输出构件,（主动件）,1（3）,3,5,1（3）,方案号 ,有效方案 ,1（3）,2,5,5,2,2,6,4（5）,按照约束条件气缸与机架铰接，即连架杆相连的构件为活塞杆，且与气缸形成移动副，压紧杆为输出构件（与机架组成移动副）。画决策树,气缸 1（3） 5,机架 6(2),活塞,4,输出构件,（主动件）,2,3,5,1（3）,方案号 ,有效方案 ,4（5）,2,5,1（3）,23,2,25,6,6,5,6,24,1（3）,2（6）,3,4,21,22,变异结构链和变异结构链均存在复合铰链,瓦特链有效方案运动简图,斯蒂芬森链有效方案运动简图,斯蒂芬森链有效方案运动简图,变异结构链有效方案运动简图,确定原始机构,1)本田,6.4.2再生运动链法创新设计应用,2)川崎,3)五十铃,0,分析三种已有设计，归纳拓扑构造特性：,1）悬挂装置是F=1的平面机构,2）机构组成：6构件7运动副（ R ：a，b，c，e，f，P：g）,3）机构有6个转动副,4）机构有1个移动副,5）机构有1个固定机架（Gr：构件1）,6）机构有1个铰支杆（Li：构件2）,7）机构有1个摆动杆（Li：构件3），其一端与机架铰接，另一端与后轮联接；,8）机构有1个平面运动杆（Li：构件4）,9）机构有1个减震装置，由活塞杆构件5和汽缸体构件6组成。,五十铃悬挂简图,转化原始机构为一般化运动链,一般化原则:,1)把所有的运动副转化成一般化运动副,2)把所有的构件转化成一般化连杆,3)原始机构与其对应的一般化机构：构件与运动副一致,4)原始机构与其对应的一般化机构：自由度数不变,一般化图例,机构一般化方法的流程图,把五十铃后轮悬置机构一般化,一般化流程图,1)固定件1转化成二副杆（杆1）,2)主动件曲柄2为三副杆（杆2）,3)摆动杆3为三副杆（杆3）,4)连杆4为二副杆（杆4）,5)活塞和缸体5、6为二副杆（杆5和杆6）,6）移动副为转动副,7）固定件机架释放,1,2,3,4,5,6,六杆七副非同构运动链,求取一般化运动链图谱,六杆七副运动链,求取可用特定化运动链图谱(引入约束摆杆与固定杆相连),再生出特定化运动链图谱,设计要求:,1)必须有一个固定杆为机架,2)必须有一个减震器,3)必须有一个摆动杆用于安装摩托车后轮,4)固定杆、减震器和摆动杆必须是不同构件,将不同的构件赋于固定杆、减震器及摆动杆,1）指定固定杆（Gr）：六副七杆非同构运动链（a）,六副七杆非同构运动链（b）,2）减震器（Ss-Ss）,3）摆动杆（SW）,可用特定化运动链图谱,求取可用机构图谱,获取新型机构图谱,删除原始机构:b)川崎,e)本田,f)五十铃,6.4.3再生运动链设计应注意的问题,构件相似性判断,构件相似性定义,两个具有相同运动副数目的构件,若它们与运动链中其他构件的连接关系均相同,则称此两构件相似.,构件平行相似性定义,运动副数目相同的两构件与其他构件的位置关系相同,则称此两构件平行相似。,a）和c）中，构件1和3、构件2和4；b）构件1、2、3平行相似。,构件相似关系继承性定义,在运动链组成结构发生变化的过程中，运动副数目未发生变化的相似构件，在新结构中保持原有的相似关系，这种相似关系的传递性称之相似关系的继承性。,构件相似关系第一判断规则,若具有相同运动副数目的两构件，同时分别与两组平行相似构件（或一组相似构件、一组平行构件）相联系，则此两构件相似。,构件相似关系第二判断规则,若两组平行相似构件的两端同时与两组相似构件（或一组相似构件和一个构件）相联接，则此两组平行相似构件彼此相似。,多级方案筛选,再生链习题,再生链习题,瓦特连杆机构,斯蒂芬森连杆机构,减震器,摆动杆(sw),全连接,全连接化,J=(3/2)L-(F+3)/2,L8纯转动副平面连杆机构可能组合,综合用简单链系,斯蒂芬森生成滑块机构,瓦特生成滑块机构,凸轮生成机构,三种六杆式新型越野摩托车a、c、d,9 机械的总体设计实例,粒状巧克力糖包装机设计,9.1原始资料产品包装材料:0.008mm金色铝箔卷筒纸生产能力的要求：每班570kg，120/min，无级调速70-130块/min,1）机械手及进、出糖机构,送糖盘7在输料带取得糖块，机械手反向旋转至工位1，顶糖、折边送至工位2，落下或由拨糖杆推下,9.2包装工艺的确定第一次：使纸紧贴糖面会粘模破纸