第三章机构构型方案与组合创新设计.ppt

机构的组合原理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构，被称为组合机构；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，这种形式被称作为机构组合。,第三章机构构型方案与组合设计,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,第一节机构的组合与创新,机构是机器中执行机械运动的主体装置,机构的类型和复杂程度,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计的整个过程中占有举足轻重的地位,第一节机构的组合与创新,任何复杂的机构都是由基本机构组合而成的,基本机构：,各类连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构螺旋机构带传动机构摩擦轮机构,第一节机构的组合与创新,1.1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,压片机,第一节机构的组合与创新,1.1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,第一节机构的组合与创新,1.1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。,第一节机构的组合与创新,1.1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。,第一节机构的组合与创新,1.1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。,第一节机构的组合与创新,1.2常用机构组合方法,常用的机构组合方式如下：,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。按照串联规则组合基本机构，组成复杂的串联机构系统。按照并联规则组合基本机构，组成复杂的并联机构系统。按照叠加规则组合基本机构，组成复杂的叠加机构系统。按照封闭规则组合基本机构，组成复杂的封闭机构系统。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。,第一节机构的组合与创新,1.2.1机构的串联组合,概念：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。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入。,第一节机构的组合与创新,1.2.1机构的串联组合,分类：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运动的连架杆上，称其为型串联；联接点也可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上，称作型串联。,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,串联机构组合的示例,连杆机构,连杆机构,棘轮机构,齿轮机构,槽轮机构,凸轮机构,凸轮机构,连杆机构,齿轮机构,槽轮机构,凸轮机构,(一)I型串联组合,齿轮机构,连杆机构,齿轮机构,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,槽轮角速度变化曲线,牛头刨床导杆机构,毛纺针梳机导条机构,使位移增加的凸轮连杆机构,凸轮连杆糖果包装机剪切机构,连杆齿轮机构飞机高度表,增力机构,共轭凸轮连杆机构,利用齿条齿轮的大行程直移机构,具有停歇的六杆机构,实现从动件两次动程的六杆机构,(一)型串联式组合,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个行程。,第一节机构的组合与创新,串联组合的基本思路,串联组合的基本原则：,1、实现后置机构的速度变换。,第一节机构的组合与创新,串联组合的基本思路,串联组合的基本原则：,1、实现后置机构的速度变换。,第一节机构的组合与创新,串联组合的基本思路,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,第一节机构的组合与创新,串联组合的基本思路,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。,第一节机构的组合与创新,1.2.2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,并联式机构组合按输出运动性质可分为简单型和复杂型。,丝织机构开口机机构,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,1I型并联式组合,第一节机构的组合与创新,v形双缸发动机,襟翼操纵机构,二、机构并联组合的示例,2型并联式组合,第一节机构的组合与创新,缝纫机针杆传动,钉扣机针杆传动,二、机构并联组合的示例,1型并联式组合,摆动导杆,曲柄滑块,第一节机构的组合与创新,双棘爪机构,活塞机的齿轮杠杆机构,2.III型并联式组合,曲柄滑块,曲柄滑块,第一节机构的组合与创新,压力机螺旋杠杆机构,矩形轨迹输送机构,端面凸轮机构,平底直动盘形凸轮,2III型并联式组合,第一节机构的组合与创新,第一节机构的组合与创新,并联组合的基本思路,串联机构组合的目的：改变后置机构的运动速度或运动规律。并联机构组合的目的：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。,并联组合的基本原则：,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。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。改善受力状态。同类机构可以并联，不同类机构也可以并联。,第一节机构的组合与创新,将一个或多个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式为叠加式机构组合，其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：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运动独立式，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称为运动相关式，如摇头电扇的传动机构。,1.2.3.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,第一节机构的组合与创新,分类二：I型叠加组合和II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。,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适度，符合工作要求。）,选择附加机构的一般原则：将附加机构设计成单自由度，使其运动的输入输出形式简单，以达到容易控制的目的。,第一节机构的组合与创新,见举例,机构叠加组合的示例,1运动独立式叠加机构,电动玩具马,圆柱坐标型工业机械手,II型叠加机构,II型叠加机构,附加机构,附加机构,基础机构,基础机构,液压挖掘机机构,电风扇摇头机构,2.运动相关式叠加机构,II型叠加机构,I型叠加机构,基础机构,附加机构,机构叠加组合的示例,I型叠加机构,蜗杆机构与轮系机构组成的I型叠加机构,行星轮系为基础机构,涡轮蜗杆附加机构,机构叠加组合的示例,I型叠加机构,齿轮叠加机构,基础机构,附加机构,机构叠加组合的示例,II型叠加机构,机械手机构,基础机构,附加机构,附加机构,基础机构,机构叠加组合的示例,II型叠加机构,机械手机构,基础机构,附加机构,附加机构,基础机构,机构叠加的关键问题,机构叠加创新设计的关键：,确定附加机构与基础机构之间的运动传递，或者附加机构的输出构件与基础机构的哪个构件连接，即动力传递路线的确定。,II型叠加机构的连接：动力源一般安装在基础机构的可动构件上，用来驱动附加机构的一个可动构件。,I型叠加机构的连接：较为复杂，但是也有一定的规律性。,齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构时，连接点选在附加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。基础机构为行星齿轮系机构，附加机构为齿轮机构，可将附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上。,齿轮叠加机构,基础机构,附加机构,例：,附加机构的系杆和齿轮4连接，传递运动和动力,机构叠加的关键问题,机构叠加的关键问题,例：要求设计天线既能绕水平轴旋转，也能绕垂直轴旋转，二者的合成运动可实现全方位转动任务。,基础机构,附加机构,1.2.4机构的封闭组合,第一节机构的组合与创新,1.概念：一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输出构件和一个输入构件用单自由度机构连接起来，形成一个单自由度的自由机构系统，称为封闭式连接。特征：基础机构为二自由度，附加机构为单自由度。,有3个运动,有1个运动,封闭了2个运动,新机构为单自由度,1.2.4机构的封闭组合,第一节机构的组合与创新,2.分类：根据输入输出特性的不同有三种封闭组合方法。,a)I型封闭组合；b)II型封闭组合；c）III型封闭组合,1.2.4机构的封闭组合,第一节机构的组合与创新,3.示例,两自由度的差动轮系,I型封闭机构,II型封闭机构,输入,1.2.4机构的封闭组合,第一节机构的组合与创新,3.示例,II型封闭机构,I型封闭机构,OABCD为5杆机构，用凸轮机构封闭,差动轮系为基础轮系,定轴轮系和连杆机构为附加机构,1.2.4机构的封闭组合,第一节机构的组合与创新,3.示例,III型封闭机构,凸轮机构为附加机构，封闭了两自由度涡轮机构的一个输入和一个输出,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,封闭组合是两自由度的基础机构和单自由度机构的组合，组合可实现优良的运动特性，但是有时会产生机构内部的封闭功率流，降低了效率。,封闭组合时的基本组合思路如下：,常用的基础机构：五杆机构、差动机构，附加的封闭机构为齿轮机构、凸轮机构和四杆机构。附加机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动的方法简单、实用、可靠。,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,封闭组合时的基本组合思路如下：,附加机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，输出运动反馈回输入构件。此时必须满足如下条件：,N为活动构件，p为自由度。,相减,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,附加机构的组成必须满足上表，其中1、3、5是有效的，即加上附加机构后，基础机构的活动构件数增加的个数必须满足上表中第二列。,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,I型封闭组合机构,II型封闭组合机构,满足,高副低代后满足,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,III型封闭组合机构,满足,封闭组合的基本思路,第一节机构的组合与创新,封闭组合时的基本组合思路如下：,机构封闭组合的结果将导致形成组合机构，其设计和分析方法与基础机构的类型密切相关。任意两自由度的机构都可以作为基础机构，而单自由度的机构可为附加机构。,一、机构的混合组合方式,第一节机构的组合与创新,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,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。,1.2.5其它类型的机构组合与创新设计,第一节机构的组合与创新,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。,第一节机构的组合与创新,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。,B处加制动器,未加制动器时：,加制动器时：,第二节机构演化与变异,1机构的演化：以某机构为原始机构，对组成机构的各元素（运动副，构件）进行各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同的机构。2各种性质的改变或变换：机构各元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效变换，组成原理的仿效。3机构演化与变异的主要方法：运动副及构件形状尺寸的改变，机架变换，机构的等效变换，机构结构的仿效。4变异机构：通过演化与变异而获得新功能的机构,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摇杆机构：例如等腰梯形机构，车辆转向。,转动副变为滑动副,机构的机架变换称作机构的倒置，机架变换后，机构内各构件的相对运动关系不变，但绝对运动发生了改变。2.1.1平面四杆机构的机架变换1铰链四杆机构的机架变化,2.1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。,2含有一个移动副的四杆机构的机架变换,曲柄滑块机构导杆机构（转动导杆，摆动导杆）摇块机构液压机构移动导杆机构（定块机构）手动水压机,3含有两个移动副四杆机构的机架变换,双滑块机构双转块机构正弦机构椭园规数学运算器,2.1.2齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换普通齿轮传动机构行星齿轮机构普通链传动或齿形带传动行星传动机构,挠性传动机构只有具有啮合性质的链传动或齿形带传动才能进行这种变换。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。,机架的变换,2.1.3凸轮机构的机架变换普通凸轮机构图a)固定凸轮机构：凸轮固定，从动件作复合运动。图b)应用举例：图c)凸轮-行星机构图d)e),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个行星齿轮机构串联，1为主动件，1与2啮合，2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，当圆销退出槽子时，拨盘的锁止弧与槽轮5的锁止弧（凸对凹）锁止，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的动力特性。,普通间歇运动机构,2.1.4间歇运动机构的机架变换,2.2构件形状变异与创新设计,构件的形状变异,从构件的具体结构观点,从构件相对运动观点,2.2.1避免构件之间的运动干涉,公交车门机构为了避免曲柄与启闭机构箱体发生碰撞。,2.2.1避免构件之间的运动干涉,凸轮机构为了避免干涉,2.2.2满足特定的工作要求,曲柄摆块机构-插齿机,摆动导杆机构-牛头刨床,2.2.2满足特定的工作要求,可用于弧形窗的启闭,2.3运动副形状变异与创新设计,1主要目的：（1）增强运动副元素的接触强度（2）减小运动副元素的摩擦、磨损（3）改变机构的受力状态（4）改善机构的运动和动力效果（5）开拓机构的各种新功能（6）寻求演化新机构的有效途径2主要方法：（1）改变运动副的尺寸（2）改变运动副的接触性质（3）改变运动副的形状,机构的运动副演化与变异,2.3运动副形状变异与创新设计,2.3.1转动副的变异设计,转动副B的尺寸扩大包括A,转动副C的尺寸扩大包括B,转动副D的尺寸扩大包括C,A,B,C,D,曲柄滑块机构扩大转动副B,C处销钉做成半球状，提高刚度和强度,B,A,C,D,A,B,C,D,2.3.2移动副的变异设计,滑块扩大将回转副包含,2.3.2移动副的变异设计,滑块形状变异和组合,2.4运动副的等效代换与创新设计,2.4.1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（2）圆柱副与转动副加移动副的等效代换,运动副的等效代换是指组成机构的各种运动副相互转换或替代，而又不改变机构运动的输入相输出特性，这些特性主要指机构的自由度、机构中各相应构件的运动特征等。,球面副汇交于球心的三个转动副,b图为圆柱副平面移动副、转动副,2.4.1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由三个转动副等效代换的例子。,空间机构原动件与机架连接为球面副S时,三自由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的转动副R可代替球面副。,2.4.1空间运动副与平面运动副的等效代换,2.4.2高副与低副的等效代换,滚珠导轨代替滑动导轨滚珠丝杠代替梯形丝杠或矩形丝杠,高副、低副代换,2.4.2高副与低副的等效代换,AB、AC、A至切点等之间的距离保持不变，故附加一个长为AB、AC并使其在A、B、C处分别与原机构的构件1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。,高副低代必须满足的条件：替代前后机构的自由度相同；替代前后机构的运动特性相同。,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，只能瞬时代替。,2.4.3滑动摩擦与滚动摩擦的等效代换,运动副的两个构件：,低速、重载和高精度的情况下，用滑动摩擦。中高速、轻载和中等载荷中等精度的情况下，用滚动摩擦。低精度、低成本的情况下，用滑动摩擦。,2.4.3高副与低副的等效代换,滚珠导轨代替滑动导轨滚珠丝杠代替梯形丝杠或矩形丝杠,滑动摩擦、滚动摩擦代换,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