第八章 机构创新

1、第八章第八章 机械创新机械创新五邑大学机电工程系五邑大学机电工程系 机械基础教研室机械基础教研室 第八章第八章 机械创新机械创新机械系统创新设计是大学生素质教育的一个重要环机械系统创新设计是大学生素质教育的一个重要环节。创新是科技实践活动的精髓，没有创新就没有科学节。创新是科技实践活动的精髓，没有创新就没有科学和技术的发展。机械系统创新是机械工程学科培养学生和技术的发展。机械系统创新是机械工程学科培养学生一个艰难任务。一个艰难任务。创新需要基础素材，没有丰富的基础知识就不会有创新需要基础素材，没有丰富的基础知识就不会有创新成果出现。本篇精选出来一些实用机构运动方案，创新成果出现。本篇精选出来一

2、些实用机构运动方案，目的是让同学们通过剖析它们来掌握进行机构创新的思目的是让同学们通过剖析它们来掌握进行机构创新的思路和方法，培养学生的创新意识和创新能力。路和方法，培养学生的创新意识和创新能力。下面通过一些实例来帮助同学们提高机构的创新能下面通过一些实例来帮助同学们提高机构的创新能力。力。第八章第八章 机构的创新设计机构的创新设计第八章第八章 机械创新机械创新第二篇第二篇 参考方案参考方案方案一方案一 抽油机（磕头机）机构抽油机（磕头机）机构方案二方案二 同步回转机器人手指同步回转机器人手指方案三方案三 无轨电车常力集电头无轨电车常力集电头方案四方案四 按给定力设计机器人手爪按给定力设计机器

3、人手爪方案五方案五 三差动轮系三差动轮系方案六方案六 X X型杆链设计及其应用型杆链设计及其应用方案七方案七 按给定轨迹要求设计六杆机构按给定轨迹要求设计六杆机构方案八方案八 并联杆机构并联杆机构方案九方案九 印刷机送纸机构印刷机送纸机构方案十方案十 按任意给定的平面运动设计机构按任意给定的平面运动设计机构方案十一方案十一 齿轮连杆机构齿轮连杆机构方案十二方案十二 柔性链柔性链杆传动杆传动方案十三方案十三 多动力驱动同一构件机构多动力驱动同一构件机构方案十四方案十四 平动链轮机构平动链轮机构第八章第八章 机械创新机械创新方案十五方案十五 实现两位置要求机构实现两位置要求机构（竖箱机构）（竖箱机

4、构）方案十六方案十六 车库上翻门机构车库上翻门机构方案十七方案十七 实现三位置和姿态实现三位置和姿态方案十八方案十八 简易关节机构机器人简易关节机构机器人方案十九方案十九 无级摩擦变速比传动机构无级摩擦变速比传动机构方案二十方案二十 夹钳机构夹钳机构方案二十一方案二十一 电动牙刷电动牙刷方案二十二方案二十二 偏心圆齿轮连杆机构偏心圆齿轮连杆机构方案二十三方案二十三 空间球面机构空间球面机构方案二十四方案二十四 迭联式组合机构迭联式组合机构方案二十五方案二十五 十杆犁提升机构十杆犁提升机构方案二十六方案二十六 换向机构换向机构方案二十七方案二十七 柔性间歇机构柔性间歇机构方案二十八方案二十八 蛙

5、式夯土机蛙式夯土机方案二十九方案二十九 汽车雨刷机构汽车雨刷机构方案三十方案三十 闭门机构闭门机构第八章第八章 机械创新机械创新方案一方案一抽油机（磕头机）机构抽油机（磕头机）机构该机构以构件该机构以构件1 1为原动件，由构件为原动件，由构件2 2、3 3及运动副及运动副B B、C C、D D构成构成RRRRRR二级基本组。设计中应使连架杆上二级基本组。设计中应使连架杆上E E点所走的轨迹圆弧的曲率半径点所走的轨迹圆弧的曲率半径尺寸满足行程要求，同时又应使其总体结构尺寸尽量减小。在构件尺寸满足行程要求，同时又应使其总体结构尺寸尽量减小。在构件1 1上上加有一定量的配重加有一定量的配重GG，该配

6、重的方向与方位应与该配重的方向与方位应与E E点的受力相谐调。请点的受力相谐调。请分析该机构，收集和对比现有各种抽油机机构类型。分析该机构，收集和对比现有各种抽油机机构类型。抽油机机构抽油机机构EG4ADC31B2第八章第八章 机械创新机械创新同步回转机器人手指同步回转机器人手指方案二方案二由一对齿轮副构成同步由一对齿轮副构成同步回转手。回转手。 该方案以构件该方案以构件1 1（扇形（扇形齿轮）为原动件，驱动构件齿轮）为原动件，驱动构件2 2（扇形齿轮）进行反向同（扇形齿轮）进行反向同步传动，构件中步传动，构件中A A、B B为两为两个转动副，个转动副，C C 为一个平面高为一个平面高副，在构

7、件副，在构件1 1，2 2上与圆柱上与圆柱体体3 3接触处是偏心锥面，实接触处是偏心锥面，实现对圆柱体的夹紧与松开，现对圆柱体的夹紧与松开，可用于自动进料的夹紧装置可用于自动进料的夹紧装置中。该机构占据空间小，夹中。该机构占据空间小，夹持自锁且定心性好。持自锁且定心性好。BCA2313第八章第八章 机械创新机械创新方案三方案三 由弹簧连杆机构组成的无轨电车常力封闭机。由弹簧连杆机构组成的无轨电车常力封闭机。 该机构中，构件该机构中，构件1 1与与2 2之间既有回转运动，又有移动，构件之间既有回转运动，又有移动，构件2 2与导与导线线7 7接触，构件接触，构件5 5为一个弹簧，实现力的封闭，构件

8、为一个弹簧，实现力的封闭，构件6 6也为一个弹簧，也为一个弹簧，用于实现构件用于实现构件2 2与构件与构件1 1随动的快速响应。随动的快速响应。 该机构为一个具有三个自由度的机构应用实例。该机构为一个具有三个自由度的机构应用实例。 无轨电车常力集电头无轨电车常力集电头14476215第八章第八章 机械创新机械创新方案四方案四 夹持空壳工件，可以设计成夹夹持空壳工件，可以设计成夹持工件尺寸越大，夹紧力越小。持工件尺寸越大，夹紧力越小。 该机构可将弹簧力的线性变化该机构可将弹簧力的线性变化进行非线性化（进行非线性化（N N点的受力）及一点的受力）及一定的规律进行变化。定的规律进行变化。按给定力设计

9、机器人手爪按给定力设计机器人手爪 见上图中，工件点的受力为见上图中，工件点的受力为N N，则则N N的大小可由的大小可由l l1 1, , l l2 2, , l l3 3, , L L, , a a, , b b, , k k, , l l0 0, , 九个参数决定，九个参数决定，k k为弹簧的刚度，为弹簧的刚度，l l0 0为弹簧长度的初始值，则为弹簧长度的初始值，则有：有： N N= =f f( (l l1 1, , l l2 2, , l l3 3, , L L, , a a, , b b, , k k, , l l0 0, , ) ) 如将工作点受力如将工作点受力N N的变化规律用的

10、变化规律用g g( ( ) )表示，则这九个变量对于给表示，则这九个变量对于给定的定的N=N=g g( ( ) )函数关系，可以有八个精确解：函数关系，可以有八个精确解：第八章第八章 机械创新机械创新即即 f f ( (l l1 1, , l l2 2, , l l3 3, , L L, , a a, , b b, , k k, , l l0 0, , )= )= g g( ( 1 1) ) f f ( (l l1 1, , l l2 2, , l l3 3, , L L, , a a, , b b, , k k, , l l0 0, , )= )= g g( ( 2 2) ) f f ( (

11、l l1 1, , l l2 2, , l l3 3, , L L, , a a, , b b, , k k, , l l0 0, , )= )= g g( ( 3 3) ) i i=1, 2, 8=1, 2, 8 这是一非线性方程组，若这是一非线性方程组，若N=N=常数时，常数时， g g( ( 1 1)=)=C C，通过解上述方通过解上述方程组即可求得其它八个参数。程组即可求得其它八个参数。 N第八章第八章 机械创新机械创新三差动轮系三差动轮系方案五方案五该机构为三差动轮系，请利用该机构原理创新设计具有三差动该机构为三差动轮系，请利用该机构原理创新设计具有三差动功能的车辆。试分析输入转速为

12、功能的车辆。试分析输入转速为n n0 0时，该轮系的传动比表达式，并时，该轮系的传动比表达式，并分析出与此原理相同的各种三差动机构。分析出与此原理相同的各种三差动机构。第八章第八章 机械创新机械创新方案六方案六X X型杆链设计及其应用型杆链设计及其应用请思考利用请思考利用X X型杆单元集成构造具有弧型特征的杆链。考虑型杆单元集成构造具有弧型特征的杆链。考虑折叠条件，利用弧型和折叠创造一些实用机构，如野营帐蓬等。折叠条件，利用弧型和折叠创造一些实用机构，如野营帐蓬等。第八章第八章 机械创新机械创新方案七方案七按给定轨迹要求设计六杆机构按给定轨迹要求设计六杆机构这是一种六杆机构，根据这是一种六杆机

13、构，根据A A点的轨迹要求，例如直线，设计该点的轨迹要求，例如直线，设计该机构。机构。watt mechanism A第八章第八章 机械创新机械创新方案八方案八并联杆机构并联杆机构并联杆机构是目并联杆机构是目前机构学界很重视的前机构学界很重视的一种实用杆系。该机一种实用杆系。该机构具有六自由度，具构具有六自由度，具有运动灵活和刚度大有运动灵活和刚度大的特征，请利用这一的特征，请利用这一机构特性，考虑一种机构特性，考虑一种功用进行设计。功用进行设计。第八章第八章 机械创新机械创新该方案为凸轮机构与连杆机构的组合机构，用来实现任意给定该方案为凸轮机构与连杆机构的组合机构，用来实现任意给定轨迹的机构

14、综合，五杆机构具有两个自由度，由双联凸轮作为原轨迹的机构综合，五杆机构具有两个自由度，由双联凸轮作为原动件给该五杆机构提供两个已知的运动规律，该机构具有确定的动件给该五杆机构提供两个已知的运动规律，该机构具有确定的运动。在进行连杆机构运动分析时，将构件运动。在进行连杆机构运动分析时，将构件2 2及构件及构件4 4作为原动件，作为原动件，其运动规律已由凸轮给定，由构件其运动规律已由凸轮给定，由构件3 3、5 5及及C C、F F、E E组成一个组成一个RRRRRR二级组。在这个二级组中可以求得二级组。在这个二级组中可以求得GG点的运动轨迹，通过调整两点的运动轨迹，通过调整两原动件原动件2 2、4

15、 4的运动规律，可对的运动规律，可对GG点的运动轨迹进行调整，实现给点的运动轨迹进行调整，实现给定轨迹的要求。同样，也可按给定的定轨迹的要求。同样，也可按给定的GG点的运动轨迹及相应的运点的运动轨迹及相应的运动规律来得到两个原动件的运动规律，最后得到双联凸轮的理论动规律来得到两个原动件的运动规律，最后得到双联凸轮的理论廓线，实际廓线及安装角。廓线，实际廓线及安装角。 方案九方案九印刷机送纸机构印刷机送纸机构第八章第八章 机械创新机械创新BGFEAD21345C印刷机送纸机构印刷机送纸机构第八章第八章 机械创新机械创新该机构由该机构由8 8个构件，个构件，9 9个转动副组成的三个自由度的个转动副

16、组成的三个自由度的8 8杆机构，杆机构，在该机构的构件在该机构的构件7 7上任一点上任一点P P可实现平面的任意运动轨迹。在进行机可实现平面的任意运动轨迹。在进行机构分析时，构件构分析时，构件1 1，2 2，3 3为原动件，各自具有独立的运动规律，构为原动件，各自具有独立的运动规律，构件件4 4，5 5，6 6及运动副及运动副DD、E E、F F、GG、HH、I I组成一个三级基本杆组，组成一个三级基本杆组，通过对这个三级杆组进行运动分析可求得通过对这个三级杆组进行运动分析可求得P P点的运动规律。点的运动规律。方案十方案十按任意给定的平面运动设计机构按任意给定的平面运动设计机构BHEPIAD

17、FC12475638第八章第八章 机械创新机械创新该机构用于将回转该机构用于将回转运动转换成往复直线运运动转换成往复直线运动，构件动，构件1 1为主动，以为主动，以角速度角速度 1 1绕绕A A点进行回点进行回转运动，由构件转运动，由构件1 1，2 2，3 3，4 4及运动副及运动副A A、B B、C C、DD组成一个曲柄摇组成一个曲柄摇杆机构，在摇杆杆机构，在摇杆CDCD上上固联一个齿轮，该齿轮固联一个齿轮，该齿轮随摇杆进行往复摆动，随摇杆进行往复摆动，通过齿轮与齿条啮合传通过齿轮与齿条啮合传动，将曲柄动，将曲柄ABAB的回转的回转运动就转换成了齿条的运动就转换成了齿条的往复直线运动。往复直

18、线运动。方案十一方案十一齿轮连杆机构齿轮连杆机构在进行运动分析时，可将构件在进行运动分析时，可将构件2 2、3 3及及运动副运动副B B、C C、DD拆分成一个拆分成一个RRRRRR二阶基本二阶基本杆组进行分析。杆组进行分析。FCABDE21345第八章第八章 机械创新机械创新该机构中，构件该机构中，构件1 1，2 2分别为两个链轮，构件分别为两个链轮，构件1 1为主动件，以角速度为主动件，以角速度 1 1进进行回转运动，通过构件行回转运动，通过构件6 6（链）的传动，实现构件（链）的传动，实现构件1 1，2 2的回转运动。在构件的回转运动。在构件6 6上有一个转动副与构件上有一个转动副与构件

19、3 3相连接。在进行机构的运动分析时，相连接。在进行机构的运动分析时，C C点的运动规点的运动规律是由律是由 1 1及链轮确定，则将构件及链轮确定，则将构件3 3，4 4及运动副及运动副C C、D D、E E拆分成一个拆分成一个RRRRRR二二级组既可进行分析计算。请分析构件级组既可进行分析计算。请分析构件4 4的运动规律。的运动规律。方案十二方案十二柔性链柔性链杆组合机构杆组合机构ACBED2654311第八章第八章 机械创新机械创新该方案为多个动力该方案为多个动力驱动同一构件示例，这驱动同一构件示例，这种机构多用于由于空间种机构多用于由于空间结构尺寸的限制，使驱结构尺寸的限制，使驱动元件的

20、体积不能太大，动元件的体积不能太大，从而造成了单个动力元从而造成了单个动力元件的驱动力不足。图中件的驱动力不足。图中的构件的构件1 1，2 2，3 3分别为分别为独立运动的动力原，同独立运动的动力原，同时驱动构件时驱动构件4 4进行回转运进行回转运动。请分析这种系统的动。请分析这种系统的机电动力特性。机电动力特性。方案十三方案十三多动力驱动机构多动力驱动机构24513第八章第八章 机械创新机械创新方案十四方案十四平动链轮机构（玩具）平动链轮机构（玩具）平动机构具有很广泛的应用背景。平动机构具有很广泛的应用背景。如图所示，如图所示，2 2、3 3、4 4为链轮机构，为链轮机构， 1 1 及及 2

21、 2的转动，保证的转动，保证7 7、8 8始终保持平动状态。构件始终保持平动状态。构件2 2与与4 4的尺寸条件应如何？的尺寸条件应如何？743215846321第八章第八章 机械创新机械创新该机构使箱体由横该机构使箱体由横向位置转换至竖向位置，向位置转换至竖向位置，这个机构主体是一个四这个机构主体是一个四杆机构，主要是实现由杆机构，主要是实现由B B、C C到到B B 、C C 两个位两个位置的设计。对该机构进置的设计。对该机构进行分析时，可令构件行分析时，可令构件3 3为原动件，由构件为原动件，由构件1 1，2 2及运动副及运动副A A，B B，C C组成组成一个一个RRRRRR二级组，可

22、利二级组，可利用解析法精确求解用解析法精确求解B B、C C的位置，也可以利用作的位置，也可以利用作图法进行二个位置的设图法进行二个位置的设计。这一机构已用于某计。这一机构已用于某电冰箱厂，试分析构件电冰箱厂，试分析构件2 2在翻转运动过程中的在翻转运动过程中的受力分析。受力分析。方案十五方案十五实现两位置机构（竖箱机构）实现两位置机构（竖箱机构）ADECBBEFC14523第八章第八章 机械创新机械创新方案十六方案十六车库上翻门机构（建设部标准）车库上翻门机构（建设部标准）BGCA4123这种车库门机构，这种车库门机构，实际是曲柄滑块机构。实际是曲柄滑块机构。系统整体处于平衡状系统整体处于平

23、衡状态，当汽车自由向外态，当汽车自由向外开出时，它可以靠车开出时，它可以靠车本身力量冲开。具有本身力量冲开。具有安全保护作用，请分安全保护作用，请分析该构件中配重析该构件中配重GG的的选择的合理性。选择的合理性。第八章第八章 机械创新机械创新方案十七方案十七实现三位置和姿态实现三位置和姿态CBABACABCIIIIII设计一机械系统设计一机械系统使之能实现物体的（使之能实现物体的（I I，II II，IIIIII）三位置搬运三位置搬运并姿态变换。并姿态变换。( (可以考虑机构方可以考虑机构方案或机器人方案案或机器人方案) )第八章第八章 机械创新机械创新方案十八方案十八简易关节机器人（各种三关

24、节）简易关节机器人（各种三关节）简易机器人有多种类型，可设计其中一种。简易机器人有多种类型，可设计其中一种。每一个关节可以是移动副或转动副，有多每一个关节可以是移动副或转动副，有多少种机构类型请总结。少种机构类型请总结。第八章第八章 机械创新机械创新方案十九方案十九无级摩擦变速比传动（速比无级摩擦变速比传动（速比i i可调）机构可调）机构无级变速有各种无级变速有各种形式，如图所示。形式，如图所示。构件构件1 1与与2 2由力封由力封闭靠摩擦传动，调整闭靠摩擦传动，调整构件构件1 1与与2 2的轴心距离的轴心距离d d时，可以改变传动时，可以改变传动比，设计该机构或利比，设计该机构或利用该原理进

25、行应用设用该原理进行应用设计。计。21dF第八章第八章 机械创新机械创新方案二十方案二十夹钳机构（力放大机构）夹钳机构（力放大机构）夹钳是建筑工地常用的工具。它有各种类型的结构，请收集研夹钳是建筑工地常用的工具。它有各种类型的结构，请收集研究各种类型并比较优缺点，然后选优进行设计。究各种类型并比较优缺点，然后选优进行设计。第八章第八章 机械创新机械创新方案二十一方案二十一电动牙刷电动牙刷截面扩大运动副原理简图截面扩大运动副原理简图3-3-活动连杆活动连杆2-2-牙刷头导杆牙刷头导杆1-1-牙刷外壳牙刷外壳5-5-直流电机直流电机6-6-电池电池4-4-偏心轴偏心轴获得获得, ,从而有效减小结构

26、尺寸从而有效减小结构尺寸; ;2.2.运动原理图的曲柄摇杆机构在结构上通过扩大运动原理图的曲柄摇杆机构在结构上通过扩大运动副运动副1.1.牙刷头可绕轴线左右摆动牙刷头可绕轴线左右摆动, ,摆角范围为摆角范围为45 45 ；牙刷在日常生活中每天都要用到它，请牙刷在日常生活中每天都要用到它，请提出几种新型的电动牙刷机构，使牙刷头部提出几种新型的电动牙刷机构，使牙刷头部能具有摆动或移动或多撮转动等。能具有摆动或移动或多撮转动等。第八章第八章 机械创新机械创新方案二十二方案二十二椭圆齿轮连杆机构椭圆齿轮连杆机构请分析椭齿轮连杆机的运动轨迹图谱，并构思利用连杆上某请分析椭齿轮连杆机的运动轨迹图谱，并构思

27、利用连杆上某一点的轨迹曲线进行实际应用。一点的轨迹曲线进行实际应用。第八章第八章 机械创新机械创新方案二十三方案二十三空间球面机构空间球面机构空间球面机空间球面机构多用于陀螺导构多用于陀螺导航机构中，请进航机构中，请进行运动学分析。行运动学分析。请考查分析实际请考查分析实际设计中的其它应设计中的其它应用。用。123第八章第八章 机械创新机械创新方案二十四方案二十四迭联式组合机构迭联式组合机构可由三个摆动液压缸机构组成挖掘机组合机构。可由三个摆动液压缸机构组成挖掘机组合机构。其中第一个基本机构其中第一个基本机构1-2-3-41-2-3-4的机架的机架4 4是挖掘机的机身；第二个是挖掘机的机身；第二个基本机构基本机构5-6-7-35-6-7-3迭联在第一个基本机构的输出件迭联在第一个基本机构的输出件3 3上，即以上，即以3 3作为作为它的相对机架，同样，第三个基本机构它的相对机架，同样，第三个基本机构8-9-10-78-9-10-7又迭联在第二个基又迭联在第二个基本机构的输出件本机构的输出件7 7上，亦即以上，亦即以7 7作为它的相对机架。这三个基本机构作为它的相对机架。这三个基本机构都各有一个动力源。试分析该迭联式组合机构的各构件相对的运动都各有一个动力源。试分析该迭联式组合机构的各构件相对的运动关系。关系。HEGF