机构的运动设计

1、 机构的运动设计 演讲人：华明亚 学号：14721353 专业：精密仪器及机械 主要内容机构的组成机构的运动简图基本机构及其组合的概念机构组成原理与机构创新设计机构的串联组合与创新设计机构的并联组合与创新设计第一节机构的组成一、构件与自由度 1. 构件(Link) 机器的运动单元，传递运动和力的载体。 一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。 实例 连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性联接组成。2、刚体自由度 一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度(Degree of freedom,Mobility)为 即自由度数 f=6。平面运动刚体的自由度为sx，sy，z

2、，即自由度数 f 3。二、运动副与约束运动副(Kinematic pair)-两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。运动副元素(Pair element)两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面部分。约束(Constraint)运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pair) 两构件保留的相对运动sz和z，即自由度数 f 2。 两构件之间受限制的相对运动sx，sy ，x和y，即约束数 s 4。两构件之间可以传递的力（力矩） Px，Py，Mx，My结论:几何约束与力约束本质上是一致的，是可以相互替代的。zxyOzsz

3、运动副的分类 按运动副引入的约束数分类I级副(Class I kinematic pair)、II级副、III级副、IV级副、V级副。 按运动副的接触形式分类面与面接触的运动副低副(Lower pair)点、线接触的运动副高副(Higher pair) 按两构件相对运动的形式分类平面运动副(Planar kinematic pair) 空间运动副(Spatial kinematic pair) 按接触部分的几何形状分类圆柱副、球面副、螺旋副、球面平面副、平面平面副、球面圆柱副、圆柱平面副等等。三、运动链(Kinematic chain)两个以上构件用运动副联接的构件系统。 开式运动链(Open

4、 kinematic chain)闭式运动链(Closed kinematic chain)单封闭回路闭链p N （p为运动副数，N为构件数）多封闭回路运动闭链k pN 1(k为回路数) 开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。四、机构 构件的类型 原动件(Driving link)机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件(Input link)。 从动件(Driven link, Follower)其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件(Output link)或执行构件(Executive link)。机架(Fixed link,Frame)固定

5、不动的构件。第二节机构运动简图 一、机构运动简图机构运动简图(Kinematic sketch)是从运动学角度出发，将实际机械中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到的反映实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。机构运动简图应满足的条件：(1)构件数目与实际机构相同；(2)运动副的类型、数目与实际机构相符；(3)运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结构特征。二、机构运动简图的绘制 步骤： (1)分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定原动件、机架、执行部分和传动部分。(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，

6、确定运动副的类型和数目。(3)选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机构运动简图的视图平面。(4)选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺l(mmm)，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。(5)从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。第三节基本机构及其组合的概念一、基本机构的概念 本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动 机构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称为基本机构，或称为机构的基本型。工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的

7、应用更为广泛。 基本机构是创新设计机构系统的基础。（一）连杆机构的基本型（二）齿轮类机构的基本型1. 圆柱齿轮机构 2.圆锥齿轮机构3. 蜗杆机构 用于垂直不相交轴之间的等速转动到等速转动的运动变换，实现机构的大速比减速传动。 一般情况下蜗杆传动机构具有自锁性。（三）凸轮类机构的基本型1. 直动从动件盘形凸轮机构 2.摆动从动件盘形凸轮机构 3. 直动从动件圆柱凸轮机构 4.摆动从动件圆柱凸轮机构 （四）间歇运动机构的基本型1. (外)棘轮机构 2. 槽轮机构 1.(内)棘轮机构 槽轮机构是把连续等速转动转化为间歇转动的常用机构。主动转臂转动一周，从动槽轮可以转过的角度可由槽轮的结构和转臂的个

8、数确定。3. 不完全齿轮机构 4. 凸轮间歇运动机构 蜗杆凸轮间歇运动机构 圆柱凸轮间歇运动机构 （五）其它常用机构的基本型1. 螺旋机构 2. (双)万向机构 （六）挠性传动机构的基本型主、从动件之间靠挠性构件连接起来，常称为挠性传动机构,典型的挠性传动机构有带传动机构、链传动机构和绳索传动机。二、基本机构的组合 机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组

9、成。 常用的机构组合方法有: 利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，得到机构系统; 按照串联/并联/叠加/封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。第四节 机构组成原理与机构创新设计一、机构组成原理 1 基本杆组的定义定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。机架+原动件：F=1 机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数从动构件组：F=0再拆成更简单的F=0的杆组 基本杆组的分类对于全低副的杆组：n个构件、pl个低副n和pl为整数n=2,4,6杆组应该满足的条件条件:运动副数构件数 1）n=2, pl =3的双杆组：又叫级杆组，常见级杆组的形式有 5 种。2 ） n

10、=4, pl =6的多杆组，又叫 级杆组，常见的三种形式。2 机构的组成原理机构组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统。 机构基本机构基本杆组按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。 机构创新设计应遵循的原则：利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。3 平面机构的结构分析 结构分析的过程：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。 杆组拆分原则 ;从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构

11、，直到只剩原动件为止。三、按机构组合原理进行机构创新设计 机构组成原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径II级杆组和III级杆组连接到原动件和机架上，可以组成简单机构；再把各种II级杆组和III级杆组连接到简单机构的从动件上，可以组成复杂机构。依此类推，可以组成各种各样的、能实现不同功能目标的新机构。 利用机构组成原理进行机构创新设计(属于机构运动方案的创新设计范畴,原动件以作定轴转动为主)，概念清楚，方法简单，可操作性好。但要真正满足功能要求，还必须通过尺度综合，确定待连接杆组与基本机构输出构件的连接点位置。第五节 机构的串联组合与创新设计一、机构的串联组合方法1. 基本概念 前一个机

12、构(称为前置机构)的输出构件与后一个机构(称为后置机构)的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。特征: 前置机构和后置机构都是单自由度机构。2. 分类3.组合示例1234561112345铰链四杆机构ABCD滑块机构DEF前置机构后置机构13平行四边形机构ABCD齿轮机构 z1、z2前置机构后置机构1v21满足O1O2=AB=CD 二、串联组合的基本思路连杆机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构棘轮机构不改变传动角的情况下实现增程增力变速凸轮、移动凸轮获得大行程摆动或移动/增减速减小槽轮速度波动拨动棘轮机构运动1、 I型串联 凸轮机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构运用前置凸轮从动件的任意运动

13、规律，改善后置机构的运动特性或通过后置机构增大运动行程可以演化为固定凸轮的凸轮机构凸轮机构2、 II型串联 齿轮机构连杆机构凸轮机构齿轮机构槽轮机构棘轮机构 II型串联机构一般利用连杆机构中的连杆或周转轮系中的行星齿轮作为前置机构的输出构件，利用联接处的特殊轨迹，使输出件实现所需要的运动规律。1. 实现后置机构的速度变换 工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作要求，前置机构常采用各种齿轮机构、齿轮机构与V带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。2.实现后置机构的运动变换 单一机构的运动规律受到机

14、构类型的限制，如曲柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，可使后置连杆机构获得预期的运动规律。注意：在满足运动要求的前提下，运动链尽量短。串联组合系统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联组合时应力求运动链最短。第六节机构的并联组合与创新设计一、机构的并联组合方法1. 基本概念 若干个单自由度的基本机构的输入(或输出)构件连接在一起，保留各自的输出(或输入)运动；或有共同的输入构件与输出构件的连接，称为并行连接。 特征：各基本机构均是单自由度机构。2. 分类

15、3.组合示例I型并联组合机构 I型并联组合机构可实现机构的惯性力完全平衡或部分平衡，还可实现运动的分流。II型并联组合机构四个主动滑块的移动共同驱动一个曲柄的输出 型并联组合机构可实现运动的合成，这类组合方法是设计多缸发动机的理论依据。III型并联组合机构 图示压床机构为III型并联组合机构。图中，共同的输入构件为以O为圆心的小带轮，共同的输出构件为滑块KF。III型并联组合机构常应用在压力机中。二、并联组合的基本思路1. 对称并联相同机构，实现机构的平衡 通过对称并联同类机构，可以实现机构惯性力的部分平衡与完全平衡。利用I型并联组合可实现此类目的。2. 实现运动的分解与合成 I型并联组合可以

16、实现运动的分解，II型并联组合可以实现运动的合成。3.改善机构受力状态(1/2) III型并联组合机构可使机构的受力状况大大改善，因而在冲床、压床机构中得到广泛的应用。3.改善机构受力状态(2/2) 将三组图3-34b所示的平动齿轮机构并联组合后，可得到图3-40所示的三环减速器机构。三个平动齿轮共同驱动一个外齿轮减速输出，不但增加了运动平稳性，而且改善了传力性能。4. 不同类机构也可以并联组合 这为并联组合的设计提供了广泛的应用前景。平动齿轮机构参考文献：1包装机械结构与设计，黄颖为，主编，化学工业出版社2机械设计基础（中册）第二版（修订），化学工业出版社3百度文库，4 吴克坚 、郑文纬. 机械原理 高等教育出版社，20015 郑文灏. 机械制图 北京理工大学出版社，2005 6 李海萍. 机械设计基础 机械工业出版社， 2005 7 张定华. 工程力学 高等教育出版社， 2005 8 肖新华. AutoCAD2008实用教程 人民邮电出版社,2007 9中华人民共和国国际标准. 建筑结构载荷规范GB500092001 10 中华人民共和国国际标准. 高耸结构设计规范GBJ13590 11 中华人民