机械系统创新设计-机械系统创新实例

第八章机构创新实例

第一节活齿减速带轮机构1、概述带传动和行星传动是机械传动的基础传动元件，它们的传动性能不同：带传动结构简单、传动平稳、造价低廉、不需润滑、能缓和冲击和过载打滑、噪声小；行星传动结构紧凑、传动比大、传动效率高、承载能力强。将带传动和行星传动组合起来，在不增加带轮外廓尺寸的条件下，研制出具有两种传动综合优良性能的行星减速带轮，是开发高性能传动元件的重要课题。第一页，共七十页。2.原始机构选择⑴行星传动的选择－外激波摆动活齿传动。

①组成结构及传动原理如图7－1所示为外激波摆动活齿传动的结构模型和传动原理图。外激波摆动活齿传动是由三部分组成：外激波器H由内轮廓偏心套和转臂滚针轴承组成；活齿轮G是由活齿架和一组摆动活齿组成，相当于内齿行星轮，活齿架为具有等分驻齿槽的筒状构件，与机架固联或与输出轴固联；中心轮K为外齿轮，齿形为摆动活齿几何中心运动轨迹的内等距线，与输出轴固联或与机架固联。第二页，共七十页。

图7－1外激波摆动活齿传动的结构模型和传动原理图②传动比计算。③外齿中心轮的齿形综合。④外激波摆动活齿传动的优缺点。

第三页，共七十页。⑵带传动的选择带传动由带轮、带和支承件组成。利用张紧在带轮上的带和带轮间的摩擦力来传递运动和动力。带传动的优点是结构简单、传动平稳、能缓和冲击和过载打滑，缺点是传动比较小且不准确，且在结构上从动带轮占据的空间没有充分利用。3.活齿减速带轮的形成由外激波摆动活齿传动与带传动机构的从动带轮合二为一形成的行星减速带轮，是一种新型减速装置。它具有带传动可靠性高、减振能力强等优点，又保持了摆动活齿传动无W输出机构带来的一系列优点，并成功地克服了外激波摆动活齿传动外激波器尺寸大带来的动平衡性能差的缺点。⑴带轮与外激波器的组合⑵带轮激波器使绕固定轴传动的带轮成为外激波器的一部分⑶卸荷带轮设计第四页，共七十页。第二节同轨迹连杆机构

同轨迹四连杆机构是指自由度F相同、输入构件的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以其受力状态、动态性能有巨大差异。因而，同轨迹连杆机构的形成方法是机构创新设计的重要方法之一。形成同轨迹连杆机构的罗伯特－契贝谢夫定理是由美国数学家萨姆尔·罗伯特于1875年和俄国学者契贝谢夫于1878年分别发现的，因此称为“罗伯特－契贝谢夫定理”。该定理的内容是：由一个四杆铰链机构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链机构发生出来。或表述为同一连杆曲线，可以用三个不同的机构来实现。第五页，共七十页。1.连杆点K位于连杆两铰链连线上的同迹连杆机构

图形缩放原理如下图7－2a所示为一平行四边形机构，由平行四边形OBKD与机架在O点铰接而成。A点为BK杆延长线上的一点。连接AO得交点C。当A点沿任意给定轨迹运动时，C点将给出与A点相似但缩小了的轨迹。⑴AO除以CO与AB除以KB的值是相等的为常数m（射线定理）。⑵当此四边形作为一刚体绕O转动一角度时，A点转到A'，按射线定理有AA'与CC'的比值与AO与CO的比例等于常数m。A点的一切运动都是这两部分运动的合成。因此C点的运动是以缩小的比例模拟A点的运动，反之亦然。第六页，共七十页。第一个同迹连杆机构设计如图7－2b所示，在原始机构上作平行四边形导引机构BODK。曲柄C0CDO为所示的第一个同迹连杆机构，K为连杆CD延长线上的点。所示曲柄拉摇杆机构的尺寸，如图中下面的公式。第二个同迹连杆机构设计如图7－2c所示，在原始机构上作平行四边形导引机构A0AKE。双摇杆机构A0EFCO为所求的第二个同迹连杆机构。第三个同迹连杆机构设计如图7－2d所示，CO是两具同迹连杆机构中共同的新机架的固定铰链点，机架的三个固定铰链点A0与O，A0与CO，O与CO。第七页，共七十页。2.任意连杆点K的同迹连杆机构在图7－3a中，四杆机构A0A1B1B0为A1B1上有附加连杆点K的原始机构。由罗伯特－契贝谢夫定理决定的另两个四杆机构为A0A2C2C0和B0B3C3C0。在这3个同迹连杆机构中有四个相似三角形；有三个不同的平行四边形。获得两个同迹连杆机构尺寸的A·凯莱作图法：想象7－3a中机架铰链A0、B0、C0没有结牢，随后拉动A0、B0、C0互相脱开，直到各个连杆机构的曲柄、连杆和从动件形成一条直线，便得到图7－3b，后者的机架距离不等于前者，但两图中所有活动构件的长度是正确的，所有的角度也是正确的。对于任一给定的带连杆点的铰链四杆机构，都可以作出如图7－3b这样一个图形而获得它的另外两个同迹连杆机构的尺寸。第八页，共七十页。图7－3第九页，共七十页。

图7－4的左上图就不能用A·凯莱作图法，因为三个连杆机构压缩成一条直线。把O1ABO2作为一个原始机构，为了找到连杆AB延长线上K点的同轨迹机构，在机架O1O2的延长线上作O3，使O1O2：O2O3＝AB：BK，然后，依次作三个平行四边形。于是得到了同迹四杆机构O2O3B2C2，C2B2延长线上点K与原始机构中的K点轨迹相同。

图7－4的左上的a、b两图是描绘同一连杆曲线的四杆机构和六杆机构。还可求出另两个同迹六杆机构，如图7－4的下面两图。第十页，共七十页。图7－4第十一页，共七十页。3.应用实例图7－5是车轮六杆悬挂装置。第十二页，共七十页。第三节新型内燃机的开发1.往复式内燃机的技术矛盾：工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂、工艺性差。机构运动惯性力大，因此增大轴承惯性载荷，使系统不平衡产生振动，也限制了输出轴转速的提高。曲轴回转两周才又一次动力输出，效率低。第十三页，共七十页。往复式内燃机进气阀排气阀汽缸活塞连杆曲轴第十四页，共七十页。2.无曲轴式活塞发动机结构创新：利用机构等效代换原理。以反凸轮机构代还原发动机的曲柄滑块机构。使零件减少，结构简单，成本降低。运动原理：活塞往复运动，由推杆端部的滑块在凸轮槽中滑动致使凸轮转动，再经输出轴输出转矩。性能特点：系统中不需要飞轮，转动平稳；通过改变凸轮轮廓形状可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。应用：重型机械、船舶、建筑机械等。第十五页，共七十页。单缸无曲轴式活塞发动机火花塞汽缸活塞推杆圆柱凸轮输出轴第十六页，共七十页。3.旋转式内燃发动机

（直接将燃料的动力转化为回转运动输出）组成情况：椭圆形汽缸，三角形转子（转子的内孔上有齿），外齿轮，吸气口，排气口，火花塞。工作原理：吸气、压缩、燃爆、排气。随着这四个物理功能致使三角形转子与椭圆汽缸之间的空腔体积发生变化，则转子进行转动。性能特点：结构简单，零件数量比往复发动机少40%，体积减少50%，重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上产生振纹的问题。其原因是与密封片的材料与形状有关。运动设计：三角转子相当于行星内齿轮2，系杆H是发动机的输出轴，1为中心轮，并且：z2/z1=1.5,则：nH/n2=3。见下页图。第十七页，共七十页。吸气压缩燃爆排气21第十八页，共七十页。第四节联轴器的创新设计1.联轴器的分类根据联轴器是否补偿两轴位移的偏移，是否具有弹性元件，可作图7－9所示的分类。下面通过对机床行业对联轴器的需求情况和发展趋势的分析，仅对可移式联轴器进行开发创新设计。从系统结构及对现有可移式联轴器进行抽象分析，可知联轴器总功能为联接两轴并传递扭矩T及转速n；分功能为联接功能、传递功能、补偿调节功能、润滑密封功能、吸震缓冲功能、维修再生功能等。第十九页，共七十页。第二十页，共七十页。2.创新构思⑴工作原理的创新构思利用机械设计方法学基本原理将联轴器的主要分功能作为可变元素，运用各种创造技法对可变元素进行变化，列出形态矩阵表，从表中组合，获得新方案。确定元素为：A－联接功能；B－传递功能；C－补偿调节功能，运用智力激励法、相似类比法等创造技法，对可变元素进行变化，分析如下：①实现联接的作用效应有形联接、力联接、化学分子联接等。联接性质：刚性、弹性。②实现传递功能。作用效应有：摩擦效应、啮合效应、磁效应、粘附效应等。措施有：齿轮传动、带传动、摩擦轮传动、链传动、液压传动、蜗杆传动等。第二十一页，共七十页。③实现补偿调节功能。作用效应：构件相对运动、构件变形等。措施：增加元件的活动度，加入中间元件、增加弹性元件等⑵结构创新构思

将结构中完成主要功能的主要零件的主要表面（功能面）进行变型，功能面变形的主要参数是形状、大小、位置、顺序、材料。联轴器的主要功能面是左、右联轴器和中间元件的配合面。变化可变元素，将工作原理和结构中的可变元素的变化列成形态矩阵表，见图7－10及图7－11上图。⑶新型联轴器构思

理论上从图7－10中组合构思，可获得多种联轴器方案。其中有多种是可行的方案，包括现有的联轴器方案和具有创新原理结构的联轴器方案，举例说明如图7－11下图所示的一款新结构的联轴器，还有图7－12所示的上、下两款不同的新款结构的联轴器。第二十二页，共七十页。图7－10第二十三页，共七十页。图7－11第二十四页，共七十页。图7－12第二十五页，共七十页。第五节过载保护装置的机械结构设计1.偏心轮连杆机构

图7－13所示的偏心轮连杆机构。主动轮1通过偏心轮2驱动连杆头3。连杆4将运动传递给摇臂5，从而驱动从动轴6。要求设计一个功能可靠、制造方便的过载保护装置，它可使得当从动轴过载时，连杆机构的运动和力的传递中断，但主动轴仍可继续运转。此外，要求过载中断以后，该装置容易恢复到先前状态。过载精度为±3%，主动轴转速50r/min，转矩400N·m，生产批量2台。第二十六页，共七十页。2.过载保护装置的设计在以上偏心轮中设计过载保护装置的设计方案有许多。从功能结构层次上看，可将过载保护装置安置在不同的构件上，比如可以安置在主动轴上、连杆铰链、从动轴上。这里只讨论过载保护装置安置于主动轴的情况。从物理原理层次上看，有机械式、电动式、液压式、气压式和电磁式等多种方式，这里只讨论简单的机械式。尽管如此限制设计方案空间，但通过功能分析，仍可得到8种基本结构方案（见图7－14）。第二十七页，共七十页。图7－14第二十八页，共七十页。

以可靠的功能，方便装配、调节，较少的磨损和较低的噪声等为评判标准，从上述8个可能性方案中优选出图7－14d、f、h所示3种较好的结构方案。以此3种方案作为基本结构，运用变元法，对每个基本结构再作变化，又可得到8种结构设计新方案（如图7－15）。上述过载保护装置的16种结构方案从物理原理的角度看，不外乎是变形和摩擦两种，绝大部分的差异仅仅是结构细节上的差异。图7－15c（上）在16个方案中是最佳结构设计，但通过变元法，仍可继续改进，如图7－15下a-e五个结构。第二十九页，共七十页。图7－15第三十页，共七十页。第九章机械系统创新实例9.1机器人的研制9.2自行车的演变与发展第三十一页，共七十页。9.1机器人的研制

第三十二页，共七十页。1.机器人简介机器人是20世纪中后期发展起来的一个跨学科的高科技产品，它涉及到机构运动学、动力学、传感、控制、驱动、材料、人工智能等多门学科，已形成机器人工程这一专门研究领域。机器人的“成长”过程就是计算机、传感器、和各种机构等系统的创造、改进与综合配置的过程。第三十三页，共七十页。（1）机器人的“大脑”机器人的“大脑”就是计算机，或称电脑。现在广为使用的电脑属于具有逻辑思维能力的计算机，也就是说目前机器人的大脑仅具有逻辑思维能力。但现在关于形象思维能力的计算机研制已经有所突破，即被称为神经计算机。若机器人采用了具有逻辑思维和形象思维的两种计算机，其大脑就会像人一样产生灵感、直觉和感情，就会成为高级智能机器人。第三十四页，共七十页。（2）机器人的手臂和手机器人的手和手臂是机器人最早发展部位。它虽然没有人手灵活，但发展趋势其功能却会超过人手。因其手指可以设计成任意指数；其手臂可以设计成任意长度或节数；握力和臂力也可以根据实际要求进行设计；触觉与灵巧性也在不断提高。现在已经研制出三指九关节灵巧手，它可完成复杂、精密的装配，进行细微的操作。第三十五页，共七十页。（3）机器人的行走机器人的行走方式有轮式、履带式和步行式。前两种适合较好路面，而后一种适合较差路面。为适应各种情况，可采用几种方式并行。机器人虽处于学步阶段，但已显示出超越人的行走能力的特征。它可以在垂直平面上，天花板上行走。当然这种在壁面上行走要具备吸附功能与移动功能，目前吸附多采用真空吸附与电磁吸附。我国哈尔滨科技大学研制了一种永磁吸附轮、履带复合式移动机构。第三十六页，共七十页。（4）机器人的眼睛研究机器人的眼睛有两种方法：用摄像机输入图像，然后用计算机软件进行图像识别与分析；建立模拟生物眼系统，这是与神经计算机相配合的视觉系统。硅视网膜是新型机器眼，硅视网膜由一系列光学传感器组成，每个传感器覆盖一小部分图像区，其功能与人眼的功能十分相似。第三十七页，共七十页。（5）机器人的鼻子嗅觉研究难度较大，，因它不仅与探测的化学组成有关，还与环境有关，而环境是随时变化的。但近几年已有所突破，现在开发的鼻子是依靠以电子芯片为基础的大量聚合物来鉴别各种气味，并给出数字显示的结果。它对每种气味都会产生独特的“鉴别图谱”，并以此作为判别各种气味的依据，而不必分析其化学成分。第三十八页，共七十页。2.工业机器人概述（1）工业机器人的组成（2）工业机器人的结构特点（3）工业机器人的基本参数及其特性（4）工业机器人的坐标形式（5）工业机器人关节（6）工业机器人传动元件第三十九页，共七十页。（1）工业机器人的组成机械系统驱动系统控制系统腰部肩部肘部腕部基座末端第四十页，共七十页。机械系统机械系统又称为操作系统，是工业机器人的执行机构。可分为基座、腰部、臂部、腕部、和手部（末端）。分析时可简化为连杆与关节。末端即手部是直接参加工作部分，可以使用各种夹持器，也可以用各种工具，如焊枪、喷头等。工作不仅要求末端达到指定的位置，还要求具有正确的方向第四十一页，共七十页。控制系统控制系统由计算机组成，一般分为两个部分：一部分是控制计算机，他在系统软件的支持下，实现对应用软件的编译，相邻基点的差补运算，各点的运动学动力学综合，对操作及作业对象的信息采集处理，以及对整个系统的故障检测诊断和预报。另一部分是伺服控制器，他接受位移、速度及驱动的指令，实现对臂杆的加速和闭环伺服控制。第四十二页，共七十页。驱动系统包括驱动器和传动系统：驱动器：电机驱动（直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机）；液压气动驱动。传动系统：机器人对传动系统要求具有结构紧凑，体积小，质量轻，无间隙，反应快的特点。传动机构种类很多，安性能可分为：固定速比式和无极变速式；按运动方式可分为：回转——回转，回转——直线，直线——回转，直线——直线。现代机器人除以上三大部分外，还应包括智能系统，它由感知和决策两部分组成。前者主要是传感器组，后者靠运行软件实现。

第四十三页，共七十页。（2）工业机器人的结构特点

（工业机器人的操作机可以简化为开式连杆机构）操作机的结构刚度差。因为连杆系末端是无法加以支承的，并且随连杆系在空间位姿的变化而变化。操作机的运动灵活。因为每个连杆都具有独立的驱动器，各连杆之间的运动各自独立，互不约束。对传动系统的刚度、间隙和运动精度要求高。因为连杆的控制属于伺服控制型，连杆驱动转矩的瞬态过程的变化是非常复杂的，并且与执行件反馈信号有关。极容易发生振动与不稳定现象。因为连杆的受力状态、刚度条件、和动态性能都随位姿的变化而变化。第四十四页，共七十页。机器人性能良好的体现（抓重/自重）尽量大。人类：手臂质量为4~9kg，抓重为15~25kg，则（抓重/自重）=3~4。但机器人：（抓重/自重）=1/20结构静态刚度尽可能好。有利于提高末端的定位精度，对编程轨迹的跟踪精度，降低对控制系统的要求与造价等。尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。其目的在于避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。

第四十五页，共七十页。（3）工业机器人的基本参数及其特性工作空间:指机器人臂杆特定部位在一定条件下所能达到空间位置的集合。自由度：F=∑fi（式中fi为每个关节的自由度，末端自由度不计）一般工业用机器人具有4至6个自由度。当自由度增加到超过末端定位需要时，便出现了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了工作的灵活性，但也增加了编成的难度，并使机器的结构刚度与运动精度下降。（下页图例）第四十六页，共七十页。具有冗余自由度的操作机构的应用第四十七页，共七十页。有效负载：指操作机在工作时臂端可能搬运物体的重量或所能承受的力及转矩。机器人的有效负载除受到驱动功率的限制外，还受到材料、环境、运动参数（如速度、加速度及其方向）的限制。如下页图示的加拿大手臂，用于航天飞机上的机器人，额定搬运质量为14500kg，在运动速度较低情况下能达到29500kg。然而，这种负荷能力只有在太空中失重条件下才有可能达到。在地球上，该手臂本身重量达410kg，连自重引起的臂杆变形都无法承受。第四十八页，共七十页。加拿大手臂摄像机637.67cm705.99cm187.96cm第四十九页，共七十页。运动精度：机器人机械系统精度涉及位置精度、重复位置精度和系统分辨率。位置精度是指操作机臂端定位误差的大小，它与系统分辨率、机械系统的结构间隙、臂杆变形等有关；重复位置精度是指手臂端点实际到达位置分布曲线的宽度；系统分辨率主要取决于反馈传感器的分辨率，它代表了所能识别的可控制运动变化的最小单位。速度：速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。最大加速度受到驱动功率和系统刚度的限制。动态特性：结构动态参数常用质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态来表征。第五十页，共七十页。（4）工业机器人的坐标形式直角坐标型：又称为直移型。其三个基本关节均为移动关节，即实现升降、伸缩和平移动作。其末端轨迹可以是直线、矩形、或长方体。该结结构简单，运动直观性强，便于提高精度。但占据空间大，工作范围小。约占机器人总产量的14%左右。圆柱坐标型：又称为回转型。其三个基本关节中，两个为移动关节，一个为转动关节。其末端轨迹可以是圆弧、扇形平面、圆柱面或空心圆柱面。该结构运动直观性强，占据空间小，结构紧凑，工作范围大。但受升降机构的限制，一般不能提升地面上较低位置的工件。约占机器人总产量的47%左右。第五十一页，共七十页。直角坐标型圆柱坐标型第五十二页，共七十页。球坐标型：又称为俯仰型。其三个基本关节中，两个为转动关节，一个为移动关节。其末端轨迹是一个空心球体。该结构与圆柱型相比，在占据同样空间下工作范围扩大了，由于具有俯仰自由度，可以完成从地面提取工件。但运动直观性差，结构复杂，臂端位置误差会随臂的伸长而放大。约占机器人总产量的13%左右。关节坐标型：其主体结构有三个转动自由度，即腰关节、肩关节、肘关节。它是一种广泛化使用的拟人化机器人。该结构占据空间小，而工作范围最大。其末端轨迹为球体。它还可以绕过障碍物提取和运送工件。但运动直观性差，驱动控制较复杂。约占机器人总产量的25%左右。第五十三页，共七十页。球坐标型腰部肩部肘部腕部基座末端关节坐标型第五十四页，共七十页。（5）工业机器人关节平移关节：

要求：无间隙、高刚度、摩擦系数小、惯量小、稳定、结构紧凑。

类型：滚动直线导轨、直线轴承、滚珠花键、固定轴滚动支撑转动关节：

要求：无间隙、高刚度、摩擦系数小、惯量小、稳定、结构紧凑。

类型：滚动轴承（要求滚道合理，质量轻，强度好，弹性模量高，精度高）第五十五页，共七十页。开放型直线轴承d=101.6d=203.2d=355.6D=114.3D=222.2D=393.76.3512.719.050.09kg0.53kg2.79kg常用薄壁大轴承尺寸滚动体直线导轨滚珠滚柱第五十六页，共七十页。小位移运动机构在机器人工作中有许多频繁小位移运动场合，为适应这一条件，并保持较高的位置精度，小位移运动机构必须有一定的柔性。因此许多小位移机构都是采用弹性变形的原理实现的。常用的有平板弹簧；以及金属——橡胶叠片式两类。第五十七页，共七十页。平板弹簧式小位移运动手指关节的联接金属——橡胶片叠加变形第五十八页，共七十页。（6）工业机器人传动元件普通齿轮传动谐波齿轮传动摆线针轮行星传动丝杠螺母传动链传动齿型带传动钢带传动钢丝绳传动柔性轴第五十九页，共七十页。3.仿人步行二足机器人

•执行部分与传动部分123546踝关节1—伺服电机，相当于肌腱，为原动部分2—滚珠螺杆3—螺母4-连杆相当于韧带，为传动部分5-小腿6-执行部分，脚xzy踝关节具有两个自由度，当两个伺服电机同向转动时，脚相对小腿绕y轴摆第六十页，共七十页。345621膝关节具有一个自由度，伺服电机1的转动通过滚珠螺杆2，螺母3带动连杆4完成小腿6与大腿5之间绕y轴的相对摆动xzy第六十一页，共七十页。•传感装置脚与地面是否接触的感觉是由力传感器获得；各关节弯曲程度由与伺服电机相连的光学周角编码器获得；前后、左右两个方