机械原理 课件 第13章 机构系统的概念设计

第13章机构系统的概念设计ConceptualDesignofMechanismSystems于靖军北京航空航天大学研究机构系统概念设计的重要性基本机构的局限性(组合)机构系统机床自动换刀系统

根据不同功用的机械产品的生产工艺过程或其功能所要求实现的运动，选择若干不同类型的基本机构，通过适当的连接方式，组成一个彼此协调配合的机构系统。主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.9机构系统:由若干个基本机构组成的系统。设计流程中的主要步骤:功能分析，确定设计值指标执行构件运动规律设计3.执行机构的型式设计4.执行机构系统协调设计5.机构的运动参数设计6.机构运动和动力分析7.方案评价与决策冲压机床的机构系统运动简图13.1机构系统概念设计的一般过程13.1机构系统概念设计的一般过程主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.9713.2基本机构的分类枚举执行构件的基本运动形式有：连续转动、往复摆动、往复移动、单向间歇转动、间歇往复移动、间歇往复摆动、平面一般运动、点轨迹运动（如直线）、空间定轴转动、空间平动、螺旋运动等。主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.9913.3基本机构的组合方式13.3.1串联式组合前一级子机构的输出构件即为后一级子机构的输入构件。凸轮机构与摇杆滑块机构的串接式组合13.3基本机构的组合方式13.3.2机构的并联式组合

几个子机构共用一个输入构件，而它的输出运动又同时输入一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。13.3基本机构的组合方式用于铁板传送装置上的机构系统13.3.3机构的复合式组合

由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构。13.3基本机构的组合方式连杆-凸轮组合机构13.3.4机构的叠联式组合

将作平面一般运动的构件作为原动件，且其中一个基本机构的输出（或输入）构件为另一个基本机构的相对机架的联接方式。1．两基本机构共有的运动构件只有一个挖掘机及组合框图13.3基本机构的组合方式2．两基本机构共有的运动构件不止一个飞机的起落架收放机构13.3基本机构的组合方式13.3.4机构的叠联式组合主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.913.4.1扩展法扩展法是指在原有基本机构的基础上，通过叠加杆组或将两个以上的基本机构组合成新机构的方法。13.4简单机构系统的创新设计方法叠加杆组法六杆导杆机构扩展齿轮机构13.4.1扩展法基本机构组合法大摆角机构13.4简单机构系统的创新设计方法13.4.2演化法

演化法也称为变异法。该方法主要突出“变换”，一是构件间相对运动的变换（机构倒置），一是高副与低副间的变换。

钢板叠放机构机构倒置13.4简单机构系统的创新设计方法高低副替换一般导杆机构间歇运动导杆机构13.4简单机构系统的创新设计方法主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.92113.5复杂机构系统的创新设计方法

往往需要借助数学工具，来实现复杂机构系统的创新设计。具体而言，将系统按功能划分为多个子系统，每个子系统作为一个基本模块。通过建立各模块之间的联系（包括输入输出、约束等信息），然后借助图论等数学工具实现对模块的有机组合。这种方法通常称为模块组合法。（1）选择并抽象可重构机器人的每一个模块（2）根据连接约束限制条件产生连通图（3）应用图论中有关连通图的算法得到含所有生成树的图集（4）生成树图具体化，得到可重构机器人的详细图集可重构机器人224自由度可重构机器人的构型综合（1）模块的抽象——积木块（2）生成连通图23（3）连通图的所有生成树图集不可行24（4）所有可能的组合装配构形图集主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.913.6.1机构类型的选择

机构选型问题：在了解并确定了机构系统各执行构件所要实现的若干个基本运动形式、运动特性及运动规律后，经过从已有的各种机构进行搜索、选择、比较、评价，选出机构的合适形式。选择一个合适的机构组合通常要考虑的问题（1）机械的工作用途，要求的运动形式、运动规律。（2）机械选择什么种类的原动件，什么种类的执行构件。（3）机械的外廓尺寸、重量、加工、装配及维修。13.6机构系统运动方案的优选与设计13.6机构系统运动方案的优选与设计13.6.2机构系统运动方案设计的某些特殊要求1.实现执行件大行程的要求对心曲柄滑块机构曲柄滑块-齿轮齿条串联机构13.6机构系统运动方案的优选与设计2.实现执行构件行程可调的要求行程可调的两自由度七杆机构曲柄摇杆机构13.6.2机构系统运动方案设计的某些特殊要求13.6机构系统运动方案的优选与设计3.实现执行构件在某位置能承受极大力的要求曲柄滑块机构曲柄摇杆-摇杆滑块串联组合机构13.6.2机构系统运动方案设计的某些特殊要求13.6机构系统运动方案的优选与设计13.6.3机构系统运动方案设计的基本原则1.满足执行构件的工艺动作和运动要求

2.运动链尽可能简短,机构尽可能简单八杆机构四杆机构13.6机构系统运动方案的优选与设计3.合理选择动力源的类型，可使运动链简短钢板叠放机构13.6.3机构系统运动方案设计的基本原则13.6机构系统运动方案的优选与设计4.

选择合适的运动副形式

一般来说，转动副易于制造，容易保证运动副元素的配合精度，且效率较高，移动副不易保证配合精度，效率低且易发生自锁，所以，设计时，如果可能，可用移动副代替转动副。5.

尽可能减小机构的尺寸

机械产品的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大的差别。实现同样大小传动比的情况下，周转轮系的尺寸比普通定轴轮系的尺寸要小很多。13.6.3机构系统运动方案设计的基本原则13.6机构系统运动方案的优选与设计6.

机构系统应有良好的动力学特性要选择有良好动力学特性的机构，首先是尽可能选择压力角较小的机构，特别注意机构的最大压力角是否在允许值范围内。为减少运动副摩擦、防止机构出现楔紧现象、甚至自锁等，尽可能采用由转动副组成的连杆机构，少采用固定导路的移动副。对于高速运转的机构，应考虑平衡惯性质量措施，以减少运转过程中的动负荷和振动。13.6.3机构系统运动方案设计的基本原则13.6机构系统运动方案的优选与设计主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.913.7.1机构系统运动循环图的类型半自动制钉机（1）镦头：冲头1左进镦出钉头。在镦锻过程中，冲头3压紧钢丝料。（2）送料：由送料夹持器2分四次间歇送进。（3）压紧、挤方：由冲头3在前三次送料后的停歇时间内将钉杆挤压成方锥。（4）挤尖、切断：13.7机构系统运动循环图直线式运动循环图

特点：绘制方法简单，能清楚地表示出整个运动循环内各执行构件间运动的先后顺序和位置关系。但由于不能显示各执行构件的运动变化情况，只有简单的文字表述，因而运动循环图的直观性较差。13.7.1机构系统运动循环图的类型13.7机构系统运动循环图圆周式运动循环图

特点：能直观地看出各执行机构中原动件在主轴或分配轴上所处的相位，便于各执行机构的设计、安装和调试。但当行构件较多时，因同心圆环太多而不够清晰，也不能显示执行构件的的运动变化情况。13.7.1机构系统运动循环图的类型13.7机构系统运动循环图直角坐标式运动循环图

特点：形象、直观，不仅能清楚地表示出各执行构件的运动先后顺序，还能表示出执行构件在各区段的运动规律，便于指导各执行机构的设计。13.7.1机构系统运动循环图的类型13.7机构系统运动循环图13.7.2机构系统运动循环图的拟定1．各执行机构在时间上的协调配合以某产品外包装上需要打印生产日期为例，介绍机构系统运动循环图的拟定。推杆1按给定的运动规律S1推动产品3到达打印位置，打印头2则按照运动规律S2向下运动到与产品接触位置，打印生产日期。13.7机构系统运动循环图方案1方案2效率最低，不合理。效率最高，但不可靠。13.7.2机构系统运动循环图的拟定方案3效率较高，可靠，合理。1．各执行机构在时间上的协调配合13.7机构系统运动循环图2.执行机构在空间上的协调配合以某包装自动线上两折纸机构为例，说明当执行机构在空间上的协调配合关系时机构系统运动循环图的拟定。执行件1按

1规律运动，N点到达N

折纸；执行件2按

2规律运动，K点到达K

折纸。13.7.2机构系统运动循环图的拟定13.7机构系统运动循环图折纸过程产生干涉折纸过程中轨迹有交点M2.执行机构在空间上的协调配合13.7.2机构系统运动循环图的拟定13.7机构系统运动循环图方案2效率较高，可靠，合理。方案1效率最高，但不可靠。2.执行机构在空间上的协调配合13.7.2机构系统运动循环图的拟定13.7机构系统运动循环图主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.9由基本机构组合而成的机构系统有两种不同的情况：机构组合

在机构组合中所含的子机构仍能保持其原有结构和各自相对独立的机构系统。组合机构

用一个子机构去约束或影响另一个多自由度机构形成封闭式传动机构，它是具有与原基本机构不同结构特点和运动性能的复合式结构。按子机构的名称，组合机构可分为：

连杆-凸轮机构

凸轮-齿轮机构

连杆-齿轮机构13.8典型机构系统的运动分析与设计连杆─凸轮组合机构13.8.1连杆─凸轮组合机构13.8典型机构系统的运动分析与设计设计任务：满足C点给定轨迹S曲线，如图：设计过程：如下图。13.8典型机构系统的运动分析与设计13.8.1连杆─凸轮组合机构齿轮连杆机构11.8.2连杆─齿轮组合机构13.8典型机构系统的运动分析与设计凸轮─齿轮组合机构13.8.3凸轮─齿轮组合机构13.8典型机构系统的运动分析与设计设计任务：用作图法设计凸轮的理论轮廓和实际轮廓，确定扇形行星轮2的最小中心角。设计过程：如右图。13.8典型机构系统的运动分析与设计13.8.3凸轮─齿轮组合机构主要内容机构系统概念设计的一般过程13.1基本机构的分类枚举13.2基本机构的组合方式简单机构系统的创新设计方法复杂机构系统的创新设计方法机构系统运动方案的优选与设计机构系统运动循环图典型机构系统的运动分析与设计综合实例13.313.413.513.613.713.813.9

构件1为整个机构系统的原动件，通过待设计的机构系统带动构件4上的蘸油辊5绕O3轴作往复摆动。蘸油辊5在上极限位置停留时，与供油辊2相接触，供油辊2则在同一个原动件1的另一路子系统带动下作间歇转动，转动时先将油盒3中的油墨带到辊的表面上，然后通过摩擦作用再将油墨传到蘸油辊5的表面上。蘸油辊5在下极限位置停留时，与水平运动的墨板6相接触，将油墨刷至墨板6上。13.9综合实例—印刷机蘸油机