第五章 机构组合的创新设计

机构创新设计的方法基于组合原理创新再生运动链法变异构型创新设计Page3一、机构组合与创新设计第一节串联式组合第二节并联式组合第三节封闭式组合第四节装载式组合Page4机构组合是指基本机构以不同的方式连接，生成复杂机构的过程。目的是改善基本机构的运动和动力特性，实现更高要求。一、机构组合与创新设计Page5基本机构单环的连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、挠性件传动机构、以及这些机构的倒置机构等组合方式串联式、并联式、封闭式、装载式一、机构组合与创新设计Page6两个及两个以上基本机构顺序连接，每一个前置机构的输出为后置机构的输入，用以满足工作要求机构1机构2输入输出1.串联式组合•串联组合形式前置机构可以是连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、非圆齿轮机构、间歇运动机构、挠性件传动机构等。•可以实现增力、增程和各种特殊的运动规律，并具有改善后置机构的运动与动力学特性等功能。1.串联式组合Page8•可用于增力——肘杆机构sMQcosysLMQcos增力比：L/yPPF1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构随着滑块下移，α减小，L增大，S减小，在F不增大的情况下，Q逐渐增大。Page9θα某压力机的主机构20，当F大约是F12的14倍1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构Page10偏距为气缸直径的0~0.5倍。刚性杆2（6）为L形，其夹角λ可为60°~120°。该机构对发动机而言，可使活塞的实际行程增加5%~20%，使发动机的实际排量增加5%~20%；可使发动机的燃油消耗率降低5%~20%；使曲轴的平均输出扭矩增大5%~35%。若用于压缩机，也可使能源消耗明显下降。节能发动机1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构Page11•可用于增程齿条6的行程是滑块3的2倍，是曲柄1长度的4倍φψ12zz1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构Page12•可实现特殊的运动规律1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构部分行程要求等速、减速、停歇等。图为实现等速移动功能的牛头刨床串联组合机构。•A轨迹8字形。主动件1循环运动一次，输出件5往复移动两次1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构•可实现特殊的运动规律Page14•可改善后置机构的运动与动力特性1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构•槽轮机构常用于转位和分度机械装置中，运动时会带来振动与冲击，造成工作台不稳，尤其是槽数较少的外槽轮机构。采用双曲柄机构（不是平行四边形机构）为前置机构，改善了动力学特性。•可改善后置机构的运动与动力特性1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构•这些串联的转位机构可在较高速度条件下工作，并且转位平稳、锁止可靠、结构简单。•可改善后置机构的运动与动力特性1.串联式组合（1）连杆机构为前置机构Page17•利用凸轮可输出特殊的运动规律来实现特定的工作要求1.串联式组合（2）凸轮机构为前置机构Page18•利用凸轮可输出特殊的运动规律来实现特定的工作要求齐纸机构1.串联式组合（2）凸轮机构为前置机构Page19•可利用椭圆齿轮机构的特殊运动规律1.串联式组合（3）齿轮机构为前置机构椭圆齿轮连杆机构Page20毛纺针梳机导条机构1.串联式组合（3）齿轮机构为前置机构实现导杆5匀速往复运动（椭圆齿轮连杆机构）实现间歇传送运动1.串联式组合（3）齿轮机构为前置机构图中推点轨迹均为圆，用于送料机构，如糖纸、糖块、钢料。可实现机构的平衡，改善机构的动力学特性，完成复杂的需要互相配合的动作与运动。2.并联式组合以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为1的机构(可称为附加机构)的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。Page23两个或多个基本机构并列布置，运动并行传递一、并联式组合形式1、并列式并联2、合成式并联3、时序式并联结构形式机构1机构2输入输出机构1机构2输入输出输出机构1机构2输入输出输入2.并联式组合一、并联式组合形式1输入，2、4输出1输入，2输出1、2输入，3输出2.并联式组合一、并联式组合形式机构1机构2输入输出输出机构1机构2输入输出输入机构1机构2输入输出时序式合成式并列式•类型、尺寸相同，对称布置，主要用于改善机构的受力状态、动力学特性、自身的动平衡、死点问题、输出运动的可靠性。两个移动电机可独立完成任务，增强了安全可靠性。2.并联式组合①并列式•组合形式：两个齿轮齿条机构并联（共用齿轮），然后与曲柄滑块机构串联（滑块与齿轮轴固接）•特点：两个移动电机可互不干扰地工作，其中一个发生故障，另一个还能完成工作，安全可靠性强；连接襟翼的曲柄可产生很大的力；齿轮的转动与滑块的移动无关。2.并联式组合①并列式•加压且摩擦阻力小2.并联式组合①并列式•8为主动件，往复一个行程使工件周期性转过900并无空程。2.并联式组合①并列式•输出运动互相影响或作用，完成复杂的运动规律和轨迹要求。两个凸轮分别使输出构件左右、上下移动2.并联式组合②合成式2.并联式组合②合成式图为一般用于工件的输送装置，大滑块在右端位置先接受工件，左移，再由小滑块将工件推出，设计时须注意两滑块运动的协调与配合。2.并联式组合③时序式•两上输出的运动具有一定的运动或动作的协调。•由摆动从动件盘形凸轮机构与摇杆滑块机构并联组合•推杆2负责输送工件，滑块5完成冲压，应按照机构运动循环图进行机构的尺寸综合。2.并联式组合③时序式Page33双棘爪棘轮机构机翼操纵机构1、改善性能2.并联式组合二、并联式组合机构功能使工件周期性转过900并无空程其中一个发生故障，另一个还能完成工作，安全可靠性强；Page34对称并联活塞连杆机构对称并联布置的曲柄滑块机构2.并联式组合二、并联式组合机构功能加压且摩擦阻力小Page35凸轮输送机构压力机机构2、实现特定的运动轨迹与规律2.并联式组合二、并联式组合机构功能Page363、实现复杂的动作配合冲压机构双滑块驱动机构2.并联式组合二、并联式组合机构功能•以二自由度的机构为基础机构，单自由度的机构为附加机构，再将两个机构中某些构件并接，组成一个单自由度的组合机构，称为封闭式组合。各基本机构融为一体，实现比较特殊的运动规律，如停歇、逆转、加速、减速、前进、倒退，以及增力、增程、合成运动等。3.封闭式组合结构形式基础机构附加机构输入输出基础机构附加机构输入输出•①以差动齿轮机构（图为其常见结构）为基础机构。可构成齿轮连杆机构、齿轮凸轮机构、复合轮系。3.封闭式组合组合的形式②以差动凸轮机构（图为其常见结构）为基础机构。可构成凸轮连杆机构、凸轮齿轮机构。•转动副可改为移动副3.封闭式组合组合的形式③以差动连杆机构为基础机构。可构成连杆齿轮机构、连杆凸轮机构。3.封闭式组合组合的形式④组合实例分析3.封闭式组合组合的形式•结构特点：齿轮连杆机构差动轮系连杆机构2输入3输入1输出•运动特点：)(231321132321izz23）（则：若使：则：（某区间）若使：13213113223100ii由基础机构的：由辅助机构的：3.封闭式组合组合的形式令ω2为机构的输入参数，则系统自由度为1。•实现特定的运动规律。图为齿轮连杆机构。可通过选择不同的齿数比，及连杆机构中不同杆长比实现不同的步进转位角。3.封闭式组合功能•图为可实现长时间停歇的齿轮导杆机构，避免刚性冲击，可无级地满足运动系数的要求，但机构较复杂。3.封闭式组合功能•图中基础机构为3、4、5、机架，附加机构为1、2、4，当4以等角速度转动时，5因凸轮轮廓曲线的形状变化可获得多样化的运动规律。3.封闭式组合功能•图为构件1、3、4、5组成差动凸轮机构，附加机构为导杆机构2、3、4、5，4的摆动规律可调，还可实现浮动导杆3上某点的轨迹要求。3.封闭式组合功能Page47•实现增程增力3.封闭式组合•输出构件滑块D的行程比简单凸轮机构推杆的行程增大几倍，而凸轮机构的压力角仍可控制在许用范围内。附加机构为曲柄摇杆机构，5的摆角将比3的成倍增加。Page483.封闭式组合•固定凸轮机构与差动连杆机构共用浮动杆和连架杆的冲压机构，再在4、2间串联一II级杆组6、7，则为双向冲压。Page49•可利用中间齿轮换向实现两个自由度机构的输入振摆式轧机示意图3.封闭式组合•实现大速比3.封闭式组合2121112201HHHzzzz•也称为齿轮连杆机构，系杆为主动件，单级传动比在11~99之间，双级传动比可达9801。•组合形式：基础机构为差动齿轮机构，附加机构为平行四边形机构，齿轮1与连杆固结为一个构件。Page51•实现运动的合成3.封闭式组合112122zszr•凸轮与蜗杆固联，并作为主动构件输入转动，输出构件蜗轮的角位移由两部分组成•凸轮与蜗轮固联，蜗杆轴主动，蜗轮的运动是转动与移动的合成，常用于机床作为运动误差的补偿。Page52例：机床分度补偿机构，A，B为圆柱副蜗轮4的转动由蜗杆3的转动和蜗杆3的移动（凸轮1）输入4143344144334rszzrszzs1φ3蜗杆转动与移动引起蜗轮转动方向一致取证，否则取负3.封闭式组合Page53将某个机构安装在另一个机构的输出构件上，最后总输出的运动则是若干个叠加机构的多个自由度的复合运动结构形式基本机构N基本机构2基本机构1输入输入输入输出4.叠加式组合Page544.叠加式组合•图为工业机械手。末端开链机构安装在直移机构的活塞上，而直移机构的汽缸又安装在链传动机构的转动链轮上，又装在移动连杆机构的连杆上。1）、单联式组合•组合形式：装截式。由1-2-3-4、4-5-6-7、7-8-9-10三套液压摆缸机构组成。“7-8-9-10”装载在“4-5-6-7”的构件7上，“4-5-6-7”装载在“1-2-3-4”的构件4上。•功能：实现挖掘工具的复杂运动。4.叠加式组合4.叠加式组合1）、单联式组合Page562）、双联式组合摇头电扇4.叠加式组合•图为摇头电风扇机构。蜗杆机构装载在双摇杆机构的运动构件摇杆上，蜗轮又与其连杆固联。由于两个基本机构中除装载构件共用外，还有两个构件并接，所以组合机构具有1个自由度，只需要以蜗杆为输入构件就具有确定运动。Page57•具有连续输入输出关系的串联式机构组合可实现增力、增程等功能•具有共用输入输出关系的并联式机构组合也可改善工作性能。•具有共用构件的封闭式机构组合还可实现特定的运动规律。•具有主次关系的叠加式机构组合可实现复杂运动机构组合创新小结Page59机构组合创新小结组合方式：除4种组合方式外，还可以交互式组合注意问题：多次组合会使运动链增长，运动副增多，设计难度增大，积累误差增大，机械效率也会降低主要功能：*可使执行构件实现增程、增速、增力；*可改善机构的运动和动力特性；*可使执行构件实现特定的运动规律与轨迹；*可实现运动的合成与分解；*可实现多自由度的复合运动机构演化、变异原理与创新第一节机构的运动副演化与变异第二节机构的构件变异第三节机构的机架变换与创新第四节机构的等效变换与创新第五节机构运动原理的仿效与创新机构的演化或变异：以某机构为原始机构，在其基础上对组成机构的各个元素进行的各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同或性能改进的机构。进行各种性质的改变与变换主要包括：对机构各个元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效的变换，组成原理的仿效。演化与变异的主要方法有：运动副演化与变异；机构的构件变异；机构的机架变换；机构的等效变换；机构运动原理的仿效；或以上方法同时运用。通过演化与变异而获得的新功能机构称为变异机构。机构的运动副演化与变异主要目的：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）改善机构的受力状态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主要方法包括：1）改变运动副的尺寸2）改变运动副元素的接触性质3）改变运动副元素的形状改变运动副的尺寸主要是指转动副和移动副尺寸的增