第三章机构构型方案与组合创新设计

机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构，这个复杂的机构一般有两种形式，一种是几种基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构，被称为组合机构；另一种则是几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特性，但需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称作为机构组合。第三章机构构型方案与组合设计目录第一节机构的组合与创新第二节机构的演化与变异第三节广义机构的创新设计第一节机构的组合与创新机构是机器中执行机械运动的主体装置机构的类型和复杂程度机器的性能机器的成本机器的制造工艺机器的使用寿命机器的工作可靠性机构的设计在机械设计的整个过程中占有举足轻重的地位第一节机构的组合与创新任何复杂的机构都是由基本机构组合而成的基本机构：1.各类连杆机构2.凸轮机构3.齿轮机构4.间歇运动机构5.螺旋机构6.带传动机构7.摩擦轮机构第一节机构的组合与创新1.1基本机构的应用：（1）基本机构单独应用（2）互不连接的基本机构的组合ABC3214压片机第一节机构的组合与创新1.1基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。基本机构的并联组合基本机构的串联组合第一节机构的组合与创新1.1基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。第一节机构的组合与创新1.1基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。第一节机构的组合与创新1.1基本机构的应用：（3）各基本机构互相连接的组合串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。第一节机构的组合与创新1.2常用机构组合方法常用的机构组合方式如下：1.利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，组成复杂的机构系统。2.按照串联规则组合基本机构，组成复杂的串联机构系统。3.按照并联规则组合基本机构，组成复杂的并联机构系统。4.按照叠加规则组合基本机构，组成复杂的叠加机构系统。5.按照封闭规则组合基本机构，组成复杂的封闭机构系统。6.上述方法的混合连接，可得复杂的机构系统。实际工作中，是上述方式的组合。第一节机构的组合与创新1.2.1机构的串联组合概念：机构的串联组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接在一起。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入。第一节机构的组合与创新1.2.1机构的串联组合分类：根据参与组合的前后机构连接点的不同进行划分。联接点可以设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称其为Ⅰ型串联；联接点也可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上，称作Ⅱ型串联。做往复直线运动或定轴转动的构件连杆或行星轮Ⅰ型串联Ⅱ型串联串联机构组合的示例连杆机构连杆机构棘轮机构齿轮机构槽轮机构凸轮机构凸轮机构连杆机构齿轮机构槽轮机构凸轮机构(一)I型串联组合齿轮机构连杆机构齿轮机构凸轮机构前置机构前置机构后置机构后置机构双曲柄机构与槽轮机构的串联组合槽轮角速度变化曲线牛头刨床导杆机构毛纺针梳机导条机构使位移增加的凸轮—连杆机构凸轮—连杆糖果包装机剪切机构连杆—齿轮机构飞机高度表增力机构共轭凸轮连杆机构利用齿条齿轮的大行程直移机构具有停歇的六杆机构实现从动件两次动程的六杆机构(一)Ⅱ型串联式组合行星齿轮连杆机构一般直线轨迹或圆弧曲线轨迹可使后置子机构的输出构件实现运动的停歇，自交的曲线轨迹可使后置于机械的输出构件实现两个行程。第一节机构的组合与创新串联组合的基本思路串联组合的基本原则：1、实现后置机构的速度变换。第一节机构的组合与创新串联组合的基本思路串联组合的基本原则：1、实现后置机构的速度变换。第一节机构的组合与创新串联组合的基本思路串联组合的基本原则：2、实现后置机构的运动变换。获得预期的运动轨迹。曲柄滑块机构没有急回特性串联了曲柄摇杆机构后有急回特性第一节机构的组合与创新串联组合的基本思路串联组合的基本原则：3、在满足运动要求的前提下，运动链尽可能短。第一节机构的组合与创新1.2.2机构的并联组合两个或多个基本机构并列布置，称为机构的并联组合。Ⅱ型并联Ⅰ型并联Ⅲ型并联并联式机构组合按输出运动性质可分为简单型和复杂型。丝织机构开口机机构冲压机的凸轮连杆机构曲柄摇杆摇杆滑块摇杆滑块移动从动件盘形凸轮摆动从动件…摆动滑块1．I型并联式组合第一节机构的组合与创新v形双缸发动机襟翼操纵机构二、机构并联组合的示例2．Ⅱ型并联式组合曲柄滑块曲柄滑块齿条齿轮齿条齿轮第一节机构的组合与创新缝纫机针杆传动钉扣机针杆传动二、机构并联组合的示例1．Ⅱ型并联式组合摆动导杆曲柄滑块摆动凸轮曲柄滑块第一节机构的组合与创新双棘爪机构活塞机的齿轮杠杆机构2.III型并联式组合曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块第一节机构的组合与创新压力机螺旋杠杆机构矩形轨迹输送机构双滑块双滑块端面凸轮机构平底直动盘形凸轮2．III型并联式组合第一节机构的组合与创新第一节机构的组合与创新并联组合的基本思路串联机构组合的目的：改变后置机构的运动速度或运动规律。并联机构组合的目的：用于实现运动的分解或运动的合成，也可改变机构的动力性能。并联组合的基本原则：1.对称并联相同的机构可实现机构的平衡。I型并联组合可实现惯性力的部分或完全平衡。2.实现运动的分解与合成。I型并联组合可实现分流，II型并联组合可实现运动的合成。3.改善受力状态。4.同类机构可以并联，不同类机构也可以并联。第一节机构的组合与创新将一个或多个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式为叠加式机构组合，其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。基本概念：分类一：叠加组合的运动关系有两种情况，一种是各机构的运动关系是相互独立的称为运动独立式，常见于各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的影响称为运动相关式，如摇头电扇的传动机构。1.2.3.机构的叠加基础机构：支撑其它机构的基本机构。附加机构：安装在基础机构可动构件上的机构。1.2.3机构的叠加第一节机构的组合与创新分类二：I型叠加组合和II型叠加组合附加机构基础机构附加机构基础机构I型叠加机构II型叠加机构动力源动力源动力源主要功能：实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。设计的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个附加机构的类型，如何解决输入运动的控制（借助于机械、液、气压、电磁等控制系统解决，使输出的复杂工艺动作适度，符合工作要求。）选择附加机构的一般原则：将附加机构设计成单自由度，使其运动的输入输出形式简单，以达到容易控制的目的。第一节机构的组合与创新见举例机构叠加组合的示例1．运动独立式叠加机构电动玩具马圆柱坐标型工业机械手II型叠加机构II型叠加机构附加机构附加机构基础机构基础机构液压挖掘机机构电风扇摇头机构2.运动相关式叠加机构II型叠加机构I型叠加机构基础机构附加机构机构叠加组合的示例I型叠加机构蜗杆机构与轮系机构组成的I型叠加机构行星轮系为基础机构涡轮蜗杆附加机构3124Hznnzz机构叠加组合的示例I型叠加机构齿轮叠加机构基础机构附加机构机构叠加组合的示例II型叠加机构机械手机构基础机构附加机构附加机构基础机构机构叠加组合的示例II型叠加机构机械手机构基础机构附加机构附加机构基础机构机构叠加的关键问题机构叠加创新设计的关键：确定附加机构与基础机构之间的运动传递，或者附加机构的输出构件与基础机构的哪个构件连接，即动力传递路线的确定。II型叠加机构的连接：动力源一般安装在基础机构的可动构件上，用来驱动附加机构的一个可动构件。I型叠加机构的连接：较为复杂，但是也有一定的规律性。1.齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构时，连接点选在附加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。2.基础机构为行星齿轮系机构，附加机构为齿轮机构，可将附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上。齿轮叠加机构基础机构附加机构例：附加机构的系杆和齿轮4连接，传递运动和动力机构叠加的关键问题机构叠加的关键问题例：要求设计天线既能绕水平轴旋转，也能绕垂直轴旋转，二者的合成运动可实现全方位转动任务。基础机构附加机构1.2.4机构的封闭组合第一节机构的组合与创新1.概念：一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输出构件和一个输入构件用单自由度机构连接起来，形成一个单自由度的自由机构系统，称为封闭式连接。特征：基础机构为二自由度，附加机构为单自由度。有3个运动有1个运动封闭了2个运动新机构为单自由度1.2.4机构的封闭组合第一节机构的组合与创新2.分类：根据输入输出特性的不同有三种封闭组合方法。a)I型封闭组合；b)II型封闭组合；c）III型封闭组合1.2.4机构的封闭组合第一节机构的组合与创新3.示例两自由度的差动轮系I型封闭机构II型封闭机构输入1.2.4机构的封闭组合第一节机构的组合与创新3.示例II型封闭机构I型封闭机构OABCD为5杆机构，用凸轮机构封闭差动轮系为基础轮系定轴轮系和连杆机构为附加机构1.2.4机构的封闭组合第一节机构的组合与创新3.示例III型封闭机构凸轮机构为附加机构，封闭了两自由度涡轮机构的一个输入和一个输出封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新封闭组合是两自由度的基础机构和单自由度机构的组合，组合可实现优良的运动特性，但是有时会产生机构内部的封闭功率流，降低了效率。封闭组合时的基本组合思路如下：1.常用的基础机构：五杆机构、差动机构，附加的封闭机构为齿轮机构、凸轮机构和四杆机构。2.附加机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动的方法简单、实用、可靠。封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新封闭组合时的基本组合思路如下：3.附加机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，输出运动反馈回输入构件。此时必须满足如下条件：213pnN为活动构件，p为自由度。1122322321npnp封闭前机构的自由度封闭后机构的自由度相减213pn封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新213pn1234567△p23.556.589.511△n1234567附加机构的组成必须满足上表，其中1、3、5是有效的，即加上附加机构后，基础机构的活动构件数增加的个数必须满足上表中第二列。封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新213pn1234567△p23.556.589.511△n1234567I型封闭组合机构II型封闭组合机构满足高副低代后满足封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新213pn1234567△p23.556.589.511△n1234567III型封闭组合机构满足封闭组合的基本思路第一节机构的组合与创新封闭组合时的基本组合思路如下：4.机构封闭组合的结果将导致形成组合机构，其设计和分析方法与基础机构的类型密切相关。5.任意两自由度的机构都可以作为基础机构，而单自由度的机构可为附加机构。一、机构的混合组合方式第一节机构的组合与创新工程中，串联组合、并联组合、叠加组合以及封闭组合等方法经常联合应用，称为混合组合法，如串联后再并联，串联后再叠加等。二、附加约束组合法指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新的目的。1.2.5其它类型的机构组合与创新设计第一节机构的组合与创新二、附加约束组合法指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新的目的。五杆机构中c点增加凸轮约束改变凸轮轮廓曲线，可以改变滑块的预期运动。凸轮-连杆机构印刷机械和纺织机械中常用。第一节机构的组合与创新二、附加约束组合法指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新的目的。B处加制动器1133H13nnznzzz未加制动器时：加制动器时：11H13nnzzz第二节机构演化与变异1．机构的演化：以某机构为原始机构，对组成机构的各元素（运动副，构件）进行各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同的机构。2．各种性质的改变或变换：机构各元素形状和尺寸上的改变，运动形式的变换，运动等效变换，组成原理的仿效。3．机构演化与变异的主要方法：运