創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)研究生課件：4機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)11

1、4 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能要求。 采用不同的工作原理設(shè)計(jì)出的機(jī)械，其性能、結(jié)構(gòu)、工作品質(zhì)、適用場(chǎng)合等都會(huì)有很大的差異，因此必須根據(jù)機(jī)械的具體工作要求，如強(qiáng)度、精度、壽命、效率、產(chǎn)量、成本、環(huán)保等諸多因素綜合考慮確定。同時(shí)在滿足要求的前提下盡可能多采用幾個(gè)方案。 4.1 功能原理設(shè)計(jì)功能原理設(shè)計(jì) 根據(jù)工藝要求進(jìn)行工藝動(dòng)作的分解及執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的確定。根據(jù)工藝要求進(jìn)行工藝動(dòng)作的分解及執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的確定。同一個(gè)工作原理，可以有多種工藝動(dòng)作分解。同一個(gè)工作原理，可以有多種工藝動(dòng)作分解。 不同的工藝動(dòng)作分解，將會(huì)得到不同的設(shè)計(jì)

2、結(jié)果。不同的工藝動(dòng)作分解，將會(huì)得到不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。 1） 動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 功能分析功能分析擦黑板裝置擦黑板裝置 2 2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)同一種運(yùn)動(dòng)，可以選擇不同型式的機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)同一種運(yùn)動(dòng)，可以選擇不同型式的機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式設(shè)計(jì)，即選用何種機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)，這需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式設(shè)計(jì)，即選用何種機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)，這需要考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性、機(jī)械效率、制造成本等因素?？紤]機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性、機(jī)械效率、制造成本等因素。 機(jī)構(gòu)選型的基本原則機(jī)構(gòu)選型的基本原則n1.原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式n機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案擬定的優(yōu)劣與機(jī)器能否滿足預(yù)定功能要求、制造難易、成本高低、運(yùn)動(dòng)精度、壽命

3、、可靠性以及動(dòng)力性能等密切相關(guān)。n機(jī)構(gòu)的選型不僅與執(zhí)行構(gòu)件（即機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件）的運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，n而且還與機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件（主動(dòng)件）有關(guān)，n而主動(dòng)件或原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式則與所選的原動(dòng)機(jī)類型有關(guān)。n常用的原動(dòng)機(jī)的輸出運(yùn)動(dòng)形式可分為：n（1）連續(xù)運(yùn)動(dòng)：如各種異步電動(dòng)機(jī)、滑差電機(jī)、直流電機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)等等。n（2）往復(fù)移動(dòng)：如活塞式汽缸和液壓缸、直線電動(dòng)機(jī)等。n（3）往復(fù)擺動(dòng)：如雙向電動(dòng)機(jī)、擺動(dòng)式液壓缸或汽缸等。n（4）間歇運(yùn)動(dòng)：如步進(jìn)電機(jī)等。n機(jī)器中使用最廣泛的是交流電動(dòng)機(jī)，因此，一般輸入構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)大多數(shù)為連續(xù)運(yùn)動(dòng)。n2.機(jī)構(gòu)選型的基本原則n在進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型和組合時(shí)，設(shè)計(jì)者必須熟悉

4、各種基本機(jī)構(gòu)和常用機(jī)構(gòu)的功能、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并且還應(yīng)該遵循下列的基本原則：n（1）滿足工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求。n選擇機(jī)構(gòu)首先應(yīng)滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求。通常高副機(jī)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡，但是高副的曲面加工制造比較麻煩，而且高副元素容易因磨損而造成運(yùn)動(dòng)失真。低副機(jī)構(gòu)雖然往往只能近似實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡，尤其當(dāng)構(gòu)件數(shù)目較多時(shí)，累計(jì)誤差較大，設(shè)計(jì)也比較困難，但低副元素（圓柱面或平面）易于加工且容易達(dá)到加工精度要求。因此從全面考慮，優(yōu)先采用低副機(jī)構(gòu)。 n例：nJA型家用縫紉機(jī)的挑線機(jī)構(gòu)采用擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)如圖21（a）所示，n雖然其挑線孔的軌跡比較容易滿足使用要求，但是凸輪

5、廓線加工比較復(fù)雜，而且容易磨損。nJB型家用縫紉機(jī)的挑線機(jī)構(gòu)則采用連桿機(jī)構(gòu)如圖所示。雖然其挑線孔的運(yùn)動(dòng)軌跡只能近似實(shí)現(xiàn)，但借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可控制誤差在允許范圍內(nèi)，從而使挑線孔軌跡滿足使用要求。n由于連桿機(jī)構(gòu)是低副機(jī)構(gòu)，加工方便且耐磨損，所以現(xiàn)在家用縫紉機(jī)和工業(yè)縫紉機(jī)都選用連桿機(jī)構(gòu)作為挑線機(jī)構(gòu)。 n（2）結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈最短n在滿足使用要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，構(gòu)件的數(shù)目要少，運(yùn)動(dòng)副數(shù)目也要少。n這樣不僅可以減少制造和裝配的困難，減輕重量，降低成本，而且還可以減少機(jī)構(gòu)的累計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差，提高機(jī)器的效率和工作可靠性。n例：為了實(shí)現(xiàn)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為一種按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的往復(fù)直線運(yùn)

6、動(dòng)，n而且從動(dòng)件的行程不要太大，可采用n圖示的結(jié)構(gòu)。n 也可采用圖示的結(jié)構(gòu)。 n（3）原動(dòng)機(jī)的選擇有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和改善運(yùn)動(dòng)質(zhì)量n目前機(jī)器的原動(dòng)機(jī)多采用電動(dòng)機(jī)，也有采用液壓缸或氣缸。n在有液、氣壓動(dòng)力源時(shí)盡量采用液壓缸或氣缸，這樣有利于簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈和改善運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，而且具有減振、易于減速、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，n特別對(duì)于具有多執(zhí)行構(gòu)件的工程機(jī)械、自動(dòng)機(jī)，其優(yōu)越性就更突出。n例如兩種擺桿機(jī)構(gòu)的方案，n顯然，如圖所示的擺動(dòng)氣缸方案，其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，但擺動(dòng)氣缸在傳動(dòng)時(shí)速度較難控制。若采用擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)擺桿，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，速度比較容易控制；n而如圖（b）所示的方案，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)一般轉(zhuǎn)速較高，它必須通過(guò)減速機(jī)才能使

7、擺桿的擺動(dòng)速度滿足要求，故其結(jié)構(gòu)比圖（a）復(fù)雜得多。 n（4）機(jī)構(gòu)有盡可能好的動(dòng)力性能n這一原則對(duì)于高速機(jī)械或者載荷變化很大的機(jī)構(gòu)尤應(yīng)注意。n對(duì)于高速機(jī)械，機(jī)構(gòu)選型要盡量考慮其對(duì)稱性，對(duì)機(jī)構(gòu)或回轉(zhuǎn)構(gòu)件進(jìn)行平衡使其質(zhì)量合理分布，以求慣性力的平衡和減小動(dòng)載荷。n對(duì)于傳力大的機(jī)構(gòu)要盡量增大機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角或減小壓力角，以防止機(jī)構(gòu)自鎖，增大機(jī)器的傳力效益，減小原動(dòng)機(jī)的功率及其損耗。 n（5）加工制造方便，經(jīng)濟(jì)成本低n降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益是使產(chǎn)品有足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)里的有里保證。n在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)盡可能選用低副機(jī)構(gòu)，并且最好選用以轉(zhuǎn)動(dòng)副為主構(gòu)成的低副機(jī)構(gòu)，n因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)副元素比移動(dòng)副元素更容易加工，也跟容易達(dá)

8、到精度要求。n此外，在保證使用條件的前提下，n盡可能選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)；n盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的元器件，以達(dá)到最大限度低降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。 n（6）機(jī)器操縱方便、調(diào)整容易、安全耐用n在擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選一些開(kāi)、停、離合、正反轉(zhuǎn)、剎車、手動(dòng)等裝置，可使操作方便，調(diào)整容易。n為了預(yù)防機(jī)器因載荷突變?cè)斐蓳p壞，可選用過(guò)載保護(hù)裝置。n（7）具有較高的生產(chǎn)效率和機(jī)械效率n選用機(jī)構(gòu)必須考慮到其生產(chǎn)效率和機(jī)械效率，這也是節(jié)能源提高機(jī)關(guān)年紀(jì)效益的只要手段之一。n在選用機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量減少中間環(huán)節(jié)，即傳動(dòng)鏈要短，并且盡量少采用移動(dòng)副，因?yàn)檫@類運(yùn)動(dòng)副容易發(fā)生楔緊或自鎖現(xiàn)象。 n此

9、外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇要考慮到與原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式、功率、轉(zhuǎn)矩及其載荷特性能夠相互匹配協(xié)調(diào)。n另外，所選機(jī)構(gòu)的傳力特性要好，機(jī)械效率較高。n例如低效率的蝸桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該少用；行星輪傳動(dòng)中優(yōu)先采用負(fù)號(hào)機(jī)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＸ?fù)號(hào)機(jī)構(gòu)比正號(hào)機(jī)構(gòu)效率高；n增速機(jī)構(gòu)一般效率較低，也應(yīng)該盡量避免采用。 當(dāng)所選擇的機(jī)構(gòu)型式不能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求，或雖能實(shí)現(xiàn)功能要求但存在著或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、或運(yùn)動(dòng)精度不當(dāng)和動(dòng)力性能欠佳，可在常用機(jī)構(gòu)中選擇一種功能和原理與工作要求相近的機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上重新構(gòu)筑機(jī)構(gòu)的型式。4.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 組合法組合法 串聯(lián)組合串聯(lián)組合前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件，作為后一級(jí)子機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件，作為后

10、一級(jí)子機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，依次串聯(lián)的組合方式。件，依次串聯(lián)的組合方式。輸入輸入輸出輸出子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)II子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)I 后一級(jí)子機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件后一級(jí)子機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件為前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的一個(gè)連架為前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的一個(gè)連架桿。桿。 后一級(jí)機(jī)構(gòu)的子主動(dòng)件后一級(jí)機(jī)構(gòu)的子主動(dòng)件為在前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的連桿。為在前一級(jí)子機(jī)構(gòu)的連桿。III51234 1123A54DCBFEM 并聯(lián)組合并聯(lián)組合幾個(gè)子機(jī)構(gòu)共用同一個(gè)輸入構(gòu)件，而它們的輸出運(yùn)動(dòng)又幾個(gè)子機(jī)構(gòu)共用同一個(gè)輸入構(gòu)件，而它們的輸出運(yùn)動(dòng)又同時(shí)輸入給一個(gè)多自由度的子機(jī)構(gòu)，從而形成一個(gè)自由度為同時(shí)輸入給一個(gè)多自由度的子機(jī)構(gòu)，從而形成一個(gè)自由度為1的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組合方式。的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組

11、合方式。子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)n 1子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)III子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)I子機(jī)構(gòu)子機(jī)構(gòu)II子子機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)n輸入輸入輸出輸出直線電機(jī)直線電機(jī)襟翼襟翼直線電機(jī)直線電機(jī)某型飛機(jī)的襟翼操縱機(jī)構(gòu)某型飛機(jī)的襟翼操縱機(jī)構(gòu)大型船舶主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大型船舶主傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 復(fù)合式組合復(fù)合式組合由一個(gè)或幾個(gè)串聯(lián)的基本機(jī)構(gòu)去封閉一個(gè)具有兩個(gè)或多由一個(gè)或幾個(gè)串聯(lián)的基本機(jī)構(gòu)去封閉一個(gè)具有兩個(gè)或多個(gè)自由度的基本機(jī)構(gòu)的組合方式個(gè)自由度的基本機(jī)構(gòu)的組合方式5桿機(jī)構(gòu)桿機(jī)構(gòu)輸入輸入輸出輸出凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)1、機(jī)構(gòu)的倒置：、機(jī)構(gòu)的倒置：機(jī)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與機(jī)架的轉(zhuǎn)換。機(jī)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與機(jī)架的轉(zhuǎn)換。AB14lR235OPSO1AB12 變異法變異法改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀改變

12、構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀 將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的直線導(dǎo)槽將擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的直線導(dǎo)槽改為圓弧導(dǎo)槽，可獲得較長(zhǎng)時(shí)間的改為圓弧導(dǎo)槽，可獲得較長(zhǎng)時(shí)間的停歇停歇。要使分解后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)配合要使分解后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)配合（1）簡(jiǎn)單情況可采用機(jī)構(gòu)合成法 將多個(gè)分解運(yùn)動(dòng)輸入到具有多個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)中，合成為一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 （2）可采用分配軸的方法使各分解運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合 （3）可采用電氣控制或計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的方法使各分解運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)一、一、執(zhí)行構(gòu)件的布置執(zhí)行構(gòu)件的布置特別要考慮到控制此執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特別要考慮到控制此執(zhí)行構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝是否方便安裝是否方便 1）與執(zhí)行構(gòu)

13、件的聯(lián)接是否方便；）與執(zhí)行構(gòu)件的聯(lián)接是否方便； 2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)原動(dòng)件布置的位置是否恰當(dāng)；）執(zhí)行機(jī)構(gòu)原動(dòng)件布置的位置是否恰當(dāng)； 盡可能接近執(zhí)行構(gòu)件；盡可能接近執(zhí)行構(gòu)件； 使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)原動(dòng)件盡可能集中布置在一根使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)原動(dòng)件盡可能集中布置在一根 軸或少數(shù)幾根軸上；軸或少數(shù)幾根軸上； 各原動(dòng)件應(yīng)保持等速或定速比。各原動(dòng)件應(yīng)保持等速或定速比。二、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求二、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求1. 保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的順序性；2. 各執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作在時(shí)間上同步；3. 保證空間的同步性；4. 保證系統(tǒng)各執(zhí)行構(gòu)件對(duì)操作對(duì)象的操作具有單一性或協(xié)同性；5. 執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作之間應(yīng)保持時(shí)間上

14、的間隔，以避免動(dòng)作銜接處發(fā)生干涉；機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)一、一、機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 1、機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 表達(dá)機(jī)械各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（構(gòu)件）在一個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)中各動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系的簡(jiǎn)單明確圖，稱機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。2、機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的類型 1）直線式循環(huán)圖（矩形循環(huán)圖） 2） 圓形循環(huán)圖（極坐標(biāo)式） 3）直角坐標(biāo)式循環(huán)圖1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)1)完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì); 2)確定參照機(jī)構(gòu)（構(gòu)件）;3) 設(shè)計(jì)單一執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 ;4) 設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖.二、機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)例：粉料壓片機(jī)例：粉料壓片機(jī)113109105138957462611113109105（1）執(zhí)行構(gòu)件完成的動(dòng)作：1. 移動(dòng)料斗3至模具11的型腔上方，并準(zhǔn)備將粉料裝入型腔；2. 料斗振動(dòng)，將粉料裝入型腔；3. 下沖頭5下沉，以防止上沖頭9下壓時(shí)將型腔內(nèi)粉料抖出；4. 上沖頭下壓，下沖頭上壓，將粉料加壓并保壓一定時(shí)間，使藥片成型較好；5. 上沖頭快速退出，下沖頭隨之將壓好的藥片推出型腔，完成壓片工藝過(guò)程 。例：粉料壓片機(jī)例：粉料壓片機(jī)113109105138957462611分分配配軸軸 1 2 3 4S1S2S3S41、設(shè)計(jì)要點(diǎn)1) 完成系統(tǒng)的協(xié)