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文檔簡介
1第四章機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計2第一章
創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計第四章機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計第五章機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計第六章反求工程及創(chuàng)新設(shè)計第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設(shè)計第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計第九章機械創(chuàng)新設(shè)計實例
在人類文明和社會發(fā)展的過程中,制造業(yè)是創(chuàng)造社會財富的主要來源,是衡量國家綜合實力的重要指標。由于制造業(yè)的靈魂是設(shè)計,而制造和被制造機械的靈魂又是機構(gòu),因此機構(gòu)學的理論研究是制造業(yè)的基礎(chǔ),是現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)造的源泉。機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計決定了產(chǎn)品的創(chuàng)新性。如果機構(gòu)的設(shè)計有缺陷,則制造出的將會是先天不足的產(chǎn)品,或稱之為“有殘疾的機械”。對產(chǎn)品的創(chuàng)新而言,機構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計具有原創(chuàng)的特征性質(zhì),是機械發(fā)明中最具有挑戰(zhàn)性和發(fā)明性的核心內(nèi)容。而創(chuàng)新設(shè)計方法的豐富和完善,則大大提高了機構(gòu)構(gòu)型的種類與品質(zhì)。因此,有關(guān)機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的研究對提高機械產(chǎn)品的自主設(shè)計、創(chuàng)新,有著十分重要的意義。第四章機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計3
機構(gòu)創(chuàng)新的方法
(1)變異創(chuàng)新法通過對原始機構(gòu)的構(gòu)件和運動副進行某種性質(zhì)的改變或變換,演變發(fā)展出新機構(gòu)的設(shè)計方法。常用的變異創(chuàng)新法有機構(gòu)倒置、擴展、等效運動置換、改變局部結(jié)構(gòu)等。
(2)組合創(chuàng)新法將若干基本機構(gòu)按照一定的原則和規(guī)律組合成一個復雜機構(gòu),往往可以實現(xiàn)某些復雜的運動功能,是一類可應用于各類機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計的普適方法,應用非常廣泛。(3)原始創(chuàng)新法通過引入先進的數(shù)學工具、力學及生物學原理等設(shè)計理念,有效實現(xiàn)機構(gòu)的原始創(chuàng)新。4傳統(tǒng)機構(gòu)摩擦傳動機構(gòu)螺旋機構(gòu)間歇運動機構(gòu)撓性構(gòu)件機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)……5廣義機構(gòu)慣性機構(gòu)微位移機構(gòu)柔順機構(gòu)光電機構(gòu)電磁機構(gòu)氣動機構(gòu)液動機構(gòu)……6
傳統(tǒng)機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方法
傳統(tǒng)機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方法集中體現(xiàn)在構(gòu)型研究上。勒洛(Reuleaux)是最早進行機構(gòu)構(gòu)型研究的學者,其最大的貢獻是提出了機構(gòu)的符號表達。阿蘇爾(Assur)提出的平面機構(gòu)構(gòu)型的“桿組法”,則是早期構(gòu)型理論研究發(fā)明最重要的發(fā)現(xiàn)。人類對復雜平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合取得重大突破是在20世紀60年代之后的事情。其中的代表人物是弗洛希斯坦(Freudenstein),他提出了結(jié)構(gòu)與功能分離的原則并采用圖論來研究平面機構(gòu)的拓撲綜合。20世紀60年代以來平面機構(gòu)學的研究進展,衍生了很多行之有效的平面機構(gòu)綜合方法,具有代表性的方法有:圖論法、阿蘇爾桿組法、位移群法、對偶數(shù)法等。7運用這些方法,系統(tǒng)地綜合出了許多新型的平面機構(gòu),相繼解決了復雜的10桿以上平面機構(gòu)的拓撲綜合問題。同樣,從20世紀60年代開始,隨著產(chǎn)業(yè)機械及其他各類機械產(chǎn)品的功能需求日益增強,基于元機構(gòu)的模塊化設(shè)計呈現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢,相關(guān)的設(shè)計技法也成為學界的研究熱點。利用計算機輔助概念設(shè)計進行機構(gòu)計算綜合也成為了頗具代表性的研究方向。這種創(chuàng)新方法也是機構(gòu)學界近50年來的研究熱點,并取得了一定的研究成果。計算綜合中比較典型的方法有:圖論法、矩陣法、旋量理論、再生運動鏈法等。這種基于已知機構(gòu)模塊進行組合的設(shè)計方法,其共同特點在于:具有開放的存儲大量知識的成熟的機構(gòu)運動方案知識庫,設(shè)計人員無需掌握太多的相關(guān)學科的背景知識就可以利用計算機進行設(shè)計。8
機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程與方法的發(fā)展趨勢現(xiàn)代機構(gòu)的概念已有別于傳統(tǒng)機構(gòu)。主要體現(xiàn)在三個方面。一是機構(gòu)的廣義化與模塊化,比如將構(gòu)件或運動副廣義化,即把彈性構(gòu)件、柔性機構(gòu)、微小構(gòu)件等引入到機構(gòu)中;對運動副也擴展到復雜鉸鏈、柔性鉸鏈等。同時對機構(gòu)的組成元素廣義化,將驅(qū)動元件與機構(gòu)系統(tǒng)集成或者融合為一種有源機構(gòu),大大擴展了傳統(tǒng)機構(gòu)的內(nèi)涵。二是機構(gòu)的可控性,利用驅(qū)動元件的可控性使機構(gòu)通過有規(guī)律的輸入運動實現(xiàn)可控的運動輸出,從而擴展了機構(gòu)的應用范圍。最典型的例子包括機器人、微機械等。三是機構(gòu)的生物化與智能化,進而衍生出各種仿生機構(gòu)及機器人、變胞機構(gòu)等。9
從研究方法上,機構(gòu)學的研究呈現(xiàn)出日益交融的態(tài)勢,以彌補單一性所帶來的不足。如平面機構(gòu)與空間機構(gòu)的交融(例如并聯(lián)機構(gòu)的性能研究可以從以平面機構(gòu)為支鏈的研究入手)、剛性機構(gòu)與柔性機構(gòu)的交融(如分析柔性機構(gòu)的偽剛體模型)、結(jié)構(gòu)綜合與尺度綜合的交融(如分布柔度柔性機構(gòu)的拓撲設(shè)計問題)、理論建模與參數(shù)綜合的交融(如柔性機構(gòu)、并聯(lián)機床等)、功能集成與功能分解的融合(如組合機構(gòu)、變胞機構(gòu)等)、不同類機構(gòu)的融合(并聯(lián)柔性機構(gòu)、柔性變胞機構(gòu)等),以及機構(gòu)學與其它學科的日益交叉(如機構(gòu)學與生物學交叉可引導變胞機構(gòu)、微機構(gòu)、柔性機構(gòu)設(shè)計)等。這種交融、融合與交叉勢必對豐富和完善現(xiàn)代機構(gòu)設(shè)計及理論進而指導實用有效的新機構(gòu)設(shè)計大有裨益。10
以學科交叉為例,借鑒其它學科中已發(fā)展成熟的設(shè)計理論,通過擴展機構(gòu)的內(nèi)涵和外延,建立彼此之間的有機聯(lián)系,將其移植到機構(gòu)設(shè)計理論與應用中,從而達到機構(gòu)創(chuàng)新的目的。其中聯(lián)系較為緊密的學科包括:生物學、化學、電子學、管理學等。不過數(shù)學和力學仍然是解決機構(gòu)設(shè)計問題的根本。當前的研究已呈現(xiàn)出這方面的發(fā)展趨勢,比較典型的是引入生物學原理來研究機構(gòu)綜合與創(chuàng)新技法。比如在對變胞機構(gòu)和柔性機構(gòu)的研究中,提出了變胞元素作為進化單元,探討基于變胞元素的變胞機構(gòu)基因進化機制,以此建立基于基因進化技術(shù)的變胞機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計理論。柔性機構(gòu)研究中,提出了柔性胞元的概念,借助細胞生長機制探討胞元組合構(gòu)造機理,從而實現(xiàn)柔性機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的目標。11第一節(jié)機構(gòu)型式設(shè)計的一般原則
機構(gòu)型式設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題是構(gòu)造什么樣的機構(gòu)去實現(xiàn)原理方案所提出的運動要求。一般性原則
1.滿足執(zhí)行構(gòu)件的運動要求2.結(jié)構(gòu)簡單,運動鏈短12精確型直線導向機構(gòu)近似型直線導向機構(gòu)133.機構(gòu)尺寸盡可能小減小曲柄長度的方案144.選擇合適的運動副形式用轉(zhuǎn)動副代替移動副154.選擇合適的運動副形式用高副代替低副164.選擇合適的運動副形式用高副機構(gòu)實現(xiàn)從動件的復雜運動175.選擇合適的原動機電動機內(nèi)燃機氣動馬達液壓馬達186.應使機構(gòu)具有良好的傳力條件和動力特性存在4個過約束存在3個過約束存在1個過約束不存在過約束19滑塊與導桿位置互易對受力的影響FPMdR323R1212R12FR32423FR32R42MdFR4241PR32FCeFCF
M摩擦力較大摩擦力較小移動副上的轉(zhuǎn)動副位置對受力的影響20第二節(jié)常用機構(gòu)的特性及一般評價
能將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為其他運動形式的機構(gòu)是設(shè)計者經(jīng)常采用的機構(gòu)。掌握好這些常用機構(gòu)的運動特性,熟悉它們所能實現(xiàn)的功能,了解它們的優(yōu)缺點,對于設(shè)計者正確選用或創(chuàng)新機構(gòu)是十分必要的。常用機構(gòu)的運動特性及功能帶、鏈、撓性件傳動、摩擦輪機構(gòu)圓柱齒輪機構(gòu)、周轉(zhuǎn)輪系、諧波傳動、活齒傳動、擺線針輪傳動平行四邊形機構(gòu)、雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)勻速運動其他常用機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)機構(gòu)類型執(zhí)行構(gòu)件的運動和功能21棘輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)不完全齒輪機構(gòu)容易實現(xiàn)可以實現(xiàn)間歇運動非圓齒輪機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)、轉(zhuǎn)塊機構(gòu)非勻速運動螺旋機構(gòu)、氣、液動機構(gòu)齒輪齒條機構(gòu)移動從動件凸輪機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)、楔塊機構(gòu)往復移動氣、液動機構(gòu)齒輪齒條機構(gòu)擺動從動件凸輪機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)、擺動導桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)往復擺動其他常用機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)機構(gòu)類型執(zhí)行構(gòu)件的運動和功能22
增減惰輪、滑移齒輪換向帶傳動、摩擦傳動機構(gòu)過載保護減速傳動肘桿機構(gòu)、杠桿機構(gòu)增力
行星輪上的點
連桿上的點點的復雜軌跡運動差動螺旋機構(gòu)、差動棘輪機構(gòu)
差動輪系
兩自由度連桿機構(gòu)差動其他常用機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)機構(gòu)類型執(zhí)行構(gòu)件的運動和功能23可靠可靠可靠可靠6.可靠性組合機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)較好較好差耐磨5.耐磨性較大大較小較大4.承載能力較高很高較高高3.運動速度較好較差較差較好2.可調(diào)性較廣廣較廣較廣1.應用范圍工作能力較高高較高較高2.傳動精度基本上可以任意一般定速比轉(zhuǎn)動或移動基本上任意
只能實現(xiàn)有限個精確位置1.運動規(guī)律形式功能評價具體評價指標性能指標四種常用機構(gòu)性能初步評價表24性能指標具體評價指標評價連桿機構(gòu)凸輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)組合機構(gòu)動力性能1.加速度峰值較大
較小小較小2.噪聲較小較大小較小3.效率較低較高高較高4.平穩(wěn)性較差較差好較好經(jīng)濟性1.制造難易容易困難較難較難2.制造誤差敏感不敏感敏感敏感敏感3.調(diào)整方便性方便較麻煩較方便較方便4.能耗大小一般一般一般一般結(jié)構(gòu)緊湊1.尺寸較大較小較小較小2.質(zhì)量較輕較重較重較重3.結(jié)構(gòu)復雜性簡單復雜一般復雜四種常用機構(gòu)性能初步評價表25第三節(jié)機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法
只有通過學習掌握必要的創(chuàng)新理論,通過實踐豐富自己的積累,才能掌握好機構(gòu)創(chuàng)新的秘訣。
大量實踐表明,常用基本機構(gòu)通常完全可以勝任一般性的設(shè)計要求。在機構(gòu)綜合過程中,設(shè)計者一般都會對機構(gòu)的型式、結(jié)構(gòu)、尺寸作出這樣那樣的改進,或采用幾種機構(gòu)共同協(xié)作來實現(xiàn)設(shè)計任務的要求,這實際上是對已有機構(gòu)進行某種創(chuàng)造性的改造,本質(zhì)上是一種創(chuàng)新,只是設(shè)計者這時可能對機構(gòu)創(chuàng)新方法缺乏系統(tǒng)而明確的認識,這種創(chuàng)造性勞動帶有一定的盲目性。
26
非圓齒輪機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)、單萬向聯(lián)軸節(jié)機構(gòu)、齒輪-連桿組合機構(gòu)等非勻速
軸向滑移圓柱齒輪機構(gòu)、混合輪系變速機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)、行星無級變速機構(gòu)、撓性無級變速機構(gòu)等變傳動比勻速
交錯軸斜齒圓柱齒輪機構(gòu)、準雙曲面齒輪機構(gòu)、蝸桿蝸輪機構(gòu)交錯軸
雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構(gòu)、錐齒輪機構(gòu)等相交軸
圓柱齒輪機構(gòu)、平行四桿機構(gòu)、同步齒形帶機構(gòu)、周轉(zhuǎn)輪系、雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)、擺線針輪機構(gòu)、撓性傳動機構(gòu)、諧波傳動機構(gòu)等平行軸定傳動比勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動機構(gòu)示例運動形式常見運動形式及其對應機構(gòu)27常見運動形式及其對應機構(gòu)
特殊形式的連桿機構(gòu)、擺動從動件凸輪機構(gòu)、齒輪-連桿組合機構(gòu)、利用連桿曲線的圓弧段或直線段組成的多桿機構(gòu)等間歇擺動
棘輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)、凸輪式間歇運動機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等間歇轉(zhuǎn)動
曲柄滑塊機構(gòu)、移動從動件凸輪機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)、正弦機構(gòu)、楔塊機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、氣動、液動機構(gòu)、撓性機構(gòu)等往復移動往復運動運動形式往復擺動
曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)、擺動從動件凸輪機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)、擺動導桿機構(gòu)、空間連桿機構(gòu)、某些組合機構(gòu)、搖桿滑塊機構(gòu)等間歇運動間歇移動
棘齒條機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)、從動件做間歇往復運動的凸輪機構(gòu)、反凸輪機構(gòu)、氣動、液壓機構(gòu)、移動桿有停歇的斜面機構(gòu)等機構(gòu)示例28常見運動形式及其對應機構(gòu)帶傳動機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)等微動、補償
雙向式棘輪機構(gòu)、三星輪換向機構(gòu)、離合器、滑移齒輪換向機構(gòu)等換向連桿近似直線機構(gòu)、八桿精確直線機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等直線軌跡預定軌跡運動形式曲線軌跡
利用連桿曲線實現(xiàn)預定軌跡的多桿機構(gòu)、凸輪-連桿組合機構(gòu)、齒輪-連桿組合機構(gòu)、行星輪系與連桿的組合機構(gòu)等特殊運動要求
齒式棘輪機構(gòu)、摩擦式棘輪機構(gòu)等機構(gòu)示例超越過載保護
螺旋差動機構(gòu)、諧波傳動機構(gòu)、差動輪系、杠桿式差動機構(gòu)等……29
一、機構(gòu)創(chuàng)新的組合原理基本機構(gòu)由于其固有的局限性,只能實現(xiàn)有限的運動功能和要求,對于更復雜的功能和運動要求,常采用將幾種基本機構(gòu)用適當?shù)姆绞浇M合起來,構(gòu)成一個較復雜的機構(gòu),來實現(xiàn)基本機構(gòu)很難實現(xiàn)的運動或動力特性。機構(gòu)的組合是發(fā)明創(chuàng)造新機構(gòu)的重要途徑之一。常用的組合方式有串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、封閉組合、復合組合、反饋組合和疊加組合等。
30(1)串聯(lián)式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點
若干個單自由度的基本機構(gòu),以前一機構(gòu)的輸出構(gòu)件作為后一機構(gòu)的輸入構(gòu)件的方式組合。主要目的改變后置機構(gòu)的運動速度或運動規(guī)律,以改善輸出構(gòu)件的運動和動力特性,或?qū)崿F(xiàn)后置機構(gòu)輸出構(gòu)件的特殊運動要求。31I型串聯(lián)前一機構(gòu)的輸出構(gòu)件與后一機構(gòu)的輸入構(gòu)件固結(jié)成一個構(gòu)件。機構(gòu)的固結(jié)式串聯(lián)組合常用于改善輸出構(gòu)件的運動和動力特性,或用來實現(xiàn)運動或力的放大。
1
2v4
1
2v4機構(gòu)II機構(gòu)I32I型串聯(lián)前一機構(gòu)的輸出構(gòu)件與后一機構(gòu)的輸入構(gòu)件固結(jié)成一個構(gòu)件。機構(gòu)的固結(jié)式串聯(lián)組合常用于改善輸出構(gòu)件的運動和動力特性,或用來實現(xiàn)運動或力的放大。
1
2v4機構(gòu)II機構(gòu)I33II型串聯(lián)以前一機構(gòu)做平面運動構(gòu)件上某一點的軌跡作為輸出,通過該軌跡點與后一機構(gòu)的構(gòu)件連接。機構(gòu)的軌跡點串聯(lián)組合常利用前一機構(gòu)連接點的特殊運動軌跡來實現(xiàn)后一機構(gòu)輸出構(gòu)件的特殊運動要求。
1Mv5機構(gòu)
I機構(gòu)
II
1v534
1Mv5機構(gòu)
I機構(gòu)
IIII型串聯(lián)以前一機構(gòu)做平面運動構(gòu)件上某一點的軌跡作為輸出,通過該軌跡點與后一機構(gòu)的構(gòu)件連接。機構(gòu)的軌跡點串聯(lián)組合常利用前一機構(gòu)連接點的特殊運動軌跡來實現(xiàn)后一機構(gòu)輸出構(gòu)件的特殊運動要求。35
1v5
(2)并聯(lián)式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點兩個或多個基本機構(gòu)并列布置的組合方式。
主要目的利用運動的合成與分解來實現(xiàn)單一基本機構(gòu)難以實現(xiàn)的復雜運動和特殊的工作要求,有時也用于通過機構(gòu)的對稱并列布置達到改善機構(gòu)的動力性能。36
I型并聯(lián)各機構(gòu)的輸入構(gòu)件連接在一起,保留各自的輸出運動。可以實現(xiàn)運動的分解或分流,或者實現(xiàn)機構(gòu)的平衡。對稱并聯(lián)布置的鉸鏈四桿機構(gòu)子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出37
I型并聯(lián)各機構(gòu)的輸入構(gòu)件連接在一起,保留各自的輸出運動??梢詫崿F(xiàn)運動的分解或分流,或者實現(xiàn)機構(gòu)的平衡。對稱并聯(lián)布置的曲柄滑塊機構(gòu)子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出38雙凸輪組合機構(gòu)
II型并聯(lián)各機構(gòu)保持不同的輸入構(gòu)件,把輸出構(gòu)件連接在一起??梢詫崿F(xiàn)運動的合成。子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出39Stewart型并聯(lián)機構(gòu)球面副球面副移動副支鏈靜平臺動平臺伺服電機40Stewart型并聯(lián)機構(gòu)41
飛行訓練裝置423RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式鎖定模式43第五節(jié)氣動機構(gòu)3RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式平面運動模式44第五節(jié)氣動機構(gòu)3RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式方位運動模式45第五節(jié)氣動機構(gòu)3RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式平移運動模式46第五節(jié)氣動機構(gòu)3RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式平移與轉(zhuǎn)動模式47第五節(jié)氣動機構(gòu)3RRRRR六自由度機構(gòu)動平臺的不同運動模式空間運動模式48固定平臺驅(qū)動器動平臺萬向鉸鏈擺動桿6自由度的Delta并聯(lián)機構(gòu)49固定平臺驅(qū)動器動平臺萬向鉸鏈擺動桿3自由度的Delta并聯(lián)機構(gòu)應用連桿機構(gòu)執(zhí)行器50第五節(jié)氣動機構(gòu)3自由度的Delta并聯(lián)機構(gòu)應用51第五節(jié)氣動機構(gòu)3自由度的Delta并聯(lián)機構(gòu)應用52優(yōu)點
為封閉的桁架結(jié)構(gòu)型式,具有很高的整體剛度及運動的強制性,承載能力強;動平臺載荷分布在各支鏈桿上,構(gòu)件受力變形??;動平臺運動誤差不是各支鏈運動誤差的累積,工作精度高;各支鏈直接驅(qū)動,無中間傳動系統(tǒng),且各構(gòu)件的運動形式簡單,在同等載荷下,支鏈各桿及動平面的質(zhì)量均較小,故動力學性能優(yōu)于串聯(lián)機構(gòu),可較好地適應高速工作的需要。
缺點由于封閉鏈并聯(lián)形式屬于高耦合結(jié)構(gòu),因而其工作空間受限、靈活性較差,而且其運動學正解十分困難。
應用并聯(lián)機床(也稱為虛擬軸機床)、高速、高精度、小空間的作業(yè)(如醫(yī)療機器人,高精度微動機器人,高速插接機械手等)以及各種復雜運動的模擬平臺、操作機等。53放映機抓片機構(gòu)子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出III型并聯(lián)各機構(gòu)的輸入輸出構(gòu)件分別連接在一起??梢愿纳茩C構(gòu)的受力狀況。54筆芯裝配線送進機構(gòu)子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出III型并聯(lián)各機構(gòu)的輸入輸出構(gòu)件分別連接在一起??梢愿纳茩C構(gòu)的受力狀況。55子機構(gòu)I子機構(gòu)II輸入輸出對稱并聯(lián)的曲柄活塞連桿機構(gòu)III型并聯(lián)各機構(gòu)的輸入輸出構(gòu)件分別連接在一起。可以改善機構(gòu)的受力狀況。56
(3)封閉式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點以一個二自由度的兩個輸入構(gòu)件或兩個輸出構(gòu)件或一個輸入構(gòu)件和一個輸出構(gòu)件用單自由度機構(gòu)連接起來,形成一個單自由度的機構(gòu)系統(tǒng)的組合方式。
主要目的用于實現(xiàn)比較特殊的運動規(guī)律,如停歇、逆轉(zhuǎn)、加速、減速、前進、后退,以及運動合成等。57基礎(chǔ)機構(gòu)III-差動輪系(5、6、7、3(H)、4)附加機構(gòu)I-定軸輪系(1、5、4)附加機構(gòu)II-四桿機構(gòu)(1、2、3、4)
H
7機構(gòu)II
1機構(gòu)III
2機構(gòu)I
合理設(shè)計四桿機構(gòu)尺寸和各齒輪齒數(shù),可以使齒輪7獲得有一定時間停歇的輸出運動。
167B1CA2HED5
74358基礎(chǔ)機構(gòu)III-差動輪系(5、6、7、3(H)、4)附加機構(gòu)I-定軸輪系(1、5、4)附加機構(gòu)II-四桿機構(gòu)(1、2、3、4)
合理設(shè)計四桿機構(gòu)尺寸和各齒輪齒數(shù),可以使齒輪7獲得有一定時間停歇的輸出運動。
H
7機構(gòu)II
1機構(gòu)III
2機構(gòu)I59
(4)復合式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點以一個多自由度機構(gòu)作為基礎(chǔ)機構(gòu),一個或幾個單自由度基本機構(gòu)(附加機構(gòu))的輸出構(gòu)件接入基礎(chǔ)機構(gòu),實現(xiàn)運動的合成。
主要目的既可以實現(xiàn)復雜的運動函數(shù),也可以用于實現(xiàn)特殊的軌跡。60
1機構(gòu)I機構(gòu)IIv4vC基礎(chǔ)機構(gòu)II-五桿機構(gòu)附加機構(gòu)I-凸輪機構(gòu)
只要適當設(shè)計附加機構(gòu)凸輪1的輪廓曲線,就可以使連桿2上點C精確實現(xiàn)給定軌跡S。D51
1ABC23Sv4461
1機構(gòu)I機構(gòu)IIv4vCS基礎(chǔ)機構(gòu)II-五桿機構(gòu)附加機構(gòu)I-凸輪機構(gòu)
只要適當設(shè)計附加機構(gòu)凸輪1的輪廓曲線,就可以使連桿2上點C精確實現(xiàn)給定軌跡S。v4562
(5)反饋式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計特點
多自由度機構(gòu)(稱基礎(chǔ)機構(gòu))中的一個輸入運動是通過單自由度機構(gòu)從該多自由度機構(gòu)的輸出構(gòu)件回饋的。
主要目的常用于實現(xiàn)一些復雜運動和對運動有特殊要求的場合。63基礎(chǔ)機構(gòu)II-雙自由度蝸桿機構(gòu)附加機構(gòu)I-凸輪機構(gòu)
校正原理
測出蝸輪副一個周期的運動誤差,并以此作為設(shè)計凸輪輪廓曲線的依據(jù)。通過反饋組合后的附加運動,可以使運動誤差得到相應補償。輸入輸出凸輪機構(gòu)2自由度蝸桿蝸輪機構(gòu)64
(6)疊加式組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點在一個基本機構(gòu)的可動構(gòu)件上再安裝基本機構(gòu)的組合方式。支撐其他機構(gòu)的基本機構(gòu)稱為基礎(chǔ)機構(gòu),安裝在基礎(chǔ)機構(gòu)可動構(gòu)件上的基本機構(gòu)稱為附加機構(gòu)。
主要目的基礎(chǔ)機構(gòu)和附加機構(gòu)各自完成自己的運動,其運動的疊加即為所要求的輸出運動。65附加機構(gòu)為主動機構(gòu),安裝在基礎(chǔ)機構(gòu)的可動構(gòu)件上,由附加機構(gòu)的輸出構(gòu)件驅(qū)動基礎(chǔ)機構(gòu)的某個構(gòu)件。其運動的疊加即為所要求的輸出運動。基礎(chǔ)機構(gòu)-雙搖桿機構(gòu)
(2、3、4、5)附加機構(gòu)-蝸桿蝸輪機構(gòu)(1、2、5)54321基礎(chǔ)機構(gòu)附加機構(gòu)
2
3
1+
366附加機構(gòu)為主動機構(gòu),安裝在基礎(chǔ)機構(gòu)的可動構(gòu)件上,由附加機構(gòu)的輸出構(gòu)件驅(qū)動基礎(chǔ)機構(gòu)的某個構(gòu)件。其運動的疊加即為所要求的輸出運動?;A(chǔ)機構(gòu)-雙搖桿機構(gòu)
(2、3、4、5)附加機構(gòu)-蝸桿蝸輪機構(gòu)(1、2、5)基礎(chǔ)機構(gòu)附加機構(gòu)
2
3
1+
367
(7)附加約束組合機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
特點在多自由度機構(gòu)中,人為地增加約束條件,以獲得一個單自由度的組合機構(gòu)。
主要目的可以實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。68輸入輸出槽凸輪機構(gòu)2自由度5桿機構(gòu)
基礎(chǔ)機構(gòu)為一個2自由度5桿機構(gòu),約束機構(gòu)為槽凸輪機構(gòu)(其中槽凸輪固定不動)。只要適當設(shè)計凸輪的輪廓曲線,就能使從動滑塊按預定的復雜規(guī)律運動。69輸入輸出槽凸輪機構(gòu)差動輪系
基礎(chǔ)機構(gòu)為由中心輪、扇形齒輪和系桿組成的差動輪系,約束機構(gòu)為槽凸輪機構(gòu)(其中槽凸輪固定不動)。改變凸輪輪廓曲線,可以獲得極其多樣的運動輸出規(guī)律。70
(8)機構(gòu)組合創(chuàng)新的功能—技術(shù)矩陣法
運動變換和力變換的基本功能表示符號
基本功能表示符號表示符號基本功能運動形式變換運動(位移或速度)縮小運動(位移或速度)放大運動方向交替變換運動軸線變向運動合成運動分解運動脫離運動連接71
舉例設(shè)計題目精鍛機主機構(gòu)
總功能當加壓執(zhí)行構(gòu)件(沖頭)上下運動時,能鍛出較高精度的毛坯。
空間約束條件驅(qū)動軸必須水平布置。
分功能
(1)運動形式變換(2)運動軸線變向(3)運動位移或速度縮小72精鍛機功能—技術(shù)矩陣流體機構(gòu)摩擦輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)螺旋、斜面機構(gòu)凸輪機構(gòu)連桿機構(gòu)流體傳動原理摩擦傳動原理嚙合傳動原理推拉傳動原理傳動原理功能機構(gòu)73基本功能結(jié)構(gòu)
組合機構(gòu)方案總數(shù)N
63
21674
沖頭壓力大,安全可靠,但傳動精度差,適用于一般的鍛壓設(shè)備
機構(gòu)的綜合剛度較差,但沖頭具有較大壓力,且可在沖壓位置保持短時間停歇,適用于壓印機
生產(chǎn)效率較低,適合用于一般大型鍛壓機械設(shè)備
剛度好,具有較好的增力功能,能完全滿足精鍛機各方面的技術(shù)要求特點DCBA方案基本功能結(jié)構(gòu)序號75
二、機構(gòu)創(chuàng)新的變性原理以已知機構(gòu)為基礎(chǔ),通過對構(gòu)成機構(gòu)的結(jié)構(gòu)元素進行變化或改造,使機構(gòu)產(chǎn)生出新的運動特性和使用功能。
(一)通過構(gòu)件變異創(chuàng)新機構(gòu)
1.構(gòu)件運動的充分利用
構(gòu)件類型機架連架桿連架桿連桿76六、實現(xiàn)運動合成與分解翻箱機77行星輪系-行星輪平動78行星輪系-行星輪平動79
2.
利用機架位置的變換創(chuàng)新機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)的機架變換802.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)的機架變換812.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)的機架變換822.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)的機架變換83齒輪機構(gòu)的機架變換84凸輪機構(gòu)的機架變換853.利用原動件的變化創(chuàng)新機構(gòu)內(nèi)燃機86手壓抽水機87機械手爪88摩擦式棘輪機構(gòu)894.利用構(gòu)件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構(gòu)904.利用構(gòu)件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構(gòu)增力杠桿機構(gòu)PFPFPF914.利用構(gòu)件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構(gòu)正弦機構(gòu)變異924.利用構(gòu)件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構(gòu)正弦機構(gòu)變異93可調(diào)廓線凸輪94直廓環(huán)面蝸桿傳動蝸桿的變異圓柱蝸桿傳動95(二)通過運動副變異創(chuàng)新機構(gòu)
1.改變運動副尺寸進行機構(gòu)創(chuàng)新962.改變運動副元素的形狀進行機構(gòu)創(chuàng)新加滾動體的低副97983.利用變約束進行機構(gòu)創(chuàng)新行程兩端有停歇的曲柄滑塊機構(gòu)993.利用變約束進行機構(gòu)創(chuàng)新干草打捆機構(gòu)100機車車輪制動機構(gòu)1014.利用運動副替代進行機構(gòu)創(chuàng)新
(1)低副與低副的替代102平底直動從動件凸輪機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計103直角坐標型圓柱坐標型球坐標型關(guān)節(jié)型104類型直角坐標型球坐標型圓柱坐標型關(guān)節(jié)型基本自由度三個移動兩個移動一個轉(zhuǎn)動一個移動兩個轉(zhuǎn)動三個轉(zhuǎn)動基本運動
伸縮、升降、平移
伸縮、升降、水平轉(zhuǎn)動
水平轉(zhuǎn)動和兩個俯仰轉(zhuǎn)動
伸縮、水平轉(zhuǎn)動、俯仰轉(zhuǎn)動工作空間長方體空心圓柱體
空心球體的一部分
空心球體的一部分特點
結(jié)構(gòu)簡單,運動直觀性強,便于實現(xiàn)高精度,占據(jù)空間大,工作范圍較小
運動直觀性強,結(jié)構(gòu)緊湊,工作范圍大,應用較廣
工作范圍更大,結(jié)構(gòu)較復雜,運動直觀性差,不便于實現(xiàn)高精度
占據(jù)空間最小,工作范圍最大,運動直觀性最差,驅(qū)動控制較復雜。應用較廣105(2)高副與低副的替代高副低代低副高代106基于低副高代的機構(gòu)演化107無死點曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計108取連桿為代換構(gòu)件取曲柄為代換構(gòu)件六桿機構(gòu)的低副高代109滾動軸承的改進110行星輪系輸出機構(gòu)H12K
H
V行星輪系V111行星減速器112孔銷式輸出機構(gòu)adhdsOhOsO1O2工程上廣泛采用的孔銷式輸出機構(gòu)當滿足條件dh
ds
2a,四個圓心的連線構(gòu)成平行四邊形,銷孔和銷軸始終保持接觸。113二、擺線針輪傳動dsO1a擺線輪2O2針輪1針齒套針齒銷銷軸銷軸套dh114擺線針輪減速器115擺線減速器116反平行四邊形機構(gòu)與橢圓機構(gòu)的替代117(3)高副與高副的替代雙錐銷式等速輸出機構(gòu)118AEBMOCD14352
三、機構(gòu)創(chuàng)新的移植原理把已知機構(gòu)的原理、方法、結(jié)構(gòu)、用途甚至材料等內(nèi)容具體運用到另一機構(gòu)中,使所研究的機構(gòu)產(chǎn)生新的性質(zhì)和新的使用功能。軋機的創(chuàng)新119同步齒形帶普通V形帶120剛輪1柔輪2波發(fā)生器H
諧波齒輪傳動121工作原理
波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時,迫使柔輪變?yōu)闄E圓,使長軸兩端附近的齒進入嚙合狀態(tài),短軸附近的齒則脫開,其余不同區(qū)段上的齒處于逐漸嚙入狀態(tài)或逐漸嚙出狀態(tài)。嚙合嚙合嚙出嚙入脫開脫開
工作原理剛輪柔輪波發(fā)生器
波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時,柔輪的變形部位也隨之轉(zhuǎn)動,使輪齒依次進入嚙合,然后又依次退出嚙合,從而實現(xiàn)嚙合傳動。122諧波傳動演示
諧波齒輪傳動按照波發(fā)生器上裝的滾輪數(shù)不同,有雙波傳動和三波傳動等。最常用的是雙波傳動。諧波齒輪傳動的齒數(shù)差應等于波數(shù)或波數(shù)的整數(shù)倍。為了實際加工的方便,諧波齒輪的齒形多采用漸開線。123諧波傳動演示
鏈諧波傳動124不完全齒輪齒條機構(gòu)移動槽輪機構(gòu)125四、機構(gòu)創(chuàng)新的還原原理設(shè)計者在構(gòu)思運動方案時,應當追根溯源,從運動產(chǎn)生的最基本原理入手去探索標新立異的新機構(gòu)和新結(jié)構(gòu)。無轉(zhuǎn)動副的連桿機構(gòu)126機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法簡介機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法是中國臺灣成功大學顏鴻森教授經(jīng)過系統(tǒng)總結(jié)機構(gòu)數(shù)綜合理論成果并示例化的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法。用該方法,基于某一現(xiàn)有的、可行的實際機構(gòu)(原始機構(gòu)),可以系統(tǒng)地構(gòu)想出符合特定設(shè)計要求與約束,并能完成相同或相似任務的機構(gòu)全部可能的拓撲構(gòu)造。這一方法體現(xiàn)了由特殊到一般,再由一般到特殊的思維規(guī)律。它的巧妙用途之一是:可設(shè)計出與現(xiàn)有專利產(chǎn)品中的機構(gòu)具有相同功能,而又不會造成專利侵權(quán)的新機構(gòu)。127一般化新型設(shè)計方案設(shè)計約束條件設(shè)計圖譜再生運動鏈圖譜一般化運動鏈圖譜一般化運動鏈原始機構(gòu)數(shù)綜合性能分析具體化原則數(shù)綜合理論具體化特定化一般化原則再生運動鏈設(shè)計法流程128
原始機構(gòu)原始機構(gòu)可以是設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計對象的功能要求,結(jié)合自身的知識和經(jīng)驗設(shè)計出來的全新機構(gòu),也可以是實際使用的具有相同或相似功能的機構(gòu)。如果選取的原始機構(gòu)為專利機構(gòu),則對獲得新的專利,擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品來說意義重大。
機構(gòu)再生運動鏈法需要依據(jù)原始機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)與運動副數(shù)進行數(shù)綜合,以尋找可能解,因而其結(jié)果保持構(gòu)件數(shù)與運動副數(shù)不變。原始機構(gòu)的選擇決定了機構(gòu)選型設(shè)計的范圍,如選定四桿機構(gòu),運動副數(shù)和構(gòu)件數(shù)均為4,機構(gòu)再生運動鏈法設(shè)計的結(jié)果也一定是四桿機構(gòu)。因此原始機構(gòu)的選擇十分重要,是獲得新結(jié)果的基礎(chǔ)。129
運動鏈一般化運動鏈一般化就是把原始機構(gòu)轉(zhuǎn)化為只含有構(gòu)件和轉(zhuǎn)動副的運動鏈,其目的是找出機構(gòu)的共同源。通過一般化處理,設(shè)計者能夠用一種非?;镜姆绞絹硌芯亢捅容^不同的機構(gòu)。機構(gòu)運動鏈一般化過程的步驟:
解除機架與原動件。
高副構(gòu)件桿件化。低副連接轉(zhuǎn)動副化。復合鉸鏈單一化。經(jīng)過上述一般化步驟對原始機構(gòu)進行一般化處理,再消除尺度影響,表示為一般化運動鏈。130
運動鏈數(shù)綜合即運動鏈結(jié)構(gòu)類型綜合,目的是要得到與一般化運動鏈的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)相同的全部可能解的一般化運動鏈圖譜。這是再生運動鏈法中極為重要的一環(huán),機構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新從這里開始。四桿運動鏈只有1種基本構(gòu)型,六桿運動鏈有2種基本構(gòu)型,八桿運動鏈有16種基本構(gòu)型,十桿運動鏈有230種基本構(gòu)型。131
運動鏈特定化又稱運動鏈再生,是根據(jù)設(shè)計要求和約束,分配特定類型的構(gòu)件和運動副,組成可行的一般化運動鏈,即對每個非同構(gòu)的運動鏈進行機構(gòu)識別、原動件識別以及桿組識別,以找出符合要求的解。
運動鏈具體化指運動鏈一般化的逆過程,將特定化的運動鏈具體化為機構(gòu)簡圖的過程。運動鏈經(jīng)過特定化后,其構(gòu)件和運動副類型已確定,但再生運動鏈設(shè)計法只生成概念方案而沒有具體尺度支持,這時需要參考原始機構(gòu)構(gòu)件和運動副的布置格局和受力特點,再結(jié)合設(shè)計者自身知識和經(jīng)驗去繪制與實際應用相符的機構(gòu)簡圖。132牛頭刨床主運動機構(gòu)的再生運動鏈設(shè)計
牛頭刨床是金屬切削加工機床的常見設(shè)備,主要用于加工中小型工件的平面、成型面和溝槽,其主運動是往復直線運動。為了改善四桿機構(gòu)輸出運動不均勻的問題,常采用六桿機構(gòu)。牛頭刨床及機構(gòu)簡圖133牛頭刨床主運動機構(gòu)的原始機構(gòu)圖示為目前牛頭刨床主運動機構(gòu)采用的方案之一,含有兩個移動副的六桿機構(gòu)。其拓撲特性如下:它的主運動機構(gòu)是單自由度機構(gòu)。它是六桿七副平面機構(gòu)。GFEB(C)AD431265牛頭刨床及機構(gòu)簡圖1
床身2
擺動導桿3
滑塊4
原動件5
連桿6
滑枕它有一個床身(構(gòu)件1)、一個擺動導桿(構(gòu)件2)、一個滑塊(構(gòu)件3)、一個原動件(構(gòu)件4)、一個連桿(構(gòu)件5)和滑枕(構(gòu)件6)。它具有5個轉(zhuǎn)動副和2個移動副。134牛頭刨床主運動鏈的一般化取消構(gòu)件4為原動件及床身1為機架;將移動副B、G一般化為轉(zhuǎn)動副;為了便于抽象為圖論圖形,消除尺度影響,可表示為更一般化運動鏈。牛頭刨床機構(gòu)的運動鏈一般化B(C)GFEAD431265不指定機架和原動件GFEAD431265BCFDBECAG314256低副連接轉(zhuǎn)動副化牛頭刨床一般化運動鏈135牛頭刨床主運動鏈數(shù)綜合由于牛頭刨床主運動鏈的原始機構(gòu)是含有兩個移動副的六桿機構(gòu),其運動鏈數(shù)綜合可以省略,直接得到兩個一般化運動鏈構(gòu)型,分別為原來的瓦特鏈和新增加的斯蒂芬森鏈。Watt’slinkageStephenson’slinkage六桿運動鏈的基本構(gòu)型136牛頭刨床主運動鏈特定化對于牛頭刨床主運動機構(gòu),運動鏈特定化時需要符合的設(shè)計要求與約束條件如下:必須有一個構(gòu)件作為床身(機架),為分散工作負載,增強機構(gòu)整體剛度,采用三副構(gòu)件作為床身。必須有一個構(gòu)件作為原動件,考慮到動力源情況和牛頭刨床急回運動特點,原動件應為曲柄且是連架桿。必須有一個移動副作為滑枕執(zhí)行往復直線主運動,且滑枕必須是連架桿。除滑枕外還需增加移動副,使機構(gòu)更為緊湊(只介紹增加一個移動副的運動鏈特定化)。機架(床身)、原動件和滑枕不可以在同一個子運動鏈中。這是因為需要避免形成四桿機構(gòu),使輸出運動不均勻而影響切削質(zhì)量,而六桿機構(gòu)可以極大地改善這種情況。137
1.床身要有一個三副構(gòu)件作為床身,因而床身構(gòu)件確認即為在運動鏈中進行機架分配。對于Watt’slinkage,考慮到運動鏈對稱性,分配機架的結(jié)果有一個。對于Stephenson’slinkage,考慮到運動鏈對稱性,分配機架的結(jié)果有一個。確認床身的運動鏈A1型床身B1型床身138
2.原動件考慮到動力源情況和刨床需要急回的特點,原動件應為曲柄且是連架桿,即與床身(機架)構(gòu)成的運動副為轉(zhuǎn)動副。對于前述確認床身運動鏈的兩種情況,考慮到運動鏈的對稱性,符合要求的結(jié)果分別有兩個。在確認機架和原動件后,有四個方案的運動鏈是可用的。確認床身和原動件的運動鏈原動件床身床身床身床身原動件原動件原動件A11型A12型B12型B11型139
3.滑枕移動副刨床的工作原理要求滑枕執(zhí)行往復直線切削運動,為了保證刨床加工精度,滑枕必須為連架桿,而且床身、原動件和滑枕不能在同一個四桿子運動鏈中,即與床身(機架)構(gòu)成移動副。對于A11型運動鏈,分配滑枕的結(jié)果只有一個。對于A12型,無論分配滑枕給剩下的哪個桿,都會使床身、原動件和滑枕在同一個四桿子運動鏈中,所以沒有滿足要求的解,該方案終止。對于B11型運動鏈,分配滑枕的結(jié)果有一個。對于B12型運動鏈,考慮到其對稱性,分配滑枕的結(jié)果有一個。140確認床身、原動件和滑枕的運動鏈床身床身床身滑枕滑枕滑枕原動件原動件原動件A111型B121型B111型
4.滑塊移動副牛頭刨床主運動機構(gòu)構(gòu)件數(shù)較多
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