1、,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，
2、用以满足工作要求,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,增力比：L/y,1.串联式组合,（1）连杆机构为前置机构,随着滑块下移，减小，L增大，S减小，在F不增大的情况下，Q逐渐增大。,Page9,某压力机的主机构,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00.5倍。刚性杆2（6）为L形，其夹角可为60120。该机构对发动机
3、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,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
4、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
5、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
6、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,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,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,并列式,组合形式：两个齿
7、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,并列式,加压且摩擦阻力小,2.并联式组合,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,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,合成式,2.并联式组合,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
8、注意两滑块运动的协调与配合。,2.并联式组合,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,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
9、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,Page36,3、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,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,以差动凸轮机构（图为其常见结构）为基础机构。可构
10、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,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,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,运动特点：,由基础机构的：,由辅助机构的：,3.封闭式组合,组合的形式,令2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,
11、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。,Page48,3.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
12、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,也称为齿轮连杆机构，系杆为主动件，单级传动比在1199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,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
13、4的转动由蜗杆3的转动和蜗杆3的移动（凸轮1）输入,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,4.叠加式组合,Page54,4.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-
14、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,Page56,2）、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
15、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
16、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
17、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大,1. 转动副的扩大,主要指组成转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上的增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。,机构的运动副演化与变异(1),转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘，而连杆2就设计成一个圆环状构件。曲柄摇杆机构就转变成一个旋转泵。,工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；2与构件3用转动副C连 接。3绕固定轴D转动，用于将吸入腔和输 出腔隔开。,旋转泵,曲柄摇杆
18、机构,1. 转动副的扩大,旋转泵,转动副B的直径尺寸加大到将转动副A包括在其中时，曲柄1就变成了偏心盘1，而连杆2就设计成一端圆环状，另一端为杆状的套圈，杆状端插入支撑块3上，并沿支撑块滑动，支撑块3与壳体4组成转动副，曲柄摇块机构就转变成一个旋转泵。,工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向 流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出 腔隔开。,曲柄摇块机构,1. 转动副的扩大,偏心盘和圆环形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，有利于流体的吸入和压出。,特点：由于转动副的扩大，构件形状分别由杆状变 换成圆盘状和圆环状。圆
19、环状连杆在固定的 圆形腔体内作平面运动，形成不断变化的空 间，以实现工作要求。,曲柄滑块机构,活塞泵,1. 转动副的扩大,2. 转动副连续扩大后展直为移动副,转动副A与B原状，构件2作往复摆动。,固定转动副A扩大后的形状。,因 2 作摆动，在其摆角范围内把摆动盘和固定圆环改成扇形形状。,当2的摆动中A点落到无穷远处时，就变成了移动副。,3.移动副的扩大,主要指组成移动副的滑块与导路尺寸的变大，并且增大到把机构中其它运动副包含在其中。构件间的相对运动关系并未改变。,冲压机构：移动副C扩大，将转动副A和移动 副B包括在其中，因滑块的质量 大，所以可产生很大的冲压力。,冲压机构,正弦机构,曲柄滑块机
20、构,冲压机构,移动副扩大，将转动副A、B和C均包括在其中。曲柄1通过连杆2带动冲头3作上下往复移动。,3.移动副的扩大,往复凸轮分度机构：移动副B扩大，将转动 副A和凸轮高副C均包含在其中。,该机构工作时，构件1往复移动，推动凸轮 2间歇转动。,左图为锁紧位置，右图为构件1左移，推动 凸轮顺时针方向转动的位置,3.移动副的扩大,二、改变运动副元素的接触性质,低副元素的接触性质：滑动接触，使运动副元素的接触表面产生磨损，降低了机械传动效率和传动精度。,高副元素的接触性质：滚动接触和滑动接触,减小磨损的方法：用滚动接触代替滑动接触,把组成移动副元素之一的结构形状改变成滚子形，这样使原始机构中导路与
21、滑块的结构形式演变为导路与滚子结构形式。,二、改变运动副元素的接触性质(1)移动副,把组成转动副的销轴和销轴孔之间增设若干个滚动体，而构成了滚动轴承。,二、改变运动副元素的接触性质(2)转动副,Page75,二、改变运动副元素的接触性质(2)高副,把凸轮高副中从动件设计成滚子形的，槽轮高副中的拨销也设计成滚子形，以用来改善摩擦磨损。,三、改变运动副元素的形状,因运动副的作用、性质主要取决于运动副元素的形状，所以改变其形状是内容最丰富的一种演化变异。,Page77,三、改变运动副元素的形状（1）展直,曲柄摇杆机构中，摇秆3上点C的轨迹是以D为圆心，CD长为半径的圆弧。,若构造一个弧形槽，将滑块制
22、成扇形机构并置于槽中，机构运动特性并未改变,若将弧形槽半径增至无穷大，则弧形槽就演变为直槽，滑块也变为长方形滑块，转动副也就演化为移动副，铰链四杆机构也就演化为偏置式曲柄滑块机构。,当图中偏距e=0时，则成为对心式曲柄滑块机构。,三、改变运动副元素的形状（1）展直,楔块机构的斜面接触，若在移动平面上进行绕曲，就变成盘形凸轮机构的平面高副；若在水平平面上绕曲就演化成螺旋机构的螺旋副。,三、改变运动副元素的形状（2）绕曲,当运动副元素在机构的一个运动周期内重复再现时，原始机构就可以演化为具有新功能的机构。,凸轮轮廓曲线是一个具有12个凸凹圆弧形的曲线，从动构件是由两个圆柱滚子摆杆构成。机构工作时，
23、一个滚子位于凹曲线底部，另一个则位于顶部，或反之，由此完成锯条往复运动的动作要求。,电动锯条的凸轮机构,具有轮廓曲线的重复和连续的特点：,三、改变运动副元素的形状3）重复再现,机构的构件变异,主要目的：,1）改善机构运动的不确定2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题3）开发新功能4）开发新机构5）改善机构的受力状态，,主要演化变异方法：,1）利用构件的运动性质进行演化变异2）改变构件的结构形状和尺寸3）在构件上增加辅助结构4）改变构件运动性质,一、利用构件的运动性质演化变异,主要指某些构件进行往复运动时，可以仅利用其单程的运动性质，再进一步改变构件的形状以实现这个单程运动间歇地重复再现，从而
24、演化出新的机构。,摆动导杆机构：,曲柄AB主动，输入转动，摆杆OB从动，输出往复摆动。,如果用滚滑移动副代替移动副B，成图示机构。,当曲柄AB和摆杆OB的夹角为锐角即处于B位置时，摆杆的摆动方向与曲柄同向；而夹角为钝角即处于B位置时，摆杆的摆动方向则与曲柄的转动方向相反，为逆时针方向。方向改变的起始位置在AB和OB相垂直的B点。,若以垂直位置即B点为分界线，可把滚滑副的槽分割成两部分。,二、改变构件的结构形状和尺寸,可以解决机构运动不确定和机构因结构原因无法正常运动等问题。,1.平行四边形机构,能传递匀速转动，但死点位置时机构运动不确定。,可采用两个以上的相同机构的组合，使其运动确定。,圆盘式
25、连轴器的演化变异过程：,在此基础上，将曲柄上的各活动销轴铰接在同一个圆盘上，并缩短机架，可用来传递转动，成为一种平行四边形连轴器。,还可以进一步变异，把连杆2作成滚轮的结构形式，把1盘上的A铰位置全部作成以连杆2的长度为半径的圆孔，孔的内侧曲柄3上的滚轮滚动接触，成为孔销式连轴器。,2. 双转块机构的变异,块1转动，通过连杆2将转动传递给块3 。两转块无法实现整周回转。,可分别将1、2、3构件的型状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，就构造成一个十字滑块连轴器。当1 盘转动时，3盘以同样的速度转动。,2上的凸榫分别嵌入1和3相应的凹槽内。,3. 摆动导杆的变异,在摆动导杆机构中，若将导杆2的导槽某
26、一部分做成圆弧形，并且其槽中心线的圆弧半径等于曲柄OA的长度。当曲柄的端部销A转入圆弧导槽时，导杆则停歇，实现了单侧停歇的功能，并且结构简单。,曲柄滑块机构中，可将滑块设计成带有导向槽的结构形状，直接驱动曲柄做旋转运动，构造出无死点的曲柄机构。,三、增加辅助结构,可解决运动不确定问题、运动规律可调性问题等,廓线可变凸轮机构,在轮1上装有4片凸轮片，其上有槽，把凸轮片旋转到合适位置，可获得不同形状的凸轮廓线，从而可改变推杆2的运动规律。,廓线可调凸轮机构,推杆可换凸轮机构,组成：圆柱凸轮上制作有两 个凸轮沟槽a和b，它们是 按不同的运动规律确定的， 形状是不同的。两推杆和 两沟槽相互对应。推杆上
27、 制有齿条与夹在其中的齿 轮2相啮合。,工作过程：旋转齿轮就可以实现滚子的变换， 从而可以输出不同运动规律的移动。,四、改变构件的运动性质,主要针对凸轮机构增大行程的问题,推杆行程增大的凸轮机构,组成：凸轮轴1上套有一个可借助 于导向键A沿轴向移动又可转动的端面凸轮，其上端与从动杆4上的滚轮接触，下端则与固定滚轮3接触。,工作过程：凸轮转动时，从动杆的升程是两项升程之和，一项是凸轮相对于固定滚子的升程，另一项是从动杆相对于凸轮的升程。,增程凸轮机构,组成：将凸轮设计成中间带有滑 道，并将转动滑块设在其中。,工作过程：当凸轮转动时，就可 以实现凸轮相对于固定滚子的 位移，而从动杆相对于凸轮又 有
28、位移，达到增大行程的效果。,4-3 机构的机架变换与创新,机构的机架变换：,是指机构内的运动构件与机架的互相转换，或称作机构的倒置。,一、平面四杆机构的机架变换,1.全转动副四杆机构的机架变换,曲柄摇杆机构,曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,2.含有一个移动副的四杆机构的机架变换,曲柄滑块机构,转动导杆机构,摇块机构,移动导杆机构,3.含有二个移动副的四杆机构的机架变换,双滑块机构,双转块机构,正弦机构,正切机构,二、凸轮机构的机架变换,三、齿轮机构及挠性件传动机构机架变换,四、间歇运动机构的机架变换,4-4 机构的等效变换与创新,即机构的同性异形变换，指输入、输出的运动特性相同或等效，但
29、机构不同的一组机构。,获得同性异形机构的途径：,一、利用运动副的等效代换创新同性异形机构,是指组成机构的各种运动副相互转换和替代，而又不改变机构运动的输入和输出特性。,1.空间运动副与平面运动副的等效代换,球面副S可由汇交于球心的三个转动副R-R-R等效代换。,圆柱副C可由转动轴线与移动导路重合的转动副R与移动副P等效代换。,2.平面高副与平面低副的等效代换,凸轮机构 曲柄摇杆机构,凸轮机构 曲柄滑块机构,凸轮机构 摆动导杆机构,二、利用瞬心线创新同性异形机构,铰链四杆机构：,三、利用周转轮系的不同结构 创新同性异形机构,4-5机构运动原理的仿效与创新,是指一些相同的运动原理可以用到不同的机构
30、中去。,一、差动运动原理的仿效,1,2,3,4,2,二、谐波传动原理的仿效,三、啮合传动原理的仿效,齿形带传动,四、滚动传动原理的仿效,滚珠螺旋、钢球活齿传动,机构的变异创新设计,为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构。称此种演变为变异，变异得到的新机构称之为变异机构。,卡当机构及其倒置变换机构,机构的变异创新设计（1）,机构的倒置,机构的变异创新设计（2）,机构的扩展,以原有机构为基础，增加新的构件，称为机构的扩展。原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构差别很大。,机构的变异创新设计（3）,局部结构改变,改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。,机构的变异创新设计（4）,移植和模仿,将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法。,移植：,模仿：,利用某一结构特点设计新机构。,凸轮滑块机构,共曲柄的多滑块机构,机构的变异创新设计（5）,运动副的变异,
