材料加工新技术与新工艺第6章机构创新设计

机械创新设计机械工程与自动化学院机械设计系第六章机构创新设计一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。6.0引言常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。1、机构尽可能简单6.1机构形式设计的原则2、尽量缩小机构尺寸3、应使机构具有较好的动力学特性在进行机构形式设计时，除满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。6.1.1机构尽可能简单可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差。运动链简短也有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。1．机构运动链尽量简短在机构选型时，有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构，而不采用理论上无误差但结构复杂的机构。6.1.1机构尽可能简单1．机构运动链尽量简短为E点有近似直线轨迹的四杆机构E点有精确直线轨迹的八杆机构。在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。因此，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。6.1.1机构尽可能简单低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构。2．适当选择运动副在一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副。6.1.1机构尽可能简单采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构。2．适当选择运动副执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择传统的电动机驱动形式。6.1.1机构尽可能简单3．适当选择原动机气压或液压缸作为原动机，可省去一些减速传动机构和运动变换机构，缩短运动链，简化结构，且具有传动平稳。6.1.1机构尽可能简单3．适当选择原动机不要仅限于刚性机构，还可选用柔性机构，以及利用光、电、磁和利用摩擦、重力、惯性等原理工作的广义机构，许多场合可使机构更加简单、实用。6.1.1机构尽可能简单4．选用广义机构6.1.2尽量缩小机构尺寸机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。小齿轮3的节圆与活动齿条在E点相切作纯滚动，而与固定齿条相切在D点，且为绝对瞬心。因此，活动齿条上E点的位移是C点位移的2倍，是曲柄长的4倍。显然在输出位移相同的前提下，其曲柄比一般对心曲柄滑块机构的曲柄长可缩小一半。6.1.2尽量缩小机构尺寸圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。凸轮-连杆机构中，利用一个输出端半径r2大于输入端半径r1的摇杆BAC，使C点的位移大于B点的位移，从而可在凸轮尺寸较小的情况下，使滑块获得较大行程。1．采用传动角较大的机构6.1.3应使机构具有较好的动力学特性机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力(或力矩)的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。要尽可能选择传动角较大的机构，以提高机器的传力效益，减少功耗。如在可获得执行构件为往复摆动的连杆机构中，摆动导杆机构最为理想。从减小运动副摩擦，则尽可能采用全由转动副组成的连杆机构。2．采用增力机构6.1.3应使机构具有较好的动力学特性对于执行构件行程不大，而短时克服工作阻力很大的机构，应采用“增力”的方法。F12仅为F的7％左右。3．采用对称布置的机构6.1.3应使机构具有较好的动力学特性对于高速运转的机构，其作往复运动和平面一般运动的构件，以及偏心的回转构件的惯性力和惯性力矩较大，在选择机构时，应尽可能考虑机构的对称性。对称布置的连杆机构6．2机构的选型是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。6．2．1按运动形式要求选择机构机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。6．2．1按运动形式要求选择机构满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。6．2．2机构方案的评价1．评价指标和评价体系所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。6．2．2机构方案的评价1．评价指标和评价体系只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。连杆机构、凸轮机构、齿轮机构三种机构是最常用的机构6．2．2机构方案的评价2．典型机构的评价6．3机构的构型机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽然可以实现任意运动规律，但行程不可调；齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性，但运动形式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波动，以及冲击和振动6．3．1利用组合原理构型新机构随着生产的发展，以及机械化、自动化程度的提高，对其运动规律和动力特性都提出了更高的要求。简单的齿轮、连杆和凸轮等机构往往不能满足上述要求。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。6．3．1利用组合原理构型新机构组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁复，研究起来比较困难。6．3．1利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构1)实现间歇传送运动该机构常用于自动机的物料间歇送进6．3．1利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构2)实现大摆角、大行程的往复运动设计曲柄摇杆机构时，因许用传动角的关系，摇杆的摆角常受到限制。图所示的曲柄摇杆机构和齿轮机构构成的组合机构，则可增大从动件的输出摆角。6．3．1利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构2)实现大摆角、大行程的往复运动图所示飞机上使用的高度表。6．3．1利用组合原理构型新机构1．齿轮—连杆机构3)较精确地实现给定的运动轨迹振摆式轧钢机轧辊驱动装置中使用的齿轮—连杆组合机构调节两曲柄AB和BE的相位角，可方便地改变M点的轨迹，以满足轧制生产中的不同工艺要求。6．3．1利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构凸轮—连杆机构较齿轮—连杆机构更能精确实现给定的复杂运动规律和轨迹。凸轮机构虽也可实现任意的给定运动规律的往复运动，但在从动件作往复摆动时。受压力角的限制，其摆角不能太大。将简单的连杆机构与凸轮机构组合起来，可以克服上述缺点，达到很好的效果。6．3．1利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构当递纸吸嘴开始向前递纸时，摆杆3上的滚子与凸轮小面接触,齐纸块5绕01点逆时针方向摆动让纸。当递纸吸嘴放下纸张，摆杆3顺时针方向摆动，齐纸块5顺时针方向摆动靠向纸堆，把纸张理齐。6．3．1利用组合原理构型新机构2．凸轮—连杆机构机构尺寸满足条件：ED=FC和KE=KF。凸轮1转动时，通过构件2、5和6，使剪刀打开和关闭。糖果包装机剪切机构6．3．1利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构齿轮—凸轮机构常以自由度为2的差动轮系为基础机构，并用凸轮机构为附加机构。后者使差动轮系中的两构件有一定的运动联系，约束掉一个自由度，组成自由度为1的封闭式组合机构。6．3．1利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构1)实现给定运动规律的变速回转运动齿轮、双曲柄和转动导杆机构虽能传递匀速和变速转动，但无法实现任意给定的运动规律的转动。齿轮和凸轮组合而成的组合机构，则能实现这一要求。图中系杆3为原动件，齿轮1为输出件。摆杆2’与行星轮2固接，由于固定凸轮的作用，行星轮2相对系杆3产生往复摆动，使齿轮1得到预期。6．3．1利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构1)实现给定运动规律的变速回转运动齿轮—凸轮机构，常用于机床的分度补偿机构中。圆柱凸轮蜗杆固联，圆柱凸轮将蜗杆的转动和移动联系起来，组成自由度为l的齿轮—凸轮机构。凸轮为主动件，输出蜗轮的角位移由两部分组成，一部分是由蜗杆转动产生的另一部分由蜗杆轴向移动产生则6．3．1利用组合原理构型新机构3．齿轮—凸轮机构2)实现给定运动轨迹图示的齿轮—凸轮机构可用来实现给定的运动轨迹。原动件是传动比为1的一对齿轮中的1或2，摆杆3和构件1以转动副A相铰接，齿轮2上B点的滚子在摆杆3的曲线槽中运动，从而使摆杆3上的P点实现给定的轨迹。6．3．2利用机构的变异构型新机构为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。6．3．2利用机构的变异构型新机构1．机构的倒置机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。6．3．2利用机构的变异构型新机构1．机构的倒置图示为卡当机构。若令杆OO1为机架，则原机构的机架成为转子3，曲柄1每转一周，转子3亦同步转动一周，同时两滑块2及4在转子3的十字槽内往复运动，将流体从入口A送往出口B，从而得到一种泵机构。6．3．2利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。机构扩展后，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有很大差别。6．3．2利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展是在卡当机构的基础上，增加滑块5扩展得到的。此机构的主要特点是，当机构的十字槽每转1/4周，点O1在半径为r的圆周上绕过1/2周；十字槽每转动1周，点O1绕过2周，滑块输出两次往复行程。6．3．2利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展是由行星轮系1-2-3和两边对称布置的杆4、5组成的。1,2为齿轮，3为系杆。系杆扩展为抓斗的左侧爪，齿轮2扩展为抓斗的右侧爪。再加上对称的两边连杆4-5可使左右两侧爪对称动作。绳索7可控制两侧爪的开或闭。创新点：应用了简单的周转轮系，将齿轮2和系杆3的形状和功能加以扩展，利用两构件的运动关系而成。6．3．2利用机构的变异构型新机构2．机构的扩展将两摇杆滑块机构组成完全对称的形式，当拉动滑块4上下运动时，使构成左右抓斗的连杆3闭合和开启，以装卸散状物料。6．3．2利用机构的变异构型新机构3．机构局部结构的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。以倒置后的凸轮机构取代曲柄的情形。因为凸轮5的沟槽有一段凹圆弧ab，其半径等于连杆3的长度，故原动件1在转过a角的过程中，滑块处于停歇状态。6．3．2利用机构的变异构型新机构4．机构结构的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，称为结构的移植。要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。6．3．2利用机构的变异构型新机构4．机构结构的移植和模仿不完全齿轮齿条机构，可视为由不完全齿轮机构移植变异而成。此机构的主动齿条作往复直线运动，使不完全齿轮2在摆动的中间位置有停歇。圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。6．3．2利用机构的变异构型新机构4．机构结构的移植和模仿机构中的构件2可视为将槽轮展直而成。此机构的主动件1连续转动，从动件2间歇直移，锁止方式也与槽轮机构相同。6．3．2利用机构的变异构型新机构5．运动副的变异改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很