华科机械原理课件-机构创新设计

第八章机构创新设计§8.1机构选型§8.2机构构型的创新设计§8.3基于功能分析的机构设计§8.4机构系统设计实例§8.5机构系统设计方案评价§8.1机构选型一、执行构件的运动形式1、旋转运动：连续旋转运动，间歇旋转运动，往复摆动2、直线运动：往复移动，间歇往复移动，单向间歇直线移动3、曲线运动：执行构件上某一点作特定的曲线（轨迹）运动4、刚体导引运动：指非连架杆执行构件的刚体导引运动5、特殊功能运动：如微动、补偿、换向等直线运动曲线运动复合运动往复摆动执行构件运动形式回转运动每分钟转数rpm由两个以上单一运动合成间歇转动停歇往复直线运动停歇单向直线运动沿可变曲线运动连续转动沿固定曲线运动往复直线运动每分钟转位次数、转角大小、运动系数每分钟摆动次数、转角大小、行程速度变化系数每分钟行程数、大小、行程速度变化系数每次进给量的大小每循环停歇次数、位置、时间、行程大小和工作速度二、机构选型的基本要求1、满足工艺动作及其运动规律的要求。高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、适当设置调整环节。2、机构的运动链要短。3、机构的传力性能要好。传动角（压力角）、防止自锁、惯性力平衡。4、动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。实现执行构件各种运动形式的常用机构•实现执行机构某一运动形式的机构通常有好几种，设计者必须根据工艺动作要求，受力大小，使用维修方便与否，制造成本高低，加工难易程度等各种因素进行分析比较，然后择优而取。1）实现连续转动的机构啮合传动机构连杆机构摩擦传动机构蜗杆传动链传动齿轮传动平行四边形机构双曲柄机构带传动、…其他机构组合机构非圆齿轮万向节柔性传动机构摩擦轮、…•双曲柄机构：–平行四边形机构–双转块机构•转动导杆机构•定轴齿轮机构–圆柱–圆锥–交错轴•蜗轮蜗杆机构•周转轮系–少齿差–摆线针轮–谐波齿轮gb•摩擦轮传动•柔型传动机构–带传动–链传动•非圆齿轮传动•组合机构–齿轮-连杆机构–链轮-连杆机构•单、双万向联轴节•槽轮机构•棘轮机构•不完全齿轮机构•凸轮式间歇运动机构2）实现间歇旋转运动的机构•曲柄摇杆机构、摇块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构、双摇杆机构（包括等腰梯形机构）、•由液压缸或汽缸驱动的齿条齿轮机构及输出运动为摆动的组合机构等都能够实现往复摆动。3）实现往复摆动的机构•带有休止段轮廓的摆动从动件凸轮机构、•输出运动为间歇往复摆动的组合机构等都能够实现间歇往复摆动。•此外，一些间歇运动机构通过与实现往复运动的机构的组合，或者通过控制驱动液压缸（或汽缸），也能实现间歇往复摆动。4）实现间歇往复摆动的机构•利用连杆曲线的圆弧段来实现间歇运动的平面连杆机构、凸轮轮廓有休止段的移动从动件凸轮机构、中间有停歇的斜面拔销机构、不完全齿轮—移动导杆机构组合等都能够实现间歇往复移动。此外，棘轮棘齿条机构、槽条机构也能实现单向间歇直线移动运动。215）实现间歇往复移动的机构•曲柄滑块机构•正弦机构•移动导杆机构•齿轮齿条机构•螺旋机构•各种移动从动件凸轮机构此外，通过曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构的组合或凸轮机构与摇杆滑块机构的组合也能实现往复移动。6）实现往复移动的机构•铰链四杆机构•曲柄滑块机构•凸轮连杆机构•齿轮—连杆机构7）实现刚体导引运动的机构利用连杆曲线来实现给定运动轨迹的各种连杆机构，实现给定轨迹的各种组合机构（如凸轮—连杆机构、齿轮—连杆机构）等。8）实现给定曲线（轨迹）运动的机构8.1.2机构选型的基本原则•机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性以及动力性能等密切相关。•机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的运动形式有关，•而且还与机构的输入构件（主动件）有关，•而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型有关。1.原动机的运动形式•常用的原动机的输出运动形式可分为：（1）连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马达等等。（2）往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电动机等。（3）往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或汽缸等。（4）间歇运动：如步进电机等。•机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般输入构件的运动大多数为连续运动。•在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且还应该遵循下列的基本原则：（1）满足工艺动作和运动要求。•选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦，而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大，设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面）易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面考虑，优先采用低副机构。2.机构选型的基本原则摘棉花例：JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件圆柱凸轮机构如图所示，•虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求，但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。•JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构如图所示。虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线孔轨迹满足使用要求。•由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机构。•在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽可能简单，构件的数目要少，运动副数目也要少。•这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻重量，降低成本，而且还可以减少机构的累计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。（2）结构最简单，传动链最短例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直线运动，而且从动件的行程不要太大，可采用图示的结构。也可采用图示的结构•目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。•在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，•特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量例如两种摆杆机构的方案，•显然，如图所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构更简单，速度比较容易控制；•而如图所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a）复杂得多。•这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。•对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。•对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。（4）机构有尽可能好的动力性能•降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里保证。•在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为主构成的低副机构，•因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。•此外，在保证使用条件的前提下，•尽可能选用结构简单的机构；•尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低降低生产成本，提高经济效益的目的。（5）加工制造方便，经济成本低•在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。•为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用（7）具有较高的生产效率和机械效率•选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机关年纪效益的只要手段之一。•在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。•此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转矩及其载荷特性能够相互匹配协调。•另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。•例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机构，因为通常负号机构比正号机构效率高；•增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。§8.2机构构型的创新设计•构件•运动副•运动链•机构一.平面机构的组成原理8.2.1基于组成原理的机构创新设计机构的自由度hlppnF23机构的自由度数也即是机构所具有的独立运动的数目。12345运动链成为机构的条件•具有一个机架–指某一选定构件，在研究机构运动时作为描述其他构件运动的参考坐标系。•具有一个或少数几个作独立运动的构件–主动件•其余的活动构件称为从动件–给定主动件的运动规律后，从动件的运动规律应完全确定。机构的组成原理机构具有确定运动的条件：自由度数=原动件数◆基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。1、杆组可以再拆成更简单的自由度为零的杆组机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。对于全低副的杆组：n个构件、pl个低副基本杆组的分类根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：n和pl为整数n=2,4,6…F=3n-2PL=0或n=(2/3)PL（1）n=2，PL=3的杆组，又叫Ⅱ级杆组（2）n=4，PL=6的杆组，又叫Ⅲ级杆组12ABC12ABC12ABC12ABC12ABC1）常见的II级杆组还有吗？特点总结：•2个构件•3个低副•？…n=4,pl=6的杆组，又叫多杆组中最常见的为Ⅲ级组，其特征是杆组中具有一个3副构件，而每个内副所联接的分支构件是双副构件。2）常见的Ⅲ级杆组较Ⅲ级组级别更高的基本杆组有Ⅳ级组等。Ⅳ级组的特征是具有两个3副构件，其四个内副形成四边形。3）更高级别的杆组不同级别的杆组，不仅是构件数和运动副数不同，而且更重要的是其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。这是十分重要的本质特征。◆平面机构中高副低代的目的为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。◆高副低代的含义根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。2、平面机构的高副低代◆高副低代的条件：①代替前后机构的自由度不变；②代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。高副低代方法K1K2ABC12ω1ω23结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。高副：提供1个约束低副：提供2个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的中心。曲率变化的高副-如何低代?高副两元素之一为直线若高副两元素之一为直线，则低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。高副两元素之一为一点若高副两元素之一为一个点，则低代时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。齿轮副如何高副低代?ω1ω2平面机构的结构分类II级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。III级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。I级机构只由机架和原动件组成的机构称为Ⅰ级的机构。（杠杆机构、斜面机构）◆机构结构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。例：试确定图示机构的级别。Ⅱ级机构例试确定图示平面高副机构的级别（构件1为原动件）Ⅱ级机构为了对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和力分析，通常需要对机构进行结构分析，即,将机构分解为基本杆组和驱动杆组。结构分析的过程与由杆组组成机构的过程正好相反，因此通常也称为拆杆组。3.机构的结构分析⑴正确计算机构的自由度，以确定原动件数、机架和输出构件，并将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉。⑵如果机构中有高副，应将高副用低副替代。⑶从离原动件最远的输出构件开始（也可从原动件开始），依次进行试拆。每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整机构。试拆时，先按Ⅱ级组试拆，若无法拆