机械创新设计

机构设计的一般原则机构的形式设计要解决的关键问题是：构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性和经济性的重要环节。因此，机构形式设计，在保证机构能满足基本运动要求的同时，还应满足机构设计的一些一般性原则，这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则是：机构设计的一般原则1、机构越简单越好。所谓简单指机构的构件与运动副数量最少，即机构的运动链最短。运动链短的机构有如下特点：⑴构件、运动副少，可降低生产成本、减轻产品的质量。⑵构件数量少，有利于提高产品的刚度，减少产生扰动的环节，提高产品的可靠性。⑶运动副少，有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗，提高机械传动效率及使用寿命。⑷运动副少，能有效地减少运动副的累。机构设计的一般原则例：如图所示，三种能够实现直线轨迹运动的机构，其中图a中ab＝bc＝be，e点能精确实现直线轨迹。图b为e点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图c为有e点能精确实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副较多，运动累积误差大，在同一制造条件下，八杆机构的实际运动误差大约为机构的2-3倍。机构设计的一般原则图4－1三种能够实现直线轨迹运动的机构a）曲柄小滑块机构；b）曲柄摇杆机构；c）八杆机构图示三种能够实现直线轨迹运动的机构a）曲柄小滑块机构；b）曲柄摇杆机构；c）八杆机构机构设计的一般原则2、机构尺寸应尽可能地小在满足相同工作要求的前提下，不同的机构，其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不相同的。例如，（1）在传递相同功率并且设计合理的条件下，行星轮系的外形尺寸比定轴轮系小；（2）在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下，齿轮齿条机构比凸轮机构更容易实现体积小，质量轻的目标。机构设计的一般原则3、注意运动副的选择类型运动副元素的相对运动是产生摩擦和磨损的主要原因。运动副的数量和类型对机构运动、传动效率和机构的使用寿命起着十分重要的作用。机构设计的一般原则图示为三种曲柄长度相同的滑块行程为四倍曲柄长的机构ａ）连杆齿轮齿条机构ｂ）六杆机构ｃ）等腰对心式柄滑块机构机构设计的一般原则图示为减少移动副或代替移动副的措施ａ）用转动副代替移动副ｂ）不用移动副的直线导向机构机构设计的一般原则4、选择合适的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量目前工程上使用的原动机主要有三类：⑴内燃机这类原动机主要有汽油机和柴油机。内燃机不适合于在低速状态下工作，用内燃机来驱动低速执行机构必须要受用减速设备。内燃机主要用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。⑵气、液马达，活塞气、液缸，摆动式气、液缸这些原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摆动，借助控制设备也能实现间歇运动。⑶电动机电动机的类型不同机械特性也不相同，电动机的转速变化范围大，输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此，电动机是工程设计中最常用的原动机。机构设计的一般原则5、应使机构具有良好的传力条件和动力特性在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会造成机械装配困难，增大运动副中的摩擦与磨损。机构设计的一般原则•下图显示了几种构型，其过约束数计算如下：•图a中，由于导轨由三个平面副组成，每个平面副的约束数为3，而导轨只能保留一个移动自由度，即约束只能为5，故其过约束数为3×3－5＝4。•图b中，由于导轨由两个圆柱副组成，每个圆柱副的约束数为4，故其过约束数为4×2－5＝3。•图c中，由于导轨由三个圆柱平面副组成，每个圆柱平面副的约束数为2，故其过约束数为3×2－5＝1。•图d中，由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组成，每个圆柱副的约束数为2，球体平面副的约束为1，故其过约束数为4＋1－5＝0。机构设计的一般原则图示为运动副组合的过约束a)三平面副的组合；b)两圆柱副的组合；c)三个圆柱平面副的组合；d)圆柱副和球体平面副的组合机构设计的一般原则例如图ａ所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用力的位置相同，大小也未变，但各物体的受力却发生了改变。图ｂ所示的复合铰链，将图中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式，原来构件１为多位置对移动副受力的影响副杆，而构件２、３、４为单副杆。经变化后，构件１、４为单副杆，而构件２、３变为多副杆。显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆２、３变为多副杆并不是一个好的选择。因此，应尽可能地减少多副杆数量，并让强度好、刚性高的构件作为多副杆，而且最好使其作为机架，这样有利于提高机构的刚度和机构的运动精度，改善构件的受力。机构设计的一般原则图示为低副元素位置互异对受力的影响ａ）滑块与导杆位置互异ｂ）复合铰链结构变化机构设计的一般原则对于有转动副的移动副，转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注意的问题。如图所示的滑块，转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。因此，应尽量使转动副位于两移动副元素的直线上，从而可以减少移动副中摩擦，提高机构的传动效率。图.移动副上的转动副常用基本机构的特性及评价机械产品的动作功能总是通过机构将原动机的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的条件下，尽管有这样那样类型的原动机，绝大多数的机构产品仍然愿意采用运动特性好、能量转换率高的笼型异步电动机。因此，能将连续转动转换为其他运动形式的机构仍然是设计者最常采用的机构。掌握好这些常用机构的运动特性，熟悉它们所能实现的功能，了解它们的特点，对于设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都是十分必要的。下表给出了原动件是转动的常用机构功能表，可供设计者设计时选用参考。常用基本机构的特性及评价表.常用机构的运动转换及功能表机构类型执行构件的运动和功能连杆机构凸轮机构齿轮机构其它常用机构匀速运动平行四边形机构、双转块机构圆柱齿轮机构、周转轮系、谐波、活齿、摆线针轮传动带、链、挠性件传动、摩擦轮机构非匀速运动双曲柄机构、转动导杆机构、转块机构非圆齿轮机构往复运动曲柄滑块机构、移动导杆机构、楔块机构移动从动杆凸轮机构齿轮齿条机构螺旋机构、气、液动换向往复摆动曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构摆动从动杆凸轮机构齿轮齿条机构气、液动机构间歇运动可以实现凸轮机构容易实现不完全齿轮机构螺旋机构、气液动机构点的复杂轨迹运动连杆上的点行星轮系中行星轮上的点差动两自由度连杆机构差动轮系增力肘杆机构、杠杆机构减速传动过载保护带传动、摩擦传动机构换向增减懒轮、滑移齿轮常用基本机构的特性及评价从上表可以看出：满足同一运动输出形式或具有相同功能特点的机构有很多。根据专家们的经验，可以从运动性能、工作性能、动力性能、经济性和结构性能五个方面对机构进行评价。下表以连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和组合机构四种最常用的机构，采用模糊评价法就上述五个方面作出一个初步的评价。常用基本机构的特性及评价表.四种常见机构性能的初步评价表性能指标具体评价指标评价连杆机构凸轮机构齿轮机构组合机构功能1.运动规律形式任意性较差，只能达到有限个精确位置基本上任意一般定速比转动或移动基本上可以任意2.传动精度较高较高高较高工作能力1.应用范围较广较广广较广2.可调性较好较差较差较好3.运动速度高很高很高较高4.承载能力较大较小大较大5.耐磨性耐磨差较好较好6.可靠性可靠可靠可靠可靠动力性能1.加速度峰值较大较小小较小2.噪声较小较大小较小3.效率较低较高高较高4.平稳性较差较差好较好经济性1.制造难易容易困难较难较难2.制造误差敏感不敏感敏感敏感敏感3.调整方便性方便较麻烦较方便较方便4.能耗大小一般一般一般一般结构紧凑1.尺寸较大较小较小较小2.质量较轻较重较重较重3.结构复杂性简单复杂一般复杂机构的创新设计方法1、机构创新的组合原理机构的组合是指基本机构以不同的方式联结生成复杂机构的过程。组合的目的是改善基本机构无法实现的运动和动力要求。按技术来分，创新可分为两大类：一类是采用全新的技术，称为突破性创新；另一类是采用已有的技术进行重组，称为组合性创新。将一个基本机构与另一个或几个基本机构或基本杆组按一定方式有目的地进行组合，构建成一个新机构的设计过程称为机构的组合创新。所获得的新机构称为组合机构。机构的创新设计方法•常用的组合方式有：1.串联组合：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，用以满足工作要求。••串联式组合机构组合方式•ａ）ⅰ型串联ｂ）ⅱ型串联机构的创新设计方法双曲柄机构转动导杆机构、凸轮机构、椭圆齿轮机构或槽轮机构分别与槽轮机构进行串联组合，它们同样能达到改善后置槽轮机构运动和动力输出特性的目的。机构的创新设计方法下图为一锉刀剁齿机构。这是一个摇杆滑块机构和凸轮机构串联组成的组合机构。该组合机构的设计有两大特点：一是充分地利用凸轮机构设计的灵活性，使弹簧被逐渐压缩储存能量后，弹力势能能得到快速释放；其二是后置摇杆滑块机构的传动角大、机械增益高，在弹力的迅速作用下，对锉刀坯的冲击力大，这种冲击效果是很难由单一基本机构所能实现的。机构的创新设计方法锉刀剁齿机构机构的创新设计方法用两个齿轮齿条机构串联，若驱动其中一根齿条，另一根齿条可以放大或缩小主动齿条的位移量。根据这一设想可以设计一个如图ａ、b所示的放大行程的串联式组合机构。ａ）齿条主动ｂ）齿轮主动机构的创新设计方法ａ、ｂ所示是将后置ⅱ级基本杆组的一个外接铰链与前置机构连杆上的点连接，利用前置机构连杆上某些点能实现特殊轨迹运动，而使后置ⅱ级基本杆组的运动输出构件能作长时间停留的间歇运动。ａ）六杆机构ｂ）行星齿轮连杆机构机构的创新设计方法⑴连杆机构为前置机构左图具有增力效果。工程上一般称其为肘杆机构。右机构具有增大摆角的效果。肘杆机构机构的创新设计方法图a，机构可实现特殊的运动规律；图b机构可改善槽轮机构的运动与动力特性。实现特殊的运动规律和可改善槽轮机构的运动与动力特性的机构机构的创新设计方法⑵凸轮机构为前置机构机构为机床分度补偿机构.机床分度补偿机构机构的创新设计方法机床分度机构机构的创新设计方法⑶齿轮机构为前置机构机构的创新设计方法实现大行程的输出的齿轮齿条机构机构的创新设计方法⑷利用前置机构浮动杆上谋点轨迹特征串联一个杆组形成组合机构*利用连赶上E点某段轨迹为直线，实现从动件运动停歇机构的创新设计方法*利用行星轮上c点的轨迹为圆弧，如图4－19所示（当r1=r3时）该圆弧曲率半径近似为8r3,当取r4=8r3时，滑块在系杆2转过180度是停歇，转过其余240度时，滑块5的行程为4r3机构的创新设计方法*利用挠性构件，是从动件实现大行程。机构的创新设计方法2.并联组合：两个或多个基本机构并列布置，具有共同的输入或输出，或两者兼有之，主要用于实现运动的合成或分解•ａ）ⅰ型并联ｂ）ⅱ型并联ｃ）ⅲ型并联机构的创新设计方法下图为某型飞机上采用的襟翼操纵机构，它由两个尺寸相同的齿轮齿条机构并联组合而成，两个可移动的齿条分别用两台直移电动机驱动。创意特点是：两台电动机共同控制襟翼，襟翼的运动反应速度快；其次，当其中一台电动机发生故障时，仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼，增大了操纵系统的可靠性与安全系数。机构的创新设计方法大多数的工业机器人和传统的机床从结构上看都是由开链机构组成，因此，系统的刚度低，当系统速度高、工件大时，这个弱点更显突出。１９５６年ｄｓtewart设计出图ａ所示空间六自由度的并联机构的操纵臂后，人们又相继创造出各种并联操纵机构并大量地应用于机床、精密仪器和机器人中机构的创新设计方法图ｂ是瑞士新近开发的“六滑台”机床。图中三条并列的导轨上各有两个滑台，借助六个滑台的独立运动改变六条腿的参数，从而改变主轴和刀具姿态对工件进行加工。1-滑台2-杆3-刀具主轴4-刀具5-工件机构的创新设计方法图ｃ是德国斯图加特大学研制的三条腿的机床示意图。每一条腿为一套运动机构，三套并联机构运动共同控制刀具的主轴姿态对工件进行加工。这些由并联机构构成的机床刚度