創(chuàng)新設(shè)計學研究生課件：4機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計11

1、4 機構(gòu)系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu)系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設(shè)計 根據(jù)機械預(yù)期實現(xiàn)的功能，考慮選擇何種工作原理來實現(xiàn)所需的功能要求。 采用不同的工作原理設(shè)計出的機械，其性能、結(jié)構(gòu)、工作品質(zhì)、適用場合等都會有很大的差異，因此必須根據(jù)機械的具體工作要求，如強度、精度、壽命、效率、產(chǎn)量、成本、環(huán)保等諸多因素綜合考慮確定。同時在滿足要求的前提下盡可能多采用幾個方案。 4.1 功能原理設(shè)計功能原理設(shè)計 根據(jù)工藝要求進行工藝動作的分解及執(zhí)行運動的確定。根據(jù)工藝要求進行工藝動作的分解及執(zhí)行運動的確定。同一個工作原理，可以有多種工藝動作分解。同一個工作原理，可以有多種工藝動作分解。 不同的工藝動作分解，將會得到不同的設(shè)計

2、結(jié)果。不同的工藝動作分解，將會得到不同的設(shè)計結(jié)果。 1） 動作及運動設(shè)計動作及運動設(shè)計 功能分析功能分析擦黑板裝置擦黑板裝置 2 2） 執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計 實現(xiàn)同一種運動，可以選擇不同型式的機構(gòu)。實現(xiàn)同一種運動，可以選擇不同型式的機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計，即選用何種機構(gòu)來實現(xiàn)所需運動，這需要執(zhí)行機構(gòu)的型式設(shè)計，即選用何種機構(gòu)來實現(xiàn)所需運動，這需要考慮機構(gòu)的動力特性、機械效率、制造成本等因素?？紤]機構(gòu)的動力特性、機械效率、制造成本等因素。 機構(gòu)選型的基本原則機構(gòu)選型的基本原則n1.原動機的運動形式n機械運動方案擬定的優(yōu)劣與機器能否滿足預(yù)定功能要求、制造難易、成本高低、運動精度、壽命

3、、可靠性以及動力性能等密切相關(guān)。n機構(gòu)的選型不僅與執(zhí)行構(gòu)件（即機構(gòu)的輸出構(gòu)件）的運動形式有關(guān)，n而且還與機構(gòu)的輸入構(gòu)件（主動件）有關(guān)，n而主動件或原動件的運動形式則與所選的原動機類型有關(guān)。n常用的原動機的輸出運動形式可分為：n（1）連續(xù)運動：如各種異步電動機、滑差電機、直流電機、汽油機、柴油機、液壓馬達、氣動馬達等等。n（2）往復(fù)移動：如活塞式汽缸和液壓缸、直線電動機等。n（3）往復(fù)擺動：如雙向電動機、擺動式液壓缸或汽缸等。n（4）間歇運動：如步進電機等。n機器中使用最廣泛的是交流電動機，因此，一般輸入構(gòu)件的運動大多數(shù)為連續(xù)運動。n2.機構(gòu)選型的基本原則n在進行機構(gòu)選型和組合時，設(shè)計者必須熟悉

4、各種基本機構(gòu)和常用機構(gòu)的功能、結(jié)構(gòu)和特點，并且還應(yīng)該遵循下列的基本原則：n（1）滿足工藝動作和運動要求。n選擇機構(gòu)首先應(yīng)滿足執(zhí)行構(gòu)件的工藝動作和運動要求。通常高副機構(gòu)比較容易實現(xiàn)所要求的運動規(guī)律和軌跡，但是高副的曲面加工制造比較麻煩，而且高副元素容易因磨損而造成運動失真。低副機構(gòu)雖然往往只能近似實現(xiàn)所要求的運動規(guī)律或軌跡，尤其當構(gòu)件數(shù)目較多時，累計誤差較大，設(shè)計也比較困難，但低副元素（圓柱面或平面）易于加工且容易達到加工精度要求。因此從全面考慮，優(yōu)先采用低副機構(gòu)。 n例：nJA型家用縫紉機的挑線機構(gòu)采用擺動從動件圓柱凸輪機構(gòu)如圖21（a）所示，n雖然其挑線孔的軌跡比較容易滿足使用要求，但是凸輪

5、廓線加工比較復(fù)雜，而且容易磨損。nJB型家用縫紉機的挑線機構(gòu)則采用連桿機構(gòu)如圖所示。雖然其挑線孔的運動軌跡只能近似實現(xiàn)，但借助計算機進行優(yōu)化設(shè)計，可控制誤差在允許范圍內(nèi)，從而使挑線孔軌跡滿足使用要求。n由于連桿機構(gòu)是低副機構(gòu)，加工方便且耐磨損，所以現(xiàn)在家用縫紉機和工業(yè)縫紉機都選用連桿機構(gòu)作為挑線機構(gòu)。 n（2）結(jié)構(gòu)最簡單，傳動鏈最短n在滿足使用要求的前提下，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，構(gòu)件的數(shù)目要少，運動副數(shù)目也要少。n這樣不僅可以減少制造和裝配的困難，減輕重量，降低成本，而且還可以減少機構(gòu)的累計運動誤差，提高機器的效率和工作可靠性。n例：為了實現(xiàn)將回轉(zhuǎn)運動變換為一種按一定運動規(guī)律進行的往復(fù)直線運

6、動，n而且從動件的行程不要太大，可采用n圖示的結(jié)構(gòu)。n 也可采用圖示的結(jié)構(gòu)。 n（3）原動機的選擇有利于簡化結(jié)構(gòu)和改善運動質(zhì)量n目前機器的原動機多采用電動機，也有采用液壓缸或氣缸。n在有液、氣壓動力源時盡量采用液壓缸或氣缸，這樣有利于簡化傳動鏈和改善運動質(zhì)量，而且具有減振、易于減速、操作方便等優(yōu)點，n特別對于具有多執(zhí)行構(gòu)件的工程機械、自動機，其優(yōu)越性就更突出。n例如兩種擺桿機構(gòu)的方案，n顯然，如圖所示的擺動氣缸方案，其結(jié)構(gòu)十分簡單，但擺動氣缸在傳動時速度較難控制。若采用擺動電動機直接驅(qū)動擺桿，結(jié)構(gòu)更簡單，速度比較容易控制；n而如圖（b）所示的方案，因為電動機一般轉(zhuǎn)速較高，它必須通過減速機才能使

7、擺桿的擺動速度滿足要求，故其結(jié)構(gòu)比圖（a）復(fù)雜得多。 n（4）機構(gòu)有盡可能好的動力性能n這一原則對于高速機械或者載荷變化很大的機構(gòu)尤應(yīng)注意。n對于高速機械，機構(gòu)選型要盡量考慮其對稱性，對機構(gòu)或回轉(zhuǎn)構(gòu)件進行平衡使其質(zhì)量合理分布，以求慣性力的平衡和減小動載荷。n對于傳力大的機構(gòu)要盡量增大機構(gòu)的傳動角或減小壓力角，以防止機構(gòu)自鎖，增大機器的傳力效益，減小原動機的功率及其損耗。 n（5）加工制造方便，經(jīng)濟成本低n降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益是使產(chǎn)品有足夠的市場競爭里的有里保證。n在具體實施時，應(yīng)盡可能選用低副機構(gòu)，并且最好選用以轉(zhuǎn)動副為主構(gòu)成的低副機構(gòu)，n因為轉(zhuǎn)動副元素比移動副元素更容易加工，也跟容易達

8、到精度要求。n此外，在保證使用條件的前提下，n盡可能選用結(jié)構(gòu)簡單的機構(gòu)；n盡可能選用標準化、系列化、通用化的元器件，以達到最大限度低降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益的目的。 n（6）機器操縱方便、調(diào)整容易、安全耐用n在擬定機械運動方案時，應(yīng)適當選一些開、停、離合、正反轉(zhuǎn)、剎車、手動等裝置，可使操作方便，調(diào)整容易。n為了預(yù)防機器因載荷突變造成損壞，可選用過載保護裝置。n（7）具有較高的生產(chǎn)效率和機械效率n選用機構(gòu)必須考慮到其生產(chǎn)效率和機械效率，這也是節(jié)能源提高機關(guān)年紀效益的只要手段之一。n在選用機構(gòu)時，應(yīng)盡量減少中間環(huán)節(jié)，即傳動鏈要短，并且盡量少采用移動副，因為這類運動副容易發(fā)生楔緊或自鎖現(xiàn)象。 n此

9、外，執(zhí)行機構(gòu)的選擇要考慮到與原動機的運動方式、功率、轉(zhuǎn)矩及其載荷特性能夠相互匹配協(xié)調(diào)。n另外，所選機構(gòu)的傳力特性要好，機械效率較高。n例如低效率的蝸桿機構(gòu)應(yīng)該少用；行星輪傳動中優(yōu)先采用負號機構(gòu)，因為通常負號機構(gòu)比正號機構(gòu)效率高；n增速機構(gòu)一般效率較低，也應(yīng)該盡量避免采用。 當所選擇的機構(gòu)型式不能完全實現(xiàn)預(yù)期要求，或雖能實現(xiàn)功能要求但存在著或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、或運動精度不當和動力性能欠佳，可在常用機構(gòu)中選擇一種功能和原理與工作要求相近的機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上重新構(gòu)筑機構(gòu)的型式。4.2機構(gòu)設(shè)計機構(gòu)設(shè)計 組合法組合法 串聯(lián)組合串聯(lián)組合前一級子機構(gòu)的輸出構(gòu)件，作為后一級子機構(gòu)的輸入構(gòu)前一級子機構(gòu)的輸出構(gòu)件，作為后

10、一級子機構(gòu)的輸入構(gòu)件，依次串聯(lián)的組合方式。件，依次串聯(lián)的組合方式。輸入輸入輸出輸出子機構(gòu)子機構(gòu)II子機構(gòu)子機構(gòu)I 后一級子機構(gòu)的主動件后一級子機構(gòu)的主動件為前一級子機構(gòu)的一個連架為前一級子機構(gòu)的一個連架桿。桿。 后一級機構(gòu)的子主動件后一級機構(gòu)的子主動件為在前一級子機構(gòu)的連桿。為在前一級子機構(gòu)的連桿。III51234 1123A54DCBFEM 并聯(lián)組合并聯(lián)組合幾個子機構(gòu)共用同一個輸入構(gòu)件，而它們的輸出運動又幾個子機構(gòu)共用同一個輸入構(gòu)件，而它們的輸出運動又同時輸入給一個多自由度的子機構(gòu)，從而形成一個自由度為同時輸入給一個多自由度的子機構(gòu)，從而形成一個自由度為1的機構(gòu)系統(tǒng)的組合方式。的機構(gòu)系統(tǒng)的組

11、合方式。子機構(gòu)子機構(gòu)n 1子機構(gòu)子機構(gòu)III子機構(gòu)子機構(gòu)I子機構(gòu)子機構(gòu)II子子機機構(gòu)構(gòu)n輸入輸入輸出輸出直線電機直線電機襟翼襟翼直線電機直線電機某型飛機的襟翼操縱機構(gòu)某型飛機的襟翼操縱機構(gòu)大型船舶主傳動機構(gòu)大型船舶主傳動機構(gòu) 復(fù)合式組合復(fù)合式組合由一個或幾個串聯(lián)的基本機構(gòu)去封閉一個具有兩個或多由一個或幾個串聯(lián)的基本機構(gòu)去封閉一個具有兩個或多個自由度的基本機構(gòu)的組合方式個自由度的基本機構(gòu)的組合方式5桿機構(gòu)桿機構(gòu)輸入輸入輸出輸出凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)1、機構(gòu)的倒置：、機構(gòu)的倒置：機構(gòu)內(nèi)運動構(gòu)件與機架的轉(zhuǎn)換。機構(gòu)內(nèi)運動構(gòu)件與機架的轉(zhuǎn)換。AB14lR235OPSO1AB12 變異法變異法改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀改變

12、構(gòu)件結(jié)構(gòu)形狀 將擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中的直線導(dǎo)槽將擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中的直線導(dǎo)槽改為圓弧導(dǎo)槽，可獲得較長時間的改為圓弧導(dǎo)槽，可獲得較長時間的停歇停歇。要使分解后的運動規(guī)律協(xié)調(diào)配合要使分解后的運動規(guī)律協(xié)調(diào)配合（1）簡單情況可采用機構(gòu)合成法 將多個分解運動輸入到具有多個自由度的機構(gòu)中，合成為一個復(fù)雜的運動。 （2）可采用分配軸的方法使各分解運動協(xié)調(diào)配合 （3）可采用電氣控制或計算機數(shù)字控制的方法使各分解運動協(xié)調(diào)配合。執(zhí)行機構(gòu)運動協(xié)調(diào)設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)運動協(xié)調(diào)設(shè)計一、一、執(zhí)行構(gòu)件的布置執(zhí)行構(gòu)件的布置特別要考慮到控制此執(zhí)行構(gòu)件運動的執(zhí)行機構(gòu)的特別要考慮到控制此執(zhí)行構(gòu)件運動的執(zhí)行機構(gòu)的安裝是否方便安裝是否方便 1）與執(zhí)行構(gòu)

13、件的聯(lián)接是否方便；）與執(zhí)行構(gòu)件的聯(lián)接是否方便； 2）執(zhí)行機構(gòu)原動件布置的位置是否恰當；）執(zhí)行機構(gòu)原動件布置的位置是否恰當； 盡可能接近執(zhí)行構(gòu)件；盡可能接近執(zhí)行構(gòu)件； 使各執(zhí)行機構(gòu)原動件盡可能集中布置在一根使各執(zhí)行機構(gòu)原動件盡可能集中布置在一根 軸或少數(shù)幾根軸上；軸或少數(shù)幾根軸上； 各原動件應(yīng)保持等速或定速比。各原動件應(yīng)保持等速或定速比。二、執(zhí)行機構(gòu)運動協(xié)調(diào)設(shè)計應(yīng)滿足的要求二、執(zhí)行機構(gòu)運動協(xié)調(diào)設(shè)計應(yīng)滿足的要求1. 保證各執(zhí)行機構(gòu)動作的順序性；2. 各執(zhí)行構(gòu)件的動作在時間上同步；3. 保證空間的同步性；4. 保證系統(tǒng)各執(zhí)行構(gòu)件對操作對象的操作具有單一性或協(xié)同性；5. 執(zhí)行構(gòu)件的動作之間應(yīng)保持時間上

14、的間隔，以避免動作銜接處發(fā)生干涉；機械運動循環(huán)圖設(shè)計機械運動循環(huán)圖設(shè)計一、一、機械運動循環(huán)圖 1、機械運動循環(huán)圖 表達機械各執(zhí)行機構(gòu)（構(gòu)件）在一個運動環(huán)中各動作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系的簡單明確圖，稱機械運動循環(huán)圖。2、機械運動循環(huán)圖的類型 1）直線式循環(huán)圖（矩形循環(huán)圖） 2） 圓形循環(huán)圖（極坐標式） 3）直角坐標式循環(huán)圖1、設(shè)計要點1)完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計; 2)確定參照機構(gòu)（構(gòu)件）;3) 設(shè)計單一執(zhí)行機械運動循環(huán)圖 ;4) 設(shè)計機械運動循環(huán)圖.二、機械運動循環(huán)圖的設(shè)計例：粉料壓片機例：粉料壓片機113109105138957462611113109105（1）執(zhí)行構(gòu)件完成的動作：1. 移動料斗3至模具11的型腔上方，并準備將粉料裝入型腔；2. 料斗振動，將粉料裝入型腔；3. 下沖頭5下沉，以防止上沖頭9下壓時將型腔內(nèi)粉料抖出；4. 上沖頭下壓，下沖頭上壓，將粉料加壓并保壓一定時間，使藥片成型較好；5. 上沖頭快速退出，下沖頭隨之將壓好的藥片推出型腔，完成壓片工藝過程 。例：粉料壓片機例：粉料壓片機113109105138957462611分分配配軸軸 1 2 3 4S1S2S3S41、設(shè)計要點1) 完成系統(tǒng)的協(xié)