《機械設計基礎》課件1第8章

項目八機械創(chuàng)新設計與實例分析8.1機構的組合與實例分析8.2機構的變異與演化及實例分析8.3機構再生運動鏈與實例分析8.4機械運動方案設計

8.1機構的組合與實例分析

前面討論的常用基本機構如齒輪機構、凸輪機構、四桿機構和間歇機構等，可以勝任一般性的設計要求，但隨著生產的發(fā)展以及機械化、自動化程度的提高，對機構的運動規(guī)律和動力特性都提出了更高的要求。這些常用的基本機構往往不能滿足要求，如連桿機構難以實現(xiàn)一些特殊的運動規(guī)律；凸輪機構雖然可以實現(xiàn)任意運動規(guī)律，但行程不可調；齒輪機構雖然具有良好的運動和動力特性，但運動形式簡單；棘輪機構、槽輪機構等間歇運動機構的運動和動力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波動，以及沖擊和振動。為了解決這些問題，可以將兩種以上的基本機構進行組合，充分利用各自的良好性能，改善其不良特性，創(chuàng)造出能夠滿足原理方案要求的、具有良好運動和動力特性的新型機構。

機構的組合原理是指將幾個基本機構按一定的原則或規(guī)律組合成一個復雜的機構。這個復雜的機構一般有兩種形式:一種是將幾種基本機構相融合，成為性能更加完善、運動形式更加多樣化的新機構，被稱為組合機構；另一種則是將幾種基本機構組合在一起，組合體的各基本機構還保持各自特征，但需要各個機構的運動和動作協(xié)調配合，以實現(xiàn)組合的目的，這種形式被稱做機構的組合。機構的組合方式可劃分為以下四種:串聯(lián)式機構組合，并聯(lián)式機構組合，復合式機構組合，疊加式機構組合。

8.1.1機構的串聯(lián)組合

將若干個單自由度(F=+1)的基本機構串聯(lián)起來，其方法是將前一個機構的輸出構件作為后一個機構的輸入構件，這樣把幾個簡單的機構組合成一個復合機構，常用于改善輸出構件的運動和動力特性，或實現(xiàn)各種特殊的要求。如圖8-1(a)所示的六桿機構是由鉸鏈四桿機構1—2—3—4的輸出桿4與另一曲柄滑塊機構4′—5—6—1的輸入桿4′固結在一起構成的，這樣當鉸鏈四桿機構的桿2輸入角位移量時，曲柄滑塊機構的輸出桿6就得到最終的位移量。

圖8-1(b)所示為具有急回特性的機構，構件4在工作行程時作近似等速直線運動。該機構是由橢圓齒輪機構1—2—5和正弦機構2′—3—4—5串聯(lián)組合而成的。圖8-1機構的串聯(lián)組合8.1.2機構的并聯(lián)組合

一種機構的并聯(lián)組合相當于運動的合成，其主要功能是對輸出構件運動形式的補充、加強和改善。設計時要求兩個并聯(lián)的機構運動要協(xié)調，以滿足所要求的輸出運動。如圖8-2(a)所示的刻字、成型機構，兩個凸輪機構的凸輪為兩個原動件，當凸輪轉動時，推桿2、4推動雙移動副構件3上M點走出圖中的軌跡。另一種機構的并聯(lián)組合是將一個運動分解為兩個輸出運動。其主要功能是實現(xiàn)兩個運動輸出，而這兩個運動又相互配合，完成較復雜的工藝動作。如圖8-2(b)所示的沖壓機機構，構件1為原動件，大滑塊2和小滑塊4為從動件，大、小滑塊具有不同的運動規(guī)律。此機構一般用于工件輸送裝置，工作時，大滑塊在右端位置先接收來自送料機構的工件，然后向左運送，再由小滑塊將工件推出，使工件進入下一工位。圖8-2機構的并聯(lián)組合8.1.3機構的復合組合

一個具有兩個自由度的基本機構和一個附加機構并接在一起的組合形式稱為復合式機構組合。

圖8-3所示的凸輪連桿機構由凸輪1′—4—5和雙自由度五桿機構1—2—3—4—5組合而成。原動凸輪1′和曲柄1固連，構件4是兩個基本機構的公共構件，當1和1′一起轉動時，1′推動從動件4移動，這時構件2、3上任一點便能實現(xiàn)給定的軌跡Cx。圖8-3凸輪連桿機構復合式機構組合一般是不同類型的基本機構的組合，并且將各種基本機構有機地融合為一體，成為一種新機構。其主要功能是可以實現(xiàn)任意運動規(guī)律，例如一定規(guī)律的停歇、逆轉、加速、減速、前進、倒退等。但設計比較復雜，缺乏共同的規(guī)律，需要根據(jù)具體的機構進行分析和綜合。8.1.4機構的疊加組合

疊加機構的方法之一是在最簡單的機構上疊加一個二桿組(3n-2p＝0)。如圖8-4(a)所示，將兩構件5、6疊加在3、4上。圖8-4(b)所示機構的特點是疊加的機構兩構件與被疊加的機構固結在一起，共用構件4，但并不共用機架。

圖8-5所示是一種電動玩具馬的傳動機構，由曲柄搖塊機構安裝在兩桿機構的轉動構件4上組合而成。機構工作時，分別由轉動構件4和曲柄1輸入轉動，致使玩具馬的運動軌跡是旋轉運動和平面運動疊加，產生了一種飛奔向前的動態(tài)效果。圖8-4疊加組合機構圖8-5電動玩具馬

8.2機構的變異與演化及實例分析

機構的變異與演化是指用改變機構中某些構件的結構形狀、運動尺寸、用不同構件為機架或原動件、增加輔助構件等方法，使機構獲得新的功能、特性或結構，以滿足設計要求的方法。8.2.1連桿機構

1.改變轉動副的尺寸

轉動副的擴大主要指轉動副的銷軸和銷軸孔在直徑尺寸上增大，但各構件之間的相對運動關系并沒有發(fā)生改變，這種變異機構常用于泵和壓縮機等機械裝置中。

圖8-6所示是一個變異后的活塞泵的機構簡圖。可以看出，變異后的機構與原機構在組成上完全相同，只是構件的形狀不一樣。偏心盤和圓形連桿組成的轉動副使連桿緊貼固定的內壁運動，形成一個不斷變化的腔體，這有利于流體的吸入和壓出。圖8-6活塞泵的機構

2.改變構件的形狀和尺寸

通過改變曲柄搖桿機構的某些構件的形狀和尺寸，可以得到曲柄滑塊機構或正弦機構，如圖8-7所示。

圖8-8所示機構是經過局部結構改變以后的導桿機構。普通的擺動導桿機構在兩極限位置只作瞬時的停歇，而圖示的導桿機構可以在左邊極限位置作長時間的停歇，原因是當曲柄上的滾子在圓弧槽中運動時，導桿停歇不動。

3.選不同的構件作為機架

在圖8-9所示的曲柄搖桿機構中，若改變不同構件為機架，可得到雙曲柄機構和雙搖桿機構。圖8-7曲柄搖桿機構演化成曲柄滑塊機構或正弦機構圖8-8改進后的導桿機構圖8-9曲柄搖桿機構的機架變換8.2.2凸輪機構

圖8-10(a)所示為一普通的擺動從動件盤形凸輪機構，若將凸輪固定為機架，原機架為作回轉運動的原動件，再將各構件的運動尺寸作適當?shù)母淖?，就變異為圖8-10(b)所示的用于異型罐頭封口的機構。

如圖8-11(a)所示，若將直線廓形的移動凸輪1外包在圓柱體上，凸輪廓線就成為圓柱面上的螺旋線，于是演變成螺旋機構，如圖8-11(b)所示。圖8-10異形罐頭封口機構圖8-11凸輪機構的變異機構8.2.3齒輪機構

齒輪也可以認為是由多條相同的凸輪廓線形成的，相應的從動輪則是由多個相同的從動件固聯(lián)而成的，兩輪形成一齒接一齒的傳動，這就是齒輪機構。若其中一個齒輪上僅存留部分輪齒，這就是不完全齒輪機構，它的從動輪可完成單向間歇運動，如圖8-12(a)所示。若齒輪中作純滾動的節(jié)線為非圓，則成為非圓齒輪機構，如圖8-12(b)所示，其從動輪作非勻速運動。圖8-12不完全齒輪機構、非圓齒輪機構

8.3機構再生運動鏈與實例分析

機器性能的好壞，在很大程度上取決于機構的類型創(chuàng)新設計的優(yōu)劣。顯然，有經驗的設計師以設計出好的方案，但是，要創(chuàng)造更新穎的機構以及對無豐富經驗的設計人員，常會感到難以下手，借助于機構類型變異創(chuàng)新設計法將會激發(fā)其創(chuàng)造力。本節(jié)介紹借鑒現(xiàn)有機構的運動鏈類型，進行類型創(chuàng)新和變異創(chuàng)新的設計方法。機構類型變異創(chuàng)新設計法基于機構組成原理，對各類連桿組合及其異構體進行變換分析，滿足新的設計要求。這種方法的基本思想是:將原始機構用機構運動簡圖表示，通過釋放原動件、機架，將機構運動簡圖轉化為一般運動鏈，然后按該機構的功能所賦予的設計約束，演化出眾多的再生運動鏈與相應的新機構。這種機構創(chuàng)新設計方法應明確設計機器的使用要求或該機器應該完成的工藝動作等技術要求，其設計流程如圖8-13所示。圖8-13流程圖8.3.1一般化運動鏈

將原有機構運動簡圖抽象為一般化運動鏈，其原則為:

(1)將非剛性構件轉化為剛性構件。

(2)將非連桿形狀的構件轉化為連桿。

(3)將高副轉化為低副。

(4)將非轉動副轉化為轉動副。

(5)解除固定桿的約束，機構成為運動鏈。

(6)運動鏈的自由度應保持不變。最常見的單自由度機構是N=4的機構。在圖8-14(a)～(c)中，無論是鉸鏈四桿機構、曲柄滑塊機構，還是正弦機構，都可以轉換成為圖8-14(a)所示的僅含桿和轉動副的四桿機構。如果是高副機構，例如圖8-14(d)、(e)所示的凸輪機構和齒輪機構，可先進行高副低代，而后轉換成僅含桿和轉動副的四桿機構，如圖8-14(a)所示。

同樣，各種六桿機構也可以進行如此轉換，鉸鏈夾緊機構可以轉換成僅含轉動副的桿機構。

圖8-15所示為一常用的鉸鏈夾緊機構。在該機構中，1為機架，2和3分別為液壓缸和活塞桿，5為連桿，4和6為連架桿。其中，6是執(zhí)行構件，用于夾緊工件7。圖8-14常見的四桿機構圖8-15鉸鏈夾緊機構的運動簡圖一般化的原則為:所有“非連桿”轉化為連桿，所有“非轉動副”轉化為轉動副，而且要求機構的自由度保持不變，各構件與運動副的鄰接保持不變，并將固定桿的約束解除，使機構成為一般化運動鏈。

按上述一般化原則，將鉸鏈夾緊機構運動簡圖抽象為一般化運動鏈，將活塞桿3和液壓缸2以標記為P的Ⅱ級組代替，并釋放固定桿，由此所得的鉸鏈夾緊機構的一般化運動鏈如圖8-16所示。圖8-16鉸鏈夾緊機構的一般運動鏈8.3.2單自由度運動鏈的基本類型

機構是將運動鏈的一桿固定為機架后給出原動件而得到的。設運動鏈的總構件數(shù)為N，低副數(shù)為p，則由該運動鏈可得到的機構自由度F為

F=3(N-1)-2p

(8-1)

由此得到

當F=1(單自由度機構)時，鉸鏈四桿機構是N=4，p=4的單環(huán)運動鏈，多環(huán)運動鏈是在單環(huán)的基礎上每增加K個構件和K+1個運動鏈即增加一個獨立環(huán)，故運動鏈的環(huán)數(shù)H為

H=p-N+1

(8-2)

由于p、N均為整數(shù)，故p與N的組合以及運動鏈的環(huán)數(shù)H如表8-1所示。以下僅討論單自由度情況。表8-1單自由度運動鏈組合表

8.3.3連桿類配的分類

將機構中固定桿(即機架)的約束解除后，該機構便轉化為運動鏈。每一個運動鏈包含的帶有運動副數(shù)量不同的各類鏈桿的組合，稱為連桿類配。運動鏈中連桿類配可以表示為

LA(L2/L3/L4/…/Ln)

其中，令運動鏈中的二副元素連桿為L2，三副元素連桿為L3，四副元素連桿數(shù)為L4，含有n個運動副元素的構件為n副元素連桿Ln，見圖8-17。圖8-17二～五副元素連桿連桿類配分為自身連桿類配及相關連桿類配兩種。

自身連桿類配是原始機構的一般化運動鏈(簡稱原始運動鏈)的連桿類配。相關連桿類配按照運動鏈自由度不變的原則，由原始運動鏈可以推出與其具有相同連桿數(shù)和運動副數(shù)的連桿類配，稱為相關連桿類配。按此，相關連桿類配應滿足下面兩式：

N=L2+L3+L4+…+Ln

(8-3)

2p=2L2+3L3+4L4+…+nLn

(8-4)

將以上兩式代入式(8-1)，有

F=L2-L4-…-(n-3)Ln-3

(8-5)將式(8-3)與式(8-5)相減，得

N-(F+3)=L3+2L4+3L5+…+(n-2)Ln

(8-6)

當N=4，p=4時，L2=4，四桿運動鏈的鏈桿類配僅有一種。在六桿運動鏈中，N=6，p=7。由式(8-3)和(8-4)可知，該運動鏈中不能具有五副及五副以上的鏈桿，則按式(8-3)

和式(8-6)有

N=L2+L3+L4=6

N-(F+3)=L3+2L4=2

按此，六桿運動連桿類配共有兩種方案，見表8-2。表8-2六桿運動鏈的連桿類配方案

六桿運動鏈連桿類配的方案Ⅰ可表示為LA(4/2)，其圖解表示見圖8-18。

六桿運動鏈連桿類配的方案Ⅱ為LA(5/0/1)，其圖解表示見圖8-19，由此組成運動鏈(見圖8-20)，其左面三桿之間元相對運動，實際上形成一個剛體，在該運動鏈中固定一桿后將成為一個自由度的四桿機構，已不符合六桿運動鏈的要求。所以，六桿運動鏈連桿類配僅有一種鏈桿類配方案，即表中方案I為LA(4/2)。圖8-18六桿運動鏈連桿類配LA(4/2)圖8-19六桿運動鏈連桿類配LA(5/0/1)圖8-20組合方案8.3.4設計約束機構再生運動鏈

同理，各種單自由度的閉式鏈可以按照一定規(guī)律，將其基本結構形式中的桿和鉸鏈之間進行重新的排列(布局)，使運動鏈得到多種變異的構形，并在此基礎上按照機構的工作特性和具體要求，定出設計約束，根據(jù)約束的嚴或緊，可產生數(shù)量不同的變異運動鏈。例如，鉸鏈四桿機構選擇不同構件為機架和曲柄，可以得到曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。六桿運動鏈的兩種類型，如果同樣選擇不同構件為機架進行同構判定后，可得到5種運動鏈，見圖8-21。

總之，按機構的功能所賦予的設計約束，可演化出眾多的再生運動鏈與相應的新機構。圖8-21選擇不同構件為機架得到的運動鏈8.3.5實例

1.原始機構

原始機構就是原有機構或者是初步考慮的傳動方案。圖8-22所示為一凸輪機構，使一大質量的滑塊按給定運動規(guī)律往復運動。因作用在凸輪上的力較大，擬另尋求更好的傳動方案，在原空間尺寸的限制下，提高其機械利益。

2.一般化運動鏈

根據(jù)一般化的原則，將原始機構中的“非轉動副”轉化為轉動副，將高副轉化為低副，保持機構的自由度不變，各構件與運動副的鄰接不變，并將固定桿的約束解除，轉化為六桿七副機構。六桿運動鏈可以形成兩種基本組合運動鏈，稱為斯蒂芬遜和瓦特型運動鏈。圖8-22凸輪滑塊機構

3.設計的限制條件

按照機構的工作特性與具體要求，可以定出下列限制條件。

(1)連桿總數(shù)和運動副總數(shù)保持不變，在此仍為六桿七副機構。

(2)必須有凸輪和從動件。

(3)必須有一個機架，并且與凸輪相鄰。

4.再生運動鏈與機構運動簡圖

對于圖8-23所示的瓦特再生運動鏈，將HS桿選為高副低代后產生的附加桿，可取件3或件5為凸輪，與凸輪相鄰的構件為機架，而其余的桿則可以選作為凸輪機構的從動件，于是可以產生出圖8-24所示的瓦特機構伴生連桿組合樹，它可以開拓出9種機構方案。而以圖8-25所示斯蒂芬遜再生運動鏈為對象時，可以生成的伴生連桿組合樹如圖8-26所示，可以開拓出11種機構方案。圖8-23瓦特機構圖8-24瓦特機構伴生連桿組合樹圖8-25斯蒂芬遜機構圖8-26斯蒂芬遜機構伴生連桿組合樹

5.方案選擇

以上這些方案中可以獲得較大機械利益的部分構件的組合有4種，如圖8-27所示。其中圖8-27(a)、(b)由瓦特六桿機構衍生部分構件的組合得出；圖8-27(c)、(d)由斯蒂芬遜六桿機構衍生得出部分構件的組合。這其中又以圖8-27(d)所示較為理想，最后機構方案見圖8-28。

利用此方法可幫助設計者拓寬思路，避免一些有價值的最佳設計方案被設計者所遺漏。圖8-27瓦特六桿機構、斯蒂芬遜六桿機構衍生機構圖8-28可獲得較大利益的凸輪滑塊機構

8.4機械運動方案設計

8.4.1機械運動方案設計概述

機械運動方案設計是指把機械的整個工藝過程所需的動作或功能分解成一系列基本動作或功能，并確定完成這些動作或功能所需的執(zhí)行構件的數(shù)目和執(zhí)行構件的運動規(guī)律，根據(jù)其基本動作或功能的要求選擇或創(chuàng)新合適的機構來實現(xiàn)這些動作。機械運動方案設計的主要內容包括:機械功能目標的擬定；機械工作原理的擬定；機構運動方案的生成及機械運動方案創(chuàng)新設計的評價等。機械功能目標是指該機械產品的功用。擬定機械的功能目標時應該對機械產品或機械裝置的具體性能參數(shù)和各項技術指標進行限定，如運轉速度、輸出功率大小、移動距離、使用要求、操作程序、維護與保養(yǎng)、對使用者的技術要求、安全可靠性以及價格、成本、經濟效益等內容均屬功能目標的限定范疇。機械功能目標確定之后，按功能目標的要求擬定機械的工作原理。工作原理分析是一個在功能分析的基礎上，創(chuàng)新構思、搜索探求、優(yōu)化篩選工藝動作的過程。機構運動方案的生成。首先，設計者將給出的運動要求、工業(yè)動作要求等，以及外部的各種限制條件分解成各個基本運動、動作和相應機構；其次是按分解成各基本運動、動作時確定的關系將這些相應的機構進行組合。由于同一個機械工作原理方案可用不同的機構組合來實現(xiàn)，并會產生不同的效果，故在分析機械工作原理方案的基礎上，根據(jù)工藝動作的要求，選擇合適的機構和機構組合是機械運動方案設計的重要步驟。機械運動方案創(chuàng)新設計評價的價值目標是以最低的成本獲得最佳的效果。評價的內容包括功能性、經濟性、安全性、操作性和舒適性。評價的方法可采用各項功能指標量化法，一種可用數(shù)值表示，例如某機械產品的能量消耗，可用每千瓦小時來表示；另一種情況先用良好、較好等形容詞定性描述，然后再量化處理。

下面以地面反恐防爆機器人的改進設計為例進行機械運動方案創(chuàng)新設計。8.4.2實例分析

1.設計任務

要求地面反恐防爆機器人能排除、銷毀爆炸物，解救人質，與恐怖分子對抗等。總之，機器人的總功能是代替人去做一些地面反恐防爆工作。

根據(jù)總功能要求和工作性質，地面反恐防爆機器人應由機械系統(tǒng)、控制技術、視音頻系統(tǒng)、各種傳感器應用、武器系統(tǒng)等組成。機器人的機械系統(tǒng)是最重要的部分，根據(jù)反恐防爆工作的需要，機器人的機械系統(tǒng)又分為工作部分、行走部分、驅動部分等。本例主要是機械系統(tǒng)設計。

2.功能原理分析

(1)工作部分由臂桿部分和機械手組成。

臂桿部分是開式連桿系，臂桿主要用于對爆炸物的抓取、搬運、放置工作。對臂桿的要求從三個方面考慮：一是額定負載，指工作裝置在工作空間范圍中任意位置時機械手都能抓取搬運的最大重量；二是工作裝置伸展最長距離；三是工作裝置收縮最近距離。

機械手也稱做抓取機構，用來抓住握持爆炸物等物體。設計機械手時應注意以下事項:一是手指的開閉范圍，此范圍是從手指張開的最大開口位置到閉合夾緊時的變動距離；二是手指的夾緊力，為使手指能夾緊物體并保證在運動過程中不脫落，要求手指在夾緊物體時有足夠的夾緊力；三是根據(jù)物體的形狀和位置，選擇適當?shù)氖种感螤詈褪植拷Y構，使手指抓持物體吻合。

(2)行走部分。行走部分不僅要像車輛一樣行走、越障，還可以原地轉彎等。

(3)驅動部分。驅動部分采用蝸輪蝸桿、減速器、行星齒輪減速器、諧波齒輪減速器等以及配套用的各種電機。

3.功能分解與動作分解

(1)為了實現(xiàn)地面反恐防爆機器人機械系統(tǒng)的總功能，可將總功能分解為抓取功能、移動功能和放置功能。

(2)機器的功能是多種多樣的，但每一種機器都要求完成某些動作，所以往往把總功能分解成一系列相對獨立的動作，依次作為功能元，然后用樹狀功能圖來描述。要實現(xiàn)上述分功能，有下列動作過程：

①臂桿可以在三維空間范圍內運動。

②機械手可以張開和閉合。

③機器人行走。

4.根據(jù)工作原理選擇運動部件

根據(jù)總功能分解成一系列相對獨立的動作，得到的樹狀功能圖見圖8-29。要實現(xiàn)上述功能元的求解就要選擇所需執(zhí)行部件。

1)臂桿的選擇