机构创新设计课件

4机构系统运动方案创新设计4机构系统运动方案创新设计1

根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现所需的功能要求。采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异，因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时在满足要求的前提下尽可能多采用几个方案。

4.1功能原理设计4.1功能原理设计2

◆根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。◆不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。

1）动作及运动设计

1）动作及运动设计3功能分析擦黑板装置功能分析擦黑板装置4

2）执行机构型式设计

实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。

5机构选型的基本原则

1.原动机的运动形式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。机构选型的基本原则

1.原动机的运动形式6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。常用的原动机的输出运动形式可分为：72.机构选型的基本原则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8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2—1（a）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。例：9JB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。机构创新设计课件10（2）结构最简单，传动链最短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11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。

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12也可采用图示的结构。

也可采用图示的结构。

13（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量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14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；例如两种摆杆机构的方案，15而如图（b）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。而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减16（4）机构有尽可能好的动力性能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17（5）加工制造方便，经济成本低降低生产成本，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18（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用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。（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。（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用19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。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20

当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。4.2机构设计当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能21⑴组合法

串联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。输入输出子机构II子机构I

后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。

后一级机构的子主动件为在前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM⑴组合法串联组合输入输出子机构II子机构I22

并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。子机构n1子机构III子机构I子机构II子机构n输入输出直线电机襟翼直线电机某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构并联组合子机构n1子机构III子机构I子机构II子机23

复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式5杆机构输入输出凸轮机构复合式组合5杆机构输入输出凸轮机构241、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR235OPSO1AB12⑵变异法1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR2325

改变构件结构形状

将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。改变构件结构形状将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧26要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。（2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合（3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。执行机构运动协调设计要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法执27一、执行构件的布置特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便1）与执行构件的联接是否方便；2）执行机构原动件布置的位置是否恰当；尽可能接近执行构件；使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数几根轴上；各原动件应保持等速或定速比。一、执行构件的布置28二、执行机构运动协调设计应满足的要求保证各执行机构动作的顺序性；各执行构件的动作在时间上同步；保证空间的同步性；保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性；执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处发生干涉；二、执行机构运动协调设计应满足的要求保证各执行机构动作的顺序29机械运动循环图设计一、机械运动循环图

1、机械运动循环图表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明确图，称机械运动循环图。2、机械运动循环图的类型1）直线式循环图（矩形循环图）

2）圆形循环图（极坐标式）

3）直角坐标式循环图机械运动循环图设计一、机械运动循环图2、机械运动循环301、设计要点完成系统的协调设计;确定参照机构（构件）;3)设计单一执行机械运动循环图;4)设计机械运动循环图.二、机械运动循环图的设计1、设计要点二、机械运动循环图的设计31例：粉料压片机113109105138957462ⅠⅡⅢⅣ611例：粉料压片机113109105138957462ⅠⅡⅢⅣ632113109105（1）执行构件完成的动作：移动料斗3至模具11的型腔上方，并准备将粉料装入型腔；料斗振动，将粉料装入型腔；下冲头5下沉，以防止上冲头9下压时将型腔内粉料抖出；上冲头下压，下冲头上压，将粉料加压并保压一定时间，使药片成型较好；上冲头快速退出，下冲头随之将压好的药片推出型腔，完成压片工艺过程。113109105（1）执行构件完成的动作：33例：粉料压片机113109105138957462ⅠⅡⅢⅣ611分配轴1234ⅣⅠⅡⅢS1S2S3S4例：粉料压片机113109105138957462ⅠⅡⅢⅣ6341、设计要点1)完成系统的协调设计;2)确定参照机构（构件）;3)设计单一执行机械运动循环图;4)设计机械运动循环图.二、机械运动循环图的设计转动主轴转角0°90°180°270°360°195°上冲头连杆工作行程（向下冲压）冲头向上快速返回下冲头凸轮工作行程（向上冲压）冲头上升送料送料凸轮机构转动静止送料1、设计要点二、机械运动循环图的设计转动主轴转角035结束结束36演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！374机构系统运动方案创新设计4机构系统运动方案创新设计38

根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现所需的功能要求。采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质、适用场合等都会有很大的差异，因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时在满足要求的前提下尽可能多采用几个方案。

4.1功能原理设计4.1功能原理设计39

◆根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。◆不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。

1）动作及运动设计

1）动作及运动设计40功能分析擦黑板装置功能分析擦黑板装置41

2）执行机构型式设计

实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。

42机构选型的基本原则

1.原动机的运动形式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。机构选型的基本原则

1.原动机的运动形式43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。常用的原动机的输出运动形式可分为：442.机构选型的基本原则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45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2—1（a）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。例：46JB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。机构创新设计课件47（2）结构最简单，传动链最短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48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。

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49也可采用图示的结构。

也可采用图示的结构。

50（3）原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量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51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；例如两种摆杆机构的方案，52而如图（b）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。而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通过减53（4）机构有尽可能好的动力性能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54（5）加工制造方便，经济成本低降低生产成本，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55（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用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。（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。（6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用56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。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57

当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。4.2机构设计当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实现功能58⑴组合法

串联组合前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构件，依次串联的组合方式。输入输出子机构II子机构I

后一级子机构的主动件为前一级子机构的一个连架杆。

后一级机构的子主动件为在前一级子机构的连杆。III512341123A54DCBFEM⑴组合法串联组合输入输出子机构II子机构I59

并联组合几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统的组合方式。子机构n1子机构III子机构I子机构II子机构n输入输出直线电机襟翼直线电机某型飞机的襟翼操纵机构大型船舶主传动机构并联组合子机构n1子机构III子机构I子机构II子机60

复合式组合由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构的组合方式5杆机构输入输出凸轮机构复合式组合5杆机构输入输出凸轮机构611、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR235OPSO1AB12⑵变异法1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR2362

改变构件结构形状

将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧导槽，可获得较长时间的停歇。改变构件结构形状将摆动导杆机构中的直线导槽改为圆弧63要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。（2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合（3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。执行机构运动协调设计要使分解后的运动规律协调配合（1）简单情况可采用机构合成法执64一、执行构件的布置特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便1）与执行构件的联接是否方便；2）执行机构原动件布置的位置是否恰当；尽可能接近执行构件；使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数几根轴上；各原动件应保持等速或定速比。一、执行构件的布置65二、执行机构运动协调设计应满足的要求保证各执行机构动作的顺序性；各执行构件的动作在时间上同步；保证空间的同步性；保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性；执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处发生干涉；二、执行机构运动协调设计应满足的要求保证各执行机构动作的顺序66机械运动循环图设计一