机构的组合与创新设计方案课件

第五章机构的组合与创新设计第一节机构组合的基本概念第二节机构组成原理与机构创新设计第三节机构串联组合与创新设计第四节机构并联组合与创新设计第五节机构叠加组合与创新设计第六节机构封闭组合与创新设计第七节其他类型的机构组合与创新设计第五章机构的组合与创新设计第一节机构组合的基本概念第二节1第一节机构组合的基本概念一、基本机构的概念1、最简机构把由2个构件和1个运动副组成的开链机构称为最简单的机构，简称最简机构。其要素是组成机构的最多构件为2且为开链机构。2112原动机的机构简图为最简机构第一节机构组合的基本概念一、基本机构的概念1、最简机构2122、基本机构把含有3个构件以上、且不能再进行拆分的闭链机构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。CBDAz1z2o1o2HCAB2、基本机构CBDAz1z2o1o2HCAB33、基本机构的应用1）基本机构的单独使用

基本机构可以直接应用在机械装置中，只有一些简单机械中才包含一个基本机构。如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构。3、基本机构的应用1）基本机构的单独使用43、基本机构的应用2）互不连接的基本机构的组合

若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协调设计。图示压片机由三个独立工作的机构组成，各机构之间的运动必须满足协调关系3、基本机构的应用2）互不连接的基本机构的组合53）各基本机构互相连接的组合各基本机构通过某种连接方法组合在一起，形成一个较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛、也是最普遍的。3）各基本机构互相连接的组合6常用的机构组合方法如下。1、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组2、按照串联规则组合基本机构3、按照并联规则组合基本机构4、按照叠加规则组合基本机构5、按照封闭规则组合基本机构6、上述方法的混合连接，可得到复杂的机构系统。应用最普遍的组合常用的机构组合方法如下。应用最普遍的组合7CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合8第二节机构组成原理与机构创新设计一、II级杆组的类型

n=2，Pl=3的杆组，为II级杆组。第二节机构组成原理与机构创新设计一、II级杆组的类型9II级杆组分类图

(2件3副)RRRPRRRRPRPPPRRPPRRPR内接副为转动副内接副为移动副这5种常用，而PPP不常用RRRRRPPRPRPRPPRII级杆组分类图(2件3副)RRRPRRRRPRPPPRR10

级杆组分类图（4件6副）

3R杆组(以三个内接副开始)3R3RPRRRRRRRRRPPRRPPRRP3R2RP3RR2P3R3P级杆工程应用不多，但随着运动、受力等分析方法的完善，正在受到重视级杆组分类图（4件6副）3R杆组(以三个内接副11三、机构组成原理与机构创新设计1、机构组成原理把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。三、机构组成原理与机构创新设计122、机构组成原理与机构创新把前述的各种II级杆组和III级杆组连接到原动件和机架上，可以组成基本机构；再把各种II级杆组和III级杆组连接到基本机构的从动件上，可以组成复杂的机构系统。BCA+=BCADE+DE=BCA2、机构组成原理与机构创新BCA+=BCADE+DE=BCA13第三节机构的串联组合与创新设计一、机构的串联组合1、基本概念前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。第三节机构的串联组合与创新设计14机构1机构2机构1机构2前置机构后置机构

I型串联

前置机构后置机构II型串联2、串联组合分类连接点选在前置机构作简单运动的构件上（摇杆、曲柄或导杆等）连接点选在前置机构作复杂平面运动的构件上（中间的连杆或行星轮等）机构1机构2机构1机构2前置机构后置机构I型串联前置机构15BCDAEFZ1CABDZ2I型串联组合II型串联组合前置机构中做简单运动的构件与后置机构的原动件连接。前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的原动件连接。BCDAEFZ1CABDZ2I型串联组合II型串联组合前置机16二、机构串联组合基本思路1、实现后置机构的速度变换2、实现后置机构的运动变换3、串联时运动链尽量要短（在满足要求前提下）二、机构串联组合基本思路17第四节机构的并联组合与创新设计一、机构的并联组合1、基本概念并行连接①若干个单自由度的基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；②若干个单自由度的基本机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；③输入构件连接在一起、输出构件也连接在一起；特征是各基本机构均是单自由度机构第四节机构的并联组合与创新设计并①若干个单自由度的基本机18机构1机构2机构1机构2机构1机构23）III型并联机构系统1)I型并联机构系统

2）II型并联机构系统

OUTPUTINPUT2、并联组合分类机构2机构2机构23）III型并联机构系统1)I型并联机193、并联组合实例CABBCC4BAOC3C2C1I型并联机构II型并联机构

I型并联组合机构可实现机构的惯性力平衡II型并联组合机构可实现运动的合成3、并联组合实例CABBCC4BAOC3C2C1I型并联机构20A1B1B2C1C2O2O1E1E2E2E1Ⅲ型并联机构

Ⅲ型并联组合机构可改善机构的受力状况A1B1B2C1C2O2O1E1E2E2E1Ⅲ型并联机构Ⅲ21二、并联组合的基本思路1、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。2、实现运动的分解与合成3、改善机构受力状态Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3二、并联组合的基本思路1、对称并联相同的机构，可实现机构的平22第五节机构的叠加组合与创新设计

一、机构的叠加组合1、基本概念机构叠加组合是指在一个基本机构的可动构件上再安装一个以上基本机构的组合方式。把支撑其它机构的基本机构称为基础机构，安装在基础机构可动构件上面的基本机构称为附加机构。第五节机构的叠加组合与创新设计231)I型叠加机构

2、机构的叠加组合分类2)II型叠加机构附加机构基础机构输出输入输入附加机构基础机构输入输出来自基础机构可动构件上的动力源主动件：附加机构附加、基础机构分别有自己的动力源1)I型叠加机构

2、机构的叠加组合分类2)II型241)I型叠加机构基础机构：行星轮系（z3，z4）附加机构：蜗杆传动机构（z1，z2）Z1HZ2Z3Z4电机H1)I型叠加机构基础机构：行星轮系（z3，z4）附加机构25BCDA电机1)I型叠加机构基础机构附加机构一般情况下，以齿轮机构为附加机构，连杆机构或齿轮机构为基础机构的叠加方式应用较普遍BCDA电机1)I型叠加机构基础机构附加机构一般情况下，26EDCBAF2)II型叠加机构基础机构附加机构基础机构：平行四边形ABCD机构附加机构：平行四边形BCEF机构户外摄影车机构EDCBAF2)II型叠加机构基础机构附加机构基础机构：27

二、机构叠加组合的关键问题

1、选定附加机构与基础机构，确定附加机构与基础机构之间的连接方法。或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个构件连接。二、机构叠加组合的关键问题1、选定附加机构与基础机构，28

二、机构叠加组合的关键问题

2、II型叠加组合机构中，动力源安装在基础机构的可动构件上，驱动附加机构的一个可动构件，按附加机构数量依次连接即可。(例如图5-32机械手机构)二、机构叠加组合的关键问题2、II型叠加组合机构中，动293、I型叠加机构的连接方式较为复杂，但也有规律性。（1）齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构：连接点选在附加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。BCDA电机基础机构附加机构3、I型叠加机构的连接方式较为复杂，但也有规律性。（1）齿轮303、I型叠加机构规律（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上a）附加齿轮机构的系杆与基础机构的齿轮连接图5-31b）基础机构和附加机构都为齿轮机构3、I型叠加机构规律（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机313、I型叠加机构规律Z1HZ2Z3Z4图中,附加机构的蜗轮与基础机构的行星轮连接（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上b）附加齿轮机构的齿轮与基础机构的齿轮连接3、I型叠加机构规律Z1HZ2Z3Z4图中,附加机构的蜗轮与32叠加创新实例需求：实现天线空间全方位转动任务分析：单自由度的平面机构难以实现构思：用叠加组合具体：附加机构绕水平轴旋转，基础机构绕垂直轴旋转，二者合成可实现空间全方位转动叠加创新实例需求：实现天线空间全方位转动任务33叠加组合实例图5-33全方位空间转动的天线II型叠加组合机构⊙yZ叠加组合实例图5-33全方位空间转动的天线II型叠加组合机34叠加组合优缺点可实现复杂的运动要求机构的传力功能较好可减少传动功率但设计构思难度较大叠加组合优缺点可实现复杂的运动要求35第六节机构的封闭组合与创新设计

一、机构的封闭组合1、基本概念

一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输入构件和一个输出构件用单自由度的机构连接起来，形成一个自由度的机构系统，称为封闭式连接。其特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。封闭组合机构的自由度是1.第六节机构的封闭组合与创新设计36基础机构附加机构附加机构附加机构基础机构基础机构附加机构

II型封闭组合机构

III型封闭组合机构

I型封闭组合机构

2、分类1个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出2个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出1个附加机构封闭基础机构的1个输入和1个输出基础机构附加机构附加机构附加机构基础机构基础机构附加机构I373、封闭组合示例HZ3Z2Z1Z‘3Z’1HZ3Z2Z1Z‘3Z5HZ3Z2Z1差动轮系I型封闭机构III型封闭组合机构二自由度的差动轮系中，封闭两个输入，或一个输入和输出（系杆）Z5Z4封闭两个输入Z1’-Z1Z3’-Z3封闭一个输入Z3’-Z3一个输出Z4-H3、封闭组合示例HZ3Z2Z1Z‘3Z’1HZ3Z2Z1Z‘38CBAO

I型封闭组合机构

DE基础机构：OABCD封闭机构：凸轮机构封闭机理：两个连架杆OA、CD分别与凸轮与推杆固结CBAOI型封闭组合机构DE基础机构：OABCD封39

Ⅱ型封闭组合机构

基础机构：差动轮系1、2、3、H附加机构：1）四杆机构，2）齿轮啮合Z1和Z4Ⅱ型封闭组合机构基础机构：差动轮系1、2、3、H附40

III型封闭组合机构基础机构：两自由度涡轮蜗杆传动机构封闭机构：凸轮机构封闭机理：封闭涡轮转动（输出）和蜗杆的移动（输入）III型封闭组合机构基础机构：两自由度涡轮蜗杆传动机构封41二、封闭组合的基本思路封闭组合的前提是两自由度的基础机构和单自由度的的组合，组合而成的新机构是组合机构，基本组合思路如下。1、常见的基础机构主要有五杆机构和差动轮系机构，附加封闭机构可以是齿轮机构、凸轮机构和四杆机构，有时也用间歇运动机构作为封闭机构。二、封闭组合的基本思路422、附加机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最为广泛。3、附加机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输入构件。2、附加机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动43附加机构（添加机构）应满足的条件基础机构组合机构123456723.556.589.511附加机构（添加机构）应满足的条件基础机构组44第一列：1杆2副第三列：3杆5副第三列：3杆5副封闭两个输入C点是输出两个封闭机构齿轮啮合与凸轮机构C点的输出经附加机构GHF反馈到输入DE第一列：第三列：第三列：封闭两个输入两个封闭机构C点的输出经45

第七节其他类型的机构组合与创新设计

一、机构的混合组合方法工程中的实用机构系统中，经常联合使用上述组合方法，称为混合组合法。如串联组合后再并联组合，串联组合后再叠加杆组组合等。第七节其他类型的机构组合与创新46二、附加约束组合法附加约束组合法是指在多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新设计的目的。DCBA用凸轮机构约束五杆机构C点的运动工程中，附加约束一般采用具有复杂曲线结构的高副二、附加约束组合法附加约束组合法是指在多自由度机构中47二、附加约束组合法附加约束组合法是多自由度转化为单自由度机构且能完成特定运动的有效创新方法加装了制动器B后可改变系杆的转速二、附加约束组合法附加约束组合法是多自由度转化为单自由度机构48本章内容是机构创新设计的重要内容复习及思考题1、常用机构组合方法。2、Ⅱ级杆组与Ⅲ级杆组的构件数和运动副数3、Ⅱ级杆组与Ⅲ级杆组的类型及组成原理的基本思路4、串联组合的分类及基本思路5、并联组合的分类及基本思路6、叠加组合的分类及叠加机理，Ⅰ型叠加的规律（p77）7、封闭组合的分类、机理及封闭机构应满足的条件8、附加约束组合法9、会分析并设计各类组合本章内容是机构创新设计的重要内容复习及思考题49演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！50第五章机构的组合与创新设计第一节机构组合的基本概念第二节机构组成原理与机构创新设计第三节机构串联组合与创新设计第四节机构并联组合与创新设计第五节机构叠加组合与创新设计第六节机构封闭组合与创新设计第七节其他类型的机构组合与创新设计第五章机构的组合与创新设计第一节机构组合的基本概念第二节51第一节机构组合的基本概念一、基本机构的概念1、最简机构把由2个构件和1个运动副组成的开链机构称为最简单的机构，简称最简机构。其要素是组成机构的最多构件为2且为开链机构。2112原动机的机构简图为最简机构第一节机构组合的基本概念一、基本机构的概念1、最简机构21522、基本机构把含有3个构件以上、且不能再进行拆分的闭链机构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。CBDAz1z2o1o2HCAB2、基本机构CBDAz1z2o1o2HCAB533、基本机构的应用1）基本机构的单独使用

基本机构可以直接应用在机械装置中，只有一些简单机械中才包含一个基本机构。如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构。3、基本机构的应用1）基本机构的单独使用543、基本机构的应用2）互不连接的基本机构的组合

若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协调设计。图示压片机由三个独立工作的机构组成，各机构之间的运动必须满足协调关系3、基本机构的应用2）互不连接的基本机构的组合553）各基本机构互相连接的组合各基本机构通过某种连接方法组合在一起，形成一个较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛、也是最普遍的。3）各基本机构互相连接的组合56常用的机构组合方法如下。1、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组2、按照串联规则组合基本机构3、按照并联规则组合基本机构4、按照叠加规则组合基本机构5、按照封闭规则组合基本机构6、上述方法的混合连接，可得到复杂的机构系统。应用最普遍的组合常用的机构组合方法如下。应用最普遍的组合57CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合58第二节机构组成原理与机构创新设计一、II级杆组的类型

n=2，Pl=3的杆组，为II级杆组。第二节机构组成原理与机构创新设计一、II级杆组的类型59II级杆组分类图

(2件3副)RRRPRRRRPRPPPRRPPRRPR内接副为转动副内接副为移动副这5种常用，而PPP不常用RRRRRPPRPRPRPPRII级杆组分类图(2件3副)RRRPRRRRPRPPPRR60

级杆组分类图（4件6副）

3R杆组(以三个内接副开始)3R3RPRRRRRRRRRPPRRPPRRP3R2RP3RR2P3R3P级杆工程应用不多，但随着运动、受力等分析方法的完善，正在受到重视级杆组分类图（4件6副）3R杆组(以三个内接副61三、机构组成原理与机构创新设计1、机构组成原理把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。三、机构组成原理与机构创新设计622、机构组成原理与机构创新把前述的各种II级杆组和III级杆组连接到原动件和机架上，可以组成基本机构；再把各种II级杆组和III级杆组连接到基本机构的从动件上，可以组成复杂的机构系统。BCA+=BCADE+DE=BCA2、机构组成原理与机构创新BCA+=BCADE+DE=BCA63第三节机构的串联组合与创新设计一、机构的串联组合1、基本概念前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。第三节机构的串联组合与创新设计64机构1机构2机构1机构2前置机构后置机构

I型串联

前置机构后置机构II型串联2、串联组合分类连接点选在前置机构作简单运动的构件上（摇杆、曲柄或导杆等）连接点选在前置机构作复杂平面运动的构件上（中间的连杆或行星轮等）机构1机构2机构1机构2前置机构后置机构I型串联前置机构65BCDAEFZ1CABDZ2I型串联组合II型串联组合前置机构中做简单运动的构件与后置机构的原动件连接。前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的原动件连接。BCDAEFZ1CABDZ2I型串联组合II型串联组合前置机66二、机构串联组合基本思路1、实现后置机构的速度变换2、实现后置机构的运动变换3、串联时运动链尽量要短（在满足要求前提下）二、机构串联组合基本思路67第四节机构的并联组合与创新设计一、机构的并联组合1、基本概念并行连接①若干个单自由度的基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；②若干个单自由度的基本机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；③输入构件连接在一起、输出构件也连接在一起；特征是各基本机构均是单自由度机构第四节机构的并联组合与创新设计并①若干个单自由度的基本机68机构1机构2机构1机构2机构1机构23）III型并联机构系统1)I型并联机构系统

2）II型并联机构系统

OUTPUTINPUT2、并联组合分类机构2机构2机构23）III型并联机构系统1)I型并联机693、并联组合实例CABBCC4BAOC3C2C1I型并联机构II型并联机构

I型并联组合机构可实现机构的惯性力平衡II型并联组合机构可实现运动的合成3、并联组合实例CABBCC4BAOC3C2C1I型并联机构70A1B1B2C1C2O2O1E1E2E2E1Ⅲ型并联机构

Ⅲ型并联组合机构可改善机构的受力状况A1B1B2C1C2O2O1E1E2E2E1Ⅲ型并联机构Ⅲ71二、并联组合的基本思路1、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。2、实现运动的分解与合成3、改善机构受力状态Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3二、并联组合的基本思路1、对称并联相同的机构，可实现机构的平72第五节机构的叠加组合与创新设计

一、机构的叠加组合1、基本概念机构叠加组合是指在一个基本机构的可动构件上再安装一个以上基本机构的组合方式。把支撑其它机构的基本机构称为基础机构，安装在基础机构可动构件上面的基本机构称为附加机构。第五节机构的叠加组合与创新设计731)I型叠加机构

2、机构的叠加组合分类2)II型叠加机构附加机构基础机构输出输入输入附加机构基础机构输入输出来自基础机构可动构件上的动力源主动件：附加机构附加、基础机构分别有自己的动力源1)I型叠加机构

2、机构的叠加组合分类2)II型741)I型叠加机构基础机构：行星轮系（z3，z4）附加机构：蜗杆传动机构（z1，z2）Z1HZ2Z3Z4电机H1)I型叠加机构基础机构：行星轮系（z3，z4）附加机构75BCDA电机1)I型叠加机构基础机构附加机构一般情况下，以齿轮机构为附加机构，连杆机构或齿轮机构为基础机构的叠加方式应用较普遍BCDA电机1)I型叠加机构基础机构附加机构一般情况下，76EDCBAF2)II型叠加机构基础机构附加机构基础机构：平行四边形ABCD机构附加机构：平行四边形BCEF机构户外摄影车机构EDCBAF2)II型叠加机构基础机构附加机构基础机构：77

二、机构叠加组合的关键问题

1、选定附加机构与基础机构，确定附加机构与基础机构之间的连接方法。或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个构件连接。二、机构叠加组合的关键问题1、选定附加机构与基础机构，78

二、机构叠加组合的关键问题

2、II型叠加组合机构中，动力源安装在基础机构的可动构件上，驱动附加机构的一个可动构件，按附加机构数量依次连接即可。(例如图5-32机械手机构)二、机构叠加组合的关键问题2、II型叠加组合机构中，动793、I型叠加机构的连接方式较为复杂，但也有规律性。（1）齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构：连接点选在附加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。BCDA电机基础机构附加机构3、I型叠加机构的连接方式较为复杂，但也有规律性。（1）齿轮803、I型叠加机构规律（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上a）附加齿轮机构的系杆与基础机构的齿轮连接图5-31b）基础机构和附加机构都为齿轮机构3、I型叠加机构规律（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机813、I型叠加机构规律Z1HZ2Z3Z4图中,附加机构的蜗轮与基础机构的行星轮连接（2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上b）附加齿轮机构的齿轮与基础机构的齿轮连接3、I型叠加机构规律Z1HZ2Z3Z4图中,附加机构的蜗轮与82叠加创新实例需求：实现天线空间全方位转动任务分析：单自由度的平面机构难以实现构思：用叠加组合具体：附加机构绕水平轴旋转，基础机构绕垂直轴旋转，二者合成可实现空间全方位转动叠加创新实例需求：实现天线空间全方位转动任务83叠加组合实例图5-33全方位空间转动的天线II型叠加组合机构⊙yZ叠加组合实例图5-33全方位空间转动的天线II型叠加组合机84叠加组合优缺点可实现复杂的运动要求机构的传力功能较好可减少传动功率但设计构思难度较大叠加组合优缺点可实现复杂的运动要求85第六节机构的封闭组合与创新设计

一、机构的封闭组合1、基本概念

一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输入构件和一个输出构件用单自由度的机构连接起来，形成一个自由度的机构系统，称为封闭式连接。其特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由度机构。封闭组合机构的自由度是1.第六节机构的封闭组合与创新设计86基础机构附加机构附加机构附加机构基础机构基础机构附加机构

II型封闭组合机构

III型封闭组合机构

I型封闭组合机构

2、分类1个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出2个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出1个附加机构封闭基础机构的1个输入和1个输出基础机构附加机构附加机构附加机构基础机构基础机构附加机构I873、封闭组合示例HZ3Z2Z1Z‘3Z’1HZ3Z2Z1Z‘3Z5HZ3Z2Z1差动轮系I型封闭机构III型封闭组合机构二自由度的差动轮系中，封闭两个输入，或一个输入和输出（系杆）Z5Z4封闭两个输入Z1’-Z1Z3’-Z3封闭一个输入Z3’-Z3一个输出Z4-H3、封闭组合示例HZ3Z2Z1Z‘3Z’1HZ3Z2Z1Z‘88CBAO

I型封闭组合机构

DE基础机构：OABCD封闭机构：凸轮机构封闭机理：两个连架杆OA、CD分别与凸轮与推杆固结CBAOI型封闭组合机构DE基础机构：OABCD封89

Ⅱ型封闭组合机构

基础机构：差动轮