《机械设计基础》课件1第8章

项目八机械创新设计与实例分析8.1机构的组合与实例分析8.2机构的变异与演化及实例分析8.3机构再生运动链与实例分析8.4机械运动方案设计

8.1机构的组合与实例分析

前面讨论的常用基本机构如齿轮机构、凸轮机构、四杆机构和间歇机构等，可以胜任一般性的设计要求，但随着生产的发展以及机械化、自动化程度的提高，对机构的运动规律和动力特性都提出了更高的要求。这些常用的基本机构往往不能满足要求，如连杆机构难以实现一些特殊的运动规律；凸轮机构虽然可以实现任意运动规律，但行程不可调；齿轮机构虽然具有良好的运动和动力特性，但运动形式简单；棘轮机构、槽轮机构等间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，具有不可避免的速度、加速度波动，以及冲击和振动。为了解决这些问题，可以将两种以上的基本机构进行组合，充分利用各自的良好性能，改善其不良特性，创造出能够满足原理方案要求的、具有良好运动和动力特性的新型机构。

机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构。这个复杂的机构一般有两种形式:一种是将几种基本机构相融合，成为性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构，被称为组合机构；另一种则是将几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特征，但需要各个机构的运动和动作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称做机构的组合。机构的组合方式可划分为以下四种:串联式机构组合，并联式机构组合，复合式机构组合，叠加式机构组合。

8.1.1机构的串联组合

将若干个单自由度(F=+1)的基本机构串联起来，其方法是将前一个机构的输出构件作为后一个机构的输入构件，这样把几个简单的机构组合成一个复合机构，常用于改善输出构件的运动和动力特性，或实现各种特殊的要求。如图8-1(a)所示的六杆机构是由铰链四杆机构1—2—3—4的输出杆4与另一曲柄滑块机构4′—5—6—1的输入杆4′固结在一起构成的，这样当铰链四杆机构的杆2输入角位移量时，曲柄滑块机构的输出杆6就得到最终的位移量。

图8-1(b)所示为具有急回特性的机构，构件4在工作行程时作近似等速直线运动。该机构是由椭圆齿轮机构1—2—5和正弦机构2′—3—4—5串联组合而成的。图8-1机构的串联组合8.1.2机构的并联组合

一种机构的并联组合相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善。设计时要求两个并联的机构运动要协调，以满足所要求的输出运动。如图8-2(a)所示的刻字、成型机构，两个凸轮机构的凸轮为两个原动件，当凸轮转动时，推杆2、4推动双移动副构件3上M点走出图中的轨迹。另一种机构的并联组合是将一个运动分解为两个输出运动。其主要功能是实现两个运动输出，而这两个运动又相互配合，完成较复杂的工艺动作。如图8-2(b)所示的冲压机机构，构件1为原动件，大滑块2和小滑块4为从动件，大、小滑块具有不同的运动规律。此机构一般用于工件输送装置，工作时，大滑块在右端位置先接收来自送料机构的工件，然后向左运送，再由小滑块将工件推出，使工件进入下一工位。图8-2机构的并联组合8.1.3机构的复合组合

一个具有两个自由度的基本机构和一个附加机构并接在一起的组合形式称为复合式机构组合。

图8-3所示的凸轮连杆机构由凸轮1′—4—5和双自由度五杆机构1—2—3—4—5组合而成。原动凸轮1′和曲柄1固连，构件4是两个基本机构的公共构件，当1和1′一起转动时，1′推动从动件4移动，这时构件2、3上任一点便能实现给定的轨迹Cx。图8-3凸轮连杆机构复合式机构组合一般是不同类型的基本机构的组合，并且将各种基本机构有机地融合为一体，成为一种新机构。其主要功能是可以实现任意运动规律，例如一定规律的停歇、逆转、加速、减速、前进、倒退等。但设计比较复杂，缺乏共同的规律，需要根据具体的机构进行分析和综合。8.1.4机构的叠加组合

叠加机构的方法之一是在最简单的机构上叠加一个二杆组(3n-2p＝0)。如图8-4(a)所示，将两构件5、6叠加在3、4上。图8-4(b)所示机构的特点是叠加的机构两构件与被叠加的机构固结在一起，共用构件4，但并不共用机架。

图8-5所示是一种电动玩具马的传动机构，由曲柄摇块机构安装在两杆机构的转动构件4上组合而成。机构工作时，分别由转动构件4和曲柄1输入转动，致使玩具马的运动轨迹是旋转运动和平面运动叠加，产生了一种飞奔向前的动态效果。图8-4叠加组合机构图8-5电动玩具马

8.2机构的变异与演化及实例分析

机构的变异与演化是指用改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、用不同构件为机架或原动件、增加辅助构件等方法，使机构获得新的功能、特性或结构，以满足设计要求的方法。8.2.1连杆机构

1.改变转动副的尺寸

转动副的扩大主要指转动副的销轴和销轴孔在直径尺寸上增大，但各构件之间的相对运动关系并没有发生改变，这种变异机构常用于泵和压缩机等机械装置中。

图8-6所示是一个变异后的活塞泵的机构简图。可以看出，变异后的机构与原机构在组成上完全相同，只是构件的形状不一样。偏心盘和圆形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，这有利于流体的吸入和压出。图8-6活塞泵的机构

2.改变构件的形状和尺寸

通过改变曲柄摇杆机构的某些构件的形状和尺寸，可以得到曲柄滑块机构或正弦机构，如图8-7所示。

图8-8所示机构是经过局部结构改变以后的导杆机构。普通的摆动导杆机构在两极限位置只作瞬时的停歇，而图示的导杆机构可以在左边极限位置作长时间的停歇，原因是当曲柄上的滚子在圆弧槽中运动时，导杆停歇不动。

3.选不同的构件作为机架

在图8-9所示的曲柄摇杆机构中，若改变不同构件为机架，可得到双曲柄机构和双摇杆机构。图8-7曲柄摇杆机构演化成曲柄滑块机构或正弦机构图8-8改进后的导杆机构图8-9曲柄摇杆机构的机架变换8.2.2凸轮机构

图8-10(a)所示为一普通的摆动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮固定为机架，原机架为作回转运动的原动件，再将各构件的运动尺寸作适当的改变，就变异为图8-10(b)所示的用于异型罐头封口的机构。

如图8-11(a)所示，若将直线廓形的移动凸轮1外包在圆柱体上，凸轮廓线就成为圆柱面上的螺旋线，于是演变成螺旋机构，如图8-11(b)所示。图8-10异形罐头封口机构图8-11凸轮机构的变异机构8.2.3齿轮机构

齿轮也可以认为是由多条相同的凸轮廓线形成的，相应的从动轮则是由多个相同的从动件固联而成的，两轮形成一齿接一齿的传动，这就是齿轮机构。若其中一个齿轮上仅存留部分轮齿，这就是不完全齿轮机构，它的从动轮可完成单向间歇运动，如图8-12(a)所示。若齿轮中作纯滚动的节线为非圆，则成为非圆齿轮机构，如图8-12(b)所示，其从动轮作非匀速运动。图8-12不完全齿轮机构、非圆齿轮机构

8.3机构再生运动链与实例分析

机器性能的好坏，在很大程度上取决于机构的类型创新设计的优劣。显然，有经验的设计师以设计出好的方案，但是，要创造更新颖的机构以及对无丰富经验的设计人员，常会感到难以下手，借助于机构类型变异创新设计法将会激发其创造力。本节介绍借鉴现有机构的运动链类型，进行类型创新和变异创新的设计方法。机构类型变异创新设计法基于机构组成原理，对各类连杆组合及其异构体进行变换分析，满足新的设计要求。这种方法的基本思想是:将原始机构用机构运动简图表示，通过释放原动件、机架，将机构运动简图转化为一般运动链，然后按该机构的功能所赋予的设计约束，演化出众多的再生运动链与相应的新机构。这种机构创新设计方法应明确设计机器的使用要求或该机器应该完成的工艺动作等技术要求，其设计流程如图8-13所示。图8-13流程图8.3.1一般化运动链

将原有机构运动简图抽象为一般化运动链，其原则为:

(1)将非刚性构件转化为刚性构件。

(2)将非连杆形状的构件转化为连杆。

(3)将高副转化为低副。

(4)将非转动副转化为转动副。

(5)解除固定杆的约束，机构成为运动链。

(6)运动链的自由度应保持不变。最常见的单自由度机构是N=4的机构。在图8-14(a)～(c)中，无论是铰链四杆机构、曲柄滑块机构，还是正弦机构，都可以转换成为图8-14(a)所示的仅含杆和转动副的四杆机构。如果是高副机构，例如图8-14(d)、(e)所示的凸轮机构和齿轮机构，可先进行高副低代，而后转换成仅含杆和转动副的四杆机构，如图8-14(a)所示。

同样，各种六杆机构也可以进行如此转换，铰链夹紧机构可以转换成仅含转动副的杆机构。

图8-15所示为一常用的铰链夹紧机构。在该机构中，1为机架，2和3分别为液压缸和活塞杆，5为连杆，4和6为连架杆。其中，6是执行构件，用于夹紧工件7。图8-14常见的四杆机构图8-15铰链夹紧机构的运动简图一般化的原则为:所有“非连杆”转化为连杆，所有“非转动副”转化为转动副，而且要求机构的自由度保持不变，各构件与运动副的邻接保持不变，并将固定杆的约束解除，使机构成为一般化运动链。

按上述一般化原则，将铰链夹紧机构运动简图抽象为一般化运动链，将活塞杆3和液压缸2以标记为P的Ⅱ级组代替，并释放固定杆，由此所得的铰链夹紧机构的一般化运动链如图8-16所示。图8-16铰链夹紧机构的一般运动链8.3.2单自由度运动链的基本类型

机构是将运动链的一杆固定为机架后给出原动件而得到的。设运动链的总构件数为N，低副数为p，则由该运动链可得到的机构自由度F为

F=3(N-1)-2p

(8-1)

由此得到

当F=1(单自由度机构)时，铰链四杆机构是N=4，p=4的单环运动链，多环运动链是在单环的基础上每增加K个构件和K+1个运动链即增加一个独立环，故运动链的环数H为

H=p-N+1

(8-2)

由于p、N均为整数，故p与N的组合以及运动链的环数H如表8-1所示。以下仅讨论单自由度情况。表8-1单自由度运动链组合表

8.3.3连杆类配的分类

将机构中固定杆(即机架)的约束解除后，该机构便转化为运动链。每一个运动链包含的带有运动副数量不同的各类链杆的组合，称为连杆类配。运动链中连杆类配可以表示为

LA(L2/L3/L4/…/Ln)

其中，令运动链中的二副元素连杆为L2，三副元素连杆为L3，四副元素连杆数为L4，含有n个运动副元素的构件为n副元素连杆Ln，见图8-17。图8-17二～五副元素连杆连杆类配分为自身连杆类配及相关连杆类配两种。

自身连杆类配是原始机构的一般化运动链(简称原始运动链)的连杆类配。相关连杆类配按照运动链自由度不变的原则，由原始运动链可以推出与其具有相同连杆数和运动副数的连杆类配，称为相关连杆类配。按此，相关连杆类配应满足下面两式：

N=L2+L3+L4+…+Ln

(8-3)

2p=2L2+3L3+4L4+…+nLn

(8-4)

将以上两式代入式(8-1)，有

F=L2-L4-…-(n-3)Ln-3

(8-5)将式(8-3)与式(8-5)相减，得

N-(F+3)=L3+2L4+3L5+…+(n-2)Ln

(8-6)

当N=4，p=4时，L2=4，四杆运动链的链杆类配仅有一种。在六杆运动链中，N=6，p=7。由式(8-3)和(8-4)可知，该运动链中不能具有五副及五副以上的链杆，则按式(8-3)

和式(8-6)有

N=L2+L3+L4=6

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

按此，六杆运动连杆类配共有两种方案，见表8-2。表8-2六杆运动链的连杆类配方案

六杆运动链连杆类配的方案Ⅰ可表示为LA(4/2)，其图解表示见图8-18。

六杆运动链连杆类配的方案Ⅱ为LA(5/0/1)，其图解表示见图8-19，由此组成运动链(见图8-20)，其左面三杆之间元相对运动，实际上形成一个刚体，在该运动链中固定一杆后将成为一个自由度的四杆机构，已不符合六杆运动链的要求。所以，六杆运动链连杆类配仅有一种链杆类配方案，即表中方案I为LA(4/2)。图8-18六杆运动链连杆类配LA(4/2)图8-19六杆运动链连杆类配LA(5/0/1)图8-20组合方案8.3.4设计约束机构再生运动链

同理，各种单自由度的闭式链可以按照一定规律，将其基本结构形式中的杆和铰链之间进行重新的排列(布局)，使运动链得到多种变异的构形，并在此基础上按照机构的工作特性和具体要求，定出设计约束，根据约束的严或紧，可产生数量不同的变异运动链。例如，铰链四杆机构选择不同构件为机架和曲柄，可以得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。六杆运动链的两种类型，如果同样选择不同构件为机架进行同构判定后，可得到5种运动链，见图8-21。

总之，按机构的功能所赋予的设计约束，可演化出众多的再生运动链与相应的新机构。图8-21选择不同构件为机架得到的运动链8.3.5实例

1.原始机构

原始机构就是原有机构或者是初步考虑的传动方案。图8-22所示为一凸轮机构，使一大质量的滑块按给定运动规律往复运动。因作用在凸轮上的力较大，拟另寻求更好的传动方案，在原空间尺寸的限制下，提高其机械利益。

2.一般化运动链

根据一般化的原则，将原始机构中的“非转动副”转化为转动副，将高副转化为低副，保持机构的自由度不变，各构件与运动副的邻接不变，并将固定杆的约束解除，转化为六杆七副机构。六杆运动链可以形成两种基本组合运动链，称为斯蒂芬逊和瓦特型运动链。图8-22凸轮滑块机构

3.设计的限制条件

按照机构的工作特性与具体要求，可以定出下列限制条件。

(1)连杆总数和运动副总数保持不变，在此仍为六杆七副机构。

(2)必须有凸轮和从动件。

(3)必须有一个机架，并且与凸轮相邻。

4.再生运动链与机构运动简图

对于图8-23所示的瓦特再生运动链，将HS杆选为高副低代后产生的附加杆，可取件3或件5为凸轮，与凸轮相邻的构件为机架，而其余的杆则可以选作为凸轮机构的从动件，于是可以产生出图8-24所示的瓦特机构伴生连杆组合树，它可以开拓出9种机构方案。而以图8-25所示斯蒂芬逊再生运动链为对象时，可以生成的伴生连杆组合树如图8-26所示，可以开拓出11种机构方案。图8-23瓦特机构图8-24瓦特机构伴生连杆组合树图8-25斯蒂芬逊机构图8-26斯蒂芬逊机构伴生连杆组合树

5.方案选择

以上这些方案中可以获得较大机械利益的部分构件的组合有4种，如图8-27所示。其中图8-27(a)、(b)由瓦特六杆机构衍生部分构件的组合得出；图8-27(c)、(d)由斯蒂芬逊六杆机构衍生得出部分构件的组合。这其中又以图8-27(d)所示较为理想，最后机构方案见图8-28。

利用此方法可帮助设计者拓宽思路，避免一些有价值的最佳设计方案被设计者所遗漏。图8-27瓦特六杆机构、斯蒂芬逊六杆机构衍生机构图8-28可获得较大利益的凸轮滑块机构

8.4机械运动方案设计

8.4.1机械运动方案设计概述

机械运动方案设计是指把机械的整个工艺过程所需的动作或功能分解成一系列基本动作或功能，并确定完成这些动作或功能所需的执行构件的数目和执行构件的运动规律，根据其基本动作或功能的要求选择或创新合适的机构来实现这些动作。机械运动方案设计的主要内容包括:机械功能目标的拟定；机械工作原理的拟定；机构运动方案的生成及机械运动方案创新设计的评价等。机械功能目标是指该机械产品的功用。拟定机械的功能目标时应该对机械产品或机械装置的具体性能参数和各项技术指标进行限定，如运转速度、输出功率大小、移动距离、使用要求、操作程序、维护与保养、对使用者的技术要求、安全可靠性以及价格、成本、经济效益等内容均属功能目标的限定范畴。机械功能目标确定之后，按功能目标的要求拟定机械的工作原理。工作原理分析是一个在功能分析的基础上，创新构思、搜索探求、优化筛选工艺动作的过程。机构运动方案的生成。首先，设计者将给出的运动要求、工业动作要求等，以及外部的各种限制条件分解成各个基本运动、动作和相应机构；其次是按分解成各基本运动、动作时确定的关系将这些相应的机构进行组合。由于同一个机械工作原理方案可用不同的机构组合来实现，并会产生不同的效果，故在分析机械工作原理方案的基础上，根据工艺动作的要求，选择合适的机构和机构组合是机械运动方案设计的重要步骤。机械运动方案创新设计评价的价值目标是以最低的成本获得最佳的效果。评价的内容包括功能性、经济性、安全性、操作性和舒适性。评价的方法可采用各项功能指标量化法，一种可用数值表示，例如某机械产品的能量消耗，可用每千瓦小时来表示；另一种情况先用良好、较好等形容词定性描述，然后再量化处理。

下面以地面反恐防爆机器人的改进设计为例进行机械运动方案创新设计。8.4.2实例分析

1.设计任务

要求地面反恐防爆机器人能排除、销毁爆炸物，解救人质，与恐怖分子对抗等。总之，机器人的总功能是代替人去做一些地面反恐防爆工作。

根据总功能要求和工作性质，地面反恐防爆机器人应由机械系统、控制技术、视音频系统、各种传感器应用、武器系统等组成。机器人的机械系统是最重要的部分，根据反恐防爆工作的需要，机器人的机械系统又分为工作部分、行走部分、驱动部分等。本例主要是机械系统设计。

2.功能原理分析

(1)工作部分由臂杆部分和机械手组成。

臂杆部分是开式连杆系，臂杆主要用于对爆炸物的抓取、搬运、放置工作。对臂杆的要求从三个方面考虑：一是额定负载，指工作装置在工作空间范围中任意位置时机械手都能抓取搬运的最大重量；二是工作装置伸展最长距离；三是工作装置收缩最近距离。

机械手也称做抓取机构，用来抓住握持爆炸物等物体。设计机械手时应注意以下事项:一是手指的开闭范围，此范围是从手指张开的最大开口位置到闭合夹紧时的变动距离；二是手指的夹紧力，为使手指能夹紧物体并保证在运动过程中不脱落，要求手指在夹紧物体时有足够的夹紧力；三是根据物体的形状和位置，选择适当的手指形状和手部结构，使手指抓持物体吻合。

(2)行走部分。行走部分不仅要像车辆一样行走、越障，还可以原地转弯等。

(3)驱动部分。驱动部分采用蜗轮蜗杆、减速器、行星齿轮减速器、谐波齿轮减速器等以及配套用的各种电机。

3.功能分解与动作分解

(1)为了实现地面反恐防爆机器人机械系统的总功能，可将总功能分解为抓取功能、移动功能和放置功能。

(2)机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要求完成某些动作，所以往往把总功能分解成一系列相对独立的动作，依次作为功能元，然后用树状功能图来描述。要实现上述分功能，有下列动作过程：

①臂杆可以在三维空间范围内运动。

②机械手可以张开和闭合。

③机器人行走。

4.根据工作原理选择运动部件

根据总功能分解成一系列相对独立的动作，得到的树状功能图见图8-29。要实现上述功能元的求解就要选择所需执行部件。

1)臂杆的选择