第三章機構創新方法

與實例分析目錄3.1機構功能及表達

3.2機構創新設計方法

3.2.1構型變異的創新設計方法

3.2.2機構原理的創新設計方法

3.3機構綜合3.3.1機構型綜合3.3.2機構尺度綜合?3.1機構功能及表達1.執行構件的基本運動形式常用機構構件的運動形式有回轉運動、

直線運動和曲線運動三種,回轉運動和直線運動是最簡單的機械運動形式。

按運動有無往復性和間歇性區分,執行構件的基本運動形式見表3-1。3.1

機構功能與表達?3.1機構功能及表達2.機構的功能機構的功能是指機構實現運動變換和完成某種功能的能力。

常用機構的基本功能如下。3.1

機構功能與表達?3.1機構功能及表達3.機構的分類為了使所選用的機構能實現某種動作或有關功能,還可以將各種機構按運動轉換的種類和實現的功能進行分類。

按功能進行機構分類如下。3.1

機構功能與表達?3.1機構功能及表達3.1

機構功能與表達?3.1機構功能及表達

4.繪制機構運動簡圖在機構設計時,選擇執行機構并不僅僅是簡單地挑選,而是包含著創新。

因為要得到科學的運動方案,必須構思出新穎、

靈巧的機構系統。

這一系統的各執行機構不一定是現有的機構,為此,應根據創造性的基本原理和法則,積極運用創造性思維,靈活使用創新技術進行機構構型的創新設計。3.1

機構功能與表達?

3.2.1構型變異的創新設計方法1.機構的擴展以現有機構為基礎,改變構件的形式或者增加新的構件,可以應用在不同的設計中。如圖3-1所示的齒輪-曲柄擺塊機構,在曲柄擺塊機構的基礎上進一步擴展,增加了齒輪機構,擴展后的機構由齒輪機構和曲柄擺塊機構組成。為了滿足一定的工藝動作要求,或為了使機構具有某些性能與特點,需改變已知機構的結構,在原有機構的基礎上,演變發展出新的機構,稱此種新機構為變異機構。

常用的變異方法有以下幾類。3.2

機構創新設計方法?

3.2.1構型變異的創新設計方法2.機構的倒置機構內運動構件與機架的轉換,稱為機構的倒置。

按照運動的相對性原理,機構倒置后構件間的相對運動關系不變,但可以得到不同的機構。如圖3-2所示,如果將圖3-2a中曲柄滑塊機構的曲柄作為原動件,可以表示往復式壓縮機的基本工作原理,滑塊作為執行機構(也就是壓縮機活塞),輸出往復直線運動;如果將該機構的輸入、輸出關系倒置,就得到了如圖3-2b所示的機構,可以表示內燃機的基本工作原理,也就是內燃機活塞作為原動件,帶動曲柄旋轉,輸出旋轉運動。3.2

機構創新設計方法?

3.2.1構型變異的創新設計方法3.機構局部結構的改變改變機構局部結構(包括構件運動結構和機構組成結構),可以獲得有特殊運動性能的機構。

運動結構主要指構件之間的相對運動關系,而組成結構時指機構中各構件的配置和連接方式。如圖3-3所示,將圖3-3a曲柄搖桿機構中的同性運動副進行替換,可以得到如圖3-3b所示的曲柄滑塊機構,滑塊在曲面滑道里同樣是擺動形式,進一步將曲面滑道替換成圖3-3c中所示的直線滑道,即得到偏心曲柄滑塊機構。3.2

機構創新設計方法?

3.2.1構型變異的創新設計方法4.機構結構的移植與模仿將一機構中的某些結構應用于另一種機構中,稱為結構的移植。

利用某一結構特點設計新的機構,稱為結構的模仿。

機構模仿舉例如圖3-4所示。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法1.利用機構運動特點創新機構利用現有機構工作原理,充分考慮機構運動特點、

各構件相對運動關系及特殊的構件形狀等,創新設計出新的機構。(1)利用連架桿或連桿運動特點設計新機構連桿的運動特點包括運動規律、

運動速度、運動幅度等。

分析連桿機構的特性,可為機構設計提供有力依據。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法如圖3-5所示的多桿行程放大機構,由曲柄搖桿機構1-2-3與導桿滑塊機構4-5-6串聯組成。

曲柄1為主動件,從動件5往復移動。

主動件1的回轉運動轉換為從動件5的往復移動。

如果采用曲柄滑塊機構來實現,則滑塊的行程會受到曲柄長度的限制,而該機構在同樣曲柄長度的條件下能實現滑塊的較大行程。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(2)利用兩構件相對運動關系設計新機構兩構件的相對運動關系體現在構件之間的相對位置、

速度、

加速度等方面。

通過改變這些相對運動關系,可以調節機構的輸出性能,從而滿足不同的工作需求。如圖3-6所示的篩料機構,該機構由曲柄搖桿機構和搖桿滑塊機構構成,曲柄1勻速轉動,通過搖桿3和連桿4帶動滑塊5作往復直線運動。

曲柄搖桿機構的急回特性,使得滑塊5的速度、

加速度變化較大,從而更好地完成篩料工作。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(3)利用成形固定構件實現復雜動作過程利用成形固定構件來實現所需要的復雜動作過程,例如凸輪、

棘輪和多桿機構等。

在機構設計過程中,要充分挖掘機構運動特點、

構件相對運動關系和特殊構件形狀等運動規律,以實現新機構的創新設計。如圖3-7所示的機床進給機構,采用帶有凹槽的圓柱凸輪1帶動扇形齒輪(不完全齒輪)2實現往復擺動,從而能帶動齒條3及刀架進行往復直線移動,實現刀架所需要的切削速度和行程。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法2.基于組成原理的機構創新設計根據機構組成原理,將零自由度的桿組依次連接到原動件和機架上,或者在原有機構的基礎上,搭接不同級別的桿組,均可設計出新機構。如圖3-8所示的桿組組合過程,凸輪構件1為原動件;構件4和5組成的Ⅱ級桿組,一端通過鉸鏈F與構件6和7連接,另一端與構件8組成單構件高副桿組;構件3和2組成的兩個Ⅱ級桿組一端通過構件3與構件4形成移動副,另一端與凸輪進行剛性連接。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法3.基于組合原理的機構創新設計把一些基本機構按照某種方式結合起來,創新設計出一種與原有機構特點不同的新的復合機構。(1)機構的串聯組合(2)機構的并聯組合(3)機構的聯式組合(4)反饋式組合機構(5)疊聯式組合機構3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(1)機構的串聯組合將兩個或兩個以上的單一機構按順序連接,每一個前置機構的輸出運動是后續機構的輸入運動,這樣的組合方式稱為機構的串聯組合。

例如,三個機構Ⅰ、

Ⅱ、

Ⅲ的串聯組合框圖如圖3-9所示(表示機構參數)。1)固接式串聯。2)軌跡點串聯。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(2)機構的并聯組合以一個多自由度機構作為基礎機構,將一個或多個自由度為1的機構(可稱為附加機構)的輸出構件接入基礎機構,這種組合方式稱為并聯組合。

圖3-11所示為并聯組合的幾種常見連接方式框圖。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法如圖3-12所示的沖壓機構由兩組對稱布置的齒輪機構與對稱配置的兩套曲柄滑塊機構組合而成。AD連桿與齒輪1固連,BC連

桿

與

齒

輪2固

連。

組

成

要

求:z1=z2;AD=BC;α=β。

齒輪1勻速轉動,帶動齒輪2回轉,從而通過連桿3、4驅動桿5上下直線運動完成預定功能。

此機構可用于沖壓機、

充氣泵、

自動送料機。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(3)機構的聯式組合綜合運用串聯-并聯組合方式可組成更為復雜的機構,此種組合方式稱為機構的混聯組合,圖3-13所示為混聯組合的幾種常見連接方式框圖。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法如圖3-14所示的精壓機機構由曲柄滑塊機構和兩個對稱的搖桿

滑

塊

機

構

組

成,對

稱

部

分

由

連

桿4-5-6-7和

連

桿8-9-10-7兩部分并聯構成,當曲柄1連續轉動時,滑塊3上下移動,通過連桿4-5-6使滑塊7上下移動,完成物料的壓緊。

3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(4)反饋式組合機構以一個多自由度機構作為基礎機構,而以另一單自由度機構作為附加機構,且基礎機構的某一輸入運動是通過附加機構從該基礎機構的輸出件反饋而得到,這樣的機構系統稱為反饋式組合機構。該系統的輸入運動是通過本組合系統的輸出構件反饋的。

圖3-15所示為反饋式常見連接方式框圖。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法圖3-16所示為滾齒機工作臺誤差校正機構。因蝸桿1具有轉動和移動兩個自由度,故該誤差校正機構是以兩自由度的蝸桿蝸輪機構1-2-4為基礎機構,以單自由度的凸輪機構2′-3-4為反饋的附加機構組合而成。。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法(5)疊聯式組合機構將基本機構裝于另一基本機構的輸出件上,各有自己的動力源并各自完成自己的運動,其疊加運動是所要求的輸出運動,以這種方式連接而成的機構系統稱作疊聯式組合機構,也稱運載式組合機構。

圖3-17所示為疊聯式常見連接方式框圖。3.2

機構創新設計方法?

3.2.2機構原理的創新設計方法圖3-18所示為液壓挖掘機機構。

第一套擺缸機構1-2-3-4以挖掘機機身4為機架,它由三套液壓擺缸機構組成,輸出件為大轉臂3;第二套擺缸機構5-6-7-3以大轉臂3為相對機架,輸出件為小轉臂7;第三套擺缸機構8-9-10-7以小轉臂7為相對機架,輸出件為鏟斗10。

以上三套擺缸機構各有自己的動力源,均為液壓缸,運動的疊加便組成了鏟斗10的復雜挖掘動作。3.2

機構創新設計方法3.3機構綜合

?

3.3.1機構型綜合在機械系統運動方案設計過程中,確定執行動作和選擇執行機構是創造性的設計環節。選擇恰當的執行機構及其組合以實現所需工藝動作,即機構選型與組合。機構選型有多種機構可選時,設計者必須綜合考慮工藝動作要求、

受力情況、

使用維護便利性、制造成本、加工難度等因素,進行比較以選出最佳方案。(1)工藝動作和運動要求(2)結構簡短(3)性能佳(4)高效率(5)性價比?

3.3.2機構尺度綜合在機械設計過程中,根據已經選定的機構類型,如四桿機構、

凸輪機構或其他類型的機械裝置,需要進一步考慮給定的運動條件或動力條件,如速度、

加速度、

力的傳遞等。

尺度綜合是指通過精確計算和設計,確定各個構件的具體幾何尺寸,這些尺寸共同決定了機構的運動特性。以連桿機構為例,其尺度綜合可分為三大類型。(1)剛體導引機構的尺度綜合(2)函數發生機構的綜合(3)軌跡發生機構的綜合