1、 机构设计的一般原则机构设计的一般原则 常用基本机构的特性及评价常用基本机构的特性及评价 机构的创新设计方法机构的创新设计方法 机构的形式设计要解决的关键问题是：构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性和经济性的重要环节。因此，机构形式设计，在保证机构能满足基本运动要求的同时，还应满足机构设计的一些一般性原则，这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则是：1、机构越简单越好。所谓简单指机构的构件与运动副数量最少，即机构的运动链最短。运动链短的机构有如下特点：构件、运动副少，可降低生产成本、减轻产品的质量。构件数量少，
2、有利于提高产品的刚度，减少产生扰动的环节，提高产品的可靠性。运动副少，有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗，提高机械传动效率及使用寿命。运动副少，能有效地减少运动副的累。例例：如图所示，三种能够实现直线轨迹运动的机构，其中图a中 abbcbe，e点能精确实现直线轨迹。图b为e点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图c为有e点能精确实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副较多，运动累积误差大，在同一制造条件下，八杆机构的实际运动误差大约为机构的2-3倍。图41三种能够实现直线轨迹运动的机构 a）曲柄小滑块机构；b）曲柄摇杆机构；c）八杆机构 2、机构尺寸应尽可能地小、机构尺寸应尽可能地小 在满足相
3、同工作要求的前提下，不同的机构，其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不相同的。例如，（1）在传递相同功率并且设计合理的条件下，行星轮系的外形尺寸比定轴轮系小；（2）在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下，齿轮齿条机构比凸轮机构更容易实现体积小，质量轻的目标。3、注意运动副的选择类型、注意运动副的选择类型 运动副元素的相对运动是产生摩擦和磨损的主要原因。运动副的数量和类型对机构运动、传动效率和机构的使用寿命起着十分重要的作用。图示为 三种曲柄长度相同的滑块行程为四倍曲柄长的机构）连杆齿轮齿条机构）连杆齿轮齿条机构）六杆机构）六杆机构）等腰对心式柄滑块机构）等腰对心式柄滑块机构 图示为 减少移动副或代
4、替移动副的措施）用转动副代替移动副）不用移动副的直线导向机构 4、选择合适的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量、选择合适的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量 目前工程上使用的原动机主要有三类：内燃机内燃机这类原动机主要有汽油机和柴油机。内燃机不适合于在低速状态下工作，用内燃机来驱动低速执行机构必须要受用减速设备。内燃机主要用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。气、液马达，活塞气、液缸，摆动式气、液缸气、液马达，活塞气、液缸，摆动式气、液缸这些原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摆动，借助控制设备也能实现间歇运动。电动机电动机电动机的类型不同机械特性也不相
5、同，电动机的转速变化范围大，输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此，电动机是工程设计中最常用的原动机。5、应使机构具有良好的传力条件和动力特性、应使机构具有良好的传力条件和动力特性 在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会造成机械装配困难，增大运动
6、副中的摩擦与磨损。造成机械装配困难，增大运动副中的摩擦与磨损。下图显示了几种构型，其过约束数计算如下：下图显示了几种构型，其过约束数计算如下：图图a中，由于导轨由三个平面副组成，每个平面副的中，由于导轨由三个平面副组成，每个平面副的约束数为约束数为3，而导轨只能保留一个移动自由度，即约束只，而导轨只能保留一个移动自由度，即约束只能为能为5，故其过约束数为，故其过约束数为3354。图图b中，由于导轨由两个圆柱副组成，每个圆柱副的中，由于导轨由两个圆柱副组成，每个圆柱副的约束数为约束数为4，故其过约束数为，故其过约束数为4253。图图c中，由于导轨由三个圆柱平面副组成，每个圆柱中，由于导轨由三个圆
7、柱平面副组成，每个圆柱平面副的约束数为平面副的约束数为2，故其过约束数为，故其过约束数为3251。图图d中，由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组中，由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组成，每个圆柱副的约束数为成，每个圆柱副的约束数为2，球体平面副的约束为，球体平面副的约束为1，故，故其过约束数为其过约束数为4150。图示为运动副组合的过约束图示为运动副组合的过约束 a)三平面副的组合；b)两圆柱副的组合；c)三个圆柱平面副的组合；d)圆柱副和球体平面副的组合 例如图所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用例如图所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用力的位置相同，大小也未变，但各物体的受力
8、却发生了改力的位置相同，大小也未变，但各物体的受力却发生了改变。图所示的复合铰链，将图中空构件与插入构件互换变。图所示的复合铰链，将图中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式，原来构件为多位置对移可以得到另外不同的结构形式，原来构件为多位置对移动副受力的影响副杆，而构件、为单副杆。经变动副受力的影响副杆，而构件、为单副杆。经变化后，构件、为单副杆，而构件、变为多副杆。化后，构件、为单副杆，而构件、变为多副杆。显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆、显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆、变为多副杆并不是一个好的选择。因此，应尽可能地减变为多副杆并不是一个好的选择。因此，
9、应尽可能地减少多副杆数量，并让强度好、刚性高的构件作为多副杆，少多副杆数量，并让强度好、刚性高的构件作为多副杆，而且最好使其作为机架，这样有利于提高机构的刚度和机而且最好使其作为机架，这样有利于提高机构的刚度和机构的运动精度，改善构件的受力。构的运动精度，改善构件的受力。对于有转动副的移动对于有转动副的移动副，转动副在移动副上的副，转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注位置也是一个应当认真注意的问题。如图所示的滑意的问题。如图所示的滑块，转动副在移动构件上块，转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。到移动副中摩擦力的大小。因此，应尽量使转动副位因
10、此，应尽量使转动副位于两移动副元素的直线上，于两移动副元素的直线上，从而可以减少移动副中摩从而可以减少移动副中摩擦，提高机构的传动效率。擦，提高机构的传动效率。图.移动副上的转动副 机械产品的动作功能总是通过机构将原动机机械产品的动作功能总是通过机构将原动机的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的条件下，尽管有这样那样类型的原动机，绝大多条件下，尽管有这样那样类型的原动机，绝大多数的机构产品仍然愿意采用运动特性好、能量转数的机构产品仍然愿意采用运动特性好、能量转换率高的换率高的笼型异步电动机。因此，能将连续转动。因此，能将连续转动转换为其他运动形式的
11、机构仍然是设计者最常采转换为其他运动形式的机构仍然是设计者最常采用的机构。掌握好这些常用机构的运动特性，熟用的机构。掌握好这些常用机构的运动特性，熟悉它们所能实现的功能，了解它们的特点，对于悉它们所能实现的功能，了解它们的特点，对于设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都是十分必要的。下表给出了原动件是转动的常用是十分必要的。下表给出了原动件是转动的常用机构功能表，可供设计者设计时选用参考。机构功能表，可供设计者设计时选用参考。表.常用机构的运动转换及功能表 机构机构类型类型执行构件执行构件的运动的运动和功能和功能连杆机构连杆机构凸轮机构凸轮机构齿轮
12、机构齿轮机构其它常用机构其它常用机构匀速运动匀速运动平行四边形机构、平行四边形机构、双转块机构双转块机构 圆柱齿轮机构、圆柱齿轮机构、周转轮系、谐周转轮系、谐波、活齿、摆波、活齿、摆线针轮传动线针轮传动带、链、挠性件带、链、挠性件传动、摩擦传动、摩擦轮机构轮机构非匀速运非匀速运动动双曲柄机构、转双曲柄机构、转动导杆机构、动导杆机构、转块机构转块机构 非圆齿轮机构非圆齿轮机构 往复运动往复运动曲柄滑块机构、曲柄滑块机构、移动导杆机移动导杆机构、楔块机构、楔块机构构移动从动杆凸轮机移动从动杆凸轮机构构齿轮齿条机构齿轮齿条机构螺旋机构、气、螺旋机构、气、液动换向液动换向往复摆动往复摆动曲柄摇杆机构、
13、曲柄摇杆机构、摆动导杆机摆动导杆机构、曲柄摇构、曲柄摇块机构块机构摆动从动杆凸轮机摆动从动杆凸轮机构构齿轮齿条机构齿轮齿条机构气、液动机构气、液动机构 从上表可以看出：满足同一运动输出形式或具有相同功能特点的机构有很多。根据专家们的经验，可以从运动性能、工作性能、动力性能、经济性和结构性能五个方面对机构进行评价。下表以连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和组合机构四种最常用的机构，采用模糊评价法就上述五个方面作出一个初步的评价。表.四种常见机构性能的初步评价表性能指性能指标标具体评价指标具体评价指标评价评价连杆机构凸轮机构齿轮机构组合机构功能功能1.运动规律形式任意性较差，只能达到有限个精确位置基本上
14、任意一般定速比转动或移动基本上可以任意2.传动精度较高较高高较高工作能工作能力力1.应用范围较广较广广较广2.可调性较好较差较差较好3.运动速度高很高很高较高4.承载能力较大较小大较大5.耐磨性耐磨差较好较好6.可靠性可靠可靠可靠可靠动力性动力性能能1.加速度峰值较大较小小较小2.噪声较小较大小较小 1、机构创新的组合原理机构创新的组合原理 机构的组合是指基本机构以不同的方式联结生成复杂机构的过程。组合的目的是改善基本机构无法实现的运动和动力要求。按技术来分，创新可分为两大类：一类是采用全新的技术，称为突破性创新；另一类是采用已有的技术进行重组，称为组合性创新。将一个基本机构与另一个或几个基本
15、机构或基本杆组按一定方式有目的地进行组合，构建成一个新机构的设计过程称为机构的组合创新。所获得的新机构称为组合机构。常用的组合方式有：常用的组合方式有：1.串联组合：串联组合：两个及两个以上基本机构顺序连接，每一个前置机构的输出为后置机构的输入，用以满足工作要求。串联式组合机构组合方式）型串联）型串联 双曲柄机构双曲柄机构 转动导杆机构、转动导杆机构、凸轮机构、凸轮机构、椭圆齿轮机构或椭圆齿轮机构或槽轮机构槽轮机构分别与槽轮机构进行串联组合，它们同样能达到改善后置槽轮机构运动和动力输出特性的目的。下图为一锉刀剁齿机构。这是一个摇杆滑块机构和凸轮机构串联组成的组合机构。该组合机构的设计有两大特点
16、：一是充分地利用凸轮机构设计的灵活性，使弹簧被逐渐压缩储存能量后，弹力势能能得到快速释放；其二是后置摇杆滑块机构的传动角大、机械增益高，在弹力的迅速作用下，对锉刀坯的冲击力大，这种冲击效果是很难由单一基本机构所能实现的。锉刀剁齿机构 用两个齿轮齿条机构串联，若驱动其中一根齿条，另一根齿条可以放大或缩小主动齿条的位移量。根据这一设想可以设计一个如图、b所示的放大行程的串联式组合机构。）齿条主动）齿轮主动 、所示是将后置级基本杆组的一个外接铰链与前置机构连杆上的点连接，利用前置机构连杆上某些点能实现特殊轨迹运动，而使后置级基本杆组的运动输出构件能作长时间停留的间歇运动。）六杆机构）行星齿轮连杆机构
17、 连杆机构为前置机构连杆机构为前置机构 左图具有增力效果。工程上一般称其为肘杆机构。右机构具有增大摆角的效果。肘杆机构 图图a，机构可实现特殊的运动规律；，机构可实现特殊的运动规律；图图b机构可改善槽轮机构的运动与动力特性机构可改善槽轮机构的运动与动力特性。实现特殊的运动规律和可改善槽轮机构的运动与动力特性的机构实现特殊的运动规律和可改善槽轮机构的运动与动力特性的机构 凸轮机构为前置机构凸轮机构为前置机构 机构为机床分度补偿机构.机床分度补偿机构机床分度补偿机构 机床分度机构 齿轮机构为前置机构齿轮机构为前置机构 实现大行程的输出的齿轮齿条机构 利用前置机构浮动杆上谋点轨迹特征串联一个杆利用前
18、置机构浮动杆上谋点轨迹特征串联一个杆组形成组合机构组形成组合机构*利用连赶上利用连赶上E点某段轨迹为直线点某段轨迹为直线，实现从动件运，实现从动件运动停歇动停歇 *利用行星轮上利用行星轮上c点的轨迹为圆弧点的轨迹为圆弧，如图419所示（当r1=r3时）该圆弧曲率半径近似为8 r3,当取r4=8 r3时，滑块在系杆2转过180度是停歇，转过其余240度时，滑块5的行程为4 r3*利用挠性构件，是从动件实现大行程。利用挠性构件，是从动件实现大行程。2.并联组合：并联组合：两个或多个基本机构并列布置，具有共同的输入或输出，或两者兼有之，主要用于实现运动的合成或分解 ）型并联）型并联）型并联 下图为下
19、图为 某型飞机上采用的某型飞机上采用的襟翼操纵机构，襟翼操纵机构，它由两个尺寸它由两个尺寸相同的齿轮齿条机构并联组合而成，两个可移动的齿条分相同的齿轮齿条机构并联组合而成，两个可移动的齿条分别用两台直移电动机驱动。创意特点是：两台电动机共同别用两台直移电动机驱动。创意特点是：两台电动机共同控制襟翼，襟翼的运动反应速度快；其次，当其中一台电控制襟翼，襟翼的运动反应速度快；其次，当其中一台电动机发生故障时，仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼，动机发生故障时，仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼，增大了操纵系统的可靠性与安全系数。增大了操纵系统的可靠性与安全系数。大多数的工业机器大多数的工业机器人和传统的
20、机床从结人和传统的机床从结构上看都是由开链机构上看都是由开链机构组成，因此，系统构组成，因此，系统的刚度低，当系统速的刚度低，当系统速度高、工件大时，这度高、工件大时，这个弱点更显突出。个弱点更显突出。年年tewart设计出图所设计出图所示空间六自由度的并示空间六自由度的并联机构的操纵臂后，联机构的操纵臂后，人们又相继创造出各人们又相继创造出各种并联操纵机构并大种并联操纵机构并大量地应用于机床、精量地应用于机床、精密仪器和机器人中密仪器和机器人中 图是瑞士新近开发的“六滑台”机床。图中三条并列的导轨上各有两个滑台，借助六个滑台的独立运动改变六条腿的参数，从而改变主轴和刀具姿态对工件进行加工。1
21、-滑台 2-杆 3-刀具主轴 4-刀具 5-工件 图是德国斯图加特大学研图是德国斯图加特大学研制的制的三条腿的机床三条腿的机床示意图。示意图。每一条腿为一套运动机构，每一条腿为一套运动机构，三套并联机构运动共同控制三套并联机构运动共同控制刀具的主轴姿态对工件进行刀具的主轴姿态对工件进行加工。这些由并联机构构成加工。这些由并联机构构成的机床刚度高；每条腿只受的机床刚度高；每条腿只受拉力或压力，不承受弯矩或拉力或压力，不承受弯矩或扭矩；移动部件质量小，动扭矩；移动部件质量小，动力特性好，结构简单；相同力特性好，结构简单；相同零件数量多，制造方便，成零件数量多，制造方便，成本低廉，使这种并联机构有本
22、低廉，使这种并联机构有着广泛的应用前景。着广泛的应用前景。图a所示为两种钉扣机的针杆传动机构。其中，左图为一个曲柄滑块机构与摆动从动杆凸轮机构并联组成：右图为将左图中的凸轮高副低代后得到的变异机构，它由一个曲柄滑块机构和摆动导杆机构并联组合而成。图b所示双棘爪机构是由两个连杆上带爪的曲柄滑块机构与棘轮并联对称布置而成。该组合机构充分利用了两个对称布置的曲柄滑块机构，当滑块为主动时，两曲柄会按相反方向运动的特点，是一个很有创意的构思。下图组合机构由摆动从动杆凸轮机构与移动从动杆凸轮机构的并联组合而成，当原动凸轮转动时，便可得到对上件的冲压动作和移动工件的送料动作。并联式组合机构的创意出发点，一类
23、是巧妙地利用机构的对称并列布置达到改善机构受力的目的。例如图a中由于采用了两个曲柄沿块机构按曲轴中心对称并联布置，机构的惯性力实现了完全平衡；图b所示活塞发动机，由于采用两个曲柄滑块机构对称并联，井在两曲柄上对称地安装了相同的惯性力平衡配重，使活塞运动时产生的一阶惯性力得到平衡，机构运动平面内的惯性力矩得到了完全平衡，从而减轻了机器的振动和噪声，气缸壁的动压力大大降低，减少了气缸壁与活塞环的磨损，提高了机器的使用寿命。结构对称结构对称 机翼操纵机构双棘爪棘轮机构 结构不对称结构不对称a、凸轮输送机构、凸轮输送机构b、双滑块输送机构、双滑块输送机构 3.复合式组合：复合式组合：一个具有两个自由度
24、的基础机构与一个辅助机构并接所组成的机构。在图中，l2h是一个自由度为2的差动齿轮机构，34为附加的以凸轮为机架的摆动从动杆凸轮机构。当以系秆h为主动件运动时，行星轮2的运动规律由沿凸轮廓线运动的摆动从动杆惟一地确定，于是太阳轮将系杆和行星轮的运动合成为一个确定的输出运动。改变凸轮廓线可获得极其多样的运动输出规律。a)凸轮行星齿轮机构 在图b所示的差动链传动机构中，运动输入给链轮5和凸轮k，链轮9为运动输出构件，链轮8和杆7构成链条长度自动补偿装置。当差动杠杆6上的滚子g在门轮上滚动时，链轮10的位置会随凸轮廓线的变化而发生改变，使链轮9得到附加转动，从而使链轮9完成复杂的运动。b)凸轮链传动
25、机构下图传动误差补偿机构传动误差补偿机构 1-蜗杆 2-涡轮 3-传动误差补偿凸轮 下图为齿轮-连杆组合机构 a）复合式及机构简图 b）i61与ad杆长的函数关系曲线 下图为齿轮连杆机构。下图为齿轮凸轮机构 4.叠加式组合机构叠加式组合机构 将某个机构安装在另一个机构的输出构件上，最综输出的运动则是若干个叠加机构的多个自由度的复合运动。圆柱坐标型工业机械手 摇头电扇（叠加后再回接）5.机构组合创新的功能机构组合创新的功能技术矩阵法技术矩阵法 基本运动功能符号及部分目录解法基本运动功能符号及部分目录解法 a）基本运动功能符号基本运动功能符号 b)解法目录解法目录 基本运动功能组合图锻压机组合机构方案 机构组合创新的主要功能：机构组合创新的主要功能：可使执行构件实现增程、增速、增力；可改善执行构件的运动和动力特性；可使执行构件实现特定的运动规律；可实现运动的合成与分解；可实现多自由度的复合运动。
