機構的選型和組合應用

1、第八章 機構的選型和組合應用基本要求 :1. 了解機構選型的基本知識；2. 了解運動循環(huán)圖和組合機構應用的基本概念；3. 了解機構的組合方式和所得相應組合機構的類型、分析及設計方法4. 了解組合機構分析和設計的基本思路。教學內(nèi)容 :1 研究機構選型和組合應用的目的和內(nèi)容2 機構的組合方式和相應組合機構的分析與設計3 機構的選型4 機器執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)設計和運動循環(huán)圖重點難點 :本章重點是機器執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)設計和運動循環(huán)圖。機構的組合是發(fā)展新機構的重要 途徑之一。 學習的難點在于掌握機構組合的方式和特點， 以及組合機構的基本原理和設計思 路，以便在進行機械系統(tǒng)方案設計時， 能夠根據(jù)機械工藝動作的不

2、同特點， 選擇不同類型的 組合機構或利用適當?shù)慕M合方式創(chuàng)造新機構。81 研究機構選型和組合應用的目的和內(nèi)容一、研究的目的由于生產(chǎn)對各種機器的要求千變?nèi)f化，工作原理各殊，因而其工藝過程所需的動作往 往不只一個，不是單獨一個機構所能實現(xiàn)的，而必須應用幾個機構適當組合起來才能完成。由于能夠變化轉(zhuǎn)速大小的傳動機構和能夠轉(zhuǎn)換輸入件與輸出件所需運動型式的執(zhí)行機構往往有很多種，他們各有優(yōu)缺點，故應當按照實際情況選用其中最好的一種。因此，設計機器時，便會遇到機構的選型和組合應用問題。二、機構選型和組合應用的內(nèi)容機器整機設計的內(nèi)容和步驟是：1. 根據(jù)生產(chǎn)任務擬定機器的工作原理，再進行工藝動作分析，定出其運動方案

3、，從而便確定了所需的執(zhí)行構件的數(shù)目和運動。2. 合理選擇能夠?qū)崿F(xiàn)各執(zhí)行構件所需運動的機構。3. 根據(jù)工藝過程各個動作的要求，編制機器的運動循環(huán)圖來確定各執(zhí)行構件動作的協(xié)調(diào)關系。及結構設計計算，繪制裝配圖和零件工作圖。4. 進行整體布置，完成各個機構的運動設計和動力設計，繪制組合起來的機構系統(tǒng)的運動簡圖。5. 進行零、部件的動力計算、強度設計§8- 2機構的組合方式和組合機構的分析與設計在工程實際中，對于比較復雜的運動變換，單一的基本機構往往由于其本身所固有的局限性而無法滿足多方面的要求。由此，人們把若干種基本機構用一定方式連接起來成為組合機構，以便得到單個基本機構所不能有的運動性能。

4、機構的組合是發(fā)展新機構的重要途徑之一。組合機構由串聯(lián)方式組合所形成的機構系統(tǒng)，其分析和綜合的方法均比較簡單。組合機構的定義：指的是用一種機構去約束和影響另一個多自由度機構所形成的封閉式機構系統(tǒng)，或者是由幾種基本機構有機聯(lián)系、互相協(xié)調(diào)和配合所組成的機構系統(tǒng)。在組合機構中：自由度大于i的差動機構稱為組合機構的基礎機構；自由度為i的基本機構稱為組合機構的附加機構。應用：多用于來實現(xiàn)一些特殊的運動軌跡或獲得特殊的運動規(guī)律，廣泛地應用于紡織、印刷和輕工業(yè)等生產(chǎn)部門。機構的組合方式有多種。 在機構組合系統(tǒng)中，單個的基本機構稱為組合系統(tǒng)的子機構。 常見的機構組合方式主要有以下幾種。一、串聯(lián)式組合在機構組合系

5、統(tǒng)中，若前一級子機構的輸出構件即為后一級子機構的輸入構件，則這 種組合方式稱為串聯(lián)式組合。如圖（a）所示的機構就是這種組合方式的一個例子，可用圖（b）所示的框圖來表示。堅韋機構1 J子機構2聲(b)、并聯(lián)式組合在機構組合系統(tǒng)中，若幾個子機構共用同一個輸入構件，而它們的輸出運動又同時輸入給一個多自由度的子機構， 從而形成一個自由度為 1的機構系統(tǒng)，則這種組合方式稱為并 聯(lián)式組合。圖示的雙色膠版印刷機中的接紙機構就是這種組合方式的一個實例，并可用圖示框圖表示。左圖所示的雙色膠版印刷機中的接紙機構就是這種組合方式的一個實例。圖中，凸輪1，1'為一個構件，當其轉(zhuǎn)動時，同時帶動四桿機構 ABCD

6、 （子機構1） 和四桿機構 GHKM （子機構2 ）運動，而這兩個四桿機構的輸出運動又同時傳給五桿機構DEFNM （子機構3），從而使其連桿 9上的P點描繪出一條工作所要求的運動軌跡。 右圖所示為這種組合方式的框圖。三、反饋式組合在機構組合系統(tǒng)中，若其多自由度子機構的一個輸入運動是通過單自由度子機構從該多自由度子機構的輸出構件回授的，則這種組合方式稱為反饋式組合。圖示的精密滾齒機中的分度校正機構就是這種組合方式的一個實例。上圖所示的精密滾齒機中的分度校正機構就是這種組合方式的一個實例。圖中，蝸桿1除了可繞本身的軸線轉(zhuǎn)動外，還可以沿軸線移動，它和蝸輪2組成一個自由度為 2的蝸桿蝸輪機構（子機構1

7、 ）;凸輪2 '和推桿3組成自由度為 1的移動滾子從動件盤形凸 輪機構（子機構2 ）。其中，蝸桿1為主動件，凸輪2 '和蝸輪2為一構件。蝸桿1的 一個輸入運動（沿軸線方向的移動）就是通過凸輪機構從蝸輪2回授的。四、復合式組合機構組合系統(tǒng)中，若由一個或幾個串聯(lián)的基本機構去封閉一個具有兩個或多個自由度的基 本機構，則這種組合方式稱為復合式組合。圖示的凸輪-連桿組合機構就是這種組 合方式的一個實例。 在這種組合方式中， 各基 本機構有機連接，互相依存，它與串聯(lián)式組合 和并聯(lián)式組合既具有共同之處，又有不同之 處。上圖所示的凸輪一連桿機構，就是這種組合方式的一個例子。圖中，構件1， 4，

8、的五桿機構（子機構2 ）。當構件1為主動件時,C點的運動是構件 1和構件4運動的合成。與串聯(lián)式組合相比，其相同之處在于子機構1和子機構2的組成關系也是 串聯(lián)5組成自由度為1的凸輪機構（子機構1）， 構件1，2，3，4，5組成自由度為 2I的輸出運動；與并聯(lián)式組合相關系，不同的是， 子機構2輸入運動并不完全是子機構 比，其相同之處在于 C點的輸出運動也是兩個輸入運動的合成，不同的是，這兩個輸入運 動一個來自子機構 1 ,而另一個來自主動件。凸輪-連桿組合機構組合機構的類型多種多樣，在此著重介紹幾種常用組合機構的特點和功能。凸輪-連桿組合機構多是由自由度為 2的連桿機構（作為基礎機構）和自由度為

9、1的凸輪機構（作為附加機構）組合而成。利用這類組合機構可以比較容易地準確實現(xiàn) 從動件的多種復雜的運動軌跡或運動規(guī)律，因此在工程實際中得到廣泛應用。? 實現(xiàn)復雜運動軌跡的凸輪-連桿組合機構圖示為平板印刷機上的吸紙機構的簡圖。該機構由自由度為 2的五桿機構和兩個自由度為1的擺動從動件凸輪機構所組成。? 實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的凸輪-連桿組合機構圖示為一種結構簡單的能實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的凸輪-連桿組合機構。其基礎機構為自由度為2的五桿機構（由構件 1，2，3，4，5組成），其附加機構為槽凸輪機構。 只要適當?shù)卦O計凸輪的輪廓曲線，就能使從動滑塊3按照預定的復雜規(guī)律運動。從例子可看出：將凸輪機構和連桿機構適當加

10、以組合而形成的凸輪-連桿組合機構，既發(fā)揮了兩種基本機構的特長，又克服了它們各自的局限性。這是凸輪-連桿組合機構在工程實際中得到日益廣泛應用的原因之一。齒輪-連桿組合機構輪-連桿組合機構是由定傳動比的齒輪機構和變傳動比的連桿機構組合而成。近年來，這類組合機構在工程實際中應用日漸廣泛，這不僅是由于其運動特性多種多樣，還因為組成它的齒輪和連桿便于加工、精度易保證和運轉(zhuǎn)可靠。? 實現(xiàn)復雜運動軌跡的齒輪-連桿組合機構這類組合機構多是由自由度為 2的連桿機構作為基礎機構，自由度為1的齒輪機構作為附加機構組合而成。利用這類組合機構的連桿曲線，可方便地實現(xiàn)工作要求的預定軌跡。該機構是由定軸輪系 1，4，5和自

11、由度為2的五桿機構組成1，2，3，4，5經(jīng)復合式 組合而成。當改變兩輪的傳動比、相對相位角和各桿長度時，連桿上M點即可描繪出不同的軌跡。實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的齒輪-連桿組合機構這類組合機構多是以自由度為2的差動輪系為基礎機構，以自由度為1的連桿機 構為附加機構組合而成的。其中最具特色的 是用曲柄搖桿機構來封閉自由度為2的差動輪系而形成的齒輪-連桿組合機構。圖示為這 類組合機構的幾種基本型式。圖(a)為兩輪式齒輪-連桿組合機構。§8 3機構的選型所謂機構的選型，是利用發(fā)散思維的方法，將前人創(chuàng)造發(fā)明的各種機構按照運動特性或 動作功能進行分類，然后根據(jù)設計對象中執(zhí)行構件所需要的運動特性或動作功

12、能進行搜索、 選擇、比較和評價，選出執(zhí)行機構的合適形式。機構選型的方法：1. 按照執(zhí)行構件所需的運動特性進行機構選型一一這種方法是從具有相同運動特性的 機構中，按照執(zhí)行構件所需的運動特性進行搜尋。當有多種機構均可滿足所需要求時，則可 根據(jù)上節(jié)所述原則，對初選的機構形式進行分析和比較，從中選擇出較優(yōu)的機構。表常見運動特性及其對應機構連續(xù)轉(zhuǎn)動定傳動比勻 速平行四桿機構、雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構、齒輪機構、輪系、諧波 傳動機構、擺線針輪機構、摩擦輪傳動機構、撓性傳動機構 等變傳動比勻 速軸向滑移圓柱齒輪機構、 混合輪系變速機構、摩擦傳動機構、 行星無級變速機構、撓性無級變速機構等非勻速雙曲柄機構、轉(zhuǎn)動導桿機

13、構、單萬向連軸節(jié)機構、非圓齒輪 機構、某些組合機構等往復運 動往復移動曲柄滑塊機構、移動導桿機構、正弦機構、移動從動件凸輪 機構、齒輪齒條機構、楔塊機構、螺旋機構、氣動、液壓機 構等往復擺動曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、擺動導桿機構、曲柄搖塊機構、 空間連桿機構、擺動從動件凸輪機構、某些組合機構等間歇運 動間歇轉(zhuǎn)動棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構、凸輪式間歇運動機 構、某些組合機構等間歇擺動特殊形式的連桿機構、擺動從動件凸輪機構、齒輪-連桿組合機構、利用連桿曲線圓弧段或直線段組成的多桿機構等間歇移動棘齒條機構、摩擦傳動機構、從動件作間歇往復運動的凸輪 機構、反凸輪機構、氣動、液壓機構、移動桿有停

14、歇的斜面 機構等預定軌跡直線軌跡連桿近似直線機構、八桿精確直線機構、某些組合機構等曲線軌跡利用連桿曲線實現(xiàn)預定軌跡的多桿機構、凸輪-連桿組合機構、行星輪系與連桿組合機構等特殊運動 要求換向雙向式棘輪機構、定軸輪系（二星輪換向機構）等超越齒式棘輪機構、摩擦式棘輪機構等過載保護帶傳動機構、摩擦傳動機構等利用這種方法進行機構選型，方便、直觀。設計者只需根據(jù)給定工藝動作的運動特性,從有關手冊中查閱相應的機構即可，故使用普遍。2.按照動作功能分解與組合原理進行機構選型任何一個復雜的執(zhí)行機構都可以認為是由一些基本機構組成的,這些基本機構具有下圖所示的進行運動變換和傳遞動力的基本功能。匱動形式變換JJi i

15、lAKi_-W. - -Jua iSI jh交替變懐運動軸線吏向運酊敢大位移或廈度）袤示符號基本功能J:：T*在根據(jù)生產(chǎn)工藝和使用要求進行執(zhí)行機構設計時，可首先認真研究它需實現(xiàn)的總體功能。一般情況下，總體功能可以分解成若干分功能。這樣的分解可用下式表達：U=(Ui)i = 1,2,m即總體功能U是由若干個分功能 Ui組成的。而每一個分功能又可以用不同的機構來實現(xiàn)，即下=（如血戒）j = 1,2,n式中，Tj為能夠完成該分功能的機構的集合； 為對應于一個能完成分功能 U 的機構；n為能實現(xiàn)該分功能的機構數(shù)目。若用 U定義行，T定義列，竹為元素構成矩 陣，則可得如下的功能-技術矩陣：由于能夠?qū)崿F(xiàn)各

16、分功能的機構數(shù)目并不相等，因此，通常將能實現(xiàn)某一分功能的最多機構數(shù)定為 n少于n的分功能的元素項t j用零表示。由于總體功能是由若干個分功能組成的，因此，只要在矩陣的每一行任找一個元素，把各行中找出的機構組合起來，就組成一個能實現(xiàn)總體功能的方案。故在確定了各分功能順序的前提下方案總數(shù)為得到各種方案后，先剔除一些明顯不成立的、篩選出一些較合理的方案， 以供進一步評價。具有廣闊前景。不符合要求的方案，然后按照上節(jié)所述的原則，這種方法有利于利用計算機存儲、分析和選擇,執(zhí)行構件的運動形式1、旋轉(zhuǎn)運動：連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，間歇旋轉(zhuǎn)運動，往復擺動。2、直線運動：往復移動，間歇往復移動，單向間歇直線移動。3、曲線

17、運動：執(zhí)行構件上某一點作特定的曲線（軌跡）運動。4、剛體導引運動：一般指非連架桿的執(zhí)行構件的剛體導引運動。5、 特殊功能運動：如微動、補償、換向等。1、 機構選型的基本要求1、滿足工藝動作及其運動規(guī)律的要求。高副機構、低副機構、注意約束在機構中的作用、適當設置調(diào)整環(huán)節(jié)。2、機構的運動鏈要短 。3、機構的傳力性能要好。傳動角（壓力角）、防止自鎖、慣性力平衡。4、動力源的選擇應有利于簡化機構和改善運動質(zhì)量、內(nèi)燃機、液壓馬電機（交流電機、直流電機、伺服電機、步進電機、交流變頻電機）達、氣動馬達。三、能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行機構所需運動的機構1. 定速比轉(zhuǎn)動變換機構2. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為往復移動或擺動機構3. 連續(xù)

18、轉(zhuǎn)動變換為周期變速轉(zhuǎn)動機構4. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為步進運動機構5. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為軌跡運動機構6. 運動的合成與分解機構§84 執(zhí)行機構的協(xié)調(diào)設計和運動循環(huán)圖一、執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計的原則 當根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定了機械的工作原理和各執(zhí)行機構的運動規(guī)律、 并確定了各 執(zhí)行機構的型式及驅(qū)動方式后， 還必須將各執(zhí)行機構統(tǒng)一于一個整體， 形成一個完整的 執(zhí)行系統(tǒng)， 使這些機構以一定的次序協(xié)調(diào)工作， 互相配合， 以完成機械預定的功能和生 產(chǎn)過程。這方面的工作稱為執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設計。執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計的原則 滿足各執(zhí)行機構動作先后的順序性要求 執(zhí)行系統(tǒng)中各執(zhí)行機構的動作過程和先后順序，必須符合工藝過程所提

19、出的要求， 以確保系統(tǒng)中各執(zhí)行機構最終完成的動作及物質(zhì)、能量、 信息傳遞的總體效果能滿足設計要求。滿足各執(zhí)行機構動作在時間上的同步性要求 為了保證各執(zhí)行機構的動作不僅能夠以一定的先后順序進行， 而且整個系統(tǒng)能夠周 而復始地循環(huán)協(xié)調(diào)工作， 必須使各執(zhí)行機構的運動循環(huán)時間間隔相同， 或按工藝要求成 一定的倍數(shù)關系。滿足各執(zhí)行機構在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求 各執(zhí)行機構的空間位置應協(xié)調(diào)一致， 對于有位置制約的執(zhí)行系統(tǒng)， 必須進行各執(zhí)行機構在空間位置上的協(xié)調(diào)設計， 以保證在運動過程中各執(zhí)行機構間及機構與環(huán)境間不發(fā)生干涉。滿足各執(zhí)行機構操作上的協(xié)同性要求 當兩個或兩個以上的執(zhí)行機構同時作用于同一對象完成同一

20、執(zhí)行動作時， 各執(zhí)行機 構之間的運動必須協(xié)調(diào)一致。各執(zhí)行機構的動作安排要有利于提高勞動生產(chǎn)率 為了提高生產(chǎn)率，應盡量縮短執(zhí)行系統(tǒng)的工作循環(huán)周期。通常有兩種辦法，一是 盡量縮短各執(zhí)行機構工作行程和空回行程的時間；二是在前一個執(zhí)行機構回程結束之 前，后一個即開始工作行程， 即在不產(chǎn)生干涉的前提下， 充分利用兩個執(zhí)行機構的空間 裕量。各執(zhí)行機構的布置要有利于系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)和效率的提高 當系統(tǒng)中包含多個低速大功率執(zhí)行機構時，宜采用多個運動鏈并行的聯(lián)接方式； 當系統(tǒng)中有幾個功率不大，效率均很高的執(zhí)行機構時，采用串聯(lián)方式比較適宜。二、執(zhí)行機構運動協(xié)調(diào)設計執(zhí)行機構的布局：1、執(zhí)行構件的布置特別要考慮到控制此

21、執(zhí)行構件運動的執(zhí)行機構的安裝是否方便2、執(zhí)行機構的布置1）與執(zhí)行構件的聯(lián)接是否方便；2）執(zhí)行機構原動件布置的位置是否恰當；6. 盡可能接近執(zhí)行構件；7. 使各執(zhí)行機構原動件盡可能集中布置在一根軸或少數(shù)幾根軸上；8. 各原動件應保持等速或定速比。三、 執(zhí)行機構運動協(xié)調(diào)設計應滿足的要求1、保證各執(zhí)行機構動作的順序性；2、各執(zhí)行構件的動作在時間上同步；3、保證空間的同步性；4、保證系統(tǒng)各執(zhí)行構件對操作對象的操作具有單一性或協(xié)同性；5、二執(zhí)行構件的動作之間應保持時間上的間隔，以避免動作銜接處發(fā)生干涉；四、執(zhí)行機構運動協(xié)調(diào)設計的分析計算1、各執(zhí)行機構運動循環(huán)時間同步化計算1）確定最大工作循環(huán)周期 Tmax ；2）確定機械最小工作循環(huán)周期 Tmin ;3） 確定合理的機構系統(tǒng)的工作循環(huán)周期T ；4）確定各機構分配軸的轉(zhuǎn)速和工作行程的起始角。2、各執(zhí)行機構運動循環(huán)空間同步化計算合理確定各執(zhí)行機構的運動錯位角，避免空間上的干涉。五、機械運動循環(huán)圖用來描述各執(zhí)行構件運動間相互協(xié)調(diào)配合的圖稱為機械的運動循環(huán)圖。由于機械在主軸或分配軸轉(zhuǎn)動一周或若干周內(nèi)完成一個運動循環(huán)，故運動循環(huán)圖常以 主軸或分配軸的轉(zhuǎn)角為坐標來編制。 通常選取機械中某一主要的執(zhí)行構件為參考件， 取