機構創(chuàng)新實例－機械系統(tǒng)創(chuàng)新實例課件

第八章機構創(chuàng)新實例

第一節(jié)活齒減速帶輪機構1、概述帶傳動和行星傳動是機械傳動的基礎傳動元件，它們的傳動性能不同：帶傳動結構簡單、傳動平穩(wěn)、造價低廉、不需潤滑、能緩和沖擊和過載打滑、噪聲??；行星傳動結構緊湊、傳動比大、傳動效率高、承載能力強。將帶傳動和行星傳動組合起來，在不增加帶輪外廓尺寸的條件下，研制出具有兩種傳動綜合優(yōu)良性能的行星減速帶輪，是開發(fā)高性能傳動元件的重要課題。2.原始機構選擇⑴行星傳動的選擇－外激波擺動活齒傳動。

①組成結構及傳動原理如圖7－1所示為外激波擺動活齒傳動的結構模型和傳動原理圖。外激波擺動活齒傳動是由三部分組成：外激波器H由內(nèi)輪廓偏心套和轉臂滾針軸承組成；活齒輪G是由活齒架和一組擺動活齒組成，相當于內(nèi)齒行星輪，活齒架為具有等分駐齒槽的筒狀構件，與機架固聯(lián)或與輸出軸固聯(lián)；中心輪K為外齒輪，齒形為擺動活齒幾何中心運動軌跡的內(nèi)等距線，與輸出軸固聯(lián)或與機架固聯(lián)。

圖7－1外激波擺動活齒傳動的結構模型和傳動原理圖②傳動比計算。③外齒中心輪的齒形綜合。④外激波擺動活齒傳動的優(yōu)缺點。

第二節(jié)同軌跡連桿機構

同軌跡四連桿機構是指自由度F相同、輸入構件的運動規(guī)律相同、輸出構件上的一點軌跡相同的一組連桿機構，但這組連桿機構的運動學尺寸不同，所以其受力狀態(tài)、動態(tài)性能有巨大差異。因而，同軌跡連桿機構的形成方法是機構創(chuàng)新設計的重要方法之一。形成同軌跡連桿機構的羅伯特－契貝謝夫定理是由美國數(shù)學家薩姆爾·羅伯特于1875年和俄國學者契貝謝夫于1878年分別發(fā)現(xiàn)的，因此稱為“羅伯特－契貝謝夫定理”。該定理的內(nèi)容是：由一個四桿鉸鏈機構發(fā)生的一條連桿曲線，還可以由另外兩個四桿鉸鏈機構發(fā)生出來?；虮硎鰹橥贿B桿曲線，可以用三個不同的機構來實現(xiàn)。1.連桿點K位于連桿兩鉸鏈連線上的同跡連桿機構

圖形縮放原理如下圖7－2a所示為一平行四邊形機構，由平行四邊形OBKD與機架在O點鉸接而成。A點為BK桿延長線上的一點。連接AO得交點C。當A點沿任意給定軌跡運動時，C點將給出與A點相似但縮小了的軌跡。⑴AO除以CO與AB除以KB的值是相等的為常數(shù)m（射線定理）。⑵當此四邊形作為一剛體繞O轉動一角度時，A點轉到A'，按射線定理有AA'與CC'的比值與AO與CO的比例等于常數(shù)m。A點的一切運動都是這兩部分運動的合成。因此C點的運動是以縮小的比例模擬A點的運動，反之亦然。第一個同跡連桿機構設計如圖7－2b所示，在原始機構上作平行四邊形導引機構BODK。曲柄C0CDO為所示的第一個同跡連桿機構，K為連桿CD延長線上的點。所示曲柄拉搖桿機構的尺寸，如圖中下面的公式。第二個同跡連桿機構設計如圖7－2c所示，在原始機構上作平行四邊形導引機構A0AKE。雙搖桿機構A0EFCO為所求的第二個同跡連桿機構。第三個同跡連桿機構設計如圖7－2d所示，CO是兩具同跡連桿機構中共同的新機架的固定鉸鏈點，機架的三個固定鉸鏈點A0與O，A0與CO，O與CO。圖7－3

圖7－4的左上圖就不能用A·凱萊作圖法，因為三個連桿機構壓縮成一條直線。把O1ABO2作為一個原始機構，為了找到連桿AB延長線上K點的同軌跡機構，在機架O1O2的延長線上作O3，使O1O2：O2O3＝AB：BK，然后，依次作三個平行四邊形。于是得到了同跡四桿機構O2O3B2C2，C2B2延長線上點K與原始機構中的K點軌跡相同。

圖7－4的左上的a、b兩圖是描繪同一連桿曲線的四桿機構和六桿機構。還可求出另兩個同跡六桿機構，如圖7－4的下面兩圖。圖7－4第三節(jié)新型內(nèi)燃機的開發(fā)1.往復式內(nèi)燃機的技術矛盾：工作機構及氣閥控制機構組成復雜，零件多。曲軸等零件結構復雜、工藝性差。機構運動慣性力大，因此增大軸承慣性載荷，使系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生振動，也限制了輸出軸轉速的提高。曲軸回轉兩周才又一次動力輸出，效率低。往復式內(nèi)燃機進氣閥排氣閥汽缸活塞連桿曲軸2.無曲軸式活塞發(fā)動機結構創(chuàng)新：利用機構等效代換原理。以反凸輪機構代還原發(fā)動機的曲柄滑塊機構。使零件減少，結構簡單，成本降低。運動原理：活塞往復運動，由推桿端部的滑塊在凸輪槽中滑動致使凸輪轉動，再經(jīng)輸出軸輸出轉矩。性能特點：系統(tǒng)中不需要飛輪，轉動平穩(wěn)；通過改變凸輪輪廓形狀可以改變輸出軸轉速，達到減速增矩的目的。應用：重型機械、船舶、建筑機械等。3.旋轉式內(nèi)燃發(fā)動機

（直接將燃料的動力轉化為回轉運動輸出）組成情況：橢圓形汽缸，三角形轉子（轉子的內(nèi)孔上有齒），外齒輪，吸氣口，排氣口，火花塞。工作原理：吸氣、壓縮、燃爆、排氣。隨著這四個物理功能致使三角形轉子與橢圓汽缸之間的空腔體積發(fā)生變化，則轉子進行轉動。性能特點：結構簡單，零件數(shù)量比往復發(fā)動機少40%，體積減少50%，重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上產(chǎn)生振紋的問題。其原因是與密封片的材料與形狀有關。運動設計：三角轉子相當于行星內(nèi)齒輪2，系桿H是發(fā)動機的輸出軸，1為中心輪，并且：z2/z1=1.5,則：nH/n2=3。見下頁圖。吸氣壓縮燃爆排氣21第四節(jié)聯(lián)軸器的創(chuàng)新設計1.聯(lián)軸器的分類根據(jù)聯(lián)軸器是否補償兩軸位移的偏移，是否具有彈性元件，可作圖7－9所示的分類。下面通過對機床行業(yè)對聯(lián)軸器的需求情況和發(fā)展趨勢的分析，僅對可移式聯(lián)軸器進行開發(fā)創(chuàng)新設計。從系統(tǒng)結構及對現(xiàn)有可移式聯(lián)軸器進行抽象分析，可知聯(lián)軸器總功能為聯(lián)接兩軸并傳遞扭矩T及轉速n；分功能為聯(lián)接功能、傳遞功能、補償調節(jié)功能、潤滑密封功能、吸震緩沖功能、維修再生功能等。2.創(chuàng)新構思⑴工作原理的創(chuàng)新構思利用機械設計方法學基本原理將聯(lián)軸器的主要分功能作為可變元素，運用各種創(chuàng)造技法對可變元素進行變化，列出形態(tài)矩陣表，從表中組合，獲得新方案。確定元素為：A－聯(lián)接功能；B－傳遞功能；C－補償調節(jié)功能，運用智力激勵法、相似類比法等創(chuàng)造技法，對可變元素進行變化，分析如下：①實現(xiàn)聯(lián)接的作用效應有形聯(lián)接、力聯(lián)接、化學分子聯(lián)接等。聯(lián)接性質：剛性、彈性。②實現(xiàn)傳遞功能。作用效應有：摩擦效應、嚙合效應、磁效應、粘附效應等。措施有：齒輪傳動、帶傳動、摩擦輪傳動、鏈傳動、液壓傳動、蝸桿傳動等。③實現(xiàn)補償調節(jié)功能。作用效應：構件相對運動、構件變形等。措施：增加元件的活動度，加入中間元件、增加彈性元件等⑵結構創(chuàng)新構思

將結構中完成主要功能的主要零件的主要表面（功能面）進行變型，功能面變形的主要參數(shù)是形狀、大小、位置、順序、材料。聯(lián)軸器的主要功能面是左、右聯(lián)軸器和中間元件的配合面。變化可變元素，將工作原理和結構中的可變元素的變化列成形態(tài)矩陣表，見圖7－10及圖7－11上圖。⑶新型聯(lián)軸器構思

理論上從圖7－10中組合構思，可獲得多種聯(lián)軸器方案。其中有多種是可行的方案，包括現(xiàn)有的聯(lián)軸器方案和具有創(chuàng)新原理結構的聯(lián)軸器方案，舉例說明如圖7－11下圖所示的一款新結構的聯(lián)軸器，還有圖7－12所示的上、下兩款不同的新款結構的聯(lián)軸器。圖7－10圖7－12第五節(jié)過載保護裝置的機械結構設計1.偏心輪連桿機構

圖7－13所示的偏心輪連桿機構。主動輪1通過偏心輪2驅動連桿頭3。連桿4將運動傳遞給搖臂5，從而驅動從動軸6。要求設計一個功能可靠、制造方便的過載保護裝置，它可使得當從動軸過載時，連桿機構的運動和力的傳遞中斷，但主動軸仍可繼續(xù)運轉。此外，要求過載中斷以后，該裝置容易恢復到先前狀態(tài)。過載精度為±3%，主動軸轉速50r/min，轉矩400N·m，生產(chǎn)批量2臺。

以可靠的功能，方便裝配、調節(jié)，較少的磨損和較低的噪聲等為評判標準，從上述8個可能性方案中優(yōu)選出圖7－14d、f、h所示3種較好的結構方案。以此3種方案作為基本結構，運用變元法，對每個基本結構再作變化，又可得到8種結構設計新方案（如圖7－15）。上述過載保護裝置的16種結構方案從物理原理的角度看，不外乎是變形和摩擦兩種，絕大部分的差異僅僅是結構細節(jié)上的差異。圖7－15c（上）在16個方案中是最佳結構設計，但通過變元法，仍可繼續(xù)改進，如圖7－15下a-e五個結構。圖7－15第九章機械系統(tǒng)創(chuàng)新實例9.1機器人的研制9.2自行車的演變與發(fā)展9.1機器人的研制

1.機器人簡介機器人是20世紀中后期發(fā)展起來的一個跨學科的高科技產(chǎn)品，它涉及到機構運動學、動力學、傳感、控制、驅動、材料、人工智能等多門學科，已形成機器人工程這一專門研究領域。機器人的“成長”過程就是計算機、傳感器、和各種機構等系統(tǒng)的創(chuàng)造、改進與綜合配置的過程。（1）機器人的“大腦”機器人的“大腦”就是計算機，或稱電腦?，F(xiàn)在廣為使用的電腦屬于具有邏輯思維能力的計算機，也就是說目前機器人的大腦僅具有邏輯思維能力。但現(xiàn)在關于形象思維能力的計算機研制已經(jīng)有所突破，即被稱為神經(jīng)計算機。若機器人采用了具有邏輯思維和形象思維的兩種計算機，其大腦就會像人一樣產(chǎn)生靈感、直覺和感情，就會成為高級智能機器人。（2）機器人的手臂和手機器人的手和手臂是機器人最早發(fā)展部位。它雖然沒有人手靈活，但發(fā)展趨勢其功能卻會超過人手。因其手指可以設計成任意指數(shù)；其手臂可以設計成任意長度或節(jié)數(shù)；握力和臂力也可以根據(jù)實際要求進行設計；觸覺與靈巧性也在不斷提高?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出三指九關節(jié)靈巧手，它可完成復雜、精密的裝配，進行細微的操作。（3）機器人的行走機器人的行走方式有輪式、履帶式和步行式。前兩種適合較好路面，而后一種適合較差路面。為適應各種情況，可采用幾種方式并行。機器人雖處于學步階段，但已顯示出超越人的行走能力的特征。它可以在垂直平面上，天花板上行走。當然這種在壁面上行走要具備吸附功能與移動功能，目前吸附多采用真空吸附與電磁吸附。我國哈爾濱科技大學研制了一種永磁吸附輪、履帶復合式移動機構。（4）機器人的眼睛研究機器人的眼睛有兩種方法：用攝像機輸入圖像，然后用計算機軟件進行圖像識別與分析；建立模擬生物眼系統(tǒng)，這是與神經(jīng)計算機相配合的視覺系統(tǒng)。硅視網(wǎng)膜是新型機器眼，硅視網(wǎng)膜由一系列光學傳感器組成，每個傳感器覆蓋一小部分圖像區(qū)，其功能與人眼的功能十分相似。（5）機器人的鼻子嗅覺研究難度較大，，因它不僅與探測的化學組成有關，還與環(huán)境有關，而環(huán)境是隨時變化的。但近幾年已有所突破，現(xiàn)在開發(fā)的鼻子是依靠以電子芯片為基礎的大量聚合物來鑒別各種氣味，并給出數(shù)字顯示的結果。它對每種氣味都會產(chǎn)生獨特的“鑒別圖譜”，并以此作為判別各種氣味的依據(jù)，而不必分析其化學成分。2.工業(yè)機器人概述（1）工業(yè)機器人的組成（2）工業(yè)機器人的結構特點（3）工業(yè)機器人的基本參數(shù)及其特性（4）工業(yè)機器人的坐標形式（5）工業(yè)機器人關節(jié)（6）工業(yè)機器人傳動元件（1）工業(yè)機器人的組成機械系統(tǒng)驅動系統(tǒng)控制系統(tǒng)腰部肩部肘部腕部基座末端機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)又稱為操作系統(tǒng)，是工業(yè)機器人的執(zhí)行機構?？煞譃榛?、腰部、臂部、腕部、和手部（末端）。分析時可簡化為連桿與關節(jié)。末端即手部是直接參加工作部分，可以使用各種夾持器，也可以用各種工具，如焊槍、噴頭等。工作不僅要求末端達到指定的位置，還要求具有正確的方向控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由計算機組成，一般分為兩個部分：一部分是控制計算機，他在系統(tǒng)軟件的支持下，實現(xiàn)對應用軟件的編譯，相鄰基點的差補運算，各點的運動學動力學綜合，對操作及作業(yè)對象的信息采集處理，以及對整個系統(tǒng)的故障檢測診斷和預報。另一部分是伺服控制器，他接受位移、速度及驅動的指令，實現(xiàn)對臂桿的加速和閉環(huán)伺服控制。驅動系統(tǒng)包括驅動器和傳動系統(tǒng)：驅動器：電機驅動（直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機）；液壓氣動驅動。傳動系統(tǒng)：機器人對傳動系統(tǒng)要求具有結構緊湊，體積小，質量輕，無間隙，反應快的特點。傳動機構種類很多，安性能可分為：固定速比式和無極變速式；按運動方式可分為：回轉——回轉，回轉——直線，直線——回轉，直線——直線?，F(xiàn)代機器人除以上三大部分外，還應包括智能系統(tǒng)，它由感知和決策兩部分組成。前者主要是傳感器組，后者靠運行軟件實現(xiàn)。

（2）工業(yè)機器人的結構特點

（工業(yè)機器人的操作機可以簡化為開式連桿機構）操作機的結構剛度差。因為連桿系末端是無法加以支承的，并且隨連桿系在空間位姿的變化而變化。操作機的運動靈活。因為每個連桿都具有獨立的驅動器，各連桿之間的運動各自獨立，互不約束。對傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度要求高。因為連桿的控制屬于伺服控制型，連桿驅動轉矩的瞬態(tài)過程的變化是非常復雜的，并且與執(zhí)行件反饋信號有關。極容易發(fā)生振動與不穩(wěn)定現(xiàn)象。因為連桿的受力狀態(tài)、剛度條件、和動態(tài)性能都隨位姿的變化而變化。機器人性能良好的體現(xiàn)（抓重/自重）盡量大。人類：手臂質量為4~9kg，抓重為15~25kg，則（抓重/自重）=3~4。但機器人：（抓重/自重）=1/20結構靜態(tài)剛度盡可能好。有利于提高末端的定位精度，對編程軌跡的跟蹤精度，降低對控制系統(tǒng)的要求與造價等。盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。其目的在于避開機器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（3）工業(yè)機器人的基本參數(shù)及其特性工作空間:指機器人臂桿特定部位在一定條件下所能達到空間位置的集合。自由度：F=∑fi（式中fi為每個關節(jié)的自由度，末端自由度不計）一般工業(yè)用機器人具有4至6個自由度。當自由度增加到超過末端定位需要時，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了工作的靈活性，但也增加了編成的難度，并使機器的結構剛度與運動精度下降。（下頁圖例）具有冗余自由度的操作機構的應用有效負載：指操作機在工作時臂端可能搬運物體的重量或所能承受的力及轉矩。機器人的有效負載除受到驅動功率的限制外，還受到材料、環(huán)境、運動參數(shù)（如速度、加速度及其方向）的限制。如下頁圖示的加拿大手臂，用于航天飛機上的機器人，額定搬運質量為14500kg，在運動速度較低情況下能達到29500kg。然而，這種負荷能力只有在太空中失重條件下才有可能達到。在地球上，該手臂本身重量達410kg，連自重引起的臂桿變形都無法承受。加拿大手臂攝像機637.67cm705.99cm187.96cm運動精度：機器人機械系統(tǒng)精度涉及位置精度、重復位置精度和系統(tǒng)分辨率。位置精度是指操作機臂端定位誤差的大小，它與系統(tǒng)分辨率、機械系統(tǒng)的結構間隙、臂桿變形等有關；重復位置精度是指手臂端點實際到達位置分布曲線的寬度；系統(tǒng)分辨率主要取決于反饋傳感器的分辨率，它代表了所能識別的可控制運動變化的最小單位。速度：速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。最大加速度受到驅動功率和系統(tǒng)剛度的限制。動態(tài)特性：結構動態(tài)參數(shù)常用質量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)來表征。（4）工業(yè)機器人的坐標形式直角坐標型：又稱為直移型。其三個基本關節(jié)均為移動關節(jié)，即實現(xiàn)升降、伸縮和平移動作。其末端軌跡可以是直線、矩形、或長方體。該結結構簡單，運動直觀性強，便于提高精度。但占據(jù)空間大，工作范圍小。約占機器人總產(chǎn)量的14%左右。圓柱坐標型：又稱為回轉型。其三個基本關節(jié)中，兩個為移動關節(jié)，一個為轉動關節(jié)。其末端軌跡可以是圓弧、扇形平面、圓柱面或空心圓柱面。該結構運動直觀性強，占據(jù)空間小，結構緊湊，工作范圍大。但受升降機構的限制，一般不能提升地面上較低位置的工件。約占機器人總產(chǎn)量的47%左右。直角坐標型圓柱坐標型球坐標型：又稱為俯仰型。其三個基本關節(jié)中，兩個為轉動關節(jié)，一個為移動關節(jié)。其末端軌跡是一個空心球體。該結構與圓柱型相比，在占據(jù)同樣空間下工作范圍擴大了，由于具有俯仰自由度，可以完成從地面提取工件。但運動直觀性差，結構復雜，臂端位置誤差會隨臂的伸長而放大。約占機器人總產(chǎn)量的13%左右。關節(jié)坐標型：其主體結構有三個轉動自由度，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)。它是一種廣泛化使用的擬人化機器人。該結構占據(jù)空間小，而工作范圍最大。其末端軌跡為球體。它還可以繞過障礙物提取和運送工件。但運動直觀性差，驅動控制較復雜。約占機器人總產(chǎn)量的25%左右。球坐標型腰部肩部肘部腕部基座末端關節(jié)坐標型（5）工業(yè)機器人關節(jié)平移關節(jié)：

要求：無間隙、高剛度、摩擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結構緊湊。

類型：滾動直線導軌、直線軸承、滾珠花鍵、固定軸滾動支撐轉動關節(jié)：

要求：無間隙、高剛度、摩擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結構緊湊。

類型：滾動軸承（要求滾道合理，質量輕，強度好，彈性模量高，精度高）開放型直線軸承d=101.6d=203.2d=355.6D=114.3D=222.2D=393.76.3512.719.050.09kg0.53kg2.79kg常用薄壁大軸承尺寸滾動體直線導軌滾珠滾柱小位移運動機構在機器人工作中有許多頻繁小位移運動場合，為適應這一條件，并保持較高的位置精度，小位移運動機構必須有一定的柔性。因此許多小位移機構都是采用彈性變形的原理實現(xiàn)的。常用的有平板彈簧；以及金屬——橡膠疊片式兩類。平板彈簧式小位移運動手指關節(jié)的聯(lián)接金屬——橡膠片疊加變形（6）工業(yè)機器人傳動元件普通齒輪傳動諧波齒輪傳動擺線針輪行星傳動絲杠螺母傳動鏈傳動齒型帶傳動鋼帶傳動鋼絲繩傳動柔性軸3.仿人步行二足機器人

?執(zhí)行部分與傳動部分123546踝關節(jié)1—伺服電機，相當于肌腱，為原動部分2—滾珠螺桿3—螺母4-連