第四章機構的創(chuàng)新設計

1第四章機構的創(chuàng)新設計2第一章

創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設計第四章機構的創(chuàng)新設計第五章機械結(jié)構的創(chuàng)新設計第六章反求工程及創(chuàng)新設計第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設計第八章仿生原理與創(chuàng)新設計第九章機械創(chuàng)新設計實例

在人類文明和社會發(fā)展的過程中，制造業(yè)是創(chuàng)造社會財富的主要來源，是衡量國家綜合實力的重要指標。由于制造業(yè)的靈魂是設計，而制造和被制造機械的靈魂又是機構，因此機構學的理論研究是制造業(yè)的基礎，是現(xiàn)代機械產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)造的源泉。機構創(chuàng)新設計決定了產(chǎn)品的創(chuàng)新性。如果機構的設計有缺陷，則制造出的將會是先天不足的產(chǎn)品，或稱之為“有殘疾的機械”。對產(chǎn)品的創(chuàng)新而言，機構構型的創(chuàng)新設計具有原創(chuàng)的特征性質(zhì)，是機械發(fā)明中最具有挑戰(zhàn)性和發(fā)明性的核心內(nèi)容。而創(chuàng)新設計方法的豐富和完善，則大大提高了機構構型的種類與品質(zhì)。因此，有關機構創(chuàng)新設計的研究對提高機械產(chǎn)品的自主設計、創(chuàng)新，有著十分重要的意義。第四章機構的創(chuàng)新設計3

機構創(chuàng)新的方法

(1)變異創(chuàng)新法通過對原始機構的構件和運動副進行某種性質(zhì)的改變或變換，演變發(fā)展出新機構的設計方法。常用的變異創(chuàng)新法有機構倒置、擴展、等效運動置換、改變局部結(jié)構等。

(2)組合創(chuàng)新法將若干基本機構按照一定的原則和規(guī)律組合成一個復雜機構，往往可以實現(xiàn)某些復雜的運動功能，是一類可應用于各類機構構型設計的普適方法，應用非常廣泛。(3)原始創(chuàng)新法通過引入先進的數(shù)學工具、力學及生物學原理等設計理念，有效實現(xiàn)機構的原始創(chuàng)新。4傳統(tǒng)機構摩擦傳動機構螺旋機構間歇運動機構撓性構件機構齒輪機構凸輪機構連桿機構……5廣義機構慣性機構微位移機構柔順機構光電機構電磁機構氣動機構液動機構……6

傳統(tǒng)機構的創(chuàng)新設計方法

傳統(tǒng)機構的創(chuàng)新設計方法集中體現(xiàn)在構型研究上。勒洛(Reuleaux)是最早進行機構構型研究的學者，其最大的貢獻是提出了機構的符號表達。阿蘇爾(Assur)提出的平面機構構型的“桿組法”，則是早期構型理論研究發(fā)明最重要的發(fā)現(xiàn)。人類對復雜平面機構的結(jié)構綜合取得重大突破是在20世紀60年代之后的事情。其中的代表人物是弗洛希斯坦(Freudenstein)，他提出了結(jié)構與功能分離的原則并采用圖論來研究平面機構的拓撲綜合。20世紀60年代以來平面機構學的研究進展，衍生了很多行之有效的平面機構綜合方法，具有代表性的方法有：圖論法、阿蘇爾桿組法、位移群法、對偶數(shù)法等。7運用這些方法，系統(tǒng)地綜合出了許多新型的平面機構，相繼解決了復雜的10桿以上平面機構的拓撲綜合問題。同樣，從20世紀60年代開始，隨著產(chǎn)業(yè)機械及其他各類機械產(chǎn)品的功能需求日益增強，基于元機構的模塊化設計呈現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢，相關的設計技法也成為學界的研究熱點。利用計算機輔助概念設計進行機構計算綜合也成為了頗具代表性的研究方向。這種創(chuàng)新方法也是機構學界近50年來的研究熱點，并取得了一定的研究成果。計算綜合中比較典型的方法有：圖論法、矩陣法、旋量理論、再生運動鏈法等。這種基于已知機構模塊進行組合的設計方法，其共同特點在于：具有開放的存儲大量知識的成熟的機構運動方案知識庫，設計人員無需掌握太多的相關學科的背景知識就可以利用計算機進行設計。8

機構創(chuàng)新設計過程與方法的發(fā)展趨勢現(xiàn)代機構的概念已有別于傳統(tǒng)機構。主要體現(xiàn)在三個方面。一是機構的廣義化與模塊化，比如將構件或運動副廣義化，即把彈性構件、柔性機構、微小構件等引入到機構中；對運動副也擴展到復雜鉸鏈、柔性鉸鏈等。同時對機構的組成元素廣義化，將驅(qū)動元件與機構系統(tǒng)集成或者融合為一種有源機構，大大擴展了傳統(tǒng)機構的內(nèi)涵。二是機構的可控性，利用驅(qū)動元件的可控性使機構通過有規(guī)律的輸入運動實現(xiàn)可控的運動輸出，從而擴展了機構的應用范圍。最典型的例子包括機器人、微機械等。三是機構的生物化與智能化，進而衍生出各種仿生機構及機器人、變胞機構等。9

從研究方法上，機構學的研究呈現(xiàn)出日益交融的態(tài)勢，以彌補單一性所帶來的不足。如平面機構與空間機構的交融(例如并聯(lián)機構的性能研究可以從以平面機構為支鏈的研究入手)、剛性機構與柔性機構的交融(如分析柔性機構的偽剛體模型)、結(jié)構綜合與尺度綜合的交融(如分布柔度柔性機構的拓撲設計問題)、理論建模與參數(shù)綜合的交融(如柔性機構、并聯(lián)機床等)、功能集成與功能分解的融合(如組合機構、變胞機構等)、不同類機構的融合(并聯(lián)柔性機構、柔性變胞機構等)，以及機構學與其它學科的日益交叉(如機構學與生物學交叉可引導變胞機構、微機構、柔性機構設計)等。這種交融、融合與交叉勢必對豐富和完善現(xiàn)代機構設計及理論進而指導實用有效的新機構設計大有裨益。10

以學科交叉為例，借鑒其它學科中已發(fā)展成熟的設計理論，通過擴展機構的內(nèi)涵和外延，建立彼此之間的有機聯(lián)系，將其移植到機構設計理論與應用中，從而達到機構創(chuàng)新的目的。其中聯(lián)系較為緊密的學科包括：生物學、化學、電子學、管理學等。不過數(shù)學和力學仍然是解決機構設計問題的根本。當前的研究已呈現(xiàn)出這方面的發(fā)展趨勢，比較典型的是引入生物學原理來研究機構綜合與創(chuàng)新技法。比如在對變胞機構和柔性機構的研究中，提出了變胞元素作為進化單元，探討基于變胞元素的變胞機構基因進化機制，以此建立基于基因進化技術的變胞機構創(chuàng)新設計理論。柔性機構研究中，提出了柔性胞元的概念，借助細胞生長機制探討胞元組合構造機理，從而實現(xiàn)柔性機構創(chuàng)新設計的目標。11第一節(jié)機構型式設計的一般原則

機構型式設計需要解決的關鍵問題是構造什么樣的機構去實現(xiàn)原理方案所提出的運動要求。一般性原則

1.滿足執(zhí)行構件的運動要求2.結(jié)構簡單，運動鏈短12精確型直線導向機構近似型直線導向機構133.機構尺寸盡可能小減小曲柄長度的方案144.選擇合適的運動副形式用轉(zhuǎn)動副代替移動副154.選擇合適的運動副形式用高副代替低副164.選擇合適的運動副形式用高副機構實現(xiàn)從動件的復雜運動175.選擇合適的原動機電動機內(nèi)燃機氣動馬達液壓馬達186.應使機構具有良好的傳力條件和動力特性存在4個過約束存在3個過約束存在1個過約束不存在過約束19滑塊與導桿位置互易對受力的影響FPMdR323R1212R12FR32423FR32R42MdFR4241PR32FCeFCF

M摩擦力較大摩擦力較小移動副上的轉(zhuǎn)動副位置對受力的影響20第二節(jié)常用機構的特性及一般評價

能將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為其他運動形式的機構是設計者經(jīng)常采用的機構。掌握好這些常用機構的運動特性，熟悉它們所能實現(xiàn)的功能，了解它們的優(yōu)缺點，對于設計者正確選用或創(chuàng)新機構是十分必要的。常用機構的運動特性及功能帶、鏈、撓性件傳動、摩擦輪機構圓柱齒輪機構、周轉(zhuǎn)輪系、諧波傳動、活齒傳動、擺線針輪傳動平行四邊形機構、雙轉(zhuǎn)塊機構勻速運動其他常用機構齒輪機構凸輪機構連桿機構機構類型執(zhí)行構件的運動和功能21棘輪機構、槽輪機構不完全齒輪機構容易實現(xiàn)可以實現(xiàn)間歇運動非圓齒輪機構雙曲柄機構、轉(zhuǎn)動導桿機構、轉(zhuǎn)塊機構非勻速運動螺旋機構、氣、液動機構齒輪齒條機構移動從動件凸輪機構曲柄滑塊機構、移動導桿機構、楔塊機構往復移動氣、液動機構齒輪齒條機構擺動從動件凸輪機構曲柄搖桿機構、擺動導桿機構、曲柄搖塊機構往復擺動其他常用機構齒輪機構凸輪機構連桿機構機構類型執(zhí)行構件的運動和功能22

增減惰輪、滑移齒輪換向帶傳動、摩擦傳動機構過載保護減速傳動肘桿機構、杠桿機構增力

行星輪上的點

連桿上的點點的復雜軌跡運動差動螺旋機構、差動棘輪機構

差動輪系

兩自由度連桿機構差動其他常用機構齒輪機構凸輪機構連桿機構機構類型執(zhí)行構件的運動和功能23可靠可靠可靠可靠6.可靠性組合機構齒輪機構凸輪機構連桿機構較好較好差耐磨5.耐磨性較大大較小較大4.承載能力較高很高較高高3.運動速度較好較差較差較好2.可調(diào)性較廣廣較廣較廣1.應用范圍工作能力較高高較高較高2.傳動精度基本上可以任意一般定速比轉(zhuǎn)動或移動基本上任意

只能實現(xiàn)有限個精確位置1.運動規(guī)律形式功能評價具體評價指標性能指標四種常用機構性能初步評價表24性能指標具體評價指標評價連桿機構凸輪機構齒輪機構組合機構動力性能1.加速度峰值較大

較小小較小2.噪聲較小較大小較小3.效率較低較高高較高4.平穩(wěn)性較差較差好較好經(jīng)濟性1.制造難易容易困難較難較難2.制造誤差敏感不敏感敏感敏感敏感3.調(diào)整方便性方便較麻煩較方便較方便4.能耗大小一般一般一般一般結(jié)構緊湊1.尺寸較大較小較小較小2.質(zhì)量較輕較重較重較重3.結(jié)構復雜性簡單復雜一般復雜四種常用機構性能初步評價表25第三節(jié)機構創(chuàng)新設計方法

只有通過學習掌握必要的創(chuàng)新理論，通過實踐豐富自己的積累，才能掌握好機構創(chuàng)新的秘訣。

大量實踐表明，常用基本機構通常完全可以勝任一般性的設計要求。在機構綜合過程中，設計者一般都會對機構的型式、結(jié)構、尺寸作出這樣那樣的改進，或采用幾種機構共同協(xié)作來實現(xiàn)設計任務的要求，這實際上是對已有機構進行某種創(chuàng)造性的改造，本質(zhì)上是一種創(chuàng)新，只是設計者這時可能對機構創(chuàng)新方法缺乏系統(tǒng)而明確的認識，這種創(chuàng)造性勞動帶有一定的盲目性。

26

非圓齒輪機構、雙曲柄機構、轉(zhuǎn)動導桿機構、單萬向聯(lián)軸節(jié)機構、齒輪－連桿組合機構等非勻速

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變傳動比勻速

交錯軸斜齒圓柱齒輪機構、準雙曲面齒輪機構、蝸桿蝸輪機構交錯軸

雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構、錐齒輪機構等相交軸

圓柱齒輪機構、平行四桿機構、同步齒形帶機構、周轉(zhuǎn)輪系、雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構、摩擦傳動機構、擺線針輪機構、撓性傳動機構、諧波傳動機構等平行軸定傳動比勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動機構示例運動形式常見運動形式及其對應機構27常見運動形式及其對應機構

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、利用連桿曲線的圓弧段或直線段組成的多桿機構等間歇擺動

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轉(zhuǎn)動

曲柄滑塊機構、移動從動件凸輪機構、齒輪齒條機構、移動導桿機構、正弦機構、楔塊機構、螺旋機構、氣動、液動機構、撓性機構等往復移動往復運動運動形式往復擺動

曲柄搖桿機構、曲柄搖塊機構、擺動從動件凸輪機構、雙搖桿機構、擺動導桿機構、空間連桿機構、某些組合機構、搖桿滑塊機構等間歇運動間歇移動

棘齒條機構、摩擦傳動機構、從動件做間歇往復運動的凸輪機構、反凸輪機構、氣動、液壓機構、移動桿有停歇的斜面機構等機構示例28常見運動形式及其對應機構帶傳動機構、摩擦傳動機構等微動、補償

雙向式棘輪機構、三星輪換向機構、離合器、滑移齒輪換向機構等換向連桿近似直線機構、八桿精確直線機構、某些組合機構等直線軌跡預定軌跡運動形式曲線軌跡

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、齒輪－連桿組合機構、行星輪系與連桿的組合機構等特殊運動要求

齒式棘輪機構、摩擦式棘輪機構等機構示例超越過載保護

螺旋差動機構、諧波傳動機構、差動輪系、杠桿式差動機構等……29

一、機構創(chuàng)新的組合原理基本機構由于其固有的局限性，只能實現(xiàn)有限的運動功能和要求，對于更復雜的功能和運動要求，常采用將幾種基本機構用適當?shù)姆绞浇M合起來，構成一個較復雜的機構，來實現(xiàn)基本機構很難實現(xiàn)的運動或動力特性。機構的組合是發(fā)明創(chuàng)造新機構的重要途徑之一。常用的組合方式有串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、封閉組合、復合組合、反饋組合和疊加組合等。

30(1)串聯(lián)式組合機構的創(chuàng)新設計

特點

若干個單自由度的基本機構，以前一機構的輸出構件作為后一機構的輸入構件的方式組合。主要目的改變后置機構的運動速度或運動規(guī)律，以改善輸出構件的運動和動力特性，或?qū)崿F(xiàn)后置機構輸出構件的特殊運動要求。31I型串聯(lián)前一機構的輸出構件與后一機構的輸入構件固結(jié)成一個構件。機構的固結(jié)式串聯(lián)組合常用于改善輸出構件的運動和動力特性，或用來實現(xiàn)運動或力的放大。

1

2v4

1

2v4機構II機構I32I型串聯(lián)前一機構的輸出構件與后一機構的輸入構件固結(jié)成一個構件。機構的固結(jié)式串聯(lián)組合常用于改善輸出構件的運動和動力特性，或用來實現(xiàn)運動或力的放大。

1

2v4機構II機構I33II型串聯(lián)以前一機構做平面運動構件上某一點的軌跡作為輸出，通過該軌跡點與后一機構的構件連接。機構的軌跡點串聯(lián)組合常利用前一機構連接點的特殊運動軌跡來實現(xiàn)后一機構輸出構件的特殊運動要求。

1Mv5機構

I機構

II

1v534

1Mv5機構

I機構

IIII型串聯(lián)以前一機構做平面運動構件上某一點的軌跡作為輸出，通過該軌跡點與后一機構的構件連接。機構的軌跡點串聯(lián)組合常利用前一機構連接點的特殊運動軌跡來實現(xiàn)后一機構輸出構件的特殊運動要求。35

1v5

(2)并聯(lián)式組合機構的創(chuàng)新設計

特點兩個或多個基本機構并列布置的組合方式。

主要目的利用運動的合成與分解來實現(xiàn)單一基本機構難以實現(xiàn)的復雜運動和特殊的工作要求，有時也用于通過機構的對稱并列布置達到改善機構的動力性能。36

I型并聯(lián)各機構的輸入構件連接在一起，保留各自的輸出運動?？梢詫崿F(xiàn)運動的分解或分流，或者實現(xiàn)機構的平衡。對稱并聯(lián)布置的鉸鏈四桿機構子機構I子機構II輸入輸出37

I型并聯(lián)各機構的輸入構件連接在一起，保留各自的輸出運動?？梢詫崿F(xiàn)運動的分解或分流，或者實現(xiàn)機構的平衡。對稱并聯(lián)布置的曲柄滑塊機構子機構I子機構II輸入輸出38雙凸輪組合機構

II型并聯(lián)各機構保持不同的輸入構件，把輸出構件連接在一起?？梢詫崿F(xiàn)運動的合成。子機構I子機構II輸入輸出39Stewart型并聯(lián)機構球面副球面副移動副支鏈靜平臺動平臺伺服電機40Stewart型并聯(lián)機構41

飛行訓練裝置423RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式鎖定模式43第五節(jié)氣動機構3RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式平面運動模式44第五節(jié)氣動機構3RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式方位運動模式45第五節(jié)氣動機構3RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式平移運動模式46第五節(jié)氣動機構3RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式平移與轉(zhuǎn)動模式47第五節(jié)氣動機構3RRRRR六自由度機構動平臺的不同運動模式空間運動模式48固定平臺驅(qū)動器動平臺萬向鉸鏈擺動桿6自由度的Delta并聯(lián)機構49固定平臺驅(qū)動器動平臺萬向鉸鏈擺動桿3自由度的Delta并聯(lián)機構應用連桿機構執(zhí)行器50第五節(jié)氣動機構3自由度的Delta并聯(lián)機構應用51第五節(jié)氣動機構3自由度的Delta并聯(lián)機構應用52優(yōu)點

為封閉的桁架結(jié)構型式，具有很高的整體剛度及運動的強制性，承載能力強；動平臺載荷分布在各支鏈桿上，構件受力變形??；動平臺運動誤差不是各支鏈運動誤差的累積，工作精度高；各支鏈直接驅(qū)動，無中間傳動系統(tǒng)，且各構件的運動形式簡單，在同等載荷下，支鏈各桿及動平面的質(zhì)量均較小，故動力學性能優(yōu)于串聯(lián)機構，可較好地適應高速工作的需要。

缺點由于封閉鏈并聯(lián)形式屬于高耦合結(jié)構，因而其工作空間受限、靈活性較差，而且其運動學正解十分困難。

應用并聯(lián)機床(也稱為虛擬軸機床)、高速、高精度、小空間的作業(yè)(如醫(yī)療機器人，高精度微動機器人，高速插接機械手等)以及各種復雜運動的模擬平臺、操作機等。53放映機抓片機構子機構I子機構II輸入輸出III型并聯(lián)各機構的輸入輸出構件分別連接在一起?？梢愿纳茩C構的受力狀況。54筆芯裝配線送進機構子機構I子機構II輸入輸出III型并聯(lián)各機構的輸入輸出構件分別連接在一起?？梢愿纳茩C構的受力狀況。55子機構I子機構II輸入輸出對稱并聯(lián)的曲柄活塞連桿機構III型并聯(lián)各機構的輸入輸出構件分別連接在一起。可以改善機構的受力狀況。56

(3)封閉式組合機構的創(chuàng)新設計

特點以一個二自由度的兩個輸入構件或兩個輸出構件或一個輸入構件和一個輸出構件用單自由度機構連接起來，形成一個單自由度的機構系統(tǒng)的組合方式。

主要目的用于實現(xiàn)比較特殊的運動規(guī)律，如停歇、逆轉(zhuǎn)、加速、減速、前進、后退，以及運動合成等。57基礎機構III－差動輪系(5、6、7、3(H)、4)附加機構I－定軸輪系(1、5、4)附加機構II－四桿機構(1、2、3、4)

H

7機構II

1機構III

2機構I

合理設計四桿機構尺寸和各齒輪齒數(shù)，可以使齒輪7獲得有一定時間停歇的輸出運動。

167B1CA2HED5

74358基礎機構III－差動輪系(5、6、7、3(H)、4)附加機構I－定軸輪系(1、5、4)附加機構II－四桿機構(1、2、3、4)

合理設計四桿機構尺寸和各齒輪齒數(shù)，可以使齒輪7獲得有一定時間停歇的輸出運動。

H

7機構II

1機構III

2機構I59

(4)復合式組合機構的創(chuàng)新設計

特點以一個多自由度機構作為基礎機構，一個或幾個單自由度基本機構(附加機構)的輸出構件接入基礎機構，實現(xiàn)運動的合成。

主要目的既可以實現(xiàn)復雜的運動函數(shù)，也可以用于實現(xiàn)特殊的軌跡。60

1機構I機構IIv4vC基礎機構II－五桿機構附加機構I－凸輪機構

只要適當設計附加機構凸輪1的輪廓曲線，就可以使連桿2上點C精確實現(xiàn)給定軌跡S。D51

1ABC23Sv4461

1機構I機構IIv4vCS基礎機構II－五桿機構附加機構I－凸輪機構

只要適當設計附加機構凸輪1的輪廓曲線，就可以使連桿2上點C精確實現(xiàn)給定軌跡S。v4562

(5)反饋式組合機構的創(chuàng)新設計特點

多自由度機構(稱基礎機構)中的一個輸入運動是通過單自由度機構從該多自由度機構的輸出構件回饋的。

主要目的常用于實現(xiàn)一些復雜運動和對運動有特殊要求的場合。63基礎機構II－雙自由度蝸桿機構附加機構I－凸輪機構

校正原理

測出蝸輪副一個周期的運動誤差，并以此作為設計凸輪輪廓曲線的依據(jù)。通過反饋組合后的附加運動，可以使運動誤差得到相應補償。輸入輸出凸輪機構2自由度蝸桿蝸輪機構64

(6)疊加式組合機構的創(chuàng)新設計

特點在一個基本機構的可動構件上再安裝基本機構的組合方式。支撐其他機構的基本機構稱為基礎機構，安裝在基礎機構可動構件上的基本機構稱為附加機構。

主要目的基礎機構和附加機構各自完成自己的運動，其運動的疊加即為所要求的輸出運動。65附加機構為主動機構，安裝在基礎機構的可動構件上，由附加機構的輸出構件驅(qū)動基礎機構的某個構件。其運動的疊加即為所要求的輸出運動?；A機構－雙搖桿機構

(2、3、4、5)附加機構－蝸桿蝸輪機構(1、2、5)54321基礎機構附加機構

2

3

1+

366附加機構為主動機構，安裝在基礎機構的可動構件上，由附加機構的輸出構件驅(qū)動基礎機構的某個構件。其運動的疊加即為所要求的輸出運動?；A機構－雙搖桿機構

(2、3、4、5)附加機構－蝸桿蝸輪機構(1、2、5)基礎機構附加機構

2

3

1+

367

(7)附加約束組合機構的創(chuàng)新設計

特點在多自由度機構中，人為地增加約束條件，以獲得一個單自由度的組合機構。

主要目的可以實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。68輸入輸出槽凸輪機構2自由度5桿機構

基礎機構為一個2自由度5桿機構，約束機構為槽凸輪機構(其中槽凸輪固定不動)。只要適當設計凸輪的輪廓曲線，就能使從動滑塊按預定的復雜規(guī)律運動。69輸入輸出槽凸輪機構差動輪系

基礎機構為由中心輪、扇形齒輪和系桿組成的差動輪系，約束機構為槽凸輪機構(其中槽凸輪固定不動)。改變凸輪輪廓曲線，可以獲得極其多樣的運動輸出規(guī)律。70

(8)機構組合創(chuàng)新的功能—技術矩陣法

運動變換和力變換的基本功能表示符號

基本功能表示符號表示符號基本功能運動形式變換運動(位移或速度)縮小運動(位移或速度)放大運動方向交替變換運動軸線變向運動合成運動分解運動脫離運動連接71

舉例設計題目精鍛機主機構

總功能當加壓執(zhí)行構件(沖頭)上下運動時，能鍛出較高精度的毛坯。

空間約束條件驅(qū)動軸必須水平布置。

分功能

(1)運動形式變換(2)運動軸線變向(3)運動位移或速度縮小72精鍛機功能—技術矩陣流體機構摩擦輪機構齒輪機構螺旋、斜面機構凸輪機構連桿機構流體傳動原理摩擦傳動原理嚙合傳動原理推拉傳動原理傳動原理功能機構73基本功能結(jié)構

組合機構方案總數(shù)N

63

21674

沖頭壓力大，安全可靠，但傳動精度差，適用于一般的鍛壓設備

機構的綜合剛度較差，但沖頭具有較大壓力，且可在沖壓位置保持短時間停歇，適用于壓印機

生產(chǎn)效率較低，適合用于一般大型鍛壓機械設備

剛度好，具有較好的增力功能，能完全滿足精鍛機各方面的技術要求特點DCBA方案基本功能結(jié)構序號75

二、機構創(chuàng)新的變性原理以已知機構為基礎，通過對構成機構的結(jié)構元素進行變化或改造，使機構產(chǎn)生出新的運動特性和使用功能。

(一)通過構件變異創(chuàng)新機構

1.構件運動的充分利用

構件類型機架連架桿連架桿連桿76六、實現(xiàn)運動合成與分解翻箱機77行星輪系－行星輪平動78行星輪系－行星輪平動79

2.

利用機架位置的變換創(chuàng)新機構曲柄搖桿機構的機架變換802.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構曲柄滑塊機構的機架變換812.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構雙滑塊機構的機架變換822.利用機架位置的變換創(chuàng)新機構雙滑塊機構的機架變換83齒輪機構的機架變換84凸輪機構的機架變換853.利用原動件的變化創(chuàng)新機構內(nèi)燃機86手壓抽水機87機械手爪88摩擦式棘輪機構894.利用構件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構904.利用構件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構增力杠桿機構PFPFPF914.利用構件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構正弦機構變異924.利用構件尺寸變化和形狀變異創(chuàng)新機構正弦機構變異93可調(diào)廓線凸輪94直廓環(huán)面蝸桿傳動蝸桿的變異圓柱蝸桿傳動95(二)通過運動副變異創(chuàng)新機構

1.改變運動副尺寸進行機構創(chuàng)新962.改變運動副元素的形狀進行機構創(chuàng)新加滾動體的低副97983.利用變約束進行機構創(chuàng)新行程兩端有停歇的曲柄滑塊機構993.利用變約束進行機構創(chuàng)新干草打捆機構100機車車輪制動機構1014.利用運動副替代進行機構創(chuàng)新

(1)低副與低副的替代102平底直動從動件凸輪機構的創(chuàng)新設計103直角坐標型圓柱坐標型球坐標型關節(jié)型104類型直角坐標型球坐標型圓柱坐標型關節(jié)型基本自由度三個移動兩個移動一個轉(zhuǎn)動一個移動兩個轉(zhuǎn)動三個轉(zhuǎn)動基本運動

伸縮、升降、平移

伸縮、升降、水平轉(zhuǎn)動

水平轉(zhuǎn)動和兩個俯仰轉(zhuǎn)動

伸縮、水平轉(zhuǎn)動、俯仰轉(zhuǎn)動工作空間長方體空心圓柱體

空心球體的一部分

空心球體的一部分特點

結(jié)構簡單，運動直觀性強，便于實現(xiàn)高精度，占據(jù)空間大，工作范圍較小

運動直觀性強，結(jié)構緊湊，工作范圍大，應用較廣

工作范圍更大，結(jié)構較復雜，運動直觀性差，不便于實現(xiàn)高精度

占據(jù)空間最小，工作范圍最大，運動直觀性最差，驅(qū)動控制較復雜。應用較廣105(2)高副與低副的替代高副低代低副高代106基于低副高代的機構演化107無死點曲柄滑塊機構設計108取連桿為代換構件取曲柄為代換構件六桿機構的低副高代109滾動軸承的改進110行星輪系輸出機構H12K

H

V行星輪系V111行星減速器112孔銷式輸出機構adhdsOhOsO1O2工程上廣泛采用的孔銷式輸出機構當滿足條件dh

ds

2a，四個圓心的連線構成平行四邊形，銷孔和銷軸始終保持接觸。113二、擺線針輪傳動dsO1a擺線輪2O2針輪1針齒套針齒銷銷軸銷軸套dh114擺線針輪減速器115擺線減速器116反平行四邊形機構與橢圓機構的替代117(3)高副與高副的替代雙錐銷式等速輸出機構118AEBMOCD14352

三、機構創(chuàng)新的移植原理把已知機構的原理、方法、結(jié)構、用途甚至材料等內(nèi)容具體運用到另一機構中，使所研究的機構產(chǎn)生新的性質(zhì)和新的使用功能。軋機的創(chuàng)新119同步齒形帶普通V形帶120剛輪1柔輪2波發(fā)生器H

諧波齒輪傳動121工作原理

波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時，迫使柔輪變?yōu)闄E圓，使長軸兩端附近的齒進入嚙合狀態(tài)，短軸附近的齒則脫開，其余不同區(qū)段上的齒處于逐漸嚙入狀態(tài)或逐漸嚙出狀態(tài)。嚙合嚙合嚙出嚙入脫開脫開

工作原理剛輪柔輪波發(fā)生器

波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形部位也隨之轉(zhuǎn)動，使輪齒依次進入嚙合，然后又依次退出嚙合，從而實現(xiàn)嚙合傳動。122諧波傳動演示

諧波齒輪傳動按照波發(fā)生器上裝的滾輪數(shù)不同，有雙波傳動和三波傳動等。最常用的是雙波傳動。諧波齒輪傳動的齒數(shù)差應等于波數(shù)或波數(shù)的整數(shù)倍。為了實際加工的方便，諧波齒輪的齒形多采用漸開線。123諧波傳動演示

鏈諧波傳動124不完全齒輪齒條機構移動槽輪機構125四、機構創(chuàng)新的還原原理設計者在構思運動方案時，應當追根溯源，從運動產(chǎn)生的最基本原理入手去探索標新立異的新機構和新結(jié)構。無轉(zhuǎn)動副的連桿機構126機構再生運動鏈設計法簡介機構再生運動鏈設計法是中國臺灣成功大學顏鴻森教授經(jīng)過系統(tǒng)總結(jié)機構數(shù)綜合理論成果并示例化的機構創(chuàng)新設計方法。用該方法，基于某一現(xiàn)有的、可行的實際機構(原始機構)，可以系統(tǒng)地構想出符合特定設計要求與約束，并能完成相同或相似任務的機構全部可能的拓撲構造。這一方法體現(xiàn)了由特殊到一般，再由一般到特殊的思維規(guī)律。它的巧妙用途之一是：可設計出與現(xiàn)有專利產(chǎn)品中的機構具有相同功能，而又不會造成專利侵權的新機構。127一般化新型設計方案設計約束條件設計圖譜再生運動鏈圖譜一般化運動鏈圖譜一般化運動鏈原始機構數(shù)綜合性能分析具體化原則數(shù)綜合理論具體化特定化一般化原則再生運動鏈設計法流程128

原始機構原始機構可以是設計人員根據(jù)設計對象的功能要求，結(jié)合自身的知識和經(jīng)驗設計出來的全新機構，也可以是實際使用的具有相同或相似功能的機構。如果選取的原始機構為專利機構，則對獲得新的專利，擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品來說意義重大。

機構再生運動鏈法需要依據(jù)原始機構的構件數(shù)與運動副數(shù)進行數(shù)綜合，以尋找可能解，因而其結(jié)果保持構件數(shù)與運動副數(shù)不變。原始機構的選擇決定了機構選型設計的范圍，如選定四桿機構，運動副數(shù)和構件數(shù)均為4，機構再生運動鏈法設計的結(jié)果也一定是四桿機構。因此原始機構的選擇十分重要，是獲得新結(jié)果的基礎。129

運動鏈一般化運動鏈一般化就是把原始機構轉(zhuǎn)化為只含有構件和轉(zhuǎn)動副的運動鏈，其目的是找出機構的共同源。通過一般化處理，設計者能夠用一種非?；镜姆绞絹硌芯亢捅容^不同的機構。機構運動鏈一般化過程的步驟：

解除機架與原動件。

高副構件桿件化。低副連接轉(zhuǎn)動副化。復合鉸鏈單一化。經(jīng)過上述一般化步驟對原始機構進行一般化處理，再消除尺度影響，表示為一般化運動鏈。130

運動鏈數(shù)綜合即運動鏈結(jié)構類型綜合，目的是要得到與一般化運動鏈的構件數(shù)和運動副數(shù)相同的全部可能解的一般化運動鏈圖譜。這是再生運動鏈法中極為重要的一環(huán)，機構構型創(chuàng)新從這里開始。四桿運動鏈只有1種基本構型，六桿運動鏈有2種基本構型，八桿運動鏈有16種基本構型，十桿運動鏈有230種基本構型。131

運動鏈特定化又稱運動鏈再生，是根據(jù)設計要求和約束，分配特定類型的構件和運動副，組成可行的一般化運動鏈，即對每個非同構的運動鏈進行機構識別、原動件識別以及桿組識別，以找出符合要求的解。

運動鏈具體化指運動鏈一般化的逆過程，將特定化的運動鏈具體化為機構簡圖的過程。運動鏈經(jīng)過特定化后，其構件和運動副類型已確定，但再生運動鏈設計法只生成概念方案而沒有具體尺度支持，這時需要參考原始機構構件和運動副的布置格局和受力特點，再結(jié)合設計者自身知識和經(jīng)驗去繪制與實際應用相符的機構簡圖。132牛頭刨床主運動機構的再生運動鏈設計

牛頭刨床是金屬切削加工機床的常見設備，主要用于加工中小型工件的平面、成型面和溝槽，其主運動是往復直線運動。為了改善四桿機構輸出運動不均勻的問題，常采用六桿機構。牛頭刨床及機構簡圖133牛頭刨床主運動機構的原始機構圖示為目前牛頭刨床主運動機構采用的方案之一，含有兩個移動副的六桿機構。其拓撲特性如下：它的主運動機構是單自由度機構。它是六桿七副平面機構。GFEB(C)AD431265牛頭刨床及機構簡圖1

床身2

擺動導桿3

滑塊4

原動件5

連桿6

滑枕它有一個床身(構件1)、一個擺動導桿(構件2)、一個滑塊(構件3)、一個原動件(構件4)、一個連桿(構件5)和滑枕(構件6)。它具有5個轉(zhuǎn)動副和2個移動副。134牛頭刨床主運動鏈的一般化取消構件4為原動件及床身1為機架；將移動副B、G一般化為轉(zhuǎn)動副；為了便于抽象為圖論圖形，消除尺度影響，可表示為更一般化運動鏈。牛頭刨床機構的運動鏈一般化B(C)GFEAD431265不指定機架和原動件GFEAD431265BCFDBECAG314256低副連接轉(zhuǎn)動副化牛頭刨床一般化運動鏈135牛頭刨床主運動鏈數(shù)綜合由于牛頭刨床主運動鏈的原始機構是含有兩個移動副的六桿機構，其運動鏈數(shù)綜合可以省略，直接得到兩個一般化運動鏈構型，分別為原來的瓦特鏈和新增加的斯蒂芬森鏈。Watt’slinkageStephenson’slinkage六桿運動鏈的基本構型136牛頭刨床主運動鏈特定化對于牛頭刨床主運動機構，運動鏈特定化時需要符合的設計要求與約束條件如下：必須有一個構件作為床身(機架)，為分散工作負載，增強機構整體剛度，采用三副構件作為床身。必須有一個構件作為原動件，考慮到動力源情況和牛頭刨床急回運動特點，原動件應為曲柄且是連架桿。必須有一個移動副作為滑枕執(zhí)行往復直線主運動，且滑枕必須是連架桿。除滑枕外還需增加移動副，使機構更為緊湊(只介紹增加一個移動副的運動鏈特定化)。機架(床身)、原動件和滑枕不可以在同一個子運動鏈中。這是因為需要避免形成四桿機構，使輸出運動不均勻而影響切削質(zhì)量，而六桿機構可以極大地改善這種情況。137

1.床身要有一個三副構件作為床身，因而床身構件確認即為在運動鏈中進行機架分配。對于Watt’slinkage，考慮到運動鏈對稱性，分配機架的結(jié)果有一個。對于Stephenson’slinkage，考慮到運動鏈對稱性，分配機架的結(jié)果有一個。確認床身的運動鏈A1型床身B1型床身138

2.原動件考慮到動力源情況和刨床需要急回的特點，原動件應為曲柄且是連架桿，即與床身(機架)構成的運動副為轉(zhuǎn)動副。對于前述確認床身運動鏈的兩種情況，考慮到運動鏈的對稱性，符合要求的結(jié)果分別有兩個。在確認機架和原動件后，有四個方案的運動鏈是可用的。確認床身和原動件的運動鏈原動件床身床身床身床身原動件原動件原動件A11型A12型B12型B11型139

3.滑枕移動副刨床的工作原理要求滑枕執(zhí)行往復直線切削運動，為了保證刨床加工精度，滑枕必須為連架桿，而且床身、原動件和滑枕不能在同一個四桿子運動鏈中，即與床身(機架)構成移動副。對于A11型運動鏈，分配滑枕的結(jié)果只有一個。對于A12型，無論分配滑枕給剩下的哪個桿，都會使床身、原動件和滑枕在同一個四桿子運動鏈中，所以沒有滿足要求的解，該方案終止。對于B11型運動鏈，分配滑枕的結(jié)果有一個。對于B12型運動鏈，考慮到其對稱性，分配滑枕的結(jié)果有一個。140確認床身、原動件和滑枕的運動鏈床身床身床身滑枕滑枕滑枕原動件原動件原動件A111型B121型B111型

4.滑塊移動副牛頭刨床主運動機構構件數(shù)較多