第五章机构的创新 机构的组合创新机构的组合创新 随着机械化和自动化程度的不断提高，对机构输出的运动学随着机械化和自动化程度的不断提高，对机构输出的运动学和动力学特性的要求也变得更加复杂多样。和动力学特性的要求也变得更加复杂多样。连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等基本机构往往不能满足连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等基本机构往往不能满足各种复杂多样的要求。各种复杂多样的要求。为了满足一些特定的要求，常常将各种基本机构以一为了满足一些特定的要求，常常将各种基本机构以一定的方式加以组合后使用，称为组合机构。定的方式加以组合后使用，称为组合机构。概述概述第一节第一节 机构组合的基本概念机构组合的基本概念一、基本机构的概念一、基本机构的概念1 1、最简机构、最简机构 把由把由2 2个构件和个构件和1 1个运动副组成的开链机构称为个运动副组成的开链机构称为最简单的机构，简称最简机构。其要素是组成机构最简单的机构，简称最简机构。其要素是组成机构的最多构件为的最多构件为2 2且为开链机构。且为开链机构。2112原动机的机构简图为最简机构原动机的机构简图为最简机构2 2、基本机构、基本机构把含有把含有3 3个构件以上、且不能再进行拆分的闭链机个构件以上、且不能再进行拆分的闭链机构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。CBDAz1z2o1o2HCAB3 3、基本机构的应用、基本机构的应用1 1）基本机构的单独使用基本机构的单独使用 基本机构可以直接应用在机械装置中，只基本机构可以直接应用在机械装置中，只有一些简单机械中才包含一个基本机构，如空气有一些简单机械中才包含一个基本机构，如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构。压缩机中包含一个曲柄滑块机构。2 2）互不连接的基本机构的组合）互不连接的基本机构的组合 若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组若干个互不连接、单独工作的基本机构可以组成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协成复杂的机械系统。各基本机构之间进行运动协调设计。调设计。图示压片机由三个独立工作的机构组成，各机构之间的运动必须满足协调关系3 3）各基本机构互相连接的组合）各基本机构互相连接的组合各基本机构通过某种连接方法组合在一起，形成一个各基本机构通过某种连接方法组合在一起，形成一个较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛、也较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛、也是最普遍的。是最普遍的。基本机构的连接组合方式主要有：串联组合、并联基本机构的连接组合方式主要有：串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合等。其中串联组合是应组合、叠加组合和封闭组合等。其中串联组合是应用最普遍的组合。用最普遍的组合。v机构的组合原理，是指将几个基本机构按一定的原则机构的组合原理，是指将几个基本机构按一定的原则或规律，组合成一个复杂的机构，这个复杂的机构有或规律，组合成一个复杂的机构，这个复杂的机构有两种形式，一种是由几种基本机构融合成性能更加完两种形式，一种是由几种基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构善、运动形式更加多样化的新机构组合机构；另组合机构；另一种则是由几种基本机构组合在一起，组合体的各基一种则是由几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构还保持各自特性，但需要各个机构的运动或动本机构还保持各自特性，但需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称为机作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称为机构的组合。构的组合。v基本机构主要是指机械中最常用的、最简单的一些机构，如基本机构主要是指机械中最常用的、最简单的一些机构，如四连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。利用四连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。利用这些基本机构的良好性能，改善它们的不良特性，运用机构这些基本机构的良好性能，改善它们的不良特性，运用机构组合原理构造出既满足工作要求，又具有良好运动和动力性组合原理构造出既满足工作要求，又具有良好运动和动力性能的机构。能的机构。总结常用的机构组合方法如下。常用的机构组合方法如下。1 1、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组2 2、按照串联规则组合基本机构、按照串联规则组合基本机构3 3、按照并联规则组合基本机构、按照并联规则组合基本机构4 4、按照叠加规则组合基本机构、按照叠加规则组合基本机构5 5、按照封闭规则组合基本机构、按照封闭规则组合基本机构6 6、上述方法的混合连接，、上述方法的混合连接，可得到复杂的机构系统。可得到复杂的机构系统。CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合第二节第二节 机构组成原理与机构创新设计机构组成原理与机构创新设计一、一、IIII级杆组的类型级杆组的类型 n=2n=2，P Pl l=3=3的杆组，为的杆组，为II级杆组。级杆组。当内接副为转动副时，两个外接副可同时为转动副，当内接副为转动副时，两个外接副可同时为转动副，也可以一个为转动副，另一个为移动副，或者两个也可以一个为转动副，另一个为移动副，或者两个外接副同时为移动副外接副同时为移动副IIII级杆组分类图级杆组分类图 RRRPRRRRPRPPPRRPPRRPR内接副为转动副内接副为转动副内接副为移动副内接副为移动副 级杆组分类图级杆组分类图 3R3R杆组杆组(以三个内接副开始以三个内接副开始)3R3RPRRRRRRRRRPPRRPPRRP3R2RP3RR2P3R3P2RP3R2RP2RP2RPR2P2RP3P2RP2RP杆组杆组R2PR2P杆组杆组R2P3RR2P2RPR2PR2PR2P3P3P3P杆组杆组3P3R3PR2P 3P3P 3P2RP三、机构组成原理与机构创新设计三、机构组成原理与机构创新设计1 1、机构组成原理、机构组成原理 把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以把基本杆组依次连接到原动件和机架上，可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。机构提供了明确的途径。2 2、机构组成原理与机构创新、机构组成原理与机构创新 把前述的各种把前述的各种IIII级杆组和级杆组和IIIIII级杆组连接到原动级杆组连接到原动件和机构上，可以组成基本机构；再把各种件和机构上，可以组成基本机构；再把各种IIII级杆级杆组和组和IIIIII级杆组连接到基本机构的从动件上，可以级杆组连接到基本机构的从动件上，可以组成复杂的机构系统。组成复杂的机构系统。BCA+=BCADE+DE=BCARRP杆组连接到原动件和机架上杆组连接到原动件和机架上连接连接 级级杆组杆组BCDABCDAEFG+BCDAEFG=BEFGCDARRRRRR杆组连接到原动件和机架上杆组连接到原动件和机架上RRRRRR杆组连接机构的从动件杆组连接机构的从动件和机架上和机架上连接连接级级杆组到一个原动件和机架上杆组到一个原动件和机架上ABCFGDEABCFGDE=+ABCFGDE=+ABCFGDEHKKH3R3R3R3R杆组连接到三个原动件杆组连接到三个原动件(并联机构并联机构)A+FGCEBD=AFGCEBD3R2RP3R2RP杆组连接到一个原动件和机架上杆组连接到一个原动件和机架上杆组类型很多杆组类型很多,把基本杆组连接到原动件和把基本杆组连接到原动件和机架上可组成新机构。把机架上可组成新机构。把基本杆组再连接到基本杆组再连接到机构的从动件和机架上可组成复杂机构。机构的从动件和机架上可组成复杂机构。第三节第三节 机构的串联组合与创新设计机构的串联组合与创新设计一、机构的串联组合一、机构的串联组合1 1、基本概念、基本概念 前一个机构的输出构件与后一个机构的输入前一个机构的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构件刚性连接在一起，称之为串联组合。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。机构机构1机构机构2机构机构1机构机构2前置机构前置机构后置机构后置机构 I I型串联型串联 前置机构前置机构后置机构后置机构IIII型串联型串联2、串联组合分类、串联组合分类v二、串联式机构组合与创新v1.1.串联式机构组合的原理与创新方法串联式机构组合的原理与创新方法 v串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序串联式机构组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接，以前一个机构的输出构件作为后一个机构的输联接，以前一个机构的输出构件作为后一个机构的输入构件的机构组合方式。入构件的机构组合方式。v2.2.串联式机构组合的主要功能分析串联式机构组合的主要功能分析v(1)(1)型串联式组合型串联式组合v1)1)前置子机构为连杆机构前置子机构为连杆机构连杆机构的输出构件一般是连连杆机构的输出构件一般是连架杆，它能实现往复摆动、往复移动及变速转动输出，可具架杆，它能实现往复摆动、往复移动及变速转动输出，可具有急回特性。常采用的后置子机构有：连杆机构、凸轮机构、有急回特性。常采用的后置子机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、槽轮机构、棘轮机构。齿轮机构、槽轮机构、棘轮机构。v例例 图示的缝纫机梭心摆动机构，图示的缝纫机梭心摆动机构，前置子机构为铰链四杆机构，后置前置子机构为铰链四杆机构，后置子机构为导杆机构，其中导杆子机构为导杆机构，其中导杆O OB BC C与与摇杆摇杆O OB BB B联为一体。当主动曲柄联为一体。当主动曲柄O OA AA A回回转时，从动摇杆转时，从动摇杆O OB BB B作往复摆动，其最作往复摆动，其最大摆角为大摆角为 3 3，该摆角满足不了缝纫机，该摆角满足不了缝纫机梭心摆动的摆角要求，为此，通过串联梭心摆动的摆角要求，为此，通过串联一导杆机构，则摇杆一导杆机构，则摇杆O OC CC C的摆角的摆角 5 5可达可达200200左右，增大了输出摆角，即可满左右，增大了输出摆角，即可满足缝纫机梭心的摆动要求。该串联式机足缝纫机梭心的摆动要求。该串联式机构组合实现了输出摆角增大作用。构组合实现了输出摆角增大作用。v例例 图示连杆齿轮齿条行程倍增机构，前置子机构为图示连杆齿轮齿条行程倍增机构，前置子机构为连杆机构，后置子机构为齿轮齿条机构。主动曲柄连杆机构，后置子机构为齿轮齿条机构。主动曲柄1 1转转动，推动齿轮动，推动齿轮3 3与上、下齿条与上、下齿条4 4、5 5啮合传动，上齿条啮合传动，上齿条4 4固定，下齿条固定，下齿条5 5作往复移动，其行程作往复移动，其行程H=H=4 4R R，即把连杆机构，即把连杆机构的输出行程扩大了一倍。显然，在输出位移相同的前提下，的输出行程扩大了一倍。显然，在输出位移相同的前提下，其曲柄比一般对心曲柄滑块机构的曲柄可缩小一半，从而可其曲柄比一般对心曲柄滑块机构的曲柄可缩小一半，从而可缩小整个机构尺寸。若将齿轮缩小整个机构尺寸。若将齿轮3 3改为双联齿轮改为双联齿轮3-33-3，节圆半，节圆半径分别为径分别为r r3 3、r r33，齿轮，齿轮3 3与固定齿条与固定齿条4 4啮合，齿轮啮合，齿轮33与移与移动齿条动齿条5 5啮合，其行程为啮合，其行程为 当当 时，时，H4R。该串联式机构组合，该串联式机构组合，实现了输出行程成倍实现了输出行程成倍增大作用。增大作用。v2)2)前置子机构为凸轮机构前置子机构为凸轮机构通常后置子机构利用凸轮通常后置子机构利用凸轮机构输出构件的运动规律，改善后置子机构的运动特性，机构输出构件的运动规律，改善后置子机构的运动特性，或使其运动行程增大。后置子机构可以是连杆机构、齿或使其运动行程增大。后置子机构可以是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构等。轮机构、槽轮机构等。例例 增大运动行程的凸轮增大运动行程的凸轮连杆机构，前置子机构为摆动连杆机构，前置子机构为摆动从动件凸轮机构，后置子机构从动件凸轮机构，后置子机构为摇杆滑块机构。凸轮机构的为摇杆滑块机构。凸轮