机构创新设计机构创新设计 好的机械原理方案是否能实现，机构形式的的设计是关键的环节，常用的设计方法有机构的选型选型和机构的构型构型两大类。机构形式设计的原则机构形式设计的原则机构的选型机构的选型机构的构型机构的构型机构形式设计的原则机构形式设计的原则机构应尽可能简单机构应尽可能简单 机构运动链尽量简短机构运动链尽量简短 适当选择运动副适当选择运动副 适当的选择原动机适当的选择原动机 选用广义机构选用广义机构应尽量缩小机构尺寸应尽量缩小机构尺寸应使机构具有较好的动力学特性应使机构具有较好的动力学特性 采用传动角较大的机构采用传动角较大的机构 采用增力机构采用增力机构 采用对称布置的机构采用对称布置的机构机构形式设计的原则机构形式设计的原则1、机构运动链尽量简短、机构运动链尽量简短优先选用构件数和运动副数最少的构优先选用构件数和运动副数最少的构建建温故：温故：机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构原动件数机构原动件数=机构自由度数机构自由度数实现直线轨迹的机构实现直线轨迹的机构机构形式设计的原则机构形式设计的原则2、适当选择运动副适当选择运动副 “扬长避短扬长避短”； 一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副；一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副；在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确设计时，应尽量采用高副机构，如凸轮机构或连杆凸轮组合设计时，应尽量采用高副机构，如凸轮机构或连杆凸轮组合机构。机构。温故：温故：平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pl - ph3适当选择原动机适当选择原动机 新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的结构，甚至改变了传动机构的设计。结构，甚至改变了传动机构的设计。 1.新型电动机新型电动机 今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同，交流变今天的一些电动机已与传统的形式有很大的不同，交流变频调速技术的应用大大简化了机械变速机构。频调速技术的应用大大简化了机械变速机构。直线电动机直线电动机可直可直接输出直线运动，采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等接输出直线运动，采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构，并且具有非常高的传动定位精度（直线传动机构，并且具有非常高的传动定位精度（m级）。级）。例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、不需例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、不需要调整。要调整。直接驱动电动机直接驱动电动机，不需要经齿轮等减速机构，而可直，不需要经齿轮等减速机构，而可直接用于机器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。即使是传接用于机器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。即使是传统的电动机，随着高磁性材料和化学加工方法的应用，其尺寸统的电动机，随着高磁性材料和化学加工方法的应用，其尺寸也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀方法制作的盒式录像机驱也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为动用新型无刷直流电动机厚度仅为4mm。其中。其中4层绕组总厚度层绕组总厚度为为0.7mm，永久磁铁厚度为，永久磁铁厚度为1mm。此外，还可采用硅技术。此外，还可采用硅技术（IC制造技术）制作制造技术）制作微型电动机微型电动机。2.新材料驱动器新材料驱动器 由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与新型驱动器，它们给机构设计带来了新思想。新型驱动器，它们给机构设计带来了新思想。3.多自由度驱动器多自由度驱动器 多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需要一个驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机要一个驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理。多自由度驱动器在多自由度装构作运动协调处理。多自由度驱动器在多自由度装置中应用，可以减少驱动器的数目，省去这些作运置中应用，可以减少驱动器的数目，省去这些作运动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小体积，动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小体积，提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二自由度提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二自由度驱动器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到驱动器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位置。所期望的轨道位置。机构形式设计的原则机构形式设计的原则尽量缩小机构尺寸尽量缩小机构尺寸 连杆连杆齿轮机构齿轮机构机构形式设计的原则机构形式设计的原则尽量缩小机构尺寸尽量缩小机构尺寸 凸轮连杆机构凸轮连杆机构机构形式设计的原则机构形式设计的原则采用增力机构采用增力机构机构形式设计的原则机构形式设计的原则采用对称布置的机构采用对称布置的机构机构的选型按运动形式要求选择机构按运动形式要求选择机构 机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。要实现不同的运动变换，应选择不同的机构。表能特点和原动机的形式。要实现不同的运动变换，应选择不同的机构。表61列出了各种运动形式变换所对应的机构；表列出了各种运动形式变换所对应的机构；表62列出了实现各种工作原理采用列出了实现各种工作原理采用同机构的性能、特点、价格对照表；同机构的性能、特点、价格对照表；63列出了各种机构的运动动力特性。列出了各种机构的运动动力特性。机构方案的评价机构方案的评价 评价指标和评价体系。评价指标和评价体系。 典型机构的评价。典型机构的评价。61 实现运动形式变换的常用机构实现运动形式变换的常用机构运运动变换动变换形式形式常用机构常用机构应应用用实实例与原理例与原理等速等速转动变换为转动变换为等速等速转动转动1 1、连连杆机构杆机构平行四平行四边边形机构形机构 双双转动转动机构机构2 2、齿轮齿轮机构机构圆圆柱柱齿轮齿轮机构机构 圆锥齿轮圆锥齿轮机构机构蜗轮蜗蜗轮蜗杆机构杆机构3 3、行星、行星轮轮机构机构摆线针轮摆线针轮机构机构 谐谐波波传动传动机构机构4 4、摩擦、摩擦轮轮机构机构5 5、挠挠性件性件传动传动机构机构链传动链传动 带传动带传动 绳传动绳传动机机车联动车联动机构、机构、联轴联轴器器联轴联轴器器减速器，减速器，变变速器速器减速器，运减速器，运动动的合成与分的合成与分解解减速器，无减速器，无级变级变速速减速、减速、输输送送减速、减速、输输送、无送、无级变级变速速等速等速转动变换为变转动变换为变速速转动转动1 1、连连杆机构：双曲柄机构杆机构：双曲柄机构转动导转动导杆机构杆机构2 2、非、非圆齿轮圆齿轮机构机构惯惯性性筛筛、刨床、自、刨床、自动动机机压压力机力机等速等速转动变换为转动变换为往复往复摆动摆动1 1、连连杆机构：杆机构：曲柄曲柄摇摇杆机构杆机构曲柄曲柄摇块摇块机构、机构、摆动导摆动导杆机构杆机构2 2、摆动摆动从从动动件凸件凸轮轮机构机构3 3、气、液、气、液动动机构机构破碎机破碎机液液压摆压摆缸，自缸，自动动装卸装卸牛牛头头刨床刨床续续表表等速等速转动变换为转动变换为往复移往复移动动1 1、连连杆机构杆机构曲柄滑曲柄滑块块机构机构 移移动导动导杆机构杆机构2 2、移、移动动从从动动件件导导杆机构杆机构3 3、不完全、不完全齿轮导齿轮导杆机构杆机构冲、冲、压压、锻锻等机械装置等机械装置缝纫缝纫机机针头针头机构机构配气机构配气机构等速等速转动变换为单转动变换为单向移向移动动1 1、齿轮齿轮、齿齿条机构条机构2 2、螺旋机构、螺旋机构3 3、链传动链传动机构机构4 4、带传动带传动机构机构压压力机，千斤力机，千斤顶顶输输送机，升降机送机，升降机输输送机送机等速等速转动变换为间转动变换为间歇运歇运动动1 1、棘、棘轮轮机构机构2 2、槽、槽轮轮机构机构3 3、不完全、不完全齿轮齿轮机构机构4 4、蜗蜗杆式分度机构杆式分度机构5 5、凸、凸轮轮式分度机构式分度机构6 6、气、液、气、液动动机构机构机床的机床的进给进给，单单向离合器向离合器车车床刀架床刀架转转位，位，电电影放影机影放影机转转位工作台位工作台转转位工作台位工作台转转位工作台位工作台分度，定位分度，定位实现实现特定的运特定的运动轨动轨迹迹1 1、连连杆机构杆机构四四连连杆机构杆机构 平行平行边边杆机构杆机构2 2、凸、凸轮轮机构机构3 3、行星、行星齿轮齿轮机构机构4 4、滑、滑轮轮机构机构利用利用连连杆曲杆曲线实现轨线实现轨迹迹直直线导线导引，升降机引，升降机实现实现方型方型轨轨迹，直迹，直线线移送移送利用行星利用行星齿轮齿轮的的轨轨迹迹导导引升降装置引升降装置实现实现加加压缩紧压缩紧1 1、连连杆机构杆机构2 2、凸、凸轮轮机构机构3 3、螺旋机构、螺旋机构4 4、斜面机构、斜面机构5 5、棘、棘轮轮机构机构6 6、气、液、气、液动动机构机构利用利用转动转动副的死点位置副的死点位置利用反行程自利用反行程自锁锁的性的性质质利用反行程自利用反行程自锁锁的性的性质质超越离合器超越离合器利用利用阀阀控制控制实现实现运运动动的合成与分解的合成与分解1 1、差、差动连动连杆机构杆机构2 2、差、差动齿轮动齿轮机构机构3 3、差、差动动螺旋机构螺旋机构4 4、差、差动动棘棘轮轮机构机构数学运算数学运算汽汽车车用差速器用差速器微微调调62 实现各种工作原理采用不同机构的性能、特点、价格对照实现各种工作原理采用不同机构的性能、特点、价格对照机构机构类类型型控制方法与价格比控制方法与价格比较较开关控制开关控制速度控制速度控制力的控制力的控制价格价格比比较较机械机械类类机机构构各种离合各种离合器器连连杆机构的杆机构的杠杆比或杠杆比或齿齿哗哗机构的机构的传传动动比比连连杆机构的杆机构的杠杆比或杠杆比或齿齿哗哗机构的机构的传传动动比比便宜便宜液液压类压类机机构构各各类换类换向向阀阀流量流量调调解解阀阀溢流溢流阀阀、压压力开关，减力开关，减压阀压阀贵贵气气压类压类机机构构各各类换类换向向阀阀不易控制不易控制溢流溢流阀阀、压压力开关，减力开关，减压阀压阀便宜便宜电电磁磁类类机机构构开关、开关、继继电电器器变压变压器、器、变变阻器阻器变压变压器、器、变变阻器阻器贵贵63 常用机构的运动及动力特性常用机构的运动及动力特性机构机构类类型型运运动动及及动动力特性力特性连连杆机构杆机构可以可以输输出出转动转动、移、移动动、摆动摆动、间间歇运歇运动动，可以，可以实现实现一定的一定的轨轨迹与位置要求，迹与位置要求，利用死点楞以用作利用死点楞以用作夹紧夹紧、自、自锁锁装置；由于运装置；由于运动动副是面接触，故承副是面接触，故承载载能力大，能力大，加工精度高，但加工精度高，但动动平衡困平衡困难难，不宜用于高速，不宜用于高速凸凸轮轮机构机构可以可以输输出任意的运出任意的运动规动规律的移律的移动动、转动转动、摆动摆动，但，但动动程不在，由于运程不在，由于运动动副是副是高副，又需要靠力或形封高副，又需要靠力或形封闭闭运运动动副，故不适副，故不适应应于重于重载载齿轮齿轮机构机构能能实现实现定定传动传动比及比及变传动变传动比，功率及比，功率及转转速的范速的范围围都很大，都很大，传动传动比准确可靠。比准确可靠。挠挠性件性性件性传动传动机机构构链传动链传动瞬瞬时传动时传动比是比是变变化的，不适化的，不适应应于高速；于高速；带传动带传动有有弹弹性滑性滑动动，有吸振和，有吸振和过载过载保保护护作用，两者都可以作用，两者都可以实现远实现远距离距离传动传动螺旋机构螺旋机构可可实现实现微微动动、增力、定位等功能；工作平、增力、定位等功能；工作平稳稳，精度高，但效率低，精度高，但效率低蜗蜗杆机构杆机构传动传动比大，体比大，体积积小；但效率低，可以小；但效率低，可以实现实现反程自反程自锁锁气、液气、液动动机构机构常用于常用于驱动驱动、压压力、力、阀阀、阻尼等机构；利用流量、阻尼等机构；利用流量变变化可以化可以实现变实现变速；利用流速；利用流体的可体的可压缩压缩性，可以性，可以实现实现吸振、吸振、缓缓冲、阻尼、控制、冲、阻尼、控制、记录记录等功能；但有密等功能；但有密闭闭性要求性要求电电控机构控机构利用利用电电、磁元件作、磁元件作为为中介，可使机构快速启中介，可使机构快速启动动与停止；多用于控制装置与停止；多用于控制装置间间歇运歇运动动机构机构常用的棘常用的棘轮轮机构、槽机构、槽轮轮机构，它机构，它们们可以可以实现间实现间歇歇进给进给、转转位、分度；但有位、分度；但有刚刚性冲性冲击击，比已用于高速、精密要求的，比已用于高速、精密要求的蜗蜗杆与凸杆与凸轮轮式分度机构式分度机构转转位平位平稳稳，冲，冲击击小，但小，但设计设计加工加工难难度大度大机构的构型机构的构型基本思路：基本思路：以通过选型初步确定的机构方案雏型，通过组合、以通过选型初步确定的机构方案雏型，通过组合、 变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。利用组合原理构型新机构利用组合原理构型新机构利用机构的变异构型新机构利用机构的变异构型新机构利用再生运动链法构型新机构利用再生运动链法构型新机构广义机构创新设计广义机构创新设计构型构型创新新设计概念概念机构构型、机构构型、选型型 为了一个原理，可以采用不同的机构，了一个原理，可以采用不同的机构，如杠杆原理可以采作如杠杆原理可以采作连杆机构、杆机构、齿轮机构、机构、滑滑轮机构等。机构等。 可利用机构的可利用机构的变异、异、组合、合、再生等再生等创新方法构造出新型机构来。新方法构造出新型机构来。 要要实现不同的运不同的运动变换，应选择不同的机构或不同的机构或结构构。运运动转换形式（一）形式（一）等速等速转动 等速等速转动 可以采用的机构有可以采用的机构有连杆机构（杆机构（平行四平行四边形机形机构构），齿轮机构，机构，挠性件机构性件机构（皮（皮带传动、链传动，绳传动），），摩擦摩擦轮传动。 等速等速转动 变速速转动 一般的一般的连杆机构，非杆机构，非圆齿轮机构。机构。 等速等速转动 往复往复摆动 连杆机构，杆机构，摆动从从动件凸件凸轮机构，气、液机构，气、液动机构。机构。运运动转换形式（二）形式（二）等速等速转动 单向移向移动 齿轮齿条件机构，螺旋机构，条件机构，螺旋机构，链传动机构，机构，带传动机构。机构。 等速等速转动 间歇运歇运动 棘棘轮机构，槽机构，槽轮机构，不完全机构，气、机构，不完全机构，气、液液压传动机构。机构。 实现运运动合成与分解合成与分解 差差动连杆机构，差杆机构，差动齿轮机构，差机构，差动螺螺旋机构。旋机构。机构的运机构的运动及及动力特性（一）力特性（一） 连杆机构：承杆机构：承载能力大，加工精度高，但不宜能力大，加工精度高，但不宜用于高速。用于高速。 凸凸轮机构：可以机构：可以输出任意运出任意运动规律的律的移移动，但，但动程不大，程不大，办适适应于于轻载。 螺旋机构：螺旋机构：可可实现微微动、增力。工作平、增力。工作平稳，精度高，但效率低。，精度高，但效率低。 蜗杆机构：杆机构：传动比大，体比大，体积小，但效率低，可以小，但效率低，可以实现行程自行程自锁。机构的运机构的运动及及动力特性（二）力特性（二） 齿轮机构：功率与机构：功率与转速的范速的范围大，大，传动比精比精确度高，确度高，传动可靠，效率高。可靠，效率高。 气、液气、液压传动：运：运动形式比形式比较灵活，控制方便，但制造使作要求高，灵活，控制方便，但制造使作要求高，有密有密闭性要求。性要求。 电器机构：利用器机构：利用电器、磁元件作器、磁元件作为中介，可使机构快速启中介，可使机构快速启动，多用于控制系，多用于控制系统。 间歇机构：可以歇机构：可以实现间歇歇进给、转位、分度；但位、分度；但有有刚性冲性冲击，设计加工的加工的难度度较大。大。各种各种类型机构的性能、特点、价格型机构的性能、特点、价格机构类型控制方法与价格比较 开关控制 速度控制 力的控制价格比较机械类机构离合器杠杆比，传动比杠杆比，传动比便宜液压类机构换向阀流量阀溢流阀、压力开关，减压阀贵气压类机构换向阀不易控制溢流阀，压力开关、减压阀便宜电磁类机构开关，继电器变压器、变阻器变压器、变阻器 贵机构构型的注意事机构构型的注意事项应尽量尽量满足或接近功能目足或接近功能目标：满足某一足某一规定原理要求或运定原理要求或运动形式形式变换要求的机构种要求的机构种类很多，宜采用多很多，宜采用多选淘汰法确定。淘汰法确定。 要力求要力求结构构简单：运：运动链要短，构件与运要短，构件与运动副数量要少，副数量要少，结构尺寸要适度，布局要构尺寸要适度，布局要紧凑。凑。 要方便制造，提高精度：低副机构要比高要方便制造，提高精度：低副机构要比高副机构容制造，在低副机构中，副机构容制造，在低副机构中，转动副比副比移移动副更能保副更能保证精度。精度。机构构型的注意事机构构型的注意事项保持良好的保持良好的动力特性：要有力特性：要有较大的大的传动角，在角，在高速运高速运动的的时候，要注意候，要注意动平衡。尽量不采用平衡。尽量不采用杠件作高速运杠件作高速运动的构件。的构件。 保持高的机械效益与效率：机械效益是衡量机保持高的机械效益与效率：机械效益是衡量机构省力程度的一个重要构省力程度的一个重要标志，是志，是设计质量的反量的反映。要映。要选用用较大的大的传动角，角，选用用结构构简单的机的机构。构。 考考虑动力源的形式：如果不是运力源的形式：如果不是运动机械，考机械，考优先考先考虑用用电源。如果是运源。如果是运动机械，机械，则考考虑用油用油或气源。按当地的或气源。按当地的资源源进行合理的配置。行合理的配置。 本章结束本章结束