機構(gòu)的選型和組合應用

1、第八章 機構(gòu)的選型和組合應用基本要求: 1. 了解機構(gòu)選型的基本知識； 2. 了解運動循環(huán)圖和組合機構(gòu)應用的基本概念；3. 了解機構(gòu)的組合方式和所得相應組合機構(gòu)的類型、分析及設計方法4. 了解組合機構(gòu)分析和設計的基本思路。教學內(nèi)容: 1 研究機構(gòu)選型和組合應用的目的和內(nèi)容2 機構(gòu)的組合方式和相應組合機構(gòu)的分析與設計3 機構(gòu)的選型4 機器執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)的協(xié)調(diào)設計和運動循環(huán)圖。機構(gòu)的組合是發(fā)展新機構(gòu)的重要途徑之一。學習的難點在于掌握機構(gòu)組合的方式和特點，以及組合機構(gòu)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)機械工藝動作的不同特點，選

2、擇不同類型的組合機構(gòu)或利用適當?shù)慕M合方式創(chuàng)造新機構(gòu)。§81 研究機構(gòu)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(gòu)所能實現(xiàn)的，而必須應用幾個機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)的選型和組合應用問題。二、 機構(gòu)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(gòu)件的數(shù)目和運動。2. 合理選擇能夠?qū)崿F(xiàn)各執(zhí)行構(gòu)件所需運動的機構(gòu)。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(gòu)件動作的協(xié)調(diào)關系。及結(jié)構(gòu)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(gòu)的運動設計和動力設計，繪制組合起來的機構(gòu)系統(tǒng)的運動簡圖。5. 進行零、部件的動力計算、強度設計§82 機構(gòu)的組合方式和組合機構(gòu)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(gòu)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(gòu)用一定方式連接起來成為組合機構(gòu)，以便得到單個基本機構(gòu)所不能有的運動性能。機

4、構(gòu)的組合是發(fā)展新機構(gòu)的重要途徑之一。組合機構(gòu) 由串聯(lián)方式組合所形成的機構(gòu)系統(tǒng)，其分析和綜合的方法均比較簡單。組合機構(gòu)的定義：指的是用一種機構(gòu)去約束和影響另一個多自由度機構(gòu)所形成的封閉式機構(gòu)系統(tǒng)，或者是由幾種基本機構(gòu)有機聯(lián)系、互相協(xié)調(diào)和配合所組成的機構(gòu)系統(tǒng)。在組合機構(gòu)中：自由度大于1的差動機構(gòu)稱為組合機構(gòu)的基礎機構(gòu)；自由度為1的基本機構(gòu)稱為組合機構(gòu)的附加機構(gòu)。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(gòu)的組合方式有多種。在機構(gòu)組合系統(tǒng)中，單個的基本機構(gòu)稱為組合系統(tǒng)的子機構(gòu)。常見的機構(gòu)組合方式主要有以下幾種。一、 串聯(lián)式組合在機構(gòu)組合系統(tǒng)

5、中，若前一級子機構(gòu)的輸出構(gòu)件即為后一級子機構(gòu)的輸入構(gòu)件，則這種組合方式稱為串聯(lián)式組合。如圖（a）所示的機構(gòu)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。（a） （b）二、并聯(lián)式組合在機構(gòu)組合系統(tǒng)中，若幾個子機構(gòu)共用同一個輸入構(gòu)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(gòu)，從而形成一個自由度為1的機構(gòu)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(gòu)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(gòu)就是這種組合方式的一個實例。圖中，凸輪 1 ， 1 為一個構(gòu)件，當其轉(zhuǎn)動時，同時帶動四桿機構(gòu) ABCD （子機構(gòu) 1 ）和四桿機

6、構(gòu) GHKM （子機構(gòu) 2 ）運動，而這兩個四桿機構(gòu)的輸出運動又同時傳給五桿機構(gòu) DEFNM （子機構(gòu) 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(gòu)組合系統(tǒng)中，若其多自由度子機構(gòu)的一個輸入運動是通過單自由度子機構(gòu)從該多自由度子機構(gòu)的輸出構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)（子機構(gòu)

7、 1 ）；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(gòu)（子機構(gòu) 2 ）。其中，蝸桿 1 為主動件，凸輪 2 和 蝸輪 2 為一構(gòu)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(gòu)從蝸輪 2 回授的。 四、復合式組合機構(gòu)組合系統(tǒng)中，若由一個或幾個串聯(lián)的基本機構(gòu)去封閉一個具有兩個或多個自由度的基本機構(gòu)，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(gòu)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(gòu)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 連桿機構(gòu)，就是這種組合方式的一個例子。圖中，構(gòu)件 1 ， 4

8、 ， 5 組成自由度為 1 的凸輪機構(gòu)（子機構(gòu) 1 ），構(gòu)件 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 組成自由度為 2 的五桿機構(gòu)（子機構(gòu) 2 ）。當構(gòu)件 1 為主動件時， C 點的運動是構(gòu)件 1 和構(gòu)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(gòu) 1 和子機構(gòu) 2 的組成關系也是 串聯(lián) 關系，不同的是， 子機構(gòu) 2 輸入運動并不完全是子機構(gòu) I 的輸出運動；與并聯(lián)式組合相比，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(gòu) 1 ，而另一個來自主動件。 n 凸輪-連桿組合機構(gòu)     組合機構(gòu)的類型多種多樣，在

9、此著重介紹幾種常用組合機構(gòu)的特點和功能。    凸輪-連桿組合機構(gòu)多是由自由度為2的連桿機構(gòu)（作為基礎機構(gòu)）和自由度為1的凸輪機構(gòu)（作為附加機構(gòu)）組合而成。利用這類組合機構(gòu)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。Ø 實現(xiàn)復雜運動軌跡的凸輪-連桿組合機構(gòu)圖示為平板印刷機上的吸紙機構(gòu)的簡圖。該機構(gòu)由自由度為2的五桿機構(gòu)和兩個自由度為1的擺動從動件凸輪機構(gòu)所組成。Ø 實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的凸輪-連桿組合機構(gòu)    圖示為一種結(jié)構(gòu)簡單的能實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的凸輪-連桿組合機構(gòu)。其

10、基礎機構(gòu)為自由度為2的五桿機構(gòu)（由構(gòu)件1，2，3，4，5組成），其附加機構(gòu)為槽凸輪機構(gòu)。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(gòu)和連桿機構(gòu)適當加以組合而形成的凸輪-連桿組合機構(gòu)，既發(fā)揮了兩種基本機構(gòu)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(gòu)在工程實際中得到日益廣泛應用的原因之一。n 齒輪-連桿組合機構(gòu)輪-連桿組合機構(gòu)是由定傳動比的齒輪機構(gòu)和變傳動比的連桿機構(gòu)組合而成。近年來，這類組合機構(gòu)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

11、和運轉(zhuǎn)可靠。Ø 實現(xiàn)復雜運動軌跡的齒輪-連桿組合機構(gòu)這類組合機構(gòu)多是由自由度為2的連桿機構(gòu)作為基礎機構(gòu)，自由度為1的齒輪機構(gòu)作為附加機構(gòu)組合而成。利用這類組合機構(gòu)的連桿曲線，可方便地實現(xiàn)工作要求的預定軌跡。 圖示為工程實際中常用來實現(xiàn)復雜運動軌跡的一種齒輪-連桿組合機構(gòu)。該機構(gòu)是由定軸輪系1，4，5和自由度為2的五桿機構(gòu)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。Ø 實現(xiàn)復雜運動規(guī)律的齒輪-連桿組合機構(gòu)這類組合機構(gòu)多是以自由度為2的差動輪系為基礎機構(gòu)，以自由度為1的連桿機構(gòu)為附加機構(gòu)組合而成的。其中最具

12、特色的是用曲柄搖桿機構(gòu)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(gòu)。圖示為這類組合機構(gòu)的幾種基本型式。圖(a)為兩輪式齒輪-連桿組合機構(gòu)。§83 機構(gòu)的選型所謂機構(gòu)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(gòu)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(gòu)件所需要的運動特性或動作功能進行搜索、選擇、比較和評價，選出執(zhí)行機構(gòu)的合適形式。機構(gòu)選型的方法：1. 按照執(zhí)行構(gòu)件所需的運動特性進行機構(gòu)選型這種方法是從具有相同運動特性的機構(gòu)中，按照執(zhí)行構(gòu)件所需的運動特性進行搜尋。當有多種機構(gòu)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(gòu)形式進行分析和比較，從中選擇

13、出較優(yōu)的機構(gòu)。表 常見運動特性及其對應機構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動   定傳動比勻速   平行四桿機構(gòu)、雙萬向聯(lián)軸節(jié)機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、輪系、諧波傳動機構(gòu)、擺線針輪機構(gòu)、摩擦輪傳動機構(gòu)、撓性傳動機構(gòu)等   變傳動比勻速   軸向滑移圓柱齒輪機構(gòu)、混合輪系變速機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)、行星無級變速機構(gòu)、撓性無級變速機構(gòu)等   非勻速   雙曲柄機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)、單萬向連軸節(jié)機構(gòu)、非圓齒輪機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等   往復運動   往復移動   曲柄滑塊機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)、正弦機構(gòu)、移動從動件凸輪機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、楔塊機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、

14、氣動、液壓機構(gòu)等   往復擺動曲柄搖桿機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)、擺動導桿機構(gòu)、曲柄搖塊機構(gòu)、空間連桿機構(gòu)、擺動從動件凸輪機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等   間歇運動   間歇轉(zhuǎn)動棘輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)、凸輪式間歇運動機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等   間歇擺動特殊形式的連桿機構(gòu)、擺動從動件凸輪機構(gòu)、齒輪-連桿組合機構(gòu)、利用連桿曲線圓弧段或直線段組成的多桿機構(gòu)等間歇移動棘齒條機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)、從動件作間歇往復運動的凸輪機構(gòu)、反凸輪機構(gòu)、氣動、液壓機構(gòu)、移動桿有停歇的斜面機構(gòu)等預定軌跡直線軌跡連桿近似直線機構(gòu)、八桿精確直線機構(gòu)、某些組合機構(gòu)等  曲線軌跡利用連桿

15、曲線實現(xiàn)預定軌跡的多桿機構(gòu)、凸輪-連桿組合機構(gòu)、行星輪系與連桿組合機構(gòu)等   特殊運動要求換向   雙向式棘輪機構(gòu)、定軸輪系（三星輪換向機構(gòu)）等超越齒式棘輪機構(gòu)、摩擦式棘輪機構(gòu)等   過載保護帶傳動機構(gòu)、摩擦傳動機構(gòu)等       利用這種方法進行機構(gòu)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(gòu)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(gòu)選型任何一個復雜的執(zhí)行機構(gòu)都可以認為是由一些基本機構(gòu)組成的，這些基本機構(gòu)具有下圖所示的進行運動變換和傳遞動力的基本功能。在根據(jù)生產(chǎn)工藝和使用要求進行

16、執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)來實現(xiàn)，即Tj=(ti1,ti2,tin)      j=1,2,n    式中，Tj為能夠完成該分功能的機構(gòu)的集合；Tij為對應于一個能完成分功能Ui的機構(gòu)；n為能實現(xiàn)該分功能的機構(gòu)數(shù)目。若用Ui定義行，Tj定義列，tij為元素構(gòu)成矩陣，則可

17、得如下的功能-技術(shù)矩陣：    由于能夠?qū)崿F(xiàn)各分功能的機構(gòu)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(gòu)數(shù)定為n，少于n的分功能的元素項tij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(gòu)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 N=nm得到各種方案后，先剔除一些明顯不成立的、不符合要求的方案，然后按照上節(jié)所述的原則，篩選出一些較合理的方案，以供進一步評價。這種方法有利于利用計算機存儲、分析和選擇，具有廣闊前景。一、 執(zhí)行構(gòu)

18、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、曲線運動：執(zhí)行構(gòu)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(gòu)件的剛體導引運動。 5、特殊功能運動：如微動、補償、 換向等。二、 機構(gòu)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(gòu)、低副機構(gòu)、注意約束在機構(gòu)中的作用、 適當設置調(diào)整環(huán)節(jié)。2、機構(gòu)的運動鏈要短 。3、機構(gòu)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(gòu)和改善運動質(zhì)量 。 電機（交流電機、直流電機、伺服電機、步進電機、交

19、流變頻電機）、內(nèi)燃機、液壓馬達、氣動馬達。三、 能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)所需運動的機構(gòu)1. 定速比轉(zhuǎn)動變換機構(gòu) 2. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為往復移動或擺動機構(gòu) 3. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為周期變速轉(zhuǎn)動機構(gòu) 4. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為步進運動機構(gòu) 5. 連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為軌跡運動機構(gòu) 6. 運動的合成與分解機構(gòu)§84 執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)的運動規(guī)律、并確定了各執(zhí)行機構(gòu)的型式及驅(qū)動方式后，還必須將各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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)

20、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(gòu)動作先后的順序性要求 執(zhí)行系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)的動作過程和先后順序，必須符合工藝過程所提出的要求，以確保系統(tǒng)中各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)動作在時間上的同步性要求 為了保證各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(gòu)在空間布置上的協(xié)調(diào)性要求 各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)在空間位置上的協(xié)調(diào)設計，以保證在運動過程中

21、各執(zhí)行機構(gòu)間及機構(gòu)與環(huán)境間不發(fā)生干涉。 滿足各執(zhí)行機構(gòu)操作上的協(xié)同性要求 當兩個或兩個以上的執(zhí)行機構(gòu)同時作用于同一對象完成同一執(zhí)行動作時，各執(zhí)行機構(gòu)之間的運動必須協(xié)調(diào)一致。 各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)工作行程和空回行程的時間；二是在前一個執(zhí)行機構(gòu)回程結(jié)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(gòu)的空間裕量。 各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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

22、高的執(zhí)行機構(gòu)時，采用串聯(lián)方式比較適宜。二、執(zhí)行機構(gòu)運動協(xié)調(diào)設計 執(zhí)行機構(gòu)的布局：1、執(zhí)行構(gòu)件的布置 特別要考慮到控制此執(zhí)行構(gòu)件運動的執(zhí)行機構(gòu)的安裝是否方便2、執(zhí)行機構(gòu)的布置 1）與執(zhí)行構(gòu)件的聯(lián)接是否方便； 2）執(zhí)行機構(gòu)原動件布置的位置是否恰當；6. 盡可能接近執(zhí)行構(gòu)件；7. 使各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)運動協(xié)調(diào)設計應滿足的要求 1、保證各執(zhí)行機構(gòu)動作的順序性； 2、各執(zhí)行構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)運動協(xié)調(diào)設計的分析計算1、各執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)系統(tǒng)的工作循環(huán)周期T； 4) 確定各