机构的选型和组合应用.docx

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机构的选型和组合应用

第八章机构的选型和组合应用

基本要求:

1.了解机构选型的基本知识；

2.了解运动循环图和组合机构应用的基本概念；

3.了解机构的组合方式和所得相应组合机构的类型、分析及设计方法

4.了解组合机构分析和设计的基本思路。

教学内容:

1研究机构选型和组合应用的目的和内容

2机构的组合方式和相应组合机构的分析与设计

3机构的选型

4机器执行机构的协调设计和运动循环图

重点难点:

本章重点是机器执行机构的协调设计和运动循环图。

机构的组合是发展新机构的重要途径之一。

学习的难点在于掌握机构组合的方式和特点，以及组合机构的基本原理和设计思路，以便在进行机械系统方案设计时，能够根据机械工艺动作的不同特点，选择不同类型的组合机构或利用适当的组合方式创造新机构。

§8－1研究机构选型和组合应用的目的和内容

一、研究的目的

由于生产对各种机器的要求千变万化，工作原理各殊，因而其工艺过程所需的动作往往不只一个，不是单独一个机构所能实现的，而必须应用几个机构适当组合起来才能完成。

由于能够变化转速大小的传动机构和能够转换输入件与输出件所需运动型式的执行机构往往有很多种，他们各有优缺点，故应当按照实际情况选用其中最好的一种。

因此，设计机器时，便会遇到机构的选型和组合应用问题。

二、机构选型和组合应用的内容

机器整机设计的内容和步骤是：

1.根据生产任务拟定机器的工作原理，再进行工艺动作分析，定出其运动方案，从而便确定了所需的执行构件的数目和运动。

2.合理选择能够实现各执行构件所需运动的机构。

3.根据工艺过程各个动作的要求，编制机器的运动循环图来确定各执行构件动作的协调关系。

及结构设计计算，绘制装配图和零件工作图。

4.进行整体布置，完成各个机构的运动设计和动力设计，绘制组合起来的机构系统的运动简图。

5.进行零、部件的动力计算、强度设计

§8－2机构的组合方式和组合机构的分析与设计

在工程实际中，对于比较复杂的运动变换，单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的要求。

由此，人们把若干种基本机构用一定方式连接起来成为组合机构，以便得到单个基本机构所不能有的运动性能。

机构的组合是发展新机构的重要途径之一。

组合机构

由串联方式组合所形成的机构系统，其分析和综合的方法均比较简单。

组合机构的定义：

指的是用一种机构去约束和影响另一个多自由度机构所形成的封闭式机构系统，或者是由几种基本机构有机联系、互相协调和配合所组成的机构系统。

在组合机构中：

自由度大于1的差动机构称为组合机构的基础机构；

自由度为1的基本机构称为组合机构的附加机构。

应用：

多用于来实现一些特殊的运动轨迹或获得特殊的运动规律，广泛地应用于纺织、印刷和轻工业等生产部门。

机构的组合方式有多种。

在机构组合系统中，单个的基本机构称为组合系统的子机构。

常见的机构组合方式主要有以下几种。

一、串联式组合

在机构组合系统中，若前一级子机构的输出构件即为后一级子机构的输入构件，则这种组合方式称为串联式组合。

如图（a）所示的机构就是这种组合方式的一个例子，可用图（b）所示的框图来表示。

（a）

（b）

二、并联式组合

在机构组合系统中，若几个子机构共用同一个输入构件，而它们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统，则这种组合方式称为并联式组合。

图示的双色胶版印刷机中的接纸机构就是这种组合方式的一个实例，并可用图示框图表示。

左图所示的双色胶版印刷机中的接纸机构就是这种组合方式的一个实例。

图中，凸轮1，1’为一个构件，当其转动时，同时带动四杆机构ABCD（子机构1）和四杆机构GHKM（子机构2）运动，而这两个四杆机构的输出运动又同时传给五杆机构DEFNM（子机构3），从而使其连杆9上的P点描绘出一条工作所要求的运动轨迹。

右图所示为这种组合方式的框图。

三、反馈式组合

在机构组合系统中，若其多自由度子机构的一个输入运动是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的，则这种组合方式称为反馈式组合。

图示的精密滚齿机中的分度校正机构就是这种组合方式的一个实例。

上图所示的精密滚齿机中的分度校正机构就是这种组合方式的一个实例。

图中，蜗杆1除了可绕本身的轴线转动外，还可以沿轴线移动，它和蜗轮2组成一个自由度为2的蜗杆蜗轮机构（子机构1）；凸轮2′和推杆3组成自由度为1的移动滚子从动件盘形凸轮机构（子机构2）。

其中，蜗杆1为主动件，凸轮2′和蜗轮2为一构件。

蜗杆1的一个输入运动（沿轴线方向的移动）就是通过凸轮机构从蜗轮2回授的。

四、复合式组合机构

组合系统中，若由一个或几个串联的基本机构去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构，则这种组合方式称为复合式组合。

图示的凸轮-连杆组合机构就是这种组合方式的一个实例。

在这种组合方式中，各基本机构有机连接，互相依存，它与串联式组合和并联式组合既具有共同之处，又有不同之处。

上图所示的凸轮—连杆机构，就是这种组合方式的一个例子。

图中，构件1，4，5组成自由度为1的凸轮机构（子机构1），构件1，2，3，4，5组成自由度为2的五杆机构（子机构2）。

当构件1为主动件时，C点的运动是构件1和构件4运动的合成。

与串联式组合相比，其相同之处在于子机构1和子机构2的组成关系也是串联关系，不同的是，子机构2输入运动并不完全是子机构I的输出运动；与并联式组合相比，其相同之处在于C点的输出运动也是两个输入运动的合成，不同的是，这两个输入运动一个来自子机构1，而另一个来自主动件。

⏹凸轮-连杆组合机构

   组合机构的类型多种多样，在此着重介绍几种常用组合机构的特点和功能。

   凸轮-连杆组合机构多是由自由度为2的连杆机构（作为基础机构）和自由度为1的凸轮机构（作为附加机构）组合而成。

利用这类组合机构可以比较容易地准确实现从动件的多种复杂的运动轨迹或运动规律，因此在工程实际中得到广泛应用。

Ø

实现复杂运动轨迹的凸轮-连杆组合机构

图示为平板印刷机上的吸纸机构的简图。

该机构由自由度为2的五杆机构和两个自由度为1的摆动从动件凸轮机构所组成。

Ø实现复杂运动规律的凸轮-连杆组合机构

   图示为一种结构简单的能实现复杂运动规律的凸轮-连杆组合机构。

其基础机构为自由度为2的五杆机构（由构件1，2，3，4，5组成），其附加机构为槽凸轮机构。

只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就能使从动滑块3按照预定的复杂规律运动。

   从例子可看出：

将凸轮机构和连杆机构适当加以组合而形成的凸轮-连杆组合机构，既发挥了两种基本机构的特长，又克服了它们各自的局限性。

这是凸轮-连杆组合机构在工程实际中得到日益广泛应用的原因之一。

⏹齿轮-连杆组合机构

轮-连杆组合机构是由定传动比的齿轮机构和变传动比的连杆机构组合而成。

近年来，这类组合机构在工程实际中应用日渐广泛，这不仅是由于其运动特性多种多样，还因为组成它的齿轮和连杆便于加工、精度易保证和运转可靠。

Ø实现复杂运动轨迹的齿轮-连杆组合机构

这类组合机构多是由自由度为2的连杆机构作为基础机构，自由度为1的齿轮机构作为附加机构组合而成。

利用这类组合机构的连杆曲线，可方便地实现工作要求的预定轨迹。

图示为工程实际中常用来实现复杂运动轨迹的一种齿轮-连杆组合机构。

该机构是由定轴轮系1，4，5和自由度为2的五杆机构组成1，2，3，4，5经复合式组合而成。

当改变两轮的传动比、相对相位角和各杆长度时，连杆上M点即可描绘出不同的轨迹。

Ø实现复杂运动规律的齿轮-连杆组合机构

这类组合机构多是以自由度为2的差动轮系为基础机构，以自由度为1的连杆机构为附加机构组合而成的。

其中最具特色的是用曲柄摇杆机构来封闭自由度为2的差动轮系而形成的齿轮-连杆组合机构。

图示为这类组合机构的几种基本型式。

图（a）为两轮式齿轮-连杆组合机构。

§8－3机构的选型

所谓机构的选型，是利用发散思维的方法，将前人创造发明的各种机构按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性或动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。

机构选型的方法：

1.按照执行构件所需的运动特性进行机构选型——这种方法是从具有相同运动特性的机构中，按照执行构件所需的运动特性进行搜寻。

当有多种机构均可满足所需要求时，则可根据上节所述原则，对初选的机构形式进行分析和比较，从中选择出较优的机构。

表常见运动特性及其对应机构

连续转动 

定传动比匀速 

平行四杆机构、双万向联轴节机构、齿轮机构、轮系、谐波传动机构、摆线针轮机构、摩擦轮传动机构、挠性传动机构等 

变传动比匀速 

轴向滑移圆柱齿轮机构、混合轮系变速机构、摩擦传动机构、行星无级变速机构、挠性无级变速机构等 

非匀速 

双曲柄机构、转动导杆机构、单万向连轴节机构、非圆齿轮机构、某些组合机构等 

往复运动 

往复移动 

曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、移动从动件凸轮机构、齿轮齿条机构、楔块机构、螺旋机构、气动、液压机构等 

往复摆动

曲柄摇杆机构、双摇杆机构、摆动导杆机构、曲柄摇块机构、空间连杆机构、摆动从动件凸轮机构、某些组合机构等 

间歇运动 

间歇转动

棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、某些组合机构等 

间歇摆动

特殊形式的连杆机构、摆动从动件凸轮机构、齿轮-连杆组合机构、利用连杆曲线圆弧段或直线段组成的多杆机构等

间歇移动

棘齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间歇往复运动的凸轮机构、反凸轮机构、气动、液压机构、移动杆有停歇的斜面机构等

预定轨迹

直线轨迹

连杆近似直线机构、八杆精确直线机构、某些组合机构等 

曲线轨迹

利用连杆曲线实现预定轨迹的多杆机构、凸轮-连杆组合机构、行星轮系与连杆组合机构等 

特殊运动要求

换向 

双向式棘轮机构、定轴轮系（三星轮换向机构）等

超越

齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构等 

过载保护

带传动机构、摩擦传动机构等 

…… 

…… 

利用这种方法进行机构选型，方便、直观。

设计者只需根据给定工艺动作的运动特性，从有关手册中查阅相应的机构即可，故使用普遍。

2.按照动作功能分解与组合原理进行机构选型

任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构组成的，这些基本机构具有下图所示的进行运动变换和传递动力的基本功能。

在根据生产工艺和使用要求进行执行机构设计时，可首先认真研究它需实现的总体功能。

一般情况下，总体功能可以分解成若干分功能。

这样的分解可用下式表达：

U=（Ui）     i=1,2,…,m

即总体功能U是由若干个分功能Ui组成的。

而每一个分功能又可以用不同的机构来实现，即

Tj=（ti1,ti2,…,tin）     j=1,2,…,n

   式中，Tj为能够完成该分功能的机构的集合；Tij为对应于一个能完成分功能Ui的机构；n为能实现该分功能的机构数目。

若用Ui定义行，Tj定义列，tij为元素构成矩阵，则可得如下的功能-技术矩阵：

   由于能够实现各分功能的机构数目并不相等，因此，通常将能实现某一分功能的最多机构数定为n，少于n的分功能的元素项tij用零表示。

   由于总体功能是由若干个分功能组成的，因此，只要在矩阵的每一行任找一个元素，把各行中找出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能的方案。

故在确定了各分功能顺序的前提下方案总数为

N=nm

得到各种方案后，先剔除一些明显不成立的、不符合要求的方案，然后按照上节所述的原则，筛选出一些较合理的方案，以供进一步评价。

这种方法有利于利用计算机存储、分析和选择，具有广阔前景。

一、执行构件的运动形式

1、旋转运动：

连续旋转运动，间歇旋转运动，往复摆动。

2、直线运动：

往复移动，间歇往复移动，单向间歇直线移动。

3、曲线运动：

执行构件上某一点作特定的曲线（轨迹）运动。

4、刚体导引运动：

一般指非连架杆的执行构件的刚体导引运动。

5、特殊功能运动：

如微动、补偿、换向等。

二、机构选型的基本要求

1、满足工艺动作及其运动规律的要求。

高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、适当设置调整环节。

2、机构的运动链要短。

3、机构的传力性能要好。

传动角（压力角）、防止自锁、惯性力平衡。

4、动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。

电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。

三、能够实现执行机构所需运动的机构

1.定速比转动变换机构

2.连续转动变换为往复移动或摆动机构

3.连续转动变换为周期变速转动机构

4.连续转动变换为步进运动机构

5.连续转动变换为轨迹运动机构

6.运动的合成与分解机构

§8－4执行机构的协调设计和运动循环图

一、执行系统协调设计的原则

当根据生产工艺要求确定了机械的工作原理和各执行机构的运动规律、并确定了各执行机构的型式及驱动方式后，还必须将各执行机构统一于一个整体，形成一个完整的执行系统，使这些机构以一定的次序协调工作，互相配合，以完成机械预定的功能和生产过程。

这方面的工作称为执行系统的协调设计。

执行系统协调设计的原则

满足各执行机构动作先后的顺序性要求

执行系统中各执行机构的动作过程和先后顺序，必须符合工艺过程所提出的要求，以确保系统中各执行机构最终完成的动作及物质、能量、信息传递的总体效果能满足设计要求。

满足各执行机构动作在时间上的同步性要求

为了保证各执行机构的动作不仅能够以一定的先后顺序进行，而且整个系统能够周而复始地循环协调工作，必须使各执行机构的运动循环时间间隔相同，或按工艺要求成一定的倍数关系。

满足各执行机构在空间布置上的协调性要求

各执行机构的空间位置应协调一致，对于有位置制约的执行系统，必须进行各执行机构在空间位置上的协调设计，以保证在运动过程中各执行机构间及机构与环境间不发生干涉。

满足各执行机构操作上的协同性要求

当两个或两个以上的执行机构同时作用于同一对象完成同一执行动作时，各执行机构之间的运动必须协调一致。

各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率

为了提高生产率，应尽量缩短执行系统的工作循环周期。

通常有两种办法，一是尽量缩短各执行机构工作行程和空回行程的时间；二是在前一个执行机构回程结束之前，后一个即开始工作行程，即在不产生干涉的前提下，充分利用两个执行机构的空间裕量。

各执行机构的布置要有利于系统的能量协调和效率的提高

当系统中包含多个低速大功率执行机构时，宜采用多个运动链并行的联接方式；当系统中有几个功率不大，效率均很高的执行机构时，采用串联方式比较适宜。

二、执行机构运动协调设计

执行机构的布局：

1、执行构件的布置

特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便

2、执行机构的布置

1）与执行构件的联接是否方便；

2）执行机构原动件布置的位置是否恰当；

6.尽可能接近执行构件；

7.使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根轴或少数几根轴上；

8.各原动件应保持等速或定速比。

三、执行机构运动协调设计应满足的要求

1、保证各执行机构动作的顺序性；

2、各执行构件的动作在时间上同步；

3、保证空间的同步性；

4、保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性；

5、二执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处发生干涉；

四、执行机构运动协调设计的分析计算

1、各执行机构运动循环时间同步化计算

1）确定最大工作循环周期Tmax；

2）确定机械最小工作循环周期Tmin；

3）确定合理的机构系统的工作循环周期T；

4）确定各机构分配轴的转速和工作行程的起始角。

2、各执行机构运动循环空间同步化计算

合理确定各执行机构的运动错位角，避免空间上的干涉。

五、机械运动循环图

用来描述各执行构件运动间相互协调配合的图称为机械的运动循环图。

由于机械在主轴或分配轴转动一周或若干周内完成一个运动循环，故运动循环图常以主轴或分配轴的转角为坐标来编制。

通常选取机械中某一主要的执行构件为参考件，取其有代表性的特征位置作为起始位置（通常以生产工艺的起始点作为运动循环的起始点），由此来确定其他执行构件的运动相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系。

运动循环图的形式

形式

绘制方法

特点

直线式

将机械在一个运动循环中各执行构件各行程区段的起止时间和先后顺序，按比例绘制在直线坐标轴上

绘制方法简单，能清楚表示一个运动循环中各执行构件运动的顺序和时间关系；直观性差，不能显示各执行构件的运动规律

圆周式

以极坐标系原点为圆心作若干同心圆，每个圆环代表一个执行构件，由各相应圆环引径向直线表示各执行构件不同运动状态的起始和终止位置

能比较直观地看出各执行机构主动件在主轴或分配轴上的相位；当执行机构多时，同心圆环太多不一目了然，无法显示各构件的运动规律

直角坐标式

用横坐标表示机械主轴或分配轴转角，纵坐标表示各执行构件的角位移或线位移，各区段之间用直线相连

不仅能清楚地表示各执行构件动作的先后顺序，而且能表示各执行构件在各区段的运动规律

运动循环图的功能

保证各执行构件的动作相互协调、紧密配合，使机械顺利实现预期的工艺动作

为进一步设计各执行机构的运动尺寸提供了重要依据

为机械系统的安装调试提供了依据

例题绘制冷霜自动灌装机的运动循环图

四个基本运动：

1．输送带的连续运动

2．轮盘的间歇转动

3．顶杆的往复运动

4．定量泵活塞的往复运动

直线式：

圆周式：

直角坐标式：