机构的组合创新

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1、第五章机构的创新 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定的方式加以组合后使用 称为组合机构 概述 第一节机构组合的基本概念 一 基本机构的概念 1 最简机构把由2个构件和1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 其要素是组成机构的最多构件为2且为开链机构 原动机的机构简图为最简机构 2 基本机构把含有3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 3 基本机构的应用1 基本机构的单

2、独使用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 如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构 2 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成复杂的机械系统 各基本机构之间进行运动协调设计 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 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 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 其中串联组合是应用最普遍的组合 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

3、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善 运动形式更加多样化的新机构 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 这种形式被称为机构的组合 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能的机构 总结 常用的机构组合方法如下 1 利用机构的组成原理 不断连接各类杆组2 按照串联规则组合基本机构3 按照并联

4、规则组合基本机构4 按照叠加规则组合基本机构5 按照封闭规则组合基本机构6 上述方法的混合连接 可得到复杂的机构系统 串联组合 并联组合 第二节机构组成原理与机构创新设计 一 II级杆组的类型n 2 Pl 3的杆组 为II级杆组 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 或者两个外接副同时为移动副 II级杆组分类图 内接副为转动副 内接副为移动副 级杆组分类图 3R杆组 以三个内接副开始 2RP杆组 R2P杆组 3P杆组 三 机构组成原理与机构创新设计1 机构组成原理把基本杆组依次连接到原动件和机架上 可以组成新机构 机构组合原理为创新设计一系列的新机构

5、提供了明确的途径 2 机构组成原理与机构创新把前述的各种II级杆组和III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II级杆组和III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 RRP杆组连接到原动件和机架上 连接 级杆组 RRR杆组连接到原动件和机架上 RRR杆组连接机构的从动件和机架上 连接 级杆组到一个原动件和机架上 3R3R杆组连接到三个原动件 并联机构 3R2RP杆组连接到一个原动件和机架上 杆组类型很多 把基本杆组连接到原动件和机架上可组成新机构 把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 第三节机构的串联组合与创新设计一 机构的串联组合1 基本概

6、念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 2 串联组合分类 二 串联式机构组合与创新1 串联式机构组合的原理与创新方法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入构件的机构组合方式 2 串联式机构组合的主要功能分析 1 型串联式组合1 前置子机构为连杆机构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 例图

7、示的缝纫机梭心摆动机构 前置子机构为铰链四杆机构 后置子机构为导杆机构 其中导杆OBC与摇杆OBB联为一体 当主动曲柄OAA回转时 从动摇杆OBB作往复摆动 其最大摆角为 3 该摆角满足不了缝纫机梭心摆动的摆角要求 为此 通过串联一导杆机构 则摇杆OCC的摆角 5可达200 左右 增大了输出摆角 即可满足缝纫机梭心的摆动要求 该串联式机构组合实现了输出摆角增大作用 例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1转动 推动齿轮3与上 下齿条4 5啮合传动 上齿条4固定 下齿条5作往复移动 其行程H 4R 即把连杆机构的输出行程扩大了一倍 显然 在输出位

8、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 从而可缩小整个机构尺寸 若将齿轮3改为双联齿轮3 3 节圆半径分别为r3 r3 齿轮3与固定齿条4啮合 齿轮3 与移动齿条5啮合 其行程为 当时 H 4R 该串联式机构组合 实现了输出行程成倍增大作用 2 前置子机构为凸轮机构 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 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 例增大运动行程的凸轮 连杆机构 前置子机构为摆动从动件凸轮机构 后置子机构为摇杆滑块机构 凸轮机构的从动件与摇杆滑块机构的主动件联为一体 该机构利用一个输出端半径r2大于

9、输入端半径r1的摇杆BAC 使C点的位移大于B点的位移 从而可在凸轮尺寸较小的情况下 使滑块获得较大行程 3 前置子机构为齿轮机构齿轮机构的输出通常为转动或移动 后置子机构可以是各种类型的基本机构 可获得各种减速 增速以及其它的功能要求 例齿轮和圆柱凸轮组合的行程增大 减小 机构 前置子机构为齿轮机构 后置子机构为圆柱凸轮机构 齿轮2与凸轮3 5固定联接 齿轮1转动时 齿轮2带动凸轮一起转动 但由于凸轮机构5 4中的从动件4不能左右移动 故凸轮5边转边移 凸轮3也边转边移 带动从动件6往复移动 使从动 件6的行程增大或减小 若凸轮3 5曲线槽的升程分别是s3 s5 从动件6的移距s6则是s3与

10、s5的合成 若两凸轮的曲线槽同向时 上式用正号 即机构为行程增大机构 曲线槽反向时用负号 即机构为行程减小机构 2 型串联式组合后置子机构的输入构件 一般与前置子机构中作平面复杂运动的连杆在某一点联接 利用前置子机构与后置子机构联接点处的特殊运动轨迹 直线 圆弧曲线 8 字自交形曲线等 使机构的输出构件获得某些特殊的运动规律 如停歇 行程两次重复等 例图示六杆机构 在一个运动循环内 滑块可实现两个不同的行程 连杆2的A点的运动轨迹为一个横向8字形的曲线 构件4与连杆2在A点铰接 与滑块5在F点铰接 滑块5可沿固定导路移动 这样 当曲柄1回转一周时 滑块5可往复移动两次 三 机构串联组合基本思路

11、1 实现后置机构的运动规律的变换2 实现后置机构的速度变换3 串联时运动链尽量要短 在满足要求前提下 I型串联组合 II型串联组合 前置机构中做简单运动的构件与后置机构的原动件连接 前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的原动件连接 减少连杆机构的速度 改变滑块的运动规律 组合实例 例带有近似停歇的往复运动机构 一种串联式组合机构 组合机构的实例 设计一个往复运动机构 在滑块运动到最远点时 有一段时间近似停歇 设想 若用一个做一般平面运动的连杆来带动滑块 要产生近似停歇 则连杆的左端点在一段时间应走出一段近似圆弧 什么样的机构能产生一段圆弧呢 旋轮线 一个小圆在一个大圆内做纯滚动时 小圆上的一点

12、走出的轨迹称为旋轮线 旋轮线的一段近似一段圆弧 机构的设计 S 一种齿轮连杆机构 旋轮线AB段滑块向右运动旋轮线BC段滑块近似停歇旋轮线CA段滑块向左运动 机构的结构分析 串联式组合机构 一个周转齿轮机构 一个二杆组 串联式组合机构将两个或更多的单自由度机构前后相接 前一个机构的输出即作为后一个机构的输入 第四节机构的并联组合与创新设计一 机构的并联组合1 基本概念若干个单自由度的基本机构的输入构件连接在一起 保留各自的输出运动 或若干个单自由度机构的输出构件连接在一起 保留各自的输入运动 或输入构件连接在一起 输出构件也连接在一起 均称为并行连接 其特征是各基本机构均是单自由度机构 INPU

13、T 2 并联组合分类 3 并联组合实例 I型并联机构 II型并联机构 III型并联机构 二 并联式机构组合与创新1 并联式机构组合原理与创新方法两个或两个以上基本机构并列布置 称为并联式机构组合 型并联 各个基本机构有共同的输入构件 但却有各自的输出构件 型并联 各个基本机构具有各自的输入构件 而有共同的输出构件 型并联 各个基本机构有共同的输入与输出构件 按输出运动的性质划分 简单型并联式机构组合 输入或输出运动的性质是简单的移动 转动或摆动 复杂型并联式机构组合 主要用于实现复杂的运动或动作要求 它的输出形式一般按功能要求而设定 2 并联式机构组合的主要功能分析 1 型并联式组合 相当于运

14、动的合成 设计时要求两个并联的机构要协调 以满足所要求的输出运动 例图示多缸发动机曲柄连杆机构 由多个曲柄滑块机构并联组合而成 各曲柄滑块机构的曲柄为 制成一体的曲轴 当运动由各曲柄滑块机构的活塞输入时 曲柄即可实现无止点位置的定轴回转运动 且具有良好的平衡 减振作用 2 型并联式组合 相当于将一个运动分解为两个运动 再将这两个运动合成为一个运动输出 例图示间歇传送机构 由两个齿轮机构和两个连杆机构组成 齿轮1经两个齿轮2与2 带动一对曲柄3与3 同步转动 曲柄使连杆4 送料动梁 平动 5为工作滑轨 6为被推送的工件 由于动梁 上任一点的运动轨迹如图中点划线所示 故可间歇地推送工件 该机构将齿

15、轮机构的连续转动转化为间歇运动 运动可靠 常用于自动机的物料间歇送进 3 型并联组合 相当于运动的分解 其主要功能是实现两个运动输出 而这两个运动又相互配合 完成较复杂的工艺动作 例图示冲压机凸轮连杆机构 输入机构为两个固接在一起的盘状凸轮 凸轮1与推杆2组成移动从动件凸轮机构 凸轮1 和摆杆3组成摆动从动件凸轮机构 当凸轮1 1 转动时 推杆2实现左右移 动 同时 摆杆3实现摆动 并带动连杆机构运动 使从动构件滑块5沿固联在推杆2上的滑道上下移动 设计凸轮时应注意推杆2与滑块5的时序关系 三 并联组合的基本思路 1 对称并联相同的机构 可实现机构的平衡 2 实现运动的分解与合成3 改善机构受

16、力状态 组合实例例电影片抓片机构 一种并联式组合机构 一种齿轮连杆机构 把这个机构分解一下 它可以分为 一个五杆机构 一个齿轮机构 二自由度机构 F 3 4 2 5 2 并联式组合机构 以一个多自由度机构为基础机构 将一个或多个单自由度机构 这里统称为附加机构 的某些输出构件同时接入基础机构 机构输出构件的运动规律是基础机构输入运动规律的合成 第五节机构的叠加组合与创新设计一 机构的叠加组合1 基本概念机构叠加组合是指在一个基本机构的可动构件上再安装一个以上基本机构的组合方式 把支撑其它机构的基本机构称为基础机构 安装在基础机构可动构件上面的基本机构称为附加机构 1 I型叠加机构 2 机构的叠加组合分类 2 II型叠加机构 1 I型叠加机构 基础机构 附加机构 2 II型叠加机构 基础机构 附加机构 二 叠加式机构组合与创新1 叠加式机构组合原理与创新方法将一个机构安装在另一机构的某个运动构件上的组合形式 称为叠加式机构组合 叠加式机构组合的主要功能 是实现特定的输出 完成复杂动作 各子机构的类型通常选择单自由度的 使其运动的输入输出形式简单 以达到容易控制的目的 通常为 实现水平移动