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1、 机构的组合方式，机构的机构的组合方式，机构的变异方法和机构形式设计应变异方法和机构形式设计应遵循的原则，针对不同的设遵循的原则，针对不同的设计内容选择适合的创新方法计内容选择适合的创新方法 【主要内容【主要内容】【重点掌握【重点掌握】1.常用机构的选择常用机构的选择; 2.机构组合与实例分析机构组合与实例分析3.机构变异与实例分析机构变异与实例分析; 4.机构形式设计的原则机构形式设计的原则5.创新技法创新技法 6.机构创新设计实例机构创新设计实例1 . 常用机构的选择常用机构的选择 前面介绍了前面介绍了连杆机构、齿轮机构、凸轮连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、槽轮机构、棘轮机构机构、槽轮机构、
2、棘轮机构等都属于常用等都属于常用机构。常用机构在技术上比较成熟，在使机构。常用机构在技术上比较成熟，在使用时优先选用常用机构用时优先选用常用机构. 由于机械的功能千差万别，通常由于机械的功能千差万别，通常需要综需要综合考虑执行机构的运动形式合考虑执行机构的运动形式（包括摆动、（包括摆动、回转等）回转等）以及执行机构的传动功能以及执行机构的传动功能（如变（如变传动比、定传动比等）。传动比、定传动比等）。 如下表所示。如下表所示。机械手腕部机构机械手腕部机构表表11-1 变传动比常用机构的特点与应用变传动比常用机构的特点与应用类类 型型特特 点点应应 用用连杆机构连杆机构机构简单，制造容易，工作可
3、靠，传动距离较远，传机构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击较大运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击较大用于从动件行程较大或承受重用于从动件行程较大或承受重载的工作场合，可以实现移动、载的工作场合，可以实现移动、摆动等复杂的运动规律或轨迹摆动等复杂的运动规律或轨迹凸轮机构凸轮机构结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低律，但动载荷较大，传动效率较低用于从动件行程较小和载荷不
4、用于从动件行程较小和载荷不大以及要求特定运动规律场合大以及要求特定运动规律场合棘轮间歇机棘轮间歇机构构结构简单，从动件可获得较小角度的可调间歇转动，结构简单，从动件可获得较小角度的可调间歇转动，但传递不平稳，冲击很大但传递不平稳，冲击很大多用于进给系统，以实现送进、多用于进给系统，以实现送进、转位、分度、超越等转位、分度、超越等槽轮间歇机槽轮间歇机构构结构简单，从动件转位较平稳，而且可实现任意等时结构简单，从动件转位较平稳，而且可实现任意等时单向间歇转动，但当拨盘转速较高时，动载荷较大单向间歇转动，但当拨盘转速较高时，动载荷较大常用作自动转位机构，特别适常用作自动转位机构，特别适于转位角度在于
5、转位角度在45 以上低速传动以上低速传动凸轮间歇机凸轮间歇机构构结构较简单，传动平稳，动载荷较小，从动件可实现结构较简单，传动平稳，动载荷较小，从动件可实现任何预期的单向间歇转动，但凸轮制造困难任何预期的单向间歇转动，但凸轮制造困难用作高速分度机构或自动转位用作高速分度机构或自动转位机构机构不完全齿轮不完全齿轮机构机构结构简单，制造容易，从动件可实现较大范围单向间结构简单，制造容易，从动件可实现较大范围单向间歇传动，但啮合开始和终止时有冲击，传动不平稳歇传动，但啮合开始和终止时有冲击，传动不平稳多用作轻工机械的间歇传动机多用作轻工机械的间歇传动机构构l2.机构的组合机构的组合l 机构的组合原理
6、机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或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，规律组合成一个复杂的机构， 这个复杂的机构一般有这个复杂的机构一般有两两种形式种形式： 组合机构组合机构 l 机构组合机构组合 机构的组合方式有机构的组合方式有4种：种： 串联式机构组合串联式机构组合 并联式机构组合并联式机构组合 复合式机构组合复合式机构组合 叠加式机构组合叠加式机构组合l（1）串联式机构组合）串联式机构组合l 串联式机构组合串联式机构组合是由两个以上的机构依次串联而成的，前一机是由两个以上的机构依次串联而成的，前一机构的输出构件和输出运动为后一机构的输入构件和输入运动，从
7、而构的输出构件和输出运动为后一机构的输入构件和输入运动，从而达到工作要求的机构，达到工作要求的机构，对于连接点可设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称为对于连接点可设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称为型联型联；若连接点设在前置机构中作复杂运动的连杆上，若连接点设在前置机构中作复杂运动的连杆上， 称为称为型串联型串联l如钢锭热锯机机构（图示）如钢锭热锯机机构（图示）l 其曲柄摇杆机构其曲柄摇杆机构1、2、3、4的输出件的输出件4与曲柄滑块（或摇杆滑块与曲柄滑块（或摇杆滑块机构）机构）4、5、6、1的输入件的输入件4固接在一起，从而使没有急回特性固接在一起，从而使没有急回特性的输出件的输出件6
8、有了急回特性。有了急回特性。 两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联式组合。两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联式组合。若每个机若每个机构具有各自的输入构件，而共有一个输出构件，称为构具有各自的输入构件，而共有一个输出构件，称为型并联型并联；若；若各个基本机构有共用的输入和输出构件，称为各个基本机构有共用的输入和输出构件，称为型并联型并联；各个机构；各个机构有共同的输入构件，但却有各自的输出构件，称为有共同的输入构件，但却有各自的输出构件，称为型并联型并联（2）并联式机构组合）并联式机构组合l 并联式机构组合的特点：并联式机构组合的特点： l 各分支机构间没有任何严各分支机构间没有任何严
9、格的运动协调配合关系的并格的运动协调配合关系的并联组合。一种机构的并联组联组合。一种机构的并联组合相当于运动的合成，其主合相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善。设式的补充、加强和改善。设计时要求两个并联机构运动计时要求两个并联机构运动要协调，以满足所要求的输要协调，以满足所要求的输出运动。出运动。 （3）复合式机构组合）复合式机构组合 在复合式机构组合中至少有一个基本机构，如平面五杆机构等作为在复合式机构组合中至少有一个基本机构，如平面五杆机构等作为组合机构的主体，被称为组合机构的主体，被称为基础机构基础机构A，除了基本机构外，还有一些用，
10、除了基本机构外，还有一些用来封闭或约束基础机构的基本机构，称为来封闭或约束基础机构的基本机构，称为附加机构附加机构B。 将原动件的运动一方面传给基本机构（又称附加机构）将原动件的运动一方面传给基本机构（又称附加机构）B，转换成，转换成另一运动后，再传给基本机构另一运动后，再传给基本机构A，同时原动件又将其运动直接传给基，同时原动件又将其运动直接传给基本机构本机构A，而后者将输入的两个运动合成一个运动输出。，而后者将输入的两个运动合成一个运动输出。机构并接式机构并接式机构反馈式机构反馈式该机构由该机构由凸轮机构凸轮机构1-4-5和两个自由度的五杆机构和两个自由度的五杆机构1-2-3-4-5组合而
11、成组合而成。 原动件凸轮原动件凸轮1和曲柄和曲柄1固结，构件固结，构件4为两个机构的公共构件，当原为两个机构的公共构件，当原动凸轮转动时，从动件动凸轮转动时，从动件4移动，同时给五杆机构输入一个转角移动，同时给五杆机构输入一个转角f1和移动和移动S4,故此五杆故此五杆机构有确定的运动。机构有确定的运动。这时构件这时构件3上任一点上任一点如如C便能实现比四杆便能实现比四杆机构连杆曲线更复杂机构连杆曲线更复杂的轨迹的轨迹Cx。 并接式机构并接式机构 反馈式反馈式是原动件的运动先输入基本构件是原动件的运动先输入基本构件A，该机构的一个输出运，该机构的一个输出运动经过基本机构动经过基本机构B转换成另一
12、运动后又反馈给原来的基本机构转换成另一运动后又反馈给原来的基本机构A 。反馈式机构反馈式机构l（4）叠加式机构组合）叠加式机构组合l叠加机构就是在原机构上再叠加一个或几个，如图示叠加机构就是在原机构上再叠加一个或几个，如图示,将两个构件将两个构件5、6叠加在叠加在3、4上。上。叠加上二杆组叠加上二杆组 当当机机构构工工作作时时分分别别由由转转动动构构件件4和和曲曲柄柄1输输入入转转动动，从从而而使使马马的的运运动动轨轨迹迹是是旋旋转转运运动动和和平平面面运运动动的的叠叠加加，产产生生了了一一种种飞飞奔奔向向前前的的动动态态效果效果 。 电电动动玩玩具具马马是是一一曲曲柄柄摇摇块块机机构构安安装
13、装在在两两杆杆机机构构的的转转动动构构件件4上上组组合合而而成。成。图11-10 工业机械手工工业业机机械械手手的的手手指指A为为开开式式运运动动链链机机构构，安安装装在在水水平平移移动动的的气气缸缸B上上，而而气气缸缸B叠叠加加在在链链传传动动机机构构的的回回转转链链轮轮C上上，链链传传动动机机构构又又叠叠加加在在X形形连连杆杆机机构构D的的连连杆杆上上，使使机机械械手手的的终终端端实实现现上上下下移移动动、回回转转运运动动、水水平平移移动动以以及及机机械械手手本本身身的的手手腕腕转转动动和和手手指指抓抓取取的的多多方方位位的的动动作作效效果果，以以适适应应各各种种场场合合的的作作用用要求。
14、要求。工业机械手工业机械手l 机构的变异与演化是指用改变机构中某些构件的结构机构的变异与演化是指用改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、用不同构件为机架或原动件增加辅形状、运动尺寸、用不同构件为机架或原动件增加辅助构件等方法，使机构获得新的功能、特性和结构，助构件等方法，使机构获得新的功能、特性和结构，以满足机械设备性能要求的方法。以满足机械设备性能要求的方法。3. 机构的变异与实例分析机构的变异与实例分析（1）连杆机构的变异演化）连杆机构的变异演化1）改变构件的形状和尺寸（图导杆机构为例）改变构件的形状和尺寸（图导杆机构为例）2）改变运动副的尺寸（变异后活塞泵的机构件图为例）改变运动副的尺
15、寸（变异后活塞泵的机构件图为例）变异后活塞泵机构简图变异后活塞泵机构简图导杆机构导杆机构（2 ）凸轮机构的变异）凸轮机构的变异 图为摆动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮固定为机架，原机架为图为摆动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮固定为机架，原机架为作回转运动的原动件，再将各构件的运动尺寸作适当的改变，就变作回转运动的原动件，再将各构件的运动尺寸作适当的改变，就变异为用于异为用于异型罐头的封口机构异型罐头的封口机构。异型罐头的封口机构异型罐头的封口机构l 若将下左图（移动机构）的直线廓形的移动凸轮若将下左图（移动机构）的直线廓形的移动凸轮1外外包在圆柱体上，凸轮廓线就成为圆柱面上的螺旋线，演包在圆柱体上
16、，凸轮廓线就成为圆柱面上的螺旋线，演变成螺旋机构，如变成螺旋机构，如下右图下右图所示。所示。 移动机构移动机构螺旋机构螺旋机构l（3）齿轮机构的变异演化）齿轮机构的变异演化l 常用的齿轮也可以认为是由多条相同的凸轮廓线形成常用的齿轮也可以认为是由多条相同的凸轮廓线形成的，相应的从动轮则是由多个相同的从动件固联而成，的，相应的从动轮则是由多个相同的从动件固联而成，两轮形成一齿接一齿的传动，这就是两轮形成一齿接一齿的传动，这就是齿轮机构齿轮机构。若其中。若其中一个齿轮上仅存留部分轮齿，那么就是一个齿轮上仅存留部分轮齿，那么就是不完全齿轮传动不完全齿轮传动，它的从动轮可完成单向间歇运动，如下图。它的
17、从动轮可完成单向间歇运动，如下图。l 若齿轮中作纯滚动的节线为非圆曲线，则成为若齿轮中作纯滚动的节线为非圆曲线，则成为非圆齿非圆齿轮机构轮机构，如下图示，其从动轮作非均速运动。，如下图示，其从动轮作非均速运动。 l4 . 机构形式设计的原则机构形式设计的原则l（1）机构尽可能简单）机构尽可能简单l 机构运动链尽量简短机构运动链尽量简短 l 适当选择运动副适当选择运动副 l 适当选择原动机适当选择原动机 l 选用广义机构选用广义机构 l（2）尽量缩小机构尺寸）尽量缩小机构尺寸 （3） 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；采用增力机构采用传动角较大的机构
18、；采用增力机构 l5. 创新技法创新技法l 机械创新设计是指在充分发挥设计者创造力的前提下，机械创新设计是指在充分发挥设计者创造力的前提下，利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，从而利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，从而设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。的一种实践活动。l 智力激励技法智力激励技法 类比与联想技法类比与联想技法6. 机构创新设计实例机构创新设计实例（1）新型内燃机）新型内燃机1）往复式内燃机）往复式内燃机活活塞塞式式发发动动机机的的主主体体是是曲曲柄柄滑滑块块机机构构，它它利利用用气气
19、体体燃燃爆爆使使活活塞塞1在在气气缸缸3内内往往复复移移动动，经经连连杆杆2推推动动曲曲柄柄4做做旋旋转转运运动动，输输出出转转矩矩。进进气气阀阀5和排气阀和排气阀6的开启由专门的凸轮机构控制的开启由专门的凸轮机构控制活塞式发动机工作时具有活塞式发动机工作时具有吸气、压缩、做功（燃爆）吸气、压缩、做功（燃爆）和排气和排气4个冲程个冲程，其中，只有做功冲程输出转矩，其中，只有做功冲程输出转矩，对外做功。据此往复式活塞发动机存在明显不足：对外做功。据此往复式活塞发动机存在明显不足：较大往复较大往复惯性力；惯性力；机构组成机构组成复杂复杂；效率低效率低动画演示动画演示l若直接将燃烧的动力转化为若直接
20、将燃烧的动力转化为回转运动必将是更合理的途回转运动必将是更合理的途径径l旋转式发动机简图如图示，旋转式发动机简图如图示，它由椭圆形的缸体、三角形它由椭圆形的缸体、三角形转子（转子的孔上有内齿轮）转子（转子的孔上有内齿轮）、外齿轮、吸气口、排气口、外齿轮、吸气口、排气口和火花塞等组成。和火花塞等组成。2）旋转式内燃发动机）旋转式内燃发动机 a.旋转式发动机的工作原理旋转式发动机的工作原理动画演示动画演示旋转式发动机运行过程旋转式发动机运行过程旋转式发动机在运转时同旋转式发动机在运转时同样也有吸气、压缩、燃爆样也有吸气、压缩、燃爆（做功）和排气（做功）和排气4个动作，个动作，由于三角形转子有由于三
21、角形转子有3个弧面，个弧面，因此每转一周有因此每转一周有3个动力冲个动力冲程，如右图示程，如右图示 a) 吸气；吸气； b)压缩压缩 c)燃爆；燃爆； d)排气排气图11-20 齿轮机构 b.旋转式发动机的设计特点旋转式发动机的设计特点 功能设计功能设计 运转设计运转设计 实用化实用化c.旋转式发动机的实用比旋转式发动机的实用比 具有体积小、重量轻、噪具有体积小、重量轻、噪声低、旋转速度范围大以及声低、旋转速度范围大以及结构简单等优点，但在实用结构简单等优点，但在实用化生产的过程中还有许多问化生产的过程中还有许多问题需要解决。题需要解决。3）无曲柄式活塞发动机）无曲柄式活塞发动机l无曲柄式活塞
22、发动机采用机无曲柄式活塞发动机采用机构替代的方法，以凸轮机构构替代的方法，以凸轮机构代替发动机中原有的曲柄滑代替发动机中原有的曲柄滑块机构，取消原有的关键部块机构，取消原有的关键部件曲轴，使零件数量减少，件曲轴，使零件数量减少，结构简单，成本降低。结构简单，成本降低。单缸无曲轴式活塞发动机单缸无曲轴式活塞发动机2. 圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例创新技法是人们利用有关创造心理过程的研究成果和专业创新技法是人们利用有关创造心理过程的研究成果和专业领域自身的规律性，从各种创造性思维方法中演变过来的领域自身的规律性，从各种创造性思维方法中演变过来的有效提高发明创
23、造能力的各种方法的总和，其具有操作性，有效提高发明创造能力的各种方法的总和，其具有操作性，能激发创新灵感、拓展思维空间，培养创新素质，提高创能激发创新灵感、拓展思维空间，培养创新素质，提高创新能力。上述的两个典型创新设计实例中，内燃机是从实新能力。上述的两个典型创新设计实例中，内燃机是从实现相同工作原理的不同机构入手创新尝试，圆柱凸轮数控现相同工作原理的不同机构入手创新尝试，圆柱凸轮数控铣削装置的创新设计实例是利用反求新思维进行了创新改铣削装置的创新设计实例是利用反求新思维进行了创新改造、移植原理进行设计，机械发展史中有无数的创新事例，造、移植原理进行设计，机械发展史中有无数的创新事例，在此只
24、是希能举一反三、启迪思维，点燃学习者创新设计在此只是希能举一反三、启迪思维，点燃学习者创新设计智慧的火花。智慧的火花。【小结小结】【习题与思考题习题与思考题】1.机构组合的目的是什么？有哪几种组合方式？机构组合的目的是什么？有哪几种组合方式？ 机构组合的目的一是几种基本机构融合成为性能更加完善，运机构组合的目的一是几种基本机构融合成为性能更加完善，运动形式更加多样化的新机构，二是几种基本机构组合在一起，组合动形式更加多样化的新机构，二是几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构仍保持各自特征，但需要各个机构的运动和动作协体的各基本机构仍保持各自特征，但需要各个机构的运动和动作协调配合，以实现组
25、合的目。机构的组合方式有调配合，以实现组合的目。机构的组合方式有4种。串联式机构组种。串联式机构组合、并联式机构组合、复合式机构组合和叠加式机构组合。合、并联式机构组合、复合式机构组合和叠加式机构组合。2.机构的变异有哪几种方式？机构的变异有哪几种方式？机构的变异与演化是指用改变机构中某些构件的结构形状、运动机构的变异与演化是指用改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、用不同构件为机架或原动件增加辅助构件等方法，使机构获尺寸、用不同构件为机架或原动件增加辅助构件等方法，使机构获得新的功能、特性和结构，以满足机械设备性能要求的方法。得新的功能、特性和结构，以满足机械设备性能要求的方法。 3.机构
26、形式设计的原则有哪些？机构形式设计的原则有哪些？ 机构尽可能简单；尽量缩小机构尺寸机构尽可能简单；尽量缩小机构尺寸 ；应使机构具有较好的动力应使机构具有较好的动力学特性学特性 。 4. 将曲柄滑块机构与移动凸轮机构有机结合，还能实现什么功能将曲柄滑块机构与移动凸轮机构有机结合，还能实现什么功能？ （1）导杆机构）导杆机构 ，机构是经过局部结构改变以后的导杆机构，可，机构是经过局部结构改变以后的导杆机构，可以在左边极限位置长时间的停歇；（以在左边极限位置长时间的停歇；（2）活塞泵机构，变异后的机构）活塞泵机构，变异后的机构与原机构在组成上完全相同，只是构件的形状不同。偏心盘和圆形与原机构在组成上完全相同，只是构件的形状不同。偏心盘和圆形连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化连杆组成的转动副使连杆紧贴固定的内壁运动，形成一个不断变化的腔体，这有利于流体的吸入和压出；（的腔体，这有利于流体的吸入和压出；（3）若将直线廓形的移动凸）若将直线廓形的移动凸轮轮1外包在圆柱体上，凸轮廓线就成为圆柱面上的螺旋线，演变成螺外包在圆柱体上，凸轮廓线就成为圆柱面上的螺旋线，演变成螺旋机构等。旋机构等。
