机械原理：第七章 机构系统运动简图设计

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1、第7章 机构系统运动简图设计第第七七章章 机构系统机构系统运动简图设计运动简图设计机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计课程研究内容机构的组成原理机构的组成原理机构系统的分析与设计机构系统的分析与设计机械动力学机械动力学常用机构的分析与设计常用机构的分析与设计连连杆杆机机构构齿齿轮轮机机构构凸凸轮轮机机构构轮轮系系机机构构其其他他机机构构第一章第一章第二章第二章第六章第六章第七章第七章第八章第八章机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计第23章 机构系统运动简图设计 23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤 23.2 机构及机构系统设计的创新途径 23.3 组合机构 23.4 机构选型及机

2、构系统运动方案设计 23.5 机构系统运动循环图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤n1 1、基本机构的局限性、基本机构的局限性机构名称 局限性 平面连杆机构 无法实现输出运动有较长时间的停歇 无法精确实现较复杂的运动轨迹和运动规律 满足某些给定的运动和动力等条件的设计较困难 高速运转时构件的不平衡惯性力将带来不利的影响 . 凸轮机构 无法满足给定运动轨迹要求 不能使从动件作整周回转 由于凸轮与从动件的高副接触，故不宜用于高速大载荷的场合 . 齿轮机构 无法实现在某一段时间内的变传动比要求，而始终以定传动比传动 在输入运动确定后，输出运动只能单方向

3、的转动或移动 . 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤n2 2、机构系统运动简图设计的任务、机构系统运动简图设计的任务设计任务机构选型或创新机构系统运动简图注：注：主要满足生产工艺过程的主要满足生产工艺过程的运动运动要求，不涉及机要求，不涉及机构中构件的结构和强度。构中构件的结构和强度。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤n3 3、机构系统运动简图设计的步骤、机构系统运动简图设计的步骤(1). 分析机械产品的生产工艺过程或其功能要求，区分出主操作部分和辅助分析机械产品的生产工艺过程或其功能要求，区分出主

4、操作部分和辅助操作部分，然后确定所需的执行构件数及其基本运动形式和运动特性。操作部分，然后确定所需的执行构件数及其基本运动形式和运动特性。 薄壁零件冲压机床的生产工艺过程及要求示意图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤(2).合理选择机构类型，拟定机械运动方案。合理选择机构类型，拟定机械运动方案。 根据对机械产品的总体要求，合理选择执行机构的类型。 根据所选原动机（如电动机、液压泵等）的类型，确定传动类型和传动机构 通过各种联接方式，将所有机构组合成若干条机构系统 画出示意图示意图，即为机械运动方案。 (3). 拟定机构系统的运动循环图。拟定机构系

5、统的运动循环图。 运动循环图反映了机械在一个工作循环中，各执行构件的运动先后顺序关系的一种图示。 (4). 对所选的机构进行运动设计，确定各机构具体的几何尺寸，最后按比例对所选的机构进行运动设计，确定各机构具体的几何尺寸，最后按比例绘制出机构系统的运动简图。绘制出机构系统的运动简图。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.2 机构及机构系统设计的创新途径n机构及机构系统设计的创新途径机构及机构系统设计的创新途径 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.2 机构及机构系统设计的创新途径 扩展法扩展法 在原有基本机构的基础上，通过叠加杆组或将两个以上的基本机构组合成新机构的方法。 偏

6、置曲柄滑块机构六杆导杆机构23.2 机构及机构系统设计的创新途径插入图12.1.2-4直线轨迹生成机构大角位移输出机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.2 机构及机构系统设计的创新途径 演化法演化法 演化法也称为变异法。该方法主要突出“变换”，一是构件间相对运动的变换(变换机架)，一是高副与低副间的变换。 钢板叠放机构（凸轮机构演化）1、相对运动变换法机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.2 机构及机构系统设计的创新途径2、高副、低副变换法 一般导杆机构具有停歇运动的导杆机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构组合机构n机构的串接式组合机构的串接式组合

7、 n机构的并接式组合机构的并接式组合 n机构的复合式组合机构的复合式组合 n机构的叠联式组合机构的叠联式组合 组合机构：由基本机构（例如平面四杆机构、组合机构：由基本机构（例如平面四杆机构、凸轮机构和齿轮机构等）通过一定的方式组凸轮机构和齿轮机构等）通过一定的方式组合而成的机构。合而成的机构。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构1、串联式组合：前一个机构的输出构件作为后一个机构的输入构件。23.3.1 机构的组合方式与组合机构机构的串联式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构机构的并联式组合及其框图2、并联式组合：在机构组合中，一个原动件

8、的运动，分别输出给多个并 列的自由度为1的基本机构，然后各基本机构的输出运动又输出给同 一个多自由度机构。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构机构的并联式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构3、复合式组合：在机构组合中，即有串联式，又有并联式的组合方式。机构的复合式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构机构的复合式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构4、叠联式组合：将做平面一般运动的构件作为原动件，且其中一个基本 机构的输出（或输入）构件为另一个基本机构的相对机架的连接方式

9、 称为叠联式组合。机构的叠联式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构机构的叠联式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构5、反馈式组合：在机构组合系统中，若其多自由度基本机构的一个输入 运动是通过单自由度基本机构从该多自由度基本机构的输出构件回授 的，则这种组合方式称为反馈式组合。机构的反馈式组合及其框图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计组合机构n录像展示录像展示机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构要求：设计图示连杆-凸轮组合机构，使其满足当原动件1等速转动时，C 点能准确地实现给定的轨迹s。23.3.2

10、 典型组合机构设计实例连杆-凸轮组合机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.3 组合机构设计步骤：连杆-凸轮组合机构设计过程(1)：选定原动件回转中心A；(2)：确定曲柄长l1和连杆长l2;(3): 确定构件CD的长度l3 ；(4)：确定构件4的位移曲线;(5): 设计凸轮的轮廓曲线。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计组合机构设计实例总结n由于连杆机构精确设计较困难，凸轮机构设计较简便，故在设计连杆凸轮组合机构时，有关连杆机构部分的尺寸参数通常先选定，然后设法找出相应的凸轮从动件的位移规律，最终将整个组合机构的设计变为凸轮轮廓的设计。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计第

11、23章 机构系统运动简图设计 23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤 23.2 机构及机构系统设计的创新途径 23.3 组合机构 23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 23.5 机构系统运动循环图机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计n机构的类型选择机构的类型选择 n对机构系统运动方案设计的某些特殊要对机构系统运动方案设计的某些特殊要求求 n机构系统运动方案设计的基本原则机构系统运动方案设计的基本原则 n机构系统运动方案设计举例机构系统运动方案设计举例 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计23.4.1

12、 机构类型的选择 按照执行构件所需的运动特性进行机构选型按照执行构件所需的运动特性进行机构选型 : :从从具有相同运动特性的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。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。的机构形式进行分析和比较，从中选择出较优的机构。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计执行构件的基本运动形式 连续转动往复摆动往复移动单向间歇转动间歇往复移动

13、间歇往复摆动平面一般运动点的轨迹运动机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计某些运动要求及其相应机构举例机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计23.4.2 机构系统运动方案设计的某些特殊要求 1 1、实现执行构件大行程的要求、实现执行构件大行程的要求对心曲柄滑块机构曲柄滑块齿轮齿条串联机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计曲柄摇杆机构导杆机构齿轮串联机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 2 2、实现执行构件行程可调的要求

14、、实现执行构件行程可调的要求对心曲柄滑块机构： （1）将机构中的某些构件制作成长度可调的构件）将机构中的某些构件制作成长度可调的构件在左图所示的曲柄滑块机构中，若要改变滑块的行程，应将哪个构件制作成长度可调的构件？ 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 设计思路：选择一个两自由度的机构，为使其具有确定的运动，应有两个原动件，其中一个为主原动件，即为完成预定运动要求的输入构件；另一个为调整原动件，调整它的位置就可改变执行件的行程。当调整原动件调整至满足行程要求的位置后，就将其固定不动，此时机构就变为一个自由度的系统，然后在主原动件驱动下正常工作。 （2

15、）设计可调行程的机构）设计可调行程的机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计曲柄摇杆机构行程可调的两自由度七杆机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 3 3、实现执行构件在某位置能承受极大力的要求、实现执行构件在某位置能承受极大力的要求曲柄滑块机构小型压力机当滑块到达下极限位置，并受力达到最大值，此时作用在曲柄上的驱动力矩也需要最大吗？曲柄摇杆摇杆滑块串联组合机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计23.4.3 机构系统运动方案设计的基本原则 1 1、机构尽量简

16、单，运动链尽量简单、机构尽量简单，运动链尽量简单(a) 八杆机构 在选择平面连杆机构时，有时宁可采用有一定设计误差的简单的近似机构，在选择平面连杆机构时，有时宁可采用有一定设计误差的简单的近似机构，而不采用理论上无设计误差的较复杂的精确机构。而不采用理论上无设计误差的较复杂的精确机构。 (b) 四杆机构直线轨迹生成机构机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计(a) 六杆机构合理选择动力源的类型，可使运动链简短。合理选择动力源的类型，可使运动链简短。 (b) 运动倒置的凸轮机构高副机构与低副机构的比较高副机构与低副机构的比较 。 机械原理机械原理运动简图设

17、计运动简图设计23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 2、尽可能减小机构的尺寸、尽可能减小机构的尺寸 3、机构系统应有良好的动力学特性机构系统应有良好的动力学特性 在满足工作要求的前提下，希望机械产品的结构紧凑、尺寸小、重量轻。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 用来描述机构系统在一个工作循环中各执行构件运动间相互协调配合的示意图称为机构系统运动循环图机构系统运动循环图，简称运动循环图。运动循环图。 23.5.1 机构系统运动循环图及其类型分类：按其表示的形式不同，通常有直线式运动循环图直线式运动循环图（或称矩 形运动循环图）、圆周式运动循环图圆周式运动循环

18、图和直角坐标式运动循直角坐标式运动循 环图环图。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 鞋钉制作工艺过程示意图 镦钉子头部镦钉子头部 送料送料 压紧、挤方压紧、挤方 挤尖、切断挤尖、切断机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 1、直线式运动循环图直线式运动循环图绘制方法：将机械在一个工作循环中各执行构件各运动区段的起止时间（或转角）和先后顺序，按比例绘制在直线轴上，形成长条矩形图。特点：绘制方法简单，能清楚地表示出一个运动循环内各执行构件间运动的先后顺序和位置关系。但由于不能显示各执行构件的运动变化情况，只有简单的文字表述，故直观性

19、较差。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 2、圆周、圆周式运动循环图式运动循环图绘制方法：以原点O为圆心，作若干个同心圆环，每一个圆环代表一个执行构件。由各相应圆环分别引径向直线表示各执行构件不同运动区段的起始和终止位置。 特点：因机械的运动循环通常是在主轴或分配轴转一周的过程中完成的，故能直观地看出各执行机构中原动件在主轴或分配轴上所处的相位，便于各执行机构的设计、安装和调试。但当执行构件较多时，因同心圆环太多而不够清晰，同样也不能显示执行构件的运动变化情况。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 3、直角坐标、直角坐标式运

20、动循环图式运动循环图绘制方法：以横坐标轴代表机械的主轴或分配轴的转角，以纵坐标轴代表各执行构件的角位移或线位移，实际上就是各执行构件的位移线图。通常忽略实际的运动规律，将各运动区段用直线连接，只反映出个执行构件间运动的协调配合关系即可。 特点：形象、直观，不仅能清楚地表示出各执行构件的运动先后顺序，还能表示出执行构件的运动状态及运动变化情况。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图23.5.2 机构系统运动循环图的拟定执行机构运动协调配合关系只有时间上的顺序关系即有时间上的顺序关系，又有空间位置的干涉关系机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运

21、动循环图 1、满足执行机构之间的运动只有时间上的顺序关系满足执行机构之间的运动只有时间上的顺序关系产品外包装上印记的打印工艺示意图推杆与打印头的运动规律T1=T2 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 运动循环图拟定方案一运动循环图拟定方案一 产品外包装上印记的打印运动循环图方案一方案一方案一：推杆1先完成一个运动循环，然后打印头2再完成一个运动循环，如此反复交替。点评点评：整个打印工作循环所需时间最长，即T=T1+T2。安排不大合理。 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 运动循环图拟定方案二运动循环图拟定方案二 产品外包装上印

22、记的打印运动循环图方案二方案二方案二：打印头2先运动，推杆1经过DT时间后也开始运动，使得产品刚到打印位置，打印头2也同时到达打印位置。 点评：点评：理论上整个打印工作循环所需时间最短，即T=Tmin=T1=T2。但由于制造、安装等误差而导致机构产 生运动误差，有可能产品还未到预定位置，而打印头2已经到达打印位置。显然这种运动循环图的安排不大合理。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 运动循环图拟定方案三运动循环图拟定方案三 产品外包装上印记的打印运动循环图方案三方案三方案三：调整推杆1在一个运动循环内运动区段与停歇区段的相对位置，使产品提前Dt时间到达预定位置

23、。点评：点评：一个打印工作循环所需的时间仍为最短。时间提前量Dt的数值可根据产品大小及实际可能的误差因素综合地加以确定。显然这种运动循环图的安排比较合理。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图 2、满足执行机构之间的运动既有时间上的顺序关系，又有空间位置的满足执行机构之间的运动既有时间上的顺序关系，又有空间位置的 干涉关系干涉关系包装自动线上折纸机构工艺示意图上述折纸过程产生干涉 的原因在哪里？ 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图包装自动线上折纸机构工艺示意图M点为构件1上N点与构件2上K点的圆弧轨迹交点，称为干涉点干涉点。折纸机

24、构执行构件运动循环图(a)执行构件1的 位移运动规律(b) 执行构件2的 位移运动规律机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计23.5 机构系统运动循环图折纸机构运动循环图（不合理）折纸机构执行构件运动循环图（合理）机器设计实例机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计现代机器设计n组成n驱动系统n传动系统n执行系统n控制系统机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计机构系统设计实例n机器人n多关节机械手n机器蛇n机器蚂蚁n触力觉人机交互设备机器人灵巧手操作机器人灵巧手操作机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计仿生机器人系统n机器蛇n机器蚂蚁机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计机构系统设计实

25、例n多关节机械手n触力觉人机交互设备n桌面式多关节机械臂n大空间柔索传动力觉交互装置n力触觉反馈鼠标机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计触力觉人机交互触力觉人机交互机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计触力觉人机交互设备n桌面式多关节机械臂n大空间柔索传动力觉交互装置机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计力触觉反馈鼠标n期望n人人可用n比尔的梦想n功能n改善使用计算机的体验n潜在用途：网上购物、游戏、产品设计。机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计触觉的优势和潜力独有特点: 表现力丰富的 直观的 印象深刻的 机械原理机械原理运动简图设计运动简图设计本章总结本章总结 23.1 机构系统运动简图设计的任务与步骤 23.2 机构及机构系统设计的创新途径 23.3 组合机构 23.4 机构选型及机构系统运动方案设计 23.5 机构系统运动循环图