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1、第五章第五章 机构的组合与创新设计机构的组合与创新设计第一节第一节 机构组合的基本概念机构组合的基本概念第二节第二节 机构组成原理与机构创新设计机构组成原理与机构创新设计第三节第三节 机构串联组合与创新设计机构串联组合与创新设计第四节第四节 机构并联组合与创新设计机构并联组合与创新设计第五节第五节 机构叠加组合与创新设计机构叠加组合与创新设计第六节第六节 机构封闭组合与创新设计机构封闭组合与创新设计第七节第七节 其他类型的机构组合与创新设计其他类型的机构组合与创新设计第一节第一节 机构组合的基本概念机构组合的基本概念一、基本机构的概念一、基本机构的概念1 1、最简机构、最简机构 把由把由2 2
2、个构件和个构件和1 1个运动副组成的开链机构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是组成机构的最多构件为2 2且为开链机构。且为开链机构。 2112原动机的机构简图为最简机构原动机的机构简图为最简机构2 2、基本机构、基本机构把含有把含有3 3个构件以上、且不能再进行拆分的闭个构件以上、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链机构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。分性。 CBDAz1z2o1o2HCAB3、基本机构的应用、基本机构的应用1） 基本机构的单独使用基本机构的单独使用 基本机
3、构可以直接应用基本机构可以直接应用在机械装置中，只有在机械装置中，只有一些简单机械中才包一些简单机械中才包含一个基本机构。含一个基本机构。 如空气压缩机中包含一如空气压缩机中包含一个曲柄滑块机构。个曲柄滑块机构。3、基本机构的应用、基本机构的应用2 ）互不连接的基本机构的组合）互不连接的基本机构的组合 若干个互不连接、单独工作的若干个互不连接、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系统。各基本机构之间进行运动协调设计。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 3）各基本机构互相连接的组合）各基本机构互
4、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。用最广泛、也是最普遍的。常用的机构组合方法如下。常用的机构组合方法如下。1 1、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组、利用机构的组成原理，不断连接各类杆组2 2、按照串联规则组合基本机构、按照串联规则组合基本机构3 3、按照并联规则组合基本机构、按照并联规则组合基本机构4 4、按照叠加规则组合基本机构、按照叠加规则组合基本机构5 5、按照封闭规则组合基本机构、按照封闭规则组合基本机构6 6、上述方
5、法的混合连接，、上述方法的混合连接，可得到复杂的机构系统。可得到复杂的机构系统。应用最普遍的组合CBDAz1z2o1o2CABBC串联组合并联组合第二节第二节 机构组成原理与机构创新设计机构组成原理与机构创新设计一、一、IIII级杆组的类型级杆组的类型 n=2n=2，P Pl l=3=3的杆组，为的杆组，为II级杆组。级杆组。IIII级杆组分类图级杆组分类图 (2件3副)RRRPRRRRPRPPPRRPPRRPR内接副为转动副内接副为转动副内接副为移动副内接副为移动副这5种常用，而PPP不常用RRRRRPPRPRPRPPR 级杆组分类图（级杆组分类图（4 4件件6 6副）副） 3R3R杆组杆组
6、( (以三个内接副开始以三个内接副开始) )3R3RPRRRRRRRRRPPRRPPRRP3R2RP3RR2P3R3P 级杆工程应用不多，级杆工程应用不多，但随着运动、受力等但随着运动、受力等分析方法的完善，正分析方法的完善，正在受到重视在受到重视三、机构组成原理与机构创新设计三、机构组成原理与机构创新设计1 1、机构组成原理、机构组成原理 把基本杆组依次连接到把基本杆组依次连接到原动件原动件和和机架机架上，上，可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一可以组成新机构。机构组合原理为创新设计一系列的新机构提供了明确的途径。系列的新机构提供了明确的途径。2 2、机构组成原理与机构创新、机构组成原理
7、与机构创新 把前述的各种把前述的各种IIII级杆组和级杆组和IIIIII级杆组连接到级杆组连接到原动件和机架上，可以组成基本机构；再把各原动件和机架上，可以组成基本机构；再把各种种IIII级杆组和级杆组和IIIIII级杆组连接到基本机构的从动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。件上，可以组成复杂的机构系统。BCA+=BCADE+DE=BCA第三节第三节 机构的串联组合与创新设计机构的串联组合与创新设计一、机构的串联组合一、机构的串联组合1 1、基本概念、基本概念 前一个机构的输出构件与后一个机构的输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
8、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机构。其特征是前置机构和后置机构都是单自由度的机构。由度的机构。机构机构1机构机构2机构机构1机构机构2前置机构前置机构后置机构后置机构 I I型串联型串联 前置机构前置机构后置机构后置机构IIII型串联型串联2、串联组合分类、串联组合分类连接点选在前置机构作简单运动的构件上（摇杆、曲柄或导杆等）连接点选在前置机构作复杂平面运动的构件上（中间的连杆或行星轮等）BCDAEFZ1CABDZ2I I型串联组合型串联组合IIII型串联组合型串联
9、组合前置机构中做简单运动的构件与后置机构的前置机构中做简单运动的构件与后置机构的原动件连接。原动件连接。前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的原动件连接。原动件连接。二、机构串联组合基本思路二、机构串联组合基本思路1、实现后置机构的速度变换、实现后置机构的速度变换2、实现后置机构的运动变换、实现后置机构的运动变换3、串联时运动链尽量要短（在满足要求前提下）、串联时运动链尽量要短（在满足要求前提下）第四节第四节 机构的并联组合与创新设计机构的并联组合与创新设计一、机构的并联组合一、机构的并联组合1 1、基本概念、基本概念 并行连接若干个单自由度的基本机构的输
10、入构件连接在一起，保留各自的输出运动；若干个单自由度的基本机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；输入构件连接在一起、输出构件也连接在一起；特征是各基本机构均是单自由度机构机构机构1机构机构2机构机构1机构机构2机构机构1机构机构23）III型并联机构系统型并联机构系统1) I型并联机构系统型并联机构系统 2）II型并联机构系统型并联机构系统 OUTPUTINPUT2 2、并联组合分类、并联组合分类3 3、并联组合实例、并联组合实例CABBCC4BAOC3C2C1I型并联机构型并联机构II型并联机构型并联机构 I型并联组合机构可实现机构的惯性力平衡II型并联组合机构可实现运动的合成A1B
11、1B2C1C2O2O1E1E2E2E1型并联机构型并联机构 型并联组合机构可改善机构的受力状况二、并联组合的基本思路二、并联组合的基本思路1 1、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。2 2、实现运动的分解与合成、实现运动的分解与合成3 3、改善机构受力状态、改善机构受力状态Z1C1AB1DZ2B3B2C2C3第五节第五节 机构的叠加组合与创新设计机构的叠加组合与创新设计 一、一、 机构的叠加组合机构的叠加组合1 1、基本概念、基本概念 机构叠加组合是指在一个基本机构的可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。动构件上
12、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装在基础机构可动构件上面的基本机构称为附加机构。加机构。1) I1) I型叠加机构型叠加机构 2 2、机构的叠加组合分类、机构的叠加组合分类2) II2) II型叠加机构型叠加机构附加机构附加机构基础机构基础机构输出输出输入输入输入输入附加机构附加机构基础机构基础机构输入输入输出输出来自基础机构可动构件上的动力源主动件：附加机构附加、基础机构分别有自己的动力源1) I1) I型叠加机构型叠加机构基础机构：行星轮系（基础机构：行星轮系（z3，z
13、4）附加机构：蜗杆传动机构（附加机构：蜗杆传动机构（z1，z2）Z1HZ2Z3Z4电机电机HBCDA电机电机1) I1) I型叠加机构型叠加机构基础机构基础机构附加机构附加机构一般情况下，以齿轮机构为附加机构，连杆机构或齿轮机构为基础机构的叠加方式应用较普遍EDCBAF2) II2) II型叠加机构型叠加机构基础机构基础机构附加机构附加机构基础机构：平行四边形基础机构：平行四边形ABCD机构机构附加机构：平行四边形附加机构：平行四边形BCEF机构机构户外摄影车机构户外摄影车机构 二、二、 机构叠加组合的关键问题机构叠加组合的关键问题 1 1、选定附加机构与基础机构，确定附加机构、选定附加机构与
14、基础机构，确定附加机构与基础机构之间的连接方法。或者附加机构的与基础机构之间的连接方法。或者附加机构的输出构件与基础机构的哪一个构件连接。输出构件与基础机构的哪一个构件连接。 二、二、 机构叠加组合的关键问题机构叠加组合的关键问题 2 2、IIII型叠加组合机构中，动力源安装在基础机型叠加组合机构中，动力源安装在基础机构的可动构件上，驱动附加机构的一个可动构构的可动构件上，驱动附加机构的一个可动构件，按附加机构数量依次连接即可。件，按附加机构数量依次连接即可。( (例如图例如图5-32 5-32 机械手机构机械手机构) )3 3、I I型叠加机构的连接方式较为复杂，但也型叠加机构的连接方式较为
15、复杂，但也有规律性。有规律性。（1 1）齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构：连接点选在附）齿轮机构为附加机构，连杆机构为基础机构：连接点选在附加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。加机构的输出齿轮和基础机构的输入连杆上。BCDA电机电机基础机构基础机构附加机构附加机构3 3、I I型叠加机构规律型叠加机构规律（2 2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上系杆上 a a）附加齿轮机构的系杆与基础机构的齿轮连接）附加齿轮机构的系杆与基础机构的齿轮连接图5-31b）基础机构和附加机构都为齿轮机构3 3、I I型叠加机构
16、规律型叠加机构规律Z1HZ2Z3Z4图中图中, ,附加机构的蜗轮与基础机构的行星轮连接附加机构的蜗轮与基础机构的行星轮连接（2 2）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的）基础机构是行星齿轮机构：附加齿轮机构安置在基础轮系的系杆上系杆上 b b）附加齿轮机构的齿轮与基础机构的齿轮连接）附加齿轮机构的齿轮与基础机构的齿轮连接叠加创新实例需求：实现天线空间全方位转动任务分析：单自由度的平面机构难以实现构思：用叠加组合具体：附加机构绕水平轴旋转，基础机构绕垂直轴旋转，二者合成可实现空间全方位转动叠加组合实例图5-33 全方位空间转动的天线II型叠加组合机构型叠加组合机构 yZ叠加组合优
17、缺点可实现复杂的运动要求机构的传力功能较好可减少传动功率但设计构思难度较大第六节第六节 机构的封闭组合与创新设计机构的封闭组合与创新设计 一、机构的封闭组合一、机构的封闭组合1 1、基本概念、基本概念 一个两自由度机构中的两个输入构件或两一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输入构件和一个输出构件用个输出构件或一个输入构件和一个输出构件用单自由度的机构连接起来，形成一个自由度的单自由度的机构连接起来，形成一个自由度的机构系统，称为封闭式连接。机构系统，称为封闭式连接。 其特征是其特征是基础机构为二自由度机构基础机构为二自由度机构，附加附加机构为单自由度机构机构为单自由度机构。封闭
18、组合机构的自由度封闭组合机构的自由度是是1 1. .基础机构基础机构附加机构附加机构附加机构附加机构附加机构附加机构基础机构基础机构基础机构基础机构附加机构附加机构 II 型封闭组合机构型封闭组合机构 III 型封闭组合机构型封闭组合机构 I I 型封闭组合机构型封闭组合机构 2 2、分类、分类1个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出2个附加机构封闭基础机构的两个输入或输出1个附加机构封闭基础机构的1个输入和1个输出3 3、封闭组合示例、封闭组合示例HZ3Z2Z1Z3Z1HZ3Z2Z1Z3Z5HZ3Z2Z1差动轮系差动轮系 I I型封闭机构型封闭机构 IIIIII型封闭组合机构型封闭组合机构二
19、自由度的差动轮系中，封闭两个输入，或一个二自由度的差动轮系中，封闭两个输入，或一个输入和输出（系杆）输入和输出（系杆）Z5Z4封闭两个输入Z1-Z1 Z3-Z3封闭一个输入Z3-Z3一个输出Z4-H CBAO I I 型封闭组合机构型封闭组合机构 DE基础机构：基础机构：OABCD封闭机构：凸轮机构封闭机构：凸轮机构封闭机理：两个连架杆封闭机理：两个连架杆OA、CD分别与凸轮与推杆固结分别与凸轮与推杆固结 型封闭组合机构型封闭组合机构 基础机构：差动轮系基础机构：差动轮系1、2、3、H附加机构：附加机构：1）四杆机构，）四杆机构，2）齿轮啮合）齿轮啮合Z1和和Z4 III 型封闭组合机构型封闭
20、组合机构基础机构：两自由度涡轮蜗杆传动机构基础机构：两自由度涡轮蜗杆传动机构封闭机构：凸轮机构封闭机构：凸轮机构封闭机理：封闭涡轮转动（输出）和蜗杆的移动（输入）封闭机理：封闭涡轮转动（输出）和蜗杆的移动（输入） 二、二、 封闭组合的基本思路封闭组合的基本思路 封闭组合的前提是两自由度的基础机构封闭组合的前提是两自由度的基础机构和单自由度的的组合，组合而成的新机构是组和单自由度的的组合，组合而成的新机构是组合机构，基本组合思路如下。合机构，基本组合思路如下。 1 1、常见的基础机构主要有五杆机构和差、常见的基础机构主要有五杆机构和差动轮系机构，附加封闭机构可以是齿轮机构、动轮系机构，附加封闭机
21、构可以是齿轮机构、凸轮机构和四杆机构，有时也用间歇运动机构凸轮机构和四杆机构，有时也用间歇运动机构作为封闭机构。作为封闭机构。 2 2、附加机构封闭基础机构的两个输入运、附加机构封闭基础机构的两个输入运动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最为广泛。为广泛。 3 3、附加机构封闭基础机构的一个输入构、附加机构封闭基础机构的一个输入构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输入件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输入构件。构件。 附加机构（添加机构）应满足的条件附加机构（添加机构）应满足的条件 基础机构基础机构组合机构组合机构123456723.556.589
22、.511第一列：1杆2副第三列：3杆5副第三列：3杆5副封闭两个输入C点是输出两个封闭机构齿轮啮合与凸轮机构C点的输出经附加机构GHF反馈到输入DE 第七节第七节 其他类型的机构组合与创新其他类型的机构组合与创新 设计设计 一、机构的混合组合方法一、机构的混合组合方法 工程中的实用机构系统中，经常联合使用工程中的实用机构系统中，经常联合使用上述组合方法，称为混合组合法。如串联组合上述组合方法，称为混合组合法。如串联组合后再并联组合，串联组合后再叠加杆组组合等。后再并联组合，串联组合后再叠加杆组组合等。二、附加约束组合法二、附加约束组合法 附加约束组合法是指在多自由度机构中，附加约束组合法是指在
23、多自由度机构中，人为地增加约束条件，从而达到创新设计的目人为地增加约束条件，从而达到创新设计的目的。的。 DCBA用凸轮机构约束五杆机构用凸轮机构约束五杆机构C C点的运动点的运动工程中，附加约束一般采用具有复杂曲线结构的高副二、附加约束组合法二、附加约束组合法附加约束组合法是多附加约束组合法是多自由度转化为单自由自由度转化为单自由度机构且能完成特定度机构且能完成特定运动的有效创新方法运动的有效创新方法 加装了制动器B后可改变系杆的转速本章内容是机构创新设计的重要内容本章内容是机构创新设计的重要内容复习及思考题复习及思考题1、常用机构组合方法。、常用机构组合方法。2、级杆组与级杆组与级杆组的构件数和运动副数级杆组的构件数和运动副数3、级杆组与级杆组与级杆组的类型及组成原理的基本思路级杆组的类型及组成原理的基本思路4、串联组合的分类及基本思路、串联组合的分类及基本思路5、并联组合的分类及基本思路、并联组合的分类及基本思路6、叠加组合的分类及叠加机理，、叠加组合的分类及叠加机理，型叠加的规律型叠加的规律（p77）7、封闭组合的分类、机理及封闭机构应满足的条件、封闭组合的分类、机理及封闭机构应满足的条件8、附加约束组合法、附加约束组合法9、会分析并、会分析并设计设计各类组合各类组合
