机构的选型、组合及机械系统运动方案设计(2006.10.27)
机械系统运动方案及结构分析
机械系统运动方案及结构分析概述机械系统是由一系列相互连接的部件组成的，通过运动实现某种功能的系统。
在机械系统设计过程中，需要考虑运动方案和结构分析，以确保系统的稳定性、效率和可靠性。
本文将探讨机械系统的运动方案和结构分析的重要性，并介绍常用的方法和工具。
机械系统运动方案机械系统的运动方案指的是实现所需运动的方法和方案。
在确定运动方案之前，需要对系统的功能和运动要求进行分析和定义。
常见的机械系统运动方案包括以下几种：1.传动机构：通过齿轮、皮带、链条等传动元件实现运动传递。
传动机构能够将输入运动转换为输出运动，并实现不同速度的运动比例。
2.摆动机构：通过摆杆、连杆等实现周期性的直线运动或旋转运动。
摆动机构常见的应用包括钟摆、连杆机构等。
3.并联机构：由多个并联连接的元件组成，能够实现多自由度运动。
并联机构常用于机器人、航天器等领域。
4.连杆机构：由多个连杆和铰链连接而成的机构，可以实现复杂的直线或旋转运动。
连杆机构广泛应用于工业机械、汽车发动机等领域。
选择合适的运动方案需要考虑多个因素，包括运动要求、空间限制、工作环境等。
在设计过程中，可以使用动力学仿真软件进行运动仿真，以评估和优化不同方案的性能。
机械系统结构分析机械系统的结构分析是指对系统的结构进行分析和评估，以确定其稳定性和刚度。
结构分析通常包括以下几个方面：1. 强度分析强度分析是对机械系统中各个部件的强度进行评估。
在设计机械系统时，需要考虑各个部件所能承受的力和扭矩，并根据这些要求选择合适的材料和尺寸。
强度分析可以使用有限元分析软件进行，以模拟系统在不同载荷下的受力情况。
2. 刚度分析刚度分析是对机械系统的刚度进行评估，以确定系统在运动中的稳定性和精度。
刚度分析需要考虑部件的刚度特性和装配精度，并通过模态分析、应变测试等方法来评估系统的刚性。
刚度分析的结果可以用来指导系统的结构优化和改进。
3. 动力学分析动力学分析是对机械系统的动态响应进行评估。
机构的选型与组合
常用方法有：组合法、变异法等
52
组合法
将几种基本机构用适当的方式组合起来，实现基本 机构不易实现的运动或动力特性。
串联组合
常用组合方式
并联组合 反馈组合
叠联组合
▪机构的组合是发展新机构的重要途径之一。
53
变异法
通过改变运动副的形状和尺寸、变更机 架等方法生成新的机构型式。
常用方法有：倒置、运动副变换等
❖现代产品开发：
可行性论证 初期规划设计
调研
生命力 开发什么产品？
竞争力
总体方案设计
设计目标
创新的关键
2. 机械总体方案设计的内容
（1）执行系统的方案设计 执行系统的功能原理设计、运动规律设计、执行机构
的型式设计、执行系统的协调设计及执行系统的方案评 价与决策。
（2）原动机类型的选择和传动系统的方案设计 传动类型的选择、传动路线的选择、传动链中机构顺序
机构的组合是发展新机构的重要途径之一。
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❖基本机构：常用机构中，结构最简单的机构。
四杆机构
凸轮机构
单自由度机构 （F=1)
如
二自由度机构
齿轮机构 行星轮系 间歇运动机构
五杆机构 四杆高副机构
差动轮系
5
❖分析机构组合的步骤:
▪认定机构系统中运动的 Ⅱ 输入及输出构件；
▪从输入构件开始， 逐步分割出各基 本机构；
机构的选型与组合
引言 机构的组合 机械系统总体方案的设计 机械执行系统的方案设计
2
刻字成形机构
3
牛头刨床
§ 1、机构的组合
由于现代机械工程对机械运动形式、运动规律和动 力性能等方面要求的多样化和复杂化，以及各种单一的 基本机构性能的局限性，仅采用某种基本机构往往不能 很好地满足设计要求。
机械原理课程教案—机械系统运动方案设计
机械原理课程教案—机械系统运动方案设计一、教学目标1. 让学生了解机械系统运动方案设计的基本概念和原则。
2. 使学生掌握机械系统运动方案设计的方法和步骤。
3. 培养学生运用机械原理解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 机械系统运动方案设计的基本概念2. 机械系统运动方案设计的原则3. 机械系统运动方案设计的方法4. 机械系统运动方案设计的步骤5. 机械系统运动方案设计的案例分析三、教学方法1. 讲授法：讲解基本概念、原则、方法和步骤。
2. 案例分析法：分析实际案例，引导学生运用机械原理解决问题。
3. 讨论法：分组讨论，分享设计经验和心得。
四、教学准备1. 教案、PPT及相关教学资料。
2. 案例素材及分析工具。
3. 投影仪、白板等教学设备。
五、教学过程1. 导入：简要介绍机械系统运动方案设计的意义和应用领域。
2. 新课：讲解机械系统运动方案设计的基本概念和原则。
3. 案例分析：分析典型机械系统运动方案设计案例，引导学生理解设计方法和步骤。
4. 实践环节：学生分组进行机械系统运动方案设计，教师巡回指导。
6. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂提问：通过提问了解学生对机械系统运动方案设计概念和方法的理解程度。
2. 练习题：布置课后练习题，评估学生对课堂所学知识的掌握情况。
3. 小组项目：评估学生在实践环节中机械系统运动方案设计的创意和实施能力。
4. 学生互评：鼓励学生之间相互评价，促进知识的交流和分享。
七、教学拓展1. 机械系统运动方案设计软件应用：介绍相关设计软件的使用方法，提高学生的设计效率。
2. 创新设计比赛：组织学生参加机械系统设计比赛，激发创新意识和实践能力。
3. 企业参观：安排学生参观机械企业，了解机械系统设计在实际工作中的应用。
八、教学反馈1. 学生反馈：收集学生对教学内容和教学方法的反馈，不断优化教学方案。
2. 同行评价：与其他教师交流教学经验，提高教学质量。
[精选]机构构型方案与组合设计方案
![[精选]机构构型方案与组合设计方案](https://img.taocdn.com/s3/m/765f4c3dc4da50e2524de518964bcf84b9d52d7d.png)
毛纺针梳机导条机构
使位移增加的凸轮—连杆机构
凸轮—连杆糖果包装机剪切机构
连杆—齿轮机构 飞机高度表
增力机构
共轭凸轮连杆机构
利用齿条齿轮的大行程直移机构
具有停歇的六杆机构
实现从动件两次动程的六杆机构
(一) Ⅱ型串联式组合
行星齿轮连杆机构
一般直线轨迹或圆弧曲线轨迹可使后置子机构的输出构件实现运动的停歇，自交的曲线轨迹可使后置于机械的输出构件实现两个行程。
实际工作中，是上述方式的组合。
第一节 机构的组合与创新
1.2.1机构的串联组合
概念：机构的串联组合是指若干个单自由度的基本机构顺序联接在一起。前一个机构称为前置机构，后一个机构称为后置机构。每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入。
第一节 机构的组合与创新
1.2.1 机构的串联组合
分类：根据参与组合的前后机构连接点的不同进行划分。联接点可以设在前置机构中作简单运动的连架杆上，称其为Ⅰ型串联；联接点也可以设在前置机构中作平面复杂运动的构件上，称作Ⅱ型串联。
曲柄滑块
第一节 机构的组合与创新
双棘爪机构
活塞机的齿轮杠杆机构
2.III型并联式组合
曲柄滑块
曲柄滑块
第一节 机构的组合与创新
压力机螺旋杠杆机构
矩形轨迹输送机构
端面凸轮机构
平底直动盘形凸轮
2． III型并联式组合
第一节 机构的组合与创新
第一节 机构的组合与创新
并联组合的基本思路
串联机构组合的目的：改变后置机构的运动速度或运动规律。并联机构组合的目的：用于实现运动的分解或运动的合成，也可改变机构的动力性能。
第一节 机构的组合与创新
串联组合的基本思路
机械系统运动方案设计
机械系统运动方案设计机械系统运动方案设计是机械工程领域中非常重要的一个方面，所谓机械系统就是包括了车、船、飞机、纺织机械、食品加工机械等各种各样的机械装置。
机械系统的运动方案设计是指在遵循一定的物理规律、能够满足特定运动要求、并适用于设定的工况下，对机械系统各个部件的运动控制进行表达和计算的过程。
实现机械运动的可控性，使机械系统在运动时稳定可靠，保障机械系统的正常工作和安全运行。
机械系统的运动方案设计的主要步骤包括：设计目标确定、机械系统运动状态分析、运动机构的设计、运动控制系统的设计等。
设计目标确定是机械系统运动方案设计的首要步骤。
在机械系统设计的过程中，往往是通过客户对项目的目标和要求来确定机械系统的设计目标。
设计目标确定包括应用条件和指标要求。
应用条件是指机械系统运动环境和使用条件，如环境温度、温度波动、起伏幅度等情况的设计要求。
指标要求包括速度、精度、负载能力等方面的要求。
机械系统运动状态分析是机械系统运动方案设计的重要环节。
其中，机械系统的运动状态是指机械系统的各部件运动的速度、加速度、角速度、角加速度、位移、力和力矩等参数的状态，其需要通过分析机械系统的运动状态，来确定机械系统的运动方案。
同时，该分析还有助于选择合适的动力元件、传动装置和控制系统。
在运动状态分析过程中，需要采用各种方法和技术，例如仿真分析、运动学分析等，以预测和评估机械系统运动状态下的性能。
运动机构的设计是机械系统运动方案设计的核心。
运动机构是机械系统中用于传递、转换力和运动的动力机构。
运动机构的设计需要考虑众多因素，如使用要求、载荷、运动状态等，同时，还应选择合适的材料、制造工艺以及进行装配和调试。
运动机构留有足够的余量，以满足各种突发状况下的运动控制。
运动控制系统的设计是机械系统运动方案设计的另一个重要环节。
为了控制机械系统的稳定运动，需要设计控制系统，控制机械系统的各个参数和性能。
运动控制系统包括位置控制、速度控制、力控制、加速度控制等。
机械系统运动方案的设计
方案设计与评估
进行多种方案设计，并评估各方案的 优缺点和可行性。
优化与改进
根据评估结果，对方案进行优化和改 进，以提高性能和降低成本。
需求分析
1 2
功能需求
明确机械系统应具备的基本功能和特殊功能。
性能指标
确定机械系统的性能要求，如运动精度、速度、 负载等。
3
约束条件
考虑机械系统的环境、尺寸、成本等限制因素。
微型化轻量化
随着微纳米技术的发展，未来的机械系统运动方案设计将 更加微型化和轻量化，能够满足小型化、便携式设备的需 求。
多领域融合
未来的机械系统运动方案设计将与多个领域融合，如生物 学、医学、光学等，实现跨领域的创新和应用。
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优化改进
根据测试结果，对设计方案进行优化和改进，以 提高性能和可靠性。
05 机械系统运动方案的设计 实例
实例一：自动化生产线的设计
自动化生产线设计 概述
确定生产工艺流程
设备选型与配置
控制系统设计
安全防护措施
自动化生产线是将自动 化技术应用于生产线中 ，实现生产过程的自动 化控制和操作。设计时 需要考虑生产工艺、设 备布局、物料传输、信 息控制等方面的因素。
01
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04
05
机器人运动系统 设计概述
确定机器人结构 和尺寸
运动学分析
动力学分析
控制算法设计
机器人运动系统是机器人 的核心部分，负责机器人 的运动控制和操作。设计 时需要考虑机器人的运动 学、动力学和控制等方面 的因素。
根据应用场景和需求，确 定机器人的结构和尺寸。
进行机器人的运动学分析 ，包括正向运动学和逆向 运动学，确定机器人的可 达工作空间和运动范围。
机械系统运动方案设计概述
机械系统运动方案设计概述引言机械系统运动方案设计是指根据产品需求和性能要求，设计出满足这些要求的机械运动系统的方案。
机械系统运动方案设计涉及到机械结构设计、运动学分析、动力学分析等方面，需要综合考虑多个因素，以确保最终设计方案的可行性和稳定性。
设计流程机械系统运动方案设计通常包括以下几个阶段：需求分析需求分析是指对产品需求进行详细的分析和理解，包括机械系统的运动特性、工作环境、产品性能要求等。
在这一阶段中，设计师需要与产品经理、工程师等多个相关方进行充分的沟通和讨论，以确保对需求的准确理解。
概念设计概念设计是指在需求分析的基础上，通过创造性的思考和设计，提出多个不同的运动方案候选。
在这一阶段中，设计师需要考虑多种因素，例如运动机构的类型、传动方式、结构形式等。
同时，设计师还需要进行初步的运动学和动力学分析，并评估候选方案的可行性和优劣。
详细设计详细设计是指对概念设计中选定的方案进行深入的设计和分析。
在这一阶段中，设计师需要进行详细的运动学和动力学分析，包括运动学链的建模和运动参数的计算，动力学模型的建立和分析等。
此外，设计师还需要对各个运动部件进行结构设计和优化，以满足产品性能要求。
核实验证是指对设计方案进行实际验证和验证结果的分析。
在这一阶段中，设计师需要制作相应的样机，进行实际的运动测试，并对测试结果进行分析和评估。
如果验证结果不符合设计要求，设计师需要进行相应的修正和改进，直到满足设计要求为止。
文档编制文档编制是整个机械系统运动方案设计的最后环节。
设计师需要将设计过程、分析结果、验证报告等内容进行整理和总结，形成相应的文档。
在编制文档时，设计师需要使用适当的标准和格式，以便其他相关人员能够理解和使用该文档。
设计要点在机械系统运动方案设计过程中，设计师需要特别注意以下几个方面：运动学分析是机械系统运动方案设计的基础，设计师需要对各个运动部件的运动学特性进行严密的分析和计算。
在进行运动学分析时，设计师需要考虑速度、加速度、位移等关键参数，并根据这些参数对各个部件的尺寸和结构进行选择和优化。
机构的选型和机械系统方案的设计
第十三章 机构的选型、组合及机械系统方案的设计 一、概述 1、机械传动系统——各种基本机构的组合 1）传递运动 2）传递动力 牛头刨床 刀具——往复直线运动，行程可调 工作台——间歇进给运动 运动协调配合 2、机械系统的设计步骤 知识 + 经验 + 创造1）根据工作任务选定工作原理和传动方案 螺纹加工 ：车、板牙、搓、范成 2）确定各执行构件的运动参数 生产阻力，选原动机 3) 机构选型、拟定机构组合方案，绘制机械传动系统示意图 4) 确定各构件的运动参数和几何参数，绘制机构简图 5) 力的分析计算作为强度计算的依据 二、机械传动系统方案的拟定 1 机构的原始运动参数1） 执行构件的运动参数回转运动连续转动 间歇转动 往复摆动转/分 次/分，动/停 次/分， 摆角大小，行程速比系数直线运动往复直动(行程数/分，行程大小，行程速比系数)带停歇往复直动 (次/分 停歇位置, 时间 行程 速度) 带停歇单向直动 曲线运动 x, y 或 (进给量/分) x=x(t), y=y(t)(2) 原动机的运动参数 回转运动 往复直线运动 电机，液压马达，气动马达等 往复式油缸或汽缸２各执行构件间的协调配合 （１）总传动比ｉ＝原动机的转速／执行构件转速 （２）互相有关，须严格配合 （３）运动速度的配合 （４）动作的配合 动作次序３机械的工作循环图 表明机械一个工作循环中各执行构件的运动配合关系图 看录像 （１）直线式工作循环图 （２）圆周式工作循环图 （３）直角坐标式工作循环图 选一定标件机构系统运动循环图Kinematic Circulating Picture of Mechanism System 半自动制钉机一枚鞋钉的工艺过程绘制的 运动循环图。
鞋钉分为钉头、钉杆、钉尖三部分， 一个工作循环： 镦头，送料，压紧、 挤方，挤头、切断（１）直线式工作循环图 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（主轴或 分配轴），形成长条矩形图。
机械系统运动方案设计
机械系统运动方案设计机械系统是指由多个机械部件组成的系统，可以完成某种特定的运动或工作任务。
机械系统运动方案设计是指对机械系统中运动的方案进行设计，以实现特定的工作任务。
本文将从机械系统运动方案设计的原理、步骤、方法和注意事项等方面进行阐述。
一、机械系统运动方案设计的原理任何一台机械设备或系统，在设计之初就要确定其运动方案，运动方案的设计必须考虑到整个系统的工作要求和性能，保证系统的可靠性和稳定性。
机械系统的运动方案设计的原理是使系统的运动状态达到特定的要求，同时满足以下几点原则：1、稳定性机械系统的运动状态必须是稳定的，不会因外部环境的变化而使系统发生过度振荡或者失去控制。
因此在运动方案设计中必须考虑惯性、摩擦、弹性、耗能等因素，控制系统的稳定性。
2、能效性机械系统的运动方案必须达到最佳的能效性，即在运动过程中实现最大程度的能量转换和利用。
这要求设计人员对机械系统的工作原理和运动方式有深入的了解和熟练的技能，优化运动方案，降低能量损失。
3、可靠性机械系统的运动方案设计需要考虑到系统的可靠性。
要确保机械系统的实际运动方案能够持续、稳定、可靠地运行，达到预期的工作要求。
4、安全性机械系统运动方案的设计要求考虑到系统的安全性。
机械系统运动过程中要注意遵循安全生产相关规定，保证工作环境安全，预防机械设备事故和故障的发生。
二、机械系统运动方案设计的步骤机械系统运动方案设计是一个复杂的过程，在设计时应该全面考虑各个方面的因素。
下面介绍机械系统运动方案设计的步骤：1、分析运动特性和工作要求设计人员需要了解机械系统的运动特性和工作要求，包括机械系统的材料属性、运动速度、功率大小、工作环境等因素，以此来确定机械系统的运动方案。
2、确定运动方式和工作原理确定机械系统的运动方式，并根据系统的工作原理制定运动方案。
机械系统运动方式有直线运动、旋转运动，以及复杂的多轴运动等，根据具体的工作条件选择合适的方式。
3、选择机械部件和材料根据机械系统的工作要求和运动方式，选择合适的机械部件和材料。
第十二章机械系统运动方案设计
第十二章机械系统运动方案设计第章机械系统方案设计内容提要本章围绕机械系统运动方案的设计过程展开说明，主要内容包括机械工作原理的拟定、执行构件的协调设计和原动机的选择、机构的选型与组合、机械运动方案的拟定、机械运动方案的评价。
12.1概述12.1.1机械系统设计的一般过程机械是机器和机构的统称，系统就是具有特定功能的、相互之间具有有机联系的若干要素所组成的一个整体。
机械系统是由若干个机械基本要素所组成的，完成所需的动作过程、实现机械能的转化、代替人类劳动的系统。
机械系统设计，简称机械设计，是一个复杂的分析、规划、推理及决策的过程。
机械系统设计的目的是，根据既定的设计目标，获取机械系统相关的设计信息，包括文字说明、技术数据、设计图纸、设计方案和工艺方案，经过评估、改进和制造后，最终形成满足设计要求的机械产品。
现代机械种类繁多，结构也愈来愈复杂。
不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。
机械设计的一般过程大致包括规划设计、方案设计、结构设计和技术文件编制等五个阶段。
1．产品规划阶段这一阶段的主要任务是，根据市场调查和用户的需求分析，通过可行性分析，明确设计任务，编制出设计任务书。
设计任务书的具体内容主要包括：（1）产品功能、技术性能、规格及外型要求；（2）主要物理、力学参数、可靠性、寿命要求；（3）生产能力与效率的要求；（4）环境适应性与安全保护要求；（5）经济性要求；（6）操纵、使用维护要求；（7）设计进度要求等。
2．方案设计阶段机械系统方案设计是根据设计任务书的要求完成功能分析，然后提出若干个实现功能的原理方案，选择合理的传动路线，确定合适的传动机构形式及布置顺序，用机构运动简图或机构示意图表示出运动和动力的传递路线以及各部分之间的组成和连接关系，最后经过分析、对比、评价、决策，确定最佳方案的过程。
3．结构设计阶段结构设计阶段的主要任务是将机械运动简图得以具体化，成为机器及其零部件的合理结构。
机构构型方案与组合设计方案
机构构型方案与组合设计方案在机械工程领域，机构构型方案与组合设计方案是实现各种复杂机械运动和功能的关键。
它们就像是机械世界的基石和蓝图，决定了机械系统的性能、效率和可靠性。
机构构型方案，简单来说，就是根据特定的功能需求和设计约束，构思出机械机构的基本结构和组成形式。
这就好比要建造一座房子，首先得确定房子的整体框架和布局。
在机构构型方案的设计中，需要充分考虑运动形式、传动方式、受力情况等多个因素。
例如，对于需要实现直线运动的机构，可能会选择曲柄滑块机构、丝杠螺母机构等；而对于需要实现复杂空间运动的机构，则可能会考虑采用万向节机构、球铰机构等。
组合设计方案则是在机构构型方案的基础上，通过将多个基本机构进行组合和协同工作，以实现更丰富和多样化的机械功能。
这类似于将不同的建筑模块组合在一起，形成一个功能齐全的大型建筑。
组合设计方案需要巧妙地协调各个机构之间的运动关系和动力传递，确保整个机械系统能够稳定、高效地运行。
一个好的机构构型方案和组合设计方案，能够极大地提高机械产品的质量和性能。
以汽车发动机为例，其中的曲柄连杆机构就是一种经典的机构构型方案，它将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动，从而实现了动力的输出。
而在汽车的变速器中，则采用了多种齿轮机构的组合设计方案，通过不同齿轮的啮合组合，实现了不同的传动比，满足了汽车在不同行驶条件下的动力需求。
在实际的设计过程中，确定机构构型方案和组合设计方案需要经过一系列的步骤和考虑。
首先，要明确设计任务和要求，包括机械系统需要实现的运动轨迹、运动速度、承载能力等。
然后，对各种可能的机构构型和组合方式进行分析和比较，评估它们在满足设计要求方面的优缺点。
这时候，就需要运用力学、运动学等相关知识，对机构的运动特性和受力情况进行计算和仿真。
同时，还需要考虑制造工艺、成本、可靠性等实际因素。
例如，某些复杂的机构构型可能在理论上能够实现理想的功能，但由于制造难度大、成本高，可能并不适合实际应用。
机构运动方案
常见的挠性件有：带、链、绳；通常挠性件机构传递匀速转动；当轮为非圆形时，可实现非匀速运动；还可实现多轴同步运动；利用挠性件可以实现大距离往复移动，实现运动轨迹等。挠性件具有吸振特点，无噪声，传动平稳，过载打滑，但传动比不可靠
电气机构
用于传动和控制。用电、磁元件于机构中，作为中间媒介，可使机构快速起动和停止；实现驱动、传动、测量、控制、记录等功能
★按运动方式对机构进行分类
执行构件运动方式及功能
机构类型
典型应用实例与原理
匀速转动
1）连杆机构
机车车轮联动机构、联轴器
联轴器
用于减速、增速和变速
平行四边形机构
双转块机构
2）齿轮机构
圆柱齿轮机构
圆锥齿轮机构
蜗轮蜗杆机构
齿轮针轮机构
蜗杆针轮机构
摆线针轮机构
3）行星轮系
用于减速、增速、运动的合成与分解减速器
摇杆滑块机
摆动导杆机构
曲柄摇块机构
等腰梯形机构
2）凸轮机构
3）齿轮齿条机构
4）非圆齿轮齿条机构
5）挠性件传动机构
6）气、液动机构
间歇运动
1）棘轮机构
机床进给、转位或分度、单向离合器、超越离合器
2）槽轮机构
车床刀架的转位、自动包装机的转位、电影放映机
3）凸轮机构
分度装置、间歇回转工作台
4）不完全齿轮齿条机构
4）挠性件滑轮机构
导引升降装置
夹压锁紧
1）连杆机构
利用机构的死点位置或反行程
2）凸轮机构
自锁性质实现夹压锁紧
3）螺旋机构
4）斜面机构
5）棘轮机构
6）气、液动机构
利用阀控制
合成与分解运动
机构地选型和组合应用
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。
机构及其系统运动方案设计
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。
B O A A B
C
O
二、利用机构运动特点创新机构 利用现有机构工作原理，充分考虑机构运 动特点、各构件相对运动 2 7 2 1 关系及特殊的构件形状等， 1 C3 B 1 可创新设计出新的机构。 4 5 2 １、利用连架杆和连杆运 3 折边式包裹包装和模板 4 动特点设计新机构； A D
２、利用两构件相对运动 关系设计新机构；
（３）由若干个子机构串联组合可得到传力性能较好 点Ｍ的轨迹，通过轨迹点Ｍ与后一个机构相连，这种连 1 2 的机构系统。3 接方式称为“轨迹点串联“。 双曲柄机构与六杆机构串联
槽轮机构 1 与 6 导杆机构 7 串联 8 S
2 4 5
3
6 7 D S = g[f()] 2 S M S = g( ) B 5 4
包装机的推包
机构方案设计
H
S
L’ T
0º O 270ºB1
B2 180º
L
C1
C2
• （１）执行构件的运动要求：执行构件：平进－平 运动协调：为使水平移动和上、下运动协调，对凸 （ ２）方案设计 轮机构进行演变，使其既作水平方向移动，又作摆动。 • 退－下降－低位平退－上升的运动轨迹。平进Ｌ； 运动分解：水平方向的左右移动＋上升、下降运动 • •机构组合： 以演变后的凸轮机构（具有两个自由度） 平退Ｓ；上升、下降Ｈ。 机构选型： 作为基础机构，采用并联组合方式，将两套曲柄滑快机 水平方向移动：曲柄滑块机构OB1C1C来完成； 构（其原动件相位不同）和暴动从动件凸轮机构组成推 上、下运动：摆动从动件移动凸轮机构来完成。 包机构。
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二、执行系统的功能原理设计 1. 功能原理的选择与构思 产品的功能 产品的用途、性能、使用价值等，根据人们生产或生活 需要提出。 确定功能指标的考虑因素 先进性 可行性 经济性 功能原理设计的重要性 决定产品的技术水平、工作质量、传动方案、结构型 式、制造成本等。
功能原理设计的多方案性 工作原理不同，运动方案也不同
输入
K
4 4
1
1 输入 2 2 2自由度蜗 杆蜗轮机构 输出
4
凸轮机构
3 机床校正机构
校正原理 蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到要 求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、差动机构K使蜗 杆得到一附加运动，以校正误差。
复合式组合 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的组合方式
左执行机构1
进
退
M
进
静止 退
右执行机构2
M
静止
90º 180º
静止
270º 360º
分配轴转角 0º
第三节 机械传动系统方案设计 和原动机选择
一、机械传动系统方案设计 1. 设计过程 ⑴ 确定传动系统总传动比 ⑵ 选择传动类型 ⑶ 拟定传动链布置方案 ⑷ 分配传动比 ⑸ 确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算 传动系统的各项运动学和动力学参数 ⑹ 绘制传动系统运动简图
圆锥式无级变速器
摩擦传动机构的优缺点 结构简单、传动平稳、易于实现无级变速、过载保护。 传动比不准确、传递功率小、效率低。
⑵ 实现单向间歇转动的机构 槽轮机构 棘轮机构 单向间歇 转动机构
适用于转角固定的转位运动
每次转角小，或转角大小可调的低速场合 大转角而速度不高的场合 运动平稳、分度、定位准确， 但制造困难、高精度定位、高 速场合
运动规律设计 执行机构型式设计
执行机构型式设计 执行系统协调设计
对方案进行定性 评价和定量评价 并从中选出最佳 设计方案
检验执行系 统是否满足 运动要求和 动力性能方 面的要求
确定各执行机 构的运动尺寸， 绘制出各执行 机构的运动简 图
根据工艺过程对各动 作的要求，分析各执 行机构应当如何协调 配合，设计出机械运 动循环图
不完全齿轮机构
凸轮式间歇运动机构 齿轮--连杆机构
特殊要求的输送机构
⑶ 实现往复移动往复摆动运动的机构 曲柄滑块机构
正弦机构 连杆机构 正切机构 凸轮机构 多杆机构 螺旋机构 齿轮齿条机构 组合机构 液压缸、气缸
往复运动 机构
连杆机构特点 制造容易、承载能力大，但难以实现精确运 动，适用于无严格运动规律的场合。 凸轮机构特点 能实现任意复杂的运动和各构件之间的运动 协调，承载能力不大。
第二节 机械执行系统运动方案设计
重要性
执行系统是机械系统中的重要组成部分，直接完成机械
系统预期工作任务。 机械执行系统的方案设计是机械系统总体方案设计的核 心，是整个机械设计工作的基础。 机械执行系统的组成
由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输
出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求， 决定了整个执行系统的结构方案。
44 4
执行构件运动速度的协调配合 范成法加工时，刀具与齿坯之间必须保持精确的传动比。
切 削 运 动
让刀运动
让刀运动
0
范成运动
0
i0 齿轮插刀加工
⑵ 执行系统协调设计方法 ● 确定机械的工作循环周期 ● 确定机械在一个运动循环中各执行构件的各个行程段及 其所需时间 ● 确定各执行构件动作间的配合关系 ⑶ 机械运动循环图 用于描述机械在一个运动循环中各执行构件运动间相互 协调配合的图。 通常选取机械中某一主要的执行构件为参考构件，以生 产工艺的起始点作为运动循环的起始点，据此确定其它执行 构件的运动相对于参考构件的先后次序和配合关系。
子机构I 输入 子机构II 子机构III 子机构n1
子 机 输出 构 n
直线电机
襟翼
直线电机 某型飞机的襟翼操纵机构
大型船舶主传动机构
III
IV
各子机构间无严格 的运动协调配合关系
V 主动轴
VI
II I
某航空发动机附件传动系统
工件(铆钉)
各子机构在动 作的先后次序上有 严格的要求
外圆车刀 棒料 挡 倒角刀 板
此装配线采用了联动凸轮机 构，使笔芯托架沿着矩形轨迹运 动，从而达到使圆珠笔芯步进式 地向前送进的目的。
3. 机构的构型 目的 当所选择的机构型式不能完全实现预期要求，或虽能实 现功能要求但存在着或结构较复杂、或运动精度不当和动力 性能欠佳，可在常用机构中选择一种功能和原理与工作要求 相近的机构，在此基础上重新构筑机构的型式。
按速度变化情况划分的传动类型
传动类型
定传动比传动 有级变 速 原动机 输出速度 恒定 恒定 可调 恒定
传动类型举例
齿轮传动，带、链传动，螺旋传动，不调速 的电力，液压及气压传动 带塔轮的皮带传动，滑移齿轮变速箱 电力、液压传动中的有级调速传动 机械无级变速器，液力耦合器及变矩器，电 磁滑块离合器，磁粉离合器，流体粘性传动 内燃机调速传动，电力、液压及气压无级调 速传动 非圆齿轮传动，凸轮机构，连杆机构及组合 机构 数控的电力传动
主轴
切断刀
自动车床上 三个并联凸轮的 工作顺序有先后 要求。
放松(送料)
凸轮轴
III II I
凸轮I
凸轮II 凸轮III 挡料
夹
紧
切断
车外圆倒角
凸轮 转角
0
90˚
180˚
270˚
360˚
各子机构有运 动形式配合要求
砂轮 砂轮架
工件
磨床中的主轴运动、砂轮运动和、工件运动在运动形式 上有配合要求。
反馈式组合 在机构组合系统中，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 回授的组合方式。
⑷ 再现轨迹的机构
连杆机构 再现轨迹 机构
齿轮—连杆组合机构 凸轮—连杆组合机构 联动凸轮机构
一般而言，除了凸轮机构能实现精确的曲线轨迹之外， 其它机构都只能近似实现预定的曲线轨迹。
B
A
C
D E
搅拌机构 齿轮—连杆组合机构
联动凸轮机构
凸轮—连杆组合机构
此抓片机构采用了联动凸轮 机构，通过两凸轮的联动作用， 使抓片爪按矩形轨迹运动，从而 达到间歇抓片的目的。
● ● ● ● ● ● ● ●
2. 机构的选型 目的 选择或创造出满足执行构件运动和动力要求的机构。 ⑴ 传递连续转动的机构 带传动
摩擦传动机构
摩擦轮传动
齿轮传动 蜗杆传动 链传动
传递连续 转动机构
啮合传动机构
连杆机构
双曲柄机构
平行四边形机构
1 1 2 2 摩擦轮传动 3
3
2
1
平面盘式无级变速器
输入 凸轮机构
5杆机构
输出
五、执行系统的协调设计 ⑴ 执行系统协调设计原则 ● 满足各执行机构动作先后的顺序性要求 ● ● ● ● ● 满足各执行机构动作在时间上的同步性要求 满足各执行机构在空间布置上的协调性要求 满足各执行机构在操作上的协同性要求 各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率 各执行机构的的布置要有利于系统的能量协调和效率的 提高
停歇单向直线运动 曲线运动 复合运动 沿固定曲线运动 沿可变曲线运动
由两个以上单一运动合成
每次进给量的大小
四、执行机构的型式设计
1. 设计原则 满足执行构件的工艺动作和运动要求 尽量简化和缩短运动链 尽量减小机构尺寸 选择合适的运动副形式 考虑动力源的形式 使执行系统具有良好的传力和动力特性 使机械具有调节某些运动参数的能力 保证机械的安全运转
仿形原理 齿轮加工 范成原理
工作原理相同，运动方案不同
滚齿 齿轮加工 插齿 剃齿
三、执行系统的运动规律设计
1. 工艺动作分解和运动方案选择 运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析， 把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所 形成的运动方案也不同。
立式钻床工艺动作分解
刀具作复合运动
变传 动比 传动
无级变 速
可调
周期性 变速
恒定 可调
● ● ● ● ● ● ●
选择原则 执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配 考虑工作要求传递的功率和运转速度 有利于提高传递效率 尽可能结构简单的单级传动装置 考虑结构布置 考虑经济性 考虑机械安全运转条件
传动比的合理分配
传动机 构种类 圆周速 度 ms
2. 传动类型选择 类型与特点
圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 圆形齿轮传动 蜗杆蜗轮传动 单级齿轮传动 螺旋齿轮传动 非圆齿轮传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 行星轮系传动 差动轮系传动
啮合传动 齿轮系传动 机械 传动
挠性啮合传动 挠性(件)传动
链传动 带传动 绳传动
同步齿形带传动
摩擦传动
摩擦轮传动
液压、液力传动 利用液压泵、阀、执行器等元件实现的传动。 气压传动 以压缩空气为工作介质的传动 电气传动 利用电动机和电气装置实现的传动
⑴ 组合法 串联组合 前一级子机构的输出构件，作为后一级子机构的输入构 件，依次串联的组合方式。
输入 子机构I
子机构II
输出
5
1
后一级子机构的主动件 为前一级子机构的一个连架 杆。
1
2 I
II
4
3
F C 5
M
后一级机构的子主动件 为在前一级子机构的连杆。
B
2 1
3 4 A E D
并联组合 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的机构系统的组合方式。