第十三章实现特定轨迹的机构
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优化方法
为了提高凸轮机构的性能，可以采用多种优化方法。例如，通过改变凸轮的基圆半径、偏距等参数，可以优化凸 轮的轮廓曲线，降低机构的振动和噪音。同时，也可以采用先进的材料、制造工艺和润滑方式等措施，提高凸轮 机构的耐磨性、抗疲劳性和传动效率。
凸轮机构应用实例分析
汽车发动机气门机构
汽车发动机气门机构是凸轮机构的一个典型应用实例。在该机构中，凸轮驱动气门做往复直线运动， 控制发动机的进气和排气过程。通过合理设计凸轮的轮廓曲线和选择适当的材料、制造工艺等措施， 可以确保气门机构在高速、高温和恶劣环境下可靠工作。
工业机器人：工业机器人中的关节驱 动通常采用伺服电机驱动齿轮机构的 方式。通过高精度的齿轮传动，实现 机器人关节的精确转动和定位。同时 ，工业机器人还需要根据任务需求进 行轨迹规划和运动控制，这也离不开 对齿轮机构运动特性的深入理解和精 确建模。
航空航天领域：在航空航天领域，齿 轮机构被广泛应用于发动机、传动系 统、舵机等关键部件中。例如，飞机 发动机中的行星轮系就是一种典型的 齿轮机构，它通过多个行星轮的啮合 实现高速、大扭矩的动力传递和减速 功能。同时，航空航天器对于机构重 量、体积和可靠性等方面都有极高的 要求，这也对齿轮机构的设计、制造 和测试提出了严峻的挑战。
自动化生产线中的送料机构
在自动化生产线中，送料机构是实现物料自动输送的关键部件之一。凸轮机构在送料机构中得到了广 泛应用，通过合理设计凸轮的轮廓曲线和选择适当的从动件类型、驱动方式等措施，可以实现物料的 精确、快速和稳定输送。
齿轮机构实现特定
04
轨迹
齿轮机构基本原理及类型
齿轮机构基本原理
齿轮机构通过两个或多个齿轮的啮合，将主动齿轮的旋转运动传递给从动齿轮， 从而实现动力的传递和转速、转向的改变。
明确设计任务和要求
如实现特定轨迹的形状、大小、位置等。
选择合适的机构类型
根据设计任务和要求，选择合适的连杆机构类型。
连杆机构设计方法与步骤
确定机构尺寸和参数
通过几何关系、运动学分析等确定机 构的尺寸和参数。
绘制机构运动简图
用简单的线条和符号表示机构的运动 情况，便于分析和优化。
进行运动学和动力学分析
THANKS.
组合机构实现特定
05
轨迹
组合机构基本原理及类型
串联组合机构
由两个或多个基本机构串 联而成，前一个机构的输 出作为后一个机构的输入 ，实现复杂运动轨迹。
并联组合机构
由两个或多个基本机构并 联而成，各机构的输入相 同，输出叠加，实现高精 度、高刚度的运动轨迹。
混联组合机构
既有串联又有并联的组合 方式，兼具两者的优点， 实现更为复杂的运动轨迹 。
工作原理
当凸轮转动时，其曲线轮廓或凹槽会推动从动件产生预期的往复直线运动或摆 动。通过合理设计凸轮的轮廓曲线，可以实现从动件按照预定的运动规律进行 运动。
凸轮轮廓曲线设计方法及优化
设计方法
凸轮轮廓曲线的设计方法主要有图解法和解析法两种。图解法通过几何作图的方式确定凸轮轮廓曲线，适用于简 单凸轮轮廓的设计。解析法则是通过建立凸轮机构运动的数学模型，利用计算机进行数值计算和优化设计，适用 于复杂凸轮轮廓的设计。
验证机构是否满足设计要求，如不满 足则需调整设计参数。
优化设计
在满足设计要求的前提下，对机构进 行优化设计，如减小尺寸、减轻重量 、提高刚度等。
凸轮机构实现特定
03
轨迹
凸轮机构基本原理
凸轮机构组成
凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。其中，凸轮是一个具有曲 线轮廓或凹槽的构件，通常为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
连杆机构实现特定
02
轨迹
连杆机构基本原理
01
02
03
连杆机构组成
由若干刚性构件通过低副 （转动副、移动副）连接 而成的机构。
运动传递原理
通过构件间的相对运动， 将主动件的运动和动力传 递给从动件，从而实现特 定轨迹。
约束条件
机构中各构件需满足一定 的几何约束和运动约束， 以保证机构能按预定要求 运动。
第十三章实现特定轨迹 的机构
汇报人：XX
目 录
• 机构概述与分类 • 连杆机构实现特定轨迹 • 凸轮机构实现特定轨迹 • 齿轮机构实现特定轨迹 • 组合机构实现特定轨迹 • 现代设计方法在特定轨迹机构中的应用
机构概述与分类
01
机构定义及作用
机构定义
机构是由两个或两个以上的构件 通过活动联接形成的构件系统， 用以实现运动和动力的传递。
组合机构设计方法与步骤
明确设计目标
确定所需实现的运动轨迹、精度、刚度等性 能指标。
选择基本机构
根据设计目标选择合适的基本机构类型，如 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。
组合方式设计
根据基本机构的特性，选择合适的组合方式 ，如串联、并联或混联。
参数优化
通过数学建模和仿真分析，对组合机构的参 数进行优化，以满足设计目标。
实现特定轨迹机构的重要性
实现复杂运动
提高运动精度
通过设计特定轨迹的机构，可以实现复杂 的运动形式，满足不同的工程需求。
特定轨迹的机构可以精确控制从动件的运 动轨迹，提高运动精度和稳定性。
优化机械性能
拓展应用领域
通过优化特定轨迹机构的设计，可以改善 机械系统的动态性能，提高机械效率和使 用寿命。
特定轨迹机构的应用不仅局限于传统机械 领域，还可拓展至机器人、自动化生产线 等新兴领域，推动机械制造业的发展。
组合机构应用实例分析
工业机器人
工业机器人通常采用组合机构实 现复杂的工作空间和灵活的操作
能力，如焊接、装配等任务。
航空航天
航空航天领域对机构的精度和刚 度要求极高，组合机构可实现高 精度、高刚度的运动轨迹，如卫
星姿态调整、导弹制导等。
医疗器械
医疗器械需要实现精细的操作和 准确的定位，组合机构可实现高 精度的运动轨迹，如手术机器人
通过合理设计齿轮齿条的参数和布局，可 以实现特定的直线运动轨迹。例如，调整 齿轮齿条的模数、压力角等参数，以及改 变齿轮齿条的安装角度和位置，都可以影 响直线运动轨迹的形状和精度。
齿轮机构应用实例分析
汽车变速箱：汽车变速箱中的齿轮机 构通过不同大小和模数的齿轮组合， 实现发动机动力传递和车速、扭矩的 调节。同时，变速箱中的同步器、离 合器等机构也与齿轮机构紧密配合， 确保换挡的平顺性和动力传递的可靠 性。
优化设计方法在特定轨迹机构中的应用
多目标优化
算法改进
优化设计方法可以同时考虑多个设计 目标，如机构尺寸、重量、刚度等， 实现多目标优化。
针对特定轨迹机构的特点，可以采用 遗传算法、粒子群算法等智能优化算 法，提高优处理各种设计约束 ，如运动范围、精度要求等，确保设 计的可行性。
连杆机构类型及其特点
平面连杆机构
所有构件均在同一平面内运动的连杆机构。如曲柄摇杆机构 、双曲柄机构等。具有结构简单、制造方便、易于维护等特 点。
空间连杆机构
构件不在同一平面内运动的连杆机构。如空间四杆机构、万 向节等。具有结构紧凑、运动灵活、适应性强等特点。
连杆机构设计方法与步骤
设计方法
图解法、解析法和实验法。其中图解法直观简便，适用于简单机构设计；解析法精确度高 ，适用于复杂机构设计；实验法通过实际测试验证设计结果，适用于重要或特殊要求的机 构设计。
有限元分析（FEA）在特定轨迹机构中的应用
结构分析
FEA可以对机构进行静力学、动力学和热力学分析 ，了解机构的应力、应变和温度分布情况。
模态分析
FEA可以进行机构的模态分析，了解机构的固有频 率和振型，为机构的动力学设计提供依据。
优化设计
结合优化设计方法，FEA可以对机构进行结构优化 ，提高机构的性能指标。
、CT扫描仪等。
现代设计方法在特
06
定轨迹机构中的应
用
计算机辅助设计（CAD）技术应用
高效性
CAD技术可以快速生成、修改和优化设计方案，提高 设计效率。
精确性
CAD技术可以精确计算机构运动学和动力学参数，确 保设计的准确性。
可视化
CAD技术可以实现机构的三维建模和动态仿真，方便 设计者直观了解机构性能。
机构作用
机构在机械系统中起着传递运动 、变换运动形式、实现特定运动 轨迹等重要作用。
机构分类与特点
机构分类
根据机构的结构特征、运动形式和传 递动力的方式，机构可分为连杆机构 、凸轮机构、齿轮机构、带传动机构 等。
机构特点
不同类型的机构具有不同的特点，如 连杆机构具有多变性、凸轮机构具有 从动件运动规律多样性、齿轮机构具 有传动比准确和传动效率高等特点。
齿轮类型
根据齿轮齿廓曲线的不同，齿轮可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮等类型 。其中，渐开线齿轮应用最为广泛。
齿轮齿条传动实现直线运动轨迹
齿轮齿条传动原理
齿轮齿条传动由齿轮和齿条组成。当齿 轮旋转时，齿条上的齿与齿轮的齿相啮 合，从而将齿轮的旋转运动转化为齿条 的直线运动。
VS
实现直线运动轨迹的方法
为了提高凸轮机构的性能，可以采用多种优化方法。例如，通过改变凸轮的基圆半径、偏距等参数，可以优化凸 轮的轮廓曲线，降低机构的振动和噪音。同时，也可以采用先进的材料、制造工艺和润滑方式等措施，提高凸轮 机构的耐磨性、抗疲劳性和传动效率。
凸轮机构应用实例分析
汽车发动机气门机构
汽车发动机气门机构是凸轮机构的一个典型应用实例。在该机构中，凸轮驱动气门做往复直线运动， 控制发动机的进气和排气过程。通过合理设计凸轮的轮廓曲线和选择适当的材料、制造工艺等措施， 可以确保气门机构在高速、高温和恶劣环境下可靠工作。
工业机器人：工业机器人中的关节驱 动通常采用伺服电机驱动齿轮机构的 方式。通过高精度的齿轮传动，实现 机器人关节的精确转动和定位。同时 ，工业机器人还需要根据任务需求进 行轨迹规划和运动控制，这也离不开 对齿轮机构运动特性的深入理解和精 确建模。
航空航天领域：在航空航天领域，齿 轮机构被广泛应用于发动机、传动系 统、舵机等关键部件中。例如，飞机 发动机中的行星轮系就是一种典型的 齿轮机构，它通过多个行星轮的啮合 实现高速、大扭矩的动力传递和减速 功能。同时，航空航天器对于机构重 量、体积和可靠性等方面都有极高的 要求，这也对齿轮机构的设计、制造 和测试提出了严峻的挑战。
自动化生产线中的送料机构
在自动化生产线中，送料机构是实现物料自动输送的关键部件之一。凸轮机构在送料机构中得到了广 泛应用，通过合理设计凸轮的轮廓曲线和选择适当的从动件类型、驱动方式等措施，可以实现物料的 精确、快速和稳定输送。
齿轮机构实现特定
04
轨迹
齿轮机构基本原理及类型
齿轮机构基本原理
齿轮机构通过两个或多个齿轮的啮合，将主动齿轮的旋转运动传递给从动齿轮， 从而实现动力的传递和转速、转向的改变。
明确设计任务和要求
如实现特定轨迹的形状、大小、位置等。
选择合适的机构类型
根据设计任务和要求，选择合适的连杆机构类型。
连杆机构设计方法与步骤
确定机构尺寸和参数
通过几何关系、运动学分析等确定机 构的尺寸和参数。
绘制机构运动简图
用简单的线条和符号表示机构的运动 情况，便于分析和优化。
进行运动学和动力学分析
THANKS.
组合机构实现特定
05
轨迹
组合机构基本原理及类型
串联组合机构
由两个或多个基本机构串 联而成，前一个机构的输 出作为后一个机构的输入 ，实现复杂运动轨迹。
并联组合机构
由两个或多个基本机构并 联而成，各机构的输入相 同，输出叠加，实现高精 度、高刚度的运动轨迹。
混联组合机构
既有串联又有并联的组合 方式，兼具两者的优点， 实现更为复杂的运动轨迹 。
工作原理
当凸轮转动时，其曲线轮廓或凹槽会推动从动件产生预期的往复直线运动或摆 动。通过合理设计凸轮的轮廓曲线，可以实现从动件按照预定的运动规律进行 运动。
凸轮轮廓曲线设计方法及优化
设计方法
凸轮轮廓曲线的设计方法主要有图解法和解析法两种。图解法通过几何作图的方式确定凸轮轮廓曲线，适用于简 单凸轮轮廓的设计。解析法则是通过建立凸轮机构运动的数学模型，利用计算机进行数值计算和优化设计，适用 于复杂凸轮轮廓的设计。
验证机构是否满足设计要求，如不满 足则需调整设计参数。
优化设计
在满足设计要求的前提下，对机构进 行优化设计，如减小尺寸、减轻重量 、提高刚度等。
凸轮机构实现特定
03
轨迹
凸轮机构基本原理
凸轮机构组成
凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。其中，凸轮是一个具有曲 线轮廓或凹槽的构件，通常为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
连杆机构实现特定
02
轨迹
连杆机构基本原理
01
02
03
连杆机构组成
由若干刚性构件通过低副 （转动副、移动副）连接 而成的机构。
运动传递原理
通过构件间的相对运动， 将主动件的运动和动力传 递给从动件，从而实现特 定轨迹。
约束条件
机构中各构件需满足一定 的几何约束和运动约束， 以保证机构能按预定要求 运动。
第十三章实现特定轨迹 的机构
汇报人：XX
目 录
• 机构概述与分类 • 连杆机构实现特定轨迹 • 凸轮机构实现特定轨迹 • 齿轮机构实现特定轨迹 • 组合机构实现特定轨迹 • 现代设计方法在特定轨迹机构中的应用
机构概述与分类
01
机构定义及作用
机构定义
机构是由两个或两个以上的构件 通过活动联接形成的构件系统， 用以实现运动和动力的传递。
组合机构设计方法与步骤
明确设计目标
确定所需实现的运动轨迹、精度、刚度等性 能指标。
选择基本机构
根据设计目标选择合适的基本机构类型，如 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。
组合方式设计
根据基本机构的特性，选择合适的组合方式 ，如串联、并联或混联。
参数优化
通过数学建模和仿真分析，对组合机构的参 数进行优化，以满足设计目标。
实现特定轨迹机构的重要性
实现复杂运动
提高运动精度
通过设计特定轨迹的机构，可以实现复杂 的运动形式，满足不同的工程需求。
特定轨迹的机构可以精确控制从动件的运 动轨迹，提高运动精度和稳定性。
优化机械性能
拓展应用领域
通过优化特定轨迹机构的设计，可以改善 机械系统的动态性能，提高机械效率和使 用寿命。
特定轨迹机构的应用不仅局限于传统机械 领域，还可拓展至机器人、自动化生产线 等新兴领域，推动机械制造业的发展。
组合机构应用实例分析
工业机器人
工业机器人通常采用组合机构实 现复杂的工作空间和灵活的操作
能力，如焊接、装配等任务。
航空航天
航空航天领域对机构的精度和刚 度要求极高，组合机构可实现高 精度、高刚度的运动轨迹，如卫
星姿态调整、导弹制导等。
医疗器械
医疗器械需要实现精细的操作和 准确的定位，组合机构可实现高 精度的运动轨迹，如手术机器人
通过合理设计齿轮齿条的参数和布局，可 以实现特定的直线运动轨迹。例如，调整 齿轮齿条的模数、压力角等参数，以及改 变齿轮齿条的安装角度和位置，都可以影 响直线运动轨迹的形状和精度。
齿轮机构应用实例分析
汽车变速箱：汽车变速箱中的齿轮机 构通过不同大小和模数的齿轮组合， 实现发动机动力传递和车速、扭矩的 调节。同时，变速箱中的同步器、离 合器等机构也与齿轮机构紧密配合， 确保换挡的平顺性和动力传递的可靠 性。
优化设计方法在特定轨迹机构中的应用
多目标优化
算法改进
优化设计方法可以同时考虑多个设计 目标，如机构尺寸、重量、刚度等， 实现多目标优化。
针对特定轨迹机构的特点，可以采用 遗传算法、粒子群算法等智能优化算 法，提高优处理各种设计约束 ，如运动范围、精度要求等，确保设 计的可行性。
连杆机构类型及其特点
平面连杆机构
所有构件均在同一平面内运动的连杆机构。如曲柄摇杆机构 、双曲柄机构等。具有结构简单、制造方便、易于维护等特 点。
空间连杆机构
构件不在同一平面内运动的连杆机构。如空间四杆机构、万 向节等。具有结构紧凑、运动灵活、适应性强等特点。
连杆机构设计方法与步骤
设计方法
图解法、解析法和实验法。其中图解法直观简便，适用于简单机构设计；解析法精确度高 ，适用于复杂机构设计；实验法通过实际测试验证设计结果，适用于重要或特殊要求的机 构设计。
有限元分析（FEA）在特定轨迹机构中的应用
结构分析
FEA可以对机构进行静力学、动力学和热力学分析 ，了解机构的应力、应变和温度分布情况。
模态分析
FEA可以进行机构的模态分析，了解机构的固有频 率和振型，为机构的动力学设计提供依据。
优化设计
结合优化设计方法，FEA可以对机构进行结构优化 ，提高机构的性能指标。
、CT扫描仪等。
现代设计方法在特
06
定轨迹机构中的应
用
计算机辅助设计（CAD）技术应用
高效性
CAD技术可以快速生成、修改和优化设计方案，提高 设计效率。
精确性
CAD技术可以精确计算机构运动学和动力学参数，确 保设计的准确性。
可视化
CAD技术可以实现机构的三维建模和动态仿真，方便 设计者直观了解机构性能。
机构作用
机构在机械系统中起着传递运动 、变换运动形式、实现特定运动 轨迹等重要作用。
机构分类与特点
机构分类
根据机构的结构特征、运动形式和传 递动力的方式，机构可分为连杆机构 、凸轮机构、齿轮机构、带传动机构 等。
机构特点
不同类型的机构具有不同的特点，如 连杆机构具有多变性、凸轮机构具有 从动件运动规律多样性、齿轮机构具 有传动比准确和传动效率高等特点。
齿轮类型
根据齿轮齿廓曲线的不同，齿轮可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮等类型 。其中，渐开线齿轮应用最为广泛。
齿轮齿条传动实现直线运动轨迹
齿轮齿条传动原理
齿轮齿条传动由齿轮和齿条组成。当齿 轮旋转时，齿条上的齿与齿轮的齿相啮 合，从而将齿轮的旋转运动转化为齿条 的直线运动。
VS
实现直线运动轨迹的方法