机构创新设计11
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n （1）连续运动：如各种异步电动机、滑差电机、 直流电机、汽油机、柴油机、液压马达、气动马 达等等。
n （2）往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电 动机等。
n （3）往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或 汽缸等。
n （4）间歇运动：如步进电机等。
n 机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般 输入构件的运动大多数为连续运动。
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机构创新设计11
• 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
•输出 •子机构II
• 后一级子机构的主动 件为前一级子机构的一个连
•1
•1
架杆。
•5
•2 •II •4
•I •3
•F •C •5
• 后一级机构的子主动 件为在前一级子机构的连杆。
求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性 以及动力性能等密切相关。 n 机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的 运动形式有关， n 而且还与机构的输入构件（主动件）有关， n 而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型 有关。
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机构创新设计wenku.baidu.com1
n 常用的原动机的输出运动形式可分为：
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•B •1 •A •2
•4 •lR •1
•S •O1•P
•2 •3
•A •O
•B
•5
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• 改变构件结构形状
• 将摆动导杆机构中的直线导槽 改为圆弧导槽，可获得较长时间的 停歇。
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机构创新设计11
•执行机构运动协调设计
要使分解后的运动规律协调配合
（1）简单情况可采用机构合成法 将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。
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2020/11/18
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•4.1 功能原理设计
• •根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现所需 的功能要求。 • 采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质 、适用场合等都会有很大的差异， •因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效 率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时在满足要 求的前提下尽可能多采用几个方案。
• 0° 90° 180° 270°
360°
•195°
•工作行程 • （向下冲压）
•工作行程 • （向上冲压）
•冲头 向上快速返 回
•冲头 上升送料
•送料凸轮机构 •转 动
•静 止
•转 动 •送料
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演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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•
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机构创新设计11
•1） 动作及运动设计
•
•◆ 根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。 同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。
•◆ 不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。
•
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机构创新设计11
功能分析
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•擦 黑 板 装 置
机构创新设计11
•大型船舶主传动机构
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•襟翼
•直线电机
•直线电机
•某型飞机的襟翼操纵机构
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• 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
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•输入
•凸轮机构
•5杆机构 •输出
机构创新设计11
•⑵ 变异法
•1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。
较好； 5. 上冲头快速退出，下冲头随之将压好的药片推出型腔，完成压片工
艺过程 。
•11
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•3 •10
•5
•9 •10
机构创新设计11
例：粉料压片机
•3 •10
•11
•5
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•分
• •配
轴
•9
•8 •7
•10 •Ⅰ •1 •2
•3
•Ⅲ
•9•11
•1 •Ⅰ •S1
•Ⅳ •5
•4
•6•Ⅱ
•6
•2 •Ⅱ •S2 •3 •Ⅲ •S3 •4 •Ⅳ •S4
机构创新设计11
•二、机械运动循环图的设计
•1、设计要点 •1) 完成系统的协调设计; •3) 设计单一执行机械运动循环图 ;
2) 确定参照机构（构件）; 4) 设计机械运动循环图.
•主 轴 转 角 •上冲头连杆
•下冲头凸轮
n 目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。
n 在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传 动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，
n 特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。
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n 例如两种摆杆机构的方案，
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•二、机械运动循环图的设计
• 1、设计要点 1) 完成系统的协调设计; 2) 确定参照机构（构件）; • 3) 设计单一执行机械运动循环
图; • 4) 设计机械运动循环图.
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例：粉料压片机
•3 •10
•9
•11
•5
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•10 •Ⅰ •1 •2
降低生产成本，提高经济效益的目的。
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n （6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用
n 在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹 车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。
n 为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。
n （7）具有较高的生产效率和机械效率
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n 2.机构选型的基本原则 n 在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种
基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且 还应该遵循下列的基本原则： n （1）满足工艺动作和运动要求。 n 选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动 要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动 规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦， 而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副 机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或 轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大， 设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面） 易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面 考虑，优先采用低副机构。
•
•2） 执行机构型式设计
• 实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。 •执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需 要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。
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机构选型的基本原则
n 1.原动机的运动形式 n 机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要
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n 选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机 关年纪效益的只要手段之一。
n 在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少 采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。
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n 此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转 矩及其载荷特性能够相互匹配协调。
n 另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。
n 例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机 构，因为通常负号机构比正号机构效率高；
n 增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。
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4.2机构设计
• 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。
•8 •7
•Ⅲ
•3 •9•11
•Ⅳ
•4
•5 •6•Ⅱ
•6
机构创新设计11
• （1）执行构件完成的动作： 1. 移动料斗3至模具11的型腔上方，并准备将粉料装入型腔； 2. 料斗振动，将粉料装入型腔； 3. 下冲头5下沉，以防止上冲头9下压时将型腔内粉料抖出； 4. 上冲头下压，下冲头上压，将粉料加压并保压一定时间，使药片成型
n 由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现 在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机 构。
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n （2）结构最简单，传动链最短
n 在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽 可能简单，构件的数目要少，运动副数目也 要少。
n 这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻 重量，降低成本，而且还可以减少机构的累 计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。
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n （4）机构有尽可能好的动力性能
n 这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。 n 对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构
件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。 n 对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防
n 显然，如图所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸 在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构 更简单，速度比较容易控制；
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n 而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通 过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a） 复杂得多。
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n 例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直 线运动，
n 而且从动件的行程不要太大，可采用 n 图示的结构。
n
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也可采用图示的结构。
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n （3）原动机的选择有利于简化结构和改善运 动质量
使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根
轴或少数几根轴上；
各原动件应保持等速或定速比。
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二、执行机构运动协调设计应满足的要求
1. 保证各执行机构动作的顺序性； 2. 各执行构件的动作在时间上同步； 3. 保证空间的同步性； 4. 保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性； 5. 执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处
发生干涉；
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机械运动循环图设计
一、机械运动循环图
1、机械运动循环图 表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明
确图，称机械运动循环图。
•2、机械运动循环图的类型
•
1）直线式循环图（矩形循环图）
•2） 圆形循环图（极坐标式）
•3）直角坐标式循环图
（2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合 （3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。
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•一、执行构件的布置
•特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便
•
1）与执行构件的联接是否方便；
•
2）执行机构原动件布置的位置是否恰当；
尽可能接近执行构件；
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n 例：
n JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件 圆柱凸轮机构如图2—1（a）所示，
n 虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求， 但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。
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机构创新设计11
n JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构如图所示。 虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机 进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线 孔轨迹满足使用要求。
•M •2 •4 •E
•B •1 •A
•3 •D
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• 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。
•子机构I
•输入
•子机构 II •子机构III
•子 机 •输 构出 n
•子机构n1
止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。
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n （5）加工制造方便，经济成本低
n 降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里 保证。
n 在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为 主构成的低副机构，
n 因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。 n 此外，在保证使用条件的前提下， n 尽可能选用结构简单的机构； n 尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低
n （2）往复移动：如活塞式汽缸和液压缸、直线电 动机等。
n （3）往复摆动：如双向电动机、摆动式液压缸或 汽缸等。
n （4）间歇运动：如步进电机等。
n 机器中使用最广泛的是交流电动机，因此，一般 输入构件的运动大多数为连续运动。
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• 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
•输出 •子机构II
• 后一级子机构的主动 件为前一级子机构的一个连
•1
•1
架杆。
•5
•2 •II •4
•I •3
•F •C •5
• 后一级机构的子主动 件为在前一级子机构的连杆。
求、制造难易、成本高低、运动精度、寿命、可靠性 以及动力性能等密切相关。 n 机构的选型不仅与执行构件（即机构的输出构件）的 运动形式有关， n 而且还与机构的输入构件（主动件）有关， n 而主动件或原动件的运动形式则与所选的原动机类型 有关。
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n 常用的原动机的输出运动形式可分为：
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•B •1 •A •2
•4 •lR •1
•S •O1•P
•2 •3
•A •O
•B
•5
机构创新设计11
• 改变构件结构形状
• 将摆动导杆机构中的直线导槽 改为圆弧导槽，可获得较长时间的 停歇。
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机构创新设计11
•执行机构运动协调设计
要使分解后的运动规律协调配合
（1）简单情况可采用机构合成法 将多个分解运动输入到具有多个自由度的机构中，合成为一个复杂的运动。
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•4.1 功能原理设计
• •根据机械预期实现的功能，考虑选择何种工作原理来实现所需 的功能要求。 • 采用不同的工作原理设计出的机械，其性能、结构、工作品质 、适用场合等都会有很大的差异， •因此必须根据机械的具体工作要求，如强度、精度、寿命、效 率、产量、成本、环保等诸多因素综合考虑确定。同时在满足要 求的前提下尽可能多采用几个方案。
• 0° 90° 180° 270°
360°
•195°
•工作行程 • （向下冲压）
•工作行程 • （向上冲压）
•冲头 向上快速返 回
•冲头 上升送料
•送料凸轮机构 •转 动
•静 止
•转 动 •送料
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•
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•1） 动作及运动设计
•
•◆ 根据工艺要求进行工艺动作的分解及执行运动的确定。 同一个工作原理，可以有多种工艺动作分解。
•◆ 不同的工艺动作分解，将会得到不同的设计结果。
•
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•大型船舶主传动机构
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•襟翼
•直线电机
•直线电机
•某型飞机的襟翼操纵机构
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• 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
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•输入
•凸轮机构
•5杆机构 •输出
机构创新设计11
•⑵ 变异法
•1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。
较好； 5. 上冲头快速退出，下冲头随之将压好的药片推出型腔，完成压片工
艺过程 。
•11
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•3 •10
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•9 •10
机构创新设计11
例：粉料压片机
•3 •10
•11
•5
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•分
• •配
轴
•9
•8 •7
•10 •Ⅰ •1 •2
•3
•Ⅲ
•9•11
•1 •Ⅰ •S1
•Ⅳ •5
•4
•6•Ⅱ
•6
•2 •Ⅱ •S2 •3 •Ⅲ •S3 •4 •Ⅳ •S4
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•二、机械运动循环图的设计
•1、设计要点 •1) 完成系统的协调设计; •3) 设计单一执行机械运动循环图 ;
2) 确定参照机构（构件）; 4) 设计机械运动循环图.
•主 轴 转 角 •上冲头连杆
•下冲头凸轮
n 目前机器的原动机多采用电动机，也有采用液压缸或气缸。
n 在有液、气压动力源时尽量采用液压缸或气缸，这样有利于简化传 动链和改善运动质量，而且具有减振、易于减速、操作方便等优点，
n 特别对于具有多执行构件的工程机械、自动机，其优越性就更突出。
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n 例如两种摆杆机构的方案，
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•二、机械运动循环图的设计
• 1、设计要点 1) 完成系统的协调设计; 2) 确定参照机构（构件）; • 3) 设计单一执行机械运动循环
图; • 4) 设计机械运动循环图.
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例：粉料压片机
•3 •10
•9
•11
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•10 •Ⅰ •1 •2
降低生产成本，提高经济效益的目的。
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n （6）机器操纵方便、调整容易、安全耐用
n 在拟定机械运动方案时，应适当选一些开、停、离合、正反转、刹 车、手动等装置，可使操作方便，调整容易。
n 为了预防机器因载荷突变造成损坏，可选用过载保护装置。
n （7）具有较高的生产效率和机械效率
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n 2.机构选型的基本原则 n 在进行机构选型和组合时，设计者必须熟悉各种
基本机构和常用机构的功能、结构和特点，并且 还应该遵循下列的基本原则： n （1）满足工艺动作和运动要求。 n 选择机构首先应满足执行构件的工艺动作和运动 要求。通常高副机构比较容易实现所要求的运动 规律和轨迹，但是高副的曲面加工制造比较麻烦， 而且高副元素容易因磨损而造成运动失真。低副 机构虽然往往只能近似实现所要求的运动规律或 轨迹，尤其当构件数目较多时，累计误差较大， 设计也比较困难，但低副元素（圆柱面或平面） 易于加工且容易达到加工精度要求。因此从全面 考虑，优先采用低副机构。
•
•2） 执行机构型式设计
• 实现同一种运动，可以选择不同型式的机构。 •执行机构的型式设计，即选用何种机构来实现所需运动，这需 要考虑机构的动力特性、机械效率、制造成本等因素。
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机构选型的基本原则
n 1.原动机的运动形式 n 机械运动方案拟定的优劣与机器能否满足预定功能要
2020/11/18
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n 选用机构必须考虑到其生产效率和机械效率，这也是节能源提高机 关年纪效益的只要手段之一。
n 在选用机构时，应尽量减少中间环节，即传动链要短，并且尽量少 采用移动副，因为这类运动副容易发生楔紧或自锁现象。
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n 此外，执行机构的选择要考虑到与原动机的运动方式、功率、转 矩及其载荷特性能够相互匹配协调。
n 另外，所选机构的传力特性要好，机械效率较高。
n 例如低效率的蜗杆机构应该少用；行星轮传动中优先采用负号机 构，因为通常负号机构比正号机构效率高；
n 增速机构一般效率较低，也应该尽量避免采用。
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4.2机构设计
• 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。
•8 •7
•Ⅲ
•3 •9•11
•Ⅳ
•4
•5 •6•Ⅱ
•6
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• （1）执行构件完成的动作： 1. 移动料斗3至模具11的型腔上方，并准备将粉料装入型腔； 2. 料斗振动，将粉料装入型腔； 3. 下冲头5下沉，以防止上冲头9下压时将型腔内粉料抖出； 4. 上冲头下压，下冲头上压，将粉料加压并保压一定时间，使药片成型
n 由于连杆机构是低副机构，加工方便且耐磨损，所以现 在家用缝纫机和工业缝纫机都选用连杆机构作为挑线机 构。
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n （2）结构最简单，传动链最短
n 在满足使用要求的前提下，机构的结构应尽 可能简单，构件的数目要少，运动副数目也 要少。
n 这样不仅可以减少制造和装配的困难，减轻 重量，降低成本，而且还可以减少机构的累 计运动误差，提高机器的效率和工作可靠性。
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n （4）机构有尽可能好的动力性能
n 这一原则对于高速机械或者载荷变化很大的机构尤应注意。 n 对于高速机械，机构选型要尽量考虑其对称性，对机构或回转构
件进行平衡使其质量合理分布，以求惯性力的平衡和减小动载荷。 n 对于传力大的机构要尽量增大机构的传动角或减小压力角，以防
n 显然，如图所示的摆动气缸方案，其结构十分简单，但摆动气缸 在传动时速度较难控制。若采用摆动电动机直接驱动摆杆，结构 更简单，速度比较容易控制；
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n 而如图（b）所示的方案，因为电动机一般转速较高，它必须通 过减速机才能使摆杆的摆动速度满足要求，故其结构比图（a） 复杂得多。
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n 例：为了实现将回转运动变换为一种按一定运动规律进行的往复直 线运动，
n 而且从动件的行程不要太大，可采用 n 图示的结构。
n
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也可采用图示的结构。
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n （3）原动机的选择有利于简化结构和改善运 动质量
使各执行机构原动件尽可能集中布置在一根
轴或少数几根轴上；
各原动件应保持等速或定速比。
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二、执行机构运动协调设计应满足的要求
1. 保证各执行机构动作的顺序性； 2. 各执行构件的动作在时间上同步； 3. 保证空间的同步性； 4. 保证系统各执行构件对操作对象的操作具有单一性或协同性； 5. 执行构件的动作之间应保持时间上的间隔，以避免动作衔接处
发生干涉；
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机械运动循环图设计
一、机械运动循环图
1、机械运动循环图 表达机械各执行机构（构件）在一个运动环中各动作的协调配合关系的简单明
确图，称机械运动循环图。
•2、机械运动循环图的类型
•
1）直线式循环图（矩形循环图）
•2） 圆形循环图（极坐标式）
•3）直角坐标式循环图
（2）可采用分配轴的方法使各分解运动协调配合 （3）可采用电气控制或计算机数字控制的方法使各分解运动协调配合。
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•一、执行构件的布置
•特别要考虑到控制此执行构件运动的执行机构的安装是否方便
•
1）与执行构件的联接是否方便；
•
2）执行机构原动件布置的位置是否恰当；
尽可能接近执行构件；
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n 例：
n JA型家用缝纫机的挑线机构采用摆动从动件 圆柱凸轮机构如图2—1（a）所示，
n 虽然其挑线孔的轨迹比较容易满足使用要求， 但是凸轮廓线加工比较复杂，而且容易磨损。
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n JB型家用缝纫机的挑线机构则采用连杆机构如图所示。 虽然其挑线孔的运动轨迹只能近似实现，但借助计算机 进行优化设计，可控制误差在允许范围内，从而使挑线 孔轨迹满足使用要求。
•M •2 •4 •E
•B •1 •A
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• 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。
•子机构I
•输入
•子机构 II •子机构III
•子 机 •输 构出 n
•子机构n1
止机构自锁，增大机器的传力效益，减小原动机的功率及其损耗。
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n （5）加工制造方便，经济成本低
n 降低生产成本，提高经济效益是使产品有足够的市场竞争里的有里 保证。
n 在具体实施时，应尽可能选用低副机构，并且最好选用以转动副为 主构成的低副机构，
n 因为转动副元素比移动副元素更容易加工，也跟容易达到精度要求。 n 此外，在保证使用条件的前提下， n 尽可能选用结构简单的机构； n 尽可能选用标准化、系列化、通用化的元器件，以达到最大限度低