第五章 机构组合的创新设计

机构组合创新小结
组合方式：
除4种组合方式外，还可以交互式组合
主要功能：
*可使执行构件实现增程、增速、增力； *可改善机构的运动和动力特性； *可使执行构件实现特定的运动规律与轨迹； *可实现运动的合成与分解； *可实现多自由度的复合运动
注意问题：
多次组合会使运动链增长，运动副增多，设计难度 增大，积累误差增大，机械效率也会降低
输入 机构1 机构2 输出
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1. 串联式组合
• 串联组合形式 前置机构可以是连杆机构、 凸轮机构、齿轮机构、非圆齿轮机构、间 歇运动机构、挠性件传动机构等。 • 可以实现增力、增程和各种特殊的运动规 律，并具有改善后置机构的运动与动力学 特性等功能。
1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
2. 并联式组合
③时序式
• 由摆动从动件盘形凸轮 机构与摇杆滑块机构并 联组合
• 推杆2负责输送工件，
滑块5完成冲压，应按 照机构运动循环图进行
机构的尺寸综合。
2. 并联式组合
1、改善性能
二、并联式组合机构功能
双 棘 爪 棘 轮 机 构
使工件周期性转过900并无空程
机翼操纵机构
其中一个发生故障，另一个还能完成工作， 安全可靠性强； Page3
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4. 叠加式组合
1）、单联式组合
• 组合形式：装截式。由1-2-3-4、4-5-6-7、7-8-9-10三套液 压摆缸机构组成。 “7-8-9-10 ”装载在“4-5-6-7”的构件7 上， “4-5-6-7”装载在“1-2-3-4”的构件4上。 • 功能：实现挖掘工具的复杂运动。
4. 叠加式组合
3. 封闭式组合
组合的形式
④组合实例分析
• 结构特点：
齿轮连杆机构
3. 封闭式组合
组合的形式
差 动 1输出 3输入 轮 连杆机构 系 2输入
z3 1 2 1 2 i13 (3 2 ) 由基础机构的： z1 3 2 由辅助机构的： 3 2 若使： 2 （某区间）
•利用凸轮可输出特殊的运动规律来实现特定的工作要求
齐纸机构பைடு நூலகம்
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1. 串联式组合
（3） 齿轮机构为前置机构
• 可利用椭圆齿轮机构的特殊运动规律
椭圆齿轮连杆机构 Page1
1. 串联式组合
（3） 齿轮机构为前置机构
毛纺针梳机导条机构
（椭圆齿轮连杆机构）
实现导杆5匀速往复运动
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1. 串联式组合
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3. 封闭式组合
例：机床分度补偿机构，A，B为圆柱副 φ3 s1
z3 3 4 z4
蜗轮4的转动由蜗杆3的转动和蜗 杆3的移动（凸轮1）输入 蜗杆转动与移动引起蜗轮转动方向一致 取证，否则取负
s1 4 r4 z3 s1 4 3 z4 r4
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4. 叠加式组合
2. 并联式组合
一、并联式组合形式
两个或多个基本机构并列布置，运动并行传递
一、并联式组合形式
1、并列式并联 2、合成式并联 3、时序式并联
机构1
输入 机构2 输出 输入 机构2
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结构形式
机构1
输入 机构2 输出
输出
输入
机构1
输出
2. 并联式组合
一、并联式组合形式
1输入，2、4输出
1、2输入，3输出
1. 串联式组合
• A轨迹8字形。 主动件1循环 运动一次，输 出件5往复移
（1） 连杆机构为前置机构
• 可实现特殊的运动规律
动两次
1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
•可改善后置机构的运动与动力特性
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1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
•可改善后置机构的运动与动力特性
• 槽轮机构常用于转位和分度机械装置中， 运动时会带来振动与冲击，造成工作台不 稳，尤其是槽数较少的外槽轮机构。采用 双曲柄机构（不是平行四边形机构）为前 置机构，改善了动力学特性。
1. 串联式组合
节能 发动机
（1） 连杆机构为前置机构
偏距为气缸直径的0~0.5倍。 刚性杆2（6）为L形，其夹角 λ可为60°~120°。该机构 对发动机而言，可使活塞的 实际行程增加5%~20%，使 发动机的实际排量增加 5%~20%；可使发动机的燃 油消耗率降低5%~20%；使 曲轴的平均输出扭矩增大 5%~35%。若用于压缩机， 也可使能源消耗明显下降。
2. 并联式组合
①并列式
• 组合形式：两个齿轮齿条机构并联（共用齿轮），然后与 曲柄滑块机构串联（滑块与齿轮轴固接）
• 特点：两个移动电机可互不干扰地工作，其中一个发生故
障，另一个还能完成工作，安全可靠性强；连接襟翼的曲 柄可产生很大的力；齿轮的转动与滑块的移动无关。
2. 并联式组合
①并列式
• 加压且摩擦阻力小
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1. 串联式组合
• 可用于增程
φ
（1） 连杆机构为前置机构
ψ
z2 z1
齿条6的行程是滑块 3的2倍，是曲柄1长 度的4倍
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1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
• 可实现特殊的运动规律
部分行程要求等速
、减速、停歇等
。图为实现等速
移动功能的牛头
刨床串联组合机
构。
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3. 封闭式组合
• 可利用中间齿轮换向实现两个自由度机构的输入
振摆式轧机示意图
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3. 封闭式组合
• 实现大速比
• 组合形式：基础机构为差动齿轮机构，
附加机构为平行四边形机构，齿轮1与
连杆固结为一个构件。
2 H z1 2 z1 1 0 1 1 H z2 H z2
2. 并联式组合
①并列式
• 8为主动件，
往复一个行 程使工件周
期性转过900
并无空程。
2. 并联式组合
②合成式
• 输出运动互相影响或作用，完成复杂的运 动规律和轨迹要求。
两个凸轮分别 使输出构件左 右、上下移动
2. 并联式组合
②合成式
2. 并联式组合
③时序式
• 两上输出的运动具有一定的运动或动作的 协调。 图为一般用于工件 的输送装置，大滑 块在右端位置先接 受工件，左移，再 由小滑块将工件推 出，设计时须注意 两滑块运动的协调 与配合。
随着滑块下移，α减小，L增 大，S减小，在F不增大的情 况下，Q逐渐增大。
F
• 可用于增力——肘杆机构
P
P
QM
cos s
增力比：L/y
L cos QM ys
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1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
某压力机的主机构
θ
α
当 0， 2 F大约是 F12的14倍
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一、机构组合与创新设计
基本机构
单环的连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇 运动机构、螺旋机构、挠性件传动机构、以及 这些机构的倒置机构等
组合方式
串联式、并联式、封闭式、装载式
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1. 串联式组合
两个及两个以上基本机构顺序连 接，每一个前置机构的输出为后 置机构的输入，用以满足工作要 求
1输入， 2 输出
输入
输入
机构1
机构2
时序式
输出 输出
机构1 输出 输入 机构2
合成式
机构1
输出 机构2
并列式
输入
2. 并联式组合
①并列式
• 类型、尺寸相同，对称布置，主要用于改 善机构的受力状态、动力学特性、自身的 动平衡、死点问题、输出运动的可靠性。
两个移动电机 可独立完成任 务，增强了安 全可靠性。
3. 封闭式组合
• 实现增程增力
• 输出构件滑块D的行程 比简单凸轮机构推杆的 行程增大几倍，而凸轮 机构的压力角仍可控制 在许用范围内。
附加机构为曲柄 摇杆机构，5的摆 角将比3的成倍增 加。
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3. 封闭式组合
• 固定凸轮机构与差动 连杆机构共用浮动杆
和连架杆的冲压机构
，再在4、2间串联一 II级杆组6、7，则为 双向冲压。
将某个机构安装在另一个机构的输出构 件上，最后总输出的运动则是若干个叠 加机构的多个自由度的复合运动
结构形式
输入
基本机构N 输出
基本机构2 基本机构1
输入 输入
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4. 叠加式组合
1）、单联式组合
• 图为工业机械手 。末端开链机构 安装在直移机构 的活塞上，而直 移机构的汽缸又 安装在链传动机 构的转动链轮上 ，又装在移动连 杆机构的连杆上 。
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机构演化、变异原理与创新
2）、双联式组合
• 图为摇头电风扇机构。蜗 杆机构装载在双摇杆机构 的运动构件摇杆上，蜗轮 又与其连杆固联。由于两 个基本机构中除装载构件 共用外，还有两个构件并 接，所以组合机构具有1 个自由度，只需要以蜗杆
为输入构件就具有确定运
动。 摇头电扇
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机构组合创新小结
• 具有连续输入输出关系的串联式机构组合 可实现增力、增程等功能 • 具有共用输入输出关系的并联式机构组合 也可改善工作性能。 • 具有共用构件的封闭式机构组合还可实现 特定的运动规律。 • 具有主次关系的叠加式机构组合可实现复 杂运动
3 2
• 运动特点：
i13
则：1 0 若使：3 0 则：1 （ 2 1 i13） 数，则系统自由度为1。
令ω2为机构的输入参
3. 封闭式组合
功能
• 实现特定的运动规律。图为齿轮连杆机构。可通
过选择不同的齿数比，及连杆机构中不同杆长 比实现不同的步进转位角。
3. 封闭式组合
• 也称为齿轮连杆机构，系杆为主动件，单级传动 比在11~99之间，双级传动比可达9801。
3. 封闭式组合
•实现运动的合成
z1 s1 2 1 z2 r2
• 凸轮与蜗杆固联，并 作为主动构件输入转 动，输出构件蜗轮的 角位移由两部分组成 • 凸轮与蜗轮固联，蜗 杆轴主动，蜗轮的运 动是转动与移动的合 成，常用于机床作为 运动误差的补偿。
功能 • 图为可实现长时 间停歇的齿轮导 杆机构，避免刚 性冲击，可无级
地满足运动系数
的要求，但机构 较复杂。
3. 封闭式组合
功能
• 图中基础机构为3、4、5、机架，附加机构为1、2 、4，当4以等角速度转动时，5因凸轮轮廓曲线的 形状变化可获得多样化的运动规律。
3. 封闭式组合
功能
• 图为构件1、3、4、5组成差动凸轮机构， 附加机构为导杆机构2、3、4、5，4的摆动 规律可调，还可实现浮动导杆3上某点的轨 迹要求。
（3） 齿轮机构为前置机构
图中推点轨迹均为圆，用于送料机构，如糖 纸、糖块、钢料。
实现间歇传送运动
2. 并联式组合
以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或 几个自由度为1的机构(可称为附加机构)的输出构 件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。
可实现机构的平衡，改善机构的动力学特性，完 成复杂的需要互相配合的动作与运动。
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3. 封闭式组合
• 以二自由度的机构为基础机构，单自由度的机构
为附加机构，再将两个机构中某些构件并接，组
成一个单自由度的组合机构，称为封闭式组合。
结构形式
输出 基础机构 输入 附加机构 输入 基础机构 输出
附加机构
各基本机构融为一体，实现比较特殊的运动规律， 如停歇、逆转、加速、减速、前进、倒退，以及增力、 增程、合成运动等。
2. 并联式组合
二、并联式组合机构功能
对称并联布置的曲柄滑块机构
对称并联活塞连杆机构
加压且摩擦阻力小 Page3
2. 并联式组合
二、并联式组合机构功能
2、实现特定的运动轨迹与规律
凸轮输送机构 压力机机构
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2. 并联式组合
二、并联式组合机构功能
3、实现复杂的动作配合
双滑块驱动机构 冲压机构
机构创新设计的方法
基于组合原理创新
变异构型创新设计 再生运动链法
一、机构组合与创新设计
第一节 串联式组合 第二节 并联式组合 第三节 封闭式组合
第四节 装载式组合
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一、机构组合与创新设计
机构组合是指基本机构以不同的方式 连接，生成复杂机构的过程。
目的是改善基本机构的运动和动力特 性，实现更高要求。
1. 串联式组合
（1） 连杆机构为前置机构
•可改善后置机构的运动与动力特性
• 这些串联的转位机构可在较高速度条件下工作， 并且转位平稳、锁止可靠、结构简单。
1. 串联式组合
（2） 凸轮机构为前置机构
•利用凸轮可输出特殊的运动规律来实现特定的工作要求
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1. 串联式组合
（2） 凸轮机构为前置机构
3. 封闭式组合
组合的形式
• ①以差动齿轮机构（图为其常见结构）为 基础机构。可构成齿轮连杆机构、齿轮凸 轮机构、复合轮系。
3. 封闭式组合
组合的形式
②以差动凸轮机构（图为其常见结构 ）为基础机构。可构成凸轮连杆机构 、凸轮齿轮机构。
• 转动副可改为移动副
3. 封闭式组合
组合的形式
③以差动连杆机构为基础机构。可构 成连杆齿轮机构、连杆凸轮机构。