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1、1,机构的创新设计,机构的创新设计,温故：,机构的类型和选择,机构运动方案的设计,牛头刨床就是一部典型的机器在牛头刨床中，连杆机构用以实现切削运动，棘轮机构及丝杠传动用以实现工作台的水平进给，另一丝杠传动用以实现工作台及刀架的垂直进给。工作台、刀架与滑枕是执行构件。,牛头刨床,机械是机器和机构的总称，机器是由单一机构、多个同一机构或多种机构所组成的。,温故：,4,许多机械为我们熟知,自行车汽车电梯起重机机床,在机械设计工作中，经验的积累是非常重要的,5,对于机械，或一部机器的设计，一般应遵循以下步骤：,第一，确定其所要完成的工作任务。如进行工件的切削加工，锻压钢坯，搬运工件等等，第二，根据机器
2、的工作要求，对需要采取的工艺方法或工作原理进行分析。如加工工件上的平面，可以采用刨削或铣削，也可以采用磨削，此时，刀具和工件的运动形式不同，加工工件的表面质量不同，其工作原理不同，设计出的机械也就不同。又如螺纹加工，可以车削，可以套丝，也可以滚压，其工作原理不同，所设计出的加工机械也就完全不同。,第三，运动方案设计、其设计依据为各执行构件的运动及其相互配合。最终完成由原动机传动机构执行机构组成的机械运动简图设计。第四，施工图设计、在这一步骤中完成机械中各零部件的强度、刚度计算及零部件结构设计。此外，对一些自动化机械，还需要对其电力系统和电子控制系统进行设计。当然，做为一部大的机械设备，经施工设
3、计，并加工好样机后，还必须实地应用检验，达到全部性能指标要求，方可定型生产。,7,机械运动方案设计是对机械进行设计的最为重要的环节,运动方案设计的优劣，决定了这部机械的性能、造价、市场前景。运动方案的设计:是设计者通过何种原动机及何种机构组合为一部完成特定工作任务的机械系统的全面构思。在设计之初，这种构思往往是最为艰难的。因为完成同一工作任务，可以有多种不同工作原理，即使工作原理相同，而设计方案也可能迥然不同。经过认真详细的分析比较，会发现各种不同的方案各有利弊，然后根据主要的评价原则，舍其余而选其一。,8,爬楼梯机器人,9,拾球机器人,10,为了顺利地进行机械运动方案设计，必须掌握必要的知识
4、和环境信息，必须了解有关学科在实现运动方案设计中所能起到的作用。1、充分了解并掌握各种常用机构的基本知识；2、必须了解和掌握各种动力源的性能和使用要求；3、必须熟悉对设计方案的选择有重要影响的周围环境的信息；4、充分重视其他学科的技术应用。,一、运动方案设计的必备知识,11,1、工艺参数的给定及运动参数的确定；2、执行构件间运动关系的确定及运动循 环图的绘制；3、动力源的选择及执行机构的确定；4、机构的选择及创新性设计；5、方案的比较与决策。,运动方案设计的主要步骤：,一、原动机的类型及应用原动机的动力源主要有电、液及气三种。电：电动机是最常用的原动机，交流异步电动机、直流电动机、交流伺服电动
5、机、直流伺服电动机及步进电动机等均有广泛的应用。液：液压马达及液压油缸是主要的液压原动机。气：气马达及气缸则是主要的气压原动机。,机构的类型和选择,原动机的选择,控制电动机,传动类型选择,15,17,20,常用的传动机构有：1、齿轮机构：齿轮机构应用在中心距较小，传动精度较高，各种不同传递动力范围的场合。2、螺旋机构：在许多机械设备中大量应用着螺旋（丝杠）机构，它主要用于将回转运动转变为直线。3、带传动与链传动：带传动及链传动多用于中心距较大的传动。4、连杆机构：连杆机构在机械设备及日常生活中有大量应用。5、凸轮机构：由于凸轮机构是高副接触，决定了这种机构主要用于传递运动。,二、传动机构的类型
6、及功用,21,执行机构：机器中最接近被作业工件一端的机构称为执行机构中接触工件或执行终端运动的构件称为执行构件。机器通过执行构件完成作业任务。执行机构的主要五种运动形式：直线运动、回转运动、任意轨迹运动、点到点的运动及位到位的运动等。实现不同运动形式的典型机构主要有：,三、执行机构的运动类型及典型机构,22,1)齿轮-齿条机构 齿轮的正、反向回转可以使齿条做往复直线运动,1、实现直线运动的机构,2)螺旋机构 丝杠的回转可以使螺母实现往复直线运动,3)曲柄滑块机构,当曲柄连续回转时，滑块可做往复直线运动,4)有特定尺寸的四杆机构（连杆曲线在某一区段的直线运动）,5)链传动（直线段部分的运动）带有
7、翼片的链传动，可以拖动被作业件在两链轮间的直线段做直线运动。,25,2回转运动机构,车床、铣床主轴的回转，水泥搅拌机滚筒的旋转，起重葫芦的转动，直升机螺旋桨的高速旋转，电风扇的转动等等都是机械中执行构件作回转运动的。实现回转运动的主要机构有齿轮机构、连杆机构、带及链传动等。液动及气动的回转运动一般都是用摆动油缸和摆动气缸来实现。,26,3、实现运动轨迹的机构,步进机构,1）四杆机构（连杆曲线）四杆机构的连杆上的每一点均可以实现一定的封闭运动轨迹,2)开式链机构任何开式链机构上的端点都可以实现一定的运动轨迹，工业机器人操作机大多是由开链机构组成的。,28,1)曲柄滑块机构 合理的设计曲柄滑块机构
8、的尺寸，可以实现滑块的点到点的运动,4、点到点的运动机构,2)凸轮机构 摆动从动件凸轮机构及直动从动件凸轮机构均可实现点到点的运动,29,5、位到位的运动机构,1)热处理炉炉门开闭机构 炉门可以占据开启和闭合两个位置,2)飞机起落架机构起落架可以使轮子占据收起和放下两个位置,在四杆机构应用中，连杆及摇杆占据空间两个及两个以上位置的情况随处可见，如：,机械的运动方案设计包括：从原动机传动机构执行机构的整个系统的设计，其结果是给出一份满足运动性能要求的机构运动简图,机构运动方案的设计,31,一、工艺参数的给定及原动机的选择,工艺参数的变化范围受诸多因素的影响在概述中对牛头刨床的运动方案设计已给出了
9、主要的工艺参数运动参数，以及由此而确定的力参数。切削力的大小影响着机构的选取，因为某些机构无法承受大的作用力。运动参数应包括运动形式（直线运动、回转运动、曲线运动）、运动特点（连续式、间歇式、往复式）、运动范围（极限尺寸、转角及位移）、运动速度（等速、不等速）等。运动参数是由机械的工艺要求决定的。力的参数，如牛头刨床中的切削力的大小，锻压机械中压头的压力大小等都是由机械的工艺要求决定的。,根据运动参数，参考力的参数，考虑粗略的、大致的传动方案（注意对传动精度的要求），比较其繁简，并依据现有条件，综合选择原动机的类型。一般地说，应首选电动机，但也并非尽然。在满足工作性能要求、现场允许的条件下，有
10、时也用液压或气压驱动源。原动机的不同选择对机械传动系统的设计、组成的繁简以及性能的优劣都有着重要的影响。,传动方案原动机,33,多数机器不只有一个执行构件，往往是许多 执行构件协调工作以完成同一任务。运动循环图即可表示出各执行机构间的时序 协调关系。另一种情况是，某些机械的多个执行构件在完成同一任务时，需有准确而协调的运动时间和运动顺序的安排，以防止出现某一执行构件工作不到位或两个以上执行构件在同一空间发生干涉。,二、执行机构的运动协调与运动循环图,以下是我们所熟悉的牛头刨床的三种运动循环图：直线式运动循环图，圆周式运动循环图及直角坐标式运动循环图。,35,三、机械运动方案设计准则,1、传动链
11、应尽可能短；2、机械效率应尽可能高；3、传动比的分配应尽可能合理；4、传动机构的顺序安排应尽可能恰当；5、机械的安全运转必须保证。,36,实现同一工作任务，且满足工艺要求和性能指标时，可以设计出多种机械运动方案来。必须再经过充分的、细致的分析比较，以决定取舍。最后保留的设计方案应是最优方案。每一部机器都是由原动机，执行机构及传动机构组成的，因此需分别对原动机及各机构进行评价，然后经综合可获得对一部机器整机的评价。建立评价体系是量化评价的方法之一。,四、机械运动方案的评价,37,评价体系可将机构评价指标划分为五大类型：,(1)机构的功能、(2)机构的工作性能、(3)机构的动力性能、(4)经济性：
12、(无链自行车）(5)机构紧凑性等。评价时分别对五大类型及更为细致的子项给出分值，然后对整机进行比较。,假定设计方案均满足(1)、(2)两大类型要求，则应对不同方案重点进行(3)、(4)、(5)的比较。运转平稳、加速度小、无冲击和噪声，这对大型机械是十分重要的评价指标，尤其对未获得在基座上平衡的连杆机构更是如此。机械的结构简单、尺寸紧凑、重量轻、传动链短、工作可靠是又一重要的评价指标。制造难易，调整的方便性，维修的方便性直接影响着机构及机械的经济性，这是不可忽视的第三方面的评价指标。综合考虑各方面评价指标，才能在诸多机械运动方案的设计中选出最优者。,评价原则,39,五、机械运动方案设计举例,印刷
13、机送纸机构的运动方案设计。要求 在摆放好的一叠纸张中，依序由上至下将纸张一张张送至印辊前某处待印刷。印刷量为每分钟30张。不允许有同时送两张纸的情况发生。,40,1、任务的分析及运动参数的确定,41,2、动力源的选择和执行机构的确定,电机凸轮连杆机构,有多种运动方案可供选择,43,3、绘制机构运动循环图,44,4、机械传动系统的设计（i=48）,45,在研究运动方案时，应注意到机电具有互补性,即通过机械需要很复杂或很难实现的方案，通过控制系统的改进能很容易实现；反过来也是如此如采用变频器来实现电机的无级调速采用低速电机、步进电机等来简化传动系统,46,工艺进步推动设备技术进步,金属板材的轧制技
14、术：传统技术：钢水钢坯加热初轧加热中轧连轧新技术之连铸连轧：金属液体铸坯直接轧制新技术之铸轧：金属液体板材,机构的创新设计是在新构思的基础上进行的设计，它包括对原有机构的创新应用、新机构的构思和原动机的创新发展三个方面。,机构的创新设计,48,一、机构的创新应用,机构的创新应用是仍然使用常见的机构，经过巧妙的构思，赋予机构以新的应用。,49,二、新机构的构思与创造,1、原有机构的发展在对原有机构的应用中，由于其某些性能方面的不足，所以会出现一些新的机构。如齿轮传动的传动比较小，因而有蜗轮-蜗杆机构的出现，此后又有摆线针轮减速器和谐波减速器的出现等等。活齿减速器、钢球行星齿轮减速器等。,50,2
15、、新机构的创造,如利用纤维连杆将可逆旋转或摆动变换成直线往复运动的执行元件已用于假手的研制中。,3、组合机构,将几个机构采用并联封闭的形式组合后形成的机构称之为组合机构。组合机构是机构创新设计的一个重要方面。1)齿轮-连杆组合机构图8-24是包装机械中常用的一种齿轮-连杆组合机构，它可以实现复杂的运动规律，使齿轮5单向变速转动，瞬时停歇变速转动或具有反向转动的变速转动等。,图8-26为一种实现预定轨迹的齿轮-连杆机构。两曲柄相对位置不同，齿轮传动比不同，则M点的轨迹完全不相同。,图8-27为一种实现复杂轨迹曲线的齿轮-连杆机构。连杆的尺寸、齿轮的传动比及M点的位置不同，轨迹曲线则发生变化。,图
16、8-28为实现特殊轨迹的齿轮连杆机构。M点可走出一正方形轨迹。,2)凸轮连杆组合机构图8-29为一凸轮-连杆滑块组合机构，这实质上是一个可变曲柄长度的对心曲柄滑块机构。,3)其他形式机构的组合引进了非刚性构件或气体、液体等中间介质，使机构更适于控制。图8-30为由链传动机构与滑块机构组合而成的机构，实现滑块的往复运动。,变导程螺杆传动机构,自行车防俯冲机构,59,轮椅上下台阶机构之概念设计,60,观光人力休闲车,61,螺旋传动管道机器人,62,三、原动机的创新发展,新型电动机和新材料驱动器的出现，可大大的简化机构的结构，甚至改变了传动机构的设计。同步电机步进电机,1、新型电动机,今天的一些电动
17、机已与传统的形式有很大的不同，交流变频调速技术的应用大大简化了机械变速机构。直线电动机可直接输出直线运动，采用这种电动机将不再需要诸如滚珠丝杠等直线传动机构，并且具有非常高的传动定位精度（m级）。例如使用直线驱动器的电子打字机运行稳定、机构简单、不需要调整。直线驱动电动机，不需要经齿轮等减速机构，而可直接用于机器人的关节驱动，大大简化了机构的结构。,64,传统的电动机的进步,随着高磁性材料和化学加工方法的应用，传统电动机的尺寸也越来越小。如使用照相刻蚀、电镀方法制作的盒式录像机驱动用新型无刷直流电动机厚度仅为4mm。其中4层绕组总厚度为0.7mm，永久磁铁厚度为1mm。此外，还可采用硅技术（IC制造技术）制作微型电动机。,65,2、新材料驱动器,由于新材料的出现，产生了许多新型驱动原理与新型驱动器，它们给机构设计带来了新思想。如蠕动式驱动器,66,3、多自由度驱动器,多自由度机械需要多个原动件，每个原动件都需要一个驱动器，有时多个驱动器间还需要有一些机构作运动协调处理。多自由度驱动器在多自由度装置中应用，可以减少驱动器的数目，省去这些作运动协调的机构，降低装置的复杂程度，减小体积，提高运动精度。如专门设计的光盘读写头二自由度驱动器，可实现驱动光盘旋转并准确移动读写头到所期望的轨道位置。,
