机械设计之基于机构组成原理的拼接设计
机械总体与结构的协同化设计方法
机械总体与结构的协同化设计方法机械系统的设计是一个复杂的过程，需要考虑到众多的因素和约束条件。
机械总体设计与结构设计之间的协同化是一个重要的任务，可以有效提高设计的效率和质量。
本文将介绍机械总体与结构的协同化设计方法，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
一、协同化设计的概念与意义机械总体设计是指机械产品的整体布局和结构的确定，包括各个部件的功能分配、布置和连接方式等。
结构设计则是指对每个零部件的具体形状和尺寸进行设计，以满足整体设计的要求。
机械总体设计与结构设计之间的协同化，是指在总体设计和结构设计的不同阶段之间实现信息的交流和共享，以便提前发现和解决设计问题，确保设计的一致性和完整性。
协同化设计的意义在于：1. 提高设计的效率：协同化设计可以将机械总体和结构设计的工作重点相互关联，减少重复的设计工作，提高设计的效率。
2. 提高设计的质量：通过协同化设计，可以在设计过程中及时发现和纠正设计错误，减少设计变更的次数，提高设计的质量。
3. 加快产品的研发速度：协同化设计可以缩短机械产品的设计周期，加快产品的研发速度，提前投入市场，获得竞争优势。
4. 降低成本：通过协同化设计，可以在设计阶段就对产品进行评估和优化，降低成本，提高产品的竞争力。
二、机械总体与结构的协同化设计方法机械总体与结构的协同化设计方法可以分为以下几个步骤：1. 需求分析：在设计开始之前，需要对机械产品的功能需求、性能指标、使用环境等进行综合分析和明确定义。
需求分析是协同化设计的基础，对后续的设计工作具有重要的指导作用。
2. 总体设计：总体设计阶段主要包括概念设计和方案设计两个部分。
概念设计是指通过对机械产品功能和结构的初步定义，确定产品的总体布局和形状。
方案设计是在概念设计的基础上，对各个部件的功能分配和布局进行详细设计。
3. 结构设计：结构设计阶段主要是对各个零部件的形状和尺寸进行具体设计。
在进行结构设计之前，需要对总体设计的结果进行评价和优化，确保各个部件之间的协同工作。
机械设计中的机构设计原理
机械设计中的机构设计原理机械设计是应用物理学和工程学知识，通过运用机械原理和结构设计，创造出用于转换或传输能量和实现特定功能的机械设备。
机构设计是机械设计中的重要环节，它涉及到机械装置的运动学和动力学特性，并决定了机械装置的工作性能和可靠性。
本文将介绍机构设计的基本原理和一些常用的机构设计方法。
一、机械设计的基本原理机械设计的基本原理包括力学原理和几何结构原理。
力学原理是机械设计的基础，主要涉及物体的静力学和动力学特性。
静力学研究物体受力平衡时的力学性质，动力学研究物体在受力作用下的运动规律。
几何结构原理是指机械设计中要合理选择和布置构成机械装置的各种零部件，以达到预期的运动和传动效果。
二、机构设计方法1. 机械设计中常用的机构设计方法有：1) 正向设计法：根据机械装置的功能需求和工作性能要求，从功能出发，逐步设计出各个零部件的布置和参数。
正向设计法注重整体设计思路，从整体到局部，逐步完善机构设计。
2) 逆向设计法：根据机械装置的运动和传动效果，逆向推导出机构的结构和布置。
逆向设计法注重从结果出发，通过反推，找出满足要求的机构结构。
3) 经验设计法：根据经验和实践，总结出机构设计的一些规律和经验法则，以便在设计中进行参考和应用。
4) 数字化设计方法：利用计算机辅助设计（CAD）软件和计算机辅助工程（CAE）软件，进行机构设计和分析。
数字化设计方法可以提高设计的准确性和效率，减少试验和修改的次数。
2. 在机构设计中应注意的几个要点：1) 结构合理性：机构设计应合理选择和布置零部件，以确保机构的稳定运行和可靠性。
2) 运动特性：机构设计要满足机械装置的工作要求，包括运动轨迹、速度和加速度等。
3) 传动效率：机构设计要考虑传动效率，减少能量损耗和摩擦。
4) 强度和刚度：机构设计要考虑零部件的强度和刚度，以确保机械装置在工作时不会发生变形和破坏。
5) 冗余度：机构设计要考虑冗余度，即在某些零部件失效时，其他零部件能够接替其功能，保证机械装置的工作。
利用机构组成原理进行机械创新设计的基本思路
利用机构组成原理进行机械创新设计的基本思路
利用机构组成原理进行机械创新设计的基本思路主要包含以下几个步骤：
首先，任何平面机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而成，这就是机构的组成原理。
理解这一原理对于进行机构的创新设计具有十分重要的指导意义。
其次，我们可以利用机构的组成原理来不断连接各类杆组，按照串联、并联、叠加和封闭的规则组合基本机构。
例如，可以通过把基本杆组依次连接到原动件和机架上，从而组成新机构。
最后，这些方法的混合连接，可以进一步得到更为复杂的机构系统。
充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（如理论、方法、技术、原理等），进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）。
总的来说，利用机构组成原理进行机械创新设计的过程需要深入理解机构的组成原理，灵活运用各种组合规则，以及发挥设计者的创造力。
机械原理与机械设计：机构的组成原理
两个含有外接副的构 件直接用运动副联接。
(e)
（2） Ⅲ级组(n=4，PL=6) 中心构件
Ⅲ级组基本型
Ⅲ级组其它型举例
Ⅲ级组的结构特征： 三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。
Ⅲ级组基本型
Ⅲ级组其它型举例
第四种形式称为IV级组。 结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构
内端副━━杆组内部相联。 外端副━━与组外构件相联。
J
H
I
G
F
D
C B
AP
Ⅲ级机构
【解】 以GH为原动件进行 结构分析：
H G
J I
Ⅱ级机构
F
D
C B
AP
本章重点小结
机架 一、构件 + 运动副 运动链 机构 原动件
从动件
基本杆组
二、运动链成为机构的条件：F > 0, 原动件数目等于自由度数目 平面运动链自由度计算方法和注意事项
三、机构运动简图的绘制
不能存在只有一个构件的运动副 或只有一个运动副的构件。
每个杆组拆分后自由度不变
每个构件和运动副都只能属于一 个杆组
机构的级别取决于机构中的基本杆组的最高级别
另一种说法：机构的级别与机构中最高级别基本杆组 的级别一致
3.平面机构的结构分析
结构分析的目的 1）了解机构的组成 2） 确定机构的级别 3）为机构受力分析提供简化方法
机构按所含最高杆组级别命名，如Ⅱ级机构，Ⅲ 级机构等。
杆组：自由度为零的不可再分的运动链。 机构可视为由原动件和若干个杆组构成。
组成原理
任何机构都可以看作是若干个自由度为零的基本杆组依次 联接到原动机和机架上而构成的，机构的自由度等于原动件的
机构拼接实验报告
一、实验目的1. 加深对机构组成原理的认识，进一步了解机构组成及其运动特性；2. 培养学生的工程实践动手能力；3. 培养学生的创新意识及综合设计的能力。
二、实验设备与工具1. 创新组合模型一套：包括五种平面低副II级纟R、四种平面低副II级组、备杆长可在80-340mm内无级调整，以及其他常见杆组可根据需要自由装配；2. 两种单构件高副杆组；3. 八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律。
三、实验原理1. 机构组成原理：机构是由若干构件通过一定的连接方式组成的系统，构件之间的相对运动实现机构的功能；2. 运动特性：机构的运动特性包括运动轨迹、速度、加速度等参数；3. 拼接设计：通过组合不同构件，实现特定的运动规律和功能。
四、实验步骤1. 拼接平面低副II级纟R和II级组，形成基础框架；2. 将基础框架与单构件高副杆组连接，实现特定运动规律；3. 拼接凸轮构件，调整从动件的运动规律；4. 对拼接完成的机构进行测试，观察其运动特性；5. 根据实验结果，对拼接设计进行优化。
五、实验结果与分析1. 拼接完成的基础框架具有稳定的结构，能够承受一定的载荷；2. 单构件高副杆组的连接方式能够实现特定的运动规律；3. 凸轮构件的运动规律可根据需要进行调整，以满足实验需求；4. 实验结果表明，拼接设计的机构能够实现预期的运动特性。
六、实验结论1. 通过本次实验，加深了对机构组成原理的认识，进一步了解了机构组成及其运动特性；2. 提高了学生的工程实践动手能力，培养了创新意识及综合设计的能力；3. 实验结果表明，基于机构组成原理的拼接设计能够实现预期的运动特性，具有一定的实用价值。
七、实验心得1. 在实验过程中，需要熟悉各种构件的连接方式，以便快速完成拼接；2. 在设计过程中，要充分考虑机构的功能和运动特性，确保拼接设计的合理性和可行性；3. 实验过程中，要注重细节，确保机构拼接的精度和稳定性；4. 在遇到问题时，要善于分析原因，及时调整设计方案。
机械设计专业综合实验-机构创新设计慧鱼拼装
设计性实验指导书实验名称：机械设计模型拼装实验实验简介：“慧鱼教具及创意组合模型”，又称为“工程积木”，“智慧魔方”。
它集教具和仿真模型于一身，是科技知识启蒙、创造性思维训练及创造力开发的最佳载体。
“慧鱼教具及创意组合模型”是由德国发明家、企业家、当今世界拥有专利最多（5000 项）的Artur Fischer 博士于1964 年发明问世的。
菲舍尔博士因此还荣获了德国诺贝尔工程奖。
“慧鱼”的技术含量极高。
目前，国际最前沿的工程技术，如仿生技术、气动技术、传感技术、计算机技术以及机器人技术等，在“慧鱼”中都实现了微型仿真替代。
“慧鱼”有各种型号和规格的零件近千种，一般工程机械制造所需要的零部件如连杆、齿轮、马达、蜗轮，以及汽缸、压缩机、发动机、离合器，甚至热（光、触、磁）敏传感器、信号转换开关、计算机接口等等，在“慧鱼”中都可以找到。
因此，“慧鱼教具及创意组合模型”零部件的仿真度，几乎能够实现任何复杂技术过程和大型设计的模型，使之真实地“再现”。
该实验设备能够组装各种机械及设备，将其用于辅助理论教学，将使学生获得很强的感性认识，并且能发挥其无限的创造力。
适用课程：机械设计专业综合实验实验目的：A 通过对动手组建模型，连线，控制模型等各阶段学习后，对慧鱼创意组合模型的运作方法有一个初步的熟悉；B 了解基本的机械结构和特点掌握电气动控制工业技术的基本概念、分类及特点；C 了解电气动元件的工作原理、种类和实际应用方式，电气动控制系统的组成和结构掌握基本的电气动控制技术的应用，了解现代自动化控制系统的结构和特点。
面向专业：机类实验项目性质：设计性实验地点：图书馆——506 室（机械系统创新实验室）开放办法：先登陆网站进行网上预约或到S403填写预约表进行预约，根据预约时间提前预习写出预习报告、进行实验。
实验分组： 5-6 人/组《机械设计专业综合实验》课程实验机械设计慧鱼模型拼装实验“慧鱼教具及创意组合模型”，又称为“工程积木”，“智慧魔方”。
机械原理平面设计及拼装实验报告
连杆
将1、2的圆柱或扁头装于其上的圆孔或槽中，用端螺栓压紧轴端头，构成转动副或移动副。
2、实验原理
机构组成：曲柄摇杆与摇杆滑块组合而成的机构，如图所示。
工作特点：
当曲柄1做连续转动时，摇杆2作往复摆动，同时摇杆3和摇杆4作往复摆动带动滑Байду номын сангаас5作往复直线移动。
该机构可用于筛选机器等往复直线摆动的机器中，滑块5在摇杆3和摇杆4作往复摆动的力的作用带动下作往复直线运动（非匀速），可以用于抖动筛选物品。
图7 移动副的拼接
提示：根据实际拼接的需要，若选用的轴颈较长，此时需选用相应的运动构件层面限位套17#对构件的运动层面进行限位。
5）滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接（图示中的编号与“机构运动方案创新设计实验台零部件清单”序号相同）
如图9所示的拼接效果是滑块13#的扁平轴颈处与连杆11#形成移动副；在20#、21#的帮助下，滑块13#的圆轴颈处与另一连杆在连杆长槽的某一位置形成转动副。首先用螺栓、螺母21#将固定转轴块20#锁定在连杆11#上，再将转动副轴13#的圆轴端穿插20#的圆孔及连杆11#的长槽中，用带垫片的螺栓15#旋入13#的圆轴颈端面的螺孔中，这样13#与11#形成转动副。将13#扁头轴颈插入另一连杆的长槽中，将15#旋入13#的扁平轴端面螺孔中，这样13#与另一连杆11#形成移动副。
我们还遇到一个问题，就是在选择各个组件时出现了问题，比如连接两个杆该用什么，连接滑块该用什么。我们最后参照书上的连接说明，正确选择连接方式。
6、收获和体会
通过这次实践性的实验让我学习到了许多东西，其中最重要的就是团队合作是非常重要的，这种东西决定着做事的快慢以及做出的事的成败。这次实验我们做得也比较成功，这不仅体现了我们的合作意识比较强，也体现了我们的动手能力非常出色。实验中，问题不断出现，但是我们并没有乱了阵脚，而是相互配合，相互协商，共同寻找解决方案，事实证明，只要团结一心，问题总会解决的。
机械设计基础第06章机构组合设计与创新
意义
机构组合设计能够充分利用各种基本机构的优点， 弥补单一机构的不足，实现复杂运动规律和特殊功 能要求，提高机械系统的整体性能。
机构组合设计基本原则
在机构组合过程中，应确保各基 本机构之间的运动协调，避免出 现运动干涉或运动不确定现象。
机构组合设计应注重提高机械系 统的可靠性，选择性能稳定、耐 磨损、抗疲劳的基本机构，并采 取必要的防护措施。
应用实例
复合式组合机构在高端装备制造、精密仪器等领域有着广泛的应用。例如，高精度数控机床、超精密测 量仪器等都可以采用复合式组合机构来实现高精度、高效率的运动和定位要求。
04机构性能评ຫໍສະໝຸດ 与优化Chapter机构性能评价指标
运动学性能
包括机构的运动范围、速度、加 速度等运动学参数，用于评价机
构的运动能力。
参数化设计
通过参数化建模技术，可以快速 生成具有相似结构或功能的机构 方案，提高设计效率。
有限元分析
利用有限元方法对机构进行强度 、刚度和稳定性分析，优化结构 设计，减少试验成本。
优化设计在机构组合设计中的应用
设计变量与目标函数
01
确定机构设计的关键参数作为设计变量，以机构性能或成本等
作为目标函数。
约束条件
02
考虑机构运动学、动力学、强度、刚度等约束条件，保证优化
结果的可行性。
优化算法
03
采用遗传算法、粒子群算法等优化算法，对机构进行优化设计
，得到最优解。
可靠性设计在机构组合设计中的应用
可靠性分析
对机构进行故障模式、影响及 危害性分析（FMECA），识别
潜在故障模式及其影响。
可靠性设计策略
采用冗余设计、容错设计、降 额设计等策略，提高机构的可 靠性。
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机械创新设计
指导书
机械设计教研究室
班级：
姓名：
学号：
实验一基于机构组成原理的拼接设计
一、实验目的
1、加深学生对机构组成原理的认识，进一步了解机构组成及其运动特性；
2、培养学生的工程实践动手能力；
3、培养学生创新意识及综合设计的能力。
二、设备和工具
1、创新组合模型一套：
1）五种平面低副Ⅱ级组，四种平面低副Ⅱ级组，各杆长可在80-340mm内无级调整，其他各种常见的杆组可根据需要自由装配；
2）两种单构件高副杆组
3）八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律：
ⅰ）等加速等减速运动规律上升200mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为1；
ⅱ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为2；
ⅲ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为3；
ⅳ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为4；
ⅴ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为5；
ⅵ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为6；
ⅶ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为7；
ⅷ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为8；
4）模数相等齿数不同的7种直齿圆柱齿轮，其齿数分别为17，25，34，43，51，59，68，可提供21种传动比：与齿轮模数相等的齿条一个。
5）旋转式电机一台，其转速为10r/min。
6）直线式电机一台，其速度为10m/s。
2、平口起子和活动扳手各一把。
三、实验前的准备工作
1、要求预习实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型；
2、选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。
四、实验原理
1、杆组的概念
由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度数相等，因此机构由机架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运动副联接而成。
将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。
根据杆组的定义，组成平面机构杆组的条件是：
F=3n-2p L-p H=0
其中构件数n，高副数P H和低副数P L都必需是整数。
由此可以获得各种类型的杆组。
当n=1,P L=1,P H=1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种：
图1 单构件高副杆组
当P H=0时，称之为低副杆组，即
F=3n-2P L=0
因此满足上式的构件数和运动副数的组合为：n=2,4,6……，P L=3，6，9……。
最简单的杆组为n=2，P L=3，称为Ⅱ级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ级组共有如下五种形式。
n=4,P L=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图3所示的几种常见的Ⅲ级杆组。
图2 平面低副Ⅱ级组
图3 平面低副Ⅲ级组
2、机构的组成原理
根据如上所述，可将机构的组成原理概述为：任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上的方法来组成。
这是本实验的基本原理。
五、实验方法与步骤
1、正确拆分杆组
从机构中拆出杆组有三个步骤：
1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束；
2）计算机构的自由度，确定原动件；
3）从远离原动件的一端开始分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级组，最后剩下原动件和机架。
拆组是否正确的判定方法是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必需为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不能有不成组的零散构件或运动副存在，全部杆组拆完后，只应当剩下与机架相联的原动件。
如图4所示机构，可先除去k处的局部自由度；然后，按步骤2）计算机构的自由度：F=1，并确定凸轮为原动件；最后根据步骤3）的要领，先拆分出由构件4和5组成的Ⅱ级组，再拆分出由构件6和7及构件3和2组成的两个Ⅱ级组及由构件8组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件1和机架9。
图4 例图
2、正确拼装杆组
将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在平板上试拼机构。
拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉，因此，这一点是至关重要的。
试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组联接到机架上去。
杆组内各构件之间的联接已由机构创新模型提供，而杆组之间的连接可参见下述的方法。
1）移动副的联接
图5表示构件1与构件2用移动副相联的方法。
2）转动副的联接
图6表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。
图5 移动副的联接
图6 转动副的联接
3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法。
图7表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法。
图7 齿条与构件以转动副相联
4）齿条与其他部分的固联
图8表示齿条与其他部分固联的方法。
图8 齿条与其他部分固联
5）构件以转动副的形式与机架相连
图9表示连杆作为原动件与机架以转动副形式相联的方法。
用同样的方法可以将凸轮或齿轮作为原动件与机架的主动轴相连。
如果连杆或齿轮不是作为原动件与机架以转动副形式相连，则将主动轴换作螺栓即可。
注意：为确保机构中各构件的运动都必须在相互平行的平面内进行，可以选择适当长度的主动轴、螺栓及垫柱，如果不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。
图9 构件与机架以转动副相联
6）构件以移动副的形式与机架相联
图10表示移动副作为原动件与机架的联接方法。
图10 构件与机架以移动副的相联
3、实现确定运动
试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后，方可接通电源。
4、分析机构的运动学及动力学特性
通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性作出定性的分析。
一般包括如下几个方面：
1）平面机构中是否存在曲柄；
2）输出件是否具有急回特性；
3）机构的运动是否连续；
4）最小传动角（或最大压力角）是否在非工作行程中；
5）机械运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。
报告完成日期2011—07—03 教师批阅
实验二慧鱼技术创意设计
一、实验目的
1、培养学生用创造性思维方法，设计、搭建新型的机构或装置；
2、加强学生对机电一体化的实践认识；
3、培养学生的创新意识及综合设计能力。
二、设备与工具
1、慧鱼技术创意模型
（1）计算机组合包
（2）移动机器人包
（3）汽车技术包
（4）仿生生物包
（5）太阳能包
（6）工业机器人包
（7）传感器包
（8）气压传动件包
（9）动力添加组
（10）可调变压器
（11）远红外遥摇控包
2、486或586微机；
3、摄子，5V、9V电池；
三、实验前的准备
1、按模型组合包设备清单清点模型零件，并按类型分类置放于装料盘中；
2、认真阅读模型组合包操作手册，并翻译有关外文资料；
3、按组装指导图，搭接模型，掌握组合模型的拼接方法；
4、熟悉动力元器件的装配、连接方法；包括：电动机、传感器、变压器、气动元件、各种开关等；
5、熟悉组合包配备的软件LL Win及接口，把搭接好的机构模型接上接口，编程，实现控制。
四、实验步骤
1、按要求或按条件选择设计题目；
2、制定设计方案，绘制机构结构图及原理图；
3、按设计方案搭接机构模型；
4、实验完毕，拆卸全部零件，清点零件并按要求包装好。
慧鱼技术创意设计实验报告。