第四章 机构的演化变异与创新设计
机构的创新设计
电动玩具马的传动机构，其
由曲柄摇块机构安装在两杆机构 的转动构件4上组合而成。当机
构工作时分别由转动构件4和曲
柄1输入转动，从而使马的运动 轨迹是旋转运动和平面运动的叠
加，产生了一种飞奔向前的动态
效果。
4.2
工业机械手
机构的组合与实例分析
工业机械手的手指A为一开式运 动链机构，安装在水平移动的气缸B 上，而气缸B叠加在链传动机构的回 转链轮C上，链传动机构又叠加在“X” 形连杆机构D的连杆上，使机械手的 终端实现上下移动、回转运动、水平 移动以及机械手本身的手腕转动和手 指抓取的多自由度、多方位的动作效 果，以适应各种场合的作业要求。
4.2
机构的组合与实例分析
机构的组合方式可划分为以下4种：串联式机构组合、并联式 机构组合、复合式机构组合、叠加式机构组合。 机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成 一个复杂的机构，这个复杂的机构一般有两种形式，一种是几种基本
机构融合，成为性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构，被称
4.2
增程功能
机构的组合与实例分析
下齿条固定，当曲柄回转一周，齿条的行程又是 滑块的2倍。
4.2
机构的组合与实例分析
实现输出构件特定的运动规律
用于毛纺针梳 机导条机构上的椭 圆齿轮连杆机构。 前置机构是椭圆齿 轮机出非匀速转动； 中间串联一个齿轮 机构，用于减速； 后置机构是曲柄导 杆机构，将变为移 动，使输出构件5 实现近似的匀速移 动，以满足工作要 求。
4.2
机构的组合与实例分析
常用的基本机构可以胜任一般性的设计要求，随着生产的发展， 以及机械化、自动化程度的提高，对其运动规律和动力特性都提出了 更高的要求。这些常用的基本机构往往不能满足要求。为解决这些问 题，可以将两种以上的基本机构进行组合，充分利用各自的良好性能， 改善其不良特性，创造出能够满足原理方案要求的、具有良好运动和 动力特性的新型组合机构。
机构的创新设计
3） 利用瞬心线构造等效代换
3） 利用瞬心线构造等效代换
第3讲 机构变异设计与创新
1. 运动副的变异与演化 2. 构件的变异与演化 3. 机构的倒置与扩展 4. 机构的等效代换 5. 运动原理的移植
1） 差动原理的移植
1） 差动原理的移植
2）谐波传动的移植
i =-Z1/(Z2-Z1)
作业
2. 运动副元素形状的变异
第3讲 机构变异设计与创新
1. 运动副的变异与演化 2. 构件的变异与演化 3. 机构的倒置与扩展 4. 机构的等效代换 5. 运动原理的移植
1 构件的拆分与合并
·
1 构件的拆分与合并
1 构件的拆分与合并
2 改变构件的形状与尺寸
联轴器 其他： ✓ 凸轮的形状：盘状、圆柱状、圆锥状、平板状等 ✓ 齿轮的形状：圆柱形、圆锥形、扇形、非圆形等
2. 运动副元素形状的变异
2. 运动副元素形状的变异
运动副的替代
2. 运动副元素形状的变异
① 为了减小蜗杆传动工作时齿面间的磨损，图1采用圆柱滚子 活齿代替蜗轮上的固定齿；
② 图2是采用圆锥滚子活齿代替固定齿。使机构传动效率得到 提高。该机构在汽车转向器中得到广泛应用。
③ 图3机构仿照滚动螺旋传动的原理，在蜗杆上嵌入钢球，变 滑动摩擦为滚动摩擦。以提高传动效率。
第3讲 机构的创新设计1 —机构变异设计与创新
机构的变异与演化是以一个现有机构为原 始机构，在此基础上对其进行某些结构的 改变或变换，而演化成一种功能不同或性 能改进的新机构。
第3讲 机构变异设计与创新
1. 运动副的变异与演化 2. 构件的变异与演化 3. 机构的倒置与扩展 4. 机构的等效代换 5. 运动原理的移植
机构的创新设计
第四章 机构的创新设计
第二节 机构的选型
二、机构方案的评价（续）
2．典型机构的评价 连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等三种机构是最常用的机 构，其机构特点、工作原理、设计方法已为广大设计人员所熟 悉，并且它们本身结构简单，易于应用，往往成为首选机构， 故附表对它们作初步的评价，供设计时参考。
第四章 机构的创新设计
第四章 机构的创新设计
第三节 机构的构型
一、利用组合原理构型新机构（续）
２．凸轮—连杆机构 凸轮—连杆机构较齿轮—连杆机构更能精确实现给定的 复杂运动规律和轨迹。凸轮机构虽也可实现任意的给定运动 规律的往复运动，但在从动件作往复摆动时，受压力角的限 制，其摆角不能太大。将简单的连杆机构与凸轮机构组合起 来，可以克服上述缺点，达到很好的效果。 凸轮—连杆吸纸机构 凸轮—连杆齐纸机构 凸轮—连杆糖果包装机剪切机构
第四章 机构的创新设计
第三节 机构的构型
一、利用组合原理构型新机构（续）
组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型 组合、尺寸综合及分析设计方法。
按组成组合机构的基本机构的名称来分类： 1．齿轮—连杆机运动 倍速剪切机构
3）较精确地实现给定的运动轨迹
高副低代法构型的机构
手套自动加工机传动装置
第四章 机构的创新设计
第三节 机构的构型
三、利用再生运动链法构型新机构
在设计一个新机构时，要构想出能达到预期动作要求的 机构，往往非常困难。如果借鉴现有机构的运动链形式，进 行类型创新和变异可得到新的机构类型，这种设计方法称为 再生运动链法。 1．再生运动链法创新设计流程 再生运动链法基于机构的杆组组成原理，将一个具体的机 构抽象为一般化运动链，然后按该机构的功能所赋予的约束条 件，演化出众多的再生运动链和相应的新机构。
机械创新设计复习手册
机械创新设计复习手册第一章绪论第一节创新与创新方法1、发现是指原本早已存在的事物，经过人们不断努力和探索后被人们认知的具体结果。
2、发明是指人们提出或完成原本不存在的、经过人们不断努力和探索后提出的或完成的具体结果。
3、创造也是一种完成新成果的过程，但可能具有一定的参照物，而不强调原本不存在的事物。
4、创新是指提出或完成具有独特性、新颖性和实用性的理论或产品的过程。
5、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体实现。
但创新更强调创造成果的新颖性、独特性和实用性。
6、从创新内容分，创新分为知识创新、技术创新、应用创新。
技术创新：针对具体的事物，提出并完成具有新颖性、独特性和实用性的新产品的过程。
应用创新：把已存在的事物应用到某个新领域，并发生很大的社会与经济效益的具体实现过程。
7、创新方式：其一是由无到有的创新，其二是由有到新的创新。
8、设计指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。
9、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。
10、机械创新设计：是指机械工程领域内的创新设计，它涉及机械设计理论与方法的创新、制造工艺的创新、材料及其处理的创新、机械产品维护及管理的创新。
第二节常规设计、现代设计与创新设计1、机械设计方法可以分为正向设计和反向设计，正向设计可以分为常规设计、现代设计和创新设计。
2、常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的过程。
3、现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。
4、机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。
机械创新设计第四章-机构的演化变异与创新设计课件
机械创新设计第四章-机构的演化变异与创新设计课件本节课将讨论机构的演化变异与创新设计。
机构是机械系统中的重要组成部分，它可以实现不同的功能和运动。
机构的演化变异是指机构在不断的发展中逐渐改变和演化的过程。
而机构的创新设计则是指在已有机构的基础上进行改进和创新，提高其性能和功能。
首先，机构的演化变异是与时间和环境紧密相关的。
随着时间的推移，机构可以通过自身的变异适应新的环境和需求。
机构的变异可以包括结构的变化、形态的改变以及功能的扩展等。
这种演化过程中的变异使得机构具有更好的适应性和灵活性。
其次，机构的演化变异可以通过遗传的方式进行。
像生物一样，机构的演化也可以通过基因的传递来实现。
在设计机构的过程中，可以通过调整机构的设计参数来获得更优化的结构。
这种遗传算法可以通过计算机模拟来实现，从而提高机构设计的效率和准确性。
另外，机构的演化变异还可以通过仿生学的方法进行。
仿生学是指从生物体中汲取灵感，将其应用于机械系统的设计中。
通过研究生物体的结构和运动原理，可以获得很多创新的设计思路。
例如，借鉴昆虫的运动方式可以设计出更高效的机构。
因此，通过借鉴生物的优点，可以推动机构的演化和创新。
在机构的创新设计中，需要注意以下几点。
首先，要明确需求和目标。
只有明确了机构所需实现的功能和性能要求，才能有针对性的进行创新设计。
其次，要注重团队的合作和创新意识的培养。
机构的创新设计离不开团队的合作和创新思维的培养。
有一句俗话说：“两个头胜过一个头”，只有团队成员之间的密切合作，才能够推动机构设计的创新。
最后，要注重实验和测试。
创新设计是一个不断尝试和验证的过程，需要通过实验和测试来验证设计的可行性和有效性。
总结起来，机构的演化变异与创新设计是机械创新中非常重要的一部分。
通过机构的演化变异，可以使得机构具有更好的适应性和灵活性。
而机构的创新设计则是在已有机构的基础上进行改进和创新，提高其性能和功能。
机构的创新设计需要明确需求和目标、注重团队的合作和创新意识的培养，以及注重实验和测试。
机械创新设计复习题(含答案)
1.什么是机构的演化或变异？什么是反求工程？机构的演化或变异是指以某机构为原始机构，在其基础上对组成机构的各个元素进行各种性质的改变或变换，而形成一种功能不同的机构。
把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，称这一过程为反求工程。
2. 什么是机械？机械的特点有哪些方面？传递能量、物料与信息。
其特点如下：12功。
3在拟定机械的功3.拟定功能目标要利于扩大设计思路 4.拟定功能目标要具有一定的超前意识 5.拟定功能目标要注意产品的生命周期循环问题4. 列举七种以上能够实现从连续转动到连续转动运动变换机构。
答：1．齿轮传动机构2．摩擦轮传动机构 3．瞬心线机构 4．连杆机构 5．带传动机构 6．链传动机构 7．绳索传动机构 8．液力传动 9．钢丝软轴传动机构 10．万向联轴器5. 什么是定向思维、逆向思维、形象思维和抽象思维？定向思维：基本上属于逻辑性思维一类。
其思维过程总是通过寻找合乎逻辑的、成熟的或常规的方法或途径，循序渐进地推断和认识事物。
逆向思维：是一种反逻辑和反常规的思维方式，其思维常摆脱正常的思考途径，以背逆正常思索途径来寻找解决问题的方法。
形象思维：EFG串联。
解：前置子机构为铰链四杆机构ABCD，后置子机构为摇杆滑块机构DCE。
若设连杆BC所受力为F，连杆CE所受力为PQ为：减小α和SL。
一、填空 1.维、横向思维、纵向思维。
2.理。
635法、头Triz理论即发明问题解决理论。
五大核心内容：1.创新思维方法与问题分析方法。
2.技术系统进化法则。
3.技术矛盾解决原理。
4.创新问题标准解法。
5.发明问题解决算法ARIZ。
6.基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库 6. Triz理论中，冲突解决矩阵原理有39个工程参数和40个发明问题解决原理可供应用；物-场分析法提出了76种标准解。
二、名词解释 1. 逆其思维通常摆脱正常的思维途径，以背逆能正常思索途径来寻找解决问题的解决斱法，思维要点：不挥手段，反其道行之。
构件形状变异与创新设计
与创新设计
块状构件的演化与变异
二杆状构件的尺寸演化与变异
一避免构件之间的运动干涉
三满足特定的工作要求
四
转动导杆机构机架AB尺寸加大,得到摆动导杆机构杆状构件的尺寸演化与变异
一
十字滑块连轴器
a图是双转块机构示意图，块1转动，通过连杆2将转动传递给3,4
为机架。
A、B为两个固定的转动副，按原机构的结构形状，两个转块无法实现整圆回转。
若分别将1、2、3构件的形状改变成含有滑槽和凸榫的圆盘形状，则构造了一个十字滑块联轴器。
如图b连杆2变成了图b所示的两面各有矩形条状凸榫的圆盘，且两凸榫的中心线互相垂直，并通过圆盘中心，1和3上个开一个凹槽，机架支撑两个固定转轴4，当1盘转动时，3盘以同样的速度转动。
十字滑块连轴器
启闭公交车门的曲柄滑块机构中，为避免曲柄与启闭
机构箱体发生碰撞，把曲柄做成弯臂状。
A B
C
在摆动凸轮机构中，为避免摆杆与凸轮廓线发生运功干涉，经常把摆杆做成曲线状或弯臂状。
摆块机构ABC，块3作成杆状，杆状构件2作成块状，
得到图示摆动导杆机构。
插齿机牛头刨床
此处先后插入两个视频：
1.插床导杆机构
2.牛头刨机构（需要录屏）
曲柄滑块机构中构件形状变异，曲柄与连杆均置于空心滑块内部，该机构可驱动大面积的块状物体。
谢谢观看。
变形异设计与创新4wvc
作业：
在手锯的基础上发挥你的想象力、运用 变异创新设计方法，设计电动机械锯， 给出不少于4种方案，并说明相互之间的 变异过程。
你见过几种桥梁，说明他们之间的区别 和联系（形状、结构和受力），并构思 一种新的桥梁。
演讲完毕，谢谢
链传动
链传动的输出变异
槽轮机构
槽轮机构的 从动件至少 有3个槽， 即最大转度
为120°
要想是一次 转过180度 怎么办？
链驱动的槽轮
线圈绕制机的排线机构
一般的差动轮系
行星轮系的输出变换
2 改变机架的位置
也称机构倒置 四杆机构的倒置 曲柄滑块机构的倒置
爬楼梯机器人（第一届大学生 创新设计）
意义
变型设计在原有产品的基础上，按市场需求进 行结构重组，它的实现过程可以最大限度地重 用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活 性和适应性。可见，变型设计能迅速推出能满 足不同用户需求的新产品，占领市场，增强企 业的竞争能力。变型产品具有以下特点：
1)多样灵活性 根据市场需求，灵活地推出多种 相应产品。
题； 3)开发新功能； 4)开发新机构； 5)改善机构的受力状态，提高构件强度或
刚度
数量变元 形状变元 材料变元 位置变元 联接变元 尺寸变元 工艺变元
1 数量变元
齿轮的齿数 槽轮的槽数 螺钉头部的开口 平键到花键
2 形状变元
蜗轮蜗杆
数量和形状的变化
链传动中固定链条效果？
各种履带运输车辆的行走机构可以看成 是将链传动机构倒置而设计制成的。
由定轴轮系到行星轮系
仿步机构的设计
瓦特链
瓦特链倒置
斯蒂芬链
斯蒂芬链的倒置
自动卸料（凸轮机构的倒置）
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第二节 构件形状变异与创新设计
一、杆状构件的尺寸演化与变异 二、块状构件的演化与变异 三、避免构件之间的运动干涉 四、满足特定的工作要求
一、杆状构件的尺寸演化与变异
转动导杆机构机架AB尺寸加大,得到摆动导杆机构
二、块状构件的演化与变异
双转块机构
十字滑块连轴器
三、避免构件之间的运动干涉
B
A
C
启闭公交车门的曲柄滑块机构中，为避免曲柄 与启闭机构箱体发生碰撞，把曲柄做成弯臂状
B C
A
还是曲柄滑块机构
3、机构演化与变异的差别 相同点：都是首先选定以某一基本机构为原始机
构。 区别： 机构演化变换后可得到具有不同性质的
新机构；机构变异后得到的机构类型不 改变。
第一节 机架变换与创新设计
一、低副机构的机架变化 1、四杆机构的机架变换 2、一个移动副四杆机构的机架变换（曲柄滑块） 3、两个移动副四杆机构的机架变换 二、高副机构的机架变化
球面副
球销副
圆柱副
一、空间运动副与平面运动副的等效变换
S2
1
R
3
S
R
4
z电机3
x电机1
y电机2
空间机构原动件与机架连接为球面副S时,三自 由度运动很难控制，采用三个互成垂直布置的 转动副R可代替球面副。
二、高副与低副的等效变换
1）低副： 两构件以面接触组成的运动副 2）高副： 两构件点、线接触组成的运动副。
一、空间运动副与平面运动副的等效变换 二、高副与低副的等效变换 三、滑动摩擦副与滚动摩擦副的等效变换
一、空间运动副与平面运动副的等效变换
常用的空间机构有球面副、球销副和圆柱副。其中圆柱副主 要用于从动件的连接，对机构创新设计来说，不需要替换 球面副出现在主动件连接处，机构的运动控制难以控制。 利用三个轴线相交的转动副代替一个球面副
一、低副机构的机架变换
(1)铰链四杆机构
C
C
C
B
B
B
A
DA
D
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
A
D
双摇杆机构
B C
A B C
A B C
A B C
A
曲柄滑块机构
(2) 曲 转动导杆机构 柄 滑 块 曲柄摇块机构 机 构
移动导杆机构
(3)含有两个移动副的四杆机构
双滑块机构
双转块机构
正弦机构
B
B
B
B
A
A
A
A
四杆 机构种类繁多，但是都可看作由铰链四杆 通过机架变换、运动副变换和尺寸变换演化而 出的。 上述转换方法也可应用到其他机构的演化中。
四、满足特定的工作要求
杆块形状变异 摆块机构ABC，块3作成杆状，杆状构件2作成
块状，得到图示摆动导杆机构。
插齿机
牛头刨床
曲柄滑块机构中构件形状变异
第三节 运动副的演化、变异与创新设计
一、转动副的变异设计 二、移动副的变异设计
一、转动副的变异设计
偏心盘机构
转动副的尺寸变化
铰链四杆机构ABCD的转动副尺寸扩大
该变异增强了 强度和刚度
转动副B的尺寸扩大包括A ,转动副C的尺寸扩大包括B 转动副D的尺寸扩大包括C
机构演化实例 旋转式水泵由相位依次相差90°的四个双曲柄机构组成。当原 动曲柄1作等角速度转动时，连杆2带动从动曲柄3作周期性变 速转动，因此相邻两从动曲柄（隔板）间的夹角也周期性变化。 转到右边时，相邻二隔板间的夹角及容积增大，形成真空，于 是从进水口吸水；转到左边时，相邻二隔板的夹角及容积变小， 压力升高，从出水口排水，从而起到泵水的作用
自由度数
约束
数
每个活动件
3
0
每个低副
1
2
每个高副
2
1
二、高副与低副的等效变换
高副低代应满足的条件：
代替前后机构的自由度完全相同
代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同 替代方法:
为满足条件1):用1个构件、2个低副替代1个高副; 为满足条件2):以上2个低副在机构中的位置唯一确定.
结论:
在平面机构中进行高副低代时,为满足条件1)和2),只要 用1个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心 处以转动副相联即可.
旋 转 式 水 泵
图4-12 c
机构演化实例
曲 柄 滑 块 泵
图4-12 d
二、移动副的变异设计
曲柄滑块机构ABC的变异
移 动 滑 块 的 扩 大
B处转动副尺寸扩大,C处转动副尺寸扩大。 滑块尺寸与形状变化（中空）
四、移动副的结构变化
滚动导轨代替滑动导轨是常见的移动副变异设计
第四节 运动副的等效变换与创新设计
2、机构的变异 以某一基本机构为原始机构，对其运
动副性质、形状或尺寸进行变换，在不 改变机构类型的前提下达到改善或提高 机构传力性能的机构设计过程，称为机 构的变异。
3、机构演化与变异的示例说明 以曲柄滑块机构为基本机构
B C
A
转动副B扩大
机架变换
B
演
化
变异
曲柄滑块机构
曲柄滑块机构
C
A
演化
曲柄滑块机构
转动导杆机构
二、机构演化、变异与机构创新设计
1、机构演化方法：
（1）改变机构中的机架（以不同的构件作为机架）
（2）改变机构中运动副的性质（高副与低副的演化）
（3）改变机构中构件的尺寸
C
2
B
3
1
A
4
D
曲柄摇杆机构
C
2
B
3
1
A
4
D
双曲柄机构
2、机构变异方法：
（1）改变机构中运动副的尺寸 （2）改变机构中运动副的形状
高副低代的几种情况(举例)
r1
n
O1
A 3
2
O2 r2
n
B
a)
1 A
3
4 2
B
b)
2)高副元素为两任意曲线时:
曲率圆
1
r1 O1
r2 C O2
n
2 B
O1 1
A
O2
2
4
B
3
n
A
3
a) 任意曲线轮廓高副机构
（4）齿轮机构的机架变换
z1
o2
H
z2
o1
z1
o2
H
z2
o1
定轴齿轮机构
行星齿轮机构
（5）凸轮机构的机架变换
转
动
直
动
从
动
件
盘
形
凸
轮
直动从动件盘形凸轮机构
机 构
（6）间歇运动机构的机架变换
槽轮
拨盘
槽轮
拨盘固定
A
B
A:拨盘自转,槽轮间歇自转
B:槽轮随系杆公转,又做间歇性自转
6、创新实例分析
Z1、Z2、Z3为定轴轮系，固定齿轮Z1，得到一个行星轮系 固定齿轮Z3，又可得到一个行星轮系，这时可得到三种不 同的传动比。这是行星传动变速的基本原理。
第四章 机构的演化、变异与创新设计
前言 机构演化与变异的概念 第一节 机架变换与创新设计 第二节 构件形状变异与创新设计 第三节 运动副形状变异与创新设计 第四节 运动副等效代换与创新设计
前言 机构的演化与变异的概念
一、机构演化与变异的概念 1、机构的演化
以某一基本机构为原始机构，对其机架、 运动副和构件尺寸等进行变换，从而设计出具 有不同功用的新机构的过程，称为机构的演化。