创新机构设计

第一节机构设计的一般原则

机构的形式设计要解决的关键问题是：构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性和经济性的重要环节。因此，机构形式设计，在保证机构能满足基本运动要求的同时，还应满足机构设计的一些一般性原则，这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则是：

1、机构应尽可能的简单机构越简单越好。所谓简单指机构的构件与运动副数量最少，即机构的运动链最短。运动链知的机构有如下特点：⑴构件、运动副少，可降低生产成本、减轻产品的质量。⑵构件数量少，有利于提高产品的刚度，减少产生扰动的环节，提高产品的可靠性。⑶运动副少，有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗，提高机械传动效率及使用寿命。⑷运动副少，能有效地减少运动副累。例：如图4－1所示，三种能够实现直线轨迹运动的机构，其中图4－1a中 ab＝bc＝be，e点能精确实现直线轨迹。图b为e点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图c为有e点能精确实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副较多，运动累积误差大，在同一制造条件下，八杆机构的实际运动误差大约为机构的2-3倍。

图4－1三种能够实现直线轨迹运动的机构 a）曲柄小滑块机构；b）曲柄摇杆机构；c）八杆机构2、机构尺寸应尽可能地小在满足相同工作要求的前提下，不同的机构，其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不相同的。例如，在传递相同功率并且设计合理的条件下，行星轮系的外形尺寸比定轴轮系小；在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下，齿轮齿条机构比凸轮机构更容易实现体积小，质量轻的目标。3、注意运动副的选择类型运动副元素的相对运动是产生摩擦和磨损的主要原因。运动副的数量和类型对机构运动、传动效率和机构的使用寿命起着十分重要的作用。

图４－２三种曲柄长度相同的滑块行程为四倍曲柄长的机构ａ）连杆齿轮齿条机构ｂ）

六杆机构ｃ）等腰对心式柄滑块机构

图４－３减少移动副或代替移动副的措施ａ）用转动副代替移动副ｂ）不用移动副的直线导向机构4、选择合适的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量目前工程上使用的原动机主要有三类：⑴内燃机这类原动机主要有汽油机和柴油机。内燃机不适合于在低速状态下工作，用内燃机来驱动低速执行机构必须要受用减速设备。内燃机主要用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。⑵气、液马达，活塞气、液缸，摆动式气、液缸这些原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摆动，借助控制设备也能实现间歇运动。⑶电动机电动机的类型不同机械特性也不相同，电动机的转速变化范围大，输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此，电动机是工程设计中最常用的原动机。5、应使机构具有良好的传力条件和动力特性在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。过约束会造成机械装配困难，增大运动副中的摩擦与磨损。图4－4

显示了几种构型，其过约束数计算如下：图4－4a中，由于导轨由三个平面副组成，每个平面副的约束数为3，而导轨只能保留一个移动自由度，即约束只能为5，故其过约束数为3×3－5＝4。图4－4b中，由于导轨由两个圆柱副组成，每个圆柱副的约束数为2，故其过约束数为4×2－5＝3。图4－4c中，由于导轨由三个圆柱平面副组成，每个圆柱平面副的约束数为2，故其过约束数为3×2－5＝1。图4－4d中，由于导轨由一个圆柱副和一个球体平面副组成，每个圆柱副的约束数为2，球体平面副的约束为1，故

其过约束数为4＋1－5＝0。

图4－4 运动副组合的过约束 a)三平面副的组合；b)两圆柱副的组合；c)三个圆柱平面副

的组合；d)圆柱副和球体平面副的组合

例如图４－５ａ所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用力的位置相同，大小也未变，但各物体的受力却发生了改变。图４－５ｂ所示的复合铰链，将中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式，原来构件１为多位置对移动副受力的影响副杆，而构件２、３、４为单副杆。经变化后，构件１、４为单副杆，而构件２、３变为多副杆。显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆２、３变为多副杆并不是一个好的选择。因此，应尽可能地减少多副杆数量，并让强度好、刚性高的构件作为多副杆，而且最好使其作为机架，这样有利于提高机构的刚度和机构的运动精度，改善构件的受力。

图4-5 低副元素位置互异对受力的影响

ａ）滑块与导杆位置互异ｂ）复合铰键结构变化对于有转动副的移动副，转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注意的问题。如图４－６所示的滑块，转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。因此，应尽量使转动副位于两移动副元素的直线上，从而可以减少移动副中摩擦，提高机构的传动效率。

图４－６移动副上的转动副

第二节常用基本机构的特性及评价机械产品的动作功能总是通过机构将原动机的输出运动经过必要的转换来实现的。在目前的条件下，尽管有这样那样类型的原动机，绝大多数的机构产品仍然愿意采用运动特性好、能量转换率高的笼型异步电动机。因此，能将连续转动转换为其他运动形式的机构仍然是设计者最常采用的机构。掌握好这些常用机构的运动特性，熟悉它们所能实现的功能，了解它们的特点，对于设计者正确地选用或从中获得启示来创新机构都是十分必要的。表4－1给出了原动件是转动的常用机构功能表，可供设计者设计时选用参考。

1一、机构创新的组合原理

机构的组合是指基本机构以不同的方式联结生成复杂机构的过程。组合的目的是改善基本机构无法实现的运动和动力要求。按技术来分，创新可分为两大类：一类是采用全新的技术，称为突破性创新；另一类是采用已有的技术进行重组，称为组合性创新。

将一个基本机构与另一个或几个基本机构或基本杆组按一定方式有目的地进行组合，构建成一个新机构的设计过程称为机构的组合创新。所获得的新机构称为组合机构。

常用的组合方式有：

1.串联组合：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。

图４－７串联式组合机构组合方式

ａ）ⅰ型串联ｂ）ⅱ型串联

图４－８ａ所示为一双曲柄机构与槽轮机构的串联式组合。其中前置双曲柄机构ａｂｃｄ的运动输出构件ｃｄｅ同时也是后置槽轮机构的运动输入构件。该方案之所以选用这两种基本机构进行串联组合，其创意的主要出发点是希望借串联的前置机构来改善后置槽轮机构的运动输出特性。单一的槽轮机构当销轮匀速转动时，槽轮转动的速度与加速度波动较大，冲击和振动比较历害。设计者采用一双曲柄机构与之串联，借主动曲柄匀速转动时从动曲柄（即销轮）作变速转动的特点，使槽轮的运动输出特性得以改善。正确地综合前置机构的几何尺寸，可以使槽轮实现作近似匀速的转位运动，从而降低销与槽轮的冲击和由此而引起的振动。图４－８ｂ示出了图４－８ａ组合机构经优化设计后的槽轮输出角速度变化曲线，与单一槽轮机构槽轮角速度变化曲线比较，可以看出：组合机构的运动与动力输出特性较单一槽轮机构有了较大的改观。按照上述创新思维方法，我们也可以用转动导杆机构、凸轮机构、椭圆齿轮机构或槽轮机构分别与槽轮机构进行串联组合（图４－８ｃ、ｄ、ｅ、ｆ），它们同样能达到改善后置槽轮机构运动和

动力输出特性的目的。

图４－８不同前置机构与槽轮机构的串联组合

ａ）双曲柄机构与槽轮机构的串联组合ｂ）槽轮角速度变化曲线比较ｃ）转动导杆与槽轮机构的串联组合ｄ）凸轮机构与槽轮机构的串联组合

ｅ）椭圆齿轮机构与槽轮机构的串联组合ｆ）槽轮机构与槽轮机构的串联组合１—曲柄２—导杆３、８—主动拨盘４、７、１３、１６、１７、１９—拨销５、

１０、１４—槽轮

６—弹簧９—固定凸轮１１—主动椭圆齿轮１２—带有拨销的椭圆齿轮１５—前置

槽

轮机构的主动拨盘１７—前置槽轮１８—后置槽轮

图４－９所示为一锉刀剁齿机构。分析后不难看出：这是一个摇杆滑块机构和凸轮机构串联组成的组合机构。该组合机构的设计有两大特点：一是充分地利用凸轮机构设计的灵活性，使弹簧被逐渐压缩储存能量后，弹力势能能得到快速释放；其二是后置摇杆滑块机构的传动角大、机械增益高，在弹力的迅速作用下，对锉刀坯的冲击力大，这

种冲击效果是很难由单一基本机构所能实现的。

图4-9 锉刀剁齿机构

用两个齿轮齿条机构串联，若驱动其中一根齿条，另一根齿条可以放大或缩小主动齿条的位移量。根据这一设想可以设计一个如图４－１０ａ所示的放大行程的串联式组合机构。设图中双联齿轮的节圆半径分别为ｒ′１和ｒ′２。当气缸推动齿条１向右移动位移量为ｓ１时，齿条２向左的位移量ｓ２＝ｒ′２/ｒ′ １*ｓ１。

图４－１０两个齿条机构串联组合的大行程机构

ａ）齿条主动ｂ）齿轮主动图４－１１ａ、ｂ所示是将后置ⅱ级基本杆组的一个外接铰链与前置机构连杆上的点连接，利用前置机构连杆上某些点能实现特殊轨迹运动，而使后置ⅱ级基本杆组的运动输出构件能作长时间停留的间歇运动。

图４－１１具有停歇运动的组合机构

ａ）六杆机构ｂ）行星齿轮连杆机构

⑴连杆机构为前置机构图4－12左图中：q=ml cosα/(sy) ,? 当α↓，l↑，s↓，? y↓，时q↑。具有增力效果。工程上一般称其为

肘杆机构。? 右机构具有增大摆角的效果。

图4－12肘杆机构图4－13a，机构可实现特殊的运动规律；图4－13b机构可改

善槽轮机构的运动与动力特性。

a) b)

图4－13 实现特殊的运动规律和可改善槽轮机构的运动与动力特性的机构

⑵凸轮机构为前置机构图4－14所示，机构为机床分度补偿机构，a，b为圆柱副

a)

b)

图4－14 机床分度补偿机构

图4－15机床分度机构图4－16 前置

机构

⑶齿轮机构为前置机构，如图4－16。实现大行程的输出的齿轮齿条机构如图4－17

所示。

图4－17齿轮齿条机构

⑷利用前置机构浮动杆上谋点轨迹特征串联一个杆组形成组合机构，如图4－18

*利用连赶上e点某段轨迹为直线，实现从动件运动停歇

图4－18 利用连赶上e点某段轨迹为直线

图4－19 利用行星轮上c点的轨迹为圆弧*利用行星轮上c点的轨迹为圆弧，如图4－19所示（当r1= r3时）该圆弧曲率半径近似为8 r3 ,当取r4=8 r3时，滑块在系杆2转过180o是停歇，转过其余240o时，滑块5的行程为4 r3 *利用挠性构件，是

从动件实现大行程。

图4－20 利用挠性构件，是从动件实现大行程 2. 并联组合：两个或多个基本机构并列布置，具有共同的输入或输出，或两者兼有之，主要用于实现运动的合成或分解

图４－21 并联式组合方式

ａ）ⅰ型并联ｂ）ⅱ型并联ｃ）ⅲ型并联

图４－22所示为某型飞机上采用的襟翼操纵机构，它由两个尺寸相同的齿轮齿条机构并联组合而成，两个可移动的齿条分别用两台直移电动机驱动。这种设计的创意特点是：两台电动机共同控制襟翼，襟翼的运动反应速度快；其次，当其中一台电动机发生故障时，仍可以用另一台电动机单独驱动襟翼，增大了操纵系统的可靠性与安全系数。

图４－22 襟翼操纵机构大多数的工业机器人和传统的机床从结构上看都是由开链机构组成，因此，系统的刚度低，当系统速度高、工件大时，这个弱点更显突出。１９５６年ｄｓtewart设计出图４－23ａ所示空间六自由度的并联机构的操纵臂后，人们又相继创造出各种并联操纵机构并大量地应用于机床、精密仪器和机器人中。图４－23ｂ是瑞士新近开发的“六滑台”机床。图中三条并列的导轨上各有两个滑台，借助六个滑台的独立运动改变六条腿的参数，从而改变主轴和刀具姿态对工件进行加工。图４－23ｃ是德国斯图加特大学研制的三条腿的机床示意图。每一条腿为一套运动机构，三套并联机构运动共同控制刀具的主轴姿态对工件进行加工。这些由并联机构构成的机床刚度高；每条腿只受拉力或压力，不承受弯矩或扭矩；移动部件质量小，动力特性好，结构简单；相同零件数量多，制造方便，成本低廉，使这种并联机构有着广泛的应用前景。

图 4-23 并列机构的应用

a）空间六自由度操纵臂 b）“六滑台”机床 c）三套并联机构床

1 - 滑台

2 - 杆 3- 刀具主轴 4-刀具 5-工件

图4-24a所示为两种钉扣机的针杆传动机构。其中，左图为一个曲柄滑块机构与摆动从动杆凸轮机构按闯4-21a所示形式并联组成：右图为将左图中的凸轮高副低代后得到的变异机构，它由一个曲柄滑块机构和摆动手杆机构按图4-21a所示形成并联组合而成。当两机构的曲柄ab和0c运动时，针杆来回向两进针点作进针运动，从而完成钉钮扣的进针动作；但应当注意的是；由于曲柄沿块机构只完成进针运动，而导杆机构只完成来回移动针杆的运动，要准确地将针来四引导到扣眼亡再将针插入扣眼，则需要两机构的曲柄运动配合十分协调而淮确，在这种情况下用齿轮、带、链传动机构将两曲柄ab 和oc的运动约束起米，用一台原动机驱动，形成图4-21b所示的结构形式是比较合理的。

图4-24b所示双棘爪机构是按图4-21b所示形式组合而成。该机构由两个连杆上带爪的曲柄滑块机构与棘轮并联对称布置而成。在图示的位置情况下，当组合机构的原动滑块向下运动时，右边的棘爪在曲柄的带动下推动棘轮沿顺时针方向转过45°角。与此同时，左边的棘爪都沿逆时针方向转过45°角与棘轮轮齿接触：当滑块向上运动时，情

况正好相反，左边的棘爪推动棘轮继续沿顺时销方向转动，而右边的棘爪沿逆时针力‘向转回45°角与棘轮接触。滑块周而复始地上下住复运动，棘轮则连续地沿顺时针方向转动。该组合机构充分利用了两个对称布置的曲柄滑块机构，当滑块为主动时，两曲柄会按相反方向运动的特点，使滑块在完成一个方向的运动过程中实现了使一个棘爪推动棘轮转动而另一个棘爪复他的两个运动，是一个很有创意的构思。

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laoztou

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图4-24 钉扣机针杆传动机构和双棘爪机构

a)钉扣机 b)双葡爪机构

图4-25所示小型冲床及送料机构是按图4-21c所示形式组合的。该组合机构由摆动从动杆凸轮机构与移动从动杆凸轮机构的并联组合而成，当原动凸轮转动时，便可得到对上件的冲压动作和移动工件的送料动作。该设计将驱动摆杆的品轮与驱动移动从动杆的凸轮合并为一个，将凸轮ae廓线设计为一段以o为圆心的圆弧，从而保证了当冲头在冲压工件时，工件不功。如果用两只凸轮分别推动两从动杆，为了保证冲头在冲压工件时送料推杆不动作，而在冲压完成并离开工件一定距离后推杆才动作，设计者必须先根据冲头与推杆的时序关系设计好工作循环图，再根据工作循环图来确定两只凸轮在驱动轴上的

安装位置。

图4-25 小型冲床及送料机构

并联式组合机构的创意出发点，一类是巧妙地利用机构的对称并列布置达到改善机构受力的目的。例如图4-26a中由于采用了两个曲柄沿块机构按曲轴中心对称并联布置，机构的惯性力实现了完全平衡；图b所示活塞发动机，由于采用两个曲柄滑块机构对称并联，井在两曲柄上对称地安装了相同的惯性力平衡配重，使活塞运动时产生的一阶惯性力得到平衡，机构运动平面内的惯性力矩得到了完全平衡，从而减轻了机器的振动和噪声，气缸壁亡的动压力大大降低，减少了气缸壁与活塞环的磨损，提高了机器

的使用寿命。

图 4-26 利用并联组合改善机构受力

a)对称并联布置的曲柄滑块机构 b)对称并联曲柄活塞洼杆机构⑴结构对称

图4－27机翼操纵机构

图4－28双棘爪棘轮机构

⑵结构不对称

图4－29凸轮输送机构图4－30双滑块输送机构 3.复合式组合：一个具有两个自由度的基础机构与一个辅助机构并接所组成的机构。

图4-31 复合式组合的连接方式

图4-32所示的组合机构为按固4—31a所示复合方式组合而成。在图43-2a中，l—2—h是一个自由度为2的差动齿轮机构，3—4为附加的以凸轮为机架的摆动从动杆凸轮机构。当以系秆h为主动件运动时，行星轮2的运动规律由沿凸轮廓线运动的摆动从动杆惟一地确定，于是太阳轮将系杆和行星轮的运动合成为一个确定的输出运动。改变凸轮廓线可获得极其多样的运动输出规律：在图4-32b所示的差动链传动机构中，运动输入结链轮5和凸轮k，链轮9为运动输出构件，链轮8和杆7构成链条长度自动补偿装置。当差动杠杆6上的滚子g在门轮上滚动时，链轮10的位置会随凸轮廓线的变化而发生改变，使链轮9得到附加转动，从而使链轮9完成复杂的运动。

图4-32 凸轮一行星齿轮机构和凸轮—链传动机构

a)凸轮—行星齿轮机构 b)凸轮—链传动机构

1一太阳轮 2一行星轮 3-滚子 4一日定凸轮

5、8、9、10—链轮 6—差动杠杆 7、12—链长自动补偿装置

11—链 k—凸轮 g-滚子

图4-33 传动误差补偿机构 1-蜗杆 2-涡轮 3-传动误差补偿凸轮