四机构的演化变异与创新设计PPT课件
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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。
机构的组合与创新设计PPT课件
1、常见的基础机构主要有五杆机构和 差动轮系机构，附加封闭机构可以是齿轮机构、 凸轮机构和四杆机构，有时也用间歇运动机构 作为封闭机构。
2、附加机构封闭基础机构的两个输入运 动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最 为广泛。
3、附加机构封闭基础机构的一个输入 构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输 入构件。
机构1 机构j
3）III型并联机构系统
3、并联组合实例
B C
A B
C
I型并联机构
C4 B
C3
C1 A O
C2
II型并联机构
B2
C2
C1
B1
O2
E2
E1
A1
O1
E2
E1
二、并联组合的基本思路
1、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。 2、实现运动的分解与合成 3、改善机构受力状态
Z1
B2
B1
A B3
R
R
R
R
R
R
P
RP
R
P P
内接副为移动副
R
P
R
P
R
R
P
P R
级杆组分类图
3R杆组(以三个内接副开始)
R R R
R R
R
3R3R
R R
R
P
3R2RP
P R
R
P
3RR2P
R P
P R P
3R3P
2RP杆组
2RP3R
R2P杆组
2RP2RP
2RPR2P
2RP3P
R2P3R
R2P2RP R2PR2P
R2P3P
1、基本概念 一个两自由度机构中的两个输入构件或
2、附加机构封闭基础机构的两个输入运 动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最 为广泛。
3、附加机构封闭基础机构的一个输入 构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输 入构件。
机构1 机构j
3）III型并联机构系统
3、并联组合实例
B C
A B
C
I型并联机构
C4 B
C3
C1 A O
C2
II型并联机构
B2
C2
C1
B1
O2
E2
E1
A1
O1
E2
E1
二、并联组合的基本思路
1、对称并联相同的机构，可实现机构的平衡。 2、实现运动的分解与合成 3、改善机构受力状态
Z1
B2
B1
A B3
R
R
R
R
R
R
P
RP
R
P P
内接副为移动副
R
P
R
P
R
R
P
P R
级杆组分类图
3R杆组(以三个内接副开始)
R R R
R R
R
3R3R
R R
R
P
3R2RP
P R
R
P
3RR2P
R P
P R P
3R3P
2RP杆组
2RP3R
R2P杆组
2RP2RP
2RPR2P
2RP3P
R2P3R
R2P2RP R2PR2P
R2P3P
1、基本概念 一个两自由度机构中的两个输入构件或
变形异设计与创新4wvc
吕仲文《机械 创新设计》 P96
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）
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）
机构演化变异与创新lnk
获大升程的凸轮机构
机构组合课堂练习
图示六连杆机构。试通过变换演化为凸轮齿轮齿条机构。
结束
车轮 依的头刨次 根改联底惯接上变到，原搭动接件 不和 同机 级架 别上的去杆C ，组CE或，者均D在可原设有计机出构新
减震 的床机机构性。构
BB
机构 １新机构的、 机特将构筛杆；性组依次联A接A到原动件D 和机D 架上去，F设计
２组、将杆组挑联线接刺到布机机构构的上组设成计新机构；
３成、根据机构组阀成门原启闭理机优构选的出组适成宜的机构构型。
2. 齿轮机构及挠性件传动机构的机架变换
带：同步 链
3. 间歇运动机构的机架变换
槽轮机构机架变换后又串联行星齿轮机构：主1从动系杆4有停歇 不完全齿轮机构机架变换后又串联行星齿轮机构：主1从动系杆4有停歇
4.1运动副变异与演化 1. 运动副元素尺寸的变异 1) 转动副的扩大
4.2 机构的构件变异与创新设计
2) 双转块机构的变异
块1转，由杆2块3转，无法整周 转；改形1、2、3为含滑槽和凸 榫圆盘：十字滑块联轴器。
3. 增加辅助构造 1) 转动导杆机构
a)非匀速转，C点置B点轨迹 圆上导杆以曲柄的半速等速转 ，但BC重合运动不定；为此 另加一滑快，杆3为十字槽圆 盘，双曲柄双滑块。
2) 凸轮机构
凸轮廓线定，从动件运动规律不变，为改 变加辅助构造：四凸轮片。
反凸轮机构
滚子在圆弧槽 ab滚动滑块4 不动
无止点： 飞轮、错 位排列。
2) 平面高副 改变高副元素形状可演化变异出不同功能的高副
高副元素：凸轮廓线、工作面
电动锯条
改变高副元素形状可改善机构性能 凸轮高副：廓线形状〔运动规律〕；从动件〔平、凸、凹 增接触强度，减磨〕
机械创新设计课件-第4章 机构变异与创新设计
移动从动件圆柱凸轮机构——圆柱凸轮间歇机构
工作原理
Page19
BUCT
• 运动副的替代
机械创新设计
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BUCT
• 滚滑副代替移动副
机械创新设计
•平面低副与平面高副的等效代换
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机械创新设计
为了减小蜗杆传动工作时齿面间的磨损，采用圆柱滚 子活齿代替蜗轮上的固定齿；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。
BUCT
机械创新设计
第四章 机构变异与创新设计
第一节 机构的倒置（机架变换） 第二节 运动副的变异与演化 第三节 构件的变异与演化 第四节 机构的扩展 第五节 机构的等效代换 第六节 运动原理的移植
Page1
BUCT
机械创新设计
第一节 机构的倒置（机架变换）
（1）连杆机构
￭全转动副四杆机构
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BUCT
￭ 扩大移动副
机械创新设计
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BUCT
曲柄导杆机构——顶锻机构 δ ω1
α
机械创新设计
V 1r(cos sin tan )
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BUCT
分度机构
机械创新设计
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二、运动副元素形状的变异
机械创新设计
￭ 展直
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￭ 绕曲
机械创新设计
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机械创新设计
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BUCT
￭重复再现
机械创新ห้องสมุดไป่ตู้计
普通凸轮
三峰凸轮
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第四章 机构的演化变异与创新设计ppt课件
B:槽轮随系杆公转,又做间歇性自转
.
第4章机构的演化、变异与创新设计
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4章机构的演化、变异与创新设计
第二节 构件形状变异与创新设计
.
图b或图c：
C 4
1 O1 A
2 B
3
b)
C4
1
A
2 B
3
c)
第4章机构的演化、变异与创新设计
4）高副元素为点和任意曲线时:
若高副两元素之一为一点(如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中 心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图b：
B 3
n2
C (O2)
O1 1
n A
B
3
2
O2 4
O1 A1
（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
.
第4章机构的演化、变异与创新设计
（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
第4章机构的演化、变异与创新设计
（6）间歇运动机构的机架变换
拨盘 槽轮
拨盘固定 槽轮
A
B
A:拨盘自转,槽轮间歇自转
.
第4章机构的演化、变异与创新设计
三、避免构件之间的运动干涉
第五章机构演化变异原理与创新
主要目的：
1）改善机构运动的不确定 2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题 3）开发新功能 4）开发新机构 5）改善机构的受力状态，
主要演化变异方法：
1）利用构件的运动性质进行演化变异 2）改变构件的结构形状和尺寸 3）在构件上增加辅助结构 4）改变构件运动性质
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
演化与变异的主要方法有：
运动副演化与变异； 机构的构件变异； 机构的机架变换； 机构的等效变换； 机构运动原理的仿效； 或以上方法同时运用。
通
通过演化与变异而获得的新
过 功能机构称为变异机构。
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
主要目的：
1）增强运动副元素的接触强度 2）减小运动副元素的摩擦、磨损 3）改善机构的受力状态 4）改善机构的运动和动力效果 5）开拓机构的各种新功能 6）寻求演化新机构的有效途径
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
曲柄摇块机构
转动副B的直径尺 寸加大到将转动副
A包括在其中时，曲 柄1就变成了偏心盘1 ，而连杆2就设计成一 端圆环状，另一端为杆
状的套圈，杆状端插入
支撑块3上，并沿支撑块 滑动，支撑块3与壳体4组 成转动副，曲柄摇块机构
就转变成一个旋转泵。
旋转泵
工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向 流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出 腔隔开。
能传递匀速转动，但 2）改变构件的结构形状和尺寸
间，以实现工作要求。
死点位置时机构运动 路与滚子结构形式。
形状是不同的。
不确定。
可采用两个以上的相 同机构的组合，使其 运动确定。
1）改善机构运动的不确定 2）解决机构由于结构原因无法正确运动问题 3）开发新功能 4）开发新机构 5）改善机构的受力状态，
主要演化变异方法：
1）利用构件的运动性质进行演化变异 2）改变构件的结构形状和尺寸 3）在构件上增加辅助结构 4）改变构件运动性质
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
演化与变异的主要方法有：
运动副演化与变异； 机构的构件变异； 机构的机架变换； 机构的等效变换； 机构运动原理的仿效； 或以上方法同时运用。
通
通过演化与变异而获得的新
过 功能机构称为变异机构。
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
主要目的：
1）增强运动副元素的接触强度 2）减小运动副元素的摩擦、磨损 3）改善机构的受力状态 4）改善机构的运动和动力效果 5）开拓机构的各种新功能 6）寻求演化新机构的有效途径
机械创新设计课件 内蒙古科技大学机械工程学院
曲柄摇块机构
转动副B的直径尺 寸加大到将转动副
A包括在其中时，曲 柄1就变成了偏心盘1 ，而连杆2就设计成一 端圆环状，另一端为杆
状的套圈，杆状端插入
支撑块3上，并沿支撑块 滑动，支撑块3与壳体4组 成转动副，曲柄摇块机构
就转变成一个旋转泵。
旋转泵
工作过程：偏心盘1绕中心A转动，圆环状构件2沿机 壳的内表面滑动；则液体按图示箭头方向 流动，套圈2的叶片a用以把吸入腔与输出 腔隔开。
能传递匀速转动，但 2）改变构件的结构形状和尺寸
间，以实现工作要求。
死点位置时机构运动 路与滚子结构形式。
形状是不同的。
不确定。
可采用两个以上的相 同机构的组合，使其 运动确定。
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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
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 （3）改变机构中运动副的性质
3、机构演化与的变异的差别 相同点：都是首先选定以某一基本机构为原始机
A
(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。
2、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
A
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
四、块状构件的演化与变异 滑块等
第五节 运动副的等效变换与创新设计
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
R S2
3 1
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。
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
一、杆状构件的尺寸演化与变异 二、轮状构件的演化与变异 三、盘状构件的演化与变异 四、块状构件的演化与变异
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
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。
二、轮状构件的演化与变异 齿轮、飞轮
三、盘状构件的演化与变异 凸轮、曲柄等
第四章 机构的演化、变异与创新设计
第一节 机构演化与变异的概念 第二节 机架变换与创新设计 第三节 运动副的形状变异与创新设计 第四节 构件形状变异与创新设计 第五节 运动副的等效代替与创新设计
第一节 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。
构。 不相同点：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。
第二节 机架变换与创新设计 1、连杆机构的机架变换
(1)铰链四杆机构
C
C
C
B
B
B
A
DA
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
A
D
双摇杆机构
B
(2)曲柄滑块机构
C
曲柄滑块机构
A
B
C
转动导杆机构
A
B
C
曲柄摇块机构
A
B
C
移动导杆机构
第三节 运动副的演化、变异与创新设计
一、转动副的尺寸变化 二、转动副的结构变化 三、移动副的尺寸变化 四、移动副的结构变化 五、运动副性质的等效变换
一、转动副的尺寸变化 偏心盘机构
铰链四杆机构ABCD的转动副尺寸扩大
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
二、高副与低副的等效变换
O2 O1
A B
O2 O1
A B
O2
O1
A B
O2
O1
A B
二、滑动摩擦与滚动摩擦副的等效变换
滑动导轨 普通螺旋
滚柱导轨 滚珠螺旋
提问与解答环节
Questions And Answers
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
3、凸轮机构的机架变换
转
动
直
动
从
动
件
盘
形
凸
轮
机
直动从动件盘形凸轮机构
构
4、带传动机构的机架变换
带传动机构
差动带传动机构
5、间歇运动机构的机架变换
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。
二、转动副的结构变化
滑动轴承
滚动轴承
三、移动副的尺寸变化
曲柄滑块机构ABC的变异
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
(4)铰链四杆 机构向含有移动副的四杆机构的转换
扩 大 转 动 副 D 的 尺 寸
减小偏距e的尺寸
第四节 构件的演化、变异与创新设计