机械系统运动方案拓扑设计.pdf

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1、机械系统运动方案的演变与创新设计运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述1运动链结构拓扑方法应用运动链结构拓扑方法应用2运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述运动链621345234156拓扑图621345运动链结构拓扑是基于运动链结构拓扑是基于“图图”的一种机构方案创新设计的一种机构方案创新设计方法。方法。顶点与边多少种连接关系？拓扑关系。应用图的优点：应用图的优点：6个构件和个构件和7个运动副能够组成多少种运动链？个运动副能够组成多少种运动链？运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑的机构方案创新设计方法通过拓扑结构类型综合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面

2、进行变异创新。设计流程图设计流程图原始机构一般化运动链异构运动链再生运动链候选方案集一般化发散再生具体化一般化原则数综合理论设计约束一般化原则运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述2选定原始方案1一般化运动链3运动链数综合4运动链再生5运动链具体化选定原始方案选定原始方案设计者在被要求提出新的设计概念之后设计者在被要求提出新的设计概念之后1.确定设计要求确定设计要求概念设计时：概念设计时：重点考虑关于拓扑构造的基本规格重点考虑关于拓扑构造的基本规格可以忽略运动范围、力的大小、做功能力、效率等规格可以忽略运动范围、力的大小、做功能力、效率等规格几自由度机构？几自由度机构？几回路机构？几回路

3、机构？平面或是空间机构？平面或是空间机构？选定原始方案选定原始方案2.搜索符合要求的现有设计搜索符合要求的现有设计文献检索文献检索专利检索专利检索专家档案专家档案3.归纳归纳现有设计拓扑现有设计拓扑特性特性满足满足要求现有设计的一要求现有设计的一些共些共有的拓扑有的拓扑特性，例如特性，例如运动运动类型类型构件构件类型与数目类型与数目4.选原始方案选原始方案现有设计2 现有设计1 现有设计3 现有设计4 任意取任意取一一原始原始方案方案选定原始方案选定原始方案选定原始方案选定原始方案例：摩托车后悬挂机构例：摩托车后悬挂机构本田pro-link悬挂六杆六杆机构机构与传统四杆悬挂相比与传统四杆悬挂相

4、比六杆六杆方案可提方案可提供供可可变变的的杠杆比使杠杆比使后后轮具轮具有有较较大的大的行行程程设计要求：设计要求：后后悬挂悬挂机构基于机构基于六杆六杆机构机构选定原始方案选定原始方案本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂符合设计要求的现有设计符合设计要求的现有设计选定原始方案选定原始方案基本拓扑特性基本拓扑特性本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂（1）它们是具有七个运动副的平面六杆机构。（2）它们具有六个转动副和一个移动副。（3）它们是单自由度机构。一般化运动链运动链结构拓扑方法概

5、述运动链结构拓扑方法概述2选定原始方案13运动链数综合4运动链再生5运动链具体化回顾：运动链回顾：运动链运动链一般化运动链一般化两个以上构件通过运动副的联接而构成的系统称为运动链。运动链一般化运动链一般化机构转化运动副转化指只含简单转动副简单转动副和连杆连杆的运动链一般化运动链一般化运动链就是将机构运动副转化为简单转动副和构件转化为连杆的过程。运动链一般化运动链一般化都能抽象为一般化运动链。任何机构经过运动链一般化运动链一般化转化连杆机构转化连杆机构齿轮机构槽轮机构凸轮机构连杆机构等效与变异机构演化及变异原理运动链一般化运动链一般化机构转化实例机构转化实例运动链一般化运动链一般化转化简单转动副

6、转化简单转动副复合铰链简单转动副移动副转动副规则等效运动链一般化运动链一般化运动副转化实例运动副转化实例简单转动副转化原则简单转动副转化原则：在运动副所附随的任意一个连杆上依次增加一个运动副，直到原来的复合转动副只与两个连杆附随为止。运动链一般化运动链一般化五十铃 full-floater 悬挂机构一般化运动链原始方案：原始方案：摩托车后悬挂机构一般化摩托车后悬挂机构一般化运动链一般化运动链一般化通过一般化过程，设计者能够用一种非常基本的方式来研究和比较不同的设计。许多机构乍看之下截然不同，却可能有相同的一般化形式本田 pro-link 悬挂压榨机运动链数综合一般化运动链运动链结构拓扑方法概述

7、运动链结构拓扑方法概述2选定原始方案134运动链再生5运动链具体化运动链数综合运动链数综合运动链数综合又称运动链发散运动链数综合又称运动链发散一般化运动链拓扑图所有同源运动链数综合流程图数综合流程图两副构件作为连接顶点的边三副以上构件表示“图”的顶点图论理论运动链数综合运动链数综合full-floater 一般化运动链拓扑胚图A3B3A3B31321236杆杆机构机构，n=6,p=7,则含则含有有4个个二二副副杆，杆，2个个三三副副杆杆运动链数综合运动链数综合分配二副杆至胚图分配二副杆至胚图A3B3123四个二副杆4，0，0133P=种方案3，1，0236P=种方案2，2，0133P=种方案2

8、，1，1133P=种方案15种方案几种方案？运动链数综合运动链数综合A3B3004型A3B3040型A3B3400型4，0，0A3B3130型A3B3013型3，1，0A3B3310型A3B3031型B3301型A3B3103型A3B3220型2，2，0022型A3B3B3202型A3A3B3211型2，1，1112型A3B3B3121型A3运动链数综合运动链数综合A3B3004型A3B3013型A3B3022型异构体A3B3112型异异构构体为研究对象体为研究对象同构体A3B3004型A3B3040型A3B3400型运动链数综合运动链数综合A3B3004型A3B3013型运动链数综合运动链数

9、综合WATTSTEPHENSONA3B3022型A3B3112型运动链数综合运动链数综合五杆，F=2刚性链判判定有效链定有效链运动链数综合运动链数综合v四杆：1基本型v六杆：2基本型v八杆：16基本型v十杆：230基本型运动链再生一般化运动链运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述2选定原始方案13运动链数综合45运动链具体化运动链再生运动链再生设计要求和约束机件和运动副设计设计约束约束是是根据工根据工程程实际实际和设计者的和设计者的决决定定来来定定义义的的，约束约束可以是可以是柔性柔性的的，并，并可以可以视不同情况而改变视不同情况而改变。运动链再生就是根据设计要求和约束分配特定类型的机件

10、和运动副至一般化运动链。运动链再生运动链再生1、必须有一个杆作为机架摩托车后悬挂设计约束的确定摩托车后悬挂设计约束的确定本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生2、必须有一个减震器本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生3、必须有一个摆动臂本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生4、必须有一个转动臂本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni

11、-trak 悬挂运动链再生运动链再生5、必须有一个连杆本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生6、机架、减震器和摆动臂必须为不同构件。本田 pro-link 悬挂五十铃 full-floater 悬挂川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生1、必须有一个杆作为机架2、必须有一个减震器3、必须有一个摆动臂4、必须有一个转动臂5、必须有一个连杆6、机架、减震器和摆动臂必须为不同构件。运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂机架确认摩托车后悬挂机架必须要有一个杆作为机架，且对于分配机架没有约束。A机架A1机架A2WATT链

12、有几种方案链有几种方案运动链再生运动链再生BB1机架B2机架B3机架STEPHENSON链有几种方案链有几种方案运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂减震器确认摩托车后悬挂减震器必须有一个由一对二副杆一对二副杆组成的减震器，且减震器不能为机架。A1机架减震器A11机架A2减震器A21确认减震器确认减震器运动链再生运动链再生B2机架B3机架机架B1B11减震器减震器B21运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂必须有一个摆动臂，而且不能分配机架和减震器为摆动臂。摆动臂减震器机架A111摆动臂减震器机架A112摆动臂减震器机架A113确确认摆认摆动动臂臂减震器A11机架运动链

13、再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂摆动臂减震器机架A211摆动臂减震器机架A213减震器A21机架减震器机架A212摆动臂确确认摆认摆动动臂臂运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂摆动臂减震器机架B111减震器机架摆动臂B112确确认摆认摆动动臂臂减震器B11机架运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂摆动臂确认摩托车后悬挂摆动臂减震器摆动臂机架B211减震器机架摆动臂B212确确认摆认摆动动臂臂B21减震器机架运动链再生运动链再生摆动臂减震器机架摆动臂减震器机架摆动臂减震器机架A111A112A113摆动臂摆动臂减震器机架减震器机架摆动臂减震器机

14、架A211A212A213减震器机架摆动臂摆动臂减震器机架B111B112减震器机架摆动臂减震器摆动臂机架B211B212运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂转动臂确认摩托车后悬挂转动臂因为必须有一个邻接于机架的转动臂，所以转动臂可以通过如下步骤确认确认转动臂确认转动臂摆动臂减震器机架A113摆动臂减震器机架A111转动臂A1111摆动臂减震器机架A112转动臂A1131转动臂A1121运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂转动臂确认摩托车后悬挂转动臂确认转动臂确认转动臂A212摆动臂减震器机架A213摆动臂减震器机架A211转动臂A2111摆动臂减震器机架转动臂A2121转动臂A2131运动链

15、再生运动链再生确认摩托车后悬挂转动臂确认摩托车后悬挂转动臂确认转动臂确认转动臂摆动臂减震器机架B111减震器机架摆动臂B112转动臂B1111转动臂B1121运动链再生运动链再生确认摩托车后悬挂转动臂确认摩托车后悬挂转动臂确认转动臂确认转动臂减震器摆动臂机架B211减震器机架摆动臂B212转动臂B2111转动臂B2121运动链再生运动链再生摆动臂减震器机架转动臂A1111摆动臂减震器机架转动臂A1121摆动臂减震器机架转动臂A1131摆动臂减震器机架转动臂摆动臂减震器机架转动臂摆动臂减震器机架转动臂A2111A2121A2131B1111转动臂减震器机架摆动臂转动臂减震器机架摆动臂转动臂减震器

16、摆动臂机架摆动臂减震器机架转动臂B1121B2111B2121a1111运动链再生一般化运动链运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述2选定原始方案13运动链数综合45运动链具体化运动链具体化机构简图运动链运动链一般化运动链具体化运动链运动链具体化具体化运动链运动链具体化具体化是一是一般化般化的的逆过逆过程程运动链具体化机机架架具体化具体化摩托车摩托车后后悬挂具体化例悬挂具体化例1A1111摆动臂减震器机架转动臂摆动臂减震器转动臂运动链具体化减震器减震器具体化具体化摆动臂减震器转动臂摆动臂转动臂运动链具体化摆摆动动臂臂、转转动动臂臂具体化具体化摆动臂转动臂运动链具体化调整调整工工作位置作位

17、置运动链具体化调整调整构件构件外形外形a1111摩托车摩托车后后悬挂具体化例悬挂具体化例2机机架架、减震器减震器具体化具体化运动链具体化摆动臂减震器机架转动臂A1121转动臂摆动臂摆摆动动臂臂、拨拨车车臂臂具体化具体化运动链具体化转动臂摆动臂a1121是哪个现有方案运动链具体化a1121川崎 uni-trak 悬挂运动链再生运动链再生摆动臂减震器机架转动臂A1111摆动臂减震器机架转动臂A1121摆动臂减震器机架转动臂A1131摆动臂减震器机架转动臂摆动臂减震器机架转动臂摆动臂减震器机架转动臂A2111A2121A2131B1111转动臂减震器机架摆动臂转动臂减震器机架摆动臂转动臂减震器摆动臂

18、机架摆动臂减震器机架转动臂B1121B2111B2121候选方案集候选方案集34a1121a1111a1131a2111a2121a2131b1111b1121b2111b2121第三讲:机械系统运动方案的演变与创新设计1运动链结构拓扑方法概述运动链结构拓扑方法概述2运动链结构拓扑方法应用运动链结构拓扑方法应用现有机构分析现有机构分析俯仰式拨车机俯仰式拨车机驱动机构曲柄摇杆机构工作现场美卓矿机拨车机方案美卓矿机拨车机方案工作现场三维构型现有机构分析现有机构分析动画仿真现有设计分析现有设计分析俯仰式拨车臂伸出机构大臂颤动严重！美卓矿机式的方案使用较理想！现有机构分析现有机构分析1原动件2连杆3拨

19、车臂4摆杆 5机架6导向滚子7摆动滚子分阶段工作机构机构简图表示机构简图表示重力过渡变形伸出（退回）阶段曲柄滑块机构扣钩（脱钩）阶段连杆凸轮组合机构现有机构分析现有机构分析伸出（退回）阶段曲柄滑块机构输入输出五连杆机构凸轮机构输出输入F=1 323 42 431lhFnpp=运动运动传传递及递及机构组合机构组合分分析析扣钩（脱钩）阶段现有设计分析现有设计分析分阶段工作使拨车臂没有多余动作，可以高效率工作，但同时机构设计的复杂程度也增加了。钩头轨迹采采用运动链结构拓扑方法用运动链结构拓扑方法进进行行方案设计方案设计设计要求：机构设计要求：机构满足分满足分阶段阶段工工作作一般化运动链一般化运动链1

20、、8原动件2连杆3拨车臂4滚子 5机架6摆杆7滚子9滚子一般化运动链一般化运动链伸出（退回）运动链扣钩（脱钩）运动链滚子4和9捆绑成特殊的二副杆凸轮副与整个机构封闭一般化运动链运动链数综合运动链数综合计算可得运动链图谱计算可得运动链图谱ABCDEFGHIJKLMNOP运动链再生运动链再生（1）必须有一个杆作为机架机架是运动链成为机构的必要条件，所以必须有一个杆作为机架。根据对现有拨车机大臂伸出机构分析，在运动链再生时遵守以下约束：运动链再生运动链再生（2）有两个导向的滚子拨车臂要在滚子上滑动，导轨就是拨车臂自身，简化结构。运动链再生运动链再生（3）运动链包含一个五杆子链（机架、原动件、连杆、拨

21、车臂，导向滚子）五杆链是切换工作阶段的关键组成部分。运动链再生运动链再生（4）拨车臂至少是三副杆且最少邻接两个二副杆其中一个二副杆包含在五杆环内邻接机架，为导向滚子；另一个二副杆包含在五杆环之外代表摆动滚子或凸轮。运动链再生运动链再生根据上述设计约束按以下步骤便可找出全部可行的再生运动链：（1）对于每一个一般化链，确认五杆子链；（2）对于在步骤（1）获得的运动链，确认拨车臂、导向滚子和控制摆动的滚子或凸轮；（3）对于在步骤（2）获得的运动链，确认机架、原动件和驱动拨车臂的连杆；（4）对于在步骤（3）获得的运动链，确认运动链剩下的构件均为杆件，剩下的运动副均为转动副。运动链再生运动链再生（1）对

22、于每一个一般化链，确认五杆子链；对称相似AA1A2有几个方案有几个方案运动链再生运动链再生I运动链再生运动链再生A1B1B2D1D2F1G1I1K1L1L2P1（2）对于在步骤（1）获得的运动链，确认拨车臂、导向滚子和控制摆动的滚子或凸轮；拨车臂至少是三副杆拨车臂运动链再生运动链再生A1A11A12A13导向滚子邻接拨车臂拨车臂导向滚子运动链再生运动链再生A11A12A13A111A112A121A131摆动滚子或凸轮邻接拨车臂拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮运动链再生运动链再生A111A112A121A131A1111A1121A1211A1311（3）对于在步骤（2）获得的运动链，确认机架、原

23、动件和驱动拨车臂的连杆；连杆驱动拨车臂拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆运动链再生运动链再生A11111A11211A13111原动件驱动连杆拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件运动链再生运动链再生A111111A112111A131111机架连接原动件与导向滚子拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架剩下未确的两构件均为杆件，运动副均为转动副。运动链再生运动链再生A1111111A1121111A1311111拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架运动链具体化运动链具体化A1111111a1111111拨拨车车机机具体化具体化拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架运动链具体化运动链

24、具体化A1121111a1121111拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架运动链具体化运动链具体化A1311111a1311111方案集方案集方案集方案集a1111111a1121111a1311111d2111111g1111111i1111111L2111111L2111112P1111111柔性约束约束约束是是柔性柔性的的，若若改变约束改变约束就就有可能有可能得到更得到更多方案。多方案。摆动滚子或凸轮必须邻接连杆改变改变摆摆动动滚子滚子的的约束约束后后拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架A111A112A121A131A1211111拨车臂导向滚子摆动滚子或凸轮连杆原动件机架柔性约束A1211111a1211111