宁先雄第1章机构的组成和结构.ppt

上篇上篇 机构的运动设计机构的运动设计1 机构的组成和结构机构的组成和结构本章内容：本章内容：1.1 机构的组成机构的组成1.2 机构运动简图绘制机构运动简图绘制1.3 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件1.4 机构组成原理和结构分析机构组成原理和结构分析1.1 机构的组成机构的组成1.1.1 构件构件●构件的自由度构件的自由度●构件的定义：构件的定义：独立运动单元独立运动单元──自由度的定义：自由度的定义：独立运动参数的个数或描述构独立运动参数的个数或描述构件位置和姿态所需的独立坐标数件位置和姿态所需的独立坐标数xyzox0y0o0y0sysxsz z y xyxoy0x0o0 sxsy──构件自由度数目构件自由度数目平面运动构件：平面运动构件：3 3个自由度个自由度空间运动构件：空间运动构件：6 6个自由度个自由度1.1.2 运动副运动副●●运动副定义运动副定义两个构件直接接触组成的可动联接两个构件直接接触组成的可动联接●运动副元素运动副元素构件上参与接触的几何元素构件上参与接触的几何元素●运动副作用运动副作用提供约束提供约束 y x z球面副球面副例如例如：：球面副球面副保留保留3 3个相对运动：个相对运动：  x x、、  y y、、  z z提供提供3个个约束：约束：s sx x 、、s sy y、、s sz z y x z球面副球面副●约束的定义约束的定义对运动所加的限制。

对运动所加的限制●●运动副的分类运动副的分类（（2））按相对运动形式：按相对运动形式：（（1））按接触形式：按接触形式：平面副平面副：：保留的相对运动为平面运动保留的相对运动为平面运动空间副空间副：：保留的相对运动为空间运动保留的相对运动为空间运动高副高副：：点、线接触点、线接触低副低副：： 面接触接触面接触接触转动副：只保留的转动副：只保留的1个相对转动自由度个相对转动自由度移动副：只保留的移动副：只保留的1个相对移动自由度个相对移动自由度（（3）按提供的约束数）按提供的约束数：：1级副级副、、2级副级副、、3级副级副、、4级副级副、、5级副级副4）按运动副元素：）按运动副元素：圆柱副圆柱副、、球面副球面副、、球销副球销副、、螺旋副螺旋副球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副●●平面运动副的分类平面运动副的分类（（1）平面低副）平面低副：：转动副转动副、、移动副移动副，空间，空间5级副级副2）平面高副）平面高副：：例如例如齿轮副齿轮副、、凸轮副凸轮副，空间，空间4级副级副提示：提示：1 1个平面运动构件有个平面运动构件有3 3个自由度个自由度。

── ── 1 1个平面低副引入个平面低副引入2 2个约束，平面个约束，平面2 2级副── ── 1 1个平面高副引入个平面高副引入1 1个约束，个约束，平面平面1级副1.1.3 运动链运动链●●运动链的定义：运动链的定义： 两个以上构件用运动副联接而成的系统两个以上构件用运动副联接而成的系统●●运动链的分类运动链的分类────闭式运动链闭式运动链( (闭链闭链) )：：运动链是封闭图形运动链是封闭图形──开式运动链开式运动链( (开链开链) )：运动链是开放图形运动链是开放图形闭链闭链开链开链1.1.4 运动链成为机构的运动链成为机构的2个条件个条件（（1 1）选定某一构件为机架；）选定某一构件为机架；（（2 2）选定）选定1 1个或几个构件为原动件，使运动确定个或几个构件为原动件，使运动确定从动件从动件──其余可动构件其余可动构件输出构件输出构件──运动、动力输出的构件运动、动力输出的构件机架机架──相对固定的构件相对固定的构件原动件原动件──运动规律已知的构件运动规律已知的构件术语术语连架杆连架杆──与机架相联的构件与机架相联的构件1.2.1 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：机构运动简图：用以说明机构中各构件之间的相用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。

对运动关系的简单图形作用作用：：1.表示机构的结构和运动情况表示机构的结构和运动情况2.作为运动分析和动力分析的依据作为运动分析和动力分析的依据1.2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制(了解了解) 画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件尺寸尺寸( (即运动副之间的尺寸即运动副之间的尺寸) )和运动副的性质和运动副的性质机构示意图机构示意图：不按比例绘制的简图；：不按比例绘制的简图；术语术语机构运动简图机构运动简图：按精确比例绘制的简图按精确比例绘制的简图●●构件的表示方法构件的表示方法────简单线条和几何图形简单线条和几何图形●●常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: : 国标国标GB4460GB4460－－8484●●常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动带带传传动动链链传传动动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动【【例教师例教师1-1】】绘制绘制破碎机破碎机和偏心泵的机构运动简图。

和偏心泵的机构运动简图1.1.颚式破碎机颚式破碎机内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动棘棘轮轮机机构构1.2.2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制【【例教师例教师1-2】】绘制图示偏心泵的运动简图绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵偏心泵1234【【解解】】1.3 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件( (重点重点) )知识回顾知识回顾1个平面运动构件有个平面运动构件有3 3个自由度个自由度1个低副个低副(转动副移动副转动副移动副) 引入引入2 个约束1个高副引入个高副引入 1 个约束1.3.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算F = = 1 3×3－－2×4设：设：●平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式 F = 3n - 2PL - PH1234F = 1124有有 n 个活动构件，个活动构件，PL个低副，个低副， PH个高副，个高副，则则3【【引例引例】】 F = 3n - 2P5 – P4教材用中的计算公式教材用中的计算公式【【例教师例教师1-3】】计算铰链五杆机构的自由度计算铰链五杆机构的自由度。

解解】】 n = 4 PL = 5F = 3n - 2PL - PH PH =0F=2= 3×4 - 2×5 - 0= 2 4 41 12 23 35 51 12 23 34 4F=1ABC  1 11.3.2 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件CF = 2 1 12 23 34 45 5BADE  1 1  4 4F=2F=2机构给定机构给定1 1个原动件个原动件: :F=2F=2机构给定机构给定2 2个原动件个原动件: :运动不确定运动不确定运动确定运动确定1.3.2 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件原动件数目原动件数目 = 自由度自由度F   01.3.2 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件讨论讨论1 12 23 3F =0平面静定桁架平面静定桁架1 12 23 34 4F =-1平面超静定桁架平面超静定桁架F=11234ACBDF=1机构给定机构给定1个原动件个原动件:F=1机构给定机构给定2个原动件个原动件:运动确定运动确定损坏构件损坏构件【【例教师例教师1-4】】计算图示计算图示机构机构的自由度的自由度解解】】n = 5 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =36= 3×5 - 2×6 - 0  1 12A15436EDCB1.复合铰链复合铰链(简称复铰简称复铰)若若有有 m 个构件个构件, 1.3.3计算自由度时应注意的问题计算自由度时应注意的问题二个以上构件二个以上构件(含机架含机架)在同一轴线上构成在同一轴线上构成的多个转动副，称为复合铰链。

的多个转动副，称为复合铰链123123则有则有 m－－1 个转动副个转动副【【例例1-4】】重新重新计算图示计算图示机构机构的自由度的自由度解解】】n = 5 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =17= 3×5 - 2×7 - 0 2A15436EDCB12345678ACDEFB【【例例1-7】】计算图示计算图示机构机构的自由度的自由度n = 7 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =110【【解解】】= 3×7 - 2×10 - 0 【【解解】】【【例教师例教师1-5】】计算图示计算图示机构机构的自由度的自由度n = 3 PL = 3F = 3n - 2PL - PH =2PH = 1= 3×3 - 2×3 - 1 12432.局部自由度局部自由度F = 3×2-2×2-1= 1 12431243【【例教师例教师1-6 】】 计算计算火车轮机构火车轮机构的自由度的自由度【【解解】】n = 6PL =PH = 09F = 3n - 2PL - PH = 3×6 - 2×9 - 0= 01 154326AGFEDCB7对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。

对机构的运动不起独立限制作用的重复约束计算自由度时要去除掉计算自由度时要去除掉3.虚约束虚约束(消极约束消极约束)154326AGFEDCB7D4D3154326AGFECB7BFD15326AGEC74【【解解】】n = 5 PL = 7F = 3n - 2PL - PH =1PH = 0= 3×5 - 2×7 - 0 （（1））两构件构成多个运动副两构件构成多个运动副12（（a））12（（b））●出现虚约束的场合出现虚约束的场合(重点、难点重点、难点)──两构件组成多个移动副，两构件组成多个移动副，导路导路重合或平行重合或平行 ──── 两构件组成多个转动副，两构件组成多个转动副，同轴同轴1212────两构件构成高副，两处接触，两构件构成高副，两处接触，法线重合法线重合n1n1n2n2BAn1n1n2n2等宽凸轮等宽凸轮注意注意：法线不重合时，变成实际约束！：法线不重合时，变成实际约束！(2) 运动过程中，两构件上的两点距离始终不变运动过程中，两构件上的两点距离始终不变 例如例如火车轮火车轮机构、机构、椭圆仪椭圆仪 （（3）） 联接点与被联接点轨迹重合联接点与被联接点轨迹重合D DA AC CB B(4) 对运动不起作用的对称部分。

对运动不起作用的对称部分(4) 对运动不起作用的对称部分对运动不起作用的对称部分(4) 对运动不起作用的对称部分对运动不起作用的对称部分─ ─ 改善构件的受力情况：例如多个行星轮改善构件的受力情况：例如多个行星轮─ 增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨●虚约束的作用：虚约束的作用：1.4.1 平面机构的高副低代平面机构的高副低代1.4 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析(重点重点)O O1 1O O2 2A AB B1 12 23 3O O1 1O O2 2A AB B1 12 23 3O O1 1O O2 2A AB B1 12 23 3O O1 1O O2 2A AB B1 12 23 3●●替代原则替代原则●●替代构件替代构件：：1 1杆杆2 2低副低副（（1）替代前后自由度不变；）替代前后自由度不变；（（2）替代前后运动不变替代前后运动不变●●替代方法替代方法─ ─ 在高副两个曲率中心之间画出替代构件；在高副两个曲率中心之间画出替代构件；─ 替代构件分别与组成高副的两个构件相联；替代构件分别与组成高副的两个构件相联；─ 组成高副的两个构件应去掉组成高副的两个构件应去掉高副高副、简化成杆。

简化成杆─ ─ 尖顶尖顶●●特殊情况特殊情况nnp─ ─ 尖顶尖顶●●特殊情况特殊情况─ ─ 平底平底p── ── 平底平底─ ─ 平底平底【【例教师例教师1-7】】ACIBDEFGHJnPACIBDFGHJP【【例教师例教师1-7】】11.4.2 机构的组成原理机构的组成原理832F=17456F=1F=0F=0原原动动件件杆杆组组杆杆组组●定义：定义：F=0 不可再分的构件组不可再分的构件组1. 杆组杆组（（基本杆组、基本组、基本杆组、基本组、Assur 组）组）●结构公式：结构公式：F=3n －－ 2PL －－ PH = 3n －－ 2PL = 0 PL＝＝3n/2●分类分类(1)Ⅱ级组级组(n=2，，PL=3)PL＝＝3n/2(a)RRR(f)PRP(h)PPR(d)RPR(b)RRPPL＝＝3n/2Ⅱ级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL＝＝3n/2Ⅱ级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL＝＝3n/2Ⅱ级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(e)(d)RPR(c)(b)RRPPL＝＝3n/2(g)(f)PRP(i)(h)PPR外外接接副副外外接接副副R ── 转动副（转动副（Revolute pair））P ── 移动副（移动副（Prismatic pair））内内接接副副外外接接副副外外接接副副(b)RRP内内接接副副Ⅱ级组的结构特征级组的结构特征（记住）：（记住）：两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接。

两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接PL＝＝3n/2（（2）） Ⅲ级组级组(n=4，，PL=6)Ⅲ级组基本型级组基本型Ⅲ级组其它型举例级组其它型举例中心构件中心构件PL＝＝3n/2Ⅲ级组基本型级组基本型Ⅲ级组其它型举例级组其它型举例Ⅲ级组的结构特征级组的结构特征（记住）：（记住）：三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接PL＝＝3n/2（（3））Ⅳ级组级组(n=4，，PL=6)Ⅳ级级组组基基本本型型Ⅳ级组的结构特征级组的结构特征（记住）：（记住）：两个含有外接副的构件通过两个构件间接相联两个含有外接副的构件通过两个构件间接相联●原理的限定条件原理的限定条件:平面低副机构；连架杆为原动件平面低副机构；连架杆为原动件 原动件画法原动件画法：：1个机架、个机架、1个活动构件、个活动构件、1个低副、个低副、1个箭头，一个都不能少个箭头，一个都不能少2.平面机构组成原理：平面机构组成原理：任何一个平面机构都可以看作是由一系列基本组依次任何一个平面机构都可以看作是由一系列基本组依次联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的。

●●基本组的联接基本组的联接 ─ ─ 结构综合的杆组法结构综合的杆组法( (理解理解) )给定自由度（原动件）数目和类型，用不同数目、给定自由度（原动件）数目和类型，用不同数目、不同类型的基本组去联接，可得到新机构不同类型的基本组去联接，可得到新机构1个构件个构件1个构件个构件注意：注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上1.4.3 机构的结构分析机构的结构分析────正确拆分杆组正确拆分杆组; ;──判断机构级别判断机构级别●●目的目的●步骤步骤（（5）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是一个自由度为零的构件组合或杆组一个自由度为零的构件组合或杆组1）计算）计算F；确定原动件；去掉虚约束、局部自；确定原动件；去掉虚约束、局部自由度；注意复铰由度；注意复铰2）如果机构中有高副，应高副低代如果机构中有高副，应高副低代3）拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合4）根据）根据杆组的结构特征杆组的结构特征对从动件组合依次拆组对从动件组合依次拆组●●机构的级别：机构的级别：──机构所含基本组的最高级别为机构的级别；机构所含基本组的最高级别为机构的级别；──ⅡⅡ级机构为简单机构，级机构为简单机构，ⅢⅢ级以上机构为复杂机构。

级以上机构为复杂机构【【例教师例教师1-6】】对图示机构进行高副低代和结构分析对图示机构进行高副低代和结构分析ACBDIFGHJP【【解解】】1. 高副低代：高副低代：ACBDIFGHJP【【解解】】1. 高副低代：高副低代：ACBDIFGHJP【【解解】】 2. 结构分析结构分析：（：（1）除去虚约束：）除去虚约束：ACBDIFGHJPA【【解解】】 2. 结构分析结构分析：（：（2）拆出原动件和机架：）拆出原动件和机架：CBDIFGHJP（（3）拆组：）拆组：Ⅲ级机构级机构H【【解解】】 以以GH为原动件进行为原动件进行 结构分析：结构分析：ACBIGJDFPⅡⅡ级机构级机构●●常识常识──分组的目的：为运动、动力分析服务；分组的目的：为运动、动力分析服务；xyR1R2R3OBCDR4──运动分析时：外接副的运动是已知的；运动分析时：外接副的运动是已知的； xyR1R2R3R4OBCD──运动分析时：运动分析时： Ⅱ级组有精确解；级组有精确解；1CDOBEAF──运动分析时：运动分析时： Ⅲ级以上组只有近似解；级以上组只有近似解；──将将Ⅳ级组划分成级组划分成2个个Ⅱ级组是教师的错误，级组是教师的错误， 因为划分出来的因为划分出来的Ⅱ级组的外接副运动未知。

级组的外接副运动未知作业作业1.5 1.6 1.7。