机构的结构综合.ppt

1.3 机构的结构综合 机构的结构综合包括两个方面的基本问题： 一是为了实现某种运动转换，所采用的机构应 该由多少构件和哪些类型的运动副组成，叫做 型综合； 二是由一定数量的构件和一定类型的运动副， 能组成的具有某一自由度的运动链共有多少种 ，叫做数综合。 我们首先讨论数综合。 1.3.1 开式链机构的结构综合 开式链机构的自由度数就等于各运动副的自 由度之和，即 对上式变形可得： 式中，Pj表示第j类运动副的数目。 1.3.1 开式链机构的结构综合 当机构自由度已给定时，便可直接按上式求 得其结构简图的可能型式。 对于只含有转动副、圆柱副和球销副的开式 链机构的自由度可简写为 当机构自由度W为1时，其结构 简图的可能型式只有一种。 1.3.1 开式链机构的结构综合 当机构自由度W为2时，其结构简图的可能 型式有三种。 1.3.1 开式链机构的结构综合 当机构自由度W为3时，其结构简图的可能 型式有三种。 随着机构自由度的增大及所含运动副类型的 增加，其结构简图的可能型式将大大增加。 1.3.1 开式链机构的结构综合 某些机械手结构的结构简图。在这类机构中 很少采用自由度大于2的运动副。 1.3.1 开式链机构的结构综合 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 一、单自由度平面机构中构件数与运动副数的配置。 为了说明问题起见，现只限于讨论仅含转动副且 自由度为1的平面闭式链机构，而且不包含复合铰链 和虚约束。 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 该机构的构件总数N与转动副数P之间的关系为 ： 式中N为运动链中的构件总数，P为其中的运动 副总数。N必为偶数。 常见的运动链有： 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 环路数L与构件总数N的关系为 由上式可见，环数只与杆数有关。 若运动链的环数记为L，则 A B C D 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 A B C D 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 单自由度机构，开式运动链。 单环机构，闭式运动链 ，四杆机构。 其余为复环闭式运动链。 环数L 运动副数P 构件数N 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 四杆运动链只有1个环，故 其可能的构型只有1种。 六杆运动链应有2个环，故其可能的构型有两种 ，瓦特(Watt)型和斯蒂芬森(Stephenson)型 三副件相邻 三副件被二副件隔开 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 八杆运动链应有3个环，其可能的构型有16种 1.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合 十杆运动链应有四个环，其可能的构型有230种。 运动链如此众多的型式是按什么规律组合出来 的，这一问题可用图论的方法加以研究。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 二、图论的基本知识 图：由直线段和小圆圈组成的网络状连通系统 节点：小圆圈，直线段的端点 边：直线段，连接两个节点的直线段 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 子图：若一图的节点集合、边集合分别是另一 图的节点集合、边集合的子集，则成该图为另一图 的子图。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 完全连接图：任一节点和其他所有节点都有边 相连接的图。 平面图：各边除在节点相交外，没有其他相交 边的图。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 支路：图中一系列边的集合，其每两个相继的 边联接于一个节点。 环路：从某一个节点开始又回到该节点的支， 此支路通过各节点不超过一次，又称封闭环。 长度：构成支路或环路的 边数。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 同构：若两图的节点集合和边集合的元素分别 有一一对应关系，且对应边与对应节点相关联，则 成该两图同构。（换言之，由一幅图演化后可以得 到另一幅图，可以认为是同一个机构的不同表现形 式。） 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 联接矩阵：表示图中边-节点或边- 边或节点-节点之间联接关系的矩阵。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 变换图：若一图的节点-节点矩阵是另外一图的 边-边矩阵，则称后者为前者的变换图。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 三、图与运动链的变换 运用图论中的方法，可把研究运动链种类的问 题转化为研究一定数量的节点与边能够连接成多少 种不同构的图的问题。 （原）图中的节点代表构件，边代表转动副。 在原图的变换图中，节点就代表了转动副，边代表 了构件，变换图实际上已成为运动链的图形了。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 在构（原）图时，需注意以下三点： (1) 节点数、边数、环数按公式 (1) 节点数、边数、环数按公式 确定，但应将式中的N视为节点数V，P视为边数E 。 例如运动链 原图 （）（） 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 (1) 节点数、边数、环数按公式 (2) 两节点间不能用一个以上的边联接。 （） 一方面因为图中的必须均为直线；另一方面因 两构件间不能构成多于一个的转动副。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 (1) 节点数、边数、环数按公式 (3) 原图中不能含有变换图为固定桁架的子图。即不 能在原图中出现如下的图： 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 (3) 为了便于判断是否同构，所构成的图必须是平面 图，并尽量将图中的最长环作为外环。 最长的环所具有的边数叫做周长。 注意了以上各点后，可针对不同的节点数、边数 及环数进行构图。仍以自由度为1的平面闭式运动链 为例。 （a）四杆运动链 因为周长必须为4,所以只有一种。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 （b）六杆运动链 6个顶点，所以最大周长只能取6。不能出现边长为3 的环。同时要保证两个环。然后逐次周长取5和4 。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 四、平面机构的演化 上述变换图为平面运动链的基本型式，如果指 定不同的构件为机架，或者采用以移动副代替转动 副、高副代替低副等方法，可以得到多种多样的实 用机构。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 （1）选用不同构件为机架 瓦特型 瓦特I型 瓦特II型 A B D A F G C E C E B D 4 G F 3 2 1 5 4 6 G 6 5 3 4 2 1 F 2 1 E A B D C 3 5 6 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 瓦特型 A B D F G CE 6 5 3 4 2 1 1 2 3 4 5 6 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 瓦特型 A B D F G C E 6 5 3 4 2 1 1 2 3 4 5 6 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 斯蒂芬森型 假肢 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 八杆运动链 F G D C E 刮水器 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 A C E B D G F3 2 1 5 4 6 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 B D F G C E 6 5 3 4 2 1 扩大从动件摆角并改善传动性能 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 （2）改变构件的形状和尺寸用移动副代替转动副 用一个移动副置代转动副后，得到曲柄滑块机 构，杆3变成了滑块。被置代的转动副和置代出现 的移动副用P标出。 1.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合 B D F G C E 6 5 3 4