宁先雄机构的组成和结构

1、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 xyxoy0 x0o0 sx

2、sy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

3、。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

4、元素：圆柱副、球面副、球销副、螺旋副圆柱副、球面副、球销副、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、移动副，空间转动副、移动副，空间5级副。级副。（2）平面高副）平面高副：例如例如齿轮副、凸轮副，空间齿轮副、凸轮副，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。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。级副。1.1.3

5、 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

6、、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

7、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GB4460GB44608484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

8、动传动【例教师【例教师1-1】绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。绘制破碎机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。个约束。1个高副引入个高副引入 1 个约束。个约束。1.3

9、.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算F = = 1 33 24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= 34 - 25 - 0= 2 4 41 12 23 35 51 12 23 34 4F

10、=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: :运动不确运动不确定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

11、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】计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。【解解】n = 5 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =36= 35 - 26 - 0 1 12A15436EDCB1.复合铰链复合铰链(简称复铰简称复铰)若有若有 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 m1 个转动副。个

12、转动副。【例【例1-4】重新重新计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。【解解】n = 5 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =17= 35 - 27 - 0 2A15436EDCB12345678ACDEFB【例例1-7】计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。n = 7 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =110【解解】= 37 - 210 - 0 【解解】【例教师例教师1-5】计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。n = 3 PL = 3F = 3n - 2PL - PH =2PH = 1= 33 - 23 - 1 12432.局

13、部自由度局部自由度F = 32-22-1= 1 12431243【例教师【例教师1-6 】 计算火车轮机构的自由度计算火车轮机构的自由度【解解】n = 6PL =PH = 09F = 3n - 2PL - PH = 36 - 29 - 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)154326AGFEDCB7D4D3154326AGFECB7BFD15326AGEC74【解解】n = 5 PL = 7F = 3n - 2PL - PH =1P

14、H = 0= 35 - 27 - 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。 例如火车轮机构、椭圆仪

15、。例如火车轮机构、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 1

16、O 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

17、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】ACIBDEFGHJnPACIBDFGHJP【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 PL3n/2分类分类(1)级组级组(n=2，PL=3)PL3n/2(a)RRR(f)PRP(h)PPR(d)

18、RPR(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(e)(d)RPR(c)(b)RRPPL3n/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

19、）联接。PL3n/2（2） 级组级组(n=4，PL=6)级组基本型级组基本型级组其它型举例级组其它型举例中心构件中心构件PL3n/2级组基本型级组基本型级组其它型举例级组其它型举例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。PL3n/2（3）级组级组(n=4，PL=6)级组基本型级组基本型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

20、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