机构的组成和结构

第1章机构的组成和结构1.1机构的组成1.2机构运动简图1.3机构具有确定运动的条件1.4机构的组成原理和结构分析机构：具有确定运动的实物组合体

运动链具有确定的相对运动机构桁架运动链相对运动不确定无相对运动1.3运动链成为机构的条件

运动链的自由度：确定运动链中各构件相对与其中某一构件的位置所需要的独立参变量的数目。

运动链的自由度

F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1机架1F=0活动构件

2F=6K级运动副F=6-kn为活动构件数目，Pk

表示k级副的数目自动驾驶仪操作装置1.3.1运动链的自由度计算2314构件数目：N=4活动构件数目：n=3运动副：机架1和活塞2：圆柱副（4级副）活塞2和连杆3：转动副（5级副）连杆3和摇杆4：球面副（3级副）摇杆4和机架1：转动副（5级副）P3=1P4=1P5=22314F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1

=

6×3－5×2－4×1－3×1=1P3=1P4=1P5=2n=32314公共约束作用下的运动链自由度平面运动链自由度

平面运动链的自由度

F=3n-2P5-P4q=3n为活动构件数目平面运动链中只有4级副和5级副（转动副、移动副和平面高副）例：计算平面运动链自由度12345P4=1P5=5n=4F

=3×4–2×5–1=11.3.2运动链成为机构的条件运动链的自由度F=?运动链的运动情况如何?

Fa=3×2-2×3=0

Fb=3×3-2×5=-1F0运动链不能运动，不成为机构

F

=3×4-2×5=21个原动件F>0，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。

F

=3×3-2×4=12个原动件F>0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。运动链成为机构的条件：

运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链

相对于机架的自由度必须大于零，且原动件数目

等于运动链自由度数。满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的

计算可采用运动链自由度的计算公式。“机构”的定义：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。F=

11

个原动件：活塞实现摇杆的往复摆动1.3.3计算机构自由度时应注意的问题

问题1：复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。解决方案k

个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了(k-1)个转动副。

F

=3×5-2×7=1解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度

问题2：局部自由度某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。

问题3：虚约束

在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。场合一：两个构件之间形成多个运动副

F

=3×1-2×2=-1

解决方案计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为两个构件之间只形成一个运动副

F

=3×1-2×1=1两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副等宽凸轮机构等径凸轮机构场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变5EF

F

=3×1-2×2=-1ABCDAFDE点E、F距离在运动过程中始终不变

杆式联轴器ABAB=BC=BD<DAC=90°除

B、C、D点，各点轨迹为一椭圆D点轨迹是沿Y轴的直线场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合

F

=3×1-2×2=-1场合四：机构中存在不起作用的对称部分为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分

虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率或者其它特殊需求；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；虚约束问题小结：

机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确保满足虚约束存在的条件。例：计算大筛机构自由度复合铰链？局部自由度？虚约束？n

=7

P4=1P5=9F

=3×7-2×9–1=2构件+运动副运动链机构1.4机构的组成原理和结构分析

机架原动件从动件组合F=0基本杆组：最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，简称为杆组。

平面低副运动链自由度

F=3n-2P5

基本杆组F=0P5=n32n

=2P5=3Ⅱ级杆组（双杆组）n

=4P5=6Ⅲ级杆组三副构件3个双副构件n

=2P5=3Ⅱ级杆组（双杆组）n

=4P5=6Ⅲ级杆组1.4.1机构的组成原理

任何机构都可以看作是若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和机架上而构成的，机构的自由度等于原动件的数目，这就是机构的组成原理。构件+运动副运动链机构机架原动件若干基本杆组机架和原动件Ⅱ级杆组Ⅲ级杆组四杆机构八杆机构机构的组成：

在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的自由度，每次增加都可以获得一个新机构；

设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。

F=3n-2P5–P41.4.2机构的结构分析

机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。机构的结构分析原则：

首先，从远离原动件的部分开始拆分；试拆时，先试拆低级别杆组；每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构。I级机构II级机构III级机构机构的命名：以机构中所包含的基本杆组的最高级别原动件不同，机构的级别也有可能不同123456781.4.3平面机构的高副低代

根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为高副低代。条件一：代替前后机构的自由度不变

F

=3×1-2×2=-1条件二