第2章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析1

1、第二章第二章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析21 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的22 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成23 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖24 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算25 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件26 自由度計(jì)算中的特殊問題自由度計(jì)算中的特殊問題 27 機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分類機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分類21 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的1.研究機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運(yùn)動的條件研究機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運(yùn)動的條件目的是2.按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類 不同的機(jī)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，把各種機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)不

2、同的機(jī)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，把各種機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)加以分類，其目的是按其分類加以分類，其目的是按其分類建立運(yùn)動分析和動力建立運(yùn)動分析和動力分析的一般方法分析的一般方法。3.繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 目的是為運(yùn)動分析和動力分析作準(zhǔn)備。目的是為運(yùn)動分析和動力分析作準(zhǔn)備。弄清機(jī)構(gòu)包含哪幾個(gè)部分弄清機(jī)構(gòu)包含哪幾個(gè)部分;各部分如何相聯(lián)？各部分如何相聯(lián)？ 以及怎樣的結(jié)構(gòu)才能保證具有確定的相對運(yùn)動？以及怎樣的結(jié)構(gòu)才能保證具有確定的相對運(yùn)動？ 這對于設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu)顯得尤其重要。4.研究機(jī)構(gòu)的組成原理研究機(jī)構(gòu)的組成原理 目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機(jī)構(gòu)能滿足運(yùn)動目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機(jī)構(gòu)能滿足運(yùn)動確定性的要求

3、。確定性的要求。機(jī)構(gòu)有簡有繁，構(gòu)件有多有少，而運(yùn)動確定是它們的共同特征。研究的名詞術(shù)語解釋名詞術(shù)語解釋:1.構(gòu)件構(gòu)件(Link) 獨(dú)立的運(yùn)動單元獨(dú)立的運(yùn)動單元 內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)中的連桿22 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成作者：潘存云教授內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)連桿連桿套筒套筒連桿體連桿體螺栓螺栓墊圈墊圈螺母螺母軸瓦軸瓦連桿蓋連桿蓋零件零件(part) 獨(dú)立的制造單元獨(dú)立的制造單元作者：潘存云教授2.運(yùn)動副運(yùn)動副a)兩個(gè)構(gòu)件、兩個(gè)構(gòu)件、b) 直接接觸、直接接觸、c) 有相對運(yùn)動有相對運(yùn)動運(yùn)動副元素直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）運(yùn)動副元素直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：例如：凸輪凸輪、齒輪齒廓齒輪齒廓、活塞與缸套活塞與缸套

4、等。等。定義：定義：運(yùn)動副運(yùn)動副兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運(yùn)動的聯(lián)接。生某些相對運(yùn)動的聯(lián)接。三個(gè)條件，缺一不可三個(gè)條件，缺一不可作者：潘存云教授運(yùn)動副的分類：運(yùn)動副的分類： 1)按引入的約束數(shù)分有：按引入的約束數(shù)分有： I級副級副II級副級副III級副級副I級副、級副、II級副、級副、III級副、級副、IV級副、級副、V級副。級副。 2)按相對運(yùn)動范圍分有：按相對運(yùn)動范圍分有： 平面運(yùn)動副平面運(yùn)動副平面運(yùn)動平面運(yùn)動(Plannar kinematic pair)IV級副級副例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關(guān)節(jié)。例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關(guān)節(jié)?？?/p>

5、間運(yùn)動副空間運(yùn)動副空間運(yùn)動空間運(yùn)動(Spatial kinematic pair )V級副級副1V級副級副2V級副級副3兩者關(guān)聯(lián) 3)按運(yùn)動副元素分有：按運(yùn)動副元素分有： 高副高副(high pair)點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。低副低副(lower pair)面接觸，應(yīng)力低。面接觸，應(yīng)力低。例如：例如：滾動滾動副副、凸輪副凸輪副、齒輪副齒輪副等。等。例如：例如：轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、（回轉(zhuǎn)副）、移動副移動副 。運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。閉式鏈閉式鏈(Close chain) 3. 運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈 (Kine

6、matic chain) 作者：潘存云教授開式鏈開式鏈(Open chain)若干若干若干若干1個(gè)或幾個(gè)個(gè)或幾個(gè)1個(gè)個(gè)4. 機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)定義定義：具有確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu) 。機(jī)架機(jī)架作為參考系的構(gòu)件作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車如機(jī)床床身、車輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)機(jī)架原動件從動件運(yùn)動副機(jī)架原動件從動件運(yùn)動副機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件經(jīng)運(yùn)動副聯(lián)接而成的，很顯然，機(jī)構(gòu)歸屬于運(yùn)動鏈，那么，運(yùn)動鏈在什么條件下就能稱為機(jī)構(gòu)呢？即各部分運(yùn)動確定。分別用四桿機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)模型演示得出如下結(jié)論：在運(yùn)動鏈中，如果以某一個(gè)構(gòu)件作為參考坐標(biāo)系，當(dāng)其中

7、另一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）構(gòu)件相對于該坐標(biāo)系按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時(shí)，其余所有的構(gòu)件都能得到確定的運(yùn)動，那么，該運(yùn)動鏈便成為機(jī)構(gòu)。 原（主）動件原（主）動件按給定運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件按給定運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件。從動件從動件其余可動構(gòu)件。其余可動構(gòu)件。平面機(jī)構(gòu)平面機(jī)構(gòu)全部由平面運(yùn)動副組成的機(jī)構(gòu)。全部由平面運(yùn)動副組成的機(jī)構(gòu)。空間機(jī)構(gòu)空間機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動平面不平行的機(jī)構(gòu)。構(gòu)件運(yùn)動平面不平行的機(jī)構(gòu)。某些空間機(jī)構(gòu) 平面機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副必定是平面運(yùn)動副，而僅有平面運(yùn)動副的機(jī)構(gòu)可能是空間機(jī)構(gòu). 萬向聯(lián)軸節(jié)僅含有轉(zhuǎn)動副，但該機(jī)構(gòu)是空間機(jī)構(gòu). 23 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1234567ABCDEFD554 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如下:2.2

8、.1 定義和目的 用來表達(dá)各構(gòu)件相對運(yùn)動的簡單的圖形. 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖是機(jī)械工程師的基本功.注意： (1)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 應(yīng)該是簡單的，但又能提供所有（但又不多余的）與構(gòu)件間相對運(yùn)動有關(guān)的信息.(2) 應(yīng)根據(jù)規(guī)定的符號. 應(yīng)按比例繪制。 僅僅考慮運(yùn)動學(xué)尺寸( kinematics dimensions)，即：與機(jī)構(gòu)運(yùn)動傳動有關(guān)的尺寸。 若不按比例，則稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動草圖( schematic diagram of the mechanism ). 孔的半徑不是運(yùn)動學(xué)尺寸! 連桿的橫截面形狀與尺寸都不是運(yùn)動學(xué)尺寸！ 孔間距是連桿唯一的運(yùn)動學(xué)尺寸.2.2.2 運(yùn)動副的表示方法(1)轉(zhuǎn)動副 (Revol

9、ute) ：1B12B2 不管半徑如何，用在圓心處的小圓表示 轉(zhuǎn)動副的半徑不是運(yùn)動學(xué)尺寸！固定鉸鏈 (Fixed pivot )XY121111122222122211 機(jī)架 (frame)表示法.1111122222122211(2)移動副 (Sliding pair) ：121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c) 移動副橫截面的形狀和尺寸與運(yùn)動傳遞無關(guān)，不是運(yùn)動學(xué)尺寸.(2)移動副 (Sliding pair) ：帶陰影線的構(gòu)件代表機(jī)架.12112121122122112121122

10、12112121122122112121122帶陰影線的構(gòu)件代表機(jī)架.注意：AAAAABBBBB1111122222(2)移動副中心線可平移。(3) 其中一構(gòu)件可畫成滑塊，另一構(gòu)件畫成導(dǎo)桿 。 以下五個(gè)簡圖是等價(jià)的。(1) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中的移動副中心線應(yīng)該與機(jī)構(gòu)實(shí)際導(dǎo)路平行，未必重合。 移動副中心線的方向不能改變ABBA12AB21 轉(zhuǎn)動副中心位置不能變動.ABBA12AB21(3) 齒輪副: 用兩個(gè)相切的點(diǎn)劃線圓表示它們的節(jié)圓。(4) 凸輪副： 畫出凸輪和從動件頂端的真實(shí)外形C a m D riv eIn n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n

11、is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv eC a m D riv eIn n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv eC a m D riv eIn n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n

12、is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv e2.2.3 構(gòu)件的表示法BAAB(a)(b)BAAB(a)(b) 構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)目的是使其上的各運(yùn)動副相對位置保持不變. 孔間距LAB 是連桿唯一的運(yùn)動學(xué)尺寸.雙副構(gòu)件 多副構(gòu)件： 圖a構(gòu)件的幾種表示法：ABCABC ABCABCABCC(a) 注意左右圖的區(qū)別：ABCABCABCBAC32211CABABC32211注意事項(xiàng)注意事項(xiàng):作者：潘存云教授 畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)

13、際外形，而只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)副的性質(zhì)。 某些常用機(jī)構(gòu)的表示法，見表 2-1.Electric MotorCone Gear DriveE l e c t r i c M o t o rC o n e G e a r D r i v e錐齒輪 (Cone gear)Chain DriveWorm and Worm Gear DriveChain DriveWorm and Worm Gear Drive 齒輪與齒條傳動Chain DriveWorm and Worm Gear Drive蝸桿 (Worm)蝸輪 (Worm gear) 傳動(棘輪機(jī)構(gòu))棘輪機(jī)構(gòu)凸輪傳動C a m D riv eIn

14、 n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv eC a m D riv eIn n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv eC a m D riv eIn

15、 n e r-m e s h e d R a tc h e t M e c h a n is mC y lin d ric a l G e a r D riv eO u te r-m e s h e d C y lin d ric a l G e a r D riv e內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動偏偏 心心 輪輪AB12BA212.2.4. 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的步驟:(1) 仔細(xì)研究。多少構(gòu)件？運(yùn)動副的種類和數(shù)目？(3) 先畫機(jī)架上的所有固定運(yùn)動副!(4) 從原動件開始，按照運(yùn)動傳遞路線，逐個(gè)繪制構(gòu)件。 (2) 選擇繪圖面。必要時(shí)，需加局部視圖。(5) 構(gòu)件用數(shù)字標(biāo)注，運(yùn)動副用英文大寫字

16、母標(biāo)注。(7) 僅測量所有運(yùn)動學(xué)尺寸.(8) 選擇合適的比例尺, 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖.(9) 計(jì)算并校核機(jī)構(gòu)的自由度. 一個(gè)構(gòu)件不管有多少個(gè)零件，都只能用一個(gè)序號。 屬于同一構(gòu)件的各零件之間應(yīng)該用焊接符號連接起來.Ex.1: 繪制內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖. 先畫機(jī)架上的所有固定運(yùn)動副 先畫原動件活塞. 畫連桿3. 畫曲柄4和小齒輪4。屬于同一構(gòu)件的各零件之間應(yīng)該用焊接符號連接起來. 畫大齒輪5、凸輪5、和凸輪5”. 畫進(jìn)氣閥門桿6 . 畫排氣閥門桿7. 一個(gè)構(gòu)件不管有多少個(gè)零件，都只能用一個(gè)序號。 1234567554 運(yùn)動副用英文大寫字母標(biāo)注。1234567ABCDEFD554 原動件加注箭頭12

17、34567ABCDEFD554 屬于同一構(gòu)件的各零件之間應(yīng)該用焊接符號連接起來.4D5A4E65C231D5B7FFig2-15Ex.2： 繪制圖示機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖BACD4DACB123123仔細(xì)觀察有2個(gè)固定轉(zhuǎn)動副和2個(gè)活動轉(zhuǎn)動副D23ACB1先畫固定運(yùn)動副D23ACB1先畫固定運(yùn)動副D23ACB1先畫固定運(yùn)動副D23ACB1畫原動件1D23ACB1畫原動件1D23ACB1畫構(gòu)件2D23ACB1畫構(gòu)件2D23ACB1畫構(gòu)件3D23ACB1原動件加注箭頭1234D23ACB14構(gòu)件用數(shù)字標(biāo)注1BA3CD4D23ACB142運(yùn)動副用英文大寫字母標(biāo)注曲柄-搖桿機(jī)構(gòu)Ex.323412233441

18、1圓盤2套在滑塊3的孔內(nèi)，滑塊3在圓盤4的槽中滑動，圓盤4相對于機(jī)架1轉(zhuǎn)動。仔細(xì)觀察 有兩個(gè)固定鉸鏈、一個(gè)活動鉸鏈、和一個(gè)移動副.23412341 畫機(jī)架1和原動件2之間的固定鉸鏈（畫法1）2341 畫機(jī)架1和原動件2之間的固定鉸鏈（畫法2）2341 畫機(jī)架1與構(gòu)件4之間的固定鉸鏈2341畫構(gòu)件2和3之間的活動鉸鏈.2341畫原動件 2.2341曲柄搖塊機(jī)構(gòu)2341曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)2341 原動件加注箭頭.234122334411構(gòu)件用數(shù)字標(biāo)注234122334411ABCBAC運(yùn)動副用英文大寫字母標(biāo)注。234122334411ABCBAC 注意C處搖塊的畫法。 導(dǎo)桿不要浮在搖塊的上面。曲柄搖

19、塊機(jī)構(gòu)(曲柄擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu))練 習(xí)手動沖床牛頭刨床壓 力 機(jī)24 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算作平面運(yùn)動的剛體在空間的位作平面運(yùn)動的剛體在空間的位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y, ）才能唯一確定。才能唯一確定。yx(x , y)F = 3單個(gè)自由構(gòu)件的自由度為單個(gè)自由構(gòu)件的自由度為 3 3自由構(gòu)自由構(gòu)件的自件的自由度數(shù)由度數(shù)運(yùn)動副運(yùn)動副 自由度數(shù)自由度數(shù) 約束數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)副 1（） + 2（x，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2結(jié)論：結(jié)論：構(gòu)件自由度構(gòu)件自由度3約束數(shù)約束數(shù)移動副移動副 1（x） + 2（y，

20、）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3經(jīng)運(yùn)動副相聯(lián)后，由于有約束，構(gòu)件自由度會有變化：經(jīng)運(yùn)動副相聯(lián)后，由于有約束，構(gòu)件自由度會有變化：自由構(gòu)件的自由度數(shù)約束數(shù)自由構(gòu)件的自由度數(shù)約束數(shù)作者：潘存云教授25 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件給定給定S S3 3S S3 3(t)(t)，一個(gè)獨(dú)立參數(shù)一個(gè)獨(dú)立參數(shù)1 11 1（t t）唯一確定，該機(jī)唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個(gè)構(gòu)僅需要一個(gè)獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)。參數(shù)。 若僅給定若僅給定1 11 1（t t）, ,則則2 2 3 3 4 4 均不能唯一確定。若同均不能唯一確定。若同時(shí)給定時(shí)給定1 1和和4 4 ，則，則3 3 2 2 能能唯

21、一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)參數(shù) 。4 4S3123S31 112341 1定義：定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時(shí)所必須給定的保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時(shí)所必須給定的 獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。 ( (Freedom)Freedom)原動件原動件能獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件。能獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件。 一個(gè)原動件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)一個(gè)原動件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為：機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件為：自由度原動件數(shù)自由度原動件數(shù)作者：潘存云教授給定給定S S3 3S S3 3(t)(t)，一個(gè)獨(dú)立參數(shù)一個(gè)獨(dú)立參數(shù)1 11 1（t t）唯一確定，該機(jī)唯

22、一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個(gè)構(gòu)僅需要一個(gè)獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)。參數(shù)。 若僅給定若僅給定1 11 1（t t）, ,則則2 2 3 3 4 4 均不能唯一確定。若同均不能唯一確定。若同時(shí)給定時(shí)給定1 1和和4 4 ，則，則3 3 2 2 能能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立獨(dú)立參數(shù)參數(shù) 。4 4S3123S31 112341 1一個(gè)獨(dú)立參數(shù)一個(gè)獨(dú)立參數(shù)兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)活動構(gòu)件數(shù)活動構(gòu)件數(shù) n 計(jì)算公式：計(jì)算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度構(gòu)件總自由度 低副約束數(shù)低副約束數(shù) 高副約束數(shù)高副約束數(shù) 3

23、n 2 PL1 Ph例題例題計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)解：活動構(gòu)件數(shù)n= 3低副數(shù)低副數(shù)PL= 4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數(shù)高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：推廣到一般： 例題例題計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動構(gòu)件數(shù)解：活動構(gòu)件數(shù)n= 4低副數(shù)低副數(shù)PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副數(shù)高副數(shù)PH=012341 1例題例題計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)解：活動構(gòu)件數(shù)n= 2低副數(shù)低副數(shù)PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副數(shù)高副數(shù)

24、PH=1123 當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度大于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)時(shí)，不能說機(jī)構(gòu)就無用。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動也不一定是毫無規(guī)律的亂動，而要受到最小阻力定律的支配，即:當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度大于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)將優(yōu)先沿著阻力最小的方向運(yùn)動。 以下是某同學(xué)制作的“爬樓梯機(jī)器人”，在2000年10月“挑戰(zhàn)杯” 湖北省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲獎(jiǎng)。該機(jī)器人只有一個(gè)電機(jī)，但該機(jī)采用的卻是雙自由度機(jī)構(gòu)。 DOF212H344 兩自由度剎車機(jī)構(gòu) DOF= 3N-2PL-Ph 123456ACDEFGH=36 -28 = 2 兩自由度的剎車機(jī)構(gòu)可使兩片剎車片均勻地抱緊在輪轂上，自動調(diào)節(jié)剎車片的均載，剎車效果比單一剎車片（或單自由度）的

25、更好。26 自由度計(jì)算中的特殊問題自由度計(jì)算中的特殊問題作者：潘存云教授12345678ABCDEF例題例題計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)解：活動構(gòu)件數(shù)n= 7低副數(shù)低副數(shù)PL=6F=3n 2PL PH 高副數(shù)高副數(shù)PH=0=37 26 0=9計(jì)算結(jié)果肯定不對！計(jì)算結(jié)果肯定不對！構(gòu)件數(shù)不會錯(cuò)，肯定是低副數(shù)目搞錯(cuò)了！1.復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈 兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。副相聯(lián)。計(jì)算：計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件個(gè)構(gòu)件, 有有m1轉(zhuǎn)動副。轉(zhuǎn)動副。兩個(gè)低副兩個(gè)低副上例：在上例：在B、C、D、E四處應(yīng)各有四處應(yīng)各有 2 個(gè)運(yùn)動副。個(gè)運(yùn)動副。例題

26、例題重新計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。重新計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)低副數(shù)PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明：可以證明：F點(diǎn)的軌跡為一直線。點(diǎn)的軌跡為一直線。12345678ABCDEF作者：潘存云教授圓盤鋸機(jī)構(gòu)圓盤鋸機(jī)構(gòu)計(jì)算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。計(jì)算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：解：n=3， PL=3，F(xiàn)=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1對于右邊的機(jī)構(gòu)，有：對于右邊的機(jī)構(gòu)，有： F=32 22 1=1事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動相同，且事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動相同，且F=11231232.局部自由度局部自由度

27、F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 FP=1或計(jì)算時(shí)去掉滾子和鉸鏈：或計(jì)算時(shí)去掉滾子和鉸鏈： F=32 22 1 =1定義：定義：構(gòu)件局部運(yùn)動所產(chǎn)生的自由度。構(gòu)件局部運(yùn)動所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉Fp。滾子的作用：滑動摩擦滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。滾動摩擦。123123作者：潘存云教授解：解：n=4， PL=6，F(xiàn)=3n 2PL PH =34 26 =0PH=03.虛約束虛約束( formal constraint)對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實(shí)際不起作用的約束。對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實(shí)際不起作用的約束。

28、計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束。 FEAB CD ，故增加構(gòu)件故增加構(gòu)件4前后前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧，。點(diǎn)的軌跡都是圓弧，。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。已知：已知：ABCDEF，計(jì)算圖示平行四邊形，計(jì)算圖示平行四邊形 機(jī)構(gòu)的自由度。機(jī)構(gòu)的自由度。 1234ABCDEF作者：潘存云教授重新計(jì)算：重新計(jì)算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：1234ABCDEF4F已知：已知：ABCDEF，計(jì)算圖示平行四邊形，計(jì)算圖示平行四邊形 機(jī)

29、構(gòu)的自由度。機(jī)構(gòu)的自由度。 ABCDEF虛約束虛約束作者：潘存云教授出現(xiàn)虛約束的場合：出現(xiàn)虛約束的場合： 1.兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，2.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動副，且兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動副，且導(dǎo)路平行。導(dǎo)路平行。 如如平行四邊形機(jī)構(gòu)平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪火車輪橢圓儀橢圓儀等。等。(需要證明)作者：潘存云教授4.運(yùn)動時(shí)，兩構(gòu)件上的運(yùn)動時(shí)，兩構(gòu)件上的兩點(diǎn)距離始終不變。兩點(diǎn)距離始終不變。3.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動副，兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動副，且同軸。且同軸。5.對運(yùn)動不起作用的對對運(yùn)動不起作用的對稱部分。如多個(gè)行星輪。稱部分。如多個(gè)行星輪。EF作者：潘存云教授作者：潘存

30、云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授6.兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如如等寬凸輪等寬凸輪W注意：注意：法線不重合時(shí)，法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！變成實(shí)際約束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA 虛約束的引入，一般是為了改善機(jī)構(gòu)受力，增大傳遞功率虛約束的引入，一般是為了改善機(jī)構(gòu)受力，增大傳遞功率 或者其它特殊需求；或者其它特殊需求； 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，不考慮虛約束的作用；計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，不考慮虛約束的作用； 虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結(jié)構(gòu)條件，如果虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結(jié)構(gòu)條件，如果 這些條件被破壞，將轉(zhuǎn)化了實(shí)

31、約束，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動；這些條件被破壞，將轉(zhuǎn)化了實(shí)約束，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動； 虛約束問題小結(jié)：虛約束問題小結(jié)： 機(jī)械設(shè)計(jì)中如果需要采用虛約束，必須保證設(shè)計(jì)、加工、裝機(jī)械設(shè)計(jì)中如果需要采用虛約束，必須保證設(shè)計(jì)、加工、裝 配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。CDABGFoEE計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置位置C ，2個(gè)個(gè)低副低副復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈:局部自由度局部自由度 1個(gè)個(gè)虛約束虛約束En= 7PL = 9PH =1F=3n 2PL PH =37 29 1 =2CDABGFoE(1) C is a compound hinge of links

32、4、5、7.1234567ABCDEF(2) A is a compound hinge of links 1、2、7. (3) The roller has a passive DOF. After the roller is welded with the link 6, there is still a revolute pair between links 5 and 6. DOF=3n-2PL-Ph=36 -28-1=1Ex.3：AB EC FD. Calculate the DOF of the mechanism.ABCDEFGHKABCDEFGHKLink EC, revolu

33、te E, and revolute C create a redundant constraint.Link EC, revolute E, and revolute C create a redundant constraint. 6 moving links remains.ABCDEFGHK1234567 D is a compound hinge of links 2, 3, 4.ABCDEFGHK1234567 The roller has a passive DOF. There is only one higher pair between links 4 and 5.ABCD

34、EFGHK1234567 There is only one higher pair between cam 6 and link 5.ABCDEFGHK1234567DOF=3n-2PL-PhABCDEFGHK1234567 Needs two drivers.=36 -27 -2=2.構(gòu)件構(gòu)件 + 運(yùn)動副運(yùn)動副 機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)機(jī)架機(jī)架原動件原動件從動件組合從動件組合F = 027 機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分類機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分類一、機(jī)構(gòu)的組成原理一、機(jī)構(gòu)的組成原理 a)原動件作移動原動件作移動 (如直線電機(jī)、如直線電機(jī)、 流體壓力作動筒流體壓力作動筒)。21 b)原動件作轉(zhuǎn)動原動件作轉(zhuǎn)動 (

35、如電動機(jī)如電動機(jī))。211.1.基本機(jī)構(gòu)基本機(jī)構(gòu) 由一個(gè)原動件和一個(gè)機(jī)架組成的雙桿機(jī)構(gòu)。由一個(gè)原動件和一個(gè)機(jī)架組成的雙桿機(jī)構(gòu)。2.2.基本桿組基本桿組定義：定義：最簡單的不可再拆的自由度為零的構(gòu)件組，簡稱最簡單的不可再拆的自由度為零的構(gòu)件組，簡稱為基本桿組。為基本桿組。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是原動件數(shù)自由度原動件數(shù)自由度。F=1F=0現(xiàn)設(shè)想將機(jī)構(gòu)中的原動件和機(jī)架斷開，則原動件與機(jī)架現(xiàn)設(shè)想將機(jī)構(gòu)中的原動件和機(jī)架斷開，則原動件與機(jī)架構(gòu)成了基本機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成了基本機(jī)構(gòu)，其F1。剩下的構(gòu)件組必有。剩下的構(gòu)件組必有F0。將。將構(gòu)件組繼續(xù)拆分成更簡單構(gòu)件組繼續(xù)拆分成更簡單F0的構(gòu)件組

36、，直到不能再拆的構(gòu)件組，直到不能再拆為止。為止。推論：推論：任何一個(gè)平面機(jī)構(gòu)都可以認(rèn)為是在基本機(jī)構(gòu)的任何一個(gè)平面機(jī)構(gòu)都可以認(rèn)為是在基本機(jī)構(gòu)的 基礎(chǔ)上，依次添加若干個(gè)桿組所形成的。基礎(chǔ)上，依次添加若干個(gè)桿組所形成的。機(jī)構(gòu)的組成原理：機(jī)構(gòu)的組成原理： 機(jī)構(gòu)基本機(jī)構(gòu)基本桿組機(jī)構(gòu)基本機(jī)構(gòu)基本桿組二、結(jié)構(gòu)分類二、結(jié)構(gòu)分類設(shè)基本桿組中有設(shè)基本桿組中有n個(gè)構(gòu)件，則由條件個(gè)構(gòu)件，則由條件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副機(jī)構(gòu)中低副機(jī)構(gòu)中Ph0 ) PL 為整數(shù)，為整數(shù)， n n只能取偶數(shù)。只能取偶數(shù)。 n n 2 4 n42 4 n4 已無實(shí)例了已無實(shí)例了! ! PL 3 6 n=2 的桿

37、組稱為的桿組稱為級組應(yīng)用最廣而又最簡單級組應(yīng)用最廣而又最簡單的基本桿組。共有的基本桿組。共有 5 5 種類型種類型典型典型級組：級組：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：個(gè)雙副構(gòu)件。個(gè)雙副構(gòu)件。ABCABCABCABCABC n=4 （PL6 6）的桿組有以下四種類型的桿組有以下四種類型: :以上形式稱為以上形式稱為級組級組。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一個(gè)三副構(gòu)件一個(gè)三副構(gòu)件 3 3個(gè)雙副構(gòu)件。個(gè)雙副構(gòu)件。個(gè)個(gè)第四種形式稱為第四種形式稱為IVIV級組級組。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 有兩個(gè)三副桿，且有兩個(gè)三副桿，且4個(gè)構(gòu)件構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)。個(gè)構(gòu)件構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)。內(nèi)端副內(nèi)端副桿組內(nèi)部相聯(lián)。桿組內(nèi)部相聯(lián)。外端副外端副與組外構(gòu)件

38、相聯(lián)。與組外構(gòu)件相聯(lián)。機(jī)構(gòu)命名方式：機(jī)構(gòu)命名方式：按所含最高桿組級別命名，如按所含最高桿組級別命名，如級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)，級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)等。等。必須強(qiáng)調(diào)指出：必須強(qiáng)調(diào)指出： 1.桿組的各個(gè)外端副不可以同時(shí)加在同一個(gè)構(gòu)件上，桿組的各個(gè)外端副不可以同時(shí)加在同一個(gè)構(gòu)件上，否則將成為剛體。如：否則將成為剛體。如： 2. 2.機(jī)構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。機(jī)構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。舉例：舉例：將圖示八桿機(jī)構(gòu)拆分成基本機(jī)構(gòu)和基本桿組。將圖示八桿機(jī)構(gòu)拆分成基本機(jī)構(gòu)和基本桿組。71324568以構(gòu)件以構(gòu)件1 1為原動件為原動件級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)或或級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)級機(jī)構(gòu)71324568作者：潘存云教授拆分方法：拆分方

39、法：一般是從離原動件最遠(yuǎn)的構(gòu)件開始拆分桿一般是從離原動件最遠(yuǎn)的構(gòu)件開始拆分桿組。先試拆組。先試拆級桿組，若無法拆卸，再試拆級桿組，若無法拆卸，再試拆級桿組、級桿組、 IVIV級桿組。級桿組。拆分原則：拆分原則： 首先，從遠(yuǎn)離原動件的部分開始拆分；首先，從遠(yuǎn)離原動件的部分開始拆分； 試拆時(shí)，先試拆低級別桿組；試拆時(shí)，先試拆低級別桿組； 每拆完一個(gè)桿組，剩余的部分仍然是一個(gè)完整機(jī)構(gòu)。每拆完一個(gè)桿組，剩余的部分仍然是一個(gè)完整機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)的組成： 在機(jī)架和原動件上每增加一個(gè)基本桿組，并不改變原來的在機(jī)架和原動件上每增加一個(gè)基本桿組，并不改變原來的 自由度，每次增加都可以獲得一個(gè)新機(jī)構(gòu)；自由度

40、，每次增加都可以獲得一個(gè)新機(jī)構(gòu)； 設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)時(shí)，在滿足相同工作要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié)設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)時(shí)，在滿足相同工作要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)越簡單越好，桿組級別越低越好，運(yùn)動副數(shù)目越少越好。構(gòu)越簡單越好，桿組級別越低越好，運(yùn)動副數(shù)目越少越好。 F = 3n - 2P P拆桿組的拆桿組的意義意義: :桿組的種類較少；桿組的種類較少； 桿組有桿組有運(yùn)動確定性運(yùn)動確定性. . 我們可預(yù)先編寫一些常用桿組的運(yùn)動分我們可預(yù)先編寫一些常用桿組的運(yùn)動分析子程序。這樣，多桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析就簡化為析子程序。這樣，多桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析就簡化為簡單的兩步：簡單的兩步：(1) (1) 拆桿組拆桿組(2) (2) 編寫主程序，

41、根據(jù)桿組的裝配順序和種類，依編寫主程序，根據(jù)桿組的裝配順序和種類，依次調(diào)用相應(yīng)的桿組運(yùn)動分析子程序次調(diào)用相應(yīng)的桿組運(yùn)動分析子程序 Ex.1. 對下圖機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（拆桿組）。(1) 機(jī)架 6 和原動件 1組成基本機(jī)構(gòu).ACF1BEG2345(2) 構(gòu)件3和2組成第一個(gè)II級桿組。 在該桿組中，轉(zhuǎn)動副A是內(nèi)副，轉(zhuǎn)動副D和轉(zhuǎn)動副B是外副。當(dāng)此桿組通過外副D和B連接到運(yùn)動已知構(gòu)件ED和機(jī)架后，構(gòu)件3和2就有確定的運(yùn)動，當(dāng)然C點(diǎn)也就有確定的運(yùn)動。A1BE23C(3)構(gòu)件 4和5組成第二個(gè)II級桿組。 在該桿組中，移動副C是內(nèi)副，轉(zhuǎn)動副C和轉(zhuǎn)動副F是外副。ACF1BEG2345 注意：轉(zhuǎn)動副C不是第一個(gè)桿組的外副。 第二個(gè)桿組通過轉(zhuǎn)動副C和轉(zhuǎn)動副F連接到運(yùn)動已確定的構(gòu)件3和機(jī)架上。第2 個(gè)桿組第1 個(gè)桿組R R RR P R種類構(gòu)件序號2 , 34 , 5A移動副C4 - 5內(nèi)副F , 轉(zhuǎn)動副CB , D外副3 - 5注意：在容易混淆的地方，應(yīng)加注下標(biāo).ACF1BEG2345Ex.2. 拆桿組： (a) 如果構(gòu)件 1是原動件 (b)如果構(gòu)件 5是原動件 1254ABCDEF6(a)如果構(gòu)件 1是原動件 , 那