第1章機構的結構分析

1、第一章第一章 平面機構的結構分析平面機構的結構分析1 11 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的12 機構的組成機構的組成13 機構運動簡圖機構運動簡圖14 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件15 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算16 自由度計算中的特殊問題自由度計算中的特殊問題 17 機構的組成原理及其結構分類機構的組成原理及其結構分類11 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的1.研究機構的組成及其具有確定運動的條件研究機構的組成及其具有確定運動的條件目的是2.按結構特點對機構進行分類按結構特點對機構進行分類 不同的機構都有各自的特點，把各種機構按結

2、構不同的機構都有各自的特點，把各種機構按結構加以分類，其目的是按其分類加以分類，其目的是按其分類建立運動分析和動力建立運動分析和動力分析的一般方法分析的一般方法。3.繪制機構運動簡圖繪制機構運動簡圖 目的是為運動分析和動力分析作準備。目的是為運動分析和動力分析作準備。弄清機構包含哪幾個部分弄清機構包含哪幾個部分;各部分如何相聯？各部分如何相聯？ 以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？ 這對于設計新的機構顯得尤其重要。4.研究機構的組成原理研究機構的組成原理 目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機構能滿足運目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機構能滿足運動確定性的要

3、求。動確定性的要求。機構有簡有繁，構件有多有少，而運動確定是它們的共同特征。研究的12 機構的組成機構的組成構成機構的基本要素是：構成機構的基本要素是：構件、運動副、運動鏈構件、運動副、運動鏈名詞術語解釋名詞術語解釋:1.構件構件(Link) 獨立的運動單元獨立的運動單元 內燃機內燃機中的連桿12 機構的組成機構的組成作者：潘存云教授內燃機內燃機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) 獨立的制造單元獨立的制造單元作者：潘存云教授2.運動副運動副a)兩個構件、兩個構件、b) 直接接觸、直接接觸、c) 有相對運動有相對運動運動副元素直接接觸的部

4、分（點、線、面）運動副元素直接接觸的部分（點、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等。等。定義：定義：運動副兩個構件直接接觸組成的仍能產運動副兩個構件直接接觸組成的仍能產生某些相對運動的聯接。生某些相對運動的聯接。三個條件，缺一不可三個條件，缺一不可作者：潘存云教授作者：潘存云教授運動副的分類：運動副的分類： 1)按引入的約束數分有：按引入的約束數分有： 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)按相對運動范圍分有：按相對運動范圍分有： 平面運動副平面運動副平面運動平面運動(Plann

5、ar kinematic pair)平面機構平面機構全部由平面運動副組成的機構。全部由平面運動副組成的機構。IV級副級副例如：例如：球鉸鏈球鉸鏈、拉桿天線、拉桿天線、螺旋螺旋、生物關節(jié)。、生物關節(jié)?？臻g運動副空間運動副空間運動空間運動(Spatial kinematic pair )V級副級副1V級副級副2V級副級副3兩者關聯空間機構空間機構至少含有一個空間運動副的機構。至少含有一個空間運動副的機構。 3)按運動副元素分有：按運動副元素分有： 高副高副(high pair)點、線接觸，應力高。點、線接觸，應力高。低副低副(lower pair)面接觸，應力低。面接觸，應力低。例如：例如：滾動滾

6、動副副、凸輪副凸輪副、齒輪副齒輪副等。等。例如：例如：轉動副轉動副（回轉副）、（回轉副）、移動副移動副 。常見運動副符號的表示常見運動副符號的表示: 國標國標GB446084常用運動副的符號常用運動副的符號運動副運動副名稱名稱運動副符號運動副符號兩運動構件構成的運動副兩運動構件構成的運動副轉轉動動副副移移動動副副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副兩構件之一為固定時的運動副122121平平面面運運動動副副平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球銷銷副副121212空空間間運運動動副副121212構件的表示方法構件的表示方

7、法:一般構件的表示方法一般構件的表示方法 桿、軸構件桿、軸構件固定構件固定構件同一構件同一構件三副構件三副構件 兩副構件兩副構件 一般構件的表示方法一般構件的表示方法 運動鏈兩個以上的構件通過運動副運動鏈兩個以上的構件通過運動副的聯接而構成的系統。的聯接而構成的系統。注意事項注意事項:作者：潘存云教授 畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質副的性質。閉式鏈閉式鏈(Close chain) 3. 運動鏈運動鏈 (Kinematic chain) 作者：潘存云教授開式鏈開式鏈(Open chain)若干若干1個或幾個個或幾個1個個4. 機構機構

8、定義定義：具有確定運動的運動鏈稱為機構具有確定運動的運動鏈稱為機構 。機架機架作為參考系的構件作為參考系的構件，如機床床身、車輛如機床床身、車輛底盤、飛機機身。底盤、飛機機身。機構的組成：機構的組成：機構機構機架原動件從動件機架原動件從動件機構是由若干構件經運動副聯接而成的，很顯然，機構歸屬于運動鏈，那么，運動鏈在什么條件下就能稱為機構呢？即各部分運動確定。分別用四桿機構和五桿機構模型演示得出如下結論：在運動鏈中，如果以某一個構件作為參考坐標系，當其中另一個（或少數幾個）構件相對于該坐標系按給定的運動規(guī)律運動時，其余所有的構件都能得到確定的運動，那么，該運動鏈便成為機構。 原（主）動件原（主）

9、動件按給定運動規(guī)律運動的構件按給定運動規(guī)律運動的構件。從動件從動件其余可動構件。其余可動構件。12 平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖機構運動簡圖機構運動簡圖用以說明機構中各構件之間的相對用以說明機構中各構件之間的相對 運動關系的簡單圖形。運動關系的簡單圖形。作用：作用： 1.表示機構的結構和運動情況。表示機構的結構和運動情況。機構示意圖不按比例繪制的簡圖機構示意圖不按比例繪制的簡圖現摘錄了部分現摘錄了部分GB446084機構示意圖如下表機構示意圖如下表。2.作為運動分析和動力分析的依據。作為運動分析和動力分析的依據。常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號 在在機機架架上上的的電電機機齒齒輪輪

10、齒齒條條傳傳動動帶帶傳傳動動圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動鏈鏈傳傳動動圓柱圓柱蝸桿蝸桿蝸輪蝸輪傳動傳動凸凸輪輪傳傳動動外嚙外嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動機構運動簡圖機構運動簡圖應滿足的應滿足的條件條件： 1.構件數目與實際相同構件數目與實際相同 2.運動副的性質、數目與實際相符運動副的性質、數目與實際相符 3.運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構 成比例。成比例。棘棘輪輪機機構構內嚙內嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動繪制機構運動簡圖繪制機構運動簡圖順口溜：順口溜：先兩頭，后中間，先兩頭，后中間， 從頭至尾走一遍，從頭至尾走一遍， 數數構件是多少，數數構

11、件是多少， 再看它們怎相聯。再看它們怎相聯。思路：思路：先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端），弄清運動傳遞路線，確定構件數目及運路末端），弄清運動傳遞路線，確定構件數目及運動副的類型，并用符號表示出來。動副的類型，并用符號表示出來。例例1破碎機運動簡圖的繪制過程破碎機運動簡圖的繪制過程1） 搞清機構的組成。搞清機構的組成。 2） 找出運動副。找出運動副。 3） 確定比例。確定比例。 4） 確定構件的長度。確定構件的長度。 5） 在一般工作位置，畫在一般工作位置，畫出運動副相對位置及構件，出運動副相對位置及構件，并標出原動件。并標出原動件。 ABC

12、DADBC作者：潘存云教授1234繪制圖示繪制圖示偏心泵偏心泵的運動簡圖的運動簡圖偏心泵偏心泵你能作出下列機構運動簡圖嗎？你能作出下列機構運動簡圖嗎？作者：潘存云教授1 14 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件給定給定S S3 3S S3 3(t)(t)，一個獨立參數一個獨立參數1 11 1（t t）唯一確定，該機唯一確定，該機構僅需要一個獨立參數。構僅需要一個獨立參數。 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。若同時給定時給定1 1和和4 4 ，則，則3 3 2 2 能能唯一確定，該機構需要兩個獨立唯一確定，該機構

13、需要兩個獨立參數參數 。4 4S3123S31 112341 1定義：定義：保證機構具有確定運動時所必須給定的保證機構具有確定運動時所必須給定的 獨立運動參數稱為機構的自由度獨立運動參數稱為機構的自由度。 ( (Freedom)Freedom)原動件原動件能獨立運動的構件。能獨立運動的構件。 一個原動件只能提供一個獨立參數一個原動件只能提供一個獨立參數機構具有確定運動的條件為：機構具有確定運動的條件為：自由度原動件數自由度原動件數1 15 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算作平面運動的剛體在空間的位作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數置需要三個獨立的參數（x，y, ）才能唯一確

14、定。才能唯一確定。yx(x , y)F = 3單個自由構件的自由度為單個自由構件的自由度為 3 3自由構自由構件的自件的自由度數由度數運動副運動副 自由度數自由度數 約束數約束數回轉副回轉副 1（） + 2（x，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2結論：結論：構件自由度構件自由度3約束數約束數移動副移動副 1（x） + 2（y，）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3經經運動副運動副相聯后，由于有約束，構件自由度會有變化：相聯后，由于有約束，構件自由度會有變化：自由構件的自由度數約束數自由構件的自由度數約束數活動構件數活動構件數 n

15、 計算公式：計算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：要求：記住上述公式，并能熟練應用。記住上述公式，并能熟練應用。構件總自由度構件總自由度 低副約束數低副約束數 高副約束數高副約束數 3n 2 PL1 Ph例題例題計算計算曲柄滑塊機構曲柄滑塊機構的自由度。的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n= 3低副數低副數PL= 4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數高副數PH=0S3123推廣到一般：推廣到一般： 例題例題計算計算五桿鉸鏈機構五桿鉸鏈機構的自由度的自由度解：活動構件數解：活動構件數n= 4低副數低副數PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副數高副數P

16、H=012341 1例題例題計算圖示凸輪機構的自由度。計算圖示凸輪機構的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n= 2低副數低副數PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副數高副數PH=11231 16 自由度計算中的特殊問題自由度計算中的特殊問題作者：潘存云教授12345678ABCDEF例題例題計算圖示計算圖示圓盤鋸機構圓盤鋸機構的自由度。的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n= 7低副數低副數PL=6F=3n 2PL PH 高副數高副數PH=0=37 26 0=9計算結果肯定不對！計算結果肯定不對！構件數不會錯，肯定是低副數目搞錯了！1.復合鉸鏈復合鉸鏈 兩個以上的構件在同

17、一處以轉動兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯。副相聯。計算：計算：m個構件個構件, 有有m1轉動副。轉動副。兩個低副兩個低副上例：在上例：在B、C、D、E四處應各有四處應各有 2 個運動副。個運動副。例題例題重新計算圖示圓盤鋸機構的自由度。重新計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解：活動構件數解：活動構件數n=7低副數低副數PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明：可以證明：F點的軌跡為一直線。點的軌跡為一直線。12345678ABCDEF作者：潘存云教授圓盤鋸機構圓盤鋸機構計算圖示兩種凸輪機構的自由度。計算圖示兩種凸輪機構的自由度。解：解：n=3， PL=3，F=3n 2PL

18、 PH =33 23 1 =2PH=1對于右邊的機構，有：對于右邊的機構，有： F=32 22 1=1事實上，兩個機構的運動相同，且事實上，兩個機構的運動相同，且F=11231232.局部自由度局部自由度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或計算時去掉滾子和鉸鏈：或計算時去掉滾子和鉸鏈： F=32 22 1 =1定義：定義：構件局部運動所產生的自由度。構件局部運動所產生的自由度。出現在加裝滾子的場合，出現在加裝滾子的場合，計算時應去掉計算時應去掉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

19、云教授解：解：n=4， PL=6，F=3n 2PL PH =34 26 =0PH=03.虛約束虛約束( formal constraint)對機構的運動實際不起作用的約束。對機構的運動實際不起作用的約束。計算自由度時應去掉虛約束。計算自由度時應去掉虛約束。 FEAB CD ，故增加構件，故增加構件4前后前后E點的軌跡都是圓弧，。點的軌跡都是圓弧，。增加的約束不起作用，應去掉構件增加的約束不起作用，應去掉構件4。已知：已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 1234ABCDEF作者：潘存云教授重新計算：重新計算：n=3, PL=4, PH=0F=

20、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，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 ABCDEF虛約束虛約束作者：潘存云教授出現虛約束的場合：出現虛約束的場合： 1.兩構件聯接前后，聯接點的軌跡重合，兩構件聯接前后，聯接點的軌跡重合，2.兩構件構成多個移動副，且兩構件構成多個移動副，且導路平行。導路平行。 如如平行四邊形機構平行四邊形機構，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.運動時，兩構件上的運動時，兩構件上的兩點距離始

21、終不變。兩點距離始終不變。3.兩構件構成多個轉動副，兩構件構成多個轉動副，且同軸。且同軸。5.對運動不起作用的對對運動不起作用的對稱部分。如稱部分。如多個行星輪多個行星輪。EF作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授6.兩構件構成高副，兩處接觸，且法線重合。兩構件構成高副，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，法線不重合時，變成實際約束！變成實際約束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA虛約束的作用：虛約束的作用：改善構件的受力情況，如多個行星輪。改善構件的受力情況，如多個行星輪。增加機構的剛度，如軸與軸承、機床導軌。增加機構的剛度，

22、如軸與軸承、機床導軌。使機構運動順利，避免運動不確定，如車輪。使機構運動順利，避免運動不確定，如車輪。注意：注意：各種出現虛約束的場合都是有條件的各種出現虛約束的場合都是有條件的 !作者：潘存云教授作者：潘存云教授B2I9C 3A1J6H87DE4FG5計算圖示包裝機送紙機構的自由度。計算圖示包裝機送紙機構的自由度。分析：分析：活動構件數活動構件數n：A1B2I9C 3J6H87DE4FG592個個低副低副復合鉸鏈復合鉸鏈:局部自由度局部自由度 2個個虛約束虛約束: 1處處I8去掉局部自由度去掉局部自由度和虛約束后：和虛約束后： n =6PL = 7F=3n 2PL PH =36 27 3 =

23、1PH =317 機構的組成原理及其結構分類機構的組成原理及其結構分類一、機構的組成原理一、機構的組成原理 a)原動件作移動原動件作移動 (如直線電機、如直線電機、 流體壓力作動筒流體壓力作動筒)。21 b)原動件作轉動原動件作轉動 (如電動機如電動機)。211.1.基本機構基本機構 由一個原動件和一個機架組成的雙桿機構。由一個原動件和一個機架組成的雙桿機構。2.2.基本桿組基本桿組定義：定義：最簡單的最簡單的F0的構件組，稱為基本桿組。的構件組，稱為基本桿組。機構具有確定運動的條件是機構具有確定運動的條件是原動件數自由度原動件數自由度。F=1F=0現設想將機構中的原動件和機架斷開，則原動件與

24、機架現設想將機構中的原動件和機架斷開，則原動件與機架構成了基本機構，其構成了基本機構，其F1。剩下的構件組必有。剩下的構件組必有F0。將。將構件組繼續(xù)拆分成更簡單構件組繼續(xù)拆分成更簡單F0的構件組，直到不能再拆的構件組，直到不能再拆為止。為止。舉例：舉例：將圖示六桿機構拆分成基本機構和基本桿將圖示六桿機構拆分成基本機構和基本桿組。組。F=3x4-2x6=0但不是最簡單的但不是最簡單的F0的運動鏈！的運動鏈！F3x2-2x3=0F3x2-2x3=0F=0的不可再拆分的最簡的不可再拆分的最簡單的運動鏈基本桿組單的運動鏈基本桿組該機構由兩個基本桿組和原動件、機架組成該機構由兩個基本桿組和原動件、機架

25、組成推論：推論：任何一個平面機構都可以認為是在基本機構的任何一個平面機構都可以認為是在基本機構的 基礎上，依次添加若干個桿組所形成的?；A上，依次添加若干個桿組所形成的。機構的組成原理：機構的組成原理： 機構基本機構基本桿組機構基本機構基本桿組結論：結論：該機構包含一個基本機構和兩個基本桿組，換該機構包含一個基本機構和兩個基本桿組，換 句話說，將兩個基本桿組添加到基本機構上，句話說，將兩個基本桿組添加到基本機構上， 構成了該六桿機構。構成了該六桿機構。二、結構分類二、結構分類設基本桿組中有設基本桿組中有n個構件，則由條件個構件，則由條件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副機構

26、中低副機構中Ph0 ) PL 為整數，為整數， n n只能取偶數。只能取偶數。 n n 2 4 n42 4 n4 已無實例了已無實例了! ! PL 3 6 n=2 的桿組稱為的桿組稱為級組應用最廣而又最簡單級組應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 n=4 （PL6 6）的桿組有以下四種類型的桿組有以下四種類型: :以上三種形式稱為以上三種形式稱為級組級組。結構特點：其中一個構件。結構特點：其中一個構件有三個運動副。有三個運動副。典型典型級組：級組：第四種形式稱為第四種形式稱為IVIV級組級組。結構特點：結構特點： 有兩個三副桿，且有兩個三副桿，且4個構件構成四邊形結構。個構件構成四邊形結構。內端副內端副桿組內部相聯。桿組內部相聯。外端副外端副與組