重慶大學考研機械原理課件

1、1第一章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第一章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 構(gòu)件間構(gòu)件間可動聯(lián)接可動聯(lián)接( (Movable connector) )的型式及其運動和的型式及其運動和傳力特征。傳力特征。 構(gòu)件與可動聯(lián)接所構(gòu)成的系統(tǒng)，應滿足什么條件才能成構(gòu)件與可動聯(lián)接所構(gòu)成的系統(tǒng)，應滿足什么條件才能成為具有確定相對運動規(guī)律的機構(gòu)。為具有確定相對運動規(guī)律的機構(gòu)。 獲取滿足一定自由度要求的機構(gòu)的方法獲取滿足一定自由度要求的機構(gòu)的方法( (即機構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新即機構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的途徑與方法設(shè)計的途徑與方法) )。 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類。2 1. 構(gòu)件構(gòu)件( (Link) ) 機械的運動單元，

2、傳遞運機械的運動單元，傳遞運動和力的載體。動和力的載體。 實例：實例：內(nèi)燃機中的缸體、內(nèi)燃機中的缸體、活塞、連桿、曲軸等?；钊?、連桿、曲軸等。第一節(jié)機構(gòu)的組成第一節(jié)機構(gòu)的組成內(nèi)燃機連桿內(nèi)燃機連桿3 一個構(gòu)件也可以由幾個零件剛性聯(lián)接組成。一個構(gòu)件也可以由幾個零件剛性聯(lián)接組成。實例：實例：連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺母、連桿襯套等相互剛性聯(lián)接組成。母、連桿襯套等相互剛性聯(lián)接組成。連桿體連桿體連桿蓋連桿蓋螺栓螺栓墊圈墊圈螺母螺母連桿襯套連桿襯套軸瓦軸瓦零件零件( (Part) )是機械的制造單元。是機械的制造單元。內(nèi)燃機連桿內(nèi)燃機連桿4 2.

3、運動副運動副( (Kinematic pair) ) 兩個構(gòu)件以一定幾何形狀和尺寸的表面相互接觸所形成兩個構(gòu)件以一定幾何形狀和尺寸的表面相互接觸所形成的可動聯(lián)接的可動聯(lián)接。運動副元素運動副元素( (Pair element) )兩個構(gòu)件上相互接觸的表兩個構(gòu)件上相互接觸的表面。面。約束約束( (Constraint) )運動副對構(gòu)件間的相對運動自由度運動副對構(gòu)件間的相對運動自由度所施加的限制所施加的限制。5Oxzysxszsy y x z空間運動剛體的自由度空間運動剛體的自由度 一個完全獨立的剛體一個完全獨立的剛體在空間直角坐標系下的在空間直角坐標系下的自自由度由度( (Degree of fr

4、eedom, Mobility) )為為sx，sy，sz， x， y， z ，即自由度數(shù)，即自由度數(shù) f 6。平面運動剛體的自由平面運動剛體的自由度為度為sx，sy， z，即自由度，即自由度數(shù)數(shù) f 3。y x z O y z(x , y)xO平面運動剛體的自由度平面運動剛體的自由度sxsy 剛體的自由度剛體的自由度6觀察圖示兩構(gòu)件組成的觀察圖示兩構(gòu)件組成的圓柱副圓柱副( (Cylindric pair) ) 兩構(gòu)件保留的相對運動兩構(gòu)件保留的相對運動sz和和 z，即自由度數(shù)，即自由度數(shù) f 2。兩構(gòu)件之間受限制的相對運動兩構(gòu)件之間受限制的相對運動sx，sy ， x和和 y，即約束數(shù)，即約束數(shù)

5、s 4。兩構(gòu)件之間可以傳遞的力（力兩構(gòu)件之間可以傳遞的力（力矩）矩） Px，Py，Mx，My結(jié)論結(jié)論幾何約束與力約束本質(zhì)幾何約束與力約束本質(zhì)上是一致的，是可以相互替代的。上是一致的，是可以相互替代的。 zxyO zsz7 特點特點具有較多的自由度，易于構(gòu)件的具有較多的自由度，易于構(gòu)件的自動調(diào)整，保持靜定特性。自動調(diào)整，保持靜定特性。接觸應力大，易變形、易磨損、接觸應力大，易變形、易磨損、承載能力低。承載能力低。制造比較困難。制造比較困難。適用場合適用場合結(jié)構(gòu)簡單，運動精度要求較高，結(jié)構(gòu)簡單，運動精度要求較高，受力較小。受力較小。構(gòu)件的不同接觸形式構(gòu)件的不同接觸形式點接觸點接觸( (Point

6、contact) ) 點接觸，點接觸，f 5, ,s 1線接觸，線接觸，f 4, ,s 2線接觸線接觸( (Line contact) )8 面接觸面接觸( (Area contact) )特點特點相當于多點接觸，承載能力較高，應用廣泛。相當于多點接觸，承載能力較高，應用廣泛。運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準確確定，需要較高的制造精度。準確確定，需要較高的制造精度。 保證運動副可靠工作的措施保證運動副可靠工作的措施 提高表面硬度提高表面硬度

7、正確選用材料正確選用材料 添加潤滑劑添加潤滑劑 加入中間體加入中間體, ,將滑動摩擦改為滾動摩擦將滑動摩擦改為滾動摩擦9 運動副的分類運動副的分類 按運動副引入的約束數(shù)分類按運動副引入的約束數(shù)分類 I級副級副( (Class I kinematic pair) )、II級副、級副、III級副、級副、IV級級副、副、V級副。級副。 按運動副的接觸形式分類按運動副的接觸形式分類 面與面接觸的運動副面與面接觸的運動副低副低副( (Lower pair) ) 點、線接觸的運動副點、線接觸的運動副高副高副( (Higher pair) ) 按兩構(gòu)件相對運動的形式分類按兩構(gòu)件相對運動的形式分類 平面運動副

8、平面運動副( (Planar kinematic pair) ) 空間運動副空間運動副( (Spatial kinematic pair) ) 按接觸部分的幾何形狀分類按接觸部分的幾何形狀分類 圓柱副、球面副、螺旋副、球面圓柱副、球面副、螺旋副、球面平面副、平面平面副、平面平面平面副、球面副、球面圓柱副、圓柱圓柱副、圓柱平面副等等。平面副等等。10運動副舉例運動副舉例球面球面平面副平面副Sphere-plane pair空間空間I 級高副級高副圓柱圓柱平面副平面副Cylinder-plane pair空間空間II 級高副級高副11球面副球面副Spherical pair空間空間III 級低副級

9、低副球銷副球銷副Sphere-pin pair空間空間IV 級低副級低副12圓柱副圓柱副Cylindric pair空間空間IV 級低副級低副螺旋副螺旋副Helical pair空間空間V 級低副級低副13轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副Revolute pair平面平面V 級低副級低副軸承軸承Bearing鉸鏈鉸鏈Hinged joint14移動副移動副Prismatic pair, Sliding pair平面平面V 級低副級低副15 平面機構(gòu)是應用最廣泛的機構(gòu)。平面機構(gòu)是應用最廣泛的機構(gòu)。 平面運動副的約束數(shù)為平面運動副的約束數(shù)為1 s 2。 點、線接觸的平面運動副點、線接觸的平面運動副平面高副平面高副 面

10、接觸的平面運動副面接觸的平面運動副平面低副平面低副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副移動副移動副 滾動副滾動副凸輪副凸輪副齒輪副齒輪副16運動副的封閉運動副的封閉 保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉。保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉。 幾何封閉幾何封閉( (Geometric closure) ) 力封閉力封閉( (Forced closure) )彈簧力封閉彈簧力封閉重力封閉重力封閉17 3. 運動鏈運動鏈( (Kinematic chain) )兩個以上構(gòu)件用運動副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。兩個以上構(gòu)件用運動副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。閉式運動鏈閉式運動鏈( (Closed kinematic chain) )單封閉

11、回路閉鏈單封閉回路閉鏈p N （p為運動副數(shù)，為運動副數(shù)，N為構(gòu)件數(shù)）為構(gòu)件數(shù)）多封閉回路運動閉鏈多封閉回路運動閉鏈k p N 1( (k為回路數(shù)為回路數(shù)) )18開式運動鏈開式運動鏈( (Open kinematic chain) ) 開式運動鏈廣泛應用于機械手開式運動鏈廣泛應用于機械手和機器人中。和機器人中。N p 119 4. 機構(gòu)機構(gòu)其余構(gòu)件運動其余構(gòu)件運動是否確定？是否確定？機構(gòu)機構(gòu)滿足條件滿足條件在另一個（或幾個）在另一個（或幾個）構(gòu)件上加上已知運動構(gòu)件上加上已知運動21341432運動鏈運動鏈 4132固定一個構(gòu)件固定一個構(gòu)件20曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)搖塊機構(gòu)搖塊機構(gòu)導桿機構(gòu)導

12、桿機構(gòu) 運動鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機構(gòu)的重要手段。運動鏈的設(shè)計只關(guān)運動鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機構(gòu)的重要手段。運動鏈的設(shè)計只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和聯(lián)接這些構(gòu)件的運動副的數(shù)量和類型，所以又稱為機構(gòu)的注構(gòu)件數(shù)和聯(lián)接這些構(gòu)件的運動副的數(shù)量和類型，所以又稱為機構(gòu)的型型數(shù)綜合數(shù)綜合( (Type and number synthesis) )。 同一運動鏈可以生成的不同機構(gòu)同一運動鏈可以生成的不同機構(gòu)431CAB21423ABC1432ABCAB213421至少至少1個個1個個 構(gòu)件的類型構(gòu)件的類型原動件原動件( (Driving link) )機構(gòu)中按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)機構(gòu)中按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)件，也稱為件，

13、也稱為輸入構(gòu)件輸入構(gòu)件( (Input link) )。從動件從動件( (Driven link, , Follower) )其余的可動構(gòu)件。具其余的可動構(gòu)件。具有預期的運動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為有預期的運動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構(gòu)件輸出構(gòu)件( (Output link) )或或執(zhí)行構(gòu)件執(zhí)行構(gòu)件( (Executive link) )。機架機架( (Fixed link, ,Frame) )固定不動的構(gòu)件。固定不動的構(gòu)件。機構(gòu)機構(gòu)機架機架 原動件原動件 從動件系統(tǒng)從動件系統(tǒng)22 根據(jù)機構(gòu)中各構(gòu)件的相對運動是否在同一平面或平行根據(jù)機構(gòu)中各構(gòu)件的相對運動是否

14、在同一平面或平行平面內(nèi)，可將機構(gòu)分為平面內(nèi)，可將機構(gòu)分為平面機構(gòu)平面機構(gòu)( (Planar mechanism) )和和空空間機構(gòu)間機構(gòu)( (Spatial mechanism) )。空間空間RSRC機構(gòu)機構(gòu)球面球面4 4R機構(gòu)機構(gòu)空間空間RSSP機構(gòu)機構(gòu) 平面機構(gòu)是我們的主要研究對象。平面機構(gòu)是我們的主要研究對象。23 1. 運動簡圖運動簡圖機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖( (Kinematic sketch) )是從運動學角度出發(fā)，是從運動學角度出發(fā)，將實際機械中與運動無關(guān)的因素加以抽象和簡化后，得到的反將實際機械中與運動無關(guān)的因素加以抽象和簡化后，得到的反映實際機械的運動特性和運動傳遞關(guān)系的圖

15、形。映實際機械的運動特性和運動傳遞關(guān)系的圖形。機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖應滿足的應滿足的條件：條件： 構(gòu)件數(shù)目與實際機構(gòu)相同；構(gòu)件數(shù)目與實際機構(gòu)相同； 運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際機構(gòu)相符；運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際機構(gòu)相符； 運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比例。例。機構(gòu)示意圖機構(gòu)示意圖為不嚴格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的為不嚴格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)構(gòu)特征。第二節(jié)機構(gòu)運動簡圖第二節(jié)機構(gòu)運動簡圖24常用運動副的符號常用運動副的符號運動副符號運動副符號兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動副副移移動動副副

16、121212121212212121平平面面運運動動副副兩構(gòu)件之一為固定時的運動副兩構(gòu)件之一為固定時的運動副121222112211222112運動副運動副名稱名稱25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1212空空間間運運動動副副122112平平面面運運動動副副2126構(gòu)件的表示方法構(gòu)件的表示方法 桿、軸構(gòu)件桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件同一構(gòu)件27三副構(gòu)件三副構(gòu)件 兩副構(gòu)件兩副構(gòu)件 構(gòu)件的表示方法構(gòu)件的表示方法28 畫構(gòu)件時應撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運動副的性質(zhì)。畫構(gòu)件時應撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運動副的性質(zhì)。29常用機構(gòu)運動簡圖符號

17、（摘自常用機構(gòu)運動簡圖符號（摘自GB/T4460- -1984）在在機機架架上上的的電電機機齒齒輪輪齒齒條條傳傳動動圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動帶帶傳傳動動30鏈鏈傳傳動動圓圓柱柱桿桿蝸蝸輪輪傳傳動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常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）31常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）內(nèi)嚙內(nèi)嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動棘棘輪輪機機構(gòu)構(gòu)32 2. 機構(gòu)運動簡圖的繪制機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟步驟： 分析機械的動作原理、組成情況和運動情況，確定分析機械的動作原理、組成情況和運動情況，確定原動件、機架、執(zhí)行部分和傳動部分。原動件、機

18、架、執(zhí)行部分和傳動部分。 沿著運動傳遞路線，逐一分析每兩個構(gòu)件間相對運沿著運動傳遞路線，逐一分析每兩個構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目。動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目。 選擇與機械多數(shù)構(gòu)件的運動平面平行的平面，作為選擇與機械多數(shù)構(gòu)件的運動平面平行的平面，作為機構(gòu)運動簡圖的視圖平面。機構(gòu)運動簡圖的視圖平面。 選擇適當?shù)臋C構(gòu)運動瞬時位置和比例尺選擇適當?shù)臋C構(gòu)運動瞬時位置和比例尺 l( (m mm) )，定出各運動副的相對位置，并用各運動副的代表符號、常用定出各運動副的相對位置，并用各運動副的代表符號、常用機構(gòu)的運動簡圖符號和簡單線條，繪制機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)的運動簡圖符號和簡單線條，繪

19、制機構(gòu)運動簡圖。 從原動件開始，按運動傳遞順序標出各構(gòu)件的編號從原動件開始，按運動傳遞順序標出各構(gòu)件的編號和運動副代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動的方向。和運動副代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動的方向。33顎式破碎機顎式破碎機平面機構(gòu)運動簡圖繪制舉例平面機構(gòu)運動簡圖繪制舉例偏心泵偏心泵123434 1. 運動鏈的自由度計算運動鏈的自由度計算運動鏈的自由度運動鏈的自由度確定運動鏈中各構(gòu)件相對于其中某一確定運動鏈中各構(gòu)件相對于其中某一構(gòu)件的位置所需的獨立參變量的數(shù)目。構(gòu)件的位置所需的獨立參變量的數(shù)目。 考察由考察由N個構(gòu)件組成的運動鏈，活動構(gòu)件數(shù)個構(gòu)件組成的運動鏈，活動構(gòu)件數(shù) n=N-1。

20、空間運動空間運動 運動鏈自由度：運動鏈自由度：構(gòu)件構(gòu)件總自由度總自由度6nI級副級副約束數(shù)約束數(shù)p1II級副級副約束數(shù)約束數(shù)2p2III級副級副約束數(shù)約束數(shù)3p3IV級副級副約束數(shù)約束數(shù)4p4V級副級副約束數(shù)約束數(shù)5p5 51543216)5432(6kkkpnpppppnF第三節(jié)運動鏈成為機構(gòu)的條件第三節(jié)運動鏈成為機構(gòu)的條件35 具有具有q個公共約束的運動鏈，其自由度計算公式為：個公共約束的運動鏈，其自由度計算公式為： 51)()6(qkkpqknqF 平面平面運動鏈運動鏈 q = 3，其自由度計算公式為：，其自由度計算公式為： 54) 3() 36(kkpknF4523ppnF HL23p

21、pnF 36運動鏈自由度計算舉例運動鏈自由度計算舉例例例1 縫紉機腳踏板縫紉機腳踏板運動鏈自由度計算運動鏈自由度計算例例2 平面四桿運動鏈自由度計算平面四桿運動鏈自由度計算分析分析：n 3，p5 2，p4 1，p3 1計算：計算：F 6 3 (3 1 4 1 5 2) 1只要給定只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。間的相對位置關(guān)系就確定了。 分析分析：n 3，q 3，p5 4計算：計算：F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1只要給定只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。間的相對位置關(guān)系就確定了。 平面四桿

22、運動鏈平面四桿運動鏈1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板運動鏈縫紉機腳踏板運動鏈372. 運動鏈運動鏈成為機構(gòu)的條件成為機構(gòu)的條件 判斷所設(shè)計的運動鏈是否能成為機構(gòu)，是提出新的設(shè)計判斷所設(shè)計的運動鏈是否能成為機構(gòu)，是提出新的設(shè)計方案時自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。方案時自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。 F 3n 2pL pH 3 3 2 5 1 該運動鏈約束過多，成為超靜該運動鏈約束過多，成為超靜定桁架，不能成為機構(gòu)。定桁架，不能成為機構(gòu)。F 3n 2pL pH 3 2 2 3 0 運動鏈為一剛性桁架，不能成為運動鏈為一剛性桁架，不能成為機構(gòu)。機構(gòu)。 運動鏈成為機構(gòu)的首要條件運動鏈成為機構(gòu)

23、的首要條件： 運動鏈自由度必須大于零。運動鏈自由度必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件運動鏈平面三構(gòu)件運動鏈1243ADBCE平面四構(gòu)件運動鏈平面四構(gòu)件運動鏈38 在在F 0的條件下，進一步的條件下，進一步判斷運動鏈是否具有確定的判斷運動鏈是否具有確定的運動。運動。平面五桿運動鏈平面五桿運動鏈 F 3n 2pL pH 3 4 2 5 2 原動件數(shù)原動件數(shù) F, ,運動鏈內(nèi)部運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系不確定。的運動關(guān)系不確定。運動鏈不能成為機構(gòu)。運動鏈不能成為機構(gòu)。 原動件數(shù)原動件數(shù) F, ,運動鏈內(nèi)部運動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。各構(gòu)件運動關(guān)系確定。運動鏈成為機構(gòu)。運動鏈成為機構(gòu)。39平面四桿運動鏈平

24、面四桿運動鏈 F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1原動件數(shù)原動件數(shù) F，運動鏈內(nèi)，運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。壞。運動鏈不能成為機構(gòu)。運動鏈不能成為機構(gòu)。 原動件數(shù)原動件數(shù) F，運動鏈內(nèi)，運動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。運動鏈成為機構(gòu)運動鏈成為機構(gòu)。40 運動鏈成為機構(gòu)的條件是：運動鏈成為機構(gòu)的條件是：取運動鏈中一個構(gòu)件相對固取運動鏈中一個構(gòu)件相對固定作為機架，運動鏈相對于機架的自由度必須大于零，且原定作為機架，運動鏈相對于機架的自由度必須大于零，且原動件的數(shù)目等于運動鏈的自由度數(shù)動件的數(shù)目等

25、于運動鏈的自由度數(shù)。滿足以上條件的運動鏈即為機構(gòu)，機構(gòu)的自由度可用運滿足以上條件的運動鏈即為機構(gòu)，機構(gòu)的自由度可用運動鏈自由度公式計算。動鏈自由度公式計算。41直線機構(gòu)直線機構(gòu) 計算錯誤的原因：計算錯誤的原因：3. 計算機構(gòu)自由度時應注意的問題計算機構(gòu)自由度時應注意的問題舉例舉例直線機構(gòu)自由度計算直線機構(gòu)自由度計算 解解 n 7，pL 6，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9錯誤的結(jié)果！錯誤的結(jié)果！12345678ABCDEF兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副42 復合鉸鏈復合鉸鏈( (Compound hinges) ) 定義定義：兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運：兩個以上的構(gòu)

26、件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運動副。動副。k個構(gòu)件組成的復合鉸鏈，有個構(gòu)件組成的復合鉸鏈，有( (k-1)-1)個個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副。 12345678ABCDEF 正確計算正確計算 B、C、D、E處為復合鉸鏈，轉(zhuǎn)處為復合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)均為動副數(shù)均為2。 n 7，pL 10，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 10 143 準確識別復合鉸鏈舉例準確識別復合鉸鏈舉例關(guān)鍵：關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副 1231342123441321432312兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩

27、個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副44 未考慮局部自由度時的機構(gòu)自未考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。由度計算。 F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 局部自由度局部自由度( (Passive degree of freedom) ) 定義定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運動：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運動有關(guān)的自由度。有關(guān)的自由度。 考慮局部自由度時的機構(gòu)自由考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。度計算。設(shè)想將滾子與從動件焊成一體設(shè)想將滾子與從動件焊成一體F 3 2 2 2 1 1計算時減去局部自由度計算時減去局部自由度FPF 3 3 2 3 1 1( (局部自由度局

28、部自由度) ) 145 虛約束虛約束( (Redundant constraint, , Passive constraint) ) 定義定義：機構(gòu)中不起獨立限制作用的重復約束。：機構(gòu)中不起獨立限制作用的重復約束。 計算具有虛約束的機構(gòu)的自由度時，應先將機構(gòu)中引入計算具有虛約束的機構(gòu)的自由度時，應先將機構(gòu)中引入虛約束的運動副或運動鏈部分除去。虛約束的運動副或運動鏈部分除去。虛約束發(fā)生的場合虛約束發(fā)生的場合 兩構(gòu)件間構(gòu)成多個運動副兩構(gòu)件間構(gòu)成多個運動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個兩構(gòu)件構(gòu)成多個導路平行的移動副導路平行的移動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸點處法線重合的高副點處法線重合的高副兩構(gòu)件構(gòu)成多個

29、兩構(gòu)件構(gòu)成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副軸線重合的轉(zhuǎn)動副4652134EF5 兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變 未去掉虛約束時未去掉虛約束時F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 3241EF 附加的構(gòu)件附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動副和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1?47 聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重

30、合聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合 附加的構(gòu)件附加的構(gòu)件4和其兩端的轉(zhuǎn)動副和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F以及附加的構(gòu)件以及附加的構(gòu)件1和和其兩端的轉(zhuǎn)動副其兩端的轉(zhuǎn)動副A、B提供的自由度提供的自由度F 3 1 2 2 1即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 4 11234ABDFEC43125ABCD平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)橢圓儀機構(gòu)橢圓儀機構(gòu)構(gòu)件構(gòu)件2和和4在在E點軌跡重合點軌跡重合構(gòu)件構(gòu)件1和和2在在B點軌跡重合點軌跡重合481B34

31、2A 機構(gòu)中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分機構(gòu)中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分 對稱布置的兩個行星輪對稱布置的兩個行星輪2 和和2 以及相應的兩個轉(zhuǎn)動副以及相應的兩個轉(zhuǎn)動副D、C和和4個平面高副提供的自由度個平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了兩個虛約束。即引入了兩個虛約束。 未去掉虛約束時未去掉虛約束時F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1行星輪系行星輪系 去掉虛約束后去掉虛約束后F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 11234ADBC2 2 49 虛約束的作用虛約束的作用 改善構(gòu)件的受力情況，分擔載荷或改善構(gòu)件的受力情況，分擔載荷或平衡慣性力

32、平衡慣性力，如多，如多個行星輪。個行星輪。 增加增加結(jié)構(gòu)剛度結(jié)構(gòu)剛度，如軸與軸承、機床導軌。，如軸與軸承、機床導軌。 提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性，如，如機車車輪聯(lián)動機機車車輪聯(lián)動機構(gòu)構(gòu)。 注意注意：機構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)：機構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成實際有效的的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成實際有效的約束，從而使機構(gòu)不能運動。約束，從而使機構(gòu)不能運動。50B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例例3 計算包裝機送紙機構(gòu)的自由度計算包裝機送紙機構(gòu)的自由度 分析分析活動構(gòu)件數(shù)活動構(gòu)件數(shù)

33、A1B2C 3J6G5H89IFn 9復合鉸鏈復合鉸鏈虛約束虛約束運動副運動副D1處處去掉局部自由度和虛去掉局部自由度和虛約束約束局部自由度局部自由度n 6，pL 7，pH 3F 3n 2pL pH 3 6 2 7 1 3 1滾子滾子3、8繞繞自身軸線的自身軸線的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動7ED42個轉(zhuǎn)動副個轉(zhuǎn)動副桿桿9和運動副和運動副F、I引入一個虛約引入一個虛約束束51第四節(jié)第四節(jié) 平面運動鏈與機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計平面運動鏈與機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 平面運動鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計平面運動鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)n、運動副數(shù)、運動副數(shù)pk與自由度數(shù)與自由度數(shù)F之間存在著一之間存在著一定的關(guān)系。定的關(guān)系。運動鏈結(jié)構(gòu)

34、設(shè)計（機構(gòu)的型數(shù)綜合）的目的運動鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計（機構(gòu)的型數(shù)綜合）的目的確定在滿足一定自由度的前提下運動鏈的所有結(jié)構(gòu)形確定在滿足一定自由度的前提下運動鏈的所有結(jié)構(gòu)形式，從而獲得能滿足各種工作要求的機構(gòu)。式，從而獲得能滿足各種工作要求的機構(gòu)。這是機構(gòu)這是機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計( (Creative design) )的基本途徑。的基本途徑。假定所有運動副為單一轉(zhuǎn)動副假定所有運動副為單一轉(zhuǎn)動副。平面機構(gòu)自由度計算公。平面機構(gòu)自由度計算公式簡化為式簡化為F 3n 2pL 3(N 1) 2p自由度自由度F是機構(gòu)型數(shù)綜合的目標。是機構(gòu)型數(shù)綜合的目標。 52 2. 運動鏈結(jié)構(gòu)公式推導法運動鏈結(jié)構(gòu)公式推導法改寫前述

35、公式改寫前述公式23)(23FNp p，N均應為正整數(shù)，因此均應為正整數(shù)，因此 當當F為奇數(shù)時，構(gòu)件為奇數(shù)時，構(gòu)件N必為偶數(shù)；反之，當必為偶數(shù)；反之，當F為偶數(shù)時，為偶數(shù)時，構(gòu)件構(gòu)件 數(shù)數(shù)N必為奇數(shù)。必為奇數(shù)。 當當F 1時，時，N必須大于必須大于2。 結(jié)論結(jié)論對于對于F=1的面閉鏈機構(gòu)的面閉鏈機構(gòu)構(gòu)件數(shù)構(gòu)件數(shù)N必為必為4，6，8，10，等；等；對應的運動副數(shù)對應的運動副數(shù)p為為4，7，10，13，等。等。由由k p N 1可知，對于可知，對于4 10桿運動鏈，對應的封閉回路桿運動鏈，對應的封閉回路數(shù)為數(shù)為1，2，3，4，。53F=1的運動鏈的運動鏈 N3 2N4 5N5 N 4 N N2 N

36、3 N4 N5式中，式中，Nk表示表示k副構(gòu)件的數(shù)目。副構(gòu)件的數(shù)目。自由度自由度F 1的的6桿運動鏈的可能結(jié)構(gòu)型桿運動鏈的可能結(jié)構(gòu)型N3 2，N2 4Watt鏈鏈N4 1，N2 5等同于等同于4桿鏈桿鏈N3 2，N2 4等同于等同于4桿鏈桿鏈N3 2，N2 4與與Watt鏈同構(gòu)鏈同構(gòu)N3 2，N2 4Stephenson鏈鏈54第五節(jié)第五節(jié) 按基本桿組的機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合按基本桿組的機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合與結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)分析 1. 機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的的基本桿組法基本桿組法 基本思路基本思路 驅(qū)動桿組驅(qū)動桿組( (Driving groups) )基本桿組基本桿組( (Basic groups) ) 機

37、構(gòu)機構(gòu)由原動件和機架由原動件和機架組成，自由度等組成，自由度等于機構(gòu)自由度于機構(gòu)自由度不可再分的自不可再分的自由度為零的構(gòu)由度為零的構(gòu)件組合件組合 核心問題：核心問題：如何獲得各種如何獲得各種F 0的基本桿組？的基本桿組？55基本桿組應滿足的條件基本桿組應滿足的條件F 3n 2pL 0 即即 n (2 3)pL 基本桿組的構(gòu)件數(shù)基本桿組的構(gòu)件數(shù)n 2，4，6，基本桿組的運動副數(shù)基本桿組的運動副數(shù)pL 3，6，9， n 2，pL 3的雙桿組的雙桿組( (II級組級組) )內(nèi)接運動副內(nèi)接運動副外接運動副外接運動副R-R-R組組R-R-P組組R-P-R組組P-R-P組組R-P-P組組56 n 4，p

38、L 6的多桿組的多桿組 III級組級組 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 有一個三副構(gòu)件，有一個三副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所聯(lián)接的分而每個內(nèi)副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是兩副構(gòu)件。支構(gòu)件是兩副構(gòu)件。57 IV級組級組 不同級別的桿組，其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不不同級別的桿組，其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同，從而決定了由它們所構(gòu)成的機構(gòu)可能實現(xiàn)的運動規(guī)相同，從而決定了由它們所構(gòu)成的機構(gòu)可能實現(xiàn)的運動規(guī)律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 具有兩個三副構(gòu)件，桿組的四個內(nèi)副形成四具有兩個三副構(gòu)件，桿組的四個內(nèi)副形成四邊形。邊形。58桿組不同的構(gòu)

39、形解桿組不同的構(gòu)形解即各構(gòu)件的相對位即各構(gòu)件的相對位置解，置解，又稱為桿組的又稱為桿組的裝配模式裝配模式( (Assemble modes) )。 桿組的構(gòu)形解桿組的構(gòu)形解II級組有兩種裝配模式，為級組有兩種裝配模式，為ABC或或ABC 。III級組的裝配模式多級組的裝配模式多達六種。達六種。 由不同級別的基本桿由不同級別的基本桿組組成的機構(gòu)，其分析設(shè)組組成的機構(gòu)，其分析設(shè)計的復雜程度不一樣。為計的復雜程度不一樣。為此，常根據(jù)機構(gòu)中的桿組此，常根據(jù)機構(gòu)中的桿組級別來確定機構(gòu)的級別。級別來確定機構(gòu)的級別。 II級組的構(gòu)形解級組的構(gòu)形解ABC CD F E CABDEFE D F III級組的構(gòu)形

40、解級組的構(gòu)形解def59 2. 機構(gòu)的組成原理機構(gòu)的組成原理基本概念基本概念基本機構(gòu)基本機構(gòu)僅由一個基本桿組構(gòu)成的機構(gòu)。僅由一個基本桿組構(gòu)成的機構(gòu)。復合機構(gòu)復合機構(gòu)由一個以上基本桿組構(gòu)成的機構(gòu)。由一個以上基本桿組構(gòu)成的機構(gòu)。按基本桿組的機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合步驟按基本桿組的機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合步驟 按自由度要求設(shè)計出驅(qū)動桿組；按自由度要求設(shè)計出驅(qū)動桿組； 將基本桿組依次聯(lián)接到原動件、機架上，或者機架和其將基本桿組依次聯(lián)接到原動件、機架上，或者機架和其它基本桿組的構(gòu)件上，組成機構(gòu)。它基本桿組的構(gòu)件上，組成機構(gòu)。60機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成舉例 BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHA

41、BCD注意注意 桿組的各外接運動副不能全部聯(lián)接在同一個構(gòu)件桿組的各外接運動副不能全部聯(lián)接在同一個構(gòu)件上。上。61A19B2 C5463DEFGA19B2645GE3CDFIHJ78HJI87 在進行新機械方案設(shè)計時，可以按設(shè)計要求由桿組組成在進行新機械方案設(shè)計時，可以按設(shè)計要求由桿組組成機構(gòu)，進行創(chuàng)新設(shè)計。機構(gòu)，進行創(chuàng)新設(shè)計。623. 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析在對已有的機構(gòu)或已設(shè)計完畢的機構(gòu)進行運動分析和力在對已有的機構(gòu)或已設(shè)計完畢的機構(gòu)進行運動分析和力分析時，通常需要對機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。分析時，通常需要對機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。問題核心問題核心正確劃分出機構(gòu)組成的基本桿組正確劃分出機構(gòu)組成的基本桿組機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析過程與機構(gòu)的組成過程相反機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析過程與機構(gòu)的組成過程相反。63步驟步驟 計算機構(gòu)的自由度，確定原動件。計算機構(gòu)的自由度，確定原動件。 將機構(gòu)中的高副用低副替代。將機構(gòu)中的高副用低副替代。 從傳動關(guān)系上離原動件最遠的輸出構(gòu)件開始，依次從傳動關(guān)系上離原動件最遠的輸出構(gòu)件開始，依次進行試拆。試拆時，先按進行試拆。試拆時，先按II級組試拆，若無法拆除，再試拆級組試拆，若無法拆除，再試拆