智能制造機械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 模塊一 機器的結(jié)構(gòu)與智能裝備

模塊一

機器的結(jié)構(gòu)與智能設(shè)備智能制造機械設(shè)計基礎(chǔ)

認識了解機器與智能設(shè)備，主要介紹機器的結(jié)構(gòu)與運動、平面機構(gòu)、機構(gòu)運動簡圖的繪制、自由度計算以及機構(gòu)的運動分析。重點是平面機構(gòu)的自由度計算(計算公式F＝3n－2PL－PH)及機構(gòu)運動的確定性判定定理，難點是機構(gòu)運動簡圖的繪制。教學(xué)指南

任務(wù)描述1、能夠根據(jù)機器的結(jié)構(gòu)和功能來認識機器；2、能夠根據(jù)平面機構(gòu)運動原理繪制機構(gòu)運動簡圖；3、能夠分析機構(gòu)運動簡圖，并計算其自由度；4、能夠根據(jù)已設(shè)計的機構(gòu)，判斷其運動的確定性。學(xué)習(xí)目標1、了解機器的結(jié)構(gòu)和功能2、理解運動副及其分類；3、能夠認識和繪制簡單機器的運動簡圖；4、掌握平面機構(gòu)自由度的計算；5、掌握機構(gòu)運動的確定性判定定理。學(xué)習(xí)方法理實一體項目一機器與智能設(shè)備

機器轟鳴，車輪滾滾，走向未來。如圖1-1（a）所示，燃油汽車——電動汽車——智能汽車（無人駕駛）；如圖1-1（b）所示六自由度機器人；如圖1-1（c）所示機器人的腿；如圖1-1（d）所示，機床（牛頭刨床）——數(shù)控機床（計算機+機床）——智能機床（無人工廠）。學(xué)習(xí)筆記智能機床與智能汽車（a）燃油汽車---智能汽車

（b）六自由度機器人（c）機器人腿

1-工作臺；2-滑板；3-刀架；4-滑枕；5-床身；6-底座

（d）

數(shù)控智能機床

圖1-1機器

什么是機器？

機械是機器和機構(gòu)的總稱，是人類在生產(chǎn)中用以減輕或代替人的體力(或腦力)勞動和提高生產(chǎn)率的主要工具。一部完整的機器主要由以下四大部分組成：傳動部分學(xué)習(xí)筆記控制部分執(zhí)行部分

動力部分機器定義

機器是由零件組成的，零件是組成機器的基本制造單元。從機器的組成和運動的確定性及功能關(guān)系可以看出其具有以下三個特征：

1）是一種人為的實物組合；

2）各部分之間具有確定的相對運動；

3）能做有用的機械功，并能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換或信息的處理與傳遞。

我們將具備上述三個特征的設(shè)備稱為機器，而機構(gòu)只具備前面兩個特征。其實從結(jié)構(gòu)和運動的觀點來看，機器與機構(gòu)之間并無區(qū)別，所以常用“機械”一詞作為它們的總稱。

是指任何一種具有計算處理能力的設(shè)備、器械或機器。它是傳統(tǒng)機電設(shè)備與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其主要包括自我檢測和自我診斷兩個方面的關(guān)鍵內(nèi)容。學(xué)習(xí)筆記智能設(shè)備定義工業(yè)機器人所謂工具、機械（機器）從一產(chǎn)生就明確提出：是為了減輕、直至代替人類的勞動。

機器人（Robot)一詞來源于捷克作家卡雷爾·恰佩克于1920年創(chuàng)作的劇本《羅薩姆的萬能機器人》。他把機器人定義為服務(wù)于人類的機器，機器人的名字也由此而生。

學(xué)習(xí)筆記什么是工業(yè)機器人？

工業(yè)機器人是20世紀60年代在自動操作機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能模仿人的某些動作和控制功能，并可按照預(yù)定程序、軌跡及其他要求操作工具，實現(xiàn)多種操作的自動化機械系統(tǒng)。現(xiàn)代工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則和綱領(lǐng)行動，實現(xiàn)無人工廠管理及無人駕駛操作

圖1-2機器人弧焊作業(yè)1-焊絲盤；2-送絲滾輪；3-焊絲；4-導(dǎo)電嘴；5-噴嘴；6-保護氣體；7-熔池；8-焊縫金屬；9-母材（被焊接的金屬材料）；10-電弧加二維碼視頻（a）機器人的組成

（b）機器人作業(yè)

（c）機器人結(jié)構(gòu)

（d）弧焊實際效果學(xué)習(xí)筆記智能船設(shè)備圖1-3智能船設(shè)備智能醫(yī)療設(shè)備

智能醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場景如圖1-4所示，聯(lián)網(wǎng)的便攜式醫(yī)療設(shè)備可對病人進行遠程監(jiān)護，可實現(xiàn)對人體生理參數(shù)和生活環(huán)境的遠程實時監(jiān)測與詳細記錄，便于醫(yī)務(wù)人員全面地了解病人的病歷和生活習(xí)慣，提前發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在疾病，對突發(fā)病人給予及時的應(yīng)急處理。圖1-4智能醫(yī)療設(shè)備學(xué)習(xí)筆記極光爾沃3D打印機A8是極光爾沃科技有限公司開發(fā)的一款新型熱熔堆積固化成型設(shè)備，可以把用計算機輔助設(shè)計好的3D模型等打印成實物。該設(shè)備使用鈑金作為整體機箱的全封閉式架構(gòu)，X-Y-Z軸運動部件使用了直線導(dǎo)軌及滾珠絲桿，擠出結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙擠出機送料，平臺使用了特制玻璃材料。這樣的結(jié)構(gòu)使得打印精度更高，使用更穩(wěn)定，表面更精細，平臺震動更小，取模更方便，其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。3D打印機3D打印設(shè)備

綜上所述，現(xiàn)代社會的設(shè)備智能化早已是產(chǎn)品更新?lián)Q代的發(fā)展方向，以智能機床、工業(yè)機器人、3D打印機為代表的智能設(shè)備在智能制造中具有非常廣闊的發(fā)展應(yīng)用空間。而從本模塊的項目二開始，我們將從簡單機器（機構(gòu)）的結(jié)構(gòu)和運動分析中來認識常用機械（機器）。圖1-53D打印機學(xué)習(xí)筆記項目二機構(gòu)的組成機構(gòu)是由構(gòu)件組成的，各構(gòu)件之間具有確定的相對運動。

構(gòu)件是組成機器的基本運動單元。構(gòu)件可以是一個零件，如凸輪、齒輪、軸承、軸等；也可以是幾個零件通過剛性連接組成的一個整體，在機械工程上通常稱為部件。部件是機器的運動單元。

學(xué)習(xí)筆記機構(gòu)的定義機器與機構(gòu)的區(qū)別是機器能做有用的機械功而機構(gòu)不能。

如圖1-6所示的單缸內(nèi)燃機是由多個零部件組成的輸入動力的原動機，其中的連桿2（如圖1-7所示）就是由多個零部件組成的。這些零件分別加工制造，但是當它們設(shè)配成連桿后則作為一個整體運動，相互之間不產(chǎn)生相對運動。

圖1-6單缸內(nèi)燃機1－曲軸；2－連桿；3－活塞；4－氣缸體；5－頂桿；6－凸輪；7、8－齒輪；

認識原動機——單缸內(nèi)燃機學(xué)習(xí)筆記圖1-7內(nèi)燃機連桿包含的零件加二維碼放視頻學(xué)習(xí)筆記認識破碎機圖1-8破碎機構(gòu)加視頻二維碼

破碎機，在工業(yè)上稱為碎石機，是金屬礦和非金屬礦加工過程中所采用的能夠?qū)㈤_采的原礦石通過擠壓和彎曲作用等方式破碎成小塊顆粒的粉碎機械（如圖1-8所示）。在生活中，種類繁多的破壁機也是其原理的應(yīng)用。

運動副

構(gòu)件組成機構(gòu)時，兩個或兩個以上構(gòu)件直接接觸，并且在構(gòu)件之間產(chǎn)生一定相對運動的連接，稱為運動副。

在構(gòu)成運動副時，直接接觸的點、線、面稱為運動副元素。運動副接觸形式如圖1-9所示，運動副分為低副和高副兩種。學(xué)習(xí)筆記圖1-9運動副接觸形式

低副：

兩構(gòu)件之間通過面接觸構(gòu)成的運動副（a）轉(zhuǎn)動副(b)移動副

若組成運動副的兩個構(gòu)件只能沿著某一軸線做相對轉(zhuǎn)動，則這種運動副就稱為轉(zhuǎn)動副或回轉(zhuǎn)副，又稱為鉸鏈，如圖1-10（a）所示。

若組成運動副的兩個構(gòu)件只能沿著某一直線做相對移動，則這種運動副就稱為移動副，如圖1-10（b)所示。學(xué)習(xí)筆記圖1-10低副低副分為移動副和轉(zhuǎn)動副

如圖1-11(a)所示的是凸輪1與從動件2通過點接觸組成的高副。圖1-11(b)所示的是齒輪1和齒輪2通過線接觸組成的高副。當兩個構(gòu)件之間組成高副時，構(gòu)件1相對構(gòu)件2既可沿接觸點A的公切線t－t方向作相對移動，又可在接觸點A繞垂直于運動平面的軸線作相對轉(zhuǎn)動。

組成高副的兩個構(gòu)件之間可產(chǎn)生兩個獨立的相對運動。高副：兩構(gòu)件之間通過點或線接觸而組成的運動副學(xué)習(xí)筆記圖1-11高副

運動鏈

若運動鏈中各構(gòu)件組成首尾封閉的系統(tǒng)，則稱為閉式運動鏈，如圖1-12(a)所示；否則稱為開式運動鏈，如圖1-12(b)所示。閉式運動鏈廣泛應(yīng)用于各種機構(gòu)中，僅有少數(shù)機構(gòu)采用開式運動鏈(如機械手、鄂式破碎機等)。

圖1-12運動鏈將兩個以上的構(gòu)件通過運動副連接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈學(xué)習(xí)筆記

機構(gòu)中構(gòu)件的分類及組成

固定構(gòu)件(機架)：機構(gòu)中固結(jié)于定參考系的構(gòu)件稱為固定構(gòu)件。它用來支承機構(gòu)中的可動構(gòu)件(機構(gòu)中可相對于機架運動的構(gòu)件)。

主動件(原動件)：機構(gòu)中作用有驅(qū)動力或力矩的構(gòu)件，或運動規(guī)律己知的構(gòu)件稱為主動件或原動件。它是機構(gòu)中輸入運動或動力的構(gòu)件，又稱為輸入構(gòu)件。

從動件：除固定構(gòu)件和主動件外，機構(gòu)中隨主動件的運動而運動的其余可動構(gòu)件均稱為從動件。綜上所述，機構(gòu)可由機架、主動件和從動件系統(tǒng)(除機架與原動件外的所有從動件)所組成。從動件的運動規(guī)律取決于主動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。組成機構(gòu)的構(gòu)件一般分為以下三類：學(xué)習(xí)筆記123項目二平面機構(gòu)運動簡圖

機構(gòu)運動簡圖

注意：為便于研究機構(gòu)的運動，在機構(gòu)運動簡圖中，往往將機械中那些與運動無關(guān)的實際外形和具體結(jié)構(gòu)略去，但機構(gòu)運動簡圖與它所表示的實際機構(gòu)具有完全相同的運動特征。

我們可以充分運用機構(gòu)運動簡圖來表達一部復(fù)雜機器的傳動原理，并進行機構(gòu)的運動和動力分析。學(xué)習(xí)筆記

用規(guī)定的線條和符號按一定的比例表示構(gòu)件和運動副的相對位置，并能完全反映機構(gòu)運動特征的圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。

機構(gòu)運動簡圖的繪制常用機構(gòu)運動簡圖的符號見表1.1學(xué)習(xí)筆記

繪制簡圖五步法

分析機構(gòu)的組成，找出機構(gòu)中的機架、原動件和從動件。

從原動件開始，沿著運動傳遞路線，分析各構(gòu)件間相對的運動，從而確定構(gòu)件數(shù)目、運動副的類型及數(shù)目。

根據(jù)運動副間的相對位置，按照圖紙幅面和構(gòu)件實際尺寸選擇適當?shù)谋壤摺?/p>

＝構(gòu)件實際長度（m）/構(gòu)件圖示長度（mm）。

合理選擇視圖，按照適當?shù)谋壤?，用?guī)定的符號和線條畫出機構(gòu)中的所有運動副及構(gòu)件。最后得到的圖形即為機構(gòu)運動簡圖。

構(gòu)件代號（用阿拉伯數(shù)字表示）、運動副代號(用大寫英文字母表示)、用箭頭表示原動件運動。學(xué)習(xí)筆記25341

圖1-13縫紉機試繪制如圖1-13所示縫紉機腳踏板機構(gòu)的運動簡圖。任務(wù)一學(xué)習(xí)筆記

縫紉機腳踏板機構(gòu)的工作原理是人通過腳踏板輸入動力，通過連桿傳遞，帶動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)縫紉機引線機構(gòu)的運動。任務(wù)分析：

分析機構(gòu)的組成，確定機架、主動件與從動件。

從圖1-13可知，該機構(gòu)由4個構(gòu)件組成?？p紉機體為機架，腳踏板為原動件，連桿和曲軸為從動件。

從原動件開始，順著運動傳遞路線，分析各構(gòu)件之間相對運動的性質(zhì)和接觸情況，確定構(gòu)件數(shù)目、運動副的類型和數(shù)目。

腳踏板1與連桿2、連桿2與曲軸3、曲軸3與機架4、機架4與腳踏板1分別組成轉(zhuǎn)動副。即有4個轉(zhuǎn)動副。

選擇合理的視圖平面。

因該機構(gòu)為平面機構(gòu)，故選擇與各構(gòu)件運動平面相平行的平面為視圖平面。學(xué)習(xí)筆記123任務(wù)實施：

選擇合適的比例尺。測量并按比例定出各運動副之間的相對位置，用規(guī)定的符號和線條畫出機構(gòu)中的所有運動副及構(gòu)件。標注構(gòu)件代號、轉(zhuǎn)動副代號(A、B、C、D)、用箭頭表示原動件運動，最后畫出機構(gòu)的運動簡圖（如圖1-14所示）。

圖1-14縫紉機的機構(gòu)運動簡圖學(xué)習(xí)筆記54項目三平面機構(gòu)的自由

平面機構(gòu)的自由度及自由度的計算自由度的定義：就是機構(gòu)具有獨立運動參數(shù)的數(shù)目

圖1-15平面自由構(gòu)件的自由度

如圖1-15所示，平面運動的自由構(gòu)件具有三個自由度：沿x軸和y軸的移動以及繞垂直于xOy平面的A軸的轉(zhuǎn)動。學(xué)習(xí)筆記約束定義：運動副對成副的兩構(gòu)件間的相對運動所加的限制

如圖1-16所示，一個低副，引入2個約束，喪失2個自由度，保留了1個自由度。學(xué)習(xí)筆記圖1-16低副(a)(b)如圖1-17所示，一個高副,引入1個約束，喪失1個自由度，保留了2個自由度。

學(xué)習(xí)筆記圖1-17高副(a)(b)平面機構(gòu)的自由度計算F=3n－2PL－PH

（1—1）

學(xué)習(xí)筆記

綜上所述，引入一個約束條件將減少一個自由度。約束數(shù)目的多少以及約束的特點取決于運動副的形式。由此可知，一個低副(移動副、轉(zhuǎn)動副)，將引入兩個約束，減少兩個自由度；一個高副，將引入一個約束，減少一個自由度。一個平面機構(gòu)包含N個構(gòu)件，其中必有一個構(gòu)件是機架，則該機構(gòu)有n=N-1個活動構(gòu)件。由于一個活動構(gòu)件具有3個自由度，假設(shè)有PL個低副和PH個高副，一個低副引入2個約束，一個高副引入一個約束，則平面機構(gòu)的自由度（通常用F表示）計算公式為：小練（繪制機構(gòu)運動簡圖和計算機構(gòu)自由度）：F=3n－2PL－PH=1F=3n－2PL－PH=1學(xué)習(xí)筆記圖1-18機構(gòu)簡圖(a)破碎機(b)活塞機構(gòu)

當機構(gòu)的原動件數(shù)目等于自由度數(shù)目時，機構(gòu)才具有唯一確定的運動。F=3n－2PL－PH=1學(xué)習(xí)筆記圖1-19單缸內(nèi)燃機ABCDEF

機構(gòu)運動的確定性判定定理

運動鏈成為機構(gòu)的條件取決于機構(gòu)的自由度（F)和原動件的數(shù)目（用W表示）。

無相對運動的桿件組合（如圖1-20所示）或者是無規(guī)則亂動的運動鏈（如圖1-21所示）都不能成為機構(gòu)。圖1-21運動的確定性機構(gòu)確定的概念

圖1-20運動的可能性學(xué)習(xí)筆記

總結(jié)——無相對運動或者是無規(guī)則亂動的構(gòu)件系統(tǒng)都不能實現(xiàn)預(yù)期的運動（不成其為機構(gòu)）；而具有確定的相對運動的構(gòu)件系統(tǒng)便成為機構(gòu)。

原動件數(shù)目與機構(gòu)自由度之間關(guān)系：F≤0，構(gòu)件間無相對運動，不成為機構(gòu)。F＞0，

原動件數(shù)<F，運動不確定

原動件數(shù)>F，機構(gòu)破壞

F＞0

，且原動件數(shù)W=F，運動確定

機構(gòu)運動的確定性判定定理（即構(gòu)件系統(tǒng)成為機構(gòu)的充分必要條件）：

機構(gòu)的自由度大于零，且原動件的數(shù)目與機構(gòu)的自由度相等。

即

W=F>0機構(gòu)的運動確定，成其為機構(gòu)。否則，運動不確定，不成其為機構(gòu)。學(xué)習(xí)筆記

計算下圖1-22所示機構(gòu)的自由度F＞0，并判斷機構(gòu)原動件的數(shù)目W與其自由度數(shù)F是否相等，機構(gòu)的運動是否確定。圖1-22偏心油泵機構(gòu)

1－偏心輪；2－外環(huán)；3－圓柱；4－機架任務(wù)分析：

在偏心油泵機構(gòu)中，有三個活動構(gòu)件，n＝3；包含四個低副，

PL＝4；沒有高副，PH＝0。任務(wù)實施：由自由度計算公式得F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×4＝1

即W＝F＞0，所以該機構(gòu)的運動是確定的。學(xué)習(xí)筆記任務(wù)二

如圖1-23所示，構(gòu)件1、2、3在同一軸線上，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，而從左視圖看，該機構(gòu)實際包含2個轉(zhuǎn)動副。顯然，由m個構(gòu)件構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)目應(yīng)為(m－1)個。自由度計算時應(yīng)注意的問題復(fù)合鉸鏈：由三個或三個以上構(gòu)件在同一處組成的軸線重合的多個轉(zhuǎn)動副學(xué)習(xí)筆記圖1-23復(fù)合鉸鏈(a)(b)(c)試計算如圖1-24所示慣性篩機構(gòu)的自由度，并判斷機構(gòu)原動件的數(shù)目W與其自由度數(shù)F是否相等，機構(gòu)的運動是否確定。任務(wù)分析：如圖所示慣性篩機構(gòu)中，C處為復(fù)合鉸鏈，有2個轉(zhuǎn)動副。該機構(gòu)具有2、3、4、5、6等5個活動構(gòu)件，轉(zhuǎn)動副A、B、C(2個)、D、E和移動副F，沒有高副。即n＝5，PL＝7，PH＝0。任務(wù)實施：由公式（1-1）得：F＝3n－2PL－PH＝3×5－2×7－0＝1

即W＝F＞0，所以該機構(gòu)的運動是確定的。任務(wù)三學(xué)習(xí)筆記圖1-24慣性篩機構(gòu)(a)

(b)在機構(gòu)中，不影響整個機構(gòu)運動的局部的獨立運動，稱為局部自由度。

局部自由度常見于將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子及軸承中的滾子等場合。

如圖1-25所示對心移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)。在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)當除去不計。局部自由度學(xué)習(xí)筆記圖1-25對心移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)

機構(gòu)中對運動不起獨立限制作用的對稱部分引入的約束為虛約束

對構(gòu)件上某點的運動所加的約束與該點本來的運動軌跡相重合時,該約束為虛約束。如圖1-26所示是有效虛約束。平面機構(gòu)中的虛約束常出現(xiàn)在以下場合：虛約束學(xué)習(xí)筆記圖1-26約束圖1-29軸線重合

的轉(zhuǎn)動副

不同構(gòu)件上兩點間的距離保持恒定（圖1-27），將此兩點用構(gòu)件和運動副連接，則會帶入虛約束。

如果兩個構(gòu)件組成多個移動方向一致的移動副（圖1-28），或兩個構(gòu)件組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副(圖1-29)時，只需考慮其中一處的約束，其余各處帶進的約束均為虛約束。圖1-27兩點間的距

離保持恒定圖1-28移動方向一

致的移動副學(xué)習(xí)筆記

機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分（如圖1-30所示）引入的約束為虛約束。虛約束雖不影響機構(gòu)的運動，但能增加機構(gòu)的剛性，改善其受力狀況，因而廣泛采用。學(xué)習(xí)筆記圖1-30行星輪對稱布置的差動齒輪系(a)(b)計算如圖1-31所示機構(gòu)的自由度，并判斷機構(gòu)原動件的數(shù)目W與其自由度F是否相等，機構(gòu)的運動是否確定。任務(wù)分析：如圖所示機構(gòu)中，既有復(fù)合鉸鏈，又有局部自由度，還有虛約束存在。經(jīng)分析

得n＝9，PL＝12，PH＝2。

任務(wù)實施：由自由度計算公式得F＝3n－2PL－PH＝3×9－2×12－2＝1；

即W＝F＞0，所以該機構(gòu)的運動是確定的。任務(wù)四

學(xué)習(xí)筆記圖1-31機構(gòu)學(xué)習(xí)測試與學(xué)習(xí)評價一、填空題1)一部完整的機器主要由動力部分、_______部分、_______部分和控制部分等四部分組成。2）構(gòu)件都在同一平面或_____________