機構結構分析

1、 第二章第二章 機構的結構分析和綜合機構的結構分析和綜合 21 研究機構結構的目的研究機構結構的目的22 機構的組成及其運動簡圖的繪制機構的組成及其運動簡圖的繪制23 機構自由度的計算機構自由度的計算24 平面機構的組成原理和結構分析平面機構的組成原理和結構分析25 平面機構的結構綜合平面機構的結構綜合21 研究機構結構的目的研究機構結構的目的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 目的是弄清機構包含哪幾個部分，各部分如何相目的是弄清機構包含哪幾個部分，各部分如何相聯(lián)？以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？聯(lián)？以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？

2、2.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。22 機構的組成機構的組成及其運動簡圖的繪制及其運動簡圖的繪制一、機構的組成要素一、機構的組成要素1.構件構件 (Link) 獨立的運動單元獨立的運動單元 零件零件(part)獨立的制造單元獨立的制造單元內燃機內燃機中的連桿 構件由零件組成2.運動副運動副 (Kinematic pair)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分（點、線、面）運動副元素直接接觸的部分（點、線、面）例如例如：滾動軸承滾動軸承、齒輪齒廓齒輪齒廓、活塞與

3、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生某些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(lián)接。相對運動的聯(lián)接。三個條件，缺一不可三個條件，缺一不可 運動副的分類1平面運動副 高副移動副回轉副低副 回轉副回轉副 移動副 高副下一頁2 空間運動副 球面副 螺旋副球面副 螺旋副1、面接觸接觸比壓低，承載能力大。 2、接觸面為平面或柱面便于加工，成本 低，便于潤滑。 3、引入二個約束。 運動副的特點 移動副移動副轉動副轉動副低副低副1、點、線接觸接觸比壓高， 承載能力小。高副高副 3、引入一個約束。2、接觸面為曲面不便于加工和潤滑。 常用運動副的符號常用運動副的符

4、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1212123. 運動鏈運動鏈 (Kinematic chain)運動鏈兩個以上的構件通過運動副的聯(lián)接運動鏈兩個以上的構件通過運動副的聯(lián)接而構成的系統(tǒng)。而構成的系統(tǒng)。工業(yè)工業(yè)機器人機器人閉式鏈閉式鏈 (Close chain) 、開式鏈開式鏈

5、(Open chain)若干若干1個或幾個個或幾個1個個4. 機構機構定義定義：具有確定運動的運動鏈中某一構件加以具有確定運動的運動鏈中某一構件加以固定而成為機架稱為機構固定而成為機架稱為機構 。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：機構機構機架機架原動件原動件從動件從動件機構是由若干構件經運動副聯(lián)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(shù)幾個

6、）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）動件按給定運動規(guī)律獨立運動的構件按給定運動規(guī)律獨立運動的構件。從動件從動件其余可動構件其余可動構件。三、三、機構運動簡圖的繪制機構運動簡圖的繪制1.機構運動簡圖機構運動簡圖 ( 運動副運動副-符號符號, 構件構件-簡單線條簡單線條 , 按比按比例定出各運動副位置例定出各運動副位置) 說明機構各構件間的相對運動關系的簡化圖形。說明機構各構件間的相對運動關系的簡化圖形。作用：作用： 1)表示機械的組成。表示機械的組成。 2)作為運動分析和動力分析的依據(jù)。作為運動分析和動力分

7、析的依據(jù)。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2.構件的表示方法構件的表示方法 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 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帶帶傳傳動動圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動3.常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號 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3.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(shù)目與實際相同構件數(shù)目與實際相同 2)運動副的性質、數(shù)目與實際相符運動副的性質、數(shù)目與實際相符 3)運動副之間的相對位

8、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 四桿機構 滑塊機構 導桿機構導桿機構正切機構正切機構1）先找首端原動件 再找尾端工作構件(確定構件數(shù))2）確定各構件之間的運動副種類及位置 “兩兩分析相對運動”3）代表回轉副的小圓，其圓心必須與相對運動 回轉中心重合。代表移動副的滑塊，其導路 方向必須與相對運動方向一致。4）比例、符號、線條、標號繪制機構運動簡圖的方法：例例1：繪制繪制破碎機破碎機的機構運動簡圖。的機構運動簡圖。1234例例2: 繪制圖示繪制圖示偏心泵偏心泵的的運動簡圖運動簡圖偏心泵偏心泵

9、動畫23 、機構具有確定運動的條件、機構具有確定運動的條件給定構件給定構件3 3位移規(guī)律位移規(guī)律S S3 3(t)(t)，一個獨立運動參數(shù)一個獨立運動參數(shù)構件構件1.21.2唯一確定，該機唯一確定，該機構僅需要一個獨立參數(shù)。構僅需要一個獨立參數(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，該機構需要兩個獨立參數(shù)參數(shù) 。S3123S31 112341 14 4機構的自由度是保證機構具有確定運動時所必須給機構的自由度是保證機構具有確定

10、運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)定的獨立運動參數(shù)。一個原動件只能提供一個獨立運動參數(shù)一個原動件只能提供一個獨立運動參數(shù)機構具有確定運動的必要條件為：機構具有確定運動的必要條件為：自由度自由度(F)(F)原動件數(shù)原動件數(shù) 。原動件數(shù)目，運動確定原動件數(shù)目，不能動。運動不確定。原動件數(shù)目運動鏈不能運動。FFFFF,0024 機構自由度的計算機構自由度的計算一、平面機構自由度的計算公式一、平面機構自由度的計算公式y(tǒng)x(x , y)單個自由構件的自由度為單個自由構件的自由度為 3 3低副低副 引入二個約束。 高副高副 引入一個約束?；顒訕嫾?shù)活動構件數(shù) 構件總自由度構件總自由度 低副約束數(shù)低副約束數(shù) 高

11、副約束數(shù)高副約束數(shù) n 3n 2 PL 1 Ph (低副數(shù)低副數(shù)) (高副數(shù)高副數(shù)) 計算公式：計算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：記住上述公式，并能熟練應用。要求：記住上述公式，并能熟練應用。舉例：舉例：計算曲柄滑塊機構的自由度。計算曲柄滑塊機構的自由度。123解：活動構件數(shù)解：活動構件數(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=04計算五桿鉸鏈機構的自由度。計算五桿鉸鏈機構的自由度。1解：活動構件數(shù)解：活動構件數(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=05234計算圖示凸輪機構的自由

12、度。計算圖示凸輪機構的自由度。1解：活動構件數(shù)解：活動構件數(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)PH=1231.復合鉸鏈復合鉸鏈 multiple pin joints 兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯(lián)。兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯(lián)。 m個構件個構件,有有m1轉動副。轉動副。三、三、計算機構自由度時應注意的事項計算機構自由度時應注意的事項12345678ABCDEF計算圖示圓盤鋸機構的自由度。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解：活動構件數(shù)解：活動構件數(shù)n=7低副數(shù)低副數(shù)PL= 在在B、C、D、E四處應各有四處應各有 2 個個運動副。運動副。F

13、=3n 2PL PH =37 2100 =1圓盤鋸機構圓盤鋸機構 動畫2.局部自由度局部自由度 Partial freedom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。計算圖示兩種滾子凸輪機構的自計算圖示兩種滾子凸輪機構的自由度。由度。解：解：n= 3PL= 3F=3n 2PL 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=112312 F=32 22 1 =1局部自由度局部自由度出現(xiàn)在加裝滾出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應剛子的場合，計算時應剛化滾子化滾子1231

14、2解：解：n=4,PL=6,F=3n 2PL PH =34 26 =0 1234ABCDEFPH=0 FEAB CD ，故增加構件，故增加構件4前后前后E點的軌跡都是圓點的軌跡都是圓弧，弧，增加的約束不起限制作用，應去掉構件增加的約束不起限制作用，應去掉構件4。已知：已知： AB CD EF，計算圖示平行四邊形機構，計算圖示平行四邊形機構的自由度。的自由度。 3.虛約束虛約束 formal constraint 對機構的運動只起重復限制作用的約束，稱為對機構的運動只起重復限制作用的約束，稱為虛約束。虛約束。計算自由計算自由度時應去掉產生虛約束的構件或除去虛約束。度時應去掉產生虛約束的構件或除去

15、虛約束。重新計算：重新計算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1E123ABCD4F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： ABCDEF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。 4F4 平面機構中的虛約束常出現(xiàn)下列場合：1、兩構件在多處構成移動副，且導路重合或平行。 2、兩構件在多處構成轉動副， 且軸線重合3、法線始終重合的高副注意：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！4、兩構件在相聯(lián)接點的軌跡 重合064HL ppn、0)062(43)2(

16、3HL ppnF043HL ppn、1)042(33)2(3HL ppnF5、機構中對傳遞運動不起獨 立作用的對稱部分655HL ppn、1) 652(53)2(3HL ppnF233HL ppn、1) 232(33)2(3HL ppnF例題分析 例1-5 計算圖示機構的自由度，并指出復合鉸鏈、局部自由度和虛約束。 197HL ppn、2) 192(73)2(3HL ppnF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。n=6， PL= 7，F(xiàn)=3n 2PL PH =36 27 3 =1局部自由度局部自由度 2個個虛約束虛約束 1處處, 去掉后去掉后復合鉸鏈復合鉸鏈:位置位置

17、D ，2個個低副低副PH= 3分析：分析：四、空間機構自由度簡述四、空間機構自由度簡述 若若n個活動構件中有個活動構件中有P1個一級副；有個一級副；有P2個個二級副；有二級副；有P3個三級副；有個三級副；有P4個四級副；有個四級副；有P5個五級副，則可得空間機構的自由度公式：個五級副，則可得空間機構的自由度公式： F=6n5P54P43P32P2P1 (2-2) 公共約束是機構中所有構件共同失去的公共約束是機構中所有構件共同失去的自由度，設公共約束數(shù)為，則可得如下機自由度，設公共約束數(shù)為，則可得如下機構自由度計算公式：構自由度計算公式： F=(6m)n(im)Pi24 平面機構的組成原理和結構

18、分析平面機構的組成原理和結構分析一、平面機構的組成原理一、平面機構的組成原理 1.1.最簡單的機構（雙桿機構）最簡單的機構（雙桿機構） 由一個原動件和一個機架組成的機構。由一個原動件和一個機架組成的機構。 a)原動件作移動原動件作移動 (如直線如直線 電機、流體壓力作動筒電機、流體壓力作動筒)。21 b)原動件作轉動原動件作轉動 (如電動如電動 機機)。212.2.基本桿組基本桿組現(xiàn)設想將機構中的原動件和機架與從動件系統(tǒng)分現(xiàn)設想將機構中的原動件和機架與從動件系統(tǒng)分開，則剩下的從動件系統(tǒng)必有開，則剩下的從動件系統(tǒng)必有F0。將從動件系。將從動件系統(tǒng)繼續(xù)拆分成更簡單統(tǒng)繼續(xù)拆分成更簡單F0的構件組，直

19、到不能再的構件組，直到不能再拆為止。拆為止。 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(shù)自由度原動件數(shù)自由度。 機構機構機架機架原動件原動件從動件系統(tǒng)從動件系統(tǒng)0F個個F0定義：最簡單的定義：最簡單的F0的構件組，稱為的構件組，稱為基本桿組基本桿組。F=1F=07舉例：舉例：將圖示八桿機構拆分成機架、原動件和基本桿將圖示八桿機構拆分成機架、原動件和基本桿組。組。1324568任何一個平面機構都可以看作是在機架和原動任何一個平面機構都可以看作是在機架和原動件的基礎上，依次添加若干個基本桿組所形成件的基礎上，依次添加若干個基本桿組所形成的。的。這就是機構的組成原理這就是機構的組成原理

20、結論：結論：該機構包含機架、一個原動件和兩個基該機構包含機架、一個原動件和兩個基本桿組，換句話說，將兩個基本桿組添加到機本桿組，換句話說，將兩個基本桿組添加到機架和原動件構成的雙桿機構上，形成了該八桿架和原動件構成的雙桿機構上，形成了該八桿機構。機構。3.桿組的分類桿組的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 (低副機構中低副機構中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 2 4 PL 3 6 n=2 的桿組稱為的桿組稱為級組級組應用最廣而又最應用最廣而又最簡單的基本桿組。共有簡

21、單的基本桿組。共有 5 5 種類型種類型 n=4 （PL6 6）的桿組有多種類型，如）的桿組有多種類型，如: :以上三種形式稱為以上三種形式稱為級組級組。結構特點：其中心。結構特點：其中心構件有三個運動副元素。構件有三個運動副元素。典型典型級組：級組：下面的形式稱為下面的形式稱為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個構件構成四個構件構成四邊形結構。邊形結構。內端副內端副桿組內部相聯(lián)。桿組內部相聯(lián)。外端副外端副與組外構件相聯(lián)。與組外構件相聯(lián)。4.機構的級別機構的級別機構按所含最高桿組級別命名，如機構按所含最高桿組級別命名，如級機構，級機構，級機構等。級機構等。

22、桿組中含有構 件及運動副數(shù)桿 組 型 式n=2p=3二桿三副（II級桿組）（1）RRR （2）RRP （3）RPR （4）PRP （5）RPP n=4p=6四桿六副（部分、IV 級桿組）（1） （2） 二、平面機構的結構分析二、平面機構的結構分析 機構結構分析就是將已知機構分解為原動件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構的組成，并確定機構的級別。機構結構分析的步驟是： 1)計算機構的自由度并確定原動件。計算機構的自由度并確定原動件。 2)拆桿組。拆桿組。要從遠離原動件處開始拆，盡量拆成要從遠離原動件處開始拆，盡量拆成二級組，拆后剩余部分還應是一個完整的機構。二級組，拆后剩余部分還應是一個完整的

23、機構。 3)確定機構的級別確定機構的級別。 例2-5計算圖2-16所示機構的自由度，并確定機構的級別。 解：該機構無虛約束和局部自由度，解：該機構無虛約束和局部自由度， F=3527=1 該機構為該機構為II級機構級機構。必須強調指出：必須強調指出： 1)桿組的各個外端副不可以同時加在桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構件上，否則將成為剛體。如：同一個構件上，否則將成為剛體。如： 2)機構的級別與原動件的選擇有關。機構的級別與原動件的選擇有關。7圖示八桿機構，圖示八桿機構，1為原動件，試對其進行結構分析。為原動件，試對其進行結構分析。若若6或或7為原動件，結果一樣嗎？為原動件，結果一樣嗎？1

24、324568或或7為原動件時級機構6 6為原動件時級機構67三、平面機構的高副低代三、平面機構的高副低代1 高副低代的條件高副低代的條件1）代替前后機構的自由度完全相同。）代替前后機構的自由度完全相同。2）代替前后機構的運動狀況（位移，速度，加速度）相）代替前后機構的運動狀況（位移，速度，加速度）相同。同。2 高副低代的方法高副低代的方法 找出構成高副的兩輪廓曲線在接觸點處的曲率中心，然后找出構成高副的兩輪廓曲線在接觸點處的曲率中心，然后用一個構件和位于兩個曲率中心的兩個轉動副來代替該高副。用一個構件和位于兩個曲率中心的兩個轉動副來代替該高副。如圖如圖2-17所示，構件所示，構件1和構件和構件

25、2分別為繞和轉動的兩個圓分別為繞和轉動的兩個圓盤，兩圓盤的圓心分別為盤，兩圓盤的圓心分別為O1、O2，半徑為，半徑為R1、R2，它們在，它們在C點構成點構成高副，當機構運動時，替代機構如圖中虛線所示。圖高副，當機構運動時，替代機構如圖中虛線所示。圖2-18所示機構所示機構的替代機構也如該圖中虛線所示。的替代機構也如該圖中虛線所示。圖217圖218 3 高副低代的兩種特殊情況高副低代的兩種特殊情況 1）如果兩接觸輪廓之一為直線，替代轉動副演化成移）如果兩接觸輪廓之一為直線，替代轉動副演化成移動副，如圖動副，如圖2-19所示。所示。 2）若兩接觸輪廓之一為一點，其替代方法如圖）若兩接觸輪廓之一為一

26、點，其替代方法如圖2-20所所示。示。圖 2-19 圖220 2-5 平面機構的結構綜合平面機構的結構綜合 2-5 Structure synthesis of planar mechanism 根據(jù)機構的輸入特性與輸出特性的要求設計機構根據(jù)機構的輸入特性與輸出特性的要求設計機構運動簡圖的過程一般稱為運動簡圖的過程一般稱為機構綜合機構綜合。機構綜合過程。機構綜合過程中，首先要按機構特性的要求選擇機構型式，稱為中，首先要按機構特性的要求選擇機構型式，稱為結結構綜合（型綜合）構綜合（型綜合）。綜合平面機構時，如果沒有虛約。綜合平面機構時，如果沒有虛約束，則只須往原動件和機架（即束，則只須往原動件和

27、機架（即I級機構）上聯(lián)接自由級機構）上聯(lián)接自由度等于零的基本桿組。這種結構綜合的方法稱為度等于零的基本桿組。這種結構綜合的方法稱為基本基本桿組疊加法桿組疊加法。 與與I級機構聯(lián)接的最少構件數(shù)應為級機構聯(lián)接的最少構件數(shù)應為1，該種組合形，該種組合形成了只有一個從動件的機構。可形成成了只有一個從動件的機構。可形成移動從動件凸輪移動從動件凸輪機構機構、擺動從動件凸輪機構或、擺動從動件凸輪機構或齒輪機構齒輪機構。 當與當與I級機構聯(lián)接的構件數(shù)等于級機構聯(lián)接的構件數(shù)等于2，機構結構綜合，機構結構綜合的解已較多。沒有高副時，共有五種形式。若把這五的解已較多。沒有高副時，共有五種形式。若把這五種形式的種形式的II級桿組分別聯(lián)接到級桿組分別聯(lián)接到I級機構上，相應地便可級機構上，相應地便可形成五種不同機構，如圖形成五種不同機構，如圖2-21所示所示。 四桿機構 滑塊機構 導桿機構導桿機構正切機構正切機構圖 2-22平面機構如果沒有高副，可將基本桿組與平面機構如果沒有高副，可將基本桿組與I級機構和機架聯(lián)接，級機構和機架聯(lián)接，即可得到各種類型的機構。如圖即可得到各種類型的機構。如圖2-22的破碎機機構就是由兩個的破碎機機構就是由兩個II級桿組和級桿組和I級機構串聯(lián)構成。級機構串聯(lián)構成。練習：練習：22頁頁2-2、作業(yè)：作業(yè)：22頁頁2-3、 2-4、 2-5.思考題：思考題： 1）機構的結構