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1、第二章 机构的组成 原理与结构分析,2.1 基本概念,2.2 机构运动简图,2.3 平面机构的自由度,本章目录,下一页,上一页,退出,总目录,2.4平面机构的组成原理与结构分析,2.5 空间机构的自由度,本章重点:,机构自由度的计算 机构具有确定运动的条件 机构的结构分析,本章难点:,机构运动简图的绘制,2.1 基本概念,2.1.1 构件,构件与零件的区别,运动单元体,加工制造单元体,机器中独立的运动单元体,从运动观点看：机构由构件组成 从制造观点看：机构由零件组成,构件可以由一个零件组成，也可以由几个零件组成,内燃机,2.1.2 运动副,两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接称为运动副,
2、运动副元素,参与接触而构成运动副的部分,运动副的特点：既限制了两构件的某些相对运动，又允许一定的相对运动,点、线、面,运动副的分类,转动副 移动副,平面运动副,空间运动副,低副：面接触,平面高副：点、线接触,球副、球销副、圆柱副、螺旋副,转动副,一个独立的相对运动,应用：铰链四杆机构,画法：,平面运动副,移动副,一个独立的相对运动,画法：,应用：曲柄滑块机构,平面运动副,平面高副,二个独立的相对运动,凸轮副,齿轮副,平面运动副,画法：,空间运动副,三个独立的相对转动,球副,球销副,二个独立的相对转动,圆柱副,二个独立的相对运动,螺旋副,一个独立的相对运动,空间运动副,2.1.3 运动链,若干构
3、件通过运动副连接而成的系统称为运动链。,闭链 运动链中每个构件至少包括两个运动副元素，构成首末封闭的系统。用于各种机械。 开链 运动链中有的构件只包含一个运动副元素，构成首末封闭的系统。用于机械手，挖掘机等多自由度机械。,运动链的分类,运动链,开链,闭链,闭链,机架,主动件,从动件,从动件,运动链怎样成为机构？,运动链成为机构的条件,具有一个机架 具有一个或少数几个作独立运动的构件主动件 从动件的运动规律应完全确定,2.2 平面机构的运动简图,用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，这种表明机构各构件间的相对运动关系的简化图形称为机构运动简图。,常用构件的表示方
4、法,轴、杆类构件:,机架:,构件间的永久联接:,常用构件的表示方法,具有两个运动副元素的构件双副构件,具有三个运动副元素的构件三副构件,齿轮传动的表示法,凸轮机构中的凸轮和滚子的表示法,机构运动简图的画法,分析机构的动作原理、组成情况及运动情况，找出其主动件、机架、从动件； 按照运动传递的路线，判断运动副的形式； 选择投影面（多数构件的运动平面）； 选择适当的比例尺绘制机构运动简图。,抽水唧筒,码头吊车,牛头刨床,例21 绘制液压泵的机构运动简图,A,B,C,4,2.3 平面机构的自由度,2.3.1 构件的自由度,A,B,确定平面构件的位置需要三个独立参数 x, y, ,自由度：确定构件位置所
5、需的独立参数的数目或构件所具有的独立运动的数目。,一个做平面运动的自由构件自由度=3,约束：对独立运动所加的限制。,2.3.2 运动副的约束特点,高副,约束特点 约束数目,x,y方向移动,y方向移动 2 绕z轴的转动,y方向移动 1,转动副,移动副,2,2.3.3 机构的自由度,机构所具有的独立运动的数目,公式：,n 活动构件数（总构件数N-1） pl 低副数； ph 高副数,例：计算下列机构或运动链的自由度,n=2,pl=3,ph=0,F=3n- 2pl - ph=0,n=4,pl=6,ph=0,F=3n- 2pl - ph=0,F= 0 桁架 构件间无相对运动,n=2,pl =2,F=3n
6、- 2pl - ph=1,ph=1,n=3,pl=4,ph=0,F=3n- 2pl - ph=1,主动件数=自由度 机构有确定运动,主动件数自由度 机构被破坏,F=3n- 2pl - ph=2,n=4,pl=5,ph=0,主动件数自由度 机构无规则运动,主动件数=1,主动件数=2,主动件数=自由度 机构有确定运动,2.3.4 机构具有确定运动的条件,机构的主动件数机构的自由度数,机构具有确定运动的条件就是,F 0,桁架 构件间无相对运动,F 0, 机构被破坏 机构无规则运动 机构有确定运动,?,n=5,pl=6,ph=0,F=3n- 2pl - ph=3,2.3.5 计算机构自由度时应注意的问
7、题,1.复合铰链,1,2,3,1,2,3,复合铰链数=构件数-1,两个以上构件同时在一处以转动副相联接就构成了复合铰链,n=5,pl=7,ph=0,F=3n- 2pl - ph=1,n=5,pl=6,ph=0,F=3n- 2pl - ph=3,2.局部自由度,n=3,pl=3,ph=1,F=3n- 2pl - ph=2,?,个别构件所具有的，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度,去掉局部自由度,n=2,pl=2,ph=1,F=3n- 2pl - ph=1,1.设想将滚子与推杆固结在一起，视为一个构件,2.直接在公式中去除局部自由度,F=3n- 2pl ph-1=33-23-1-1=1,3.
8、虚约束,n=4,pl=6,ph=0,F=3n-2pl - ph=0,?,不起独立限制作用的重复约束称为虚约束,A,B,C,D,E,F,AB EF CD,去掉虚约束,n=3,pl=4,ph=0,F=3n- 2pl - ph=1,轨迹重合,不同构件上两点距离恒定,1,2,3,4,5,A,D,B,C,E,F,两构件组成多个转动副，且轴线重合,两构件组成多个移动副，且导路平行,两构件组成多个高副，且接触点之间距离为常数,对运动不起作用的对称部分,F=3n 2pl ph=33 23 2=1,公共约束,F=(3-1)n-(2-1)pl,由于运动副的特殊组合和特殊布置，使得机构中所有构件同时受到某些约束而共
9、同丧失了一些独立运动的可能性，一般就把这类约束称为公共约束。,例题：计算机构的自由度,=37- 29 -1 =2,F=3n- 2pl - ph,A,B,C,D,E,E,F,O,G,课外题,A,B,C,D,(a),A,B,C,D,E,F,A,B,C,D,(b),(d),课外题,A,B,C,D,(a),A,B,C,D,E,F,(b),n=4,pl=5,ph=1,F=3n- 2pl - ph=1,注：A处有复合铰链,n=4,pl=5,ph=1,F=3n- 2pl - ph=1,注：B处有局部自由度, F处有虚约束,A,B,C,D,(d),n=5,pl=7,ph=0,F=3n- 2pl - ph=1,
10、注：B处有复合铰链,n=6,pl=7,ph=3,F=3n- 2pl - ph=1,注：B,C,D处有复合铰链,2.4 平面机构的组成原理和结构分析,2.4.1 机构的组成原理,机构=机架+主动件+从动件组,F机构 =,F机构=F机架+F主动件+F从动件组,=0,F=3527=1,F=1,F=3426=0,机构的组成原理,+,F=3527=1,F=1,F=3223=0,+,+,机构的基本杆组,最后不能再拆的、最简单的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于主动件和机架上而构成的。,机构的组成原理,机构的组成原理,机构的创新设计,全部由低副组成的基本杆
11、组满足的条件：,级杆组： n=2, pl =3 （二杆三副）,2.4.2 机构的结构分析,F3n - 2pl =0 即 pl = 3n/2,()级杆组： n=4, pl =6,拆杆组,级杆组的形式,PRP,RPP,RRR,RRP,RPR,R-revolute pair P-prismatic pair,（五种）,n=2, pl =3,级杆组的形式: n= 4 , pl = 6,中间是1个三副构件，外部是3个双副构件；,3+3=6,1+3=4,有3个内副，3个外副。,特点:,1+3=4,3+3=6,级杆组的形式：,特点：有4个内副,n=4, pl =6,机构的级别,机构中杆组的最高级别即为机构的
12、级别 级机构：全部是级杆组 级机构：最高杆组是级杆组,1.除去机构中的虚约束和局部自由度，算出机构自由度并指出主动件； 2.拆去主动件和机架； 3.从与主动件相连接的运动副开始，向与机架相连接的运动副方向搜索，找出外运动副已知的级或级杆组； 4.从与已拆下的前一级杆组相连接的运动副开始，重复上步过程，直至拆出全部基本杆组； 5.根据所拆分出的基本杆组的最高级别，确定该机构的级别。,拆杆组的步骤,级机构,例题：分析牛头刨床的结构并确定该机构的级别,RPR,RRP,运动链中，选不同的构件做机架和主动件，可得到完全不同的机构。,1,2,3,4,5,6,机架变换和主动件的选择,选6为机架，1为主动件,
13、级机构,1,2,3,4,5,6,选6为机架，4为主动件,级机构,1,2,3,4,5,6,选2为机架，1为主动件,1,2,3,4,5,6,级机构,例题：拆分杆组，确定机构的级别。,级机构,2.4.3 平面低副的同性异形演化,2.4.3.1 移动副的同性异形演化,(1) 组成移动副两元素的包容面与被包容面可互换,(2) 组成移动副的方位线可平移,A,B,C,D,组成移动副的方位线可平移,2.4.3.1 转动副的同性异形演化,A,A,2,1,3,2,3,1,B,B,2.4.3.1 转动副的同性异形演化,2.4.4 平面机构中的高副低代,1.高副低代：将机构中的高副根据一定的条件虚拟地 以低副加以代替
14、。,2. 应满足的条件：,若两接触轮廓均为曲线,高副低代的方法:用两个转动副和一个构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。,若两接触轮廓之一为一点,若两接触轮廓之一为直线,作业,P27: 2-2（g图除外） 2-3（d图除外） 2-4,注意: 2-2（d图的三个圆是齿轮）,习题,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,C,O1,B,O1齿轮、曲柄的转轴, 齿轮、曲柄为一个构件 A1、2的转动中心 6齿轮与凸轮一体 5局部自由度滚子,1-9转动副 1-2转动副 1-6高副 2-3转动副 3-4转动副 3-9移动副 5-6高副 6-9转动副 4-7移动副 7-8转动副 8-9移动副 4-5转动副,活动构件n=91（机架）,pl=9,F=3n-2pl-ph=1,1（局部自由度）=7,ph=2,A,B,C,D,F=34-26=0,F=33-24=1,F=33-24-1=0,不能运动,F=34-25-1=1,修改方案：加一个构件和一个低副,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,F=34-26=0，不能运动,F=35-27=1,F=36-28=2,F=35-27=1,F=36-28=2,F=35-27=1,Goodbye,
