1、1,第一章机构的结构设计,主要研究内容构件间可动联接(Movable connector)的型式及其运动和传力特征。构件与可动联接所构成的系统，应满足什么条件才能成为具有确定相对运动规律的机构。获取满足一定自由度要求的机构的方法(即机构结构创新设计的途径与方法)。机构的结构分析与分类。,2,1. 构件(Link) 机械的运动单元，传递运动和力的载体。 实例：内燃机中的缸体、活塞、连杆、曲轴等。,第一节机构的组成,3,一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性联接组成。,零件(Part)是机械的制造单元。,内燃机连杆,4,2. 运
2、动副(Kinematic pair) 两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。运动副元素(Pair element)两个构件上相互接触的表面。约束(Constraint)运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。,5,一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度(Degree of freedom, Mobility)为sx，sy，sz，x，y，z ，即自由度数 f 6。,平面运动刚体的自由度为sx，sy，z，即自由度数 f 3。,刚体的自由度,6,观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pair),两构件保留的相对运动sz和z，即自由度数 f 2。两构件之间受限
3、制的相对运动sx，sy ，x和y，即约束数 s 4。两构件之间可以传递的力（力矩） Px，Py，Mx，My结论几何约束与力约束本质上是一致的，是可以相互替代的。,7,特点具有较多的自由度，易于构件的自动调整，保持静定特性。接触应力大，易变形、易磨损、承载能力低。制造比较困难。适用场合结构简单，运动精度要求较高，受力较小。,构件的不同接触形式点接触(Point contact),点接触，f 5,s 1,线接触，f 4,s 2,线接触(Line contact),8,面接触(Area contact)特点相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。运动副的自由度一般较低，其接触状况对尺寸、形状及相对位
4、置误差十分敏感，实际接触及受力状况难以准确确定，需要较高的制造精度。 保证运动副可靠工作的措施 提高表面硬度 正确选用材料 添加润滑剂 加入中间体,将滑动摩擦改为滚动摩擦,9,运动副的分类 按运动副引入的约束数分类 I级副(Class I kinematic pair)、II级副、III级副、IV级副、V级副。 按运动副的接触形式分类 面与面接触的运动副低副(Lower pair) 点、线接触的运动副高副(Higher pair) 按两构件相对运动的形式分类 平面运动副(Planar kinematic pair) 空间运动副(Spatial kinematic pair) 按接触部分的几何形
5、状分类 圆柱副、球面副、螺旋副、球面平面副、平面平面副、球面圆柱副、圆柱平面副等等。,10,运动副举例,球面平面副Sphere-plane pair空间I 级高副,圆柱平面副Cylinder-plane pair空间II 级高副,11,球面副Spherical pair空间III 级低副,球销副Sphere-pin pair空间IV 级低副,12,圆柱副Cylindric pair空间IV 级低副,螺旋副Helical pair空间V 级低副,13,转动副Revolute pair平面V 级低副,轴承Bearing,铰链Hinged joint,14,移动副Prismatic pair, Sl
6、iding pair平面V 级低副,15,平面机构是应用最广泛的机构。 平面运动副的约束数为1 s 2。 点、线接触的平面运动副平面高副,面接触的平面运动副平面低副转动副移动副,滚动副凸轮副齿轮副,16,运动副的封闭 保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。 几何封闭(Geometric closure) 力封闭(Forced closure),弹簧力封闭,重力封闭,17,3. 运动链(Kinematic chain)两个以上构件用运动副联接的构件系统。,18,开式运动链(Open kinematic chain),开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。,19,4. 机构,机构,20,曲柄滑
7、块机构,摇块机构,导杆机构,运动链的生成是创造、获取新机构的重要手段。运动链的设计只关注构件数和联接这些构件的运动副的数量和类型，所以又称为机构的型数综合(Type and number synthesis)。,同一运动链可以生成的不同机构,21,构件的类型原动件(Driving link)机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件(Input link)。从动件(Driven link, Follower)其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件(Output link)或执行构件(Executive link)。机架(Fixed link,Fram
8、e)固定不动的构件。,机构,机架 原动件 从动件系统,22,根据机构中各构件的相对运动是否在同一平面或平行平面内，可将机构分为平面机构(Planar mechanism)和空间机构(Spatial mechanism)。,空间RSRC机构,球面4R机构,空间RSSP机构,平面机构是我们的主要研究对象。,23,1. 运动简图机构运动简图(Kinematic sketch)是从运动学角度出发，将实际机械中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到的反映实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。机构运动简图应满足的条件： 构件数目与实际机构相同； 运动副的性质、数目与实际机构相符； 运动副之间的相对位置以
9、及构件尺寸与实际机构成比例。机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结构特征。,第二节机构运动简图,24,常用运动副的符号,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,平面运动副,两构件之一为固定时的运动副,运动副名称,25,平面高副,螺旋副,球面副球销副,空间运动副,平面运动副,26,构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,27,三副构件,两副构件,构件的表示方法,28,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,29,常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）,30,常用机构运动简图符号（续）,31,常用机构运动简图符号（续）,32,2. 机
10、构运动简图的绘制步骤： 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定原动件、机架、执行部分和传动部分。 沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。 选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机构运动简图的视图平面。 选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺l(mmm)，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。 从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。,33,颚式破碎机,平面机构运动简图绘制举例,偏心泵,34,1. 运动链的自由度计算运动链的自由度确
11、定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需的独立参变量的数目。 考察由N个构件组成的运动链，活动构件数 n=N-1。空间运动,运动链自由度：,构件总自由度6n,I级副约束数p1,II级副约束数2p2,III级副约束数3p3,IV级副约束数4p4,V级副约束数5p5,第三节运动链成为机构的条件,35,具有q个公共约束的运动链，其自由度计算公式为：,平面运动链 q = 3，其自由度计算公式为：,36,运动链自由度计算举例,例1 缝纫机脚踏板运动链自由度计算,例2 平面四杆运动链自由度计算,分析：n 3，p5 2，p4 1，p3 1计算：F63(314152) 1只要给定1个独立位置参数，各构件间
12、的相对位置关系就确定了。,分析：n 3，q 3，p5 4计算：F 3n 2pL pH 3324 1只要给定1个独立位置参数，各构件间的相对位置关系就确定了。,37,2. 运动链成为机构的条件 判断所设计的运动链是否能成为机构，是提出新的设计方案时自行评价方案可行性的关键步骤。,F3n2pLpH3325 1 该运动链约束过多，成为超静定桁架，不能成为机构。,F3n2pLpH32230 运动链为一刚性桁架，不能成为机构。,运动链成为机构的首要条件： 运动链自由度必须大于零。,38,在F0的条件下，进一步判断运动链是否具有确定的运动。平面五杆运动链,F3n2pLpH 3425 2 原动件数F,运动链
13、内部的运动关系不确定。运动链不能成为机构。,原动件数F,运动链内部各构件运动关系确定。运动链成为机构。,39,平面四杆运动链,F3n2pLpH3324 1原动件数F，运动链内部的运动关系将发生矛盾，其中最薄弱的构件将会损坏。运动链不能成为机构。,原动件数F，运动链内部各构件运动关系确定。运动链成为机构。,40,运动链成为机构的条件是：取运动链中一个构件相对固定作为机架，运动链相对于机架的自由度必须大于零，且原动件的数目等于运动链的自由度数。满足以上条件的运动链即为机构，机构的自由度可用运动链自由度公式计算。,41,直线机构,计算错误的原因：,3. 计算机构自由度时应注意的问题,举例直线机构自由
14、度计算,解 n7，pL6，pH0 F3n2pLpH37269错误的结果！,两个转动副,42, 复合铰链(Compound hinges) 定义：两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。k个构件组成的复合铰链，有(k-1)个转动副。,正确计算 B、C、D、E处为复合铰链，转动副数均为2。 n7，pL10，pH0 F3n2pLpH372101,43,准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,两个转动副,44,未考虑局部自由度时的机构自由度计算。 F3n2pLpH332312, 局部自由度(Passive
15、degree of freedom) 定义：机构中某些构件所具有的仅与其自身的局部运动有关的自由度。,考虑局部自由度时的机构自由度计算。设想将滚子与从动件焊成一体F322211计算时减去局部自由度FPF332311(局部自由度)1,45, 虚约束(Redundant constraint, Passive constraint) 定义：机构中不起独立限制作用的重复约束。 计算具有虚约束的机构的自由度时，应先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除去。虚约束发生的场合, 两构件间构成多个运动副,46, 两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变,未去掉虚约束时F3n2pLpH34260,附加
16、的构件5和其两端的转动副E、F提供的自由度F3122 1即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F3n2pLpH33241,?,47, 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合,附加的构件4和其两端的转动副E、F以及附加的构件1和其两端的转动副A、B提供的自由度F3122 1即引入了一个约束，但这个约束对机构的运动不起实际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后F 3n2pLpH33241,平行四边形机构,椭圆仪机构,构件2和4在E点轨迹重合,构件1和2在B点轨迹重合,48, 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分,对称布置的两个行星轮2和2以及相应的两个转动副D
17、、C和4个平面高副提供的自由度F322214 2即引入了两个虚约束。 未去掉虚约束时F 3n2pLpH352516 1,行星轮系,去掉虚约束后,F 3n2pLpH3323121,49,虚约束的作用 改善构件的受力情况，分担载荷或平衡惯性力，如多个行星轮。 增加结构刚度，如轴与轴承、机床导轨。 提高运动可靠性和工作的稳定性，如机车车轮联动机构。,注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成实际有效的约束，从而使机构不能运动。,50,例3 计算包装机送纸机构的自由度,分析活动构件数,n9,复合铰链,虚约束,运动副D,1处,去掉局部自由度和虚约束,局部自由
18、度,n6，pL7，pH3F3n2pLpH3627131,滚子3、8绕自身轴线的转动,2个转动副,杆9和运动副F、I引入一个虚约束,51,第四节 平面运动链与机构的结构设计,1. 平面运动链的结构设计 机构的构件数n、运动副数pk与自由度数F之间存在着一定的关系。运动链结构设计（机构的型数综合）的目的确定在满足一定自由度的前提下运动链的所有结构形式，从而获得能满足各种工作要求的机构。这是机构创新设计(Creative design)的基本途径。假定所有运动副为单一转动副。平面机构自由度计算公式简化为F3n2pL3(N1)2p自由度F是机构型数综合的目标。,52,2. 运动链结构公式推导法改写前述
19、公式,p，N均应为正整数，因此 当F为奇数时，构件N必为偶数；反之，当F为偶数时，构件 数N必为奇数。 当F1时，N必须大于2。,结论对于F=1的面闭链机构构件数N必为4，6，8，10，等；对应的运动副数p为4，7，10，13，等。由kpN1可知，对于410杆运动链，对应的封闭回路数为1，2，3，4，。,53,F=1的运动链 N32N45N5N4 NN2N3N4N5式中，Nk表示k副构件的数目。,自由度F1的6杆运动链的可能结构型,54,第五节 按基本杆组的机构结构综合与结构分析,1. 机构结构综合的基本杆组法 基本思路,驱动杆组(Driving groups),基本杆组(Basic grou
20、ps),机构,由原动件和机架组成，自由度等于机构自由度,不可再分的自由度为零的构件组合,核心问题：如何获得各种F0的基本杆组？,55,基本杆组应满足的条件F3n2pL0 即 n (23)pL,基本杆组的构件数n 2，4，6，基本杆组的运动副数pL 3，6，9，, n2，pL3的双杆组(II级组),内接运动副,外接运动副,R-R-R组,R-R-P组,R-P-R组,P-R-P组,R-P-P组,56, n4，pL6的多杆组 III级组,结构特点 有一个三副构件，而每个内副所联接的分支构件是两副构件。,57, IV级组,不同级别的杆组，其构形的难度和位置解的数量都很不相同，从而决定了由它们所构成的机构
21、可能实现的运动规律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。,结构特点 具有两个三副构件，杆组的四个内副形成四边形。,58,杆组不同的构形解即各构件的相对位置解，又称为杆组的装配模式(Assemble modes)。,杆组的构形解,II级组有两种装配模式，为ABC或ABC。,III级组的装配模式多达六种。,由不同级别的基本杆组组成的机构，其分析设计的复杂程度不一样。为此，常根据机构中的杆组级别来确定机构的级别。,59,2. 机构的组成原理基本概念基本机构仅由一个基本杆组构成的机构。复合机构由一个以上基本杆组构成的机构。按基本杆组的机构结构综合步骤 按自由度要求设计出驱动杆组； 将基本杆组依
22、次联接到原动件、机架上，或者机架和其它基本杆组的构件上，组成机构。,60,机构结构组成举例,注意 杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。,61,在进行新机械方案设计时，可以按设计要求由杆组组成机构，进行创新设计。,62,3. 机构的结构分析在对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和力分析时，通常需要对机构进行结构分析。问题核心正确划分出机构组成的基本杆组机构的结构分析过程与机构的组成过程相反。,63,步骤 计算机构的自由度，确定原动件。 将机构中的高副用低副替代。 从传动关系上离原动件最远的输出构件开始，依次进行试拆。试拆时，先按II级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组。 按
23、所有基本杆组中的最高级别杆组确定该机构的类别，作为对机构进行运动分析和受力分析时，选择相应方法的依据。,64,机构结构分析举例,机构级别III级机构,III级组,II级组,65,机构级别II级机构注意机构的级别与原动件的选择有关。,II级组,II级组,II级组,66,4. 平面机构的高副低代平面机构的高副低代,接触点处两高副元素的曲率半径为有限值,接触点处两高副元素之一的曲率半径为无穷大,虚拟构件,虚拟构件,67,例4 对图示电锯机构进行结构分析。,解,n8，,pL11，,pH1，,F3n2pLpH38211111。,机构无复合铰链和虚约束，局部自由度为滚子10绕自身轴线的转动。,68,拆分基
24、本杆组,II级机构,69,基本要求 从功能与结构设计的角度认识和了解运动副与运动副元素。 掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构简图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。 了解运动链和机构的结构以及机构结构设计的理论和方法，掌握运动链成为机构的条件。,70,基本要求, 熟练掌握机构自由度的计算方法，从结构和功能设计的角度了解局部自由度及虚约束，能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。 掌握机构的组成原理和结构分析方法。了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别；学会将II级、III级机构分解为机架、原动件和若干基本杆组的方法。,71,第一章习题1-2a)、c)，1-4a)、b)，1-5，1-6a)、c)、d)、e),
