第第1章章 机构的组成和结构机构的组成和结构1.1 机构的组成及机构运动简图机构的组成及机构运动简图1.2 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件1.3 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析机构：具有确定运动的实物组合体机构：具有确定运动的实物组合体1.1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图 在组成机构的构件中，必有且仅在组成机构的构件中，必有且仅有一个构件是用于支持和安装其它构有一个构件是用于支持和安装其它构件的，称之为机架。由于在分析机构件的，称之为机架。由于在分析机构运动时取机架为静参考系，常称之为运动时取机架为静参考系，常称之为固定杆。每个机构必有且仅有一个机固定杆。每个机构必有且仅有一个机架。架。 输入运动的构件称原动件。每个输入运动的构件称原动件。每个机构至少一件。机构至少一件。 其余的构件为从动件。其余的构件为从动件。运动副：两个构件之间直接接触所形成的可运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接动联接两个相邻构件直接接触两个相邻构件直接接触两者之间允许一定的相对运动两者之间允许一定的相对运动每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接机构简图机构简图：用简单的符号和线条表示机构的组：用简单的符号和线条表示机构的组成情况和运动情况成情况和运动情况构件间直接接触的点，线，面称运动构件间直接接触的点，线，面称运动副元素。副元素。低副：面接触低副：面接触高副：点，线接触。高副：点，线接触。移动副转动副运动副与构件运动简图：运动简图：1.必要性必要性 为简明地表达机构的运动特性为简明地表达机构的运动特性和工作原理，要去掉与运动无关的尺寸，和工作原理，要去掉与运动无关的尺寸，外性等因素。外性等因素。2。用规定的符号表达构件和运动副的相对。用规定的符号表达构件和运动副的相对位置和性质。位置和性质。 构件表达中去除与运动传递无关的因素：构件表达中去除与运动传递无关的因素：常常用用平平面面运运动动副副表表示示法法v运运动动轨轨迹迹为为直直线线移动副移动副转转动动副副平面高副齿轮副 用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。形。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。例例 题题规定符号构件的表达：用简单线条连接运动副用简单线条连接运动副 运动简图的绘制运动简图的绘制 1. 分析整个机构的工作原理分析整个机构的工作原理2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动 关系，确定运动副的类型和数目关系，确定运动副的类型和数目3. 选择适当的视图平面选择适当的视图平面例例1：已知一机构如图所示，试绘制该机构：已知一机构如图所示，试绘制该机构的运动简图的运动简图动画按钮动画按钮1234abc1234abcabc141223344-1-2-3-4例例1：已知一机构如图所示，试绘制：已知一机构如图所示，试绘制该机构的运动简图该机构的运动简图1234abcabc4-1-2-3-4例例1：已知一机构如图所示，试绘制该机构：已知一机构如图所示，试绘制该机构的运动简图的运动简图动画按钮动画按钮ABC1234ABCABCABC动画按钮动画按钮1234移动副的演化包容面与被包容面可互换移动副可平移123123R转动副演化动画按钮动画按钮运动链：若干个构件和运动副所连接成的可动系统。机构是具有确定运动的运动链。机构是具有确定运动的运动链。在运动链中，将在运动链中，将某一个构件某一个构件加以固定，加以固定，而让而让另一个或几个构件另一个或几个构件按给定运动规律按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中相对固定构件运动时，如果运动链中其其余各构件余各构件都有确定的相对运动，则此运都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。动链成为机构。并非任何一个运动链都具有确定的运动并非任何一个运动链都具有确定的运动,图中的铰链就因为无法满足两个运动轨迹图中的铰链就因为无法满足两个运动轨迹而被卡住而被卡住. 运动链运动链 具有确定的相对运动具有确定的相对运动机构机构桁架桁架运动链运动链相对运动不确定相对运动不确定无相对运动无相对运动可能的情况可能的情况自由度：自由度：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所 需的独立变量的数目需的独立变量的数目约束：约束：运动副对构件独立运动所加的限制运动副对构件独立运动所加的限制1.2.1机构机构 具有确定运动的条件具有确定运动的条件 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件自由度数自由度数-构件所具有的独立运动构件所具有的独立运动的数目称自由度。的数目称自由度。ABq作平面运动的刚作平面运动的刚体有三个自由度体有三个自由度xAyA（三个坐标参数才能确定其位置,X.Y. ）低副的引入减低副的引入减少两个自由度少两个自由度x高副的引入减少高副的引入减少一个自由度一个自由度沿法线方向不能运动沿法线方向不能运动 机构的自由度数机构的自由度数F(需要需要F个坐标参数才个坐标参数才能确定机构中所有构件的位置能确定机构中所有构件的位置)。活动构件数目活动构件数目低副数目低副数目高副数目高副数目hl23PPnF- - -= =机构的自由度数机构的自由度数F应等于机构的原动件数应等于机构的原动件数活动构件数目活动构件数目低副数目低副数目高副数目高副数目运动链成为机构的条件：运动链成为机构的条件： 运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链运动链中取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，且原动件数目相对于机架的自由度必须大于零，且原动件数目 等于运动链自由度数。等于运动链自由度数。 满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的 计算可采用运动链自由度的计算公式。计算可采用运动链自由度的计算公式。运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件F 0，但原动件数目小，但原动件数目小于自由度数目，运动链于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为运动不确定，不能成为机构。机构。 F = 33 - 24 = 12 个原动件个原动件F 0，但原动件数目大，但原动件数目大于自由度数目，运动链于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。被破坏，不能成为机构。并非任何一个运动链都具有确定的运动并非任何一个运动链都具有确定的运动如何修改？如何修改？并非任何一个运动链都具有确定的运动并非任何一个运动链都具有确定的运动如何修改？如何修改？增加一个构件和一个低副使自由度加增加一个构件和一个低副使自由度加1，但，但应注意：不要形成固定机架应注意：不要形成固定机架低副改为高副可增加一个自由度低副改为高副可增加一个自由度例例 题题1.2.2u 局部自由度局部自由度定义定义在某些机构中，在某些机构中，不影响其他构件运动的自不影响其他构件运动的自由度称为由度称为局部自由度局部自由度。处理办法处理办法把滚子固化把滚子固化在支承滚子的构件上在支承滚子的构件上。动画按钮u 复合铰链复合铰链定义定义两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成 复合铰链复合铰链。处理办法处理办法nn个构件在同一处构成转动副，实际转动副个构件在同一处构成转动副，实际转动副 数目为（数目为（n-1n-1）个）个。N-1个转动副3DmFE56C4m7281AE1看一下哪里是复合铰链?几种典型复合铰链几种典型复合铰链 虚约束虚约束定义定义对机构运动实际上不起限制作用的重复约束对机构运动实际上不起限制作用的重复约束。处理办法处理办法将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的 运动副去掉不计运动副去掉不计 。自由度为何相同自由度为何相同?虚约束真实约束虚约束虚约束 在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。平行移动副和同轴转动副平行移动副和同轴转动副重复传动重复传动机构中存在不起作用的对称部分机构中存在不起作用的对称部分为了传递较大功率，保持机构受为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分力平衡，在机构中增加对称部分公法线平行的高副公法线平行的高副等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构存在一构件同两个以上存在一构件同两个以上构件组成运动副，而其构件组成运动副，而其中任意两个都使该构件中任意两个都使该构件运动规迹相同。运动规迹相同。 虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率 或者其它特殊需求；或者其它特殊需求； 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用； 虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果 这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动； 虚约束问题小结：虚约束问题小结： 机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装 配精度，以确保满足虚约束存在的条件。配精度，以确保满足虚约束存在的条件。动画按钮动画按钮求图示机构的自由度求图示机构的自由度求图示机构的自由度求图示机构的自由度复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1234567计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度复合铰链复合铰链各有两个移动副各有两个移动副转动副转动副 6移动副移动副 4构件构件 7自由度自由度1计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度局部自由度局部自由度计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度F=1计算自由度计算自由度计算自由度计算自由度F=1计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度虚约束虚约束F=1 为使研究低副机构的方法能应用为使研究低副机构的方法能应用于高副且研究两者之间的关系，有必于高副且研究两者之间的关系，有必要研究低副替代高副的方法。要研究低副替代高副的方法。要求：要求：1。替代前后，机构的自由度不变。替代前后，机构的自由度不变2。原有构件的运动参数不变。原有构件的运动参数不变1.3 .1用低副替代高副的意义及方法用低副替代高副的意义及方法1.3机构的组成原理02替代方法：替代方法： 用处于两构件接用处于两构件接触点曲率中心的两个触点曲率中心的两个低副和其间的虚设构低副和其间的虚设构件代替原来的高副。件代替原来的高副。01ABw w1w w2301AB0212自由度不变自由度不变构件构件1，2的角速的角速度等运动参数不度等运动参数不变变 两转动副各属一个构件，构件要重画，注意同一两转动副各属一个构件，构件要重画，注意同一构件的运动副元素。构件的运动副元素。 对于非圆轮廓的两个构件，因对于非圆轮廓的两个构件，因在不同点接触的曲率大小不同，可在不同点接触的曲率大小不同，可沿用上述方法得到瞬时的替代机构。沿用上述方法得到瞬时的替代机构。01AB021201AB021201ABw w1w w2301AB021201ABw w1w w2301AB021201ABw w1w w23B趋于直线01AB021201AB02123如果构件如果构件2在接触点的轮廓是直线，则转动副在接触点的轮廓是直线，则转动副B演化为移动副。演化为移动副。01AB02123如果构件如果构件2在接触点的轮廓是直线，则转动副在接触点的轮廓是直线，则转动副B演化为移动副。演化为移动副。01A1尖点是曲率无尖点是曲率无穷小的圆，因穷小的圆，因此替代方法如此替代方法如图图组成原理组成原理 任何机构都可以看作是若干个自由度为零的基本杆组依次任何机构都可以看作是若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和机架上而构成的，机构的自由度等于原动件的联接到原动机和机架上而构成的，机构的自由度等于原动件的数目，这就是数目，这就是机构的组成原理机构的组成原理。构件构件 + 运动副运动副 运动链运动链 机构机构机架机架原动件原动件若干基本杆组若干基本杆组杆组：自由度为零的不可再分的运动链。杆组：自由度为零的不可再分的运动链。机构可视为由原动件机构可视为由原动件和若干个杆组构成。和若干个杆组构成。 平面低副运动链自由度平面低副运动链自由度 F = 3n - 2PL 基本杆组基本杆组 F = 0PL = n32N=2,pl=3. II 级杆组III 级杆组 n=4,pl=6 注意找中心构件。不能存在只有一个构件的运动副不能存在只有一个构件的运动副或只有一个运动副的构件。或只有一个运动副的构件。每个杆组拆分后自由度不变每个杆组拆分后自由度不变每个构件和运动副都只能属于一每个构件和运动副都只能属于一个杆组个杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组原为复合铰链原为复合铰链有有2个转动副个转动副拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组计算自由度计算自由度计算自由度计算自由度F=1拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组拆分图示机构的杆组