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1、精密仪器与机械学系 设计工程研究所第第1 1章章 机构的组成和结构机构的组成和结构 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件 结构的组成原理和结构分析结构的组成原理和结构分析上篇上篇 机构的运动设计机构的运动设计精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.1 1.1 机构的组成机构的组成1.1.1 1.1.1 构件构件独立影响机械功能并能独立运动的单元体。图独立影响机械功能并能独立运动的单元体。图1.11.11.1.2 1.1.2 运动副运动副 两个构件直接接触所形成的可动连接。两个构件直接接触所形成的可动连接。图图1.2,1.31.2,1.3运动副元
2、素：两个构件参与接触而构成运动副的运动副元素：两个构件参与接触而构成运动副的点、线、面部分。点、线、面部分。自由度：构件所具有的独立运动的数目。自由度：构件所具有的独立运动的数目。约束：运动副对构件独立运动所加的限制。约束：运动副对构件独立运动所加的限制。精密仪器与机械学系 设计工程研究所 运动副每引入一个约束，构件便失去一个自由度。运动副每引入一个约束，构件便失去一个自由度。运动副的类型，决定构成运动副构件的自由度。运动副的类型，决定构成运动副构件的自由度。运动副的分类运动副的分类（1 1）按运动副的接触形式分类）按运动副的接触形式分类 1 1）低副）低副面接触面接触 回转副：铰联接，轴和轴
3、承；回转副：铰联接，轴和轴承；问题：自由度如何变化？问题：自由度如何变化？消去两个自由度，剩下一个相对回转消去两个自由度，剩下一个相对回转精密仪器与机械学系 设计工程研究所 移动副：滑块与导轨，活塞与气缸移动副：滑块与导轨，活塞与气缸 同样，消去两个自由度，同样，消去两个自由度，剩下一个相对移动剩下一个相对移动精密仪器与机械学系 设计工程研究所2 2）高副）高副点、线接触点、线接触问题：自由度如何变化？问题：自由度如何变化？消去一个自由度，剩下一个移动和转动消去一个自由度，剩下一个移动和转动精密仪器与机械学系 设计工程研究所（2 2）按相对运动形式分类）按相对运动形式分类:空间、平面；回转副，
4、移动副；空间、平面；回转副，移动副；（3 3）按运动副引入的约束数分类）按运动副引入的约束数分类:1 1级副、级副、2 2级副、级副、（4 4）按接触部分的几何形状分类：）按接触部分的几何形状分类：圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副等。面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副等。（表（表.）精密仪器与机械学系 设计工程研究所 闭式运动链闭式运动链 开式运动链开式运动链1.1.31.1.3运动链运动链 两个以上的构件通过运动副连接而成的系统。两个以上的构件通过运动副连接而成的系统。闭式运动链：组成运动链的各构件构成
5、首末封闭的系统闭式运动链：组成运动链的各构件构成首末封闭的系统开式运动链：组成运动链的各构件未构成首末封闭的系统开式运动链：组成运动链的各构件未构成首末封闭的系统精密仪器与机械学系 设计工程研究所 传统的机械：传统的机械：闭式运动链为多闭式运动链为多 机械手和机器人：机械手和机器人：多为开式运动链多为开式运动链3.3.机构机构 在运动链中，将某一构件固定，而让另一个在运动链中，将某一构件固定，而让另一个(或几个或几个)构构件按给定的规律相对于该固定构件作运动，若运动链中件按给定的规律相对于该固定构件作运动，若运动链中其余各构件都能得到确定的相对运动。其余各构件都能得到确定的相对运动。机架：机架
6、：固定不动固定不动 原动件：原动件：独立运动独立运动 从动件：从动件：其余活动构件其余活动构件精密仪器与机械学系 设计工程研究所平面机构：平面机构：各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。动的机构。空间机构：空间机构：各运动构件不都在同一平面或相互平行的平面内各运动构件不都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。运动的机构。精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.2 1.2 机构运动简图机构运动简图构思新机械的运动方案构思新机械的运动方案对现有机构进行分析对现有机构进行分析 运动及动力设计与分析运动及动力设计与分析表示机构的简单图形表示机构的
7、简单图形机构运动简图机构运动简图精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.2.1.1.2.1.机构运动简图及其用途机构运动简图及其用途 机构能否实现预定的运动和功能，由机构能否实现预定的运动和功能，由原动机的运动规律原动机的运动规律、运动副类型运动副类型、机构的运动尺寸机构的运动尺寸决定，与构件及运动副的具决定，与构件及运动副的具体结构、外形、断面尺寸、零件数目、固联方式无关。体结构、外形、断面尺寸、零件数目、固联方式无关。运动简图运动简图 用途用途简单的线条和特定的符号简单的线条和特定的符号(表表1.2,1.3)按确定的比例按确定的比例反映机构组成和相对运动关系反映机构组成和相对运动关系表达机构
8、的运动原理表达机构的运动原理进行运动和动力学分析进行运动和动力学分析精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.2.2 1.2.2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制例：小型压力机例：小型压力机精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所步骤：步骤：（1 1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；（2 2）分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动）分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动副的类型；副的类型；（3 3）选择视图投影面及比例尺，绘制出机构运动简）选择视图投影面及比例尺，绘制出机构运动简图，表示出原动件。图，表示出原动件
9、。精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.3 1.3 平面机构的自由度平面机构的自由度1.1.自由度计算公式自由度计算公式运动链自由度数目运动链自由度数目F FF F=活动构件原有自由度数目活动构件原有自由度数目 -被运动副约束掉的自由度数目被运动副约束掉的自由度数目空间运动链：空间运动链：平面运动链：平面运动链：式中：式中：n-n-活动构件数；活动构件数；P PL L-低副数；低副数；P PH H-高副数。高副数。精密仪器与机械学系 设计工程研究所例例1:精密仪器与机械学系 设计工程研究所F0F0，原原动动件件的的数数目目小小于于自自由由度度的的数数目目，运运
10、动动链没有确定的相对运动，不能成为机构。链没有确定的相对运动，不能成为机构。精密仪器与机械学系 设计工程研究所例例2 2：F0F0，原动件的数目大于，原动件的数目大于自由度的数目，运动链自由度的数目，运动链将被破坏，不能成为机将被破坏，不能成为机构。构。精密仪器与机械学系 设计工程研究所例例3 3：F0F0，运动链约束过多，已成为桁架，不能，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构成为机构精密仪器与机械学系 设计工程研究所2.2.运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件（1 1）运动链运动链 F 0F 0；（2 2）F=F=原动件数目；原动件数目；（3 3）满满足足(1)(1)、(2)(2)的
11、的运运动动链链即即为为机机构构，机机构构自自由由度度的的计计算算可可用用运运动动链链自自由由度度的的计计算算公式。公式。精密仪器与机械学系 设计工程研究所3.3.计算自由度时应注意的问题计算自由度时应注意的问题（1 1）复合铰链）复合铰链 两个以上的构件在同一处与转动副相连接。两个以上的构件在同一处与转动副相连接。精密仪器与机械学系 设计工程研究所KK个构件形成的复合铰链具有个构件形成的复合铰链具有(K-1)(K-1)个回转副个回转副精密仪器与机械学系 设计工程研究所（2 2）局部自由度）局部自由度qF=33-23-1=2qF=32-22-1=1精密仪器与机械学系 设计工程研究所（3 3）虚约
12、束）虚约束q重复约束重复约束精密仪器与机械学系 设计工程研究所（1 1）两构件间构成多个运动副）两构件间构成多个运动副）两构件间构成多个运动副）两构件间构成多个运动副 精密仪器与机械学系 设计工程研究所（2）包含重复机构）包含重复机构精密仪器与机械学系 设计工程研究所（3）联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合）联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合精密仪器与机械学系 设计工程研究所（4）机构中对运动不起作用的对称部分）机构中对运动不起作用的对称部分精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.4 1.4 机构的组成原理和结构机构的组成原理和结构1.4.11.4.1 平面机构的高副低代平面机构的高副低
13、代 平面机构平面机构平面低副机构平面低副机构 根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代替根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代替高副低代高副低代高副低代必须满足的条件高副低代必须满足的条件1.1.代替前后机构的自由度不变代替前后机构的自由度不变精密仪器与机械学系 设计工程研究所高副高副引入引入1 1个约束个约束1 1个构件和个构件和2 2个低副个低副引入引入1 1个约束个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。精密仪器与机械学系 设计工程研究所含有两个低副的虚拟构件含有两个低副的虚拟构件精密仪器与机械学系 设计工程研究所2.2.代替前后机构
14、的瞬时速度和瞬时加速度不变代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变1.4.2 1.4.2 机构的组成原理机构的组成原理 机构机构单个原动件单个原动件(F=1)(F=1)机架机架(F=0)(F=0)从动件系统从动件系统(F=0)(F=0)精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.1.杆组杆组从动件系统从动件系统 若干个不可再分的自若干个不可再分的自由度为零的构件组合由度为零的构件组合基本杆组基本杆组(杆组杆组)平面低副机构平面低副机构(1)(1)双杆组双杆组(II(II级杆组级杆组)精密仪器与机械学系 设计工程研究所(2)(2)多杆组多杆组常见常见IIIIII级杆组级杆组特征特征具有一个三副构件具有一
15、个三副构件每个内副所连接的分支构件是双副构件每个内副所连接的分支构件是双副构件精密仪器与机械学系 设计工程研究所 比比IIIIII级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很少。很少。2.2.机构的组成原理机构的组成原理 把若干个自由度为零的基本杆组依次连接到原动机和机把若干个自由度为零的基本杆组依次连接到原动机和机架上，就可组成一个机构，其自由度与原动件数目相等。架上，就可组成一个机构，其自由度与原动件数目相等。基本杆组基本杆组F=0F=0基本杆组基本杆组F=0F=0原动件原动件F=1F=1机架机架F=0F=0精密仪器与机械学系 设计工程研究所+=原
16、则：原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，杆组级别低，构件数和运动副的数目少。杆组级别低，构件数和运动副的数目少。精密仪器与机械学系 设计工程研究所1.4.31.4.3 机构的结构分析机构的结构分析拆杆组拆杆组基本杆组基本杆组 原动件原动件 机架机架机构机构精密仪器与机械学系 设计工程研究所实例：实例：高副低代高副低代拆除第一个拆除第一个IIII杆组杆组精密仪器与机械学系 设计工程研究所继续拆下一个杆组继续拆下一个杆组精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所如何拆杆组？如何拆杆组？精密仪器与机械学系 设计工程研究所
17、 不同级别的杆组组成机构，通常以机构中包含不同级别的杆组组成机构，通常以机构中包含的基本杆组的最高级别命名的基本杆组的最高级别命名一个原动件一个原动件和机架组成和机架组成4 4个个IIII级杆组级杆组1 1个个IIII级杆组级杆组1 1个个IIIIII级杆组级杆组I I级机构级机构IIII级机构级机构IIIIII级机构级机构精密仪器与机械学系 设计工程研究所思考：思考：原动件更换后对机构级别的影响原动件更换后对机构级别的影响区别区别精密仪器与机械学系 设计工程研究所本章参考书本章参考书1.1.孟宪源等编著孟宪源等编著.机构构型与应用机构构型与应用(上册上册).北京：机械工业出版社北京：机械工业
18、出版社.20042004年年 2.2.张启先主编张启先主编.空间机构的分析与综合空间机构的分析与综合(上册上册).北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社.1984.1984精密仪器与机械学系 设计工程研究所本章习题本章习题(第第1 1周周)习题：习题：1.2(b)、(c)；1.5(b)、(c)自测题：自测题：1-6 关于作业的基本要求关于作业的基本要求本章习题本章习题(第第2 2周周)习题：习题：1.5(d)、(f)；1.6(c)、(f)精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所精密仪器与机械学系 设计工程研究所