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1、第二章 机构的组成原理和机构类型综合主讲：主讲：张青张青 副教授副教授上海交通大学上海交通大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院Feb.2011第第第第二二二二章章章章机机机机构构构构的的的的组组组组成成成成原原原原理理理理和和和和机机机机构构构构类类类类型型型型综综综综合合合合|内容提要内容提要基本要求基本概念重点与难点|本章教案本章教案机构的组成及运动简图机构的自由度计算及机构运动确定条件机构的高副低代、结构分析和组成原理机构类型综合|例题剖析与习题例题剖析与习题典型例题剖析思考题习题目录内容提要z 掌握平面运动副的类型及其提供的约束条件z掌握运动链成为机构的条件z掌握平面机构运动简图
2、的绘制方法和步骤z掌握平面机构自由度计算及其注意事项基本要求内容提要基本概念内容提要重点与难点本章教案z 构件与运动副构件与运动副z 运动链和机构运动链和机构z 平面机构运动简图平面机构运动简图 2-1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图机机构构的的组组成成及及运运动动简简图图一、构件与运动副一、构件与运动副z 机器机器:是由各种机构所构成的系统。例如内燃机就包含了曲柄滑块机构、齿轮机构和控制进、排气的凸轮机构。z 机构的组成机构的组成:构件运动副运动链机构构件与运动副构件运动副运动链机构z 构构 件件：组成机构的每一个独立运动单元体称为构件，机器中的构件可以是单一的零件，也可以由若干个
3、零件刚性联接而成。z 构件和零件构件和零件是两个不同的概念。构件是运动单元，而零件是制造单元1、构件构件与运动副构件运动副运动链机构运动副：两个构件之间的可动联接。两构件直接接触而又能产生一定型式的相对运动的连接，称为运动副。运动副元素：两个构件参加接触而构成运动副的表面作用类型轴与轴承联接（圆柱和圆柱孔面）2、运动副构件与运动副运动副运动副滑块与导轨联接（接触平面）两齿轮轮齿啮合（齿廓曲面）构件与运动副3、运动副约束、运动副约束作空间自由运动的构件具有六个自由度。对构件一个独立运动的限制称为一个约束条件。自由度与约束数之总和应等于6对每个构件的约束数最多为5，最少引入一个约束。构件与运动副4
4、、平面构件的自由度、平面构件的自由度 当没有约束时，构件作平面运动具有三个自由度：即可以沿x轴和y轴方向移动，以及绕垂直于运动平面xOy的z轴的转动。xy构件的独立运动的数目或者确定构件位置的独立参数的数目称为自由度数。构件与运动副5、运动副的分类、运动副的分类zz 根据运动副提供约束数目z根据组成运动副两构件相对运动z按照运动副元素构件与运动副根据运动副提供约束数目，运动副可分为五级 提供一个约束条件的，称为I级运动副(简称I级副)。提供两个约束条件的称为II级运动副(简称II级副)；依次类推还有III、IV、V级副。根据运动副提供的约束数目分类I级副级副作者：潘存云教授II级副级副III级
5、副级副IV级副级副V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联构件与运动副螺旋副也属V级副。根据运动副提供的约束数目分类构件与运动副常用运动副及其代表符号常用运动副及其代表符号构件与运动副根据组成运动副两构件相对运动：平面运动副、空间运动副球面副转动副球销副根据组成运动副两构件相对运动分类构件与运动副通常把通常把面接触面接触的运动副称为的运动副称为低副低副，点接触点接触或线接触的运动副称为或线接触的运动副称为高副高副。在平面机构中，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束在平面机构中，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束条件。条件。低副高副按照运动副元素的不同分类构件与运动副6、常见平
6、面运动副及其自由度、常见平面运动副及其自由度 转动副(低副）(自由度为1）可以绕铰链轴转动转动副构件与运动副移动副 移动副(低副）(自由度为1）可以沿导路移动构件与运动副高副齿轮副，凸轮(高副）（自由度为2）可以沿切线移动可以绕接触点或线转动机构的组成及运动简图螺旋副螺旋副螺旋副螺旋副 球面副球面副球面副球面副 球销副球销副球销副球销副 圆柱副圆柱副圆柱副圆柱副 H HC CS SS S7、空间低副空间低副空间低副空间低副机构的组成及运动简图复合运动副：万向铰或虎克铰复合运动副：万向铰或虎克铰 U U（universal joint)universal joint)8、复合铰链复合铰链复合铰链
7、复合铰链机机构构的的组组成成及及运运动动简简图图二、运动链和机构二、运动链和机构构件运动副运动链机构运动链：两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。闭链：运动链各构件构成首尾相接的系统。开链：运动链各构件构成首尾不相接的系统。闭式运动链开式运动链作者：潘存云教授运运动动链链和和机机构构组成机构的各构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。构件运动副运动链机构机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，用简撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，用简单的线条和规定的符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动单的线条和规定
8、的符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置副的相对位置。这种能准确表达机构运动情况的简化图形称为机构运动简图。机构示意图机构示意图机构示意图机构示意图若图形不按精确的比例绘制图形不按精确的比例绘制，仅仅为了表达机械的结构特征，这种简图称为机构示意图。机构的组成及运动简图三、平面机构运动简图三、平面机构运动简图平面机构运动简图构件和运动副的表示方法构件和运动副的表示方法平面机构运动简图构件和运动副的表示方法构件和运动副的表示方法平面机构运动简图绘制平面机构运动简图的主要步骤绘制平面机构运动简图的主要步骤 绘制平面机构运动简图的步骤：1)找构件；2)找运动副；3)按适当比例画机构运动简
9、图。平面机构运动简图机构运动简图的实例分析机构运动简图的实例分析颚式破碎机分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中A、E、G三处是与机架相连的固定铰链，原动件为三处是与机架相连的固定铰链，原动件为AB，作整周旋转。，作整周旋转。难点：关键是搞清楚原动构件难点：关键是搞清楚原动构件AB是一个作整周旋转的偏心轮，是一个作整周旋转的偏心轮，不容易看出。不容易看出。机构运动简图的实例分析机构运动简图的实例分析平面机构运动简图偏心轮传动机构小型压力机小型压力机小型压力机小型压力机机构运动简图的实例分析机构运动简图的实例分析平面机构运动简图本章教案2-2
10、 机构的自由度计算及其机构运动确定条件空间机构的自由度机构具有确定运动的条件计算机构自由度时应注意的事项 机构自由度：保证机构具有确定运动时，所必须给定的独立运动参数。机构的自由度计算及其机构运动确定条件一、空间机构的自由度 空间机构的自由度计算公式:机构的自由度计算及其机构运动确定条件一、空间机构的自由度机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例自动驾驶仪操舵装置的空间四杆机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例斜面机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RPS 并联机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例Stewart并
11、联机构-6-UPS Steward结构力敏元件 Stewart并联机构可用于飞行员训练模拟器，并联机床，地震模拟器 机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RRR球面机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RRR平面机构 机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例平面四杆机构 机构的自由度计算及其机构运动确定条件二、机构具有确定运动的条件 铰链四连杆机构一个原动件两个原动件 F F0 0时，时，原动件数大于机构的自由度，则在机构的薄弱处遭到破坏。原动件数大于机构的自由度，则在机构的薄弱处遭
12、到破坏。机构具有确定运动的条件铰链五杆机构 F F0 0时，时，原动件数原动件数 机构的自由度，各构件没有确定的相对运动机构的自由度，各构件没有确定的相对运动机构具有确定运动的条件 刚性桁架超静定桁架 F=0时，机构蜕变为刚性桁架，构件之间没有相对运动。时，机构蜕变为刚性桁架，构件之间没有相对运动。机构具有确定运动的条件 结论：机构具有确定运动的条件是：机构的原动件的数目=机构的自由度的数目机构的自由度计算及其机构运动确定条件三、计算平面机构自由度时应注意的事项复合铰链局部自由度虚约束 在用自由度计算公式计算机构自由度时，有时会出现按公式计算的结果与机构实际自由度不相得合的情况。为使计算结果与
13、实际一致，在计算机构的自由度时，应注意下列几个问题。计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项 计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项局部自由度Stewart并联机构-6-SPS Steward结构力敏元件 Stewart并联机构可用于飞行员训练模拟器，并联机床，地震模拟器 计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项小型压力机小型压力机小型压力机小型压力机局部自由度计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项计计算算平平面面机机构构自自由由度
14、度时时应应注注意意的的事事项项3计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项3计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项3计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项3计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项3计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项虚约束情况六：在机构运动过程中，当不同构件上两点间的距离保持恒定时，用一个构件和两个转动副将此两点相联，也将带入一个虚约束。计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意的的事事项项计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时应应注注意意
15、的的事事项项自由度计算举例本章教案2-3 2-3 机构的高副低代、结构分析和组成原理平面机构中高副低代的方法平面机构的结构分析平面机构的组成原理机构的高副低代、结构分析和组成原理一、平面机构中高副低代的方法 为了保证机构的运动保持不变，进行高副低代必须满足的条件是:1)代替机构和原机构的自由度必须完全相同。2)代替机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。b)32A1B4O1O2O12r1A31nO2r2nBa)32A1B4b)高副机构高副机构任意曲线轮廓高副机构任意曲线轮廓高副机构O12r1A31nO2r2nBa)C曲率圆曲率圆平面机构中高副低代的方法a)123ACBO1n(O2)nb
16、)AO1O22413B 若高副两元素之一为一点若高副两元素之一为一点(如下图如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点率中心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图重合，其瞬时代替机构如图b：平面机构中高副低代的方法123BO1AO2a)C若高副两元素之一为一直线若高副两元素之一为一直线(如下图如下图a)，则因其曲率中心在无穷远处，则因其曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图所以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图b或图或图c：23BAC41c)b)23BO1AC41平面机构中高副低代的方法平面机构中高
17、副低代的方法摆动从动件盘形凸轮机构平面机构中高副低代的方法 由上述可知，平面机构中的高副均可以用低副来代替，所以任何平面机构都可以化为只含低副的机构，对平面机构进行结构分类时，只需研究平面低副机构就可以了。机构的高副低代、结构分析和组成原理二、平面机构的结构分析基本杆组：最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组基本杆组+原动件+机架=机构机构的高副低代、结构分析和组成原理二、平面机构的结构分析全含低副的基本杆组的组成：设基本杆组由n个构件和PL个低副组成，按自由度公式得 由于构件数和运动副数必须是整数，所以满足上式的构件数和运动副数的组合为：n2，PL 3；n4，PL 6；n应为2的倍数，而P
18、L为3的倍数。平面机构的结构分析二级杆组 最简单的组合为，PL=3,由二个构件和3个低副构成的基本组称为II级组。考虑到低副中有转动副和移动副，II级组有五种不同的类型正切机构正弦机构平面机构的结构分析三级杆组 大多数的机构都是由II级组构成、但在少数结构比较复杂的机构中，除II级组外，可能还有其他较高级的杆组。三级杆组：4，PL=6,而且必须有一个构件有三个低副，构成的基本组称为III级组。III级组的几种组合形式特点：其中一个构件有三个运动副。其中一个构件有三个运动副。多能机送布多能机送布机构机构平面机构的结构分析三级杆组多能机送布机构多能机送布机构平面机构的结构分析四级杆组四级杆组：最高
19、封闭形为四边形，构成的基本组称为IV级组。高于III级组的基本杆组在实际机构应用很少。IV级组特点：具有两个三副构件，有个四边形闭环级组在实际机构中应用很少。级组在实际机构中应用很少。平面机构的结构分析机构结构分析的步骤 目的：机构结构分析的目的是通过分析机构的组成来确定机构的级别。p由最高级别为II级组构成的机构称为II级机构；p最高级别为III级组构成的机构称为III级机构；p只由机架和原动件而构成的机构称为I级机构。平面机构的级别取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别。机构结构分析的步骤：1)计算机构的自由度，确定原动件。2)从远离原动件的地方开始拆杆组。3)确定机构的级别。必须强调
20、指出：必须强调指出：杆杆组组的的各各个个外外端端副副不不可可以以同同时时加加在在同同一一个个构构件件上上，否否则则将将成成为为刚刚体。例如下图中两种情况杆组都不能运动。体。例如下图中两种情况杆组都不能运动。机构的级别与原动件的选择有关。机构的级别与原动件的选择有关。平面机构的结构分析机构结构分析实例 解 1)计算机构的自由度2）进行高副低代，画出其瞬时代替机构3)进行结构分析。4)确定机构的级别。平面机构的结构分析 解 1)计算机构的自由度2）进行结构分析。3)确定机构的级别。此机构为III级机构。机构结构分析实例平面机构的结构分析 若将前例题所示的机构的原动件由构件1改为构件8。机构结构分析
21、实例机构的高副低代、结构分析和组成原理三、平面机构的组成原理平面机构的组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上所组成。接到原动件和机架上所组成。接到原动件和机架上所组成。接到原动件和机架上所组成。本章教案2-3 2-3 机构类型综合运动链的基本型式运动链的基本型式单闭环机构的类型综合单闭环机构的类型综合 平面机构的型综合是研究一定数量的构平面机构的型综合是研究一定数量的构件和运动副可以组成多少种机构型式的综合件和运动副可以组成多少种机构型式
22、的综合过程。过程。综合一单自由度机构与综合一个四自由度的运动链是一致的。一、运动链的基本形式机构类型综合F=34-24=4单自由度机构对应的运动链的自由度公式F=3N-2 PL 4 PL=3N/2-2 单自由度机构的构件数必为偶数，所以构件数和转动副数的可能组合构件数必为偶数，所以构件数和转动副数的可能组合是：是：N2，PL 1；N4，PL 4；N6，PL 7；N8，PL 10；运动链的基本形式两自由度机构对应的运动链的自由度公式F=3N-2 PL 5 PL=3N/2-5 两自由度机构的构件数必为奇数，所以构件数和转动副数的可能组合构件数必为奇数，所以构件数和转动副数的可能组合是：是：N3，P
23、L 2；N5，PL 5；N7，PL 8；N9，PL 11；三自由度机构对应的运动链的自由度公式F=3N-2 PL 6 PL=3N/2-3 三自由度机构的构件数必为偶数，所以构件数和转动副数的可能组合构件数必为偶数，所以构件数和转动副数的可能组合是：是：N4，PL 3；N6，PL 6；N8，PL 9；N10，PL 12；运动链的基本形式由上式可见，四杆运动链只有一个闭环，因而仅有一种基本形由上式可见，四杆运动链只有一个闭环，因而仅有一种基本形式。式。一个具有三个转动副的构件是六杆运动链中最复杂的构件，六一个具有三个转动副的构件是六杆运动链中最复杂的构件，六杆运动链的组装有两种可能性：杆运动链的组
24、装有两种可能性：a)b)142365图图a：型式型式，瓦特型，其中两个具有三副的构件在一个公共点相连接。，瓦特型，其中两个具有三副的构件在一个公共点相连接。图图b：型式型式，斯蒂芬逊型，其中两个三副构件被两个双副构件隔开。，斯蒂芬逊型，其中两个三副构件被两个双副构件隔开。而八杆运动链具有三个闭环，其运动链的基本型式有而八杆运动链具有三个闭环，其运动链的基本型式有十六种十六种。六杆运动链六杆运动链613452对单自由度的机构，根据式(27)有 13(N一1)一2PLPH整理得 2PL十PH 3N一4 (28)把 NPL十PH 代入上式，整理得 PL十2 PH 4 (29)当N3、P3时，根据式(
25、2-6)和式(2-9)，只可能是：PL2、PH l。运动链的基本形式 本本本本章章章章重重重重点点点点、难难难难点点点点重点重点1.机构的概念。机构的概念。2.平面机构运动简图的绘制方法和步骤。平面机构运动简图的绘制方法和步骤。3.机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算4.平面低副机构的结构分析和组成原理，能根据给定的机构运动简图进行平面低副机构的结构分析和组成原理，能根据给定的机构运动简图进行拆杆组，并确定机构的级别。拆杆组，并确定机构的级别。5.平面机构中高副低代的方法，要求替代前后机构的自由度和机构的瞬时平面机构中高副低代的方法，要求替代
26、前后机构的自由度和机构的瞬时运动不变。运动不变。难点难点机构自由度的正确计算方法是本章的难点。计算时必须考虑几种特殊情况，机构自由度的正确计算方法是本章的难点。计算时必须考虑几种特殊情况，如复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。尤其注意到各种虚约束出现的如复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。尤其注意到各种虚约束出现的场合是有条件的。场合是有条件的。例题剖析与习题思考题OO1O2ABC DEFG图2-21(g)冲压机机构AB=FG,BC=EF,CD=DE,=图2-19(f)齿轮连杆平行运动机构图2-19(g)齿轮连杆组合机构ABCDHEFGPABCDEFG(f)F=342511（提示：由于BC或E
27、F处的一杆两副引起虚约束，可将BC或EF的一杆两副除去）(g)F=362811 机构具有确定运动。例例2-3 计算直角转块机构的自由度(图2-9)思思路路与与解解题题技技巧巧：此机构中B处的滚子是局部自由度，为了去除此局部自由度，应将滚子刚性联于构件2上。其次因为ABC总成直角，故B点的轨迹是以O为圆心、r为半径的圆；或者说，滚子与机架所形成的高副实际上不起约束作用，因此，去掉高副虚约束后的机构如图2-9(b)所示。解：解：n=3，4，0，故图2-9 直角转块机构(b)(a)123OC2RrBA1333241B4286ADC7513B426ADC7513图2-7 八杆机构(a)(b)例例2-2
28、 计算八杆机构的自由度（图2-7(a)）思路与解题技巧：由于该机构中AB平行且等于CD，因此ABCD为平行四边形，也即A点与D点间的距离始终保持不变(或者说，B点与C点间的距离始终保持不变)，故杆8及与其相连的两个转动副产生一个虚约束，所以可将杆8去掉（图2-7(b)）。这样，该机构的活动构件数n7。又因B、C两处均是复合铰链，所以10，0。提示：本题还有另外两种解法：由于该机构的上半部分与下半部分完全对称，因此在计算自由度时，可以去掉其对称部分而成图2-8(a)。此时n=5，=7（B点为复合铰链），0，因此，图2-8B2A13AB42AC513ACB(a)(b)B由该例可知，虚约束发生于联接
29、点处的运动轨迹重合或机构中有对称部分之处。在计算机构自由度时，应去掉该虚约束。但应指出，实际机构中由于结构的需要，这种虚约束有时还是必须的。图2-13双缸曲柄滑块机构ABCDEFGH12345678图2-14ABCDEFGH12345678ABCDEFGH13457862图2-15ACDEFGH12345678ACDEFGH12345678ACDFGH12345678BEEEEEACDEFGH12345678ACDEFGH12345678图2-16BB提示：由上分析可知，即使同一机构，当选用的起始构件不同时，所得的机构级别也可能不同。但不论以何杆作为起始构件，拆杆组时都仍需满足拆杆组的原则。例
30、题剖析与习题习题习题n =4PL=5PH=1F =3n-2PL-PH =1n =6PL=7PH=3F =3n-2PL-PH =1m =3m =3习题n =3PL=3PH=2F =3n-2PL-PH =1n =5PL=7PH=0F =3n-2PL-PH =1n =5PL=7PH=0F =3n-2PL-PH =1n =5PL=7PH=0F =3n-2PL-PH =1n =7PL=10PH=0F =3n-2PL-PH =1n =7PL=9PH=1F =3n-2PL-PH =22P2R2P1R习题n =2PL=2PH=1F =3n-2PL-PH =1n =3PL=3PH=2F =3n-2PL-PH =1习题n =8PL=11PH=1F =3n-2PL-PH =1n =6PL=8PH=1F =3n-2PL-PH =1n =5PL=7PH=0F =3n-2PL-PH =1习题