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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,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,运动副的特点：既限制
2、了两构件的某些相对运动，又允许一定的相对运动,转动副Revolute pair(Turning pair)：,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Prismatic pair(Sliding pair)：,一个独立的相对运动,画法：,应用：曲柄滑块机构,平面运动副,凸轮副:Cam pair,二个独立的相对运动,凸轮副:Cam pair,二个独立的相对运动,n,o,齿轮副Gear pair：,二个独立的相对运动,球副Spherical pair：,三个独立的相对转动,球销副Spherical-pin pair：,二个独立的相对转动,圆柱副 Cylindric pai
3、r：,二个独立的相对运动,螺旋副Screw pair：,一个独立的相对运动,球与平面副spherical and planar：,五个独立的相对运动,运动副元素,参与接触而构成运动副的部分,点、线、面,运动副的分类,转动副Turning pair移动副Sliding pair,平面运动副Planar pair,低副：面接触Lower pair,平面高副：点、线接触Higher pair,空间运动副Spatial pair,球 副Spherical pair,球销副Spherical-pin pair,圆柱副Cylindric pair,螺旋副Screw pair(Helical pair),球
4、与平面副spherical and planar,两构件相对运动只能在一个平面内。,两构件相对运动不总在一个平面内。,运动链,若干构件通过运动副连接而成的系统称为运动链。,闭链 Closed kinematic chain,运动链中每个构件至少包括两个运动副元素。用于各种机械。,开链 Open kinematic chain,运动链中有的构件只包含一个运动副元素。用于机械手，挖掘机等多自由度机械。,运动链,开链,闭链,闭链,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,机架,主动件,从动件,从动件,运动链怎样成为机构？,2.2 平面机构的
5、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。,抽水机,码头吊车,牛头刨床,例21 绘制液压泵的机构运动
6、简图,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,n方向移动 1,转动副,移动副,2,n,n,n,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
7、,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-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,五杆机构自由度F=2,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
8、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题,1.复合铰链,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
9、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.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
10、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,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,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
11、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 pairP-prismatic pair,（五种）,n=2,pl=3,内运动副,内运动副,内运动副,内运动副,内运动副,外运动副,内运动副：连接杆组内2个构件的运动副,外运动副：连接杆组和机架,外运动副：连接杆组和机架,外运动副：连接杆组与另一杆组,复合铰链,内运动副：连接杆组内2
12、个构件的运动副,外运动副：连接杆组和机架,外运动副运动需已知,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；,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；
13、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,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
14、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。,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 2-3 2-4,注意:2-2（d图的三个圆是齿轮）,即高副低代的关键:找出构成高副的两轮廓曲线在接触点处的曲率中
15、心，然后用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。,空间运动副Spatial pair,球 副Spherical pair,球销副Spherical-pin pair,圆柱副Cylindric pair,螺旋副Screw pair(Helical pair),2.5 空间机构的自由度,球副Spherical-pin pair：,三个独立的相对转动,自由度 约束数目,3 3,约束特点:x,y,z方向移动,Pi=P3,球销副Spherical-pin pair：,二个独立的相对转动,自由度 约束数目,2 4,约束特点:x,y,z方向移动，z 方向的转动,Pi=P4,圆柱副Cylindr
16、ic pair：,二个独立的相对运动,自由度 约束数目,2 4,约束特点:x,z方向移动，x,z 方向的转动,Pi=P4,螺旋副Screw pair：,一个独立的相对运动,约束特点:螺杆可绕x轴转动、沿x轴移动，但转动与移动按一定的规律。,自由度 约束数目,1 5,Pi=P5,平面低副自由度 约束数目,5,Pi=P5,平面高副自由度 约束数目,2 4,Pi=P4,平面运动副在空间中,1,空间机构的自由度,运动副的约束数,具有 约束数的运动副数,3-RPS型并联机器人的自由度,Pi=P5=3+3=6,Pi=P3=3,低副机构,高副机构,Lower pair mechanism,Higher pa
17、ir mechanism,按包含的运动副类型分：,平面机构,空间机构,Planar mechanism,Spatial mechanism,按构件的相对运动分：,平面机构中的运动副一定是平面运动副，但只含有平面运动副的机构也可能是空间机构,n=6,pl=7,ph=2,F=3n-2pl-ph=2,局部自由度,虚约束,试计算图所示机构的自由度；为使机构具有确定的运动，请用箭头在图中标明主动件。,(取凸轮为主动件。),计算图所示机构的自由度，若有局部自由度、复合铰链和虚约束请指出。（其中AB、CD、EF杆平行且相等。）,CD杆及其引进的2个转动副为虚约束；,F处为一个复合铰链,G和G、J和J为两构件
18、组成了两个高副，各只能算1个高副，而另一个是虚约束。,G处滚子具有局部自由度,试计算图所示机构的自由度；为使机构具有确定的运动，请用箭头在图中标明主动件。,取AB杆为主动件。,试计算图所示机构的自由度，若有局部自由度、复合铰链和虚约束请指出。,和C处有局部自由度，B或C、D或E各有一个虚约束,D、F处为复合铰链，B处有局部自由度，杆GI、滑块之一有一个虚约束。）,试计算图所示机构的自由度，若有局部自由度、复合铰链和虚约束请指出。,C处为复合铰链，EFG为重复结构引入了虚约束。）,试计算图所示机构的自由度，若有局部自由度、复合铰链和虚约束请指出。,分析机构的组成，并判断机构的级别,分析机构的组成
19、，并判断机构的级别。,E,说明图所示机构的组成原理，并判别该机构中所含杆组的级别以及机构的级别。如改选构件5为主动件，试问组成此机构的基本杆组是否与前有所不同？机构的级别有什么变化？,求图所示机构的自由度，并在高副低代后，拆分杆组确定机构的级别。,计算如图所示机构的自由度，并进行高副低代，然后确定机构的级别。（M、N分别为这两段弧的曲率中心）,试验算如图所示运动链的运动是否确定？如果运动不确定，请提出使此其具有确定运动的修改方案，并画出改进后的机构运动简图。,不能运动。,习题,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,C,O1,B,O1齿轮、曲柄为一个构件A1、2的转轴6齿轮与凸轮一体5局部自由
20、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=37 292=1,1（局部自由度）=7,ph=2，,4,5,3,6,8,1,活动构件n=91（机架）1（局部自由度）+1（高副低代增加的构件）=8,pl=11（增加2个低副）,ph=1（去掉1个高副）,图与公式对应,F=3n-2pl-ph=38 2111=1,2,4,5,3,6,8,1,活动构件n=91（机架）1（局部自由度）+2（高副低代增加的构件）=9,pl=13（增加4个低副）,p
21、h=0（去掉2个高副）,图与公式对应,F=3n-2pl-ph=39 213=1,F=34-26=0,F=33-24=1,F=33-24-1=0,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,F=34-25-1=1,?,F=33-23-1=2,F=35-27=1,F=34-26=0,F=36-28=2,F=36-28=2,F=35-27=1,F=35-27=1,n=4,pl=5,ph=2,F=3n-2pl-ph=0,n=3,pl=3,ph=2,F=3n-2pl-ph=1,n=5,pl=6,ph=2,F=3n-2pl-ph=1,n=5,pl=6,p
22、h=2,F=3n-2pl-ph=1,n=4,pl=4,ph=2,F=3n-2pl-ph=2,n=6,pl=7,ph=2,F=3n-2pl-ph=2,局部自由度,虚约束,在平面机构中具有一个约束的运动副是_副。2、使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为_。3、平面机构中的低副有转动副和_副两种。4、平面机构中的低副有_副和移动副两种。5、机构中的构件可分为三类：固定构件（机架）、原动件（主动件）、_件。,思考题,在平面机构中具有一个约束的运动副是_副。2、使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为_。3、平面机构中的低副有转动副和_副两种。4、平面机构中的低副有_副和移动副两种。5、
23、机构中的构件可分为三类：固定构件（机架）、原动件（主动件）、_件。,低,运动副,移动,转动,从动,A,B,C,D,(a),A,B,C,D,E,F,A,B,C,D,(b),(d),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,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,Goodbye,
