第2章機構的結構分析

1、第二章第二章 平面機構的結構分析平面機構的結構分析21 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的22 機構的組成機構的組成23 機構運動簡圖機構運動簡圖24 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件25 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算26 自由度計算中的特殊問題自由度計算中的特殊問題 27 機構的組成原理及其結構分類機構的組成原理及其結構分類21 機構結構分析的內容及目的機構結構分析的內容及目的1.研究機構的組成及其具有確定運動的條件研究機構的組成及其具有確定運動的條件目的是2.按結構特點對機構進行分類按結構特點對機構進行分類 不同的機構都有各自的特點，把各種機構按結構不

2、同的機構都有各自的特點，把各種機構按結構加以分類，其目的是按其分類加以分類，其目的是按其分類建立運動分析和動力建立運動分析和動力分析的一般方法分析的一般方法。3.繪制機構運動簡圖繪制機構運動簡圖 目的是為運動分析和動力分析作準備。目的是為運動分析和動力分析作準備。弄清機構包含哪幾個部分弄清機構包含哪幾個部分;各部分如何相聯(lián)？各部分如何相聯(lián)？ 以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？以及怎樣的結構才能保證具有確定的相對運動？ 這對于設計新的機構顯得尤其重要。4.研究機構的組成原理研究機構的組成原理 目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機構能滿足運動目的是搞清楚按何種規(guī)律組成的機構能滿足運動確定性的要求

3、。確定性的要求。機構有簡有繁，構件有多有少，而運動確定是它們的共同特征。研究的名詞術語解釋名詞術語解釋:1.構件構件(Link) 獨立的運動單元獨立的運動單元 內燃機內燃機中的連桿21 機構的組成機構的組成作者：潘存云教授內燃機內燃機連桿連桿套筒套筒連桿體連桿體螺栓螺栓墊圈墊圈螺母螺母軸瓦軸瓦連桿蓋連桿蓋零件零件(part) 獨立的制造單元獨立的制造單元作者：潘存云教授2.運動副運動副a)兩個構件、兩個構件、b) 直接接觸、直接接觸、c) 有相對運動有相對運動運動副元素直接接觸的部分（點、線、面）運動副元素直接接觸的部分（點、線、面）例如：例如：凸輪凸輪、齒輪齒廓齒輪齒廓、活塞與缸套活塞與缸套

4、等。等。定義：定義：運動副運動副兩個構件直接接觸組成的仍能產兩個構件直接接觸組成的仍能產生某些相對運動的聯(lián)接。生某些相對運動的聯(lián)接。三個條件，缺一不可三個條件，缺一不可作者：潘存云教授作者：潘存云教授運動副的分類：運動副的分類： 1)按引入的約束數(shù)分有：按引入的約束數(shù)分有： I級副級副II級副級副III級副級副I級副、級副、II級副、級副、III級副、級副、IV級副、級副、V級副。級副。 2)按相對運動范圍分有：按相對運動范圍分有： 平面運動副平面運動副平面運動平面運動(Plannar kinematic pair)IV級副級副例如：例如：球鉸鏈球鉸鏈、拉桿天線、拉桿天線、螺旋螺旋、生物關節(jié)。

5、、生物關節(jié)?？臻g運動副空間運動副空間運動空間運動(Spatial kinematic pair )V級副級副1V級副級副2V級副級副3兩者關聯(lián) 3)按運動副元素分有：按運動副元素分有： 高副高副(high pair)點、線接觸，應力高。點、線接觸，應力高。低副低副(lower pair)面接觸，應力低。面接觸，應力低。例如：例如：滾動滾動副副、凸輪副凸輪副、齒輪副齒輪副等。等。例如：例如：轉動副轉動副（回轉副）、（回轉副）、移動副移動副 。運動鏈運動鏈兩個以上的構件通過運動副兩個以上的構件通過運動副的聯(lián)接而構成的系統(tǒng)。的聯(lián)接而構成的系統(tǒng)。閉式鏈閉式鏈(Close chain) 3. 運動鏈運動

6、鏈 (Kinematic chain) 作者：潘存云教授開式鏈開式鏈(Open chain)若干若干若干若干1個或幾個個或幾個1個個4. 機構機構定義定義：具有確定運動的運動鏈稱為機構具有確定運動的運動鏈稱為機構 。機架機架作為參考系的構件作為參考系的構件，如機床床身、車如機床床身、車輛底盤、飛機機身。輛底盤、飛機機身。機構的組成：機構的組成：機構機構機架原動件從動件運動副機架原動件從動件運動副機構是由若干構件經運動副聯(lián)接而成的，很顯然，機構歸屬于運動鏈，那么，運動鏈在什么條件下就能稱為機構呢？即各部分運動確定。分別用四桿機構和五桿機構模型演示得出如下結論：在運動鏈中，如果以某一個構件作為參考

7、坐標系，當其中另一個（或少數(shù)幾個）構件相對于該坐標系按給定的運動規(guī)律運動時，其余所有的構件都能得到確定的運動，那么，該運動鏈便成為機構。 原（主）動件原（主）動件按給定運動規(guī)律運動的構件按給定運動規(guī)律運動的構件。從動件從動件其余可動構件。其余可動構件。平面機構平面機構全部由平面運動副組成的機構。全部由平面運動副組成的機構。空間機構空間機構構件運動平面不平行的機構。構件運動平面不平行的機構。某些空間機構 平面機構中的運動副必定是平面運動副，而僅有平面運動副的機構可能是空間機構. 萬向聯(lián)軸節(jié)僅含有轉動副，但該機構是空間機構.1.1 機構運動簡圖機構運動簡圖 用國標規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構

8、件，并按用國標規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構件，并按一定比例尺表示機構的運動尺寸，繪制出表示機構的簡明圖一定比例尺表示機構的運動尺寸，繪制出表示機構的簡明圖形。形。機構運動簡圖與原機械具有完全相同運動特性。機構運動簡圖與原機械具有完全相同運動特性。22 機構運動簡圖 (The Kinematic Diagram of a Mechanism ) 繪制機構運動簡圖是機械工程師的基本功繪制機構運動簡圖是機械工程師的基本功. .用于現(xiàn)有機械或新機械原理方案的設計、分析與討論用于現(xiàn)有機械或新機械原理方案的設計、分析與討論重點在于機構的運動分析重點在于機構的運動分析構件的具體結構、組成方式等在方案設

9、計階段并不影響構件的具體結構、組成方式等在方案設計階段并不影響 機構的運動特性機構的運動特性運動副類型表明了構件之間的聯(lián)接關系和傳動方式運動副類型表明了構件之間的聯(lián)接關系和傳動方式構件的運動尺寸是運動分析的基礎構件的運動尺寸是運動分析的基礎不嚴格按比例可繪制不嚴格按比例可繪制機構示意圖機構示意圖 孔的半徑不是運動學尺寸! 連桿的橫截面形狀與尺寸都不是運動學尺寸！ 孔間距是連桿唯一的運動學尺寸.1234567ABCDEFD554 內燃機的機構運動簡圖如下:2.2機構運動簡圖 (The Kinematic Diagram of a Mechanism ) 2.2.2 運動副的表示方法(1)轉動副

10、(Revolute) ：1B12B2 不管半徑如何，用在圓心處的小圓表示 轉動副的半徑不是運動學尺寸！固定鉸鏈 (Fixed pivot )XY121111122222122211 機架 (frame)表示法.1111122222122211(2)移動副 (Sliding pair) ：121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c)121212(a)(b)(c) 移動副橫截面的形狀和尺寸與運動傳遞無關，不是運動學尺寸.(2)移動副 (Sliding pair) ：帶陰影線的構件代表機架.12112121122122112

11、12112212112121122122112121122帶陰影線的構件代表機架.注意：AAAAABBBBB1111122222(2)移動副中心線可平移。(3) 其中一構件可畫成滑塊，另一構件畫成導桿 。 以下五個簡圖是等價的。(1) 機構運動簡圖中的移動副中心線應該與機構實際導路平行，未必重合。 移動副中心線的方向不能改變ABBA12AB21 轉動副中心位置不能變動.ABBA12AB21(3) 齒輪副: 用兩個相切的點劃線圓表示它們的節(jié)圓。(4) 凸輪副： 畫出凸輪和從動件頂端的真實外形Cam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Ge

12、ar DriveOuter-meshed Cylindrical Gear DriveCam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Gear DriveOuter-meshed Cylindrical Gear DriveCam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Gear DriveOuter-meshed Cylindrical Gear Drive2.2.3 構件的表示法BAAB(a)(b)BAAB(a)(b) 構件的運動學目的是使其上的各運動副相對位置保持不變. 孔間距LA

13、B 是連桿唯一的運動學尺寸.雙副構件注：點劃線或虛線是表示與其聯(lián)接的其他構件注：點劃線或虛線是表示與其聯(lián)接的其他構件 多副構件： 圖a構件的幾種表示法：ABCABCABCABCABCC(a) 注意左右圖的區(qū)別：ABCABCABCBAC32211CABABC32211注意事項注意事項:作者：潘存云教授 畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的性質副的性質。 某些常用機構的表示法，見表 2-1.原動機原動機Electric MotorCone Gear Drive錐齒輪 (Cone gear)Chain DriveWorm and Worm Gear

14、 DriveChain DriveWorm and Worm Gear Drive 齒輪與齒條傳動Chain DriveWorm and Worm Gear Drive蝸桿 (Worm)蝸輪 (Worm gear) 傳動(棘輪機構)棘輪機構凸輪傳動Cam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Gear DriveOuter-meshed Cylindrical Gear DriveCam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Gear DriveOuter-meshed Cylind

15、rical Gear DriveCam DriveInner-meshed Ratchet MechanismCylindrical Gear DriveOuter-meshed Cylindrical Gear Drive內嚙合圓柱齒輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動偏心輪偏心輪AB12BA212.2.4. 繪制機構運動簡圖的步驟:(1) 仔細研究。多少構件？運動副的種類和數(shù)目？(3) 先畫機架上的所有固定運動副!(4) 從原動件開始，按照運動傳遞路線，逐個繪制構件。 (2) 選擇繪圖面。必要時，需加局部視圖。(5) 構件用數(shù)字標注，運動副用英文大寫字母標注。(7) 僅測量所有運動學尺寸.(8) 選擇

16、合適的比例尺, 繪制機構運動簡圖.(6) 計算并校核機構的自由度. 一個構件不管有多少個零件，都只能用一個序號。 屬于同一構件的各零件之間應該用焊接符號連接起來.2.2 運動簡圖的繪制運動簡圖的繪制小型壓力機小型壓力機編號原則：編號原則：注意區(qū)分位置重疊的不注意區(qū)分位置重疊的不同構件和同軸剛性聯(lián)接的多個零件。同構件和同軸剛性聯(lián)接的多個零件。前者分別編號，后者采用一個編號，前者分別編號，后者采用一個編號，加加 以示區(qū)別。以示區(qū)別。 1. 分析整個機構的工作原理分析整個機構的工作原理機構組成機構組成動作原理和運動情況動作原理和運動情況偏心輪偏心輪1 齒輪齒輪1 桿件桿件2 齒輪齒輪6 桿件桿件3

17、槽凸輪槽凸輪6 桿件桿件4 滑塊滑塊7 壓頭壓頭8原動件原動件執(zhí)行構件執(zhí)行構件2. 沿著傳動路線，分析相沿著傳動路線，分析相鄰構件之間的相對運動關系，鄰構件之間的相對運動關系，確定運動副的類型和數(shù)目。確定運動副的類型和數(shù)目。轉動副轉動副移動副移動副平面高副平面高副3. 選擇適當?shù)囊晥D平面選擇適當?shù)囊晥D平面 選擇原則選擇原則1 1 清楚表達機構的主體部分；清楚表達機構的主體部分；2 2 盡可能反映機構的全面運動；盡可能反映機構的全面運動；3 3 可以選擇其他視圖平面作為補充?？梢赃x擇其他視圖平面作為補充。1.2.2 運動簡圖的繪制運動簡圖的繪制 1. 分析整個機構的工作原理分析整個機構的工作原理

18、2. 沿著傳動路線，分析相鄰構件之間的相對運動沿著傳動路線，分析相鄰構件之間的相對運動 關系，確定運動副的類型和數(shù)目關系，確定運動副的類型和數(shù)目3. 選擇適當?shù)囊晥D平面選擇適當?shù)囊晥D平面4. 繪圖繪圖選擇機架選擇機架提取構件的運動尺寸提取構件的運動尺寸確定比例尺確定比例尺選擇機構運動中的一個狀態(tài)選擇機構運動中的一個狀態(tài)確定各運動副位置，繪圖確定各運動副位置，繪圖編號：編號：A、B、C 表示運動副表示運動副 1、2、3 表示構件表示構件 O1、O2表示固定轉軸表示固定轉軸 原動件的運動方向原動件的運動方向Ex.1: Ex.1: 繪制內燃機的機構運動簡圖繪制內燃機的機構運動簡圖. .機構組成機構組

19、成動作原理和運動情況動作原理和運動情況編號原則：編號原則：注意區(qū)分位置重疊的不注意區(qū)分位置重疊的不同構件和同軸剛性聯(lián)接的多個零件。同構件和同軸剛性聯(lián)接的多個零件。前者分別編號，后者采用一個編號，前者分別編號，后者采用一個編號，加加 以示區(qū)別。以示區(qū)別。先畫機架上的所有固定運動副先畫機架上的所有固定運動副 先畫原動件活塞. 畫連桿3. 畫曲柄4和小齒輪4。屬于同一構件的各零件之間應該用焊接符號連接起來. 畫大齒輪5、凸輪5、和凸輪5”. 畫進氣閥門桿6 . 畫排氣閥門桿7. 一個構件不管有多少個零件，都只能用一個序號。 1234567554 運動副用英文大寫字母標注。1234567ABCDEFD

20、554 原動件加注箭頭1234567ABCDEFD554 屬于同一構件的各零件之間應該用焊接符號連接起來.4D5A4E65C231D5B7FFig2-15Ex.2： 繪制圖示機構的機構運動簡圖BACD4DACB123123仔細觀察有2個固定轉動副和2個活動轉動副D23ACB1先畫固定運動副D23ACB1先畫固定運動副D23ACB1先畫固定運動副D23ACB1畫原動件1D23ACB1畫原動件1D23ACB1畫構件2D23ACB1畫構件2D23ACB1畫構件3D23ACB1原動件加注箭頭1234D23ACB14構件用數(shù)字標注1BA3CD4D23ACB142運動副用英文大寫字母標注曲柄-搖桿機構Ex

21、.3234122334411圓盤2套在滑塊3的孔內，滑塊3在圓盤4的槽中滑動，圓盤4相對于機架1轉動。仔細觀察 有兩個固定鉸鏈、一個活動鉸鏈、和一個移動副.23412341 畫機架1和原動件2之間的固定鉸鏈（畫法1）2341 畫機架1和原動件2之間的固定鉸鏈（畫法2）2341 畫機架1與構件4之間的固定鉸鏈2341畫構件2和3之間的活動鉸鏈.2341畫原動件 2.2341曲柄搖塊機構2341曲柄擺動導桿機構2341 原動件加注箭頭.234122334411構件用數(shù)字標注234122334411ABCBAC運動副用英文大寫字母標注。234122334411ABCBAC 注意C處搖塊的畫法。 導桿

22、不要浮在搖塊的上面。曲柄搖塊機構(曲柄擺動導桿機構)23 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算作平面運動的剛體在空間的位作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數(shù)置需要三個獨立的參數(shù)（x，y, ）才能唯一確定。才能唯一確定。yx(x , y)F = 3單個自由構件的自由度為單個自由構件的自由度為 3 3自由構自由構件的自件的自由度數(shù)由度數(shù)運動副運動副 自由度數(shù)自由度數(shù) 約束數(shù)約束數(shù)回轉副回轉副 1（） + 2（x，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2結論：結論：構件自由度構件自由度3約束數(shù)約束數(shù)移動副移動副 1（x） + 2（y，）=

23、3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3經運動副相聯(lián)后，由于有約束，構件自由度會有變化：經運動副相聯(lián)后，由于有約束，構件自由度會有變化：自由構件的自由度數(shù)約束數(shù)自由構件的自由度數(shù)約束數(shù)活動構件數(shù)活動構件數(shù) n 計算公式：計算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：要求：記住上述公式，并能熟練應用。記住上述公式，并能熟練應用。構件總自由度構件總自由度 低副約束數(shù)低副約束數(shù) 高副約束數(shù)高副約束數(shù) 3n 2 PL1 Ph例題例題 計算曲柄滑塊機構的自由度。計算曲柄滑塊機構的自由度。解：活動構件數(shù)解：活動構件數(shù)n= 3低副數(shù)低副數(shù)PL= 4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數(shù)高副

24、數(shù)PH=0S3123推廣到一般：推廣到一般： 例：計算平面運動鏈自由度例：計算平面運動鏈自由度12345P4 = 1 P5 = 5n = 4F = 34 25 1 = 1運動鏈的自由度運動鏈的自由度 F = ?運動鏈的運動情況如何運動鏈的運動情況如何? Fa = 32 - 23 = 0 Fb = 33 - 25 = -1F 0 不能運動，不成為機構不能運動，不成為機構 24 機構具有確定運動的條件機構具有確定運動的條件作者：潘存云教授給定給定S S3 3S S3 3(t)(t)，一個獨立參數(shù)一個獨立參數(shù)1 11 1（t t）唯一確定，該機唯一確定，該機構僅需要一個獨立參數(shù)。構僅需要一個獨立參數(shù)

25、。 若僅給定若僅給定1 11 1（t t）, ,則則2 2 3 3 4 4 均不能唯一確定。若同均不能唯一確定。若同時給定時給定1 1和和4 4 ，則，則3 3 2 2 能能唯一確定，該機構需要兩個獨立唯一確定，該機構需要兩個獨立參數(shù)參數(shù) 。4 4S3123S31 112341 1定義：定義：保證機構具有確定運動時所必須給定的保證機構具有確定運動時所必須給定的 獨立運動參數(shù)稱為機構的自由度獨立運動參數(shù)稱為機構的自由度。 ( (Freedom)Freedom)原動件原動件能獨立運動的構件。能獨立運動的構件。 一個原動件只能提供一個獨立參數(shù)一個原動件只能提供一個獨立參數(shù)機構具有確定運動的條件為：機

26、構具有確定運動的條件為：自由度原動件數(shù)自由度原動件數(shù) F = 34 - 25 = 21 個原動件個原動件F 0，但原動件數(shù)目小，但原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目，機構運于自由度數(shù)目，機構運動不確定。動不確定。 當機構的自由度大于機構的原動件數(shù)時，不能說機構就無用。機構的運動也不一定是毫無規(guī)律的亂動，而要受到最小阻力定律的支配，即:當機構的自由度大于機構的原動件數(shù)時，機構將優(yōu)先沿著阻力最小的方向運動。 以下是某同學制作的“爬樓梯機器人”，在2000年10月“挑戰(zhàn)杯” 湖北省大學生課外學術科技作品競賽中獲獎。該機器人只有一個電機，但該機采用的卻是雙自由度機構。 DOF212H344 兩自由度剎車機構 D

27、OF= 3n-2PL-Ph 123456ACDEFGH=36 -28 = 2 兩自由度的剎車機構可使兩片剎車片均勻地抱緊在輪轂上，自動調節(jié)剎車片的均載，剎車效果比單一剎車片（或單自由度）的更好。25 自由度計算中的特殊問題自由度計算中的特殊問題作者：潘存云教授12345678ABCDEF例題例題計算圖示圓盤鋸機構的自由度。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解：活動構件數(shù)解：活動構件數(shù)n= 7低副數(shù)低副數(shù)PL=6F=3n 2PL PH 高副數(shù)高副數(shù)PH=0=37 26 0=9計算結果肯定不對！計算結果肯定不對！構件數(shù)不會錯，肯定是低副數(shù)目搞錯了！1.復合鉸鏈復合鉸鏈 兩個以上的構件在同一處以轉動兩個以

28、上的構件在同一處以轉動副相聯(lián)。副相聯(lián)。計算：計算：m個構件個構件, 有有m1轉動副。轉動副。兩個低副兩個低副上例：在上例：在B、C、D、E四處應各有四處應各有 2 個運動副。個運動副。例題例題重新計算圖示圓盤鋸機構的自由度。重新計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解：活動構件數(shù)解：活動構件數(shù)n=7低副數(shù)低副數(shù)PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明：可以證明：F點的軌跡為一直線。點的軌跡為一直線。12345678ABCDEF作者：潘存云教授圓盤鋸機構圓盤鋸機構計算圖示兩種凸輪機構的自由度。計算圖示兩種凸輪機構的自由度。解：解：n=3， PL=3，F(xiàn)=3n 2PL PH =33

29、23 1 =2PH=1對于右邊的機構，有：對于右邊的機構，有： F=32 22 1=1事實上，兩個機構的運動相同，且事實上，兩個機構的運動相同，且F=11231232.局部自由度局部自由度F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 FP=1或計算時去掉滾子和鉸鏈：或計算時去掉滾子和鉸鏈： F=32 22 1 =1定義：定義：構件局部運動所產生的自由度。構件局部運動所產生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應去掉計算時應去掉Fp。滾子的作用：滑動摩擦滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。滾動摩擦。123123作者：潘存云教授解：解：n

30、=4， PL=6，F(xiàn)=3n 2PL PH =34 26 =0PH=03.虛約束虛約束( formal constraint)對機構的運動實際不起作用的約束。對機構的運動實際不起作用的約束。計算自由度時應去掉虛約束。計算自由度時應去掉虛約束。 FEAB CD ，故增加構件故增加構件4前后前后E點的軌跡都是圓弧，。點的軌跡都是圓弧，。增加的約束不起作用，應去掉構件增加的約束不起作用，應去掉構件4。已知：已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 1234ABCDEF作者：潘存云教授重新計算：重新計算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH

31、 =33 24 =1特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：1234ABCDEF4F已知：已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 ABCDEF虛約束虛約束作者：潘存云教授出現(xiàn)虛約束的場合：出現(xiàn)虛約束的場合： 1.兩構件聯(lián)接前后，聯(lián)接點的軌跡重合，兩構件聯(lián)接前后，聯(lián)接點的軌跡重合，2.兩構件構成多個移動副，且兩構件構成多個移動副，且導路平行。導路平行。 如如平行四邊形機構平行四邊形機構，火車輪火車輪橢圓儀橢圓儀等。等。(需要證明)作者：潘存云教授4.運動時，兩構件上的運動時，兩構件上的兩點距離始終不變。兩點距離

32、始終不變。3.兩構件構成多個轉動副，兩構件構成多個轉動副，且同軸。且同軸。5.對運動不起作用的對對運動不起作用的對稱部分。如稱部分。如多個行星輪多個行星輪。EF作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授6.兩構件構成高副，兩處接觸，且法線重合。兩構件構成高副，兩處接觸，且法線重合。如如等寬凸輪等寬凸輪注意：注意：法線不重合時，法線不重合時，變成實際約束！變成實際約束！AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA等寬凸輪機構等寬凸輪機構等徑凸輪機構等徑凸輪機構 虛約束的引入，一般是為了改善機構受力，增大傳遞功率虛約束的引入，一般是為了改善機構受力，增大傳遞功率 或者其它特殊需求；或者其它特殊需

33、求； 計算機構自由度時，不考慮虛約束的作用；計算機構自由度時，不考慮虛約束的作用； 虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結構條件，如果虛約束的成立，要滿足一定的幾何條件或者結構條件，如果 這些條件被破壞，將轉化了實約束，影響機構運動；這些條件被破壞，將轉化了實約束，影響機構運動； 虛約束問題小結：虛約束問題小結： 機械設計中如果需要采用虛約束，必須保證設計、加工、裝機械設計中如果需要采用虛約束，必須保證設計、加工、裝 配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。配精度，以確保滿足虛約束存在的條件。Ex.1：Calculate the DOF of the mechanism shown below.

34、12345678ABCDEFOGE12345678ABCDEFOGE(1)The spring(彈簧) should not be counted.(2) C is a compound hinge of links 2、3、4。(3) The roller has a passive DOF(局部自由度).(4) There are two parallel(平行) sliding pairs E and E between the frame 8 and the slider 6. One of the sliding pairs is redundant(多余的).Solution: 1

35、23345678ABCDEFOOGEABCGDEF5847621 After the mechanism is redrawn, DOF=3N-2PL-Ph=37-29 -1=2.Needs two drivers.Ex.2：Calculate the DOF of the mechanism.(1) C is a compound hinge of links 4、5、7.1234567ABCDEF(2) A is a compound hinge of links 1、2、7. (3) The roller has a passive DOF. After the roller is we

36、lded with the link 6, there is still a revolute pair between links 5 and 6. DOF=3N-2PL-Ph=36 -28-1=1Ex.3：AB EC FD. Calculate the DOF of the mechanism.ABCDEFGHKABCDEFGHKLink EC, revolute E, and revolute C create a redundant constraint.Link EC, revolute E, and revolute C create a redundant constraint.

37、 6 moving links remains.ABCDEFGHK1234567 D is a compound hinge of links 2, 3, 4.ABCDEFGHK1234567 The roller has a passive DOF. There is only one higher pair between links 4 and 5.ABCDEFGHK1234567 There is only one higher pair between cam 6 and link 5.ABCDEFGHK1234567DOF=3N-2PL-PhABCDEFGHK1234567 Nee

38、ds two drivers.=36 -27 -2=2.作者：潘存云教授作者：潘存云教授B2I9C 3A1J6H87DE4FG5計算圖示包裝機送紙機構的自由度。計算圖示包裝機送紙機構的自由度。分析：分析：活動構件數(shù)活動構件數(shù)n：A1B2I9C 3J6H87DE4FG592個個低副低副復合鉸鏈復合鉸鏈:局部自由度局部自由度 2個個虛約束虛約束: 1處處I8去掉局部自由度去掉局部自由度和虛約束后：和虛約束后： n =6PL = 7F=3n 2PL PH =36 27 3 =1PH =326 機構的組成原理及其結構分類機構的組成原理及其結構分類一、機構的組成原理一、機構的組成原理 a)原動件作移動原

39、動件作移動 (如直線電機、如直線電機、 流體壓力作動筒流體壓力作動筒)。21 b)原動件作轉動原動件作轉動 (如電動機如電動機)。211.1.基本機構基本機構 由一個原動件和一個機架組成的雙桿機構。由一個原動件和一個機架組成的雙桿機構。2.2.基本桿組基本桿組定義：定義：最簡單的最簡單的F0的構件組，稱為基本桿組。的構件組，稱為基本桿組。機構具有確定運動的條件是機構具有確定運動的條件是原動件數(shù)自由度原動件數(shù)自由度。F=1F=0現(xiàn)設想將機構中的原動件和機架斷開，則原動件與機架現(xiàn)設想將機構中的原動件和機架斷開，則原動件與機架構成了基本機構，其構成了基本機構，其F1。剩下的構件組必有。剩下的構件組必

40、有F0。將。將構件組繼續(xù)拆分成更簡單構件組繼續(xù)拆分成更簡單F0的構件組，直到不能再拆的構件組，直到不能再拆為止。為止。設基本桿組中有設基本桿組中有n個構件，則由條件個構件，則由條件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副機構中低副機構中Ph0 ) PL 為整數(shù)，為整數(shù)， n n只能取偶數(shù)。只能取偶數(shù)。 n n 2 4 n42 4 n4 已無實例了已無實例了! ! PL 3 6 n=2 的桿組稱為的桿組稱為級組應用最廣而又最簡單級組應用最廣而又最簡單的基本桿組。共有的基本桿組。共有 5 5 種類型種類型 n=4 （PL6 6）的桿組有以下四種類型的桿組有以下四種類型: :以上三種形

41、式稱為以上三種形式稱為級組級組。結構特點：其中有一個三。結構特點：其中有一個三副構件。副構件。典型典型級組：級組：n=2,Pn=2,PL L=3=3ABCABCABCABCABC第四種形式稱為第四種形式稱為IVIV級組級組 （n=4 PL6） 。結構特點：結構特點： 有兩個三副構件，且有兩個三副構件，且4個構件構成四邊形結構。個構件構成四邊形結構。內端副內端副桿組內部相聯(lián)。桿組內部相聯(lián)。外端副外端副與組外構件相聯(lián)。與組外構件相聯(lián)。必須強調指出：必須強調指出： 桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構件桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構件上，否則將成為剛體。如：上，否則將成為剛體。如：3、 機

42、構的組成原理機構的組成原理 任何機構都可以看作是若干個自由度為零的基本桿組依次任何機構都可以看作是若干個自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動機和機架上而構成的，機構的自由度等于原動件的聯(lián)接到原動機和機架上而構成的，機構的自由度等于原動件的數(shù)目，這就是數(shù)目，這就是機構的組成原理機構的組成原理。構件構件 + 運動副運動副 運動鏈運動鏈 機構機構機架機架原動件原動件若干基本桿組若干基本桿組舉例：將圖示八桿機構拆分成基本機構和基本桿組。舉例：將圖示八桿機構拆分成基本機構和基本桿組。機架和原動件機架和原動件級桿組級桿組 級桿組級桿組四桿機構四桿機構八八桿桿機機構構機構的組成：機構的組成： 在機架和原動件上

43、每增加一個基本桿組，并不改變原來的在機架和原動件上每增加一個基本桿組，并不改變原來的 自由度，每次增加都可以獲得一個新機構；自由度，每次增加都可以獲得一個新機構； 設計新機構時，在滿足相同工作要求的前提下，機構的結設計新機構時，在滿足相同工作要求的前提下，機構的結 構越簡單越好，桿組級別越低越好，運動副數(shù)目越少越好。構越簡單越好，桿組級別越低越好，運動副數(shù)目越少越好。 F = 3n - 2PL Ph1.4.2 機構的結構分析機構的結構分析 機構的結構分析機構的結構分析是指把機構分解為基本桿組、原動件和是指把機構分解為基本桿組、原動件和機架，是機構組成的反過程，又稱為拆桿組。機架，是機構組成的反

44、過程，又稱為拆桿組。機構的結構分析原則：機構的結構分析原則： 首先，從遠離原動件的部分開始拆分；首先，從遠離原動件的部分開始拆分； 試拆時，先試拆低級別桿組；試拆時，先試拆低級別桿組； 每拆完一個桿組，剩余的部分仍然是一個完整機構。每拆完一個桿組，剩余的部分仍然是一個完整機構。I 級機構級機構II 級機構級機構III 級機構級機構機構的命名：機構的命名： 以機構中所包含的基本桿組的最高級別以機構中所包含的基本桿組的最高級別原動件不同，機構原動件不同，機構的級別也有可能不同的級別也有可能不同12345678Ex.1. 對下圖機構進行結構分析（拆桿組）。(1) 機架 6 和原動件 1組成基本機構.

45、ACF1BEG2345(2) 構件3和2組成第一個II級桿組。 在該桿組中，轉動副A是內副，轉動副D和轉動副B是外副。當此桿組通過外副D和B連接到運動已知構件ED和機架后，構件3和2就有確定的運動，當然C點也就有確定的運動。A1BE23C(3)構件 4和5組成第二個II級桿組。 在該桿組中，移動副C是內副，轉動副C和轉動副F是外副。ACF1BEG2345 注意：轉動副C不是第一個桿組的外副。 第二個桿組通過轉動副C和轉動副F連接到運動已確定的構件3和機架上。第2個桿組第1個桿組RRRRPR種類 構件序號2, 34,5A移動副C4-5內副F, 轉動副CB, D外副3-5注意：在容易混淆的地方，應加注下標.ACF1BEG2345Ex.2. 拆桿組： (a) 如果構件 1是原動件 (b)如果構件 5是原動件 1254ABCDEF6(a)如果構件 1是原動件 , 那么構件 2, 3, 4和 5以及轉動副B、C、F、E、D和移動副B 組成從動件系統(tǒng).4A3B56C2FDE4A1BE62CF5D構件 2, 3, 4和 5以及轉動副B、C、F、E、D和移動副B 組