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1、第1章 机构的组成和结构,1.1 机构的组成 1.2 机构运动简图 1.3 运动链成为机构的条件 1.4 机构的组成原理和结构分析,1.1 机构的组成,1.1.1 构件,机构：具有确定运动的实物组合体,构件：独立影响机构功能，且能独立运动的单元体 零件：单独加工的制造单元体 一个构件:1)一个零件 2)多个零件,1.1.2 运动副,运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接,两个相邻构件直接接触 两者之间允许一定的相对运动 机构中每个构件至少与另外一个构件通过运动副联接,接触形式：点、线、面,自由构件(空间)：F = 6 自由构件(平面)：F = 3,运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由
2、度。 一个运动副引入多少约束？取决于运动副类型。,约束：运动副对构件独立运动所加的限制。,运动副的分类方法：,2 按照运动副的接触形式分类,低副（面面）、高副（点线）,n = 1, 2 5,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,转动副,五级副,R,P,按接触部分的几何形状分类： 按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类：,平面运动副,低副,移动副,五级副,?,按接触形式分类： 按引入的约束数目分类： 按相对运动形式分类： 按接触部分的几何形状分类：,平面运动副,高副,平面高副,四级副,1.1.3 运动链
3、,开式运动链（开链） 运动链的各构件未构成首末封闭系统,闭式运动链（闭链） 运动链的各构件构成首末封闭的系统,1.1.4 机构,机构是具有确定运动的运动链。,低副机构,高副机构,闭式链机构,开式链机构,思考题： 何谓“零件”和“构件”?试举例说明其区别。 “构件是由多个零件组成的”，“一个零件不能成为构件”的说法是否正确? 构件和零件的本质区别是什么? 何谓“运动副”? 满足什么条件两个构件间才能构成运动副? 何谓“运动链”? 具备什么条件，运动链才具有运动的可能性? 具备什么条件后才具有运动的确定性? 具备什么条件，运动链才能成为机构?,如何简要的表达设计思想和运动特性？,绘制机构运动简图,
4、1.2 机构运动简图,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形。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。,功用： 用于现有机械的分析 用于新机械原理方案的设计 机构示意图:不严格按比例绘制的机构简图,1.2.1 构件与运动副的表达方法,机架,机架和活动构件通过转动副联接 (内副),机架和活动构件通过移动副联接,两个活动构件联接,双副构件 (一个构件和两个外副),注：点划线表示与其联接的其他构件,三副构件 (一个构件和三个外副),原动机,偏心轮,构件1与机架：转动副A 构件1与构件2：转动副B,扩大运动副尺寸,偏心轮机构,1.2.2
5、 运动简图的绘制,1. 分析整个机构的工作原理构件,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运动副,3. 选择适当的视图平面,4. 选择比例尺，采用标准的符号和线条绘图,1.2.2 运动简图的绘制,小型压力机,2. 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。,转动副,移动副,平面高副,3. 选择适当的视图平面,选择原则 1 清楚表达机构的主体部分； 2 尽可能反映机构的全面运动； 3 可以选择其他视图平面作为补充。,4. 绘图,选择机架,提取构件的运动尺寸,确定比例尺,选择机构运动中的一个状态,确定各运动副位置，绘图,编号：A、B、C
6、表示运动副 1、2、3 表示构件 O1、O2表示固定转轴,标注原动件运动方向,思考题： 1. 机构运动简图有什么用途？它着重表达机构的哪些特征？ 2. 绘制机构运动简图的步骤是什么？应注意哪些事项?,1.3 运动链成为机构的条件,运动链的自由度：确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需要的独立参变量的数目。,运动链自由度计算的一般公式： F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 P1,n个活动构件，在无约束的空间有6n个自由度,1.3.1 运动链的自由度计算,Pk 个 k （K=1,2,3,4,5）级副，共引入5P5 4P4 3P3 2P2 P1约束,机架1和活塞2：
7、圆柱副（4级副）,活塞2和连杆3：转动副（5级副）,连杆3和摇杆4：球面副（3级副）,摇杆4和机架1：转动副（5级副）,自动驾驶仪操作装置,1.3.1 运动链的自由度计算,构件数目：N = 4 活动构件数目：n = 3,运动副：,P3 = 1 P4 = 1 P5 = 2,F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 P1 = 63524131 = 1,1.3.1 运动链的自由度计算,具有公共约束数为q运动链的自由度：,平面运动链的公共约束q=3，则其自由度： F = 3n - 2P5 - P4,K运动副的级别,公共约束作用下的运动链自由度,1,2,3,4,5,P4 = 1 P5
8、 = 5,n = 4,F = 3n - 2P5 P4 = 34 25 1 = 1,1.3.1 运动链的自由度计算 例：平面运动链,1.3.2 运动链成为机构的条件,运动链成为机构的条件： 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； 原动件数目等于运动链自由度数。 满足此条件的运动链即成为机构。 机构自由度的计算可采用运动链自由度的计算公式。,机构：在运动链中将某一个构件固定，让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。,1.3.2 运动链成为机构的条件（举例1）,F = 34 - 25 = 2,F 0
9、，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。,F = 33 - 24 = 1 2 个原动件,F 0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。,F 0，原动件数目等于自由度数目，运动链是机构。,F = 1 1 个原动件：活塞 实现摇杆的往复摆动,F = 1 1 个原动件 运动链已成为机构,1.3.2 运动链成为机构的条件（举例2）,1.3.3 计算机构自由度时应注意的问题,问题1：复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副 联接所构成的运动副。,解决方案 k 个构件在同一处构成复合铰链， 实际上构成了 ( k-1 ) 个转动副。,F = 3n - 2P5 P4 =
10、 35 - 27 = 1,解决方案 计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子 的构件固接为一个整体，成为一个构件 或在计算结果中去除局部自由度,问题2：局部自由度 某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。,F = 33 - 23-11 = 2,F = 3n - 2P5 P4 = 32 - 22-11 = 1,问题3：虚约束 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。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。,场合一：两个构件之间形成多个运动副,F = 31 - 22 = -1,解决方案
11、计算自由度时，不考虑虚约束的作用，假定： 两个构件之间只形成一个运动副,等宽凸轮机构,两构件组成的多个平面高副，各接触点之间的距离为常数,场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变,场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合,场合四：机构中存在不起作用的对称部分,为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分,虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率等需求； 计算自由度时，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：,如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确
12、保满足虚约束存在的条件。,例：计算图示机构自由度,复合铰链？ 局部自由度？ 虚约束？,n = 7 P4 = 1 P5 = 9 F = 37 - 29 1 = 2,思考题： 1. 运动链成为机构的条件是什么? 2. 当一个运动链中的原动件数目与其自由度数目不一致时，会出现什么情况？ 3. 计算机构自由度时应注意哪些事项?,构件 + 运动副 运动链 机构,1.4 机构的组成原理和结构分析,基本杆组：最简单的不可再拆的自由度 为零的构件组，简称为杆组。,平面低副杆组自由度 ： F = 3n - 2P5 = 0,P5 = 3n/2,n 只能取偶数！,若干个基本杆组,1.4.1 机构的组成原理,n =
13、2 P5 = 3 级杆组（双杆组）,n = 4 P5 = 6 级杆组,1.4.1 机构的组成原理,机构的组成原理：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构成机构；机构的自由度等于原动件的数目。,机架和原动件,新机构设计：增加基本杆组。,原则：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。,1.4.2 机构的结构分析,机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。,机构的结构分析原则：,首先，从传动关系上远离原动件的部分开始拆分 每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构 试拆时，先试拆低级别杆组，
14、如II级杆组,1.4.2 机构的结构分析,机构的命名： 以机构中所包含的基本杆组的最高级别,原动件不同，机构 的级别也有可能不同,1.4.3 平面机构的高副低代,根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为高副低代。,条件一：代替前后机构的自由度不变,F = 31 - 22 = -1,条件二：代替前后机构的瞬时速度和加速度不变,两个高副元素均为圆弧 AO1、BO、OO1均保持不变,瞬时替代机构,机构的结构分析流程,例：机构的结构分析,高副低代,本章重点,机构运动简图的绘制 运动链（机构）自由度计算 运动链成为机构的判断 基本杆组及机构组成原理,参考资料,1. 不同条件下的空间机构自由度公式，如空间单封闭型机构和多封闭型机构，参见张启先：“空间机构的分析与综合”，机械工业出版社，1984. 2. 含多环闭链机构的自由度计算，尤其是各环的公共约束数目不相同时，参见杨廷力 ：“机械系统基本理论 : 结构学运动学动力学” ，机械工业出版社, 1996 。 3. 机构的类型综合，参见曹惟庆：“机构组成原理”，高等教育出版社，1983,第一章 作 业,习题：1.2 b, c 若不是机构，请改进，使其成为机构。 习题：1.5 b, c, d, f 注意复合铰链、局部自由度、虚约束 自测题: 1-6 习题：拆杆组 1.6(c,f),