第一章机构的结构设计课件

第一章第一章机构的结构设计第一章机构的结构设计 主要研究内容主要研究内容构构件件间间可可动动连连接接(Movable connector)的的型型式式及及其其运运动动和和传传力特征。力特征。形成可动连接的构件系统成为机构应满足的条件。形成可动连接的构件系统成为机构应满足的条件。获获取取满满足足自自由由度度要要求求的的机机构构的的方方法法(即即机机构构结结构构创创新新设设计计方法方法)。机构的结构分析与分类。机构的结构分析与分类。第一节机构的组成一、构件与自由度一、构件与自由度 1.构件构件(Link)机机器器的的运运动动单单元元，传传递递运运动和力的载体。动和力的载体。实实例例 内内燃燃机机中中的的缸缸体体、活塞、连杆、曲轴等。活塞、连杆、曲轴等。第一节机构的组成第一节机构的组成内燃机连杆内燃机连杆构件的组成 一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。实实例例 连连杆杆由由连连杆杆体体、轴轴瓦瓦、连连杆杆盖盖、螺螺栓栓、垫垫圈圈、螺螺母母、连杆衬套等相互刚性联接组成。连杆衬套等相互刚性联接组成。连杆体连杆体连杆盖连杆盖螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母连杆衬套连杆衬套轴瓦轴瓦零件零件(Part)是机器的制造单元。是机器的制造单元。刚体自由度空间运动刚体的自由度空间运动刚体的自由度Oxzysxszsy y x z 一一个个完完全全独独立立的的刚刚体体在在空空间间直直角角坐坐标标系系下下的的自自由由度度(Degree of freedom,Mobility)为为sx，sy，sz，x，y，z，即即自自由由度度数数 f 6。平平面面运运动动刚刚体体的的自自由由度度为为sx，sy，z，即即自自由由度度数数 f 3。y x z O 2.自由度自由度y z(x,y)xO平面运动刚体的自由度平面运动刚体的自由度sxsy运动副与约束二、运动副与约束二、运动副与约束 运动副运动副(Kinematic pair)两两个个构构件件以以一一定定几几何何形形状状和和尺尺寸寸的的表表面面相相互互接接触触所所形形成成的可动联接。的可动联接。运运动动副副元元素素(Pair element)两两个个构构件件上上参参与与接接触触而而构构成成运动副的点、线、面部分。运动副的点、线、面部分。约约束束(Constraint)运运动动副副对对构构件件间间的的相相对对运运动动自自由由度度所施加的限制。所施加的限制。圆柱副观察图示两构件组成的观察图示两构件组成的圆柱副圆柱副(Cylindric pair)两构件保留的相对运动两构件保留的相对运动sz和和 z，即自由度数，即自由度数 f 2。两构件之间受限制的相对运动两构件之间受限制的相对运动sx，sy，x和和 y，即约束数，即约束数 s 4。两构件之间可以传递的力（力矩）两构件之间可以传递的力（力矩）Px，Py，Mx，My结结论论几几何何约约束束与与力力约约束束本本质质上上是是一致的，是可以相互替代的。一致的，是可以相互替代的。zxyO zsz构件的不同接触形式 特点特点具具有有较较多多的的自自由由度度，易易于于构构件件的的自动调整，保持静定特性。自动调整，保持静定特性。接接触触应应力力大大，易易变变形形、易易磨磨损损、承载能力低。承载能力低。制造比较困难。制造比较困难。适用场合适用场合结结构构简简单单，运运动动精精度度要要求求较较高高，受力较小。受力较小。构件的不同接触形式构件的不同接触形式点接触点接触(Point contact)点接触点接触，f 5,s 1线接触线接触，f 3,s 3线接触线接触(Line contact)面接触 面接触面接触(Area contact)特点特点相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。运运动动副副的的自自由由度度一一般般较较低低，其其接接触触状状况况对对尺尺寸寸、形形状状及及相相对对位位置置误误差差十十分分敏敏感感，实实际际接接触触及及受受力力状状况况难难以以准确确定，需要较高的制造精度。准确确定，需要较高的制造精度。保证运动副可靠工作的措施保证运动副可靠工作的措施 提高表面硬度提高表面硬度 正确选用材料正确选用材料 添加润滑剂添加润滑剂 加入中间体加入中间体,将滑动摩擦改为滚动摩擦将滑动摩擦改为滚动摩擦运动副分类 运动副的分类运动副的分类 按运动副引入的约束数分类按运动副引入的约束数分类 I级副级副(Class I kinematic pair)、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。按运动副的接触形式分类按运动副的接触形式分类 面与面接触的运动副面与面接触的运动副低副低副(Lower pair)点、线接触的运动副点、线接触的运动副高副高副(Higher pair)按两构件相对运动的形式分类按两构件相对运动的形式分类 平面运动副平面运动副(Planar kinematic pair)空间运动副空间运动副(Spatial kinematic pair)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、球面副、螺旋副、球面圆柱副、球面副、螺旋副、球面平面副、平面平面副、平面平面副、平面副、球面球面圆柱副、圆柱圆柱副、圆柱平面副等等。平面副等等。运动副举例球面平面副圆柱平面副球面球面平面副平面副Sphere-plane pair空间空间I 级高副级高副圆柱圆柱平面副平面副Cylinder-plane pair空间空间II 级高副级高副运动副举例运动副举例运动副举例球面副球销副球面副球面副Spherical pair空间空间III 级低副级低副球销副球销副Sphere-pin pair空间空间IV 级低副级低副运动副举例运动副举例运动副举例圆柱副螺旋副圆柱副圆柱副Cylindric pair空间空间IV 级低副级低副螺旋副螺旋副Helical pair空间空间V 级低副级低副运动副举例运动副举例运动副举例转动副转动副转动副Revolute pair空间空间V 级级(平面平面II级级)低副低副轴承轴承Bearing铰链铰链Hinged joint运动副举例运动副举例运动副举例移动副移动副移动副Prismatic pair,Sliding pair空间空间V 级级(平面平面II级级)低副低副运动副举例运动副举例平面运动副的约束数 平面机构是应用最广泛的机构。平面机构是应用最广泛的机构。平面运动副的约束数为平面运动副的约束数为1 s 2。点、线接触的平面运动副点、线接触的平面运动副平面高副平面高副 滚动副滚动副凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副 面接触的平面运动副面接触的平面运动副平面低副平面低副转动副转动副移动副移动副运动副的封闭 运动副的封闭运动副的封闭 保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。几何封闭几何封闭(Geometric closure)运动副的封闭 运动副的封闭运动副的封闭 保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。力封闭力封闭(Force closure)弹簧力封闭弹簧力封闭重力封闭重力封闭闭式运动链闭式运动链闭式运动链(Closed kinematic chain)单封闭回路闭链单封闭回路闭链p N（p为运动副数，为运动副数，N为构件数）为构件数）多封闭回路运动闭链多封闭回路运动闭链k p N 1(k为回路数为回路数)三、运动链三、运动链(Kinematic chain)两个以上构件用运动副联接的构件系统。两个以上构件用运动副联接的构件系统。开式运动链开式运动链开式运动链(Open kinematic chain)开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。N p 1机构其余构件运动其余构件运动是否确定？是否确定？机构机构满足条件满足条件1432运动链运动链 4132固定一个构件固定一个构件在另一个（或几个）在另一个（或几个）构件上加上已知运动构件上加上已知运动2134 四、机构四、机构同一运动链可以生成不同机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构摇块机构摇块机构导杆机构导杆机构同一运动链可以生成的不同机构同一运动链可以生成的不同机构1423ABC431CAB21432ABC431CAB2 运运动动链链的的生生成成是是创创造造、获获取取新新机机构构的的重重要要手手段段。运运动动链链的的设设计计只只关关注注构构件件数数和和联联接接这这些些构构件件的的运运动动副副的的数数量量和和类类型型，所所以又称为机构的以又称为机构的型数综合型数综合(Type and number synthesis)。构件的类型至少至少1个个1个个 构件的类型构件的类型原原动动件件(Driving link)机机构构中中按按给给定定运运动动规规律律运运动动的的构构件，也称为件，也称为输入构件输入构件(Input link)。从从动动件件(Driven link,Follower)其其余余的的可可动动构构件件。具具有有预预期期的的运运动动规规律律、对对外外完完成成某某种种工工艺艺动动作作的的从从动动件件也也称称为为输输出构件出构件(Output link)或或执行构件执行构件(Executive link)。机架机架(Fixed link,Frame)固定不动的构件。固定不动的构件。机构机构机架机架 原动件原动件 从动件系统从动件系统空间机构 平面机构是我们的主要研究对象。平面机构是我们的主要研究对象。根根据据机机构构中中各各构构件件的的相相对对运运动动是是否否在在同同一一平平面面或或平平行行平平面面内内，可可将将机机构构分分为为平平面面机机构构(Planar mechanism)和和空空间间机机构构(Spatial mechanism)。空间机构空间机构第二节机构运动简图第二节机构运动简图第二节机构运动简图 一、机构运动简图一、机构运动简图机构运动简图机构运动简图(Kinematic sketch)是从运动学角度出发，是从运动学角度出发，将实际机械中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到的将实际机械中与运动无关的因素加以抽象和简化后，得到的反映实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。反映实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件：条件：(1)构件数目与实际机构相同；构件数目与实际机构相同；(2)运动副的类型、数目与实际机构相符；运动副的类型、数目与实际机构相符；(3)运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。例。机构示意图机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结构特征。的结构特征。常用运动副符号常用运动副的符号常用运动副的符号运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副121212121212212121平平面面运运动动副副两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副121222112211222112运动副运动副名称名称常用运动副符号平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副1212空空间间运运动动副副122112平平面面运运动动副副21构件的表示方法构件的表示方法构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件构件的表示方法三副构件三副构件 两副构件两副构件 构件的表示方法构件的表示方法 不考虑构件的外形画画构构件件时时应应撇撇开开构构件件的的实实际际外外形形，而而只只考考虑虑运运动动副副的的类类型。型。常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（摘自常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动常用机构运动简图符号凸凸轮轮传传动动常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）链链传传动动圆圆柱柱蜗蜗杆杆蜗蜗轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动机构运动简图绘制步骤 二、机构运动简图的绘制二、机构运动简图的绘制步骤：步骤：(1)分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定原分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定原动件、机架、执行部分和传动部分。动件、机架、执行部分和传动部分。(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。的性质，确定运动副的类型和数目。(3)选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机构运动简图的视图平面。构运动简图的视图平面。(4)选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺 l(m mm)，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。(5)从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。平面机构运动简图绘制举例平面机构运动简图绘制举例偏心泵偏心泵1234ABCD运动链自由度计算一般公式 一、一、运动链的自由度计算运动链的自由度计算运运动动链链的的自自由由度度确确定定运运动动链链中中各各构构件件相相对对于于其其中中某某一一构件的位置所需的独立参变量的数目。构件的位置所需的独立参变量的数目。考察由考察由N个构件组成的运动链，活动构件数个构件组成的运动链，活动构件数 n=N 1。空间运动空间运动 运动链自由度：运动链自由度：构件构件总自由度总自由度6nI级副级副约束数约束数p1II级副级副约束数约束数2p2III级副级副约束数约束数3p3IV级副级副约束数约束数4p4V级副级副约束数约束数5p5第三节运动链成为机构的条件第三节运动链成为机构的条件运动链自由度计算公共约束 具有具有q个公共约束的运动链，其自由度计算公式为：个公共约束的运动链，其自由度计算公式为：平面平面运动链运动链 q=3，其自由度计算公式为：，其自由度计算公式为：自由度计算举例运动链自由度计算举例运动链自由度计算举例例例1 缝纫机脚踏板缝纫机脚踏板运动链自由度计算运动链自由度计算 例例2 平面四杆运动链自由度计算平面四杆运动链自由度计算 分析分析：n 3，p5 2，p4 1，p3 1 计算：计算：F 6n(3p3 4p4 5p5)6 3(3 1 4 1 5 2)1 只只要要给给定定1个个独独立立位位置置参参数数，各各构构件件间的相对位置关系就确定了。间的相对位置关系就确定了。分析分析：n 3，q 3，pL 4，pH 0 计算：计算：F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 只只要要给给定定1个个独独立立位位置置参参数数，各各构构件件间的相对位置关系就确定了。间的相对位置关系就确定了。平面四杆运动链平面四杆运动链1432ABC124C3ADB缝纫机脚踏板运动链缝纫机脚踏板运动链运动链成为机构的条件F0 F 3n 2pL pH 3 3 2 5 1 该该运运动动链链约约束束过过多多，成成为为超超静静定桁架，不能成为机构。定桁架，不能成为机构。F 3n 2pL pH 3 2 2 3 0 运运动动链链为为一一刚刚性性桁桁架架，不不能能成成为为机构。机构。AB12C3平面三构件运动链平面三构件运动链1243ADBCE平面四构件运动链平面四构件运动链 二、运动链成为机构的条件二、运动链成为机构的条件 判断所设计的运动链是否能成为机构，是提出新的设计判断所设计的运动链是否能成为机构，是提出新的设计方案时自行评价方案可行性的关键步骤。方案时自行评价方案可行性的关键步骤。运动链成为机构的首要条件运动链成为机构的首要条件：运动链自由度必须大于零。运动链自由度必须大于零。运动链成为机构的条件平面五杆运动链F 3n 2pL pH 3 4 2 5 2 原原动动件件数数 F,运运动动链链内内部部各构件的运动关系不确定。各构件的运动关系不确定。运动链不能成为机构。运动链不能成为机构。原原动动件件数数 F,运运动动链链内内部部各构件运动关系确定。各构件运动关系确定。运动链成为机构。运动链成为机构。在在F 0的条件下，进一步的条件下，进一步判断运动链是否具有确定的运判断运动链是否具有确定的运动。动。平面五杆运动链平面五杆运动链 运动链成为机构的条件平面四杆运动链F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1原原动动件件数数 F，运运动动链链内内部部的的运运动动关关系系将将发发生生矛矛盾盾，其中最薄弱的构件将会损坏。其中最薄弱的构件将会损坏。运动链不能成为机构。运动链不能成为机构。原原动动件件数数 F，运运动动链链内内部各构件运动关系确定。部各构件运动关系确定。运动链成为机构。运动链成为机构。平面四杆运动链平面四杆运动链运动链成为机构的条件结论 运运动动链链成成为为机机构构的的条条件件是是：取取运运动动链链中中一一个个构构件件相相对对固固定定作作为为机机架架，运运动动链链相相对对于于机机架架的的自自由由度度必必须须大大于于零零，且且原原动件的数目等于运动链的自由度数动件的数目等于运动链的自由度数。满满足足以以上上条条件件的的运运动动链链即即为为机机构构，机机构构的的自自由由度度可可用用运运动链自由度公式计算。动链自由度公式计算。机构自由度计算圆盘锯圆盘锯圆盘锯 计算错误的原因计算错误的原因例题例题圆盘锯机构自由度计算圆盘锯机构自由度计算 解解 n 7，pL 6，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 6 9错误的结果！错误的结果！12345678ABCDEF两个转动副两个转动副复合铰链12345678ABCDEF 正确计算正确计算 B、C、D、E处处为为复复合合铰铰链链，转转动动副数均为副数均为2。n 7，pL 10，pH 0 F 3n 2pL pH 3 7 2 10 1三、三、计算机构自由度时应注意的问题计算机构自由度时应注意的问题 复合铰链复合铰链(Compound hinges)两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。k个构件组成的复合铰链，有个构件组成的复合铰链，有(k-1)个转动副。个转动副。复合铰链的识别12313424132两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副1234两个转动副两个转动副1423两个转动副两个转动副312两个转动副两个转动副 准确识别复合铰链举例准确识别复合铰链举例关键：关键：分辨清楚哪几个构件在同一处用转动副联接分辨清楚哪几个构件在同一处用转动副联接 计算凸轮机构自由度例题例题计算凸轮机构自由度计算凸轮机构自由度 F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 局部自由度局部自由度(Passive degree of freedom)机机构构中中某某些些构构件件所所具具有有的的仅仅与与其其自自身身的的局局部部运运动动有有关关的的自由度自由度。考虑局部自由度时的机构自由度计算考虑局部自由度时的机构自由度计算设想将滚子与从动件焊成一体设想将滚子与从动件焊成一体F 3n 2pL pH 3 2 2 2 1 1计算时减去局部自由度计算时减去局部自由度FP F 3n 2pL pH FP 3 3 2 3 1 1 1？机车车轮联动机构自由度？例题例题计算机车车轮联动机构的自由度计算机车车轮联动机构的自由度 F 3n 2pL pH 3 6 2 9 0虚约束定义 虚约束虚约束(Redundant constraint,Passive constraint)机构中不起独立限制作用的重复约束机构中不起独立限制作用的重复约束。计计算算具具有有虚虚约约束束的的机机构构的的自自由由度度时时，应应先先将将机机构构中中引引入入虚虚约束的构件和运动副除去。约束的构件和运动副除去。虚约束两构件构成多个运动副 (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构成多个两构件构成多个导路平行的移动副导路平行的移动副两构件构成多个两构件构成多个轴线重合的转动副轴线重合的转动副两构件构成多个接触两构件构成多个接触点处法线重合的高副点处法线重合的高副虚约束发生的场合虚约束发生的场合虚约束距离不变 (2)两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变 未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0 构件构件5和其两端的转动副和其两端的转动副E、F提供的自由度提供的自由度 F 3n 2pL pH 3 1 2 2 1即即引引入入了了一一个个约约束束，但但这这个个约约束束对对机机构构的的运运动动不不起起实实际际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后?AB CDAE DF F 3n 2pL pH 3 3 2 4 13241ACBDEF5虚约束轨迹重合 (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 构构件件3与与构构件件2组组成成的的转转动动副副E及及与与机机架架组组成成的的移移动动副副提提供的自由度供的自由度F 3n 2pL pH 3 1 2 2 1即即引引入入了了一一个个约约束束，但但这这个个约约束束对对机机构构的的运运动动不不起起实实际际约束作用，为虚约束。去掉虚约束后约束作用，为虚约束。去掉虚约束后椭圆仪机构椭圆仪机构构件构件2和和3在在E点点轨迹重合轨迹重合3E4125ABCBE BC=AB EAC=90 F 3n 2pL pH 3 3 2 4 1 未去掉虚约束时未去掉虚约束时 F 3n 2pL pH 3 4 2 6 0?虚约束对称部分1B342A (4)机构机构中对传递运动不起独立作用的对称部分中对传递运动不起独立作用的对称部分 对对称称布布置置的的两两个个行行星星轮轮2 和和2 以以及及相相应应的的两两个个转转动动副副D、C和和4个平面高副提供的自由度个平面高副提供的自由度F 3n 2pL pH 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束。即引入了两个虚约束。行星轮系行星轮系 去掉虚约束后去掉虚约束后F 3n 2pL pH 3 3 2 3 1 2 11234ADBC2 2 未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1虚约束的作用 虚约束的作用虚约束的作用(1)改改善善构构件件的的受受力力情情况况，分分担担载载荷荷或或平平衡衡惯惯性性力力，如如多多个行星轮。个行星轮。(2)增加增加结构刚度结构刚度，如轴与轴承、机床导轨。，如轴与轴承、机床导轨。(3)提高运动可靠性和工作的稳定性提高运动可靠性和工作的稳定性。注注意意 机机构构中中的的虚虚约约束束都都是是在在一一定定的的几几何何条条件件下下出出现现的的，如如果果这这些些几几何何条条件件不不满满足足，则则虚虚约约束束将将变变成成实实际际有有效效的的约约束束，从而使机构不能运动。从而使机构不能运动。包装机送纸机构自由度计算ED FI GJ例例3 计算包装机送纸机构的自由度计算包装机送纸机构的自由度 分析分析活动构件数活动构件数n 9复合铰链复合铰链虚约束虚约束运动副运动副D1处处去去掉掉局局部部自自由由度度和和虚虚约束约束局部自由度局部自由度B2I9C 3A1J6H87DE4FG5A1B2C 3J6H89IFG57ED42个转动副个转动副杆杆9和运动副和运动副F、I引入一个虚约引入一个虚约束束n 6，pL 7，pH 3F 3n 2pL pH 3 6 2 7 1 3 1滚子滚子3、8绕绕自身轴线的自身轴线的转动转动第四节平面运动链与机构结构设计第四节第四节 平面运动链与机构的结构设计平面运动链与机构的结构设计 一、平面运动链的结构设计一、平面运动链的结构设计 机机构构的的构构件件数数n、运运动动副副数数pk与与自自由由度度数数F之之间间存存在在着着一一定的关系。定的关系。运动链结构设计（机构的型数综合）的目的运动链结构设计（机构的型数综合）的目的确确定定在在满满足足一一定定自自由由度度的的前前提提下下运运动动链链的的所所有有结结构构形形式式，从而获得能满足各种工作要求的机构。从而获得能满足各种工作要求的机构。这是机构这是机构创新设计创新设计(Creative design)的基本途径。的基本途径。假假定定所所有有运运动动副副为为单单一一转转动动副副。平平面面机机构构自自由由度度计计算算公公式简化为式简化为F 3n 2pL 3(N 1)2p自由度自由度F是机构型数综合的目标。是机构型数综合的目标。运动链结构公式推导法 p，N均应为正整数，因此均应为正整数，因此 当当F为为奇奇数数时时，构构件件N必必为为偶偶数数；反反之之，当当F为为偶偶数数时时，构构件数件数N必为奇数。必为奇数。当当F 1时，时，N必须大于必须大于2。结论结论对于对于F=1的平面闭链机构的平面闭链机构构件数构件数N必为必为4，6，8，10，等；等；对应的运动副数对应的运动副数p为为4，7，10，13，等。等。由由k p N 1可可知知，对对于于4 10杆杆运运动动链链，对对应应的的封封闭闭回回路数为路数为1，2，3，4，。二、运动链结构公式推导法二、运动链结构公式推导法改写前述公式改写前述公式F1的运动链自由度自由度F 1的的6杆运动链的可能结构型杆运动链的可能结构型N3 2，N2 4Watt链链N4 1，N2 5等同于等同于4杆链杆链N3 2，N2 4等同于等同于4杆链杆链N3 2，N2 4与与Watt链同构链同构N3 2，N2 4Stephenson链链 F=1的运动链的运动链 N3 2N4 5N5 N 4 N N2 N3 N4 N5 式中，式中，Nk表示表示k副构件的数目。副构件的数目。第五节基本杆组法第五节第五节 按基本杆组的机构结构综合按基本杆组的机构结构综合与结构分析与结构分析 一、一、机构结构综合机构结构综合的的基本杆组法基本杆组法 基本思路基本思路 驱动杆组驱动杆组(Driving groups)基本杆组基本杆组(Basic groups)机构机构由原动件和机架组由原动件和机架组成，自由度等于机成，自由度等于机构自由度构自由度不可再分的自由不可再分的自由度为零的构件组度为零的构件组合合 核心问题：核心问题：如何获得各种如何获得各种F 0的基本杆组？的基本杆组？基本杆组条件II级组基本杆组的构件数基本杆组的构件数n 2，4，6，基本杆组的运动副数基本杆组的运动副数pL 3，6，9，1.n 2，pL 3的双杆组的双杆组(II级组级组)内接运动副内接运动副外接运动副外接运动副R-R-R组组R-R-P组组R-P-R组组P-R-P组组R-P-P组组 基本杆组应满足的条件基本杆组应满足的条件F 3n 2pL 0 即即 n (2 3)pL III级组 结结构构特特点点 有有一一个个三三副副构构件件，而而每每个个内内副副所所联联接接的的分分支支构件是两副构件。构件是两副构件。2.n 4，pL 6的多杆组的多杆组 (1)III级组级组IV级组 不不同同级级别别的的杆杆组组，其其构构形形的的难难度度和和位位置置解解的的数数量量都都很很不不相相同同，从从而而决决定定了了由由它它们们所所构构成成的的机机构构可可能能实实现现的的运运动动规规律律，以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。以及它们的运动与受力分析的难易程度都不相同。结结构构特特点点 具具有有两两个个三三副副构构件件，杆杆组组的的四四个个内内副副形形成成四四边边形。形。(2)IV级组级组杆组的构形解 杆组的构形解杆组的构形解II级级组组有有两两种种装装配配模模式式，为为ABC或或ABC。III级级组组的的装装配配模模式式多多达六种。达六种。由由不不同同级级别别的的基基本本杆杆组组组组成成的的机机构构，其其分分析析设设计计的的复复杂杂程程度度不不一一样样。为为此此，常常根根据据机机构构中中的的杆杆组组级别来确定机构的级别。级别来确定机构的级别。II级组的构形解级组的构形解ABC CD F E CABDEFE D F III级组的构形解级组的构形解def 杆杆组组不不同同的的构构形形解解即即各各构构件件的的相相对对位位置置解解，又又称称为为杆杆组组的的装装配配模模式式(Assemble modes)。平面机构的高副低代二、平面机构的高副低代二、平面机构的高副低代平面机构的高副低代二、平面机构的高副低代二、平面机构的高副低代r1r2O1O2O2r2 O1高副低代高副低代 接触点处两高副元素接触点处两高副元素的曲率半径为有限值的曲率半径为有限值 接触点处两高副元素接触点处两高副元素之一的曲率半径为无穷大之一的曲率半径为无穷大高副低代高副低代虚拟构件虚拟构件虚拟构件虚拟构件机构的组成原理 三、机构的组成原理三、机构的组成原理基本概念基本概念基本机构基本机构仅由一个基本杆组构成的机构。仅由一个基本杆组构成的机构。复合机构复合机构由一个以上基本杆组构成的机构。由一个以上基本杆组构成的机构。按基本杆组的机构结构综合步骤按基本杆组的机构结构综合步骤 按自由度要求设计出驱动杆组；按自由度要求设计出驱动杆组；将基本杆组依次联接到原动件、机架上，或者机架和其它将基本杆组依次联接到原动件、机架上，或者机架和其它基本杆组的构件上，组成机构。基本杆组的构件上，组成机构。机构结构组成举例一个原动件 注意注意 杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。杆组的各外接运动副不能全部联接在同一个构件上。A18BC2D3EF45GIH67J 机构结构组成举例机构结构组成举例机构结构组成举例两个原动件 在在进进行行新新机机械械方方案案设设计计时时，可可以以按按设设计计要要求求由由杆杆组组组组成成机构，进行创新设计。机构，进行创新设计。A19B2C5463DEFGHJI87 机构结构组成举例机构结构组成举例机构结构分析 四、机构的结构分析四、机构的结构分析在对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和动在对已有的机构或已设计完毕的机构进行运动分析和动力分析时，通常需要对机构进行结构分析。力分析时，通常需要对机构进行结构分析。意义意义基本杆组是组成机构的核心，具有自由度为零和不可再基本杆组是组成机构的核心，具有自由度为零和不可再分拆的属性以及运动和动力的确定性。分拆的属性以及运动和动力的确定性。通过机构的结构分析，可以将类型繁多的各种机构分析通过机构的结构分析，可以将类型繁多的各种机构分析问题归纳为数量有限的几种基本杆组的分析和求解问题，从问题归纳为数量有限的几种基本杆组的分析和求解问题，从而简化了机构的分析。而简化了机构的分析。问题核心问题核心正确划分出机构的基本杆组正确划分出机构的基本杆组机构的结构分析过程与机构的组成过程相反机构的结构分析过程与机构的组成过程相反。结构分析步骤步骤步骤(1)计算计算机构的自由度，确定原动件。机构的自由度，确定原动件。(2)将机构中的高副用低副替代。将机构中的高副用低副替代。(3)从从传传动动关关系系上上离离原原动动件件最最远远的的构构件件开开始始，依依次次进进行行试试拆拆。试试拆拆时时，先先按按II级级组组试试拆拆，若若无无法法拆拆除除，再再试试拆拆高高一一级级别的杆组。别的杆组。(4)每每拆拆除除一一个个杆杆组组后后，机机构构的的剩剩余余部部分分仍仍应应是是一一个个自自由由度不变的完整机构，直至只剩下驱动杆组。度不变的完整机构，直至只剩下驱动杆组。(5)按按所所有有基基本本杆杆组组中中的的最最高高级级别别杆杆组组确确定定该该机机构构的的类类别别，作作为为对对机机构构进进行行运运动动分分析析和和动动力力分分析析时时，选选择择相相应应方方法法的的依依据。据。结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第一次试拆第一次试拆以构件以构件1为原动件为原动件BAI2E14365798DHCGJF10结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第一次试拆第一次试拆以构件以构件1为原动件为原动件BAI2E14365798DHCGJF10结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题错误！错误！不是不是III级组。级组。BA2E1435DCF10I6798HGJF结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题错误！错误！剩余部分不是完剩余部分不是完整机构，存在运整机构，存在运动不确定构件。动不确定构件。BAI2143798DHCJF10GE65FE65F结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。BA2E143657DHCGF10I98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第二次试拆第二次试拆BA2E143657DHCGF10I98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第二次试拆第二次试拆BA2E143657DHCGF10I98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题错误！错误！不是不是III级组。级组。BA213C10E4657DHGFI98JI98J14结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。BA2E35DCF1067HGFI98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第三次试拆第三次试拆BA2E1435DCF1067HGFI98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第三次试拆第三次试拆BA2E1435DCF1067HGFI98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题错误！错误！不是不是III级组。级组。A110B2E435DCF67HGFI98JI98J结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。BA213C1067HGFI98JI98J45DFE结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第四次试拆第四次试拆67HGFI98JI98JA110B23C45DFE结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题拆杆组完成！拆杆组完成！67HGFI98JI98JA110B23CII级机构级机构45DFE结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题以构件以构件5为原动件为原动件第一次试拆第一次试拆BA2E1435DCF67HGF98JI10结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第二次试拆第二次试拆BA2E1435DCF10F98JI正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。F67HGF结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第三次试拆第三次试拆正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。F67HGF98JIBA2E1435DCF F10结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题第三次试拆第三次试拆正确！正确！继续拆分基本杆组。继续拆分基本杆组。F67HGF98JIBA2E1435DCF F10结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题F67HGF98JIE51043CF FBA21D错误！错误！剩余部分不是完剩余部分不是完整机构，存在运整机构，存在运动不确定构件。动不确定构件。第三次试拆第三次试拆结构分析例题机构结构分析例题机构结构分析例题E510BA2143DCF FF67HGF98JI结构分析例题III级机构级机构拆杆组完成！拆杆组完成！机构结构分析例题机构结构分析例题F67HGF98JIE510BA2143DCF F结构分析例题A18 机构级别机构级别III级机构级机构III级组级组II级组级组BC2D3驱动杆组驱动杆组EF45GIH67J机构结构分析例题机构结构分析例题结构分析例题 机构级别机构级别II级机构级机构注意注意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。II级组级组II级组级组II级组级组8驱动杆组驱动杆组J65GIH7D3EF4A1BC2结构分析例题G例例4 对图示电锯机构进行结构分析。对图示电锯机构进行结构分析。解解n 8，pL 11，pH 1，F 3n 2pL pH 3 8 2 11 1 1 1。机机构构无无复复合合铰铰链链和和虚虚约约束束，局局部部自自由由度度为为滚滚子子绕绕自自身身轴线的转动。轴线的转动。高副低代高副低代23456789ABCDEFIHJGO6CO1345721BAO2109HFEDIJ81OK结构分析例题O1O210A拆分基本杆组拆分基本杆组II级机构级机构O1975HEIG6F8JC34BD基本要求基本要求基本要求 从功能与结构设计的角度认识和了解运动副与运动副元素。从功能与结构设计的角度认识和了解运动副与运动副元素。掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构简图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的运结构简图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。了解运动链和机构的结构以及机构结构设计的理论和方法，了解运动链和机构的结构以及机构结构设计的理论和方法，掌握运动链成为机构的条件。掌握运动链成为机构的条件。基本要求基本要求 熟熟练练掌掌握握机机构构自自由由度度的的计计算算方方法法，从从结结构构和和功功能能设设计计的的角角度度了了解解局局部部自自由由度度及及虚虚约约束束，能能准准确确识识别别出出机机构构中中存存在在的的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。掌掌握握机机构构的的组组成成原原理理和和结结构构分分析析方方法法。了了解解高高副副低低代代的的方方法法；会会判判断断杆杆组组、杆杆组组的的级级别别和和机机构构的的级级别别；学学会会将将II级级、III级机构分解为机架、原动件和若干基本杆组的方法。级机构分解为机架、原动件和若干基本杆组的方法。基本要求习题第一章习题第一章习题1.27、1.28、1.29a)、c)、d)、f)、h)、j)、1.30、1.31构件滚动副凸轮副齿轮副转动副移动副开式运动链机构曲柄滑块机构摇块机构导杆机构缝纫机脚踏板椭圆仪行星轮系