第1章 1 平面机构结构分析

华中农业大学专用 潘存云教授研制第一章第一章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析1 11 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的12 机构的组成机构的组成13 机构运动简图机构运动简图14 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件15 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算16 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题 17速速度度瞬瞬心心及及其其在在机机构构速速度度分分析析中中的的应应用用本章模型：复合可拆铰链、连杆、偏心泵、破碎机、四杆五杆机构、滚子凸轮、移动副、虚约束平行四边形华中农业大学专用 潘存云教授研制11 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件研究机构的组成及其具有确定运动的条件 目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？这对于设计新的机构显得尤其重要。这对于设计新的机构显得尤其重要。2.按结构特点对机构进行分类按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法分析的一般方法。3.绘制机构运动简图绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。目的是为运动分析和动力分析作准备。华中农业大学专用 潘存云教授研制4.研究机构的组成原理研究机构的组成原理机构有简有繁，构件有多有少，而运动确定是它们的共同特征。研究的目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。定性的要求。华中农业大学专用 潘存云教授研制12 机构的组成机构的组成名词术语解释名词术语解释:1.构件构件(Link)独立的运动单元独立的运动单元 零件零件(part)独立的制造单元独立的制造单元2.运动副运动副(Kinematic pair)a)两个构件、两个构件、b)直接接触、直接接触、c)有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：滚动轴承滚动轴承、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。内燃机内燃机中的连杆定义：定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。相对运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可华中农业大学专用 潘存云教授研制运动副的分类：运动副的分类：1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有：I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。I级副级副II级副级副III级副级副华中农业大学专用 潘存云教授研制 2)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有：平面运动副平面运动平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair)平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。IV级副级副V级副级副1V级副级副2V级副级副3空间运动副空间运动空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair)例如：例如：球铰链球铰链、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动副的机构。华中农业大学专用 潘存云教授研制 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高高副点、线接触，应力高(high pair)低副面接触，应力低低副面接触，应力低 (lower pair)例如：例如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副。华中农业大学专用 潘存云教授研制常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示:国标国标GB446084详见教材详见教材 P13 页。页。华中农业大学专用 潘存云教授研制常用运动副的符号常用运动副的符号运动副运动副名称名称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12121212121212121212121212两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122121平平面面运运动动副副华中农业大学专用 潘存云教授研制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121212空空间间运运动动副副121212华中农业大学专用 潘存云教授研制构件的表示方法构件的表示方法:华中农业大学专用 潘存云教授研制一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件华中农业大学专用 潘存云教授研制三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 华中农业大学专用 潘存云教授研制注意事项注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。闭式链闭式链(Close chain)、开式链开式链(Open chain)3.运动链运动链 (Kinematic chain)运动链两个以上的构件通过运动副的联接运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。而构成的系统。工业工业机器人机器人华中农业大学专用 潘存云教授研制若干若干1个或几个个或几个1个个4.机构机构定义定义：具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构。机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆如机床床身、车辆底盘、飞机机身。底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机构机架机架原动件原动件从动件从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件其余可动构件。华中农业大学专用 潘存云教授研制13 机构运动简图机构运动简图机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。动关系的简单图形。作用：作用：1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。机构示意图不按比例绘制的简图机构示意图不按比例绘制的简图华中农业大学专用 潘存云教授研制常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 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华中农业大学专用 潘存云教授研制链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动华中农业大学专用 潘存云教授研制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.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。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华中农业大学专用 潘存云教授研制绘制机构运动简图绘制机构运动简图顺口溜：先两头，后中间，顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，从头至尾走一遍，数数构件是多少，数数构件是多少，再看它们怎相联。再看它们怎相联。步骤：步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制 示意图。示意图。3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运动简图。简图比例尺：简图比例尺：l=实际尺寸实际尺寸 m/m/图上长度图上长度mmmm思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄弄清清运运动动传传递递路路线线，确确定定构构件件数数目目及及运运动动副副的的类类型型，并用符号表示出来。并用符号表示出来。举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机和和偏心泵偏心泵的机构运动简图。的机构运动简图。华中农业大学专用 潘存云教授研制鳄式破碎机鳄式破碎机华中农业大学专用 潘存云教授研制1234题题2-9 绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的运动简图的运动简图偏心泵偏心泵 动画华中农业大学专用 潘存云教授研制14 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数，一个独立参数1 11 1（t t）唯一确定，该机）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。构仅需要一个独立参数。若若仅仅给给定定1 11 1（t t）,则则2 2 3 3 4 4 均均不不能能唯唯一一确确定定。若若同同时时给给定定1 1和和4 4 ，则则3 3 2 2 能能唯唯一一确确定定，该该机机构构需需要要两两个个独独立立参数参数 。S3123S31 112341 14 4华中农业大学专用 潘存云教授研制定定义义：保保证证机机构构具具有有确确定定运运动动时时所所必必须须给给定定的的独立运动参数称为机构的自由度独立运动参数称为机构的自由度。FreedomFreedom原动件能独立运动的构件。原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为：自由度原动件数自由度原动件数华中农业大学专用 潘存云教授研制15 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算作作平平面面运运动动的的刚刚体体在在空空间间的的位位置置需需要要三三个个独独立立的的参参数数（x，y,）才能唯一确定。才能唯一确定。yx(x,y)F=3单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 3华中农业大学专用 潘存云教授研制运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：结论：构件自由度构件自由度3约束数约束数移动副移动副 1（x）+2（y，）=3高高 副副 2（x,）+1（y）=3华中农业大学专用 潘存云教授研制活动构件数活动构件数 构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph (低副数低副数)(高副数高副数)计算公式：计算公式：F=3n(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。要求：记住上述公式，并能熟练应用。举例：举例：华中农业大学专用 潘存云教授研制计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。123解：活动构件数解：活动构件数n=3低副数低副数PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH=04华中农业大学专用 潘存云教授研制计算五杆铰链机构的自由度。计算五杆铰链机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n=4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 24 =2 高副数高副数PH=05234华中农业大学专用 潘存云教授研制计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n=2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=123华中农业大学专用 潘存云教授研制16 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=6F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！华中农业大学专用 潘存云教授研制1.复合铰链复合铰链 multiple pin joints 两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：计算：m个构件个构件,有有m1转动副。转动副。华中农业大学专用 潘存云教授研制上例：在上例：在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。圆盘锯机构圆盘锯机构 动画华中农业大学专用 潘存云教授研制计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。解：解：n=3，PL=3，F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1对于右边的机构，有：对于右边的机构，有：F=32 22 1=1事实上，两个机构的运动相同，且事实上，两个机构的运动相同，且F=112312华中农业大学专用 潘存云教授研制2.局部自由度局部自由度 Partial freedomPartial freedomF=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或计算时去掉滚子和铰链：或计算时去掉滚子和铰链：F=32 22 1 =1定义：定义：构件局部运动所产生的自由度。构件局部运动所产生的自由度。出出现现在在加加装装滚滚子子的的场场合合，计算时应去掉计算时应去掉Fp。滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。12312华中农业大学专用 潘存云教授研制解：解：n=4，PL=6，F=3n 2PL PH =34 26 =01234ABCDEFPH=03.虚约束虚约束 formal constraint 对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。FEAB CD，故故增增加加构构件件4前前后后E点点的轨迹都是圆弧，。的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件增加的约束不起作用，应去掉构件4。已已知知：ABCDEF，计计算算图图示示平平行行四四边边形形机构的自由度机构的自由度。华中农业大学专用 潘存云教授研制重新计算：重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1E123ABCD4F特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：ABCDEF 100分钟分钟已已知知：ABCDEF，计计算算图图示示平平行行四四边边形形机构的自由度。机构的自由度。4F华中农业大学专用 潘存云教授研制出现虚约束的场合：出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.两两构构件件构构成成多多个个移移动动副副，且且导路平行。导路平行。如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪等。等。(需要证明)华中农业大学专用 潘存云教授研制4.运运动动时时，两两构构件件上上的的两点距离始终不变。两点距离始终不变。3.两两构构件件构构成成多多个个转转动动副副，且同轴。且同轴。5.对对运运动动不不起起作作用用的的对对称部分。如称部分。如多个行星轮多个行星轮。EF华中农业大学专用 潘存云教授研制6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如如等宽凸轮等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，法线不重合时，变成实际约束！变成实际约束！华中农业大学专用 潘存云教授研制虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的各种出现虚约束的场合都是有条件的!华中农业大学专用 潘存云教授研制计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。n=6，PL=7，F=3n 2PL PH =36 27 3 =1虚约束虚约束 1处处,构件构件8复合铰链复合铰链:位置位置D，2个个低副低副PH=3分析：分析：华中农业大学专用 潘存云教授研制12A2(A1)B2(B1)17速度瞬心及其在机构速度分析中的应用速度瞬心及其在机构速度分析中的应用 机机构构速速度度分分析析的的图图解解法法有有：速速度度瞬瞬心心法法、相相对对运运动动法法、线线图图法法。瞬瞬心心法法尤尤其其适适合合于于简简单单机机构构的运动分析。的运动分析。一、一、速度瞬心速度瞬心 绝对瞬心绝对瞬心重合点绝对速度为零。重合点绝对速度为零。P21相对瞬心相对瞬心重合点绝对速度不为零。重合点绝对速度不为零。VA2A1VB2B1Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0 两两个个作作平平面面运运动动构构件件上上速速度度相相同同的的一一对对重重合合点点，在在某某一一瞬瞬时时两两构构件件相相对对于于该该点点作作相相对对转动转动，该点称瞬时速度中心。，该点称瞬时速度中心。华中农业大学专用 潘存云教授研制特点：特点：该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。绝对速度相同，相对速度为零。绝对速度相同，相对速度为零。相对回转中心。相对回转中心。二、瞬心数目二、瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有根据排列组合有P12P23P13构件数构件数 4 5 6 8瞬心数瞬心数 6 10 15 281 2 3若机构中有若机构中有n个构件，则个构件，则N Nn(n-1)/2n(n-1)/2华中农业大学专用 潘存云教授研制121212tt12三、机构瞬心位置的确定三、机构瞬心位置的确定1.直接观察法直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。nnP12P12P122.三心定律三心定律V12定定义义：三三个个彼彼此此作作平平面面运运动动的的构构件件共共有有三三个个瞬瞬心心，且且它它们们位位于于同同一一条条直直线线上上。此此法法特特别别适适用用于两构件不直接相联的场合。于两构件不直接相联的场合。华中农业大学专用 潘存云教授研制123P21P31E3D3VE3VD3A2B2VA2VB2A2E3P32结论：结论：P21、P 31、P 32 位于同一条直线上。位于同一条直线上。华中农业大学专用 潘存云教授研制举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。P1432141234P12P34P13P24P23解：瞬心数为：解：瞬心数为：N Nn(n-1)/2n(n-1)/26 6 n=4 n=41.作瞬心多边形圆作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心三心定律求瞬心华中农业大学专用 潘存云教授研制四、速度瞬心在机构速度分析中的应用四、速度瞬心在机构速度分析中的应用1.求线速度。求线速度。已知凸轮转速已知凸轮转速1 1，求推杆的速度。，求推杆的速度。P23解：解：直接观察求瞬心直接观察求瞬心P13、P23。V2求瞬心求瞬心P12的速度的速度。1231 1 V2V P12l(P13P12)1 1长度长度P13P12直接从图上量取。直接从图上量取。100分钟nnP12P13 根据三心定律和公法线根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置求瞬心的位置P12。华中农业大学专用 潘存云教授研制2.求角速度。求角速度。解：解：瞬心数为瞬心数为 6个个直接观察能求出直接观察能求出 4个个余下的余下的2个用三心定律求出。个用三心定律求出。P24P13求瞬心求瞬心P24的速度的速度。VP24l(P24P14)4 4 2(P24P12)/P24P14 a)铰链机构铰链机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件4的角速度的角速度4 4。23412 24 4 VP24l(P24P12)2VP24P12P23P34P14方向方向:CW,与与2 2相同。相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同华中农业大学专用 潘存云教授研制b)高副机构高副机构已知构件已知构件2的转速的转速2 2，求构件，求构件3的角速度的角速度3 3。122 23P P2323n nn n解解:用三心定律求出用三心定律求出P P2323。求瞬心求瞬心P P2323的速度的速度:VP23l(P23P13)3 3 3 32 2(P13P23/P12P23)3 3P P1212P P1313方向方向:CCW,与与2 2相反。相反。VP23VP23l(P23P12)2 2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。华中农业大学专用 潘存云教授研制123P P2323P P1212P P13133.求传动比求传动比定义：两构件角速度之比为传动比。定义：两构件角速度之比为传动比。3 3/2 2 P12P23/P13P23推广到一般：推广到一般：i i/j j P1jPij/P1iPij结论结论:两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的 距离之反比距离之反比。角速度的方向为：角速度的方向为：2 23 3相对瞬心位于两绝对瞬心的相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧同一侧时，两构件时，两构件转向相同转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心相对瞬心位于两绝对瞬心之间之间时，两构件时，两构件转向相反转向相反。华中农业大学专用 潘存云教授研制4.4.用瞬心法解题步骤用瞬心法解题步骤绘制机构运动简图；绘制机构运动简图；求瞬心的位置；求瞬心的位置；求出相对瞬心的速度求出相对瞬心的速度;瞬心法的优缺点：瞬心法的优缺点：适合于求简单机构的速度，机构复杂时因适合于求简单机构的速度，机构复杂时因 瞬心数急剧增加而求解过程复杂。瞬心数急剧增加而求解过程复杂。有时瞬心点落在纸面外。有时瞬心点落在纸面外。仅适于求速度仅适于求速度V V,使应用有一定局限性。使应用有一定局限性。求构件绝对速度求构件绝对速度V V或角速度或角速度。华中农业大学专用 潘存云教授研制本章重点：本章重点：机构运动简图的测绘方法。机构运动简图的测绘方法。自由度的计算。自由度的计算。速速度度瞬瞬心心及及其其在在机机构构速速度度分分析析中中的应用。的应用。