一章平面机构组成原理及其自由度分析ppt课件

1、第一章第一章 平面机构组成原理及其平面机构组成原理及其自在度分析自在度分析20222022年年1 1月月1414日日第一章第一章 平面机构组成原理及其平面机构组成原理及其自在度分析自在度分析1.1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图1.2 平面机构自在度分析及运用举例平面机构自在度分析及运用举例1.3 平面机构组成原理平面机构组成原理1.4 平面机构的拓补构造实际平面机构的拓补构造实际* 1.1 1.1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一、机构的组成一、机构的组成 机构是一种具有确定运动的人为实机构是一种具有确定运动的人为实物组合体。机构的组成要素为构件和运物组合体。机构的组成要

2、素为构件和运动副。动副。二、机构运动简图二、机构运动简图(一一)零件与构件零件与构件从制造加工角度：机械由零件组成从制造加工角度：机械由零件组成 零件零件制造单元体制造单元体 从运动和功能实现角度：从运动和功能实现角度： 构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体留意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接留意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接图图1.1.1 内燃机连杆构件内燃机连杆构件构件分类按构件在机构中所起的作用分构件分类按构件在机构中所起的作用分 机架机架指机构中相对于定参考系是固定的构件，指机构中相对于定参考系是固定的构件，它相对于地面可以是固定的，也可以是运动的

3、；它相对于地面可以是固定的，也可以是运动的； 活动构件活动构件指机构中的非机架构件指机构中的非机架构件, 即相对于即相对于机架是运动的构件。机架是运动的构件。(二二)运动副及其分类运动副及其分类 运动副：构件与构件之间直接接触的可动联接。运动副：构件与构件之间直接接触的可动联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。部分。对于作空间运动的构件，在联接前有六个对于作空间运动的构件，在联接前有六个独立运动又称自在度。独立运动又称自在度。对于作平面运动的构件，在联接前只需三对于作平面运动的构件，在联接前只需三个独立运动又称三个自在度。个独立运

4、动又称三个自在度。 图图1.1.5 作平面运动构件作平面运动构件自在度自在度按运动副对被联接的两构件相对运动约按运动副对被联接的两构件相对运动约束数的不同分为：束数的不同分为： 低副低副: 两构件经过面接触而构成的运动副统称为低副两构件经过面接触而构成的运动副统称为低副; 高副高副: 凡两构件系经过点或线接触而构成的运凡两构件系经过点或线接触而构成的运 动副统称为高副动副统称为高副; 按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分:平面运动副平面运动副:指构成运动副的两构件之间的指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副相对运动为平面运动的运动副; 空间运动副空间运动副:指构成运动副的两构

5、件之间的指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。相对运动为空间运动。根据组成平面低副的两构件之间的相对运动性质根据组成平面低副的两构件之间的相对运动性质又可将其分为转动副和挪动副。又可将其分为转动副和挪动副。低副类型低副类型图图1.1.6 转动副转动副 图图1.1.7 挪动副挪动副 高副类型高副类型图图1.1.8 齿轮副齿轮副 图图1.1.9 凸轮副凸轮副 常见的平面高副有齿轮齿廓接触组成的齿轮副及常见的平面高副有齿轮齿廓接触组成的齿轮副及凸轮从动件端部与凸轮轮廓之间的点、线接触所组凸轮从动件端部与凸轮轮廓之间的点、线接触所组成的凸轮副。成的凸轮副。根据在机构中所起的作用不同，运动副可分

6、为：根据在机构中所起的作用不同，运动副可分为：(1) 驱动副驱动副指机构中，运动副的两构件的相对指机构中，运动副的两构件的相对运动规律为知的运动副运动规律为知的运动副, 即其两构件之间作用有驱即其两构件之间作用有驱动力矩或驱动力的运动副；动力矩或驱动力的运动副；(2) 从动副从动副指机构中的非驱动副。指机构中的非驱动副。图图1.1.10 驱动副在驱动副在机架上的平面机构机架上的平面机构驱动副在机构中的位置可分为：驱动副在机构中的位置可分为：(1) 驱动副在机架上驱动副在机架上 (2) 驱动副不在机架上驱动副不在机架上 图图1.1.11驱动副不在驱动副不在机架上的平面机构机架上的平面机构(三三)

7、运动链运动链 指构件用运动副联接而成的相对系统。指构件用运动副联接而成的相对系统。图图1.1.12 运动链运动链 闭链闭链:每个构件上每个构件上至少有两个或两个至少有两个或两个以上运动副相互联以上运动副相互联接所组成的运动链。接所组成的运动链。开链开链: 运动链中各运动链中各构件没有构成首尾构件没有构成首尾封锁的系统。封锁的系统。(四四)机构机构机构机构:将运动链中一个构件加以固定作为机架将运动链中一个构件加以固定作为机架, 将其中一个或将其中一个或几个运动副作为驱动副并给定运动输入时几个运动副作为驱动副并给定运动输入时,那么一切构件均那么一切构件均相对于机架作确定运动的系统。相对于机架作确定

8、运动的系统。二、二、 机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 假设只是为了进展初步的构造组成分析，了解动作假设只是为了进展初步的构造组成分析，了解动作原理，阐明机构的组成情况原理，阐明机构的组成情况, 不思索机构的比例尺，这不思索机构的比例尺，这种简图称为机构运动表示图。种简图称为机构运动表示图。 用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并并 按一定的比例尺表示机构的运动尺寸按一定的比例尺表示机构的运动尺寸, 绘制出机构的简绘制出机构的简明图形。明图形。机构表示图机构表示图机构运动简图中的常用符号机构运动简图中的常用符号绘制机构运动简图

9、的步骤与方法绘制机构运动简图的步骤与方法:1对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定其组成对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定其组成的各构件性质。的各构件性质。2沿着运动传送道路，从原动件开场，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，沿着运动传送道路，从原动件开场，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，并确定运动副的类型和数目。并确定运动副的类型和数目。3选择合理的运动简图的视图平面。选择合理的运动简图的视图平面。4选择适当的长度比例尺选择适当的长度比例尺=实践尺寸实践尺寸(m)/图示长度图示长度(mm)，定出各运动副的相，定出各运动副的相对位置，绘制

10、机构运动简图。从原动件开场，按运动传送道路，顺序标出各构件的对位置，绘制机构运动简图。从原动件开场，按运动传送道路，顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标明箭头方向即其运动方向。编号和运动副的代号。在原动件上标明箭头方向即其运动方向。以图以图1.1.13所示为一偏心轮曲柄滑块机构为例，阐明机所示为一偏心轮曲柄滑块机构为例，阐明机构运动简图的绘制方法。构运动简图的绘制方法。图图1.1.13 偏心轮曲柄滑块机构偏心轮曲柄滑块机构 图图1.1.14 对应的机构运动简图对应的机构运动简图 例题例题1.1.1：绘制图示颚式破碎机的运动简图：绘制图示颚式破碎机的运动简图分析：该机构有分析：该机构

11、有6个构件和个构件和7个转动副。个转动副。图图1.1.15 颚式破碎机构颚式破碎机构 图图1.1.16 对应的机构运动简图对应的机构运动简图 1.2 平面机构自在度分析及运用举例平面机构自在度分析及运用举例一、运动副的自在度和约束一、运动副的自在度和约束二、平面机构自在度计算公式二、平面机构自在度计算公式三、机构能够运动条件及机构具有确定运三、机构能够运动条件及机构具有确定运 动条件动条件四、计算机构自在度应留意的问题四、计算机构自在度应留意的问题一、运动副的自在度和约束一、运动副的自在度和约束 运动副对该两构件运动副对该两构件独立运动所加的限制称独立运动所加的限制称为约束。约束数目等于为约束

12、。约束数目等于被其限制的自在度数。被其限制的自在度数。 图图 1.1.17平面构件未平面构件未组成运动副前三个自在度组成运动副前三个自在度图图1.1.18 组成运动副后构件组成运动副后构件2相对运动自在度相对运动自在度一转动副：只能绕垂直于一转动副：只能绕垂直于xoy平面的轴的相对转平面的轴的相对转动动 二挪动副：使其只能沿二挪动副：使其只能沿x轴方向挪动。轴方向挪动。 三高副：可沿三高副：可沿t-t方向独立挪动和绕过方向独立挪动和绕过k点垂直于点垂直于运动平面的轴的独立转动运动平面的轴的独立转动 HLPPnF2) 1(3式中式中 F平面机构的自在度；平面机构的自在度； n该机构的总构件数该机

13、构的总构件数(包括机架包括机架), (n-1) 那么为机构的活动构件数；那么为机构的活动构件数； PL 该机构中的低副转动副、挪动副数；该机构中的低副转动副、挪动副数； PH 该机构中的高副数。该机构中的高副数。 结论结论一机构能够运动的条件为：机构自在度数大于等于一机构能够运动的条件为：机构自在度数大于等于1。二机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目二机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目等于机构的自在度数。等于机构的自在度数。三、机构能够运动条件及机构具有确定运动条件三、机构能够运动条件及机构具有确定运动条件图图1.1.19 机构自在度与确定运动机构自在度与确定运动一一

14、 复合铰链复合铰链 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个个留意：复合铰链只存在于转动副中。留意：复合铰链只存在于转动副中。 图图1.1.20 复合铰链复合铰链1072532) 1(3HLPPnF机构的自在度与确定运动条件2132332) 1( 3HLPPnF图图1.1.21 部分自在度部分自在度二部分自在度二部分自在度 机构中有些构件所机构中有些构件所具有的自在度只与该构具有的自在度只与该构件本身的部分运动有关，件本身的部分运动有关，不影响其

15、它构件的运动，不影响其它构件的运动，即对整个机构的运动输即对整个机构的运动输出无关，那么称这种自出无关，那么称这种自在度为部分自在度。在度为部分自在度。 在机构自在度计算时，还需留意，在某些特定的几何条件在机构自在度计算时，还需留意，在某些特定的几何条件或构造条件下，某些运动副所引入的约束能够与其它运动或构造条件下，某些运动副所引入的约束能够与其它运动副引入的约束是反复的，这种不起独立约束作用的反复约副引入的约束是反复的，这种不起独立约束作用的反复约束称为虚约束。在计算机构自在度时，应将虚约束除去不束称为虚约束。在计算机构自在度时，应将虚约束除去不计。常见的虚约束发生在以下场所：计。常见的虚约

16、束发生在以下场所： 三虚约束三虚约束图图1.1.22 两构件或多个运动副满足特定几何条件时构成虚约束两构件或多个运动副满足特定几何条件时构成虚约束两构件组成假设干个转动副，但其轴线相互重合；两构件组成假设干个转动副，但其轴线相互重合；两构件组成挪动副，其导路相互平行或重合两构件组成挪动副，其导路相互平行或重合; 1两构件间构成多个运动副两构件间构成多个运动副2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; 图图1.1.23 轨迹重合构成虚约束轨迹重合构成虚约束 图图1.1.24 两构件上某两点两构件上某两点 间隔不变构成虚约束间隔不变构成虚约束3在机构整个运动过

17、程中，两构件上某两点之间的间隔一直不在机构整个运动过程中，两构件上某两点之间的间隔一直不变。变。机构的自在度与确定运动条件图图1.1.25 对运动不起作用的对称部分构成虚约束对运动不起作用的对称部分构成虚约束4机构中对运动不起作用的对称部分机构中对运动不起作用的对称部分例题例题1.1.3 试计算图试计算图1.1.26所示大筛机构的自在度。所示大筛机构的自在度。2192732) 1(3HLPPnF图图1.1.26 大筛机构大筛机构分析：该机构具有分析：该机构具有5个活动构件，有个活动构件，有7个转动副，即低副，没个转动副，即低副，没有高副。于是机构自在度为有高副。于是机构自在度为独立回路组：独立

18、回路组： 假设有一组回路同时满足下述两个条件时那么称为假设有一组回路同时满足下述两个条件时那么称为独立回路组，独立回路组中每个回路皆为独立回路。独立回路组，独立回路组中每个回路皆为独立回路。1每一回路至少有一个运动副是其它回路所未包含的。每一回路至少有一个运动副是其它回路所未包含的。2独立回路数满足独立回路数满足 图图1.1.27 由由3个挪动副组成的平面机构及其回路个挪动副组成的平面机构及其回路 1nm1.3 平面机构组成原理平面机构组成原理一、平面机构中的高副低代二、驱动副位于机架的平面机构组成原理三、普通平面机构的组成原理* 高副低代须满足的条件为：高副低代须满足的条件为：一替代前后机构

19、的自在度数坚持不变一替代前后机构的自在度数坚持不变 为保证替代前后机构自在度数不变，可用假想的一构件为保证替代前后机构自在度数不变，可用假想的一构件二低副来替代一个高副。二低副来替代一个高副。二替代前后机构的瞬时速度和瞬时加速度。二替代前后机构的瞬时速度和瞬时加速度。 一、平面机构的高副低代一、平面机构的高副低代目的：为使平面低副机构的构造分析和运动分目的：为使平面低副机构的构造分析和运动分析的方法适用于一切平面机构，可以按一定条析的方法适用于一切平面机构，可以按一定条件将机构中的高副用低副来替代。这种以低副件将机构中的高副用低副来替代。这种以低副来替代高副的做法称为高副低代。来替代高副的做法

20、称为高副低代。平面机构组成原理图图1.1.28 一构件二低副一构件二低副图图1.1.29 高副低代高副低代图图1.1.30 直线轮廓高副低代直线轮廓高副低代平面机构组成原理图图1.1.31 尖点轮廓高副低代尖点轮廓高副低代二、驱动副位于机架的平面机构组成原理二、驱动副位于机架的平面机构组成原理 通常从动件系统是由一个或假设干个不可再分解通常从动件系统是由一个或假设干个不可再分解的自在度为零的根本系统组成的，这种根本系统称为的自在度为零的根本系统组成的，这种根本系统称为根本杆组根本杆组(或阿苏尔组或阿苏尔组)，简称杆组。，简称杆组。由此可知，机构是由原动件、机架及假设干个根本杆由此可知，机构是由

21、原动件、机架及假设干个根本杆组按一定顺序衔接而成的一个系统，此即为平面机构组按一定顺序衔接而成的一个系统，此即为平面机构的组成原理。的组成原理。 LPn32由杆组定义可知，组成平面机构杆组的条件应为：由杆组定义可知，组成平面机构杆组的条件应为：上式中杆组只出现低副，假设机构中有高副，那么应先高副低代后再来上式中杆组只出现低副，假设机构中有高副，那么应先高副低代后再来分析机构的组成。组成平面低副杆组的条件是：分析机构的组成。组成平面低副杆组的条件是： 023LPnF图图1.1.32 级根本杆组的组成方式级根本杆组的组成方式图图1.1.33 高级杆组的组成方式高级杆组的组成方式例题例题1.1.6：

22、图：图1.1.36 a所示平面五连杆机构，分析其机构所示平面五连杆机构，分析其机构组成。组成。12345ABCDE( a )B2C3D4EA5( b )51分析：该机构由原动件分析：该机构由原动件1、4，机架，机架5，从动件系统：，从动件系统：由平面由平面级杆组构件级杆组构件2、3，转动副，转动副B、C、D所组成。所组成。该机构的自在度为该机构的自在度为2，故需有二个原动件。，故需有二个原动件。b)图图1.1.36 平面五连杆机构平面五连杆机构图图1.1.37 六杆机构六杆机构A1B2CDEFG3456A32BCD54GFE16a )b )题题1.1.7：图示：图示1.1.37 a所示六杆机构

23、，分析其机构组成。所示六杆机构，分析其机构组成。分析：如图分析：如图1.1.37 b所示，该机构由原动件所示，该机构由原动件1，机架，机架6，从动件系统：，从动件系统：该系统由两个该系统由两个级杆组迭加而成，分别为构件级杆组迭加而成，分别为构件4、5，转动副，转动副E、F，挪动副，挪动副G以及构件以及构件2、3，转动副，转动副B、C、D所组成。所组成。该机构自在度为该机构自在度为3(1)23 52701LHFnPP 图图1.1.38 迁延机悬挂系统机械安装机构迁延机悬挂系统机械安装机构例题例题1.1.8 ：图示：图示.1.1.38 a所示为迁延机悬挂系统机械安装所示为迁延机悬挂系统机械安装机构

24、，分析其机构组成。机构，分析其机构组成。 例题例题1.1.9 分析图分析图1.1.39 a所示机构的构造组成，并断定所示机构的构造组成，并断定该机构的级别。该机构的级别。图图1.1.39 简易冲床机构简易冲床机构从上述例题可总结出平面机构构造分析步骤为：从上述例题可总结出平面机构构造分析步骤为： 1去除部分自在度，虚约束，并留意能否有复合铰链，由去除部分自在度，虚约束，并留意能否有复合铰链，由题明确机构原动件为哪一构件。题明确机构原动件为哪一构件。 2机构中假设有高副，需高副低代，使机构成为全低副机机构中假设有高副，需高副低代，使机构成为全低副机构。构。 3从远离原动件处开场拆杆组，先拆从远离

25、原动件处开场拆杆组，先拆级杆组，当不能够级杆组，当不能够拆拆级杆组时，再试拆级杆组时，再试拆级或更高级别杆组，且应保证每拆级或更高级别杆组，且应保证每拆出一个杆组后，余下部分仍应为一机构，且其自在度，必需出一个杆组后，余下部分仍应为一机构，且其自在度，必需与原机构一样，直至只剩下原动件及机架。与原机构一样，直至只剩下原动件及机架。 4确定机构级别，将机构中最高级别的杆组级别，作为该确定机构级别，将机构中最高级别的杆组级别，作为该机构的级别。机构的级别。 5计算机构自在度，并检验上述杆组分析的正确性。计算机构自在度，并检验上述杆组分析的正确性。 由以上讨论可知：驱动副位于机架的平面机构可由原由以

26、上讨论可知：驱动副位于机架的平面机构可由原动件、机架、单个或假设干个根本杆组用运动副组合而成。动件、机架、单个或假设干个根本杆组用运动副组合而成。三、普通平面机构的组成原理三、普通平面机构的组成原理* 一一 机构与根本运动链机构与根本运动链 普通平面机构是指驱动副可在恣意位置的平面机构。普通平面机构是指驱动副可在恣意位置的平面机构。( , ) (0, )KC FJ FKC(0, )(0,)iiiKCBKC二二 根本运动链组成原理根本运动链组成原理1根本运动链与单开链根本运动链与单开链定义：定义： 单开链单开链(Single Open Chain , 简记为简记为SOC) 由运动副和构件串联而成

27、的简由运动副和构件串联而成的简单开链单开链,记为记为并商定并商定: 串联机构亦简记为串联机构亦简记为SOC。1231iiSOCRRRRR图图1.1.40基于单开链的运动链的构造组成基于单开链的运动链的构造组成例题例题1.1.11：确定图：确定图1.1.43所示所示3回路回路BKC的耦合度的耦合度.图图1.1.43 3回路回路BKC1.4 平面机构的拓补构造实际平面机构的拓补构造实际一、平面机构的拓补构造及其符号表示一、平面机构的拓补构造及其符号表示二、平面机构的方位特征矩阵二、平面机构的方位特征矩阵三、方位特征矩阵与速度特征矩阵的对应性原理三、方位特征矩阵与速度特征矩阵的对应性原理四四 、串联

28、机构的方位特征方程、串联机构的方位特征方程五五 、并联机构的方位特征方程、并联机构的方位特征方程一、平面机构的拓补构造及其符号表示一、平面机构的拓补构造及其符号表示一一 尺度约束类型及其符号表示尺度约束类型及其符号表示假设干相邻假设干相邻R副的轴线相互平行副的轴线相互平行, 其符号表示为其符号表示为/RRRSOC两相邻运动副的轴线相互垂直两相邻运动副的轴线相互垂直, 其符号表示为其符号表示为PRSOC假设干挪动副平行于同一平面假设干挪动副平行于同一平面, 其符号表示为其符号表示为 ),(PPPSOC二二 机构拓扑构造的符号表示机构拓扑构造的符号表示 机构的拓扑构造包括三种根本要素：机构的拓扑构造包括三种根本要素：(1) 运动副类型：如运动副类型：如P副和副和R副等。副等。(2) 尺度约束类型。尺度约束类型。(3) 机构构造单元机构构造单元(如构件，回路，如构件，回路，SOC等单元等单元) 之间的联接关系。之间的联接关系。 基于拓扑构造的基于拓扑构造的3种要素种要素, 机构的拓扑构造可用机构的拓扑构造可用符号表示。符号表示。二、平面机构的方位特征矩阵二、平面机构的方位特征矩阵一一 方位输出矩阵方位输出矩阵mechxMy mechxMy 商定运动输出构件的商定运动输出构件的方位输出矩阵方位输出矩阵(简