机构的运动设计

1、 机构的运动设计 演讲人：华明亚 学号：14721353 专业：精密仪器及机械 主要内容主要内容 机构的组成机构的组成 机构的运动简图机构的运动简图 基本机构及其组合的概念基本机构及其组合的概念 机构组成原理与机构创新设计机构组成原理与机构创新设计 机构的串联组合与创新设计机构的串联组合与创新设计 机构的并联组合与创新设计机构的并联组合与创新设计第一节机构的组成一、构件与自由度一、构件与自由度 1. 1. 构件构件(Link) (Link) 机器的运动单元，传机器的运动单元，传递运动和力的载体。递运动和力的载体。 一个构件也可以由几一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。个零件刚性联接组成。 实

2、例实例 连杆由连杆体、连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性联接组成。等相互刚性联接组成。2 2、刚体自由度、刚体自由度 一个完全独立的刚一个完全独立的刚体在空间直角坐标系体在空间直角坐标系下的自由度下的自由度(Degree (Degree of freedom,Mobility)of freedom,Mobility)为为 即自由度数即自由度数 f=6 f=6。平面运动刚体的自平面运动刚体的自由度为由度为s sx x，s sy y， z z，即，即自由度数自由度数 f f 3 3。,zyxzyxSSS二、运动副与约束二、运动副

3、与约束运动副运动副(Kinematic pair)(Kinematic pair)-两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。互接触所形成的可动联接。运动副元素运动副元素(Pair element)(Pair element)两个构件上参与接触而构成运动副的两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面部分。点、线、面部分。约束约束(Constraint)(Constraint)运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。制。观察图示两构件组成的圆柱副观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pai

4、r)(Cylindric pair) 两构件保留的相对运动两构件保留的相对运动s sz z和和 z z，即自由度数，即自由度数 f f 2 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s sx x，s sy y ， x x和和 y y，即约束数即约束数 s s 4 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） P Px x，P Py y，M Mx x，M My y结论结论: :几何约束与力约束本质上是一致的，几何约束与力约束本质上是一致的，是可以相互替代的。是可以相互替代的。zxyOzsz 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

5、分类I I级副级副(Class I kinematic pair)(Class I kinematic pair)、IIII级副、级副、IIIIII级副、级副、IVIV级副、级副、V 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)(Lower pair)点、线接触的运动副点、线接触的运动副高副高副(Higher pair) (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) (Planar kinematic pair

6、) 空间运动副空间运动副(Spatial kinematic pair)(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、球平面副、球面面圆柱副、圆柱圆柱副、圆柱平面副等等。平面副等等。三、运动链三、运动链(Kinematic chain)(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(Open kinematic chain)闭式运动链(Closed kinematic chain)单封

7、闭回路闭链p N （p为运动副数，N为构件数）多封闭回路运动闭链k pN 1(k为回路数) 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。四、机构四、机构 构件的类型构件的类型 原动件原动件(Driving link)(Driving link)机构中按给定运动规律运动的构机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件件，也称为输入构件(Input link)(Input link)。 从动件从动件(Driven link, Follower)(Driven link, Follower)其余的可动构件。具有预其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动

8、作的从动件也称为输出构期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件件(Output link)(Output link)或执行构件或执行构件(Executive link)(Executive link)。机架机架(Fixed link,Frame)(Fixed link,Frame)固定不动的构件。固定不动的构件。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)(Kinematic sketch)是从运动学角度出发，将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，得到的反映实际机

9、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。实际机械的运动特性和运动传递关系的图形。机构运动简图应满足的条件：机构运动简图应满足的条件：(1)(1)构件数目与实际机构相同；构件数目与实际机构相同；(2)(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)(3)运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结机构示意图为不严格按比例绘制的简图，用于表达机械的结构特征。构特征。二、机构运动简图的绘制二、机构运动简图的绘制 步

10、骤：步骤： (1)(1)分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定原动件、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。机架、执行部分和传动部分。(2)(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性沿着运动传递路线，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。质，确定运动副的类型和数目。(3)(3)选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机构运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。动简图的视图平面。(4)(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 l(m(m mm)

11、mm)，定出各，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。动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。(5)(5)从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动从原动件开始，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。副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。第三节基本机构及其组合的概念第三节基本机构及其组合的概念一、基本机构的概念一、基本机构的概念 本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动 机

12、构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称机构等结构最简单且不能再进行分割的闭链机构称为基本机构，或称为机构的基本型。工程中，基本为基本机构，或称为机构的基本型。工程中，基本机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一机构虽然有着广泛的应用，但由基本机构组合在一起而形成的机构系统的应用更为广泛。起而形成的机构系统的应用更为广泛。 基本机构是创新设计机构系统的基础。基本机构是创新设计机构系统的基础。（一）连杆机构的基本型（一）连杆机构的基本型（二）齿轮类机构的基本型（二）齿轮类机构的基本型 1. 圆柱齿轮机构 2.圆锥齿轮机构 3. 蜗杆机构 用于垂直不相交轴之间的等速转动 到等速转动的运动变换

13、，实现机构的大 速比减速传动。 一般情况下蜗杆传动机构具有自锁性。（三）凸轮类机构的基本型（三）凸轮类机构的基本型1. 直动从动件盘形凸轮机构 2.摆动从动件盘形凸轮机构 3. 直动从动件圆柱凸轮机构 （四）间歇运动机构的基本型（四）间歇运动机构的基本型2. 槽轮机构 3. 不完全齿轮机构 4. 凸轮间歇运动机构 蜗杆凸轮间歇运动机构 圆柱凸轮间歇运动机构 （五）其它常用机构的基本型1. 螺旋机构 2. (双)万向机构 （六）挠性传动机构的基本型二、基本机构的组合二、基本机构的组合 机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复杂程度与

14、机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中占有极其重要的的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，地位。工程中的实用机械，很少由一个简单的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系大都由若干个基本机构通过各种连接方法组合而成的一个机构系统组成。统组成。 常用的机构组合方法有常用的机构组合方法有: 利用机构的组成原理，不断连接各类杆利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，得到机构系统组，得到机

15、构系统; 按照串联按照串联/并联并联/叠加叠加/封闭等规则组合基本机构封闭等规则组合基本机构，得到复杂机构系统。，得到复杂机构系统。第四节第四节 机构组成原理与机构创新设计机构组成原理与机构创新设计一、机构组成原理一、机构组成原理 定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。构的基本杆组。 基本杆组的分类基本杆组的分类023lpnlpn32 杆组应该满足的条件条件杆组应该满足的条件条件: :nPl23 运动副数运动副数构件数构件数3,2 lPn6,4 lPn9,6 lPn 1）n=2, pl =3的双杆组：又叫的双杆组：

16、又叫级杆组，级杆组， 2 ） n=4, pl =6的多杆组，又叫的多杆组，又叫 级杆组，常见的三种形式。级杆组，常见的三种形式。 机构组成原理：机构组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次连接任何机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统。于原动件和机架上所组成的系统。 3 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 结构分析的过程结构分析的过程：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。 三、按机构组合原理进行机构创新设计三、按机构组合原理进行机构创新设计 机构组成原理机构组成原理第五节第五节 机构的串联组合与创新设计机构的串联组合与创新设计 一

17、、机构的串联组合方法一、机构的串联组合方法 前一个机构前一个机构(称为前置机构称为前置机构)的输出构件与后一个机构的输出构件与后一个机构(称称为后置机构为后置机构)的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组的输入构件刚性连接在一起，称之为串联组合。合。特征特征: 前置机构和后置机构都是单自由度机构。前置机构和后置机构都是单自由度机构。 3.组合示例组合示例二、串联组合的基本思路二、串联组合的基本思路 凸轮机构1. 实现后置机构的速度变换实现后置机构的速度变换 工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机工程中应用的原动机大都采用输出转速较高的电动机或内燃机。为满足后置机构低速或变速的工作

18、要求，前置机构常采用各种齿为满足后置机构低速或变速的工作要求，前置机构常采用各种齿轮轮机构、齿轮机构与机构、齿轮机构与V带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准带传动或链传动机构。其中齿轮机构已经标准化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。化、系列化，是应用最为广泛的实现速度变换的前置机构。 单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲柄滑块机单一机构的运动规律受到机构类型的限制，如曲柄滑块机构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一构的滑块或曲柄摇杆机构的摇杆很难获得等速运动。串联一个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，可使后置连杆机个前置连杆机构，并通过适当的尺度综合，

19、可使后置连杆机构获得预期的运动规律。构获得预期的运动规律。串联组合系。串联组合系统统的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低的总机械效率等于各机构的机械效率连乘积，运动链过长会降低系系统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串统的机械效率，同时也会导致传动误差的增大。在进行机构的串联联组合时应力求运动链最短。组合时应力求运动链最短。第六节机第六节机构的并联组合与创新设计构的并联组合与创新设计一、机构的并联组合方法一、机构的并联组合方法 3.组合示例组合示例II型并联组合机构III型并联组合机构 图示压床机构为III型并联组合机构。图中，共同的输入构件为以O为圆心的

20、小带轮，共同的输出构件为滑块KF。III型并联组合机构常应用在压力机中。型并联组合机构常应用在压力机中。二、并联组合的基本思路二、并联组合的基本思路1. 对称并联相同机构，实现机构的平衡对称并联相同机构，实现机构的平衡 通过对称并联同类机构，可以实现机构惯性力的部分平衡与完通过对称并联同类机构，可以实现机构惯性力的部分平衡与完全平衡。利用全平衡。利用I型并联组合型并联组合可实现此类目的。可实现此类目的。2. 实现运动的分解与合成实现运动的分解与合成 I型并联组合可以实现运动的分解，型并联组合可以实现运动的分解，II型并联组合可以实现运动型并联组合可以实现运动的合成。的合成。3.改善机构受力状态改善机构受力状态(1/2)3.改善机构受力状态改善机构受力状态(2/2) 将三组图将三组图3-34b所示的平动齿轮机构并联组合后，可得到图所示的平动齿轮机构并联组合后，可得到图3-40所示的三环减速器机构。三个平动齿轮共同驱动一个外齿轮减速所示的三环减速器机构。三个平