清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构

第1章机构的组成和结构

◆机构的组成

◆机构运动简图

◆运动链成为机构的条件

◆结构的组成原理和结构分析

上篇机构的运动设计第1章机构的组成和结构

◆机构的组成

◆机构运动简图

1.1运动副的作用及其分类运动副：1.1运动副的作用及其分类

闭式运动链开式运动链闭式运动链：组成运动链的各构件构成首末封闭的系统开式运动链：组成运动链的各构件未构成首末封闭的系统闭式运动链开式运动链闭式运动传统的机械：闭式运动链为多；机械手和机器人：多为开式运动链平面中，自由构件有三个自由度，通过运动副，相对运动受到约束，自由度减少。运动副：点、线或面接触传统的机械：闭式运动链为多；1.低副—面接触

（1）回转副：铰联接，轴和轴承；问题：自由度如何变化？消去两个自由度，剩下一个相对回转1.低副—面接触

（1）回转副：铰联接，轴和轴承；问题：自（2）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸同样，消去两个自由度，剩下一个相对移动

（2）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸同样，消去两个自由度，剩2.高副—点、线接触问题：自由度如何变化？消去一个自由度，剩下一个移动和转动2.高副—点、线接触问题：自由度如何变化？3.机构平面机构：各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。空间机构：各运动构件不都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。3.机构1.2机构运动简图构思新机械的运动方案对现有机构进行分析运动及动力设计与分析表示机构的简单图形→机构运动简图1.2机构运动简图表示机构的简单图形→机构运动简图1.机构运动简图及其用途运动简图用途简单的线条和特定的符号具有确定的比例反映机构组成和相对运动关系表达机构的运动原理进行运动和动力学分析1.机构运动简图及其用途简单的线条和特定的符号表达机构的运2.机构运动简图的绘制

例：小型压力机2.机构运动简图的绘制

例：小型压力机清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构方法：（1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；（2）分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动副的类型；（3）选择视图投影面及比例尺，绘制出机构运动简图，表示出原动件。方法：（1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构1.3平面机构的自由度

1.自由度计算公式

运动链自由度数目F

F=活动构件原有自由度数目

-被运动副约束掉的自由度数目

式中：n-活动构件数；

PL-低副数；

PH-高副数。1.3平面机构的自由度

1.自由度计算公式

运动链自由度例1:例1:F>0，原动件的数目小于自由度的数目，运动链没有确定的相对运动，不能成为机构。F>0，原动件的数目小于自由度的数目，运动链没有确定的相对运例2：F>0，原动件的数目大于自由度的数目，运动链将被破坏，不能成为机构。例2：F>0，原动件的数目大于自由度的数目，运动链将被破坏，例3：F≤0，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构例3：F≤0，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构2.运动链成为机构的条件（1）运动链F>0；（2）F=原动件数目；（3）满足(1)、(2)的运动链即为机构，机构自由度的计算可用运动链自由度的计算公式。2.运动链成为机构的条件3.计算自由度时应注意的问题

（1）复合铰链3.计算自由度时应注意的问题

（1）复合铰链K个构件形成的复合铰链具有(K-1)个回转副K个构件形成的复合铰链具有(K-1)个回转副（2）局部自由度F=3×3-2×3-1=2F=3×2-2×2-1=1（2）局部自由度F=3×3-2×3-1=2（3）虚约束重复约束（3）虚约束为了改善受力情况为了改善受力情况对运动不起作用的对称部分对运动不起作用的对称部分运动轨迹重复运动轨迹重复包含重复机构包含重复机构1.4机构的组成原理和结构1.4.1平面机构的高副低代平面机构→平面低副机构根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代替—高副低代高副低代必须满足的条件1.代替前后机构的自由度不变1.4机构的组成原理和结构高副—引入1个约束1个构件和2个低副—引入1个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。高副—引入1个约束含有两个低副的虚拟构件含有两个低副的虚拟构件2.代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变1.4.2机构的组成原理机构单个原动件(F=1)机架(F=0)从动件系统(F=0)2.代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变单个原动件(F=杆组从动件系统若干个不可再分的自由度为零的构件组合—基本杆组(杆组)平面低副机构(1)双杆组(II级杆组)杆组若干个不可再分的自由度为零的构件组合—基本杆组(杆组)平(2)多杆组常见III级杆组特征具有一个三副构件每个内副所连接的分支构件是双副构件(2)多杆组具有一个三副构件比III级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很少。2.机构的组成原理基本杆组F=0………基本杆组F=0原动件F=1机架F=0………比III级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很++=原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，杆组级别低，构件数和运动副的数目少。++=原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，杆组级1.4.3机构的结构分析拆杆组基本杆组原动件机架机构1.4.3机构的结构分析基本杆组原动件机架实例：高副低代拆除第一个II杆组实例：拆除第一个II杆组继续拆下一个杆组继续拆下一个杆组清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构如何拆杆组？如何拆杆组？

不同级别的杆组组成机构，通常以机构中包含的基本杆组的最高级别命名一个原动件和机架组成4个II级杆组1个II级杆组1个III级杆组I级机构II级机构III级机构不同级别的杆组组成机构，通常以机构中包含的基思考：原动件更换后对机构级别的影响区别思考：原动件更换后对机构级别的影响区别本章参考书孟宪源等编著.

机构构型与应用(上册).

北京：机械工业出版社.

2004年

2.张启先主编.空间机构的分析与综合(上册).北京：机械工业出版社.1984本章参考书本章习题(第1周)

习题：1.2(b)、(c)；1.5

(b)、(c)

自测题：1-6

关于作业的基本要求———————————————————本章习题(第2周)

习题：1.5(d)、(f)；1.6

(c)、(f)

本章习题(第1周)清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构第1章机构的组成和结构

◆机构的组成

◆机构运动简图

◆运动链成为机构的条件

◆结构的组成原理和结构分析

上篇机构的运动设计第1章机构的组成和结构

◆机构的组成

◆机构运动简图

1.1运动副的作用及其分类运动副：1.1运动副的作用及其分类

闭式运动链开式运动链闭式运动链：组成运动链的各构件构成首末封闭的系统开式运动链：组成运动链的各构件未构成首末封闭的系统闭式运动链开式运动链闭式运动传统的机械：闭式运动链为多；机械手和机器人：多为开式运动链平面中，自由构件有三个自由度，通过运动副，相对运动受到约束，自由度减少。运动副：点、线或面接触传统的机械：闭式运动链为多；1.低副—面接触

（1）回转副：铰联接，轴和轴承；问题：自由度如何变化？消去两个自由度，剩下一个相对回转1.低副—面接触

（1）回转副：铰联接，轴和轴承；问题：自（2）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸同样，消去两个自由度，剩下一个相对移动

（2）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸同样，消去两个自由度，剩2.高副—点、线接触问题：自由度如何变化？消去一个自由度，剩下一个移动和转动2.高副—点、线接触问题：自由度如何变化？3.机构平面机构：各运动构件均在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。空间机构：各运动构件不都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。3.机构1.2机构运动简图构思新机械的运动方案对现有机构进行分析运动及动力设计与分析表示机构的简单图形→机构运动简图1.2机构运动简图表示机构的简单图形→机构运动简图1.机构运动简图及其用途运动简图用途简单的线条和特定的符号具有确定的比例反映机构组成和相对运动关系表达机构的运动原理进行运动和动力学分析1.机构运动简图及其用途简单的线条和特定的符号表达机构的运2.机构运动简图的绘制

例：小型压力机2.机构运动简图的绘制

例：小型压力机清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构方法：（1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；（2）分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动副的类型；（3）选择视图投影面及比例尺，绘制出机构运动简图，表示出原动件。方法：（1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；清华大学机械原理课件第1章-机构的组成和结构1.3平面机构的自由度

1.自由度计算公式

运动链自由度数目F

F=活动构件原有自由度数目

-被运动副约束掉的自由度数目

式中：n-活动构件数；

PL-低副数；

PH-高副数。1.3平面机构的自由度

1.自由度计算公式

运动链自由度例1:例1:F>0，原动件的数目小于自由度的数目，运动链没有确定的相对运动，不能成为机构。F>0，原动件的数目小于自由度的数目，运动链没有确定的相对运例2：F>0，原动件的数目大于自由度的数目，运动链将被破坏，不能成为机构。例2：F>0，原动件的数目大于自由度的数目，运动链将被破坏，例3：F≤0，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构例3：F≤0，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构2.运动链成为机构的条件（1）运动链F>0；（2）F=原动件数目；（3）满足(1)、(2)的运动链即为机构，机构自由度的计算可用运动链自由度的计算公式。2.运动链成为机构的条件3.计算自由度时应注意的问题

（1）复合铰链3.计算自由度时应注意的问题

（1）复合铰链K个构件形成的复合铰链具有(K-1)个回转副K个构件形成的复合铰链具有(K-1)个回转副（2）局部自由度F=3×3-2×3-1=2F=3×2-2×2-1=1（2）局部自由度F=3×3-2×3-1=2（3）虚约束重复约束（3）虚约束为了改善受力情况为了改善受力情况对运动不起作用的对称部分对运动不起作用的对称部分运动轨迹重复运动轨迹重复包含重复机构包含重复机构1.4机构的组成原理和结构1.4.1平面机构的高副低代平面机构→平面低副机构根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代替—高副低代高副低代必须满足的条件1.代替前后机构的自由度不变1.4机构的组成原理和结构高副—引入1个约束1个构件和2个低副—引入1个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。高副—引入1个约束含有两个低副的虚拟构件含有两个低副的虚拟构件2.代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变1.4.2机构的组成原理机构单个原动件(F=1)机架(F=0)从动件系统(F=0)2.代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变单个原动件(F=杆组从动件系统若干个不可再分的自由度为零的构件组合—基本杆组(杆组)平面低副机构(1)双杆组(II级杆组)杆组若干个不可再分的自由度为零的构件组合—基本杆组(杆组)平(2)多杆组常见III级杆组特征具有一个三副构件每个内副所连接的分支构件是双副构件(2)多杆组具有一个三副构件比III级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很少。2.机构的组成原理基本杆组F=0………基本杆组F=0原动件F=1机架F=0………比III级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很++=原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，杆组级别低，构件数和运动副的数目少。++=原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，杆组级1.4.3机构的结构分析拆杆组基本杆组原动件机架机构1.4.3机构的结构分析基本杆组原动件机架实例：高副低代拆除第一个II杆组实例：拆除