清华大学机械原理课件第1章机构组成和结构.ppt

1、精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所第第1 1章章 机构的组成和结构机构的组成和结构 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件 结构的组成原理和结构分析结构的组成原理和结构分析上篇上篇 机构的运动设计机构的运动设计精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.1 1.1 运动副的作用及其分类运动副的作用及其分类q运动副：运动副：运动副满足一定的条件构件运动链机构精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所 闭式运动链闭式运动链 开式运动链开式运动链q 闭式运动链：组成运动链的各构件构成首末封闭的系统闭式运动链：组成运动链的各构件构

2、成首末封闭的系统q 开式运动链：组成运动链的各构件未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精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所q 传统的机械：闭式运动链为多；传统的机械：闭式运动链为多；q 机械手和机器人：多为开式运动链机械手和机器人：多为开式运动链q 平面中，自由构件有三个自由度，通过运平面中，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。动副，相对运动受到约束，自由度减少。q 运动副：点、线或面接触运动副：点、线或面接触精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.1.低副低副面接触面接触（1 1）回转副：铰联接，轴和轴承；）回

3、转副：铰联接，轴和轴承；q 问题：自由度如何变化？问题：自由度如何变化？q 消去两个自由度，剩下一消去两个自由度，剩下一个相对回转个相对回转精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所（2 2）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸）移动副：滑块与导轨，活塞与气缸同样，消去两个自由度，同样，消去两个自由度，剩下一个相对移动剩下一个相对移动精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所2.2.高副高副点、线接触点、线接触q 问题：自由度如何变化？问题：自由度如何变化？q 消去一个自由度，剩下一个移动和转动消去一个自由度，剩下一个移动和转动精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所3.机构机构q平面

4、机构平面机构：各运动构件均在同一平面或相互平行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。的平面内运动的机构。q空间机构空间机构：各运动构件不都在同一平面或相互平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。行的平面内运动的机构。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.2 1.2 机构运动简图机构运动简图q构思新机械的运动方案构思新机械的运动方案q对现有机构进行分析对现有机构进行分析 q运动及动力设计与分析运动及动力设计与分析 表示机构的简单图形表示机构的简单图形机构运动简图机构运动简图精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.1.机构运动简图及其用途机构运动

5、简图及其用途q运动简图运动简图q用途用途 简单的线条和特定的符号简单的线条和特定的符号具有确定的比例具有确定的比例反映机构组成和相对运动关系反映机构组成和相对运动关系表达机构的运动原理表达机构的运动原理进行运动和动力学分析进行运动和动力学分析 精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所2.2.机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制例：小型压力机例：小型压力机精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所方法：方法：（1 1）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；）分析机构的组成情况，动作原理和运动情况；（2 2）分析各构件之间相对运动的性质，确

6、定各运动）分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动副的类型；副的类型；（3 3）选择视图投影面及比例尺，绘制出机构运动简）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。图，表示出原动件。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.3 1.3 平面机构的自由度平面机构的自由度1.1.自由度计算公式自由度计算公式运动链自由度数目运动链自由度数目F FF F=活动构件原有自由度数目活动构件原有自由度数目 -被运动副约束掉的自由度数目被运动副约束掉的自由度数目式中：式中：n-n-活动构件数；活动构件数；P PL L-低副数；低副数；P P

7、H H-高副数。高副数。HLPPnF23精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所例例1:25243F0P5P4nHL 精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所F0F0，原动件的数目小于自由度的数目，运动链，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。没有确定的相对运动，不能成为机构。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所例例2 2：F0F0，原动件的数目大于，原动件的数目大于自由度的数目，运动链自由度的数目，运动链将被破坏，不能成为机将被破坏，不能成为机构。构。14233F 精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所例例3 3：15233F F

8、0F0，运动链约束过多，已成为桁架，不能成，运动链约束过多，已成为桁架，不能成为机构为机构0 3223F 精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所2.2.运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件（1 1）运动链运动链 F 0F 0；（2 2）F=F=原动件数目；原动件数目；（3 3）满足）满足(1)(1)、(2)(2)的运动链即为机构，机构的运动链即为机构，机构自由度的计算可用运动链自由度的计算自由度的计算可用运动链自由度的计算公式。公式。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所3.3.计算自由度时应注意的问题计算自由度时应注意的问题（1 1）复合铰链）复合铰链36253F1725

9、3F精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所qK K个构件形成的复合铰链具有个构件形成的复合铰链具有(K-1)(K-1)个回转副个回转副精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所（2 2）局部自由度）局部自由度q F=33-23-1=2q F=32-22-1=1精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所（3 3）虚约束）虚约束q重复约束重复约束精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所为了改善受力情况为了改善受力情况精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所q 对运动不起作用的对称部分对运动不起作用的对称部分精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所q 运动轨迹重复运

10、动轨迹重复精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所q 包含重复机构包含重复机构精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.4 1.4 机构的组成原理和结构机构的组成原理和结构1.4.11.4.1 平面机构的高副低代平面机构的高副低代 平面机构平面机构平面低副机构平面低副机构 根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代根据一定条件对机构中的高副虚拟地以低副代替替高副低代高副低代高副低代必须满足的条件高副低代必须满足的条件1.1.代替前后机构的自由度不变代替前后机构的自由度不变精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所高副高副引入引入1 1个约束个约束1 1个构件和个构件和2 2个低

11、副个低副引入引入1 1个约束个约束用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。用一个含有两个低副的虚拟构件来代替一个高副。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所含有两个低副的虚拟构件含有两个低副的虚拟构件精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所2.2.代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变1.4.2 1.4.2 机构的组成原理机构的组成原理 机构机构单个原动件单个原动件(F=1)(F=1)机架机架(F=0)(F=0)从动件系统从动件系统(F=0)(F=0)精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.1.杆组杆组从动件系统从动件系统 若干

12、个不可再分的自若干个不可再分的自由度为零的构件组合由度为零的构件组合基本杆组基本杆组(杆组杆组)平面低副机构平面低副机构(1)(1)双杆组双杆组(II(II级杆组级杆组)3320=2LLnppn或2,=3Lnp精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所(2)(2)多杆组多杆组常见常见IIIIII级杆组级杆组特征特征4,=6Lnp具有一个三副构件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每个内副所连接的分支构件是双副构件精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所 比比IIIIII级杆组级别更高的基本杆组，在实际机级杆组级别更高的基本杆组，在实际机构中应用很少。构中应用很少。2.2

13、.机构的组成原理机构的组成原理基本杆组基本杆组F=0F=0基本杆组基本杆组F=0F=0原动件原动件F=1F=1机架机架F=0F=0精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所+=原则：原则：满足相同工作要求的前提下，机构的结构简单，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。杆组级别低，构件数和运动副的数目少。精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所1.4.31.4.3 机构的结构分析机构的结构分析拆杆组拆杆组基本杆组基本杆组 原动件原动件 机架机架机构机构精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所实例：实例：高副低代高副低代323 82 11 1

14、1LHFnPP 拆除第一个拆除第一个IIII杆组杆组精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所 继续拆下一个杆组继续拆下一个杆组精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所如何拆杆组？如何拆杆组？精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所 不同级别的杆组组成机构，通常以机构中包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含的基本杆组的最高级别命名一个原动件一个原动件和机架组成和机架组成4 4个个IIII级杆组级杆组1 1个个IIII级杆组级杆组1 1个个IIIIII级杆组级杆组I I级机构级机构IIII级机构级机构II

15、IIII级机构级机构精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所思考：思考：原动件更换后对机构级别的影响原动件更换后对机构级别的影响区别区别精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所本章参考书本章参考书1.1.孟宪源等编著孟宪源等编著.机构构型与应用机构构型与应用(上册上册).北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社.20042004年年 2.2.张启先主编张启先主编.空间机构的分析与综合空间机构的分析与综合(上册上册).北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社.1984.1984精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所本章习题本章习题(第第1 1周周)习题：习题：1.2(b)、(c)；1.5(b)、(c)自测题：自测题：1-6 关于作业的基本要求关于作业的基本要求本章习题本章习题(第第2 2周周)习题：习题：1.5(d)、(f)；1.6(c)、(f)精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所精密仪器与机械学系 设 计 工 程 研 究 所