机构的结构综合.pptx

1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合 开式链机构的自由度数就等于各运动副的开式链机构的自由度数就等于各运动副的自由度之和，即自由度之和，即 对上式变形可得：对上式变形可得：式中，式中，Pj表示第表示第j类运动副的数目。类运动副的数目。1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合 当机构自由度已给定时，便可直接按上式当机构自由度已给定时，便可直接按上式求得其结构简图的可能型式。求得其结构简图的可能型式。对于只含有转动副、圆柱副和球销副的开对于只含有转动副、圆柱副和球销副的开式链机构的自由度可简写为式链机构的自由度可简写为 当机构自由度当机构自由度W为为1时，其结构时，其结构 简图的可能型式只有一种。简图的可能型式只有一种。1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合 当机构自由度当机构自由度W为为2时，其结构简图的可能时，其结构简图的可能型式有三种。型式有三种。1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合 当机构自由度当机构自由度W为为3时，其结构简图的可能时，其结构简图的可能型式有三种。型式有三种。随着机构自由度的增大及所含运动副类型随着机构自由度的增大及所含运动副类型的增加，其结构简图的可能型式将大大增加。的增加，其结构简图的可能型式将大大增加。1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合 某些机械手结构的结构简图。在这类机构某些机械手结构的结构简图。在这类机构中很少采用自由度大于中很少采用自由度大于2的运动副。的运动副。1.3.1 1.3.1 开式链机构的结构综合开式链机构的结构综合1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合一、单自由度平面机构中构件数与运动副数的配置。一、单自由度平面机构中构件数与运动副数的配置。为了说明问题起见，现只限于讨论仅含转动副为了说明问题起见，现只限于讨论仅含转动副且自由度为且自由度为1的平面闭式链机构，而且不包含复合的平面闭式链机构，而且不包含复合铰链和虚约束。铰链和虚约束。1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 该机构的构件总数该机构的构件总数N与转动副数与转动副数P之间的关系为：之间的关系为：式中式中N为运动链中的构件总数，为运动链中的构件总数，P为其中的运动为其中的运动副总数。副总数。N必为偶数。必为偶数。常见的运动链有：常见的运动链有：1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 环路数环路数L与构件总数与构件总数N的关系为的关系为 由上式可见，环数只与杆数有关。由上式可见，环数只与杆数有关。若运动链的环数记为若运动链的环数记为L，则，则ABCD1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合ABCD1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度机构，开式运动链。单自由度机构，开式运动链。单环机构，闭式运动链，单环机构，闭式运动链，四杆机构。四杆机构。其余为复环闭式运动链。其余为复环闭式运动链。环数环数L运动副数运动副数P构件数构件数N1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 四杆运动链只有四杆运动链只有1个环，故个环，故其可能的构型只有其可能的构型只有1种。种。六杆运动链应有六杆运动链应有2个环，故其可能的构型有两个环，故其可能的构型有两种，瓦特种，瓦特(Watt)型和斯蒂芬森型和斯蒂芬森(Stephenson)型型 三副件相邻三副件相邻 三副件被二副件隔开三副件被二副件隔开1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 八杆运动链应有八杆运动链应有3个环，其可能的构型有个环，其可能的构型有16种种1.3.21.3.2单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 十杆运动链应有四个环，其可能的构型有十杆运动链应有四个环，其可能的构型有230种。种。运动链如此众多的型式是按什么规律组合出来运动链如此众多的型式是按什么规律组合出来的，这一问题可用图论的方法加以研究。的，这一问题可用图论的方法加以研究。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合二、图论的基本知识二、图论的基本知识 图：由直线段和小圆圈组成的网络状连通系统图：由直线段和小圆圈组成的网络状连通系统 节点：小圆圈，直线段的端点节点：小圆圈，直线段的端点 边：直线段，连接两个节点的直线段边：直线段，连接两个节点的直线段1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 子图：若一图的节点集合、边集合分别是另一子图：若一图的节点集合、边集合分别是另一图的节点集合、边集合的子集，则成该图为另一图图的节点集合、边集合的子集，则成该图为另一图的子图。的子图。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 完全连接图：任一节点和其他所有节点都有边完全连接图：任一节点和其他所有节点都有边相连接的图。相连接的图。平面图：各边除在节点相交外，没有其他相交平面图：各边除在节点相交外，没有其他相交边的图。边的图。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 支路：图中一系列边的集合，其每两个相继的支路：图中一系列边的集合，其每两个相继的边联接于一个节点。边联接于一个节点。环路：从某一个节点开始又回到该节点的支，环路：从某一个节点开始又回到该节点的支，此支路通过各节点不超过一次，又称封闭环。此支路通过各节点不超过一次，又称封闭环。长度：构成支路或环路的长度：构成支路或环路的 边数。边数。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 同构：若两图的节点集合和边集合的元素分别同构：若两图的节点集合和边集合的元素分别有一一对应关系，且对应边与对应节点相关联，则有一一对应关系，且对应边与对应节点相关联，则成该两图同构。（换言之，由一幅图演化后可以得成该两图同构。（换言之，由一幅图演化后可以得到另一幅图，可以认为是同一个机构的不同表现形到另一幅图，可以认为是同一个机构的不同表现形式。）式。）1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 联接矩阵：表示图中边联接矩阵：表示图中边-节点或边节点或边-边或节点边或节点-节点之间联接关系的矩阵。节点之间联接关系的矩阵。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 变换图：若一图的节点变换图：若一图的节点-节点矩阵是另外一图的节点矩阵是另外一图的边边-边矩阵，则称后者为前者的变换图。边矩阵，则称后者为前者的变换图。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合三、图与运动链的变换三、图与运动链的变换 运用图论中的方法，可把研究运动链种类的问运用图论中的方法，可把研究运动链种类的问题转化为研究一定数量的节点与边能够连接成多少题转化为研究一定数量的节点与边能够连接成多少种不同构的图的问题。种不同构的图的问题。（原）图中的节点代表构件，边代表转动副。（原）图中的节点代表构件，边代表转动副。在原图的变换图中，节点就代表了转动副，边代表在原图的变换图中，节点就代表了转动副，边代表了构件，变换图实际上已成为运动链的图形了。了构件，变换图实际上已成为运动链的图形了。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合在构（原）图时，需注意以下三点：在构（原）图时，需注意以下三点：(1)节点数、边数、环数按公式节点数、边数、环数按公式 (1)节点数、边数、环数按公式节点数、边数、环数按公式 确定，但应将式中的确定，但应将式中的N视为节点数视为节点数V，P视为边数视为边数E。例如运动链例如运动链 原图原图（）（）1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 (1)节点数、边数、环数按公式节点数、边数、环数按公式 (2)两节点间不能用一个以上的边联接。两节点间不能用一个以上的边联接。（）一方面因为图中的必须均为直线；另一方面因一方面因为图中的必须均为直线；另一方面因两构件间不能构成多于一个的转动副。两构件间不能构成多于一个的转动副。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 (1)节点数、边数、环数按公式节点数、边数、环数按公式 (3)原图中不能含有变换图为固定桁架的子图。即原图中不能含有变换图为固定桁架的子图。即不能在原图中出现如下的图：不能在原图中出现如下的图：1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 (3)为了便于判断是否同构，所构成的图必须是平为了便于判断是否同构，所构成的图必须是平面图，并尽量将图中的最长环作为外环。面图，并尽量将图中的最长环作为外环。最长的环所具有的边数叫做周长。最长的环所具有的边数叫做周长。注意了以上各点后，可针对不同的节点数、边数注意了以上各点后，可针对不同的节点数、边数及环数进行构图。仍以自由度为及环数进行构图。仍以自由度为1的平面闭式运动链的平面闭式运动链为例。为例。（a）四杆运动链）四杆运动链 因为周长必须为因为周长必须为4,所以只有一种。所以只有一种。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合 （b）六杆运动链）六杆运动链 6个顶点，所以最大周长只能取个顶点，所以最大周长只能取6。不能出现边长为。不能出现边长为3 的环。同时要保证两个环。然后逐次周长取的环。同时要保证两个环。然后逐次周长取5和和4。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合四、平面机构的演化四、平面机构的演化 上述变换图为平面运动链的基本型式，如果指上述变换图为平面运动链的基本型式，如果指定不同的构件为机架，或者采用以移动副代替转动定不同的构件为机架，或者采用以移动副代替转动副、高副代替低副等方法，可以得到多种多样的实副、高副代替低副等方法，可以得到多种多样的实用机构。用机构。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合（1）选用不同构件为机架）选用不同构件为机架瓦特型瓦特型瓦特瓦特I型型瓦特瓦特II II型型ABDAFGCECEBD4GF321546G653421F21EABDC3561.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合瓦特型瓦特型ABDFGCE6534211234561.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合瓦特型瓦特型ABDFGCE6534211234561.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合斯蒂芬森型斯蒂芬森型假肢假肢1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合八杆运动链八杆运动链FGDCE刮水器刮水器1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合ACEBDGF3215461.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合BDFGCE653421扩大从动件摆角并改善传动性能扩大从动件摆角并改善传动性能 1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合（2）改变构件的形状和尺寸）改变构件的形状和尺寸用移动副代替转动副用移动副代替转动副 用一个移动副置代转动副后，得到曲柄滑块机用一个移动副置代转动副后，得到曲柄滑块机构，杆构，杆3变成了滑块。被置代的转动副和置代出现变成了滑块。被置代的转动副和置代出现的移动副用的移动副用P标出。标出。1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合BDFGCE653421 冷床运输机就是一个六杆机构。它用于冷床运输机就是一个六杆机构。它用于把热扎钢料在运输过程中冷却，因此要求增把热扎钢料在运输过程中冷却，因此要求增大行程。大行程。扩大从动件的行程扩大从动件的行程1.3.31.3.3单自由度平面闭式链机构的结构综合单自由度平面闭式链机构的结构综合（2）改变构件的形状）改变构件的形状用滑动副代替转动副用滑动副代替转动副 用一个滑动副置代一个二副件和两个转动副后，用一个滑动副置代一个二副件和两个转动副后，得到摆动从动件凸轮机构，被置代的二副件以虚线得到摆动从动件凸轮机构，被置代的二副件以虚线表示并标上表示并标上S，被置代的转动副用，被置代的转动副用 标出。标出。