高等机构学ppt-第一章到第五章

第一章绪论HexaGlide并联机床自然机械和人造机械如何认识和设计这些机械？“上帝”创造生灵人类创造机械机构学机构学又称机构和机器科学机构学就是要揭示自然和人造机械的组成原理创造新机构为现代机电系统的设计服务。第一节机构学的研究对象及其研究的基本问题一、机械设计制造过程中学科分类1.设计人们将头脑中的构思转化成实体形式或系统，这一过程叫做设计。目的性、系统性、创造性、开放性、多样性一、机械设计制造过程中学科分类2.机械工程学科分类1）机械学（设计阶段：用于准备信息）机构学、机械结构强度学、摩擦学、设计方法学、振动学。2）机械制造工程学（制造阶段：用于处理信息）金属工艺学、制造工艺学、机械加工设备(刀具、机床、夹具)二、机构学研究对象1.机构的定义狭义（Reulaux定义）：机构是闭链，不动构件为机架，可以传递、转换运动。广义：机构是由构件和运动副组成而且能完成确定运动的机械系统。一般来说，机构学研究对象为刚体构件组成的多体约束机械系统。（平面连杆机构→组合机构→空间机构）现代机构学的研究对象不断扩展。2.研究对象3.机构学理论基础和研究手段1）理论基础数学和力学。2）研究手段计算机技术、实验和仿真、Matlab、Adams4.机构学研究的目的1)发明创造新机械（机构型综合）2)改进现有机械（先分析后综合）机构创新是机械创新的重要组成部分三、机构学的研究内容结构学（分析和综合）运动学（分析和综合）动力学（分析和综合）三、机构学的研究内容1.结构学（拓扑结构学）根据机构所要实现的运动传递或转换要求确定机构类型和组成原理，包括结构分析和结构综合。1）结构分析：给定机构，了解构件和运动副的数量，计算自由度，确定自由度类型（平动，转动）。三、机构学的研究内容2）结构综合：根据功能要求，确定机构类型，即确定构件和运动副的数量及连接方式。其中结构综合又包括了数综合和型综合。数综合：给定自由度F，确定构件数n和运动副数P。型综合：给定构件数n和运动副数P，确定连接方式和结构类型。三、机构学的研究内容2.运动学1）运动学分析：研究给定机构各构件（或各构件上的点）之间位置、速度和加速度的关系及其变化规律。2）运动学综合：根据机构各构件的运动变化规律来确定机构的几何参数（运动学参数优化）。三、机构学的研究内容3.动力学1）动力学分析：研究给定机构的运动（位置、速度和加速度）与作用在各构件上的力或力矩之间的关系。2）动力学综合：根据动力学性能要求，确定动力学参数。4、机构学研究的基本问题机构分析机构综合四、机构的分类1.按构件的结构形式连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构四、机构的分类2.按构件的运动范围分为平面机构、空间机构四、机构的分类3.按运动链形式分为开链机构、闭链机构（单闭链和多闭链）4.按机器人机构运动链形式分为串联机构、并联机构、混联机构（串并联）第二节机构系统创新设计的过程一、机构系统创新设计的层次1.基本原理涉及机构学研究的不同方面和层次的基本原理和方法的创新2.拓扑结构3.驱动方式4.运动学设计5.动力学设计6.控制系统二、机构系统（机电系统）设计过程三、机构发展展望1.机构类型的广义化2.机构创新设计的理论和方法的系统化、深入化4.微机构和微动机构的理论与应用3.机构设计过程的计算机辅助设计（智能化）6.高速和高精度机械（机构）的研究5.仿生机构的理论与应用7.传统典型机构研究的深入四、机械发展史简介技术萌芽—简单机械四、机械发展史简介四、机械发展史简介四、机械发展史简介四、机械发展史简介四、机械发展史简介四、机械发展史简介参考书目：1.邹慧君，高峰.现代机构学进展.高等教育出版社，20072.熊有伦.机器人学.机械工业出版社，19933.黄真等.高等空间机构学.高等教育出版社，20064.黄真.并联机器人机构学理论及控制.机械工业出版社，19975.张策.机械原理和机械设计.机械工业出版社，20116.邹慧君.机械系统设计原理.科学出版社，2003第二章连杆机构的结构学一、研究对象具体地说：研究机构的组成原理，机构的分类，机构的结构情况以及机构在什么样的条件下才能有确定的运动。第一节概述平面连杆机构和空间连杆机构二、研究问题结构分析和结构综合⑴自由度F的计算。⑵机构的数综合，即给定自由度F，求机构构件的数量n和运动副数p。⑶机构的型综合，即给定自由度F、构件数n和运动副p，求出机构的“型”。三、机构的组成1、构件⑴构件是具有确定运动的独立单元。⑵一个构件可以是一个零件，也可以是多个零件的组成。⑶构件是一般是刚性的。⑷构件还可具体分为：机架、原动件和从动件。机构由构件、运动副组成三、机构的组成2、运动副⑴运动副是构件间的活动连接。⑵运动副限制了构件间的相对运动而保留了另一部分运动。单自由度运动副：回转副R移动副P螺旋副H三、机构的组成1、运动副球面副S三自由度运动副：虎克铰U或T二自由度运动副：圆柱副C三、机构的组成3、运动链⑴两个或两个以上的构件由运动副连接起来形成运动链。⑵可以把某些运动链看作是复合运动副。。⑶运动链可以分为开式链和闭式链，其中闭式链又可分为单闭链和多闭链。将运动链的某个构件固定成为机构第二节机构的自由度构件（物体）的自由度：描述其运动的独立坐标数目（1物体自由度不大于6）。机构的自由度：机构中各构件有确定运动，描述其运动所需的独立坐标数目。平面机构的自由度123(1)2Fnpp空间机构的自由度543212345)1(6pppppnF19世纪法国学者Kutzbach给出的自由度计算公式一.单开链机构的自由度计算（串联机构）1niiFfF—机构的自由度fi—第i个运动副的自由度n—运动副数末端构件自由度λ≦6，而F可能大于6，一般F=λ,λ＜F时该机构具有冗余度自由度，可提高机构运动的灵巧性。二.单闭链机构的自由度计算若存在虚约束或局部自由度，则上式失效。123(1)2Fnpp516(1)(6)iiFnip1.Kutzbonch准则l1l2l3c123公共约束数：机构的所有构件都受到相同性质和数量的约束。2.断开机架法0FF二.单闭链机构的自由度计算λ—约束条件数，且λ=6-m，平面λ=3，空间λ=6m—公共约束数（由螺旋理论计算），平面m=3，空间m=0三.多闭链机构的自由度计算p—运动副数；fi–第i个运动副的自由度数；L—独立环数，L=p-n+1，n是构件数λj—约束条件数单闭链+两端为运动副的开链=多闭链11pLijijFf四.并联机构的自由度计算1.可以按多闭链机构的自由度计算公式2.动平台的自由度等于6减去各支链对它的约束数，如6-SPS机构，6-UPS机构，3-RPS机构，3-UU等6-SPS（Steward）DELTA3-RPS五.自由度计算需要注意的问题1.局部自由度：对于整个机构运动无作用的自由度。2.消极约束（虚约束）：运动副、运动链的几何位置满足一定条件，使得约束不起作用。3.消极自由度：由于结构限制而不起作用的自由度。第三节机构的数综合123(1)2Fnpp516(1)(6)iiFnip11pLijijFf机构的数综合，即给定自由度F，确定机构构件的数量n和运动副数p，及运动副的类型。2342......iinnnnn任何仅含有回转副的平面连杆机构具有n个构件，p个运动副。这n个构件中可能含有二副杆、三幅杆，即一.平面连杆机构的数综合in表示i副杆的数量23422234iipnnnin3(1)2Fnp31(3)22pnF一.平面连杆机构的数综合31(3)22pnF因此n和F满足如下关系：1）若n为偶数，则F必为奇数2）若n为奇数，则F必为偶数p、n和F关系式没有反应构件的类型，即ni，i副杆的数量一.平面连杆机构的数综合2233iiiiFnin由式得结论：F与三副杆数量n3无关234234243(......)3(234......)3(3)jjnnnnnnnjn3(1)2Fnp一.平面连杆机构的数综合一.平面连杆机构的数综合二.空间连杆机构的数综合1.空间单闭链机构的数综合所有的构件都是二副杆516iiFippi指i类副的个数类副的个数12345pppppp1F时1234523457ppppp3n要形成单闭链，满足123453npppppp二.空间连杆机构的数综合2.空间多闭链机构的数综合i类副的个数11LLpnnp且有23,,...innn不同运动副的构件数为max232...iiinnnnmax2maxmax22max22(1)2222(1)(2)iiiiiiiiiiiiLninLninLinmax1iL可以证明max22iiipin二.空间连杆机构的数综合2.空间多闭链机构的数综合i类副的个数max22(1)(2)iiiLin该式描述了空间多闭链机构中含3个以上运动副的构件与独立环数的关系二.空间连杆机构的数综合3.空间开链机构的数综合i类副的个数121npnnn且有511piiijFfip自由度数空间开链机构中，末端构件与机架不连接，含2个单副杆12n6F若123452123452345612pppppnpnnpppppp第四节、机构的型综合型综合在数综合后，即通过数综合确定了自由度F，构件数n和运动副数p后，确定机构的具体类型。它们能确定多少个机构的运动链确定具体机构第三章平面连杆机构的运动学分析一.研究内容撇开机构运动的原因——不考虑作用力和力矩，单纯研究机构各部分的运动关系。具体的说，就是研究各构件或构件上的点的位置，速度，加速度的关系二.运动学分析方法图解法（几何方法）解析法(代数方法)：封闭矢量法，复数矢量法，直角坐标法，代数矩阵法仿真分析法第一节概述三.运动学分析的过程（解析法）1）建立运动约束方程：位置方程，速度方程和加速度方程2）运动学方程求解精确解（封闭解）数值解第二节平面连杆的运动分析（封闭矢量法）一.平面四杆机构312y1l2l3l2l0lx1.位置分析2）建立矢量方程ABBCADDC1）建立坐标系3）分量形式1122033112233coscoscos0cossinsinsinlllllll4）求解（双解）独立变量，相关变量（2）速度分析111222333111222333sinsinsincoscoscosllllll223321111132233sinsinsincoscoscosllllll（3）加速度分析二.牛头刨机构1.位置分析2）建立矢量方程1）建立坐标系3）分量形式4）求解HECHDECDCBABCA310310sinsin90sincoscos90cosCBCBllllll0sin90sinsinsin0cos90coscoscos5443354433EEslllslll四.曲柄滑块机构五.五杆机构第三节平面连杆的运动分析（复数矢量法）一.复数矢量法的数学基础1.矢量的复数表示法矢量的回转、求导和消元非常方便cossinjej单位矢量cossinjxyaeajaajaajaea矢量的模方向角矢量的实轴投影矢量的虚轴投影IRe一.复数矢量法的数学基础2.矢量的回转jaea复数矢量转一角度，相对于原