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第二章 机械结构

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机械结构设计课程教学大纲

机械结构设计课程教学大纲

机械结构设计课程教学大纲课程简介机械结构设计是机械工程专业的重要课程之一，它主要讲授机械结构设计的基础理论和实际应用技巧。

本课程通过培养学生的机械结构设计能力，旨在使学生能够独立进行机械结构的设计与优化。

本文档旨在提供机械结构设计课程的教学大纲，以便教师和学生对课程内容有清晰的了解。

授课目标1.理解机械结构设计的基本理论框架。

2.掌握机械结构设计的基本步骤和方法。

3.能够运用机械结构设计软件进行实际项目的设计与分析。

4.培养学生的创新能力和团队合作意识。

主要内容第一章：机械结构设计基础•机械结构设计的概念和作用•机械结构设计的基本流程•机械结构设计的基本原则•机械结构的材料选择与应用第二章：机械结构设计工具与软件•AutoCAD在机械结构设计中的应用•SolidWorks在机械结构设计中的应用•ANSYS在机械结构分析中的应用•MATLAB在机械结构优化中的应用第三章：机械结构设计实例分析•基于里兹图的机械结构设计•基于强度计算的机械结构设计•基于有限元分析的机械结构设计•基于性能优化的机械结构设计第四章：机械结构设计项目案例•学生团队拟定机械结构设计项目•设计项目分组和任务分配•机械结构设计项目的实施与成果展示教学方法1.授课：通过讲授基本理论和应用技巧，使学生掌握机械结构设计的基本知识。

2.实践：通过机械结构设计软件的实际操作，让学生掌握实际设计与分析的能力。

3.项目：通过小组合作完成机械结构设计项目，培养学生的团队合作与创新能力。

4.讨论：通过案例分析和课堂讨论，引导学生思考和交流，加深对机械结构设计的理解。

考核方式1.平时成绩：包括课堂出勤、参与讨论和作业完成情况。

占总评成绩的30%。

2.课程设计：根据学生完成的机械结构设计项目进行评分。

占总评成绩的40%。

3.期末考试：对学生对机械结构设计基础理论的理解进行考核。

占总评成绩的30%。

参考书目1.《机械结构设计基础》李明著，机械工业出版社，2015年。

机器人学_第2章_机器人机械结构

机器人学_第2章_机器人机械结构
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕

矿山机械-第二章-掘进机械

矿山机械-第二章-掘进机械
凿岩机按支承和推进方式可分：手持式、 气腿式、伸缩式和导轨式。
YN27C型内燃凿岩机
高速液压凿岩机
气动凿岩机HY20
手持式凿岩机Y26型
四、气动凿岩机
气动凿岩机组成： 冲击配气机构、转钎机构、排屑机
构和润滑机构等
钎杆1尾端装入凿岩机2机头钎套内， 注油器3连接在风管5上，使压气中混有 油雾，对凿岩机内零件进行润滑，水管 4供给清除岩粉用水，气腿6支撑凿岩机 并给以工作所需推进力。
气腿凿岩机的外形
1-钎杆；2-凿岩机；3-注油器； 4-水管；5-风管；6-气腿
五、液压凿岩机
1.概述 液压凿岩机是在气动凿岩机的基础
上发展起来的一种凿岩机。它是利用高 压液体的动力，推动活塞在缸体内往复 运动。
液压凿岩机具有以下优点： （1）动力消耗小，能量利用率高。 （2）凿岩速度高。 （3）作业条件高。 （4）润滑好，提高了零件寿命。 （5）操作方便，适应性强。
按照工作机构切削工作面分类：
1）部分断面巷道掘进机 其工作机构为一条悬臂和安装在悬臂上的截 割头所组成，悬臂可以上下左右摆动，主要 用于煤巷和半煤岩巷的掘进。
2）全断面巷道掘进机 全断面掘进机主要用于巷道全断面的一次钻 削式成形，主要用于掘进岩石巷道，多用于 涵洞和隧道的开凿。
◆ 隧道掘进机械，一般分为两种： （1）臂式掘进机(Boom-type Roadheader)； （2）全断面隧道掘进机，简称TBM
（7）具有防滑装置，以防机器沿斜坡自动下滑。
（8）具有内外喷雾灭尘装置。
（9）工作稳定可靠，操作简单方便，操作手把或 按钮尽量集中，日常维护工作少而容易。
三、凿岩机的种类
凿岩机的种类很多，按所用动力可分为 气动、电动、内燃和液压等四类。

第二章机械工程概论

第二章机械工程概论
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航天飞机利用机械臂施放哈勃空间望远镜
第1节 机械工程及学科总论
现代机械工程的发展
18世纪前，机械工程师主要凭借经验和技艺 现代机械工程，引入了计算机信息技术
现代机械工程范围广泛
自动化流水线、数 控机床、机器人、 成组技术、柔性制 造系统
特种加工
高精度加工、 超精密加工
第1节 机械工程及学科总论 现代机械工程的发展
1914年，福特流水生 产线，大量生产汽车。
19世纪末，泰勒 “科 学管理法”的出现
第1节 机械工程及学科总论
现代机械工程的发展
20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天， 海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、 空间站、航空母舰、深海探测器等。
国际太空站
第1节 机械工程及学科总论
机械工业是国民经济的支柱工业之一。 机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。
第1节 机械工程及学科总论
机械发展的历史回顾----中国古代
五千年前已开始使用简单的纺织机械； 晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理； 西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车； 东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。 目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东 汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。

机械设计基础第二章

机械设计基础第二章

第2章平面连杆机构2.1平面连杆机构的特点和应用连杆机构是由若干刚性构件用低副连接组成的机构，又称为低副机构。

在连杆机构中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，称为平面连杆机构；若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。

平面连杆机构被广泛应用在各类机械中，之所以广泛应用，是因为它有较显著的优点：（1）平面连杆机构中的运动副都是低副，其构件间为面接触，传动时压强较小，便于润滑，因而磨损较轻，可承受较大载荷。

（2）平面连杆机构中的运动副中的构件几何形状简单（圆柱面或平面），易于加工。

且构件间的接触是靠本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠。

（3）平面连杆机构中的连杆曲线丰富，改变各构件的相对长度，便可使从动件满足不同运动规律的要求。

另外可实现远距离传动。

平面连杆机构也存在一定的局限性，其主要缺点如下：（1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹设计连杆机构比较复杂，精度不高。

（2）运动时产生的惯性力难以平衡，不适用于高速的场合。

（3）机构中具有较多的构件和运动副，则运动副的间隙和各构件的尺寸误差使机构存在累积误差，影响机构的运动精度，机械效率降低。

所以不能用于高速精密的场合。

平面连杆机构具有上述特点，所以广泛应用于机床、动力机械、工程机械等各种机械和仪表中。

如鹤式起重机传动机构（图2-1），摇头风扇传动机构（图2-2）以及缝纫机、颚式破碎机、拖拉机等机器设备中的传动、操纵机构等都采用连杆机构。

图2-1鹤式起重机图2-2 摇头风扇传动机构2.2平面连杆机构的类型及其演化2.2.1 平面四杆机构的基本形式全部用转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图2-3所示。

机构的固定件4称为机架；与机架相联接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架直接联接的杆2称为连杆。

能作整周转动的连架杆，称为曲柄。

仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。

按照连架杆的运动形式，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。

第二章_机器人的机械结构分析

第二章_机器人的机械结构分析

关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
2018/11/2
关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
2018/11/2
Verstran 机器人
Verstran 机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
2018/11/2
第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人 的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动， 到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。

第二章工业机器人的机械设计基础

第二章工业机器人的机械设计基础
相邻关节轴线垂直或水平
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。

机器人技术第二章

机器人技术第二章

图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。

机械结构有限元分析第二章课后答案 哈工大

机械结构有限元分析第二章课后答案 哈工大

σ = 140 MPa
τ=
20 − (−40) sin(−2 × 45 � ) + 20 cos 2(−2 × 45 � ) = −30MPa 2
⎡6 4 0⎤ ⎥ 2.6 相对于 xyz 坐标系，一点的应力如下 σ = ⎢ ⎢4 − 3 0⎥ ，某表面的外法线方向余弦 ⎢ ⎣ 0 0 3⎥ ⎦
n x = n y = 6 / 11 ， n z = 7 / 11 ，求该表面的法向和切向应力。
解： u = y × 10
2 2
∂u =0 ∂x
∂u = 2 y × 10 2 ∂y ∂u =0 ∂z
点 P (1,0,2 ) 处，线应变为
εx =
∂u =0 ∂x
点 P (1,0,2 ) 处，剪应变为
ww 课 w. 后 ha 答 ck 案 sh 网 p. cn
[
( )]
v = 3 yz × 10 2
x3 y q ⎛ 6 ⎞ σ x = q 3 + 3 ⎜ − 2 xy 3 + c 2 xy ⎟ 5 4c 4c ⎝ ⎠ σ y = −q
⎛ y3 3y ⎞ x + qx⎜ ⎜ 4c 3 − 4c ⎟ ⎟ 2 ⎝ ⎠
τ xy =
3qx 2 2 q q 3 c − y2 − 3 c4 − y4 + 3 c2 c2 − y2 3 8c 8c 4c 5
常量。为了使应力场满足平衡方程和相容方程，这些常量的约束条件是什么？
解：
∂σ x = 2byx − c ∂x
∂σ x = 3ay 2 + bx 2 ∂y
得 2by + 6ay + 0 + 6dy = 0 即 b + 3a + 3d = 0

工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制

工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制

第二章工业机器人的机械结构和运动控制章节目录２.1 工业机器人的系统组成2。

１。

1 操作机2。

１.２控制器2.1．３示教器2.2工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习2．3 工业机器人的运动控制2.3.1 机器人运动学问题２.3.2机器人的点位运动…２。

3．3机器人的位置控制课前回顾何为工业机器人?工业机器人具有几个显著特点，分别是什么?工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。

学习目标认知目标＊熟悉工业机器人的常见技术指标*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能＊了解工业机器人的运动控制能力目标*能够正确识别工业机器人的基本组成*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知,中国机器人产业由于先天因素,在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。

虽然中国机器人产业经过30 年的发展，形成了较为完善的产业基础,但与发达国家相比，仍存在较大差距,产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。

整个机器人产业链主要分为上游核心零部件(主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑"）、中游机器人本体(机器人的“身体")和下游系统集成商（国内95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面.课堂认知2.1 工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成: 操作机、控制器和示教器。

对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统,它们分别由传感器及软件实现。

工业机器人系统组成２.1.1 操作机操作机(或称机器人本体)是工业机器人的机械主体,是用来完成各种作业的执行机构。

它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。

关节型机器人操作机基本构造机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰,可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等．(1) 机械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。

机械原理-郭宏亮-孙志宏-第二章答案

机械原理-郭宏亮-孙志宏-第二章答案

第2章机构的结构分析1．判断题（1）机构能够运动的基本条件是其自由度必须大于零。

（错误 ）（2）在平面机构中，一个高副引入两个约束。

（错误 ）（3）移动副和转动副所引入的约束数目相等。

（正确 ）（4）一切自由度不为一的机构都不可能有确定的运动。

（错误 ）（5）一个作平面运动的自由构件有六个自由度。

（错误 ）2．选择题(1) 两构件构成运动副的主要特征是（ D ）。

A ．两构件以点线面相接触B ．两构件能作相对运动C ．两构件相连接D ．两构件既连接又能作一定的相对运动(2) 机构的运动简图与（ D ）无关。

A ．构件数目B ．运动副的类型C ．运动副的相对位置D ．构件和运动副的结构(3) 有一构件的实际长度0.5m L =，画在机构运动简图中的长度为20mm ，则画此机构运动简图时所取的长度比例尺l μ是（ D ）。

A ．25B ．25mm/mC ．1:25D ．0．025m/mm(4) 用一个平面低副连接两个做平面运动的构件所形成的运动链共有（B ）个自由度。

A ．3B ．4C ．5D ．6(5) 在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为（A ）。

A ．虚约束B ．局部自由度C ．复合铰链D ．真约束(6) 机构具有确定运动的条件是（ D ）。

A ．机构的自由度0≥FB ．机构的构件数4≥NC ．原动件数W ＞1D ．机构的自由度F ＞0, 并且=F 原动件数W(7) 如图2-34所示的三种机构运动简图中，运动不确定是( C )。

A ．（a ）和（b ）B ．（b ）和（c ）C ．（a ）和（c ）D ．（a ）、（b ）和（c ）(a)(c)(b)图2-34(8)Ⅲ级杆组应由（ B ）组成。

A．三个构件和六个低副B．四个构件和六个低副C．二个构件和三个低副D．机架和原动件(9)有两个平面机构的自由度都等于１，现用一个有两铰链的运动构件将它们串成一个平面机构，这时自由度等于（ B ）。

机械原理(第二章 自由度)

机械原理(第二章 自由度)

§2-5 机构自由度的计算
1.平面机构自由度的计算
（1）计算公式
F＝3n－(2pl＋ph)
式中：n为机构的活动构件数目；
pl 为机构的低副数目；
ph为机构的高副数目。
3
(2)举例
1）铰链四杆机构
F＝3n－(2pl＋ph)
＝3×3－2×4 ＝1
3
2）铰链五杆机构
F＝3n－(2pl＋ph)
4
＝3×4－2×5 ＝2
虚约束的作用： ①改善构件的受力情况，如多个行星轮。 ②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。 ③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。
计算图示包装机送纸机构的自由度。
分析： 活 动 构 件 数 n ： 复合铰链: 2个低副 局部自由度 2个 虚约束: 1处
E
4 D7
F5G
96 IJ 8
H
B2 C3
轴孔连接（接
触平面）
滑块与导轨联
接（接触平面）
两齿轮轮齿啮 合（齿廓曲面）
运动副元素—两个构件参加接触而构成运动副的表面
面接触的运动副称为低副，
2
转动副 （回转副或铰链）
1
移动副
点接触或线接触的运动副称为高副。
3.平面构件的自由度
当没有约束时，构件作平面运动具有三个自由 度：即可以沿x轴和y轴方向移动，以及绕垂直于 运动平面xOy转动。
2 1
4
2
1 5
3）内燃机机构
F＝3n－(2pl＋ph) ＝3×6－2×7 ＝1
10 C 11
8 ,9 3
7D B
18
4 A1
§2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项
1.要正确计算运动副的数目 （1）复合铰链 由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。

第二章_机器人的机械结构

第二章_机器人的机械结构

2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部
真空气吸吸附手部
气流负压吸附手部
挤压排气式手
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可 靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料 的吸附。 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤， 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工 件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质 致密，没有透气空隙。
(1)夹持类
(2)吸附类
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第二章 机器人的机械结构
1.夹持类 (1)夹钳式 • 手指1 • 传动机构2
• 驱动装置3
• 支架4
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1）手指 ①指端的形状
第二章 机器人的机械结构
V型指
平面指
尖指
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特形指
第二章 机器人的机械结构
②指面型式 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表 面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面 和柔性指面三种形式。 ③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和 合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金； 高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下 工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀 的玻璃钢或聚四氟乙烯。
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生 的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不 会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优 越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光 洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足 之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑 （如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有 剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度 超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式 手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和 电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流 电磁铁和直流电磁铁手部。

机械原理知识点总结详细

机械原理知识点总结详细

机械原理知识点总结详细第一章机械原理概述1.1 机械原理的定义机械原理是研究和应用机械运动规律的科学，它包括机械结构、机械运动、机械传动等内容，是机械设计与制造的基础。

1.2 机械原理的基本概念机械原理包括机械结构、机械运动和机械传动，机械结构是机械系统的组成部分，机械运动是机械系统的基本运动规律，机械传动是机械系统实现运动的手段。

1.3 机械原理的研究内容机械原理主要包括力学、运动学、动力学、材料力学、结构力学等内容，其中力学是机械原理的基础，它研究物体的静力学和动力学。

第二章机械结构2.1 机械结构的分类机械结构可以分为刚性结构和柔性结构两大类，刚性结构包括机架、轴系、连杆、机构等，柔性结构包括弹簧、轴承等。

2.2 机械结构的基本部件机械结构的基本部件包括轴、支承、齿轮、齿条、皮带、链条等，它们是机械系统的骨架，支撑和传动机械运动。

2.3 机械结构的设计原则机械结构的设计原则包括合理、简洁、坚固、耐用、易于维修等，设计过程中需考虑机械系统的工作环境和使用要求。

2.4 机械结构的材料选择机械结构的材料选择需考虑其力学性能、热处理性能、加工性能、耐磨性、耐腐蚀性等因素，常用的材料有钢、铝合金、黄铜等。

第三章机械运动3.1 旋转运动旋转运动是物体绕轴线旋转的运动，它有角度、角速度、角加速度等物理量，旋转运动的基本原理是牛顿第二定律。

3.2 直线运动直线运动是物体沿直线运动的运动，它有位移、速度、加速度等物理量，直线运动的基本原理是牛顿第一定律。

3.3 圆周运动圆周运动是物体绕圆周运动的运动，它有周期、频率、角速度等物理量，圆周运动的基本原理是向心力和离心力。

3.4 抛物线运动抛物线运动是物体在重力作用下进行的运动，它有初速度、抛射角度等物理量，抛物线运动的基本原理是牛顿的万有引力定律。

第四章机械传动4.1 齿轮传动齿轮传动是利用齿轮传递动力和运动的一种机械传动，它有直齿轮、斜齿轮、蜗杆、锥齿轮等类型，齿轮传动的基本原理是齿轮的啮合。

机械原理第二章机构的结构分析

机械原理第二章机构的结构分析

运动链成为机构的条件
Fa = 3×2 - 2×3 = 0 Fb运= 3动×链3的- 2自×由5度= -F1= ?
F 0 运动链运不动能链的运运动动，情不况成如为何机? 构
F = 3×4 - 2×5 = 2 1 个原动件
F > 0，但原动件数目小 于自由度数目，运动链 运动不确定，不能成为 机构。
小滚子的运动并不影响整 个机构的运动 → 局部自由度
改善受力情况,减少磨损， 假想 2、3 件焊接在一起
F = 3*2 - 2*2 - 1 = 1
问题3：虚约束
在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入 的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这 种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。
机构运动简图(2/2)
（1）步骤 1）搞清机械的构造及运动情况，原动件开始沿着运动传递路线
查明构件数、运动副的类别及其位置；
2）依据机构某个瞬时运动位置选定视图平面； 3）选适当比例尺作出各运动副的相对位置，再画出各运动 副和常用机构的符号，最后用简单线条或几何图形连接即成。
（2）举例
鄂式破碎机简图绘制 内燃机简图绘制
机构的组成(5/5)
4.机构
机 构 ——具有固定构件的运动链
组成：
3
机 架 —— 相对固定的构件
2 从动件
4
—1 原动件
原动件—— 已知独立运动的构件 （用转向箭头表示）
机架 平面铰链四杆运机动构链
从动件 ——其余从动运动的构件 原动件 2
分类： 平面机构与空间机构 平面机构的应用最为广泛
1
机架
3 从动件 4
(2) 举例
1）铰链四杆机构 F＝3n－(2pl＋ph)
＝3×3 －2×4 －0 ＝1

机械原理第二章2-1

机械原理第二章2-1
第二章 机构的结构分析与综合
§2.1 §2.2 §2.3 机构的组成及运动简图 机构的自由度计算及机构运动确定条件 机构的高副低代、结构分析和组成原理
§2.1 机构的组成及运动简图
一、构件和运动副 二、运动链和机构 三、平面机构运动简图
一、构件和运动副(Kinematic Pairs)
1.构 件(Links) 2.运动副(Kinematic Pairs)
1 A 2
转动副的表示
2 2
1
1
如构件之一为机架，则须在代表机架的构件上加 阴影线，以表示固定。 固定铰链可用带三角支撑架和阴影的小圆表示。
转动副的表示
投影面垂直于转动轴线的表示法 1 2 1 2 2 2 2
1
1
1
转动副的表示
投影面通过回转轴线的表示法
2 1
2 2
1
1
移动副的表示
2 2
1
1
(a)
运动副
运动副约束
运动副分类
构件(Links) 构件：指具有独立运动的单元体。
它可以是单一的零件，也可以是由
几个零件组成的刚性结构。
运动副 (Kinematic Pairs)
运动副：两构件直接接触并能产生一定形式的相对运动的 可动连接，称为运动副。
y
1
O
2 1
两齿轮轮齿啮合 （齿廓曲面）
2
轴与轴承连接 （圆柱和圆柱孔面） 滑块与导轨连接 （平面接触）
1.机构运动简图的定义和目的
(1) 因为机构各构件间的相对运动，是由原动件的 运动规律、机构中所有运动副的类型、数目及 其相对位臵(即转动副的中心位臵、移动副的 中心线位臵和高副接触点的位臵)决定的，而 与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数 目及其固联方式和运动副的具体结构无关. (2) 能够准确表达机构运动情况的简单图形,称为 机构运动简图。 (3) 绘制机构运动简图的能力是工程师的基本技术 技能。

《数控机床》作业参考答案

《数控机床》作业参考答案

《数控机床》作业参考答案（一）第一章数控机床简介一、填空题1、控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置2、数字控制3、并联4、自适应控制（AC）二、单选题1、C2、D3、A4、D5、B三、判断题1、×2、√3、×4、√5、√四、简答题1、简述数控机床的发展趋势。

答：（1）高速度与高精度化：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①数控系统采用位数、频率更高的微处理器；②采用全数字交流伺服系统，大大提高了系统的定位精度、进给速度；③机床静、动摩擦的非线性补偿技术；④应用高速大功率电主轴；⑤配置高速、功能强的内装式可编程控制器；⑥采用高性能和可靠的新型功能部件—电滚珠丝杠；（2）多功能化：数控机床采用一机多能；数控机床具有前台加工、后台编辑的前后台功能；数控机床除具有通讯口、DNC功能外，还具有网络功能；（3）智能化：数控机床引进自适应控制技术；采用故障自诊断、自修复功能；具有刀具寿命自动检测和自动换刀功能；数控机床引进模式识别技术；（4）高的可靠性：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①提高系统的硬件质量；②采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式；③增强故障自诊断、自恢复和保护功能。

2、简述数控机床各组成部分的作用。

答：数控机床一般由以下几个部分组成：（1）控制介质：控制介质是将零件加工信息传送到数控装置中去的信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。

常见的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁盘、磁带等。

（2）数控系统：数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在，主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各种输入/输出接口等组成。

主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成，是数控系统的核心，一般称它为数控装置（CNC装置）。

（3）伺服系统：是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、伺服驱动控制器组成。

伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。

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数控机床对主运动系统的要求




动力功率高 由于对高效率的要求日益增长，加之刀具材料和技术的进步，大多 数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。一般NC机床的 主轴驱动功率在3.7kW～250kW之间 调速范围宽 除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。 调速范围是指最高转速与最低转速之比，即Rn=nmax/nmin 控制功能多样化 性能要求高
该配置方式是一种 传统的配置方式， 它能够满足各种切 削运动转矩输出的 要求，但变速范围 不大，由于是有级 变速使切削速度的 选择受到限制，而 且该配置的结构较 复杂，所以现在仅 有少数经济型数控 机床采用该配置， 其他已很少采用。
变频器—交流电机—1～2级机械变速—主轴部件配置方式 特点：




性能要求高
对主轴电机的性能要求如下： 电机抗过载能力强，要求有较长时间(1～30min)和较大倍数的抗过载能 力； 在断续负载下，电机转速波动要小； 速度响应要快，升降速时间要短； 电机温升低，振动和噪音小； 可靠性高，寿命长，维护容易； 体积小，重量轻，与机床联接容易
普通电机—机械变速系统—主轴部件配置方式


变频电机经一对齿轮变 速后，再通过二联滑移 齿轮传动主轴，使主轴 获得高速段和低速段转 速。 优点是能够满足各种切 削运动的转矩输出，且 具有大范围的速度变化 能力； 具有结构简单、安装调 试方便，且在传动上能 满足转速与转矩的输出 要求； 调速范围及动力特性相 对于交、直流主轴电机 系统而言要差一些； 主要用于经济型或中低 档数控机床上。
结 构
数 控 机 床 的 机 械
第 二 章
第二章 数控机床机械结构 对数控机床机械结构的要求 数控机床的主传动及主轴部件 数控机床的进给运动及传动机构 自动换刀装置 其它辅助装置

第一节 对数控机床机械结构的要求
提高机床的动、静刚度 减少机床的热变形 减少运动副的摩擦，提高传动精度 提高机床的寿命和精度保持性 自动化的机构，宜人的操作性 安全防护和宜人的造型
进给传动系统装置
进给传动系统装置 对进给传动系统装置的要求： 由于机械传动结构的刚性、制造精度、摩擦阻 尼特性等，对执行件运动特性和运动精度有重要 影响，因此进给伺服系统对机械传动机构提出了 较高的要求，主要有： ①摩擦力小，尤其是动静摩擦系数之差要小，故 广泛采用如滚动摩擦等摩擦力较小的传动件及导 轨； ②传动精度和刚度要高，要求消除传动间隙，并 进行适当的预紧。以增加传动系统刚度； ③运动惯量要小，尽可能减小运动部件质量，以 提高响应速度。
键联接消隙

当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除，其措施 如下图。图（a）为双键消除间隙，用紧定螺钉顶紧。图（b） 将其中一个键灌环氧树酯，但不易拆卸维修。
联轴节

由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠 直接相联，由于伺服系统对传动精度要求较高，因而对联轴节也提 出了较高的要求，主要有无间隙、传动中弹性变形小、高速传动平 稳、稳定可靠等。图是较典型的联轴节的结构形式。 图（a）用锥销联接，为防止振松，用螺母加弹簧垫圈锁紧。图 （b）将锥销放在侧边，故可承受较大的剪切力。图（c）为套筒中 心线上互为90°的两个锥销。套筒联接尺寸小、转动惯量小。图 （d）为十字滑块联轴节，接头槽口需研配，适于负载较小的传动。 图（e）是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的弹性无键联轴节。 这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧 螺钉2时，件3和件6相互靠近，挤压内锥环4、外锥环5，使外锥环 内径缩小，内锥环外径胀大，使件6与电机轴1形成无键联接。右半 部也同样形成无键联接。左半部通过弹性钢片组8两个对角孔与螺栓 10、球面垫圈7、9相联。图中表明球面垫圈9与右半部件16没有任 何联接关系。同样，弹簧钢片组8的另两个对角孔，通过球面垫圈 17、18、螺栓19与右半部的件16联接，垫圈18与件6也没有任何联 接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即弹性）传递扭矩，且与 电机轴和丝杠都无键联接。

组成：主轴部件由主轴的支承、安装在主轴上的传动零件及装夹 刀具或工件的附件组成。 主要作用：①夹持工件或刀具实现切削运动；②传递运动及切削 加工所需要的动力。


机床对其主轴部件的主要要求有： ① 主轴的精度要高。精度包括运动精度(回转精度、轴向窜 动)和安装刀具或夹持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。 ② 部件的结构刚度和抗振性。 ③ 运转温升不能太高以及较好的热稳定性。 ④ 部件的耐磨性和精度保持能力。 对数控机床除上述要求外，在机械结构方面还应有： ① 刀具的自动夹紧装置。 ② 主轴的准停装置。 ③ 主轴孔的清理装置等
主传动功率


机床主传动的功率N可根据切削功率Nc与主运动传动链的总 效率η 由下式来确定 N=Nc/η 数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代 表性的加工情况，由其主切削力Pz按下式来确定
调速范围宽

在主运动系统中调速范围有恒扭矩、 恒功率调速范围之分，如图所示， 在基本转速(额定转速nc )以下是恒 转速调速范围，通过调整电枢电压 来实现，在nc以上是恒功率调速， 通过调磁调速。而且现在恒功率调 速范围尽可能大，以便在尽可能低 的速度下，利用其全功率(在低速 时往往由于电流的限制，只能进行 恒扭矩调速。因为加工一些难加工 材料所需求的转速范围相差很大， 例如，钛需要低速加工，而铝合金 材料却需要高速加工，而采用齿轮 变速箱扩大变速范围的方法已不能 满足要求。
电主轴结构图
电主轴外观图
三位液压拨叉作用原理图
三位液压拨叉作用原理图 1、5-液压缸 2-活塞杆 3-拨叉 4-套筒
啮合式电磁离合器
1-线圈 2-衔铁 3-螺钉 4-弹簧 5-定位环 6-隔离环 7-螺钉 8-磁轭 9-旋转环
啮合式电磁离合器
加 工 中 心 典 型 主 轴 部 件
数控机床的主轴部件

第一节 对数控机床机械结构的要求
一. 提高机床的静、动刚度
合理选择支承件的结构形式 合理的结构布局 采用补偿变形的措施 合理选用构件的材料

第一节 对数控机床机械结构的要求 二.减少机床热变形的措施

减少机内发热 改善散热和隔热条件 合理设计机床的结构与布局 进行热变形补偿
现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱 动装置，下图为主轴输出特性曲线
（极限）
功率（kw)
连续）
主轴转速（r/min) 主轴输出特性曲线----转速功率特性
转矩（N.m)
（极限）
标准型22.5-2250r/min
转矩（N.m)
连续）
高速型45-4500r/min
主轴转速（r/min) 主轴输出特性曲线----转速转矩特性
交、直流主轴电机 — 主轴部件配置方式
特点：

电机经同步齿形带传动主轴 电机是性能更好的交、直流主轴 电机，变速范围宽，最高转速可 达 8000 r/min 在传动上能基本能满足目前大多 数数控机床的要求，易于实现丰 富的控制功能


结构简单、安装调试方便，可满 足现在中高档数控机床的控制要 求
进给传动系统装置

齿轮传动及齿轮消隙
齿轮传动在伺服进给系统中的作用是：改变运动方向、降速、增大扭 矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠 之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反 向运动的死区，必须设法消除。目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结 构，如下图（a），将一对齿轮中的大齿轮分成1、2两部分，并分别与 螺钉3、8固定，再将弹簧4与3、8联接起来，这样齿轮的1、2两部分的 齿轮自然错开，达到自动消除齿侧间隙的目的。图（b）为斜齿轮传动 消隙结构。它是将一个斜齿轮分成两个薄片3、4，且在其中加一垫片2， 改变垫片2的厚度，薄片3、4的螺旋线就会错位，分别与宽齿轮1的齿槽 左、右侧面贴紧，消除了间隙。
调速范围宽

主运动为旋转运动的机床，主轴转速n(r/min)由切削速度v(m/min)和工件 或刀具的直径d(mm)来确定

对于数控机床，为了适应切削速度和工件（或刀具）直径的变化，主轴 的最低和最高转速可根据下式确定
数控机床的主传动变速方式



无级变速 分段无级变速 内置电动机主轴变速（电主轴） 有级变速（机械变速）
进给传动系统装置


概述 进给系统机械传动结构是进给伺服系统的重要组成 部分，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执 行机构。它主要由传动机构、运动变换机构、导向机 构、执行件组成。如下图所示。其中常用的传动机构 有传动齿轮和同步带； 运动变换机构有丝杠螺母副、 蜗杆齿条副、齿轮齿条副等；导向机构有滑动导轨、 滚动导轨、静压导轨、轴承等。 数控机床对进给运动的要求 减少摩擦阻力 提高传动精度和刚度 消除传动间隙 减小运动件的惯量
对于越来越高的速度的需求， 该配置方式已难以满足


电主轴



这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速 度检测元件。空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间 是空心的，用于装夹刀具或工件；带绕组的定子，它和其他电机 相似。这种电机构成了较简单的主运动部 件。 它不仅可以使转速提高，若在其内应用较先进的轴承（如陶瓷轴 承、磁悬浮轴承等）而且可使主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量 小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速 高，目前最高可达200000 r/min。它的出现大大简化了主运动系 统结构，实现了所谓的“零传动”，因而使传动精度大大提高， 由于它具有上述特点，在高速数控机床大量采用。 在目前也存在着一些缺点，主要是电机运转产生的振动和热量将 直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却 是内装式主轴电机的关键问题。