第二章平面机构的结构分析(包装)

第二章平面机构的结构分析Chap.2StructureAnalysisofMechanismBasicConcept(基本概念)DeterminingDegreeofFreedom(自由度)Howdoesakinematicchainstransformintoamechanism?(运动链)KinematicDiagramofMechanism(机构运动简图)PrincipleofMechanismConstitution(机构组成原理)Contents:§2-1简介平面机构(Planarmechanism):机构中所有构件均在一个或几个平行平面上运动。12341234另有空间机构概念。(Spatialmechanism)ⅠⅢⅡⅡⅠ研究目的之一：机构运动的可能性及具有确定运动的条件。123412351234研究目的之二：绘制机构运动简图。研究目的之三：研究机构的组成原理。§2-2机构的组成1.构件(Link)定义：机构中每个独立的运动单元体。零件(part)----单独加工的制造单元体。由三个零件组成的构件构件零件1零件2零件3内燃机中连杆连杆体连杆盖螺栓螺母垫片弹簧垫圈摩擦环摩擦环曲轴构件：机构中每个独立的运动单元体。特点：一个构件，可以是一个零件，也可以是由若干个不同零件组装起来的刚性体。从运动角度看：任何机构都是由若干个构件组合而成。定义：两个构件之间直接接触所形成的可动联接特点：(１)运动副是一种联接；(２)运动副由两个构件组成；(３)组成运动副的两个构件之间有相对运动。2.运动副(Joint，KinematicalPair)运动副元素(Pairelement)：两构件上能够参加接触而构成运动副的部分（点、线、面）。运动副元素Oxzysxszsyyxz空间运动刚体的自由度一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度为sx，sy，sz，x，y，z，即自由度数f6。平面运动刚体的自由度为sx，sy，z，即自由度为f3。yz(x,y)xO平面运动刚体的自由度sxsy自由度(Degreeoffreedom)：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目。观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindricpair)两构件保留的相对运动sz和z，即自由度数f2。两构件之间受限制的相对运动sx，sy，x和y，即约束数s4。zxyOzsz约束(Constraint):运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。1.根据运动副所引入的约束数分类2.根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类3.根据组成运动副两个构件的相对运动形式分类运动副的分类机构中运动副的类型决定着机构的运动形式。根据运动副所引入的约束数分类表2-1常用运动副及其简图名称图形简图符号副级自由度名称图形简图符号副级自由度球面高副I5圆柱套筒副IV2柱面高副II4转动副V1球面低副III3移动副V1球销副IV2螺旋副V1特点具有较多的自由度，易于构件的自动调整，保持静定特性。接触应力大，易变形、易磨损、承载能力低。制造比较困难。适用场合结构简单，运动精度要求较高，受力较小。构件的不同接触形式点接触(Pointcontact)点接触，f5线接触，f4线接触(Linecontact)根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类面接触(Areacontact)特点相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。运动副的自由度一般较低，其接触状况对尺寸、形状及相对位置误差十分敏感，实际接触及受力状况难以准确确定，需要较高的制造精度。保证运动副可靠工作的措施●提高表面硬度●正确选用材料●添加润滑剂●加入中间体,将滑动摩擦改为滚动摩擦★运动副元素以点或线接触的运动副称为高副(Higherpair)。球面高副Spherepair(I)柱面高副Cylinder-planepair(II)凸轮副(IV)齿轮副(IV)结构特点★运动副元素以面接触的运动副称为低副(Lowerpair)。球面低副Sphericalpair(III)移动副Prismaticpair(V)回转副Revolutepair(V)根据组成运动副两个构件的相对运动形式分类★空间运动副螺旋副Helicalpair(V)球销副Sphere-pinpair(IV)A.低副B.高副移动副转动副齿轮副凸轮副★平面运动副按接触部分的几何形状分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：平面运动副低副转动副五级副RP按相对运动形式分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：低副移动副五级副按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：齿轮副（平面运动副）高副四级副运动副的封闭保持运动副元素之间的接触称为运动副的封闭。●几何封闭(Geometricclosure)●力封闭(Forcedclosure)弹簧力封闭几何封闭3.运动链(KinematicalChain)两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统开式运动链闭式运动链运动链的类型：平面运动链空间运动链空间运动链开式运动链闭式运动链简单运动链复杂运动链平面运动链复杂运动链简单运动链特点：每个构件最多与两个构件形成运动副特点：至少有一个构件与两个以上构件形成运动副特点：至少有一个构件只与一个构件形成运动副特点：每个构件均与两个构件形成运动副闭式运动链(闭式链)开式运动链(开式链)开式运动链广泛应用于机械手和机器人中。4.机构(Mechanism)其余构件运动是否确定？满足条件在另一个（或几个）构件上加上已知运动21341432运动链4132固定一个构件机构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。曲柄滑块机构摇块机构导杆机构运动链的生成是创造、获取新机构的重要手段。运动链的设计只关注构件数和联接这些构件的运动副的数量和类型，所以又称为机构的型数综合(Typeandnumbersynthesis)。同一运动链可以生成的不同机构431CAB21423ABC1432ABCAB2134至少1个1个构件的类型原动件(Drivinglink)—机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件(Inputlink)。从动件(Drivenlink,Follower)—其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件(Outputlink)或执行构件(Executivelink)。机架(Fixedlink,Frame)—固定不动的构件。机构机架原动件从动件系统2134DrivinglinkFrameDrivenlinkDrivenlink单缸四冲程内燃机连杆机构齿轮机构凸轮机构§2-2机构运动简图(KinematicalDiagrams)1.定义为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形和具体构造，而只用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。——这样绘制出能够准确表达机构运动特性的最简明图形就称为机构运动简图。只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机构示意图。画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。常用运动副的符号运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副121212121212212121平面运动副两构件之一为固定时的运动副121222112211222112运动副名称平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副1212空间运动副122112平面运动副21构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件两副构件构件的表示方法常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在机架上的电机齿轮齿条传动圆锥齿轮传动带传动链传动圆柱杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构2.如何画机构运动简图⑴分析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定原动件、机架、执行部分和传动部分。(2)沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。(3)选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为机构运动简图的视图平面。(4)选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺l(mmm)，定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。选取比例尺l1)绘制破碎机的机构运动简图3.运动简图绘制举例2)绘制图示机构的运动简图3)绘制牛头刨床主运动机构的运动简图选取比例尺l=m/mm§2-3机构自由度的计算DeterminingDegreeofFreedom(DOF)1(定义）机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构的自由度。2.机构具有确定运动平面四杆机构需要给定一个独立的运动参数，机构具有确定运动。DOF=1平面五杆机构需要给定2个独立的运动参数，机构具有确定运动。DOF=2机构中按照给定的运动规律而独立运动的构件，称为机构的原动件。原动件原动件机构具有确定运动的条件：机构原动件数目等于机构的自由度数。3.平面机构自由度计算公式★构件的自由度=构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目Oxzysxszsyyxz空间运动刚体的自由度一个完全独立的刚体在空间直角坐标系下的自由度为sx，sy，sz，x，y，z，即自由度数f6。平面运动刚体的自由度为sx，sy，z，即自由度为f3。yz(x,y)xO平面运动刚体的自由度sxsy★平面机构独立运动的数目为：所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束（Constraint)数目的和。平面运动链中只有4级副和5级副－－转动副2个约束、移动副2个约束和平面高副1个约束★对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了Pl个低副和Ph个高副，则它们共引入(2Pl+Ph)个约束。机构的自由度F显然应为：F=3n－(2Pl+Ph)=3n－2Pl－PhF=degreeoffreedomormobolity;n=numberoflinks;Pl=numberoflower-pair;Ph=numberoflower-pairn=3,Pl=4,Ph=0DOF=3n－2Pl－Ph=3×3-2×4=1n=4,Pl=5,Ph=0DOF=3n－2Ph－Ph=3×4-2×5=2Example:结论：n=2,Pl=3,Ph=0F=3n－2Pl－Ph=3×2-2×3=0n=3,Pl=5,Ph=0F=3n－2Pl－Ph=3×3-2×5=-11)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动；n=3,Pl=4,Ph=0F=3n－2Pl－Ph=3×3-2×4=1n=4,Pl=5,Ph=0F=3n－2Pl－Ph=3×4-2×5=22)若Ｆ０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的。因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由度数；4)若Ｆ0，而原动件数F，则构件间不能运动或产生破坏。3)若Ｆ0，而原动件数F，则构件间的运动是不确定的；A:Multiplejoints(compoundhinges)复合铰链B:PassiveDOF局部自由度C:RedundantConstraints虚约束4.PointsofAttentiontoCalculatingDOF(计算机构自由度时应注意的事项)A.复合铰链(MultipleJoint)由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。31824567F=3n-2pl-ph=3×7-2×6-0=9???由m个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。31232131231231824567