机械原理-机构的组成原理与结构分析

2.1基本概念2.2机构运动简图2.3平面机构的自由度本章目录下一页上一页退出总目录2.4平面机构的组成原理与结构分析2.5空间机构的自由度下一页上一页退出分目录本章重点:机构自由度的计算机构具有确定运动的条件机构的结构分析本章难点:机构运动简图的绘制下一页上一页退出分目录§2.1基本概念2.1.1构件构件与零件的区别运动单元体加工制造单元体机器中独立的运动单元体从运动观点看：机构由构件组成从制造观点看：机构由零件组成构件可以由一个零件组成，也可以由几个零件组成内燃机下一页上一页退出分目录2.1.2运动副两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接称为运动副每一个运动副都是由两个构件组成两构件要直接接触两构件能作相对运动特征下一页上一页退出分目录运动副元素xyo参与接触而构成运动副的部分运动副的特点：既限制了两构件的某些相对运动，又允许一定的相对运动点、线、面下一页上一页退出分目录运动副的分类转动副移动副平面运动副空间运动副低副：面接触平面高副：点、线接触——球副、球销副、圆柱副、螺旋副下一页上一页退出分目录转动副一个独立的相对运动应用：铰链四杆机构画法：平面运动副下一页上一页退出分目录移动副一个独立的相对运动画法：应用：曲柄滑块机构平面运动副下一页上一页退出分目录平面高副二个独立的相对运动凸轮副齿轮副平面运动副画法：下一页上一页退出分目录空间运动副三个独立的相对转动球副球销副二个独立的相对转动下一页上一页退出分目录圆柱副二个独立的相对运动螺旋副一个独立的相对运动空间运动副下一页上一页退出分目录2.1.3运动链若干构件通过运动副连接而成的系统称为运动链。下一页上一页退出分目录闭链运动链中每个构件至少包括两个运动副元素，构成首末封闭的系统。用于各种机械。开链运动链中有的构件只包含一个运动副元素，构成首末封闭的系统。用于机械手，挖掘机等多自由度机械。运动链的分类下一页上一页退出分目录运动链开链闭链闭链下一页上一页退出分目录机架主动件从动件从动件运动链怎样成为机构？下一页上一页退出分目录运动链成为机构的条件具有一个机架具有一个或少数几个作独立运动的构件——主动件从动件的运动规律应完全确定下一页上一页退出分目录§2.2平面机构的运动简图用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，这种表明机构各构件间的相对运动关系的简化图形称为机构运动简图。下一页上一页退出分目录常用构件的表示方法轴、杆类构件:机架:构件间的永久联接:下一页上一页退出分目录常用构件的表示方法•具有两个运动副元素的构件——双副构件下一页上一页退出分目录•具有三个运动副元素的构件——三副构件下一页上一页退出分目录齿轮传动的表示法下一页上一页退出分目录凸轮机构中的凸轮和滚子的表示法下一页上一页退出分目录机构运动简图的画法分析机构的动作原理、组成情况及运动情况，找出其主动件、机架、从动件；按照运动传递的路线，判断运动副的形式；选择投影面（多数构件的运动平面）；选择适当的比例尺绘制机构运动简图。下一页上一页退出分目录抽水唧筒下一页上一页退出分目录码头吊车下一页上一页退出分目录牛头刨床下一页上一页退出分目录例2－1绘制液压泵的机构运动简图1ABC234ABC1234下一页上一页退出分目录§2.3平面机构的自由度2.3.1构件的自由度AB确定平面构件的位置需要三个独立参数x,y,自由度：确定构件位置所需的独立参数的数目或构件所具有的独立运动的数目。一个做平面运动的自由构件自由度=3xyyxO约束：对独立运动所加的限制。下一页上一页退出分目录2.3.2运动副的约束特点高副yxyx1212约束特点约束数目x,y方向移动y方向移动2绕z轴的转动y方向移动1yx转动副12移动副yx122下一页上一页退出分目录2.3.3机构的自由度机构所具有的独立运动的数目hlppnF23公式：n—活动构件数（总构件数N-1）pl—低副数；ph—高副数下一页上一页退出分目录例：计算下列机构或运动链的自由度n=2pl=3ph=0F=3n-2pl-ph=0n=4pl=6ph=0F=3n-2pl-ph=0F=0桁架——构件间无相对运动下一页上一页退出分目录n=2pl=2F=3n-2pl-ph=1ph=1n=3pl=4ph=0F=3n-2pl-ph=1主动件数=自由度——机构有确定运动主动件数自由度——机构被破坏下一页上一页退出分目录F=3n-2pl-ph=2n=4pl=5ph=0主动件数自由度——机构无规则运动主动件数=1主动件数=2主动件数=自由度——机构有确定运动下一页上一页退出分目录2.3.4机构具有确定运动的条件主动件数自由度主动件数自由度主动件数=自由度机构的主动件数＝机构的自由度数机构具有确定运动的条件就是F≤0桁架——构件间无相对运动F0——机构被破坏——机构无规则运动——机构有确定运动下一页上一页退出分目录?n=5pl=6ph=0F=3n-2pl-ph=3ABCDE下一页上一页退出分目录2.3.5计算机构自由度时应注意的问题1.复合铰链123123复合铰链数=构件数-1两个以上构件同时在一处以转动副相联接就构成了复合铰链下一页上一页退出分目录n=5pl=7ph=0F=3n-2pl-ph=1ABCDEn=5pl=6ph=0F=3n-2pl-ph=3下一页上一页退出分目录2.局部自由度n=3pl=3ph=1F=3n-2pl-ph=2?个别构件所具有的，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度下一页上一页退出分目录去掉局部自由度n=2pl=2ph=1F=3n-2pl-ph=11.设想将滚子与推杆固结在一起，视为一个构件2.直接在公式中去除局部自由度F=3n-2pl–ph-1=3×3-2×3-1-1=1下一页上一页退出分目录3.虚约束n=4pl=6ph=0F=3n-2pl-ph=0?不起独立限制作用的重复约束称为虚约束ABCDEFABEFCD下一页上一页退出分目录去掉虚约束n=3pl=4ph=0F=3n-2pl-ph=1——轨迹重合下一页上一页退出分目录不同构件上两点距离恒定12345ADBCEF下一页上一页退出分目录两构件组成多个转动副，且轴线重合下一页上一页退出分目录两构件组成多个移动副，且导路平行下一页上一页退出分目录两构件组成多个高副，且接触点之间距离为常数下一页上一页退出分目录对运动不起作用的对称部分F=3n–2pl–ph=3×3–2×3–2=1下一页上一页退出分目录公共约束F=(3-1)n-(2-1)pl由于运动副的特殊组合和特殊布置，使得机构中所有构件同时受到某些约束而共同丧失了一些独立运动的可能性，一般就把这类约束称为公共约束。下一页上一页退出分目录例题：计算机构的自由度=3×7-2×9-1=2F=3n-2pl-phABCDEE’FOG下一页上一页退出分目录课外题ABCD(a)ABCDEFABCD(b)(d)(c)ABCD下一页上一页退出分目录课外题ABCD(a)ABCDEF(b)n=4pl=5ph=1F=3n-2pl-ph=1注：A处有复合铰链n=4pl=5ph=1F=3n-2pl-ph=1注：B处有局部自由度,F处有虚约束下一页上一页退出分目录ABCD(d)n=5pl=7ph=0F=3n-2pl-ph=1注：B处有复合铰链(c)ABCDn=6pl=7ph=3F=3n-2pl-ph=1注：B,C,D处有复合铰链下一页上一页退出分目录§2.4平面机构的组成原理和结构分析2.4.1机构的组成原理机构=机架+主动件+从动件组F机构=主动件数F从动件组=0F机构=F机架+F主动件+F从动件组=0下一页上一页退出分目录F=3×5－2×7=1F=1F=3×4－2×6=0机构的组成原理+下一页上一页退出分目录F=3×5－2×7=1F=1F=3×2－2×3=0++基本杆组基本杆组下一页上一页退出分目录机构的基本杆组最后不能再拆的、最简单的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于主动件和机架上而构成的。机构的组成原理下一页上一页退出分目录机架+主动件基本杆组+机构机构的组成原理下一页上一页退出分目录机构基本杆组+新机构机构的创新设计下一页上一页退出分目录全部由低副组成的基本杆组满足的条件：npl246…369…关系：Ⅱ级杆组：n=2,pl=3（二杆三副）2.4.2机构的结构分析F＝3n-2pl=0即pl=3n/2Ⅲ(Ⅳ)级杆组：n=4,pl=6——拆杆组下一页上一页退出分目录Ⅱ级杆组的形式PRPRPPRRRRRPRPRR-revolutepairP-prismaticpair（五种）n=2,pl=3下一页上一页退出分目录Ⅲ级杆组的形式:n=4,pl=6①中间是1个三副构件，外部是3个双副构件；3+3=61+3=4②有3个内副，3个外副。特点:1+3=43+3=6下一页上一页退出分目录Ⅳ级杆组的形式：特点：有4个内副n=4,pl=6下一页上一页退出分目录机构的级别机构中杆组的最高级别即为机构的级别Ⅱ级机构：全部是Ⅱ级杆组Ⅲ级机构：最高杆组是Ⅲ级杆组下一页上一页退出分目录1.除去机构中的虚约束和局部自由度，算出机构自由度并指出主动件；2.拆去主动件和机架；3.从与主动件相连接的运动副开始，向与机架相连接的运动副方向搜索，找出外运动副已知的Ⅱ级或Ⅲ级杆组；4.从与已拆下的前一级杆组相连接的运动副开始，重复上步过程，直至拆出全部基本杆组；5.根据所拆分出的基本杆组的最高级别，确定该机构的级别。拆杆组的步骤下一页上一页退出分目录Ⅱ级机构例题：分析牛头刨床的结构并确定该机构的级别RPRRRP下一页上一页退出分目录运动链中，选不同的构件做机架和主动件，可得到完全不同的机构。123456机架变换和主动件的选择下一页上一页退出分目录选6为机架，1为主动件Ⅲ级机构234561拆123456下一页上一页退出分目录选6为机架，4为主动件Ⅱ级机构拆124635123456下一页上一页退出分目录选2为机架，1为主动件123456345612Ⅳ级机构拆下一页上一页退出分目录ABCDEFGHIJKLMN12345678910例题：拆分杆组，确定机构的级别。A1I10HFG9E8HCEK2347JBDⅢ级机构MN56LABCDEFGHIJKLMN12345678910下一页上一页退出分目录2.4.3平面低副的同性异形演化2.4.3.1移动副的同性异形演化(1)组成移动副两元素的包容面与被包容面可互换12341234下一页上一页退出分目录(2)组成移动副的方位线可平移ABCDABDE下一页上一页退出分目录组成移动副的方位线可平移下一页上一页退出分目录2.4.3.1转动副的同性异形演化AA213231BB下一页上一页退出分目录2.4.3.1转动副的同性异形演化下一页上一页退出分目录2.4.4平面机构中的高副低代1.高副低代：将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。2.应满足的条件：3.替代关键高副用一个含有两个低副的构件代替。过接触点找曲率中心。自由度完全相同。瞬时速度和加速度完全相同。代替机构和原机构下一页上一页退出分目录若两接触轮廓均为曲线高副低代的方法:用两个转动副和一个构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。下一页上一页退出分目录若两接触轮廓之一为一点下一页上一页退出分目录若两接触轮廓之一为直线下一页上一页退出分目录作业P27:2-2（g图除外）2-3（d图除外）2-4注意:2-2（d图的三个圆是齿轮）下一页上一页退出分目录习题123456789ACO1B•O1—齿轮、曲柄的转轴,•齿轮、曲柄为一个构件•A——1、2的转动中心•6——齿轮与凸轮一体•5——局部自由度滚子下一页上一页退出分目录下一页上一页退出分目录2453679•1-9转动副•1-2转动副•1-6高副•2-3转动副•3-4转动副•3-9移动副•5-6高副•6-9转动副•4-7移动副•7-8转动副•8-9移动副•4-5转动副活动构件n