机械原理机构的结构分析PPT.pptx

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1、机械原理机构的结构分析第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 教学基本要求:(1)搞清运动副、运动链、约束与自由度等重要概念。(2)掌握平面机构自由度得计算方法及其具有确定运动得条件。(3)掌握机构运动简图得概念及其绘制方法。(4)明确机构组成得概念,了解平面机构得组成原理。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 重点:(1)运动副及其分类。(2)平面机构得自由度计算及具有确定运动得条件(3)掌握机构运动简图得概念及其绘制方法。难点:机构运动简图绘制、机构中得虚约束得判定问题。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第一节第一节 机构结构分析得内容及目得机构结构分析得内容及目得机构

2、运动得可能性及其具有确定运动得条件研究机构得组成,绘制机构运动简图 研究机构得组成原理 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第二节第二节 机构得组成机构得组成机构分为两大类:平面机构空间机构 机构就是由构件与运动副两个要素组成得 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 1 1、构件构件 构件就是指作为一个整体参与机构运动得刚性单元体。一个构件,可以就是不能拆开得单一零件,也可以就是由若干个不同零件装配起来得刚性体。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 构件与零件得区别:零件就是从制造加工角度提出得最小单元概念,即零件就是制造加工得最小单元,就是组成机器最基本得、不可再拆分得单

3、元。构件则就是从运动与功能实现得角度提出得最小单元概念,即构件就是最小得独立运动单元,从运动角度讲,构件就是一个刚体。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 2、运动副 两构件间得直接接触而又能产生一定相对运动得活动连接称为运动副。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 两构件上参与接触而构成运动副得部分称为运动副元素。构件之间得接触不外乎点、线、面三种形式,运动副元素也不外乎就是点、线、面。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 对运动副得理解要把握以下三点:()运动副就是一种联接(接触);()运动副由两个构件组成;()组成运动副得两个构件之间有相对运动。可以说:机构就是由运动副

4、逐一联接各个构件组成得。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 一个构件在三维空间自由运动时,有6个自由度:沿三个坐标轴得移动绕三个坐标轴得转动。两构件间得运动副所起得作用就就是限制构件间得某些相对运动,这种相对运动得限制作用称为约束。若运动副得自由度用f表示,约束用s表示,则自由度与约束得关系为:。12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 3 3、运动副得分类运动副得分类1)根据运动副所引入得约束数分类 引入一个约束称为级副,引入两个约束称为级

5、副,依次类推,还有级副、级副,最末为级副。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 2)根据组成运动副得两运动副元素得接触情况分类 运动副元素以点或线接触得运动副称为高副,运动副元素以面接触得运动副称为低副。球面高副柱面高副第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 球面低副移动副转动副第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 3)根据组成运动副得两个构件得相对运动形式分类 两构件之间得相对运动为转动得运动副称为转动副(回转副、铰链),相对运动为移动得运动副称为移动副,相对运动为螺旋运动得运动副称为螺旋副,相对运动为球面运动得运动副为球面副。螺旋

6、副第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 两构件间相对运动得平面平行,则称为平面运动副,否则称为空间运动副。平面运动副,它只有转动副、移动副(统称为低副)与平面高副三种形式。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 平面高副就是两构件以点或线得形式相接触而形成得运动副,这种运动副允许两构件在接触点A绕垂直于平面得Z轴作相对转动与沿切线t-t方向作相对移动,而只约束掉沿着轮廓线接触点A公法线方向得移动自由度。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 运动副必须始终保持接触。若借助于构件得结构形状所产生得几何约束来封闭得运动副称为几何封闭运动副。若借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭得运动

7、副称为力封闭运动副,如凸轮机构。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 4 4、运动链运动链 两个以上构件通过运动副得连接而构成得可相对运动得系统称为运动链。闭式运动链开式运动链 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 5 5、机构机构 如将运动链中得某个构件固定,使之成为机架,而让另一个或几个构件按给定得运动规律相对于固定构件运动,其余构件都随之具有确定得相对运动,则这个运动链即成为机构。机构中按给定运动规律运动得构件称为主动件,随主动件运动得构件称为从动件。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第三节第三节 机构运动简图机构运动简图第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析

8、在研究机构得运动时,只需按规定符号表示运动副、常用机构、及一般构件,并按一定得比例尺表示机构得运动尺寸与运动副得位置,绘制表示机构各构件间相对运动关系得简化图形,将机构得运动传递情况表示出来,这种图形被称为机构运动简图。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 绘制机构运动简图得步骤:1)确定机构得原动件与执行件,两者之间为传动部份,确定出组成机构得所有构件,确定出构件间运动副得类型。2)恰当地选择投影面,将机构运动简图表示清楚。3)选择适当得比例尺(实际尺寸/图示尺寸),定出各运动副之间得相对位置,用规

9、定得符号画出各类运动副,并将同一构件上得运动副符号用简单线条连接起来,这样便可绘制出机构得运动简图。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例1:图示为一颚式破碎机,当曲柄1绕轴心O连续回转时,动颚板5绕轴心F往复摆动,从而将矿石轧碎,试绘制此破碎机得机构运动简图。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 4321FO6CBDEA5第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例2:绘制图示牛头刨床机构得运动简图。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例3:绘制图示活塞泵得机构运动简图。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第四节第四

10、节 机构具有确定运动得条件机构具有确定运动得条件ABCDAEBCD第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 机构得自由度:机构具有确定运动时所必须给定得独立运动参数得数目,用F表示。为了使机构具有确定得运动,则机构得原动件数目应等于机构得自由度得数目,这就就是机构具有确定运动得条件。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 讨论:1231)若机构自由度F0,则机构不能运动(桁架)。2)若0且与原动件数相等,则机构各构件间得相对运动就是确定得;这就就是机构具有确定运动得条件。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 3)若0,而原动件数0,而原动件数F,则构件间不能运动或产生破坏。机构具有

11、确定运动得条件机构具有确定运动得条件:机构得自由度数目应等于机构得自由度数目应等于机构得原动件数目机构得原动件数目,且自由度大于且自由度大于0 0。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第五节第五节 机构自由度得计算机构自由度得计算(x,y)F=3F=3yx 在平面机构中,各构件只作平面运动。一个作平面运动得自由构件(刚体),具有三个自由度:沿X轴及Y轴得移动与绕与运动平面垂直得轴线转动。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 Syx12xy1212yxR=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 平面机构共有n个活动构件,3n个自由度。若各构

12、件之间共构成PL个低副与PH个高副,则共引入了(2PL+PH)个约束。机构得自由度F:第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例4:例1中颚式破碎机得自由度。4321FO6CBDEA5第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例5:例2牛头刨床得自由度。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例6:求只有一个原动件得五杆机构得自由度。AEBCD第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例7:例3中活塞泵机构得自由度。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第六节第六节 计算平面机构自由度时应注意得事项计算平面机构自由度时应注意得事项第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例

13、8:计算圆盘锯机构得自由度。？第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 1 1、复合铰链复合铰链 两个以上构件在同一处以转动副得形式相连接,所组成得转动副称为复合铰链。若有m个构件在一处构成复合铰链,则其所构成得转动副数应为m-1个。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 在上例得圆盘锯机构中,在A、B、C、D处都就是3个构件组成得复合铰链,故在这四处各具有两个转动副。7个活动构件,10个转动副,根据公式,该机构得自由度为:第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例9:计算图示凸轮机构得自由度。左图凸轮机构,活动构件数为3,3个低副,1个高副,自由度为:？右图凸轮机构,滚子与推杆连成

14、一体成为一个构件,这时,活动构件数为2,2个低副,1个高副,自由度为:第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 2 2、局部自由度局部自由度不影响整个机构运动得自由度,称为局部自由度。在计算机构自由度时,局部自由度应当舍弃不计。即有公式:上例左图中得凸轮机构,由1个局部自由度,此时机构得自由度应为:为局部自由度数目。为了防止计算差错为了防止计算差错,在计算自由度时在计算自由度时,也可以设想将也可以设想将产生局部运动得构件与其连接得构件视为焊接在一起产生局部运动得构件与其连接得构件视为焊接在一起,以达到消除局部自由度得目得。以达到消除局部自由度得目得。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析

15、 3 3、虚约束虚约束 在机构中,有些约束所起得限制作用可能就是重复得,这种不起独立限制作用得约束称为虚约束。MN与AB、CD平行且相等？第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 在计算机构自由度时,因从机构得约束数中减去虚约束数,若设虚约束数目为,则这时机构得自由度为:上例得自由度为:也可以将产生虚约束得构件与运动副构件与运动副去掉,然后再按以前公式计算:第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 机构中得虚约束常发生在以下几种情况机构中得虚约束常发生在以下几种情况:1 1)移动副导路平行移动副导路平行 当两构件组成多个移动副,且其导路相互平行或重合时,则只有一个移动副起约束作用,其余都为

16、虚约束。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 2CAB134第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 2)2)转动副轴线重合转动副轴线重合 当两构件构成多个转动副,且轴线相互重合时,则只有一个转动副起作用,其余转动副都就是虚约束。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 3)3)轨迹重合轨迹重合 如果机构中两活动构件上某两点得距离始终保持不变,此时若用具有两个转动副得附加构件来连接这两个点,则将会引入一个虚约束。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 椭圆仪机构,AB=BC=BD,AD与AC垂直,构件2上得C点与构件3上得C点皆沿X轴运动,轨迹重合,此处得转动副与移动副为虚约束。

17、第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 4 4)机构中对运动起重复限制作用得对称部分机构中对运动起重复限制作用得对称部分也往往会引入虚约束 也可以去掉产生虚约束得构件与运动副,再进行自由度计算:第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 5)如果两构件在多处接触而构成平面高副平面高副,且在接触点处得公法线彼此重合公法线彼此重合,则只能算一个平面高副。如果两构件在多处相接触所构成得平面高副,在各接触点处得公法线方向彼此不重合,就构成复合高副,它相当于一个低副(转动副或移动副)。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 机构中得虚约束都就是在一定特定得几何条件下出现得,如果这些几何条件不满足

18、,则虚约束就会变成实际有效得约束。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例10:计算大筛机构得自由度。M H第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例11(P17例2-8):计算包装机送纸机构得自由度,并判断该机构就是否具有确定得运动。例12 试审查图示简易冲床得设计方案简图就是否合理？为什么？如不合理,请绘出正确得机构简图。可将机构简图修改为:F=3n 2Pl Ph=33-24-1=0F=3n 2Pl Ph=34-25-1=1第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例例1313 计算图示机构得自由度,已知:DE=FG=HI,且相互平行;DF=EG,且相互平行;DH=EI,且相互

19、平行。如有复合铰链、局部自由度与虚约束,需明确指出。画箭头得构件为原动件。解解:分析分析局部自由度局部自由度局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链 n=8F=3n-2Pl-Ph =3 8-2 111 =1Pl=11Ph=1第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例14:计算图所示机构得自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出)。F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 8111 1例例1515:如图所示,已

20、知HG=IJ,且相互平行;GL=JK,且相互平行。计算此机构得自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出)。l 去掉机架机架与原动件原动件,余下得就是从动从动件系统件系统,它得 F=0。n最简单得、不可再分得、自由度为零得构构件组件组称为基本杆组基本杆组。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 第七节第七节 平面机构得组成原理、结构分类及结构分析平面机构得组成原理、结构分类及结构分析1 1、平面机构得组成原理平面机构得组成原理机架机架原动件原动件从动件组从动件组第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 从动件组从动件组当把该机构得机架与原动件拆去后当把该机构得机架与原动件拆去后,则

21、余下得从动件组为则余下得从动件组为:这个从动件组得自由度为零这个从动件组得自由度为零,即即:这个从动件组还可以分解成若干个更简单得、自由度这个从动件组还可以分解成若干个更简单得、自由度等于零得从动件组。等于零得从动件组。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 分分解解？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 这样得从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零得这样得从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零得从动件组。从动件组。通常把这样得从动件组称为通常把这样得从动件组称为:基本杆组基本杆组 基本杆组得概念

22、非常重要基本杆组得概念非常重要,它就是机构它就是机构分析得重要得理论基础。分析得重要得理论基础。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 l 任何机构都包含有机架、原动件与从动件系统。所以机构可以瞧成由若干个基本杆组依次连接于原原动件动件与机架机架上所组成得系统,这就就是机构得组成机构得组成原理原理。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 根据上述原理,当对现有机构进行运动分析或动力分析时,可将机构分解为机架与原动件以及若干个基本杆组,然后对相同得基本杆组以相同得方法进行分析。当设计一个新机构得机构运动简图时,可先选定一个机架,并将数目等于机构自由度数得F个原动件用运动副连于机架上,然后

23、再将一个个基本杆组依次连于机架与原动件上,从而就构成一个新机构。E4F523BCD61A1A623BCDE4F5如果基本杆组得运动副全为低副如果基本杆组得运动副全为低副,则基本杆组自由度得则基本杆组自由度得计算公式为计算公式为:由于活动构件数由于活动构件数n n与低副数与低副数P PL L都必须就是整数都必须就是整数,所以所以 n n应就是应就是 得倍数得倍数,P PL L应就是应就是 得倍数。得倍数。这也就就是说这也就就是说,在一个基本杆组中在一个基本杆组中,其构件数与低副数有其构件数与低副数有以下关系以下关系:n=2,PL=3 或或n=4,PL=6 或或n=6,PL=92 2、平面机构得结

24、构分类平面机构得结构分类第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 最简单得平面基本杆组就是由两个构件三个低副组成得杆最简单得平面基本杆组就是由两个构件三个低副组成得杆组组,称之为称之为级杆组。级杆组。级杆组是机构中最常见的一类基本杆组级杆组是机构中最常见的一类基本杆组级杆组有以下五种形式：级杆组有以下五种形式：（）（）RRRRRR杆组杆组()RRPRRP杆组杆组第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析()RPRRPR杆组杆组()PRPPRP杆组杆组()RPPRPP杆组杆组第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 除除级杆组外级杆组外,还有还有、级等较高级得基本杆组。级等较高级得基本杆组。

25、由4个构件与6个低副组成得,其中具有三个内运动副组成得闭廓得杆组称为级杆组。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 具有由四个内运动副组成得闭廓得杆组称为级杆组。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 l (在同一机构中可以同时包含不同级别得基本杆组),把机构中包含得基本杆组得最最高级数高级数称为该机构得级数机构得级数。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 平面机构得结构分析得步骤平面机构得结构分析得步骤:l1)1)计算机构得自由度并确定原动件。计算机构得自由度并确定原动件。l (先去除局部自由度与虚约束)l2)2)拆杆组。拆杆组。l 从远离原动件处开始级(不行)级直到只剩级(每

26、拆出一个杆组后,剩下得仍能组成机构,且 F不变)l 3 3)确定机构得级别。确定机构得级别。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 3 3、平面机构得结构分析平面机构得结构分析级机构例16:确定如图八杆机构得级别。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例17:计算图示机构自由度,并确定机构得级别。lF3n(2PLPH)l n级机构、第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例18:如图所示颚式破碎机,确定该机构得级别。1 1、计算机构得自由度、计算机构得自由度F=3 5 2 7=12 2、拆杆组、拆杆组4 4杆杆6 6副副,但非三级杆组但非三级杆组,可再拆可再拆IIII级杆组级杆组

27、3 3、确定机构得级别、确定机构得级别:级机构级机构 注意注意:同一机构同一机构,原动件不同拆出得杆组不同原动件不同拆出得杆组不同,机构得级别也不机构得级别也不同。同。+III级杆组级杆组III级机构级机构 第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 例19:确定图示机构得级别。l()计算自由度(构件1为原动件)lF=372100=1l(2)拆杆组:n(3)确定级别:级机构。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 l将原动件改为构件第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 级机构级机构 l高副低代得条件就是:l 1)代替前后机构得自由度完全相同。l2)代替前后机构得运动状况(位移,速度,

28、加速度)相同。4 4、平面机构中得高副低代平面机构中得高副低代第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 为了使平面低副机构得结构分析与运动分析方法能适用于含有高副得平面机构,可根据一定得约束条件将平面机构中得高副虚拟地用低副代替,即为高副低代。高副两元素均为圆弧高副两元素均为圆弧AK2K1Br2r1 1 212分析分析:高副高副:提供提供1个约束个约束低副低副:提供提供2个约束个约束不能直接用低副来代替不能直接用低副来代替,如何进行高副低代？如何进行高副低代？AK2K1B 1 212第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 结结论论:用用一一个个含含有有两两个个低低副副得得虚虚拟拟构构件件

29、来来代代替替高高副副,且且两两低低副副位位置置分分别别在在两两高高副副两两元元素素接接触触点点处处得得曲曲率率中中心心。(一杆两副一杆两副)K2K1r2r112K2K1F=-1F=1 3-2 2=-1高副元素为非圆曲线高副元素为非圆曲线O1K2O22112CK1l高副低代关键关键:l 找出构成高副得两轮廓曲线相接触点处得曲率中心。然后用一个构件与位于两个曲率中心得两个转动副来代替该高副。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 若两轮廓之一为直线,则转动副演化为移动副。2O1第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析 若两轮廓之一为一点,点得曲率半径为零。B21AC321ACB3第二章第二章

30、 机构得结构分析机构得结构分析(1 1)计算机构得自由度计算机构得自由度,去除虚约束、局部自由度去除虚约束、局部自由度,并高副低并高副低代。代。ABCDO EFGHABCDEFGO Hl例例2020:确定机构得级别。确定机构得级别。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析(3 3)确定机构得级别确定机构得级别,以机构杆组得最高级别命名机以机构杆组得最高级别命名机构得级别。构得级别。FABCDEGO HFGO ABCDHE注意注意:远离主动件得杆组先坼。远离主动件得杆组先坼。(2 2)先试拆先试拆级组级组,若拆不出若拆不出级组级组,再试拆再试拆级组。级组。第二章第二章 机构得结构分析机构得结构分析