绪论和第1章机构的结构分析重点(zl).ppt

机器是一种人为的构件组合体，其各构件之间具有完全确定的相对运动，而且可以用来代替人类的劳动以完成有益的机械功或转换机械能。,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换。,绪 论,机构是具有确定相对运动的构件组合体。,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,用来传递力或实现运动的转换。,机器与机构的区别：机器能最终代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换，而机构则不能，机构只能用来传递力或实现运动的转换。,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。,机器与机构的关系：,所以零件是机器最基本的组成单元。,而机构又是由若干个构件组合成的，构件可以是单一的整体，也可以是由更小不可再分的零件组成。,构件与零件的区别：构件是运动的单元，而零件是制造的单元。,1.1 概述,1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件目的是,2.按结构特点对机构进行分类,机构结构分析的内容及目的,第1章 平面机构的结构分析,3.绘制机构运动简图,4.研究机构的组成原理,1.2 机构的组成,1.2.1 运动副及其分类,自由度：构件所具有的独立运动,作平面运动的自由构件有3个自由度,a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动,运动副元素直接接触的部分（点、线、面） 例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。,三个条件，缺一不可,作者：潘存云教授,构件组成运动副后，其独立运动受到约束，自由度随之减少。,1.2.1 运动副的分类,高副两构件通过点或线接触组成的运动副， 应力高。,低副两构件通过面接触组成的运动副， 应力低。,例如：滚动副（实例）、凸轮副、齿轮副等。,例如：转动副（回转副）、移动副 。,1）按运动副元素分有：,3）按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动,平面机构全部由平面运动副组成的机构。,例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间运动副空间运动,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,常见运动副符号的表示: 国标GB/T44601984,详见教材 P910页。,转动副,移动副,高副,运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。,闭式链,开式链,机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论： 在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。,机构两个以上的构件通过运动副的联接而具有确定相对运动的系统。,1.2.2 运动链,1.2.3 机构,定义：具有确定运动的运动链称为机构 。,机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、 飞机机身。,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。,四杆机构,五杆机构,从动件其余可动构件。,实际机构,机构的组成： 机构机架原动件从动件,1.3 平面机构运动简图,机构的运动往往与构件的实际外形、截面尺寸和运动副的具体结构无关，而只与运动副的类型和位置以及构件的长度有关。,用一些简单的线条和符合来表示构件和运动副。,1. 构件的表示方法:,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质和位置。,机构运动简图用一些简单的线条和符合来代表机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。,作用： 1）表示机构的结构和运动情况。,2）为设计和分析机构提供方便。,机动示意图不按比例绘制的简图 现摘录了部分GB/T44601984机构示意图如下表。,2. 平面机构运动简图的绘制,机构运动简图应满足的条件： 1）构件数目与实际相同,2）运动副的性质、数目与实际相符,3）运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。,绘制机构运动简图,顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍，,步骤： 1）运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；,4）检验机构是否满足运动确定的条件。,2）测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。,3）按比例绘制运动简图。 长度比例尺l ：,思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。,举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。,数数构件是多少， 再看它们怎相联。,鳄式破碎机,绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵,绘制图示压力机的运动简图,压力机,1.4.1 机构具有确定运动的条件,给定S3S3(t)，一个独立参数 11（t）唯一确定，该机 构仅需要一个独立参数。,若仅给定11（t）,则杆2、杆3、杆4 均不能唯一确定。若同时给定1和4 ，则杆2和杆3能唯一确定，该机构需要两个独立参数 。,1.4 平面机构的自由度,曲柄滑块机构,五杆 机构,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。,原动件能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为：,机构的自由度原动件数,作平面运动的刚体在平面内的位置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。,(x , y),1.4.2 平面机构自由度的计算,运动副 自由度数 运动副的约束数 转动副 1（） + 2（x，y） = 3,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,结论：构件自由度3运动副的约束数,移动副 1（x） + 2（y，）= 3,高 副 2（x,） + 1（y） = 3,经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：,自由构件的自由度数运动副的约束数,活动构件数 n,计算公式： F=3n2PL PH,要求：记住上述公式，并能熟练应用。,构件总自由度,低副约束数,高副约束数,3n,2 PL,1 PH,例题1 计算曲柄滑块机构的自由度。,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副数PH=,0,推广到一般：,例题2 计算五杆铰链机构的自由度,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH =34 25 =2,高副数PH=,0,例题3 计算图示凸轮机构的自由度。,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副数PH=,1,例题4 计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对！构件数不会错，肯定是低副数目搞错了！,1.4.3 自由度计算中的特殊问题,1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以 转动副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,两个低副,在B、C、D、E四 处应各有 2 个运动副。,例题4 重新计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,圆盘锯机构,例5 计算图示两种凸轮机构的自由度。,解：图示的机构，有： n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,对于右边的机构，有： F=32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1 问题出在哪里呢？特别注意到左边机构中滚子2的转动对整个机构的运动没有影响！把滚子的这种运动自由度成为局部自由度。,2.局部自由度,本例中有局部自由度，故可将滚子2与杆3看成焊接在一起。,则：F=32 22 1 =1,定义：不影响整个机构运动的自由度。,在计算机构自由度时，若存在局部自由度则应先去掉局部自由度，再进行机构自由度的计算。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH =34 26 =0,PH=0,3.虚约束, FEAB CD ， 故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。 增加的约束不起限制作用。,运动仿真,计算机构自由度时先应去掉虚约束再计算。,定义：对机构的运动不起限制作用的重复约束。,重新计算：n=3, PL=4, PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,虚约束,出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合。,2.两构件构成多个移动副，且导路平行。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。(需要证明),4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。,3.两构件构成多个转动副，且同轴。,5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,模型验证,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意： 法线不重合时，变成实际约束！,虚约束的作用： 改善构件的受力情况，如多个行星轮。,增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。,使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。,注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 !,例7 计算图示包装机送纸机构的自由度。,分析：,活动构件数n=,9,复合铰链:,局部自由度,2个,虚约束:,1处,去掉局部自由度和虚约束后：,n =,6,PL =,7,F=3n 2PL PH =36 27 3 =1,PH =,3,1.5 机构的组成原理和机构分类,1.5.1 机构的组成原理,a)原动件作移动 (如直线电机、 流体压力作动筒)。,b)原动件作转动 (如电动机)。,基本机构：由一个原动件和一个机架组成 的双杆机构。,机构机架 原动件 从动件,1.基本杆组,定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。,机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。,现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成了基本机构，其F1。剩下的构件组必有F0。将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。,设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有： F3n2PLPH0, PL 为整数， n只能取偶数。,n 2 4 n4 已无实例了! PL 3 6,n=2 的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型,得 PL3n/2,(低副机构中PH0 ),机构命名方式： 在同一机构中可以包含不同级别的基本杆组。按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的 基础上，依次添加若干个基本杆组所形成的。,机构的组成原理： 机构基本机构基本杆组,结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换 句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上， 构成了该八杆机构。,2.机构的组成原理,由上面八杆机构实例可得出下列,举例 鄂式破碎机,举例 八杆机构,必须强调指出： 杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：,3.平面机构的高副低代,目的：1)表明平面高副和低副的内在联系，使平面低副机构的 运动分析和动力分析的方法能适用于一切平面机构。,条件：1) 代替机构和原机构的自由度不变；,方法：,2)探讨在平面机构中用低副代替高副的方法，简称高副低代。,2) 代替机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度相同。,方法：高副低代的最简单方法是用两个转动副和一个构件代替一个高副，这两个转动副分别处在两轮廓接触点的曲率中心。,一轮廓为一直线,一轮廓为一点,1.5.3 机构的结构分析,步骤：1. 除去虚约束和局部自由度，计算机构自由 度并确定原动件；,2. 将机构中的高副全部低化；,3.从远离原动件的构件开始，首先试折n2的杆组，如不可能，再依次折对于n4和n6的杆组。每折出一个杆组后，剩下的运动链仍然要组成机构，且自由度与原机构相同，不能剩下只属于一个构件的运动副或只有一个运动副的构件存在。,4. 继续按上步骤折杆组，当分出一杆组后，第二次折杆组时，仍须从n2杆组开始试折，直到剩下机