平面机构结构分析1(1).ppt

第二章 平面机构的组成及结构分析,主要研究内容： 平面机构的组成及运动确定的条件,学时分配： 67 学时,2.1 机构结构分析的内容及目的 2.2 机构的组成 2.3 机构运动简图 2.4 机构具有确定运动的条件 2.5 平面机构自由度的计算 2.6 自由度计算中的特殊问题 2.7 机构的组成原理及其结构分类,本章模型：复合可拆铰链、连杆、偏心泵、破碎机、四杆五杆机构、滚子凸轮、移动副、虚约束平行四边形,第二章 平面机构的组成及结构分析,1. 研究机构的组成及其具有确定运动的条件 目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？这对于设计新的机构显得尤其重要。,2. 按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。,3. 绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。,2.1机构结构分析的内容及目的,2.1机构结构分析的内容及目的,名词术语解释: 1.构件 (Link) 独立的运动单元 零件(part)独立的制造单元,2.运动副 (Kinematic pair),a)至少两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动,运动副元素组成运动副的两构件直接接触的部分例如：滚动轴承、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,内燃机中的连杆,定义： 运动副 由两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的可动联接。,三个条件，缺一不可,2.2 机构的组成,3、自由度：,构件所具有的独立运动的数目（或是描述构件位置所需要的独立参变量数目）称为构件的自由度。,一个作空间运动的自由构件，可产生6个独立运动，具有6个自由度。,一个作平面运动的自由构件，只能产生3个独立的运动，故具有3个自由度（如图1.1）。,两构件构成运动副后，其某些独立运动受到限制，自由度也随之减少。运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束。从这个意义上说，运动副就是对构件的自由度引入的约束。引入运动副后，限制了构件的某些独立运动，引入多个约束，则完全取决于运动副的类型。,一个作平面运动的构件具有3个自由度，两个在同一平面内作平面运动的自由构件具有6个自由度。,运动副的分类： 1)按引入的约束数分有： I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。,2)按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair),平面机构全部由平面运动副组成的机构。,IV级副,V级副1,V级副2,V级副3,空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair ),例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,3)按运动副元素分有： 高副点、线接触，应力高 (high pair),低副面接触，应力低 (lower pair),例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,例如：转动副（回转副）、移动副 。,常见运动副符号的表示: 国标GB446084（2010.6.30）,详见教材 P11 页。,常用运动副的符号,运动副 名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,构件的表示方法:,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,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。,闭式链(Close chain)、开式链(Open chain),3. 运动链 (Kinematic chain),运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。,工业 机器人,4. 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。,机构的组成： 机构机架原动件从动件,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。,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。,机构运动简图用以说明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.作为运动分析和动力分析的依据。,机构示意图不按比例绘制的简图 P13表22摘录了部分GB446084机构示意图。,在研究机构时，主要研究的是机构的运动学和动力学问题，那么我们忽略与运动无关的因素（如连杆机构中，构件的形状、材料） ，保留与运动有关的因素，（运动副的类型、运动副之间的距离）所得的图形为机构运动简图。,2.3 机构运动简图,常用机构运动简图符号,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,步骤： 1.分析机构的工作原理，找出原动件和机架,5.检验机构是否满足运动确定的条件。,3.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制 示意图。,4.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸 m / 图上长度mm,2、进行构件和运动副分析：,构件分析：1）数清构件数目； 2）对构件编号。,运动副分析：每两个构件构成什么运动副,1 2 3 4,例：内燃机 活塞为原动件，汽缸为机架。,内燃机机构运动简图,11,10,3,4,1,18,7,8,11,举例：绘制破碎机的机构运动简图。,题2-9 绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵 动画,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2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4 ，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数 。,S3,1,2,3,曲柄滑块,24 机构具有确定运动的条件,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。 Freedom,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：,自由度原动件数0,当自由度原动件数时,运动不确定；当自由度原动件数时，机构将在薄弱部位被破坏。,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。,y,x,25 平面机构自由度的计算,运动副 自由度数 约束数 回转副 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约束数,移动副 1（x） + 2（y，）=3,高 副 2（x,） + 1（y） =3,活动构件数 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph (低副数) (高副数),计算公式： F=3n(2PL +Ph ),要求：记住上述公式，并能熟练应用。,举例：,机构自由度的计算：,计算曲柄滑块机构的自由度。,1,2,3,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副数PH=,0,4,计算五杆铰链机构的自由度。,1,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH =34 24 =2,高副数PH=,0,5,2,3,4,计算图示凸轮机构的自由度。,1,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副数PH=,1,2,3,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！,PowerPoint 演示文稿,26 自由度计算中的特殊问题,1.复合铰链 multiple pin joints 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。,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,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 动画,计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。,解：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=1,2.局部自由度 Partial freedom,F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1,本例中局部自由度 FP=1,或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1,定义：构件局部运动所产生的自由度。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH =34 26 =0,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,PH=0,3.虚约束 formal constraint 对机构的运动实际不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。, FEAB CD ，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。 增加的约束不起作用，应去掉构件4。,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：,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。,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 !,计算图示包装机送纸机构的自由度。,n=,6，,PL=,7，,F=3n 2PL PH =36 27 3 =1,局部自由度,2个,虚约束,1处, 构件8,复合铰链:,位置D ，2个低副,PH=,3,分析：,一、机构的组成原理 1.基本机构 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。,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)。,27 机构的组成原理及其结构分类,2.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。,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。,二、结构分类 设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副机构中Ph0 ), 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,n=4 （PL6）的杆组有以下四种类型:,以上三种形式称为级组。结构特点：其中一个构件有三个运动副。,典型级组：,内端副杆组内部相联。 外端副与组外构件相联。,机构按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,必须强调指出： 1.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：,2.机构的级别与原动件的选择有关。,本章重点： 机构运动简图的测绘方法。 自由度的计算。 机构的组成原理。,1 构件通过_的联接而构成的_的系统称为运动链,若将其中某一构件_，则这种运动链便成为机构。,5、平面运动副的最大约束为_，最小约束为_；引入一个约束的平面运动副是_副；引入两个约束的平面运动副是_副或_副。,4、 构成机构的要素是_和_；构件是机构中的_单元体。,3、 两构件通过_构成的运动副称为低副，它引入_个约束；两构件通过_构成的运动副称为高副，它引入_约束。,2、 两构件构成运动副时，应至少要引入_约束，也至少要保留_个自由度。,6、 机构具有确定运动的条件是机构的_等于_。,12、最简单的低副机构，由_个构件和_低副构成，这是因为要使各构件间有相对运动，机构的自由度就必须大于等于_。,11、 组成平面机构的基本杆组应满足的条件为_，如在基本杆组中的运动副全部为低副，则应满足的条件为_。,10、 不能再拆的最简单的_构件组称为基本杆组。,9、 _的转动副称为复合铰链。,8、 计算机构自由度F时，若F 原动件数，则说明_；若，且F=原动件数，则说明_；若，且F原动件数，则说明_。,7、 平面机构自由度计算时应注意_，_，和 _三方面的问题。,1、 计算机构自由度时应注意哪些事项？ 2、引入“基本杆组”概念后，简述平面机构是如何组成的？,计算下列各图的自由度。如有复合铰链、局部自由度、虚约束请明确