机械原理课件 第二章 机构的结构分析幻灯片.ppt

第二章机构的结构分析,内容提要基本要求基本概念重点难点,第二章机构的结构分析,2-1机构的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机构自由度的计算2-6计算平面机构自由度时应注意的事项2-7机构的组成原理、结构分类和结构分析2-8平面机构中的高副低代,基本要求平面运动副的类型及其提供的约束运动链成为机构的条件平面机构运动简图的绘制方法和步骤平面机构自由度计算及其注意事项,基本概念机构自由度计算机构运动简图机构的组成和杆组高副低代法,重点和难点重点：构件、运动副、运动链等的概念机构运动简图的绘制机构具有确定运动的条件及机构自由度的计算。难点：机构自由度的计算中有关虚约束的识别和处理问题拓宽内容：平面机构的组成原理结构分析和分类平面机构中高副低代,2-1机构结构分析的内容及目的,研究机构的组成及其具有确定运动的条件根据结构特点进行机构的分类研究机构的组成原理,2-2机构的组成,一、构件link机器:由各种机构所构成的系统。构件:组成机构的独立运动单元体。构件可以是单一的零件，也可以由若干个零件刚性联接而成。零件part：独立制造单元体。,二、运动副pair/joint运动副:两构件直接接触形成的可动连接。运动副元素：构件上参与接触、形成运动副的表面。运动副的约束度：两构件形成运动副所引入的约束数。,运动副分类：运动副引入的约束数：I级副级副构成运动副的两构件的接触情况：低副lowerpair：面接触；高副higherpair：点或线相接触。运动副两元素保持接触的方式：力封闭forceclose；形封闭formclose。,常见运动副,平面副Planar球面低副球销副球面高副Spherical平面高副,移动副Prismatice圆柱副Cylindric螺旋副Helical球槽副柱面高副转动副Revolute,三、运动链kinematicchain运动链：两个或两个以上的构件以运动副联接形成的构件系统。运动链分为闭式运动链和开式运动链两种。,四、机构mechanism机构：将闭式运动链一个构件固定为机架时，运动链成为机构。机架frame：构件中的固定构件；原动件drivinglink：机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件；从动件drivenlink：除原动件外其余活动构件。组成机构的各构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。,齿轮机构,凸轮机构,连杆机构,2-3机构运动简图,一、决定机构运动的要素原动件的运动规律；机构中运动副的类型、数目及其相对位置：转动副的中心位置；移动副的中心线位置；高副接触点的位置。与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及其固联方式和运动副的具体结构无关。,二、机构运动简图机构运动简图scaledkinematicdiagram：用国家标准规定的线条和符号表示构件与运动副、按比例表示构件的运动尺寸，反映原机构运动情况的简化图形。与原机械的运动特性完全相同，可以用于结构、运动及动力分析。机构运动示意图kinematicsketch：不按精确的比例绘制，仅表达机械的结构特征的简图。仅用于结构分析。,常用表达方式：平面运动副转动副移动副平面高副,构件机架两副构件三副构件常见机构：P10表22,三、机构运动简图的绘制1、按照运动的传递路线分析所要绘制机械的结构及运动情况，找出机架及原动件，搞清楚该机械由多少个构件组成；2、按照运动的传递路线分析相邻两构件间的接触情况及相对运动的性质，确定各个运动副的类型；3、选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为绘制机构运动简图的投影面。4、选择适当的长度比例尺，确定各运动副之间的相对位置，以规定的符号将各运动副表示出来，用直线或曲线将同一构件上各运动副元素连接起来即为所要画的机构运动简图。,顎式破碎机，由六个构件组成。根据机构的工作原理，构件6是机架，原动件为曲柄1。原动件1分别与机架6和构件2组成转动副，其回转中心为A点和B点。构件2是一个三副构件，它分别与构件3和5组成转动副。构件5与机架6、构件3与动颚板4、动颚板4与机架6也分别组成转动副，它们的回转中心分别为C、F、G、D和E点。选定长度比例尺和投影面，定出各转动副的回转中心点A、B、C、D、E、F、G的位置，并用转动副符号表示，用直线把各转动副连接起来，在机架上加上短斜线，即得机构运动简图。,偏心轮传动机构，由六个构件组成。根据机构的工作原理，构件5是机架，原动件为曲柄1。原动件1分别与机架5和构件2组成转动副，其回转中心为A点和B点。构件2是一个三副构件，它分别与构件3和4组成转动副，它们的回转中心为C、E点。构件4与构件6组成移动副。构件6、构件3分别与机架5组成转动副，它们的回转中心为F、D点。选定长度比例尺和投影面，定出各转动副的回转中心点A、B、C、D、E、F的位置，并用转动副符号表示，用直线把各转动副连接起来，确定运动副的方位，在机架上加上短斜线，即得机构运动简图。,2-4机构具有确定运动的条件,机构具有确定运动的条件：机构原动件数目=机构自由度数,机构自由度数degreeoffreedom(DOF)：F0：超静定桁架，构件间无相对运动；F=0：静定刚性桁架，构件间无相对运动；F0：原动件数F，各构件间无确定相对运动；原动件数F，在机构的薄弱处遭到破坏。原动件数=F，机构具有确定运动。,三杆桁架：自由度0四杆单自由度机构：自由度1五杆二自由度机构：自由度2,一、机构的自由度计算机构自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参数。机构自由度与组成机构的构件数目、运动副类型及数目有关。机构自由度：,例题,2-5机构自由度的计算,二、平面机构自由度,例题,2-6计算平面机构自由度时应注意的事项,用自由度计算公式计算机构自由度时，有时会出现公式计算的结果与机构实际自由度不相等的情况。为使计算结果与实际一致，在计算机构的自由度时，应注意:复合铰链局部自由度虚约束,复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副联接，构成复合铰链。当有m个构件（包括固定构件）在同一处以复合铰链相联结时，其转动副的数目为(m-1)个。,例题,局部自由度与输出构件运动无关的自由度称为局部自由度。在计算机构的自由度时，局部自由度应该除去不计。,例题,虚约束在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上不起约束作用，把这类约束称为虚约束。在计算机构的自由度时，应该除去虚约束不计。,平面机构的虚约束常出现于下列情况两构件用转动副相联接，连接点的轨迹相重合，则该联接将带入1个虚约束；（1）、（2）、（3）两构件构成多个转动副且其轴线互相重合，或两构件构成多个移动副且其导路互相平行，只有一个运动副起约束作用，其余运动副都是虚约束；两构件在多处接触构成平面高副，且各接触点处公法线彼此重合，只有一个高副起约束作用；对运动起重复约束作用的对称部分。,本节完,例题（平面机构自由度计算虚约束）,只有一个高副起约束作用,各处公法线不重合相当于低副,例题（平面机构自由度计算虚约束）,只有一个运动副起约束作用,例题（平面机构自由度计算局部自由度）,构件2是否转动不会影响机构自由度局部自由度数F=1,机构自由度F=3n-(2PL+PH)-F=33(231)-1=1,例题（平面机构自由度计算复合铰链）,活动构件数n=7,低副数PL=10,高副数PH=0,机构自由度F=3n-(2PL+PH)=37(2100)=1,例题（平面机构自由度计算）,活动构件数n=3,低副数PL=2,高副数PH=1,机构自由度F=3n-(2PL+PH)=33(221)=1,例题（机构自由度计算）,活动构件数n=3,级副数P5=2,级副数P4=1,级副数P3=1,机构自由度数F=6n-(5P5-4P4-3P3)=63(524131)=1,2-7平面机构的组成原理、结构分类和结构分析,一、平面机构的组成原理平面机构的组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上所组成。任何机构都可以看作是机架、原动件、从动件系统组成。常见的原动件具有一个自由度，机构具有确定运动时：原动件数机构自由度数从动件系统自由度0，组成从动件系统的从动件一定可以分解为一个或若干个不可再分的自由度为零的运动链，即基本杆组。,机构的组成结构决定了机构的性质，通过改变机构的组成结构进行机构创新设计。设计新机构时，可先选机架，将等于该机构自由度数的若干个原动件用低副联接于机架上，再将各基本杆组依次联接于机架和原动件上。在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件和运动副数目越少越好。系统刚性好；运动链中运动副累积误差小，系统传动精度高，可靠性好；系统中由于运动副中的摩擦而损耗的能量少，机械效率高；机械的重量相应较轻，其制造费用较少。,二、平面机构的结构分类全含低副的基本杆组的组成。设基本杆组由n个构件和PL个低副组成，按自由度公式得n2，PL3；n4，PL6；n应为2的倍数，PL为3的倍数。,基本杆组自由度为零，具有运动确定性和静力确定性。基本杆组的外部运动副若与运动规律已知的构件相连接，则基本杆组中所有构件的运动规律均是确定的，可以用一定的运动分析方法求出；基本杆组上作用的外力系已知时，基本杆组运动副中的约束反力未知数可由杆组中各构件的平衡方程求出。对机构进行结构分类，即确定机构的级别。同一机构，选择不同构件为原动件时，机构的级别可能不同。,二级杆组二级杆组：最简单的组合为，PL=3,即由二个构件和3个低副构成的基本组称为II级杆组。大多数的机构都是由II级组构成。平面低副中有转动副和移动副，II级组有五种不同的类型,三级杆组三级杆组：由组合为4，PL=6构成,而且必须有一个构件有三个低副，构成的基本杆组称为III级杆组。,级杆组,四级杆组四级杆组：4，PL=6，且最高封闭形为四边形，构成的基本组称为IV级组。高于III级组的基本杆组在实际机构应用很少。,级杆组,三、平面机构的结构分析目的：通过分析机构的组成来确定机构的级别，研究机构自动生成及其规律性。平面机构的级别取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别。I级机构：只由机架和原动件构成的机构；II级机构：最高级别为II级组构成的机构；III级机构：最高级别为III级组构成的机构；,平面机构的结构分析的基本原则从原动件传递运动的最远端开始逐个拆杆组，先由级杆组开始进行试拆，每拆下一个基本杆组后应验证剩余的部分是否为杆组，即自由度是否为零，若为零，试拆成功，否则，试拆级杆组，直至试拆成功为止。按以上步骤重复进行，直至拆出所有基本杆组，只剩下原动件和机架为止。,步骤：1、检查并除去机构中所有的局部自由度和虚约束。2、若机构中存在高副，应用高副低代的方法使机构中的运动副全部转化为低副。3、计算机构自由度，确定机构中的原动件。4、对机构进行拆杆组，直至拆出所有基本杆组，只剩下原动件和机架为止。5、确定机构的级别。,牛头刨床主机构,牛头刨床主机构的组成原理,计算机构的自由度进行结构分析。确定机构的级别。由于该机构是由一个II级组、一个III级组与机架6所组成，最高级别的杆组是III级组，故此机构为III级机构。,若将机构的原动件由构件1改为构件8可拆出进行机构结构分析。得下图所示的基本杆组及原动件与机架。,该机构是由三个II级组和原动件8与机架6所组成，基本杆组的最高级别为II级组，所以该机构为II级机构。,在同一机构中可以包含不同级别的基本杆组同一机构因所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构。在机构中确定原动件后，该机构的级别即确定。,2-8平面机构中的高副低代,一、高副低代的目的使平面低副机构的运动分析和动力分析方法能适用于所有平面机构了解平面高副与平面低副之间的内在联系二、高副低代的条件代替机构和原机构的自由度必须完全相同。代替机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。,三、高副低代的方法一个带有两个转动副的构件来代替一个高副两个转动副的回转中心分别处在高副两元素接触点的曲率中心。平面机构中的高副均可以用低副来代替任何平面机构都可以化为只含低副的机构对平面机构进行结构分类时，只需研究平面低副机构,构件1和构件2分别为绕A点和B点转动的两个园盘，它们的几何中心分别为Ol和O2，这两个园盘接触组成高副。由于高副两元素均为圆弧，故Ol、O2即为构件1和构件2在接触点的曲率中心，两圆连心线Ol、O2即为过接触点的公法线。在机构运动时，园盘1的偏心距AOl、两圆盘半径之和OlO2及圆盘2的偏心距BO2均保持不变。高副机构可以用铰链四杆机构A0lO2B来代替。由于高副具有一个约束，而构件4及转动副O