机构的组成和结构分析ppt课件

机构的组成与结构分析 3.1机构的组成 3.2机构的运动简图 3.3机构的自由度和具有确定运动条件 3.4平面闭链机构组成原理及结构分析 1 3.1 机构的组成 一、构件 二、运动副 三、运动链（区分运动链和机构） 四、机构 机构是传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的 机械装置。机构的组成要素为 构件 和 运动副 2 一、构件 从制造加工角度：机械由零件组成 零件 制造单元体 从运动和功能实现角度： 构件 独立运动的单元体 注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接 机构的组成 3 二、运动副 (一 )运动副元素 (二 )运动副的自由度与约束度 (三 )运动副类型 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分 。 机构的组成 4 (一 ) 运动副元素 运动副元素不外乎为点、 线、面 。 机构的组成 5 (二 )运动副的自由度与约束度 1. 构件的自由度： 指一 个构件相对另一个构件 可能出现的独立运动。 一个自由构件在空间具 有 6个自由度。 2. 约束： 指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运 动所受到的限制。 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。 运动副引入的约束数：最多为 5个。 机构的组成 6 对于两个空间构件 对于两个平面构件 机构的组成 7 1. 按运动副相对运动形式分 （三）运动副类型 转动副 移动副 螺旋副 球面副 2. 按运动副引入的约束数分： X级运动副：指引入 X个约束的运动副 。 级副、 级副、 级、 级副、 级副 级副 级副 级副 机构的组成 8 3. 按运动副接触形式分 低副 : 两构件通过面接触而构成的 运动副统称为低副 ; 高副 : 凡两构件系通过点或线接触 而构成的运 动副统称为高副 ; 4. 按运动副的运动空间分 : 平面运动副 :指构成运动副的两 构件之间的相对运动为平面运动的 运动副 ; 空间运动副 :指构成运动副的两 构件之间的相对运动为空间运动。 机构的组成 1 2 9 运动副元素间的锁合 几何锁合 力锁合 机构的组成 10 三、运动链 运动链 :指两个以上的构件通过运动副联接而构成 的系统。 闭链 : 运动链 的各构件构成首 尾封闭的系统。 开链 : 运动 链的各构件未 构成首尾封闭 的系统。 机构的组成 11 运动链（续） 平面运动链 :各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链 :各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。 空间运动链 机构的组成 12 四、机构 机构 :在运动链中将一构 件加以固定作为机架或参考 构件 , 并给定另外一个或少 数几个构件的运动规律，则 运动链便成为机构。 机架： 机构中固定不动构件 。 平面机构 : 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构 : 机构中各构件间的相对运动为空间运动。 原动件 : 机构中按给定的 运动规律独立运动的构件。 从动件 :机构其余活动构件。 机构的组成 13 机构中构件类型 机构的组成 构件名称 构件的作用和要求 机架（参考构 件） 机构中视为不动的构件 ，用于支承和作为研究其他构件运动 的参考坐标 输入（主动） 件 机构中运动规律为给定或已知的一个或几个构件 从动件 其运动规律取决于机构型式、机构运动尺寸或参数以及主动件 运动规律的构件；除主动件以外的所有可动构件均可视为从动 件 输出件 机构中具有期望运动规律或运动要求的从动件 传动件 在主动件和从动件间传递运动和动力的所有构件 导引件 在机构中具有给定位置或轨迹要求的所有构件 原动件 由外界输入驱动力或驱动力矩的构件 14 3.2 机构的运动简图 机构运动简图 机构的示意图： 指为了表明机构结构状况 , 不要求严 格地按比例而绘制的简图。 机构运动简图： 指根据机构的运动尺寸 , 按一定的比例 尺定出各运动副的位置 , 并用国标规定的简单线条和符号 代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形 。 机构示意图 为什么要画机 构运动简图？ 机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构 运动尺寸有关 ,而与机构的 结构尺寸和形状以及运动 副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构 运动无关的 因素。 机构的运动简图 15 （一）绘制机构运动简图的步骤和方法 （二）机构运动简图中常用的规定符号 （三）机构运动简图的识别 机构的运动简图 16 （一）绘制机构运动简图的步骤与方法 : 1.恰当地选择投影面： 一般选择与机械的多数构件的运动平 面相平行的平面作为投影面。 2.分析机构的组成及运动情况 ，确定机构中的机架、原动部 分、传动部分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。 3.循着运动传递的路线， 逐一分析每两个构件间相对运动的 性质，确定运动副的类型和数目 ;还应确定与机构运动特性 相关的 运动要素：运动副间的相对位置；如转动副中心的 位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中 心和曲率半径等。 4. 选择适当的比例尺 , 用规定的简单线条和各种运动副符号 , 将机构运动简图画出来。 机构的运动简图 17 机构运动简图中的常用符号 机构的运动简图 18 常用传动系统简图 机构的运动简图 19 机构的运动简图 20 例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图 分析：该机构有 6个构件和 7个转 动副。 1 2 34 5 6 画机构运动简图的方法 机构的运动简图 21 例题二： 绘制图示偏心轮传动机构的运动简图 机构的运动简图 22 机构的运动简图 23 机构的运动简图 24 机构的运动简图 25 例题三、图示为一冲床。绕固定中心 A转动的菱形盘 1为 原动件，与滑块 2在 B点铰接，滑块 2推动拨叉 3绕固定轴 C转动，拨叉 3与圆盘 4为同一构件，当圆盘 4转动时，通 过连杆 5使冲头 6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图 。 画机构运动简图的方法 分析： 绘制简图： 机构的运动简图 A B C D E 1 2 34 5 6 26 （三）机构运动简图的识别 由于移动副绘制和表达方法的不同而出现的简 图差异 由于转动副元素尺寸变化而出现的简图差异 实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方 式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图 不同；或不同机构的运动简图相同。 机构的运动简图 27 3.3 机构的自由度与确定运动条件 一、机构的自由度 二、平面机构自由度 三、空间机构自由度 四、机构具有确定运动条件 28 一、机构的自由度 构件的自由度 确定平面或空间运动构件位置所 需的独立位置参数的数目称为构 件的自由度 平面和空间运动构件分别有 3个和 6 个自由度 机构的自由度 机构的自由度是机构中各构件相 对机架所具有的独立运动的数目 或组成该机构的运动链的位形相 对于机架或参考构件所需的独立 位置参数的数目，用 F表示 机构的自由度与确定运动条件 29 假设平面机构有 n个 活动 构件： 3n个自由度 有 P5 个低副和 P4 个高副： 平面自由构件： 3个自由度 平面低副：引入 2个约束 平面高副：引入 1个约束 平面机构的自由度计算公式： F= 3n-(2 p5+ p4) 引入 (2 P5 +P4)约束 分析 ： 二、机构自由度的计算二、机构自由度的计算 平面机构自由度的计算公式 运动副的作用是 约束构件自由度 的，所以机构的 自由度为活动构 件在 自由状态 下 自由度总和减去 由于 运动副 引入 而限制的自由度 机构的自由度与确定运动条件 30 自由度计算实例分析 F=3n-2 P5 P4 =34 - 25-0=2 F=3n-2 p5 p4 =33 - 24-0=1 四杆机构 五杆机构 机构的自由度与确定运动条件 31 复合铰链 实例分析 1：计算图示直线机构 (实现无导轨直线运动 )自由度 解： F=3n-2 p5 p4 =37 - 26-0=9 解： F=3n-2 p5 p4 =37 - 210-0=1 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰 链。 m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为 (m-1)个 注意 ：复合铰链只存在于转动副中。 。 机构的自由度与确定运动条件 32 实例分析 2：计算图示凸轮机构自由度 解： F=3n-2 p5 p4 =33 - 23-1=2 F=3n-2 p5 p4 - f =33 - 23-1-1=1 方法二：假想构件 2和 3焊成一体 F=3n-2 p5 p4=32 - 22-1=1 局部自由度 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运 动 , 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用 f表示 . 注意：计算机构自由度时 , 应将局 部自由度除去不计 。 方法一： 机构的自由度与确定运动条件 33 指机构在某些 特定几何条件或结构条件 下，有些运动 副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用 , 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束， 用 P表示。 计算机构自由度应注意的事项（续计算机构自由度应注意的事项（续 ） 虚约束 注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 p5 p4 去除虚约束的方法： 机构的自由度与确定运动条件 34 F=3n-2 pl ph =34 - 26-0=0 虚约束常出现的情况： 1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合 , 则该 联接引入 1个虚约束 ; 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） 正确计算： 不计引起虚约束的附加构件和 运动副数。 F=3n-2 p5 p4=33 - 24-0=1 用于连接构件 2和 3的转动副 C即属此种情况 。因为 C2和 C3在未连接前的轨迹都沿 Y轴。 此时转动副 C将引入一个虚约束。计算时去 掉构件 3和转动副 C以及 3和机家移动副 机构的自由度与确定运动条件 35 F=3n-2 p5 p4 =33 - 24-0=1 F=3n-2 p5 p4 =34 - 26-0=0 分析： E3和 E5点的轨迹重合，引入一个虚约束 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） 正确计算： n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1 机构的自由度与确定运动条件 36 两构件在几处接触 而构成移动副且导路 互相平行或重合。 两个构件组成在几处 构成转动副且各转动副 的轴线是重合的。 只有一个运动副起约 束作用 ,其它各处均为 虚约束 ; 2. 两构件在几处接触而构成运动副 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1 图示机构的两 个移动副即属 此种情况。计 算其自由度时 ，只按一个移 动副计算 机构的自由度与确定运动条件 37 3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处 的公法线重合 ,则只能算一个平面高副。若公法线方向不 重合，将提供各 2个约束。 有一处为虚约束 此两种情况没有虚约束 a)图相当于 转动副， b） 图相当于移动副 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） n=2 P5=2 P4=1 F=3n-(2P5+P4)=3*2-2*2-1=1 机构的自由度与确定运动条件 38 5. 某些不影响机构运 动的对称部分或重 复部分所带入的约 束为虚约束。 3和 1绕同一个轴转动，计 算机构自由度时，只考 虑对称或重复部分中的 一处，去掉 2和 2构件 4. 机构运动过程中 , 某 两构件上的两点之间的 距离始终保持不变 , 将此 两点以构件相联 , 则将带 入 1个虚约束。 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） n=3 P5=4 P4=0 F=3n- (2P5+P4)=3*3- 2*4=1 连接构件 2和 4上的 E点和 F点的构件 5及转 动副 E和 F即属此种情况，引入一个虚约束 。 n=3 P5=3 P4=2 F=3n- (2P5+P4)=3*3-2*3 -2=1 机构的自由度与确定运动条件 39 小结 计算机构自由度应注意的事项（续）计算机构自由度应注意的事项（续） 存在于转动副处 正确处理方法：复合铰链处有 m个构件则 有 (m-1)个转动副 复合铰链 局部自由度 常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦 变成滚动摩擦所增加的滚子处。 正确处理方法：计算自由度时将局部自 由度减去。 虚约束 存在于特定的几何条件或结构条件下。 正确处理方法：将引起虚约束的构件和 运动副除去不计。 机构的自由度与确定运动条件 40 典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度， 并判断该机构是否有确定运动。 解法 1 ： 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 41 机构的自由度与确定运动条件 42 机构的自由度与确定运动条件 43 机构的自由度与确定运动条件 44 机构的自由度与确定运动条件 45 机构的自由度与确定运动条件 46 典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度， 并判断该机构是否有确定运动。 解法 2： 复合铰链： D包含 2个转动副 ( 杆 4和 7) 局部自由度： F=2 虚约束：杆 8及转动副 F、 I引 入 1个虚约束。 计算自由度前直接去除虚约 束和局部自由度： n=6 p5=7 p4=3 F=3n-2p5-p4=1 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 47 典型例题二：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度， 如 有 复 合 铰 链 、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束，需 明 确 指 出。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。 复合铰链局部自由度 1个虚约束 复合铰链 计算机构自由度典型例题分析 机构的自由度与确定运动条件 48 典型例题三 计算机构自由度典型例题分析 计算图示机构自由度 。 分析：该机构具有 5个 活动构件，有 7个转动 副，即低副，没有高 副。于是机构自由度 为 1 2 34 5 6 机构的自由度与确定运动条件 F=3n-2 p5 p4=35 - 27-0=1 49 四、机构具有确定运动的条件 机构中独立 运动参数的构件 为原动件。 问题：取运动链中某个构件为机架，即构成 机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？ 因为自由度为 1给定一个独立 运动参数，其余构件有确定 运动。v自由度小于等于零 v自由度大于零若独立运动数大于自由度 v自由度大于零若独立运动数小于自由度 v自由度大于零若独立运动数等于自由度 机构的自由度与确定运动条件 50 结论 机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于 0且机构原动件 数 =机构自由度数 五杆机构 四、机构具有确定运动的条件 给定一个独立运动参数 ： 机构没有确定运动。给定两个独立运动参数： 机构有确定运动。 机构的自由度与确定运动条件 51 3.4平面闭链机构的组成原理和结构分析 一、平面闭链机构的组成原理 二、平面闭链机构的结构分析 三、平面机构的高副低代 52 一、机构的组成原理 机构具有确定运动的条件 ： 自由度数 =原动件数 基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组 称为机构的基本杆组。 1. 杆组 机架和原动件与从动件组分开 ，运动副仍保留在杆组： 从动 构件组自由度为零。 可以再拆成更简单的 自由度为零的杆组 平面机构的组成原理和结构分析 53 对于全低副的杆组： n个构件、 p5个低副 基本杆组的分类 根据 n的取值基本杆组分为以下几种情况： （ 1） n=2, p5=3的双杆组：又叫 级杆组 常见 级杆组的形式为 n和 pl为整数 n=2,4,6 平面机构的组成原理和结构分析 54 （ 2） n=4, p5=6的多杆组，又叫 级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。 常见的三种形式为 （ 3）更高级别的杆组 平面机构的组成原理和结构分析 55 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件 和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构 。 2. 机构的组成原理 机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作 要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构 件数和运动副数越少越好。因为机构的级别越高，机构的 运动和动力分析也越困难 . 自由度为 F的机构 =F 个主动杆 +1个自由度为 0的机架 +若干 个自由度为 0的基本杆组 平面机构的组成原理和结构分析 56 二、平面闭链机构的结构分析 级机构 只由机架和原动件组成的机构称为 级的机构。 （杠杆机构、斜面机构） II级机构 指机构中基本杆组的最高级别为 II级的机构。 III级机构 指机构中基本杆组的最高级别为 III级组的机构。 机构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。 平面机构的组成原理和结构分析 57 结构分析目的 ： 了解机构的组成，确定机构的级别。 把机构分解为基本杆组、机架和原动件 。 结构分析的过程： 拆杆组 从离原动件最远的构件开始试拆，先拆 II级组，若不 成，再拆 III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍 应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件 为止。 杆组拆分原则 平面机构的组成原理和结构分析 58 机构结构分析步骤 1、除去虚约束和局部自由度，正确计算机构的自由度； 2、指定机构的主动件 3、将机构中的全部平面高副替换为低副 4、根据机构拆分原则进行拆分 5、最后定出机构