绪论第1章机构的组成和结构.ppt

1,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,2,本课程教学环节,课堂讲授 一般作业 大作业 习题课 本课程实验单独设课,3,本课程考核方式,采取期末笔试和平时成绩相结合的形式,期末笔试占总成绩的60%,平时成绩由四部分组成, 学习态度占总成绩的5%, 大作业情况占总成绩的10%, 完成习题作业情况占总成绩的10%, 期中考成绩占总成绩的15%,4,本课程参考书目,机械原理. 郑文纬，吴克坚主编，高等教育出版社，1997年，第七版 机械原理. 孙恒，傅则绍主编，高等教育出版社，1988年，第六版 机械原理. 邹慧君等主编，高等教育出版社，1999年，第一版 Shigley J E, Uicker J J. Theory of Machines and Mechanisms. New York; McGraw-Hill Book company, 1980,5,本课程理论学时分配表,6,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,7,第0章 绪 论,机械发展历史回顾 机械原理课程的研究对象 机械原理课程的研究内容 机械原理课程的地位及学习课程的目的 机械原理课程的学习方法,8,机械发展历史回顾,当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。,机械工业是国民经济的支柱工业之一 机械工业是社会生产力发展水平的重要标志,机械是人类用以转换能量和借以减轻体力劳动、提高生产率的主要工具。,9,五千年前已开始使用简单的纺织机械 晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理 西汉时应用轮系传动原理制成了指南车 东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。 目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态,我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造,机械发展历史回顾,10,机械发展历史回顾,18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。,哈格里沃斯发明的“珍妮纺纱机”,法国陆军技术军官古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车,11,机械发展历史回顾,19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发展,1898年问世的“雷诺”牌汽车,“圣路易斯精神”号飞机 1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人类首次不着陆飞越大西洋的壮举。,12,机械发展历史回顾,20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等,国际太空站,航天飞机正在利用机械臂施放哈勃空间望远镜,13,机械发展历史回顾,21世纪，智能机械、微型机构、仿生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础学科知识,用光刻技术做成的微米尺寸的微机械,蜘蛛形探雷机器人,14,机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。,机械发展历史回顾,15,有关机械的几个问题,什么是机械？其含义包括哪些？ 各行各业的机械组成有没有共同的特点？ 能否进行总结？ 其共同特征或者共同之处在何处？ 能否进行专门研究？,16,机械原理课程的研究对象,机器,根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，可用来变换或传递能量、物料和信息,人为的实物组合（不是天然形成的）,各运动单元具有确定的相对运动,能够代替人的劳动完成能量的转换及物流、信息的传递,三个特征:,17,机构,机械原理课程的研究对象,具有完全确定的相对运动,即具备机器两个特征,如: 牛头刨床、打谷机、机械手、玩具、电阻打弯机、送料机等等,传递运动和动力的机件组合，如传递回转运动、往复运动，实现复杂的运动规律和复杂的运动轨迹,18,机械,机械原理课程的研究对象,机器和机构的总称,原动部分 执行部分 传递部分 控制部分,19,机械原理课程的研究内容,机构学,机械动力学,机构运动分析与综合 机构结构分析与综合 几种常见的机构,机械的平衡 机械速度波动调节 机械系统的动力分析,机械系统方案设计,20,机械原理课程的地位及学习课程的目的,产品设计和开发过程中最关键、最难的便是功能原理创新,运动方案的设计和更新直接影响机械产品或设备设计的成败、优劣以及生产效率的提高,21,基础课,专业基础课,专业课,机械原理,比基础课更接 近工程实际,比专业课有更 宽的研究面和 更广的适用性,课程性质,22,为学习机械设计和机械类有关专业课以及掌握新的科学技术打好工程技术的理论基础 为机械的合理使用和革新改造打好良好基础 为产品的创新设计奠定基础,学习目的,23,机械原理课程的学习方法,学习知识的同时，注重能力的培养 考察组成实际机械的机构，注重实践和实验，增强动手能力 重视逻辑思维能力培养的同时，加强形象思维能力的培养 注意将力学的知识与本课程学习灵活结合 不死记公式，理解并掌握基本概念 掌握机械零件设计的共性,24,本章重点和要求,机器？,机构？,机械？,25,连杆机构,26,凸轮机构,27,齿轮机构,28,轮系,29,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,30,第一章 机构组成和结构,平面机构结构分析的目的,1、探讨机构具有确定运动的条件 2、机构的分类 3、画机构的运动简图,31,基本概念,零件：制造单元体,并非每个零件都起独立作用？,构件,每个独立影响机械功能并能独立运动的单元体,构件可由一个或几个零件组成,32,运动副,两构件间的可动联接（既保持直接接触，又能产生一定的相对运动）,运动副元素直接接触的部分（点、线、面）,例如：滚子凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等,33,运动副的分类,1)按相对运动分,转动副（回转副、铰链）,34,移动副,滚滑副,35,2)按接触情况分：,高副,点、线接触,例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,36,低副,两个构件间只能作相对旋转运动的运动副,两个构件间只能作相对移动运动的运动副,转动副,移动副,面接触,37,3)按引入的约束数分,I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副,38,4)按相对运动范围分,平面运动副平面运动 空间运动副空间运动,39,运动副元素,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。,单个自由构件的自由度为3,40,经运动副相联后，构件自由度会有变化：,运动副 自由度数 约束数 转动副 1（） + 2（x，y） = 3,移动副 1（x） + 2（y，）= 3,高 副 2（x，） + 1（y） = 3,41,构件自由度3约束数,自由构件的自由度数约束数,低副：,2个约束，1个自由度,高副：,1个约束，2个自由度,结论,42,常见运动副符号的表示: 国标GB446084,43,常见运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,1,2,1,2,1,2,1,两构件之一为固定时的运动副,44,平面高副,螺旋副,2,1,2,1,球面副球销副,空间运动副,45,1、运动链：两个以上构件通过运动副联接而成的系统,平面运动链；空间运动链,2、机构（从运动链角度）：,（1）对一个运动链,（2）选一构件为机架,（3）确定原动件（一个或数个）,（4）原动件运动时，从动件有确定的运动。,运动链、机构,46,机架：相对固定不动的构件，如机床床身、车辆底盘。,从动件：其余活动构件,机构的组成：,机构机架原动件从动件,若干,1个,1个或几个,47,本章节重点和要求,熟悉构件概念和机构组成,掌握运动副的概念和分类,熟悉自由度的概念,熟悉运动副的符号,48,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,49,第一章 机构组成和结构,1.2 平面机构运动简图,定义：,绘制目的,用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图,简明表达一部机器的运动原理，表示机构的结构和运动情况,作为运动分析和动力分析的依据,绘制方法,运动副的表示方法（如前述）,构件的表示方法,50,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,51,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,52,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,53,常用机构运动简图符号,54,55,机构运动简图应满足的条件：,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,1.构件数目与实际相同,56,机构运动简图的绘制,1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；,2）确定所有运动副的类型和数目；,3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；,4）确定比例尺；,5）用规定的符号和线条绘制成简图。 （从原动件开始画),57,例,58,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,59,1.3 运动链成为机构的条件,运动链的自由度计算,确定运动链中各构件相对与其中某一构件的位置所需要的独立运动的数目,K 级 运 动 副,F = 6 - k,K级运动副就引入了K个约束，见教材P12,60,空间运动链的自由度,n 为活动构件数目，Pk 表示 k 级副的数目,假设具有公共约束q,61,平面运动链的自由度,n为活动构件数，PL为平面低副数目，PH为平面高副数目,62,计算图示凸轮机构的自由度,解：活动构件数n=,低副数PL=,高副数PH=,2,2,1,原动件数=机构自由度,63,运动链成为机构的条件,（原动件数F，机构破坏） 原动件数=机构自由度,铰链五杆机构：,原动件数机构自由度数， 机构运动不确定（任意乱动）,64,构件间没有相对运动 机构刚性桁架,（多一个约束）超静定桁架,65,结论,F0，构件间无相对运动，不成为机构,原动件数=F，运动确定,原动件数F，机构破坏,原动件数F，运动不确定,F0,机构具有确定运动的条件是：,机构的原动件的数目=机构的自由度的数目0,66,本章节重点和要求,掌握机构运动简图的绘制,掌握机构自由度的计算,判断运动链能否成为机构,67,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,68,第一章 机构组成和结构,1.3 运动链成为机构的条件,计算自由度时应注意的问题,复合铰链,两个以上构件(包括固定构件)在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为复合铰链,两个低副,69,复合铰链,70,复合铰链常出现在下列情况：,71,F = 37210 = 1,n =7,PL = 10,解决问题的方法：若有m个构件在同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（m-1）个。,72,局部自由度,与输出件运动无关的自由度称局部自由度,计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件，或在计算结果中去除局部自由度,解决问题的方法：,只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，在计算机构的自由度时，局部自由度应该除去不计,73,计算时去掉滚子和铰链：,计算时减去局部自由度(1),74,局部自由度经常发生的场合：,滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠等。,75,虚约束,在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束,计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用,解决问题的方法：,76,平面机构的虚约束常出现于下列情况,两构件之间构成多个运动副时,F = 32 - 23 -1 = -1,两个构件之间只形成一个运动副,F = 32 - 22 -1 = 1,77,两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时,F = 33 - 24 = 1,78,联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时,机构中对运动不起作用的对称部分,79,虚约束问题小结,引入虚约束的目的：,注意：构成虚约束具有确定的几何条件，若制造误差太大，“虚”“实”，机构卡死。,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。,80,例：计算自由度 （先看有无注意事项，复合铰链，再看有几个构件）,81,82,复合铰链：C,局部自由度：F,虚约束：E,83,Theory of Machines and Mechanisms,机 械 原 理,主讲教师: 李 振 哲,Office:6C-209 E-mail:,84,1.4 机构的组成原理和结构分析,平面机构的高副低代,根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为高副低代,条件一：代替前后机构的自由度不变,F = 31 - 22 = -1,一个高副引入一个约束,一个构件两个低副也引入一个约束,85,条件二：代替前后机构的瞬时速度和加速度不变,两个高副元素均为圆弧 AO1、BO、OO1均保持不变,86,机构的组成原理,基本杆组及级别,机构 = 机架 + 原动件 + 从动件,F=0,数目=F,F=0,基本杆组（阿苏尔组）：,不可再拆、自由度为零的构件组。,构件 + 运动副 运动链,87,机构的组成,88,根据F=3n-2PL-PH，只考虑低副，有：,则：,因为n与PL必为整数，则它们的组合为：,n=2、PL=3，二杆三副-级杆组,89,n=4、PL=6，四杆六副，且有一个三副构件-级杆组,n=4、 PL=6，四杆六副，有一个封闭的四边形-级杆组,90,机构的组成原理,机构是由若干个基本杆组依次联于原动件和机架上而构成的,机架和原动件,91,四杆机构,八杆机构,92,机构的组成：,在机架和原动件上每增加一个基本杆组，并不改变原来的自由度，每次增加都可以获得一个新机构,设计新机构时，在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好,93,平面机构的结构分析,结构分析：根据组成原理，将机构分解成原动件、机架和基本杆组。,分解的方法：从远离原动件的构件开始，先试拆级组，若不成，再拆级组。,分解的原则：每拆下一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构自由度相同的机构，直至全部杆组拆出只剩下原动件和机架为止。,机构的级：机构中所含杆组的最高级别。,94,例1、,级机构,95,例2、,A,B,C,级机构,96,本章节重点和要求,掌握自由度计算注意事项,掌握平面机构高副低代,掌握机构组成原理,