机械原理2平面机构的结构分析工程课件

机 械 原 理参考教材：参考教材：机械原理机械原理，朱理主编，高等教育出版社；，朱理主编，高等教育出版社；机械原理机械原理（第七版）孙桓、陈作模、葛文杰主编，高等教育出版社；（第七版）孙桓、陈作模、葛文杰主编，高等教育出版社；机械原理教程机械原理教程（第二版）申永胜主编，清华大学出版社；（第二版）申永胜主编，清华大学出版社；机构运动简图2机构的组成原理和机构分析4机构的组成3 1自由度计算、确定运动条件3 3第二章 机构的机构分析难点难点机构自由度的计算，尤其是虚约束的判定重点重点1、机构相关基本概念；2、机构运动简图的绘制；3、机构自由度的计算；4、机构的组成原理及机构分析。第二章 机构的机构分析2、1机构的组成第二章 机构的机构分析 据机构中构件相互运动形式：平面机构 空间机构机构的组成要素机构的组成要素、构件、构件运动的最小单元 构件零件 多个零件的刚性系统零件零件制造的最小单元机械机械机器机器机构机构构件构件零件零件 2、运动副、运动副：运动副运动副：两个构件直接接触形成的可动联接。两个 直接接触 可动 联接 运动副元素运动副元素：参加接触构成运动副的部分第二章 机构的机构分析12第二章 机构的机构分析对运动副的理解要把握以下三点：（）运动副是一种联接；（）运动副由两个直接接触的构件组成；（）组成运动副的两个构件之间有相对运动运动副是机械原理中最重要的概念之一运动副是机械原理中最重要的概念之一请看教学示例3 3、运动副分类、运动副分类自由度：构件相对于其它构件的独立运动的数目约束：对自由度的限制。第二章 机构的机构分析 x y o Sx 移动y 移动z 转动平面构件加入运动副后，仅剩余一个自由度。按构成运动副两构件的相对运动形式分按构成运动副两构件的相对运动形式分平面运动副：组成运动副的两构件的相对运动为平面运动空间运动副：组成运动副的两构件的相对运动为空间运动第二章 机构的机构分析按组成运动副的两运动副元素的接触形式分按组成运动副的两运动副元素的接触形式分低副：两构件通过面接触 转动副：两构件之间只做相对转动，也称铰链；移动副：两构件之间只做相对移动。高副：两构件通过点或线接触。第二章 机构的机构分析按构成运动副两构件的相对运动分按构成运动副两构件的相对运动分转动副：组成运动副的两构件的相对运动为转动；移动副：组成运动副的两构件的相对运动为移动；螺旋副：组成运动副的两构件的相对运动为螺旋运动；球面副：组成运动副的两构件的相对运动为球面运动等。按运动副引入的约束数分按运动副引入的约束数分级副：引入一个约束的运动副级副：引入二个约束的运动副级副：引入五个约束的运动副第二章 机构的机构分析注：注：平面运动副：至少为级。（平面副本身就带入三个约束，为级副）空间运动副：从级副到级副均有。特别，螺旋副为级副按运动副封闭的形式分按运动副封闭的形式分几何封闭：借助于构件形状所产生的几何约束来封闭，如 转动副，移动副等力封闭：借助于重力、弹簧力等来封闭，如 平面副，平面高副等第二章 机构的机构分析4 4、运动链与机构、运动链与机构运动链运动链：两个或两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。两个或两个以上 运动副联接 相对可动分类分类：闭式运动链（闭链）：运动链各构件构成首据是否闭合 （常用）末封闭的系统，如 开式运动链（开链）：运动链各构件未构成 （机械手）首末封闭系统，如另有：平面运动链和空间运动链之分第二章 机构的机构分析机构机构：在运动链中，将某一构件固定则成为机构。其中：固定的构件机架机架（相对参照物固定）相对机架运动的构件又分：原动件原动件按给定的已知运动规律独立运动的构件从动件从动件运动规律取决于原动件的运动规律+机构结构、构 件尺寸等2、2机构运动简图第二章 机构的机构分析一、概述：一、概述：1 1、机构运动简图、机构运动简图：忽略那些与机构运动无关的因素，仅用规定规定的符号和线条，按一定比例比例绘出的反映机构中各构件相对位置及相对运动关系的简单图形。2 2、避开与运动无关的因素、避开与运动无关的因素：诸如构件的外形、断面尺寸、运动副内部结构。3 3、绘制原则、绘制原则：简单、规范、准确地反映运动关系。4 4、要能反映出、要能反映出：构件的数目、长度，运动副的类型、数目、运动副之间的相对位置，原动件、机架等。5 5、用途、用途：机械系统方案设计，工程语言；运动分析和受力分析；机构的分类和研究。第二章 机构的机构分析另另：机构示意图二、机构运动简图的绘制二、机构运动简图的绘制1 1、运动副运动副的表示的表示:第二章 机构的机构分析第二章 机构的机构分析 2 2、构件构件的表示的表示3.3.绘制机构运动简图绘制机构运动简图第二章 机构的机构分析（1 1）分析机构：）分析机构：判断机架、原动件、执行部件；沿运动传递路线，分析原动件的运动如何传至执行部件；数清从动件、构件数目、运动副类型和数目；（2）合理选择投影面投影面；（3）选择适当的比例尺比例尺（实长/图长）；（4）按顺序顺序用规定符号规定符号绘图，并标出原动件运动方向。第二章 机构的机构分析例例：图为鄂式破碎机。当曲轴1绕轴心O连续回转时，动鄂板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此破碎机的机构运动简图。第二章 机构的机构分析分析分析：（1）原动件曲轴1；执行部件动鄂板5；运动传递路线，其中构件 数目，运动副类型，数目。（2）选择视图平面（3）确定比例尺（实际尺寸m/图上尺寸mm）（4）从原动件开始绘制机构运动简图，标构件、运动副序号以及原动件运动方向。第二章 机构的机构分析习题1习题2习题3例第二章 机构的机构分析2、3平面机构的自由度一、概念一、概念自由度自由度：构件独立运动的数目；xyxy约束约束：对构件运动的限制作用。二、平面机构自由度的计算二、平面机构自由度的计算第二章 机构的机构分析机构自由度机构自由度：机构独立运动的数目称为机构的自由度平面机构独立运动的数目为:所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。1 1、平面机构自由度的一般公式、平面机构自由度的一般公式 对于具有n个活动构件活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了Pl个低副和Ph个高副，则它们共引入(2Pl+Ph)个约束。机构的自由度F显然应为:F=3nF=3n(2P(2Pl l+P+Ph h)=3n)=3n2P2Pl lP Ph h例例：计算下列机构的自由度第二章 机构的机构分析n=2,Pn=2,Pl l=3,P=3,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*2-2*3=0=3*2-2*3=0n=3,Pn=3,Pl l=5,P=5,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*3-2*5=-1=3*3-2*5=-1n=3,Pn=3,Pl l=4,P=4,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*3-2*4=1=3*3-2*4=1n=4,Pn=4,Pl l=5,P=5,Ph h=0=0 F=3nF=3n2P2Pl lP Ph h=3*4-2*5=2=3*4-2*5=2第二章 机构的机构分析2 2、机构自由度意义及机构具有确定运动的条件、机构自由度意义及机构具有确定运动的条件 所谓机构的自由度，实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数的数目。机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目，应大于零。3 3、关于自由度的说明、关于自由度的说明 （1）自由度F0F0，且F=F=原动件数目原动件数目，则各构件间的相对运动是确定的机构具有确定运动的条件。（2）自由度F=0F=0，系统为桁架系统，为静定的。（例）自由度F=-F=-1 1，则成为超静定的系统。（例）第二章 机构的机构分析（3）自由度F0F0，且F原动件数目，则构件运动是不确定的，机构会沿阻力最小方向运动。（4）自由度F0F0，且F原动件数目，则构件间运动产生干涉，甚至构件断裂。（5）平面机构自由度计算公式，主要用于连杆机构、凸轮机构或它们形成的组合机构中，不能用于那些含有柔性构件的机构中。2、4计算平面机构自由度的注意事项第二章 机构的机构分析 1 1、复合铰链、复合铰链CB321A5E6D 增加构件5、6 后，n=5，pl=6，ph=0 F=3n-2pl-ph=35-26=3 显然是错误的 如图：n=3，pl=4，ph=0 F=3n-2pl-ph=33-24=1312 推广推广：m个构件铰接在一起，有(m-1)个转动副 上例：F=35-27=1第二章 机构的机构分析 由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合复合铰链铰链，如：12 3213第二章 机构的机构分析 例例：活动构件活动构件：n=7 运动副运动副：不考虑复合铰链，pl=6，ph=0，F=3n-2pl-ph =9（）考虑复合铰链，pl=10，ph=0，F=3n-2pl-ph =1（）第二章 机构的机构分析 2 2、两个构件之间形成多个运动副、两个构件之间形成多个运动副 同一构件多个转动副轴线重合F=31-22=-1（）F=31-21=1 多个移动副导路平行 F=32-22-1=1多个高副在特定几何条件下（法线重合）F=32-22-1=1第二章 机构的机构分析 3 3、局部自由度局部自由度不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。例如：图示滚子推杆盘形凸轮机构F=3n-2pl-ph=2（）焊接法焊接法：仍采用原公式，但活动构件、运动副数目均变化。F=3n-2PL-PH=1变换公式变换公式：在原公式中减去局部自由度。F=3n-(2pl+ph)-F =1局部自由度常出现场合局部自由度常出现场合：活动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子，轴承中的滚珠等。第二章 机构的机构分析 3 3、虚约束虚约束不起独立限制作用的约束。虚约束处理方法：虚约束处理方法：计算自由度时，将虚约束去除。此时，自由度计算公式为：F=3n-(2pl+ph-p)-F其中：n活动构件数目 pl、ph分别为低副数和高副数 p虚约束个数 F局部自由度约束此为平面机构自由度计算的完整公式第二章 机构的机构分析 虚约束常出现场合虚约束常出现场合1 1、两构件之间形成多个运动副。2 2、用转动副联接两构件上轨迹重合的点。AB=CD=EF，BC=AD BE=AF F=34 (26+0-0)-0=0 错误E点轨迹重合 EF为虚约束（或AB、CD)F=34-(26+0-1)-0=1 第二章 机构的机构分析3 3、用双转动副构件联接两构件上距离不变的两点。如图：DC间 距离不变如图：AB间 距离不变F=34-(26+0-1)-0=14 4、不影响机构运动的对称部分，且p=2pl+ph-3n其中：n 、pl、ph为重复重复部分部分构件、低副和高副数。如：第二章 机构的机构分析其中：p=2pl+ph-3n =2所以，机构自由度为：F=3n-(2pl+ph-p)-F =15-（10+6-2）-0 =1第二章 机构的机构分析 虚约束对机构工作性能的影响虚约束对机构工作性能的影响1 1、虚约束虽然对运动不起作用，但有增加构件刚性、使构件受力均衡等作用。如2 2、只有严格的满足几何条件，虚约束才为虚约束，否则为有效约束，减少机构自由度，影响机构运动。如3 3、虚约束的存在使得制造精度提高，增加了制造成本。所以，从保证机构运动灵活度和便于加工装配等方面来说，应尽量减少自由度。第二章 机构的机构分析 例例1 1：计算图示机构自由度，并判断机构是否具有确定运动。（1 1）自由度计算 活动构件活动构件数：n=9 注意事项注意事项：D 处为复合铰链,m=3;构件8为虚约束；C、H 处为局部自由度第二章 机构的机构分析 运动副运动副：pl=11ph=3p=1F=2自由度自由度：F=3n-(2pl+ph-p)-F =27-(22+3-1)-2 =1（2 2）机构具有确定运动的条件：原动件数目=自由度个数 所以，机构具有确定运动。第二章 机构的机构分析 总结总结：计算自由度的一般步骤1 1：数清活动构件数目；2 2：考察机构中有无虚约束、局部自由度、复合铰链等特殊情况；3 3：写明机构自由度全公式F=3n-(2pl+ph-p)-F 中各小项，并计算机构自由度；4 4：判断机构是否具有确定运动；第二章 机构的机构分析 例例1 1：计算图示机构自由度，并判断机构是否具有确定运动。注注：C 处为复合铰链；E处为虚约束；F 处为局部自由度F=36-(28+1-0)-0=1F=38-(210+1-0)-1=2例例2 2：如图所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。局部自由度复合铰链虚约束例例3 3：计算图所示机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。局部自由度虚约束第二章 机构的机构分析2、5平面机构组成原理平面机构的组成原理2基本杆组的概念3 1平面机构的机构分析3 3第二章 机构的机构分析机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。原动件原动件从动件组从动件组机架机架 一、基本杆组的概念一、基本杆组的概念第二章 机构的机构分析基本杆组基本杆组 对具有确定相对运动的对具有确定相对运动的低副机构低副机构（原动件数（原动件数=自由度数），将原动件和自由度数），将原动件和机架拆下，剩余的从动件系统就是一个自由度为零的运动链。若将其进一步机架拆下，剩余的从动件系统就是一个自由度为零的运动链。若将其进一步拆为不可再拆的自由度为零的运动链，即得到拆为不可再拆的自由度为零的运动链，即得到基本杆组基本杆组。简称。简称“杆组杆组”DCAB+EFAODCBEF F=32-23=0O+第二章 机构的机构分析基本杆组的类型基本杆组的类型F=3 n 2 Pl=0由杆组的定义：由杆组的定义：3 n=2 Pl级组级组级组级组级组级组名称名称构件数、低副数构件数、低副数杆组的基本型杆组的基本型 n=2；Pl=3 n=4；Pl=6 n=4；Pl=6杆组的级别按其中所含最大封闭形边数确定。杆组的级别按其中所含最大封闭形边数确定。概念：杆组的外接副、内接副。概念：杆组的外接副、内接副。外接副内接副杆组的演化杆组的演化第二章 机构的机构分析杆组的演化途径杆组的演化途径转动副变移动副转动副变移动副杆长的变化杆长的变化级组级组的基本型的基本型 n=2；PL=3ACB12杆组的演化途径杆组的演化途径转动副变移动副转动副变移动副杆长的变化杆长的变化级组级组的基本型的基本型 n=2；PL=3ACB12杆组的演化杆组的演化第二章 机构的机构分析第二章 机构的机构分析级组级组的基本型的基本型 n=4；Pl=6ACB1234DEF杆组的演化途径杆组的演化途径转动副变移动副转动副变移动副杆长的变化杆长的变化杆组的演化杆组的演化第二章 机构的机构分析1 1、基本机构、基本机构 （原动件（原动件+机架）机架）2 2、机构的组成、机构的组成（基本机构（基本机构+杆组）杆组）v 按机构实际所需的自由度和按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构。原动件类型选择基本机构。v 选择基本杆组搭接新机构选择基本杆组搭接新机构 。v（自由度数始终等于原动件数）（自由度数始终等于原动件数）要领要领 杆组的外杆组的外接副参与搭接，接副参与搭接，但必须搭在运但必须搭在运动已确定处动已确定处。二、平面机构的组成原理二、平面机构的组成原理第二章 机构的机构分析结论：结论：34121）用杆组搭接机构）用杆组搭接机构不代入多余的约束不代入多余的约束不代入多余的自由度不代入多余的自由度机构的自由度不变。机构的自由度不变。2）对杆组概念的理解：）对杆组概念的理解：F=0，不能理解为不能动。而是，杆组参与不能理解为不能动。而是，杆组参与搭接机构时不会引入多余的约束和自由度。搭接机构时不会引入多余的约束和自由度。56第二章 机构的机构分析1 1、基本机构、基本机构 （原动件（原动件+机架）机架）2 2、机构的组成、机构的组成（基本机构（基本机构+杆组）杆组）3 3、平面机构的级别、平面机构的级别机构的级别按其中所含杆组的最高级别确定。机构的级别按其中所含杆组的最高级别确定。第二章 机构的机构分析三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析 机构的结构分析是机构组成的机构的结构分析是机构组成的逆过程逆过程，也可称为机构的，也可称为机构的拆杆组拆杆组。步骤及注意事项步骤及注意事项1。除去机构中除去机构中的虚约束和局部自的虚约束和局部自由度。计算自由度，由度。计算自由度，明确原动件。明确原动件。2。拆杆组。一拆杆组。一般是从远离原动件般是从远离原动件处开始拆，应首先处开始拆，应首先试拆试拆级组，若不级组，若不成再试拆高一级杆成再试拆高一级杆组。重复进行直至组。重复进行直至原动件。原动件。123456789567834 F=38-211=2第二章 机构的机构分析 机构的结构分析是机构组成的机构的结构分析是机构组成的逆过程逆过程，也可称为机构的，也可称为机构的拆杆组拆杆组。步骤及注意事项步骤及注意事项1。除去机构中除去机构中的虚约束和局部自的虚约束和局部自由度。计算自由度，由度。计算自由度，明确原动件。明确原动件。2。拆杆组。一拆杆组。一般是从远离原动件般是从远离原动件处开始拆，应首先处开始拆，应首先试拆试拆级组，若不级组，若不成再试拆高一级杆成再试拆高一级杆组。重复进行直至组。重复进行直至原动件。原动件。123456789567834 F=38-211=23。注意：注意：（1）拆解杆组前拆解杆组前后。自由度不应后。自由度不应发生变化。剩余发生变化。剩余部分还应是机构。部分还应是机构。（2）复合铰链复合铰链应按复合的次数应按复合的次数拆多次。拆多次。（3）原动件的不原动件的不同会直接影响机同会直接影响机构拆解次序和结构拆解次序和结果。果。级机构三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析第二章 机构的机构分析例题：例题：分别以分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。构件为原动件，分析图示机构的组成。123456F=3 5-2 7 =1若以构件若以构件2为原动件为原动件345612 级机构例题：例题：分别以分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。构件为原动件，分析图示机构的组成。123456F=3 5-2 7 =1若以构件若以构件6为原动件为原动件234516 级机构第二章 机构的机构分析