第二章机构的结构分析(08.9.3)2

第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析2-1机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的2-2 机构的组成机构的组成构件及运动副：构件及运动副是机构组成的两个基本要素机构是由构件组成的。机构是由构件组成的。2.运动副运动副 由两个构件互相接触组成的可动的联接称为运运动动副副(kinematics pair)。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运运动动副副元元素素。例如轴与轴衬的配合(图2-1)，滑块与导轨的接触(图2-2)。图图2-1 回转副回转副 图图2-1 移动副移动副 两齿轮轮齿的啮合(图2-3,a)，球面与平面的接触(图2-3,b)，圆柱与平面的接触(图2-3,c)。图图2-3,b图图2-3,c图图2-3,a 齿轮副齿轮副 任意两个构件1与2，当它们尚未构起运动副之前，构件1相对于构件2共有6个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1(如图2-3，b所示的运动副)，而最多为5(如图2-1和2-2所示的运动副)运动副的分类运动副的分类：(1)按引入约束的数目分：I级副、级副、级副、级副、级副。(2)按两构件的接触情况进行分：点或线接触而构成的运动副统称为高副；面接触(surface contact)而构成的运动副则称为低副(lower pair)。(3)按两构件之间的相对运动的不同分：转动副或回转副(revolute pair)、移动副(sliding pair)、螺旋副、球面副、平面运动(plane motion)副、空间运动副。图图2-5 螺旋副螺旋副图图2-6 球面副球面副1.实例分析 不能产生运动 给定构件1运动参数构件2、3的运动是确定的 再给定构件4运动参数,构件2、3的运动是确定的。给定构件1运动参数，构件2、3、4的运动是不确定的。2-5 机构自由度的计算平面机构自由度的计算：F=3n-2Pl-Ph 空间机构自由度的计算：F=6n-(5p5+4p4+3p3+2p2+p1)n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；注：该公式只适用于连杆机构、齿轮机构、凸轮机构或它们形成的组合机构；不适用于含有挠性构件（如带、链、绳等）的机构中。n=3,Pl=4,Ph=0 F=3n-2Pl-Ph=33-2Pl-Ph =33-24-0=1 v平面机构自由度计算实例1 解：n=5,Pl=7,Ph=0 F=3n 2Pl Ph=35 27 0=1解：v平面机构自由度计算实例2计算下列机构的自由度计算下列机构的自由度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=2F=6n-(5p5+4p4+3p3+2p2+p1)6*85*7-4*19空间机构 F=6n-(5p5+4p4+3p3+2p2+p1)空间机构与平面机构自由度计算公式的比较平面机构 F=(6-3)n-(5-3)p5-(4-3)p4 =3n-2 p5-p4虚约束对机构的影响机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓“除去不计”是从运动观点分析做的假想处理，并非实际拆除。虚约束是在一些特定的几何条件下引入的，如“平行”、“重合”、“距离不变”等。如果几何条件不满足，虚约束会转化为有效约束。机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，同时也提高了对制造和装配精度的要求。机构自由度计算举例机构自由度计算举例例 1 图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆 3 作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，已达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？解：首先计算设计方案草图的自由度解：首先计算设计方案草图的自由度改进措施：改进措施：1 1、增加一个低副和一个活动构件；、增加一个低副和一个活动构件；2 2、用一个高副代替低副。、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。须修改，以达到设计目的。改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案改进方案例例 2 2 如图所示，已知：如图所示，已知：DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；，且相互平行；DH=EIDH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度，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）。若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束例例 3 3 计算图所示机构的自由度计算图所示机构的自由度 (若存在局部自由度、若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。复合铰链、虚约束请标出）。局部自由度局部自由度虚约束虚约束例例 4 4 如图所示如图所示,已知已知HG=IJ,HG=IJ,且相互平行；且相互平行；GL=JKGL=JK，且相，且相互平行。计算此机构的自由度互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。合铰链、虚约束请标出）。局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束例例 5 5 计算下图机构的自由度计算下图机构的自由度 (若存在局部自由度、复若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。合铰链、虚约束请标出）。（1）机构的组成原理机构的组成原理机构的组成机架机构的组成机架+原动件原动件+从动构件组从动构件组 1）分析机构结构时）分析机构结构时 将机架、原将机架、原动件从机构中拆分出来；动件从机构中拆分出来；剩余部分：剩余部分：自由度为零的杆件组；自由度为零的杆件组；再进一步拆成再进一步拆成更简单的自由度为零的杆件组；更简单的自由度为零的杆件组；直至直至拆成最简单的自由度为零的杆件组；拆成最简单的自由度为零的杆件组；基本杆组。基本杆组。2）组成机构时）组成机构时 根据需要确定原根据需要确定原动件数；动件数；添加基本杆组；添加基本杆组；再添加再添加基本杆组；基本杆组；直至组成所需机构（机构直至组成所需机构（机构的自由度数原动件数）。的自由度数原动件数）。任何机构都可以看作由若干个基本杆组任何机构都可以看作由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架而构成的，这依次联接于原动件和机架而构成的，这就是机构的组成原理。就是机构的组成原理。(3)机构结构分析的步骤机构结构分析的步骤 a)首先除去局部自由度和虚约束。b)计算机构的自由度。c)由远离原动件的最远端先试拆二级杆组，若拆不出再试拆三级、四级杆组。（要领：拆除一杆组后，机构剩余部分还应是机构，且自由度不能发生改变。）d)直至拆剩“机架+原动件”。(4)主要事项主要事项 a)机构的级别确定后，其杆组结构是唯一的，不会拆出两种不同的结果。b)三级杆组的构件数和运动副数虽然是二级杆组的两倍，但不可能拆出两个二级杆组。c)对于复合铰链应拆两次。d)机构改变原动件时，机构的级别可能发生改变。(4)例题例题 a)b)结束