宁先雄第1章机构的组成和结构课件

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授 2004年2月,第二级,第三级,第四级,第五级,上篇 机构的运动设计,1 机构的组成和结构,本章内容：,1.1 机构的组成。,1.2 机构运动简图绘制,1.3 运动链成为机构的条件,1.4 机构组成原理和结构分析,1.1 机构的组成,1.1.1 构件,构件的自由度,构件的定义：,独立运动单元,自由度的定义：,独立运动参数的个数或描述构件位置和姿态所需的独立坐标数。,x,y,z,o,x,0,y,0,o,0,y,0,s,y,s,x,s,z,z,y,x,y,x,o,y,0,x,0,o,0,s,x,s,y,构件自由度数目,平面运动构件：3个自由度。,空间运动构件：,6个自由度。,1.1.2 运动副,运动副定义,两个构件直接接触组成的可动联接。,运动副元素,构件上参与接触的几何元素。,运动副作用,提供约束。,y,x,z,球面副,例如,：,球面副,保留3个相对运动：,x,、,y,、,z,提供,3个,约束：,s,x,、s,y,、s,z,y,x,z,球面副,约束的定义,对运动所加的限制。,运动副的分类,（2）,按相对运动形式：,（1）,按接触形式：,平面副：,保留的相对运动为平面运动。,空间副：,保留的相对运动为空间运动。,高副：,点、线接触。,低副：,面接触接触。,转动副：只保留的1个相对转动自由度。,移动副：只保留的1个相对移动自由度。,（3）按提供的约束数,：,1级副、2级副、3级副、4级副、5级副。,（4）按运动副元素：,圆柱副、球面副、球销副、螺旋副,球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副。,平面运动副的分类,（1）平面低副,：,转动副、移动副，空间5级副。,（2）平面高副,：,例如,齿轮副、凸轮副，空间4级副。,提示：1个平面运动构件有,3,个自由度。, 1个平面低副引入,2,个约束，平面2级副。, 1个平面高副引入,1,个约束，,平面1级副。,1.1.3 运动链,运动链的定义：,两个以上构件用运动副联接而成的系统。,运动链的分类,闭式运动链,(,闭链,),：,运动链是封闭图形。,开式运动链,(开链)：运动链是开放图形。,闭链,开链,1.1.4 运动链成为机构的2个条件,（1）选定某一构件为机架；,（2）选定1个或几个构件为原动件，使运动确定。,从动件,其余可动构件。,输出构件,运动、动力输出的构件。,机架,相对固定的构件。,原动件,运动规律已知的构件,。,术语,连架杆,与机架相联的构件。,1.2.1 机构运动简图,机构运动简图：,用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。,作用,：1.表示机构的结构和运动情况。,2.作为运动分析和动力分析的依据。,1.2 机构运动简图的绘制,(了解),画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件尺寸(即运动副之间的尺寸)和运动副的性质。,机构示意图,：不按比例绘制的简图；,术语,机构运动简图,：按精确比例绘制的简图。,构件的表示方法,简单线条和几何图形,常见运动副符号的表示:,国标GB446084,常用机构运动简图符号,在机架上的电机,齿轮齿条传动,圆锥齿轮传动,带传动,链传动,凸轮传动,外啮合圆柱齿轮传动,圆柱蜗杆蜗轮传动,【例教师1-1】,绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。,1.,颚式破碎机,内啮合圆柱齿轮传动,棘轮机构,1.2.2 机构运动简图的绘制,【例教师1-2】,绘制图示偏心泵的运动简图。,偏心泵,1,2,3,4,【解】,1.3,运动链成为机构的条件,(重点),知识回顾,1,个平面运动构件有,3,个自由度。,1个低副(转动副移动副),引入,2,个约束。,1个高副引入,1,个约束。,1.3.1,运动链的自由度计算,F =,=,1,33,24,设：,平面机构自由度的计算公式,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,1,2,3,4,F,=,1,1,2,4,有,n,个活动构件，,P,L,个低副，,P,H,个高副，,则,3,【引例】,F,=,3n,-,2P,5,P,4,教材用中的计算公式,【,例教师1-3,】,计算铰链五杆机构的自由度。,【,解,】,n,=,4,P,L,=,5,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,P,H,=,0,F,=,2,=,3,4,-,2,5,-,0,=,2,4,1,2,3,5,1,2,3,4,F,=,1,A,B,C,1,1.3.2 运动链成为机构的条件,C,F,=,2,1,2,3,4,5,B,A,D,E,1,4,F=2机构给定1个原动件:,F=2机构给定2个原动件:,运动不确定,运动确定,1.3.2 运动链成为机构的条件,原动件数目 = 自由度,F,0,1.3.2 运动链成为机构的条件,讨论,1,2,3,F,=,0,平面静定桁架,1,2,3,4,F,=-,1,平面超静定桁架,F,=,1,1,2,3,4,A,C,B,D,F=1机构给定1个原动件:,F=1机构给定2个原动件:,运动确定。,损坏构件。,【,例教师1-4,】,计算图示机构的自由度。,【,解,】,n,= 5,P,L,=,P,H,= 0,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,=3,6,=,3,5,-,2,6,-,0,1,2,A,1,5,4,3,6,E,D,C,B,1.复合铰链(简称复铰),若有,m,个构件,1.3.3计算自由度时应注意的问题,二个以上构件,(含机架),在同一轴线上构成的多个转动副，称为复合铰链。,1,2,3,1,2,3,则有,m,1,个转动副。,【例1-4】,重新,计算图示机构的自由度。,【,解,】,n,= 5,P,L,=,P,H,= 0,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,=,1,7,=,3,5,-,2,7,-,0,2,A,1,5,4,3,6,E,D,C,B,1,2,3,4,5,6,7,8,A,C,D,E,F,B,【,例1-7,】,计算图示机构的自由度。,n,= 7,P,L,=,P,H,= 0,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,=,1,10,【,解,】,=,3,7,-,2,10,-,0,【,解,】,【,例教师1-5,】,计算图示机构的自由度。,n,= 3,P,L,= 3,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,=,2,P,H,= 1,=,3,3,-,2,3,-,1,1,2,4,3,2.,局部自由度,F,= 32-22-1= 1,1,2,4,3,1,2,4,3,【例教师1-6 】,计算火车轮机构的自由度,【,解,】,n,=,6,P,L,=,P,H,=,0,9,F,=,3n,-,2P,L,-,P,H,=,3,6,-,2,9,-,0,=,0,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,D,C,B,7,对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。,计算自由度时要去除掉。,3.虚约束(消极约束),1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,D,C,B,7,D,4,D,3,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,C,B,7,B,F,D,1,5,3,2,6,A,G,E,C,7,4,【,解,】,n,=,5,P,L,= 7,F,=,3n - 2P,L,- P,H,=,1,P,H,= 0,=,3,5,- 2,7,- 0,（1）,两构件构成多个运动副,1,2,（a）,1,2,（b）,出现虚约束的场合,(重点、难点),两构件组成多个移动副，,导路,重合或平行,。,两构件组成多个转动副，,同轴,。,1,2,1,2,两构件构成高副，两处接触，,法线重合,。,n,1,n,1,n,2,n,2,B,A,n,1,n,1,n,2,n,2,等宽凸轮,注意,：法线不重合时，变成实际约束！,(2),运动过程中，两构件上的两点距离始终不变。,例如火车轮机构、椭圆仪。,（3）,联接点与被联接点轨迹重合,D,A,C,B,(4,) 对运动不起作用的对称部分。,(4,) 对运动不起作用的对称部分。,(4,) 对运动不起作用的对称部分。, 改善构件的受力情况：例如多个行星轮。,增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨。,虚约束的作用：,1.4.1 平面机构的高副低代,1.4 机构的组成原理和结构分析,(重点),O,1,O,2,A,B,1,2,3,O,1,O,2,A,B,1,2,3,O,1,O,2,A,B,1,2,3,O,1,O,2,A,B,1,2,3,替代原则,替代构件,：1杆2低副,（1）替代前后自由度不变；,（2）替代前后运动不变。,替代方法, 在高副两个曲率中心之间画出替代构件；,替代构件分别与组成高副的两个构件相联；,组成高副的两个构件应去掉,高副,、简化成杆。, 尖顶,特殊情况,n,n,p, 尖顶,特殊情况, 平底,p, 平底, 平底,【例教师1-7】,A,C,I,B,D,E,F,G,H,J,n,P,A,C,I,B,D,F,G,H,J,P,【例教师1-7】,1,1.4.2 机构的组成原理,8,3,2,F=1,7,4,5,6,F=1,F=0,F=0,原动件,杆,组,杆,组,定义：,F=0 不可再分的构件组。,1. 杆组,（,基本杆组、基本组、,Assur,组）,结构公式：,F=3n 2P,L, P,H,= 3n 2P,L,= 0,P,L,3n/2,分类,(1)级组,(n=2，P,L,=3),P,L,3n/2,(a),R,R,R,(f),P,R,P,(h),P,P,R,(d),R,P,R,(b),R,R,P,P,L,3n/2,级组只有5种，不是9种,(c),(b),R,R,P,P,L,3n/2,级组只有5种，不是9种,(c),(b),R,R,P,P,L,3n/2,级组只有5种，不是9种,(e),(d),R,P,R,(c),(b),R,R,P,P,L,3n/2,(g),(f),P,R,P,(i),(h),P,P,R,外接副,外接副,R, 转动副（Revolute pair）,P, 移动副（Prismatic pair）,内接副,外接副,外接副,(b),R,R,P,内接副,级组的结构特征,（记住）：,两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接。,P,L,3n/2,（2） 级组,(n=4，P,L,=6),级组基本型,级组其它型举例,中心构件,P,L,3n/2,级组基本型,级组其它型举例,级组的结构特征,（记住）：,三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。,P,L,3n/2,（3）级组,(n=4，P,L,=6),级组基本型,级组的结构特征,（记住）：,两个含有外接副的构件通过两个构件间接相联。,原理的限定条件:,平面低副机构；连架杆为原动件。,原动件画法,：1个机架、1个活动构件、1个低副、1个箭头，一个都不能少。,2.平面机构组成原理：,任何一个平面机构都可以看作是由一系列基本组依次联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的。,基本组的联接,结构综合的杆组法,(理解),给定自由度（原动件）数目和类型，用不同数目、,不同类型的基本组去联接，可得到新机构。,1个构件,1个构件,注意：,杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。,1.4.3 机构的结构分析,正确拆分杆组;,判断机构级别。,目的,步骤,（5）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是,一个自由度为零的构件组合或杆组。,（1）计算F；确定原动件；去掉虚约束、局部自,由度；注意复铰。,（2）如果机构中有高副，应高副低代。,（3）拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合。,（4）根据,杆组的结构特征,对从动件组合依次拆组。,机构的级别：,机构所含基本组的最高级别为机构的级别；,级机构为简单机构，级以上机构为复杂机构。,【例教师1-6】对图示机构进行高副低代和结构分析。,A,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1. 高副低代：,A,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1. 高副低代：,A,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】 2. 结构分析,：（1）除去虚约束：,A,C,B,D,I,F,G,H,J,P,A,【解】 2. 结构分析,：（2）拆出原动件和机架：,C,B,D,I,F,G,H,J,P,（3）拆组：,级机构,H,【解】 以GH为原动件进行 结构分析：,A,C,B,I,G,J,D,F,P,级机构,常识,分组的目的：为运动、动力分析服务；,x,y,R,1,R,2,R,3,O,B,C,D,R,4,运动分析时：外接副的运动是已知的；,x,y,R,1,R,2,R,3,R,4,O,B,C,D,运动分析时：,级组有精确解；,1,C,D,O,B,E,A,F,运动分析时：,级以上组只有近似解；,将级组划分成2个级组是教师的错误，,因为划分出来的级组的外接副运动未知。,作业,1.5 1.6 1.7,