机械原理教学PPT 机构的结构分析

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2-3 机构运动简图机构运动简图2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项2-7 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析平面机构的组成原理、结构分类及结构分析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主要内容及目的是：主要内容及目的是： 研究机构的组成及机构运动简图的画法； 了解机构具有确定运动的条件； 研究机构的组成原理及结构分类。2-2 机构的组成机构的组成1构件构件构件的自由度构件的自由度构件的定义构件的定义：独立运动单元独立运动单元自由度的定义自由度的定义：独立运动参数的个数或描述构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。件位置和姿态所需的独立坐标数。xyzox0y0o0y0sysxsz z y xyxoy0 x0o0 sxsy构件自由度数目构件自由度数目平面运动构件：平面运动构件：3 3个自由度。个自由度。空间运动构件：空间运动构件：6 6个自由度。个自由度。2 运动副运动副运动副定义运动副定义两个构件直接接触组成的可动联接。两个构件直接接触组成的可动联接。运动副元素运动副元素构件上参与接触的几何元素。构件上参与接触的几何元素。运动副作用运动副作用提供约束。提供约束。 y x z球面副球面副例如例如：球面副球面副保留保留3 3个相对运动：个相对运动： x x、 y y、 z z提供提供3个个约束：约束：s sx x 、s sy y、s sz z y x z球面副球面副约束的定义约束的定义对运动所加的限制。对运动所加的限制。运动副的分类运动副的分类（2）按相对运动形式：按相对运动形式：（1）按接触形式按接触形式：平面副平面副：保留的相对运动为平面运动。保留的相对运动为平面运动。空间副空间副：保留的相对运动为空间运动。保留的相对运动为空间运动。高副高副: : 点点、线接触线接触。低副：低副：面接触面接触( (移移、转转）转动副：只保留的转动副：只保留的1个相对转动自由度。个相对转动自由度。移动副移动副：只保留的：只保留的1个相对移动自由度。个相对移动自由度。（3）按提供的约束数）按提供的约束数：1级副级副、2级副级副、3级副级副、4级副级副、5级副级副。（4）按运动副元素：）按运动副元素：圆柱副圆柱副、球面副球面副、球销副球销副、螺旋副螺旋副球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副。球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副。平面运动副的分类平面运动副的分类（1）平面低副）平面低副：转动副转动副、移动副移动副，空间，空间5级副。级副。（2）平面高副：例如）平面高副：例如齿轮副齿轮副、凸轮副凸轮副，空间，空间4级副。级副。提示：提示：1 1个平面运动构件有个平面运动构件有3 3个自由度。个自由度。 1 1个平面低副引入个平面低副引入2 2个约束，平面个约束，平面2 2级副。级副。 1 1个平面高副引入个平面高副引入1 1个约束，个约束，平面平面1级副。级副。3. 运动链运动链运动链的定义：运动链的定义： 两个以上构件用运动副联接而成的系统。两个以上构件用运动副联接而成的系统。运动链的分类运动链的分类闭式运动链闭式运动链( (闭链闭链) )：运动链是封闭图形。运动链是封闭图形。开式运动链开式运动链( (开链开链) )：运动链是开放图形。：运动链是开放图形。闭链闭链开链开链4. 运动链成为机构的运动链成为机构的2个条件个条件（1 1）选定某一构件为机架；）选定某一构件为机架；（2 2）选定）选定1 1个或几个构件为原动件，使运动确定。个或几个构件为原动件，使运动确定。从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。输出构件输出构件运动、动力输出的构件。运动、动力输出的构件。机架机架相对固定的构件。相对固定的构件。原动件原动件运动规律已知的构件运动规律已知的构件。术语术语连架杆连架杆与机架相联的构件。与机架相联的构件。1 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：机构运动简图：用以说明机构中各构件之间的相用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。对运动关系的简单图形。作用作用：1.表示机构的结构和运动情况。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。作为运动分析和动力分析的依据。2-3 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制(了解了解) 画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件画构件时应忽略构件的实际外形，只考虑构件尺寸尺寸( (即运动副之间的尺寸即运动副之间的尺寸) )和运动副的性质。和运动副的性质。机构示意图机构示意图：不按比例绘制的简图；：不按比例绘制的简图；术语术语机构运动简图机构运动简图：按精确比例绘制的简图。：按精确比例绘制的简图。构件的表示方法构件的表示方法简单线条和几何图形简单线条和几何图形常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: : 国标国标GB4460GB44608484常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动带带传传动动链链传传动动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动棘棘轮轮机机构构【例【例1】绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。1.1.颚式破碎机颚式破碎机2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制绘制方法及步骤：绘制方法及步骤： （1 1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；（2 2）选定视图平面；）选定视图平面； （3 3）选适当）选适当比例尺比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。ABEDCFG【例【例2】绘制图示偏心泵的运动简图。绘制图示偏心泵的运动简图。偏心泵偏心泵1234【解【解】2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件( (重点重点) )一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？两个例子铰链四杆机构铰链五杆机构若给定机构一个独立运动， 运动完全确定；若给定机构两个独立运动， 最薄弱环节损坏。若给定机构一个独立运动， 运动不确定；若给定机构两个独立运动， 运动完全确定。 机构的自由度 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用F表示。 结论 机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目应等于机构的自由度数目F。如果原动件数F,则机构的运动将不确定；则会导致机构最薄弱环节的损坏。 结论： 机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目F。知识回顾知识回顾1个平面运动构件有个平面运动构件有3 3个自由度。个自由度。1个低副个低副(转动副移动副转动副移动副) 引入引入2 个约束。个约束。1个高副引入个高副引入 1 个约束。个约束。 2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算F = = 1 33 241234F = 11243【引例【引例】设：设： 平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式 F = 3n - 2PL - PH有有 n 个活动构件，个活动构件，PL个低副，个低副， PH个高副，个高副，则则【例例3】计算铰链五杆机构的自由度。计算铰链五杆机构的自由度。【解解】 n = 4 PL = 5F = 3n - 2PL - PH PH =0F=2= 34 - 25 - 0= 2 4 41 12 23 35 51 12 23 3F =0：静定桁架静定桁架1 12 23 34 4F = -1：超静定桁架超静定桁架结论结论：F0，运动链可动。，运动链可动。F=11234ACBDF=1运动链给定运动链给定1个原动件个原动件:F=1运动链给定运动链给定2个原动件个原动件:运动确定。运动确定。损坏构件。损坏构件。CF = 2 1 12 23 34 45 5BADE 1 4【例【例4 】 计算火车轮机构的自由度计算火车轮机构的自由度【解解】n = 6PL =PH = 08F = 3n - 2PL - PH = 36 - 28 - 0= 21 154326AGFEDCB71.复合铰链复合铰链(简称简称复铰复铰)若有若有 m 个构件个构件, 2-6 计算自由度时应注意的问题计算自由度时应注意的问题两个以上构件两个以上构件(含机架含机架)在同一轴线上构成在同一轴线上构成的多个转动副，称为复合铰链。的多个转动副，称为复合铰链。123123则有则有 m1 个转动副。个转动副。【例【例4 】 重新重新计算火车轮机构的自由度计算火车轮机构的自由度【解解】n = 6PL =PH = 08F = 3n - 2PL - PH = 36 - 28 - 0= 21 154326AGFEDCB7099对机构的运动不起独立限制作用的重复约束。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。计算自由度时要去除掉。2.虚约束虚约束(消极约束消极约束)154326AGFEDCB7D4D3154326AGFECB7BFD15326AGEC74【解解】n = 5 PL = 7F = 3n - 2PL - PH =1PH = 0= 35 - 27 - 0 （1）两构件构成多个运动副）两构件构成多个运动副12（a）12（b）出现虚约束的场合出现虚约束的场合(重点、难点重点、难点)两构件组成多个移动副，两构件组成多个移动副，导路导路重合或平行重合或平行。 两构件组成多个转动副两构件组成多个转动副，同轴同轴。1212两构件构成高副，两处接触，两构件构成高副，两处接触，法线重合法线重合。n1n1n2n2BAn1n1n2n2等宽凸轮等宽凸轮注意注意：法线不重合时，变成实际约束！：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。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、例如火车轮机构、椭圆仪椭圆仪。 （3） 联接点与被联接点轨迹重合联接点与被联接点轨迹重合D DA AC CB B(4) 对运动不起作用的对称部分。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。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。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。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。增加机构的刚度：例如轴与轴承、机床导轨。虚约束的作用：虚约束的作用：【解解】【例例5】计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。n = 3 PL = 3F = 3n - 2PL - PH =2PH = 1= 33 - 23 - 1 1243偏置直动滚子推杆凸轮机构偏置直动滚子推杆凸轮机构3.局部自由度：局部自由度：不影响机构输入输出关系的自由度。不影响机构输入输出关系的自由度。F = 1 1243124312345678ACDEFB【例例6 6】计算图示机构的自由度。计算图示机构的自由度。n = 7 PL =PH = 0F = 3n - 2PL - PH =110【解解】= 37 - 210 - 0 例例7：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并：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。判断该机构是否有确定运动。解：解：复合铰链：复合铰链：D包含包含2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=2虚约束：杆虚约束：杆8及转动副及转动副F、I引引入入1个虚约束。个虚约束。计算自由度前直接去除虚约计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：束和局部自由度： n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1例例 8、 如图所示，已知：如图所示，已知： DE=FG=HI，且相互，且相互平行；平行；DF=EG，且相互平行；，且相互平行；DH=EI，且相互，且相互平行。计算此机构的自由度平行。计算此机构的自由度 (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）。ADECHGFIBK1234567891111283231;11;8HHLPPnFPPnL复合铰链复合铰链ADECHGFIBK123456789虚约束虚约束局部自由度局部自由度AOCBHDGIFECDABGFoE1 2-7 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析1杆组杆组（基本杆组、基本组、基本杆组、基本组、Assur group组）组）832F=17456F=1F=0F=0原原动动件件杆杆组组杆杆组组定义：定义：F=0 不可再分的构件组。不可再分的构件组。结构公式：结构公式：F=3n 2PL PH = 3n 2PL = 0 PL3n/2分类分类(a)级组级组(n=2，PL=3)PL3n/2(a)RRR(f)PRP(h)PPR(d)RPR(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(c)(b)RRPPL3n/2级组只有级组只有5种，不是种，不是9种种(e)(d)RPR(c)(b)RRPPL3n/2(g)(f)PRP(i)(h)PPR外外接接副副外外接接副副R 转动副（转动副（Revolute pair）P 移动副（移动副（Prismatic pair）内内接接副副外外接接副副外外接接副副(b)RRP内内接接副副级组的结构特征级组的结构特征（记住）：（记住）：两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接。两个含有外接副的构件直接（用运动副）联接。PL3n/2（b） 级组级组(n=4，PL=6)级组基本型级组基本型级组其它型举例级组其它型举例中心构件中心构件PL3n/2级组基本型级组基本型级组其它型举例级组其它型举例级组的结构特征级组的结构特征（记住）：（记住）：三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。三个含有外接副的构件与同一构件（用运动副）联接。原理的限定条件原理的限定条件:平面低副机构；连架杆为原动件。平面低副机构；连架杆为原动件。 原动件画法原动件画法：1个机架、个机架、1个活动构件、个活动构件、1个低副、个低副、1个箭头，一个都不能少。个箭头，一个都不能少。2.平面机构组成原理：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。联接到原动件、机架或前一个基本组而形成的。基本组的联接基本组的联接 结构综合的杆组法结构综合的杆组法( (理解理解) )给定自由度（原动件）数目和类型，用不同数目、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。不同类型的基本组去联接，可得到新机构。1个构件个构件1个构件个构件注意：注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。3.机构的结构分析机构的结构分析正确拆分杆组正确拆分杆组; ;判断机构级别。判断机构级别。目的目的步骤步骤（5）验证：每拆出一个杆组后，余下部分必须是）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。一个自由度为零的构件组合或杆组。（1）计算）计算F；确定原动件；去掉虚约束、局部自；确定原动件；去掉虚约束、局部自由度；注意复铰。由度；注意复铰。（2）如果机构中有高副，应高副低代。）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。）拆出机构的原动件和机架，剩下从动件组合。（4）根据）根据杆组的结构特征杆组的结构特征对从动件组合依次拆组。对从动件组合依次拆组。机构的级别：机构的级别：机构所含基本组的最高级别为机构的级别；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，级机构为简单机构，级以上机构为复杂机构。级以上机构为复杂机构。不含基本组的机构为不含基本组的机构为级机构；级机构；分组的分组的3 3个常识个常识（1）分组的目的：为运动、动力分析服务。）分组的目的：为运动、动力分析服务。xyR1R2R3OBCDR4（2）运动分析时：外接副的运动是已知的。）运动分析时：外接副的运动是已知的。 xyR1R2R3R4OBCD（3）运动分析时：）运动分析时：级组有精确解；级组有精确解；1CDOBEAF级以上组只有近似解。级以上组只有近似解。（3）运动分析时：）运动分析时：级组有精确解；级组有精确解；