《机构的结构设计》PPT课件.ppt

第一节机构的结构及简图,一、构件与自由度,（二）构件的自由度,（一）构件的定义：独立运动单元（刚体）。,自由度的定义：独立运动参数的个数。,第一章机构的结构设计,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。,球面副,二、运动副与约束,(一）运动副与约束的概念,运动副：两个构件直接接触组成的可动联接。,运动副作用:提供约束。,约束:对运动所加的限制。,例如：球面副提供3个约束：sx、sy、sz；保留3个自由度：x、y、z。,（二）运动副元素构件上参与接触的几何元素。,（三）运动副的构成关系设：f为运动副保留的自由度；s为运动副提供的约束；则：空间运动副：s+f=6；平面运动副：s+f=3。,（四）约束反力运动副提供的约束与约束反力一一对应。,FX,Fy,Fz,（五）运动副设计,（六）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。,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。,5.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。,1个平面高副引入1个约束。,三、运动副的封闭方法,2.力封闭,1.几何封闭,封闭方法：保持运动副元素之间接触的方法。,四、运动链、机构及简图,1.运动链：两个以上构件用运动副联接而成的系统。,（一）运动链与结构简图,2.运动链结构简图：用规定的运动副符号和简单的几何图形表示的运动链图形。,3.结构简图表示的3要素：运动副的类型与数目；构件数目；连接关系。,4.常见运动副的规定符号:国标GB446084,5.构件的表示方法简单线条或几何图形,（二）运动链的分类,1.闭式运动链(闭链)：运动链是封闭图形。,2.开式运动链(开链)：运动链是开放图形。,闭链没有一元素杆。,开链至少有1个一元素杆。,术语：N元素杆含N个运动副的构件。,（三）运动链的自由度,2.运动链的自由度：运动链（运动确定时）独立运动参数的数目。,1.运动确定：各构件相对于运动链中某个构件具有确定的位置和姿态（简称位姿）。,F=1的闭链,1,2,3,4,A,C,B,D,1,F=3的开链,1,2,3,4,A,C,B,D,1,2,3,（四）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。,（五）机构运动简图,1.机构运动简图用规定符号和简单几何图形表示的机构图形。,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)和运动副的类型。,（五）机构运动简图,2.机构运动简图表达1）运动副类型与数目；2）构件数目；3）各构件之间的连接关系；4）构件尺寸。,3.作用1）表示机构的结构类型和尺寸。2）作为运动分析和动力分析的依据。,机构示意图：不按比例绘制的简图；,机构运动简图：按精确比例绘制的简图。,4.常用机构运动简图符号,1）颚式破碎机,4.机构运动简图的绘制举例,A,B,E,D,C,F,G,2)绘制图示偏心泵的运动简图。,偏心泵,知识回顾,1个平面运动构件有()个自由度。,1个低副(转动副移动副)引入()个约束。,1个高副引入()个约束。,第二节运动链的自由度计算(重点),3,1,2,F=1,33,24,F=1,4,3,【引例】,设：,一、平面机构自由度的计算公式,F=3n-2PL-PH,有n个活动构件，,PL个低副，,PH个高副，,则,1,2,4,3,【例1-1】计算铰链五杆机构的自由度。,【解】n=,4,PL=,5,F=3n-2PL-PH,PH=,0,F=2,=34-25-0,=2,F=0：静定桁架,F=-1：超静定桁架,结论：F0，运动链可动。,F=1,1,2,3,4,A,C,B,D,F=1运动链给定1个原动件:,F=1运动链给定2个原动件:,运动确定。,损坏构件。,1,3,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。,二、机构具有确定运动的条件,原动件数=F0,1,【例教师1-2】计算火车轮机构的自由度。,【解】,n=,6,PL=,PH=0,8,F=3n-2PL-PH,=36-28-0,=2,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,D,C,B,7,（一）复合铰链(简称复铰),若有m个构件,三、虚约束、局部自由度及复合铰链,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,则有m1个转动副。,【例教师1-2】重新计算火车轮机构的自由度。,【解】,n=,6,PL=,PH=0,8,F=3n-2PL-PH,=36-28-0,=2,0,9,9,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。,（二）虚约束(消极约束),D4,D3,1,5,4,3,2,6,A,G,F,E,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。,（二）虚约束(消极约束),B,F,D,1,5,3,2,6,A,G,E,C,7,【解】,n=5,PL=7,F=3n-2PL-PH,=1,PH=0,=35-27-0,【例教师1-2】重新计算火车轮机构的自由度。,出现虚约束的场合(重点、难点),例如火车轮机构、椭圆仪。,1.联接点与被联接点轨迹重合,2.运动过程中，两构件上的两点距离始终不变。,3.复合运动副,1）复合移动副两构件组成多个移动副，导路重合或平行。,2）复合转动副：两构件组成多个转动副，同轴。,3）复合高副：两构件构成高副，两处接触，法线重合。,等宽凸轮,4.运动不起作用的对称部分。,4.运动不起作用的对称部分。,4.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：,【解】,【例教师1-5】计算图示机构的自由度。,n=3,PL=3,F=3n-2PL-PH,=2,PH=1,=33-23-1,（三）局部自由度不影响机构输入输出关系的自由度。,F=1,第三节平面运动链结构综合的公式法（了解）,表1-2F=1的48杆运动链的数目,结论：,（1）F=1时，运动链为偶数杆，最少杆数为4；,（2）4杆运动链只有1种类型；,（3）6杆运动链只有2种类型；,（4）8杆运动链共有16种类型。,F=1,F=1,F=0,F=0,原动件,杆组,杆组,一、平面低副机构的组成原理,第四节按基本杆组的机构结构设计与结构分析,一、平面低副机构的组成原理,第四节按基本杆组的机构结构设计与结构分析,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。,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。,1.定义：F=0不可再分的构件组。,二、杆组（基本杆组、基本组、Assur组）,2.结构公式：,F=3n2PLPH=3n2PL=0,PL3n/2,3.分类,(1)级组(n=2，PL=3),PL3n/2,外接副,外接副,R转动副（Revolutepair）P移动副（Prismaticpair）,内接副,外接副,外接副,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。,PL3n/2,（2）级组(n=4，PL=6),中心构件,PL3n/2,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。,PL3n/2,（3）级组(n=4，PL=6),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。,三、结构设计的杆组法(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。,注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。,四、运动副的高副低代(重点),O1,O2,A,B,1,2,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,高副低代举例,尖顶,高副低代举例,平底,平底,平底,【例教师1-3】,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1-3】,五、机构的结构分析,正确拆分杆组;,判断机构级别。,目的,机构的级别：,机构所含基本组的最高级别为机构的级别。,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。,【例教师1-4】对图示机构进行高副低代和结构分析。,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1.高副低代：,C,B,D,I,F,G,H,J,P,【解】1.高副低代：,【解】2.结构分析：（1）除去虚约束：,【解】2.结构分析：（2）拆出原动件和机架：,（3）拆组：,级机构,【解】以GH为原动件进行结构分析：,级机构,分组的3个常识,（1）分组的目的：为运动、动力分析服务。,R1,R2,R3,O,B,C,D,R4,（2）运动分析时：外接副的运动是已知的。,R1,R2,R3,R4,O,B,C,D,（3）运动分析时：,级组有精确解；,级以上组只有近似解。,（3）运动分析时：,级组有精确解；,所以，将级组划分成2个级组是教师的错误，,作业1-41-6,