第2章-机构结构分析..ppt

《第2章-机构结构分析..ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章-机构结构分析..ppt（50页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、本章教学目的本章教学目的 了了解解机机构构的的组组成成，搞搞清清运运动动副副、运运动动链链、自自由由度度等概念；等概念；能绘制常用机构的机构运动简图；能绘制常用机构的机构运动简图；能计算平面机构的自由度；能计算平面机构的自由度；了解平面机构组成的基本原理；了解平面机构组成的基本原理；掌握机构结构分析的方法。掌握机构结构分析的方法。第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析本章教学基本内容本章教学基本内容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2-5 平面机构平面机构的的自由度自由度2-7 机构的组成原理和机构分析

2、机构的组成原理和机构分析2-1 2-1 概述概述 机构具有确定运动的条件：分析和综合都是重要的，需要计算和分析确定机构运动简图的绘制：工程技术人员必备技能 平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构 了解机构的组成原理和机构结构分类二、运动副及其分类二、运动副及其分类 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的接触接触部分。部分。从制造加工角度：机械由零件组成从制造加工角度：机械由零件组成 零件零件制造单元体制造单元体 从运动和功能实现角度：从运动

3、和功能实现角度：构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体2-2 2-2 机构的组成机构的组成注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接一、构件一、构件运动副元素不外乎运动副元素不外乎为点、线、面。为点、线、面。1.构件的自由度构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。以以 f 表示。表示。2.约束：约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。约束数以约束数以s表示。表示。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少

4、的数目。运动副引入的约束数：运动副引入的约束数：最少为最少为1个，个，最多为最多为5个。个。运动副的自由度：运动副的自由度：f=6s 构件自由度与约束构件自由度与约束构件自由度与约束构件自由度与约束1.按运动副相对运动形式分按运动副相对运动形式分 运动副分类运动副分类转动副转动副移动副移动副螺旋副螺旋副球面副球面副 2.按运动副引入的约束数分：按运动副引入的约束数分：X级运动副：指引入级运动副：指引入X个约束的运动副。个约束的运动副。级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副级副级副级副级副级副级副级副3.按运动副接触形式分按运动副接触形式分 低副低副:两构件通过面接触而构成的两构件

5、通过面接触而构成的运动副统称为低副运动副统称为低副;高副高副:凡两构件系通过点或线接触凡两构件系通过点或线接触而构成的运而构成的运 动副统称为高副动副统称为高副;124.按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分:平面运动副平面运动副:指构成运动副的两指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的构件之间的相对运动为平面运动的运动副运动副;空间运动副空间运动副:指构成运动副的两指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。构件之间的相对运动为空间运动。常用运动副的符号常用运动副的符号常用运动副的符号（续）常用运动副的符号（续）三、运动链三、运动链 运动链运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构

6、成的相对可指两个以上的构件通过运动副联接而构成的相对可动系统。动系统。闭链闭链:运动链运动链的各构件构成首的各构件构成首尾封闭的系统。尾封闭的系统。开链开链:运动运动链的各构件未链的各构件未构成首尾封闭构成首尾封闭的系统。的系统。平面运动链平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。各构件间的相对运动为平面运动的运动链。空间运动链空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链各构件间的相对运动为空间运动的运动链。空间运动链空间运动链 四、机构四、机构机构机构:在运动链中将一构在运动链中将一构件加以固定件加以固定,各构件之间都各构件之间都具有确定的运动，则运动链具有确定的运动，则运动链便

7、成为机构。便成为机构。机架：机构中固定不动构件。机架：机构中固定不动构件。平面机构平面机构:机构中各构件间的相对运动为平面运动。机构中各构件间的相对运动为平面运动。空间机构空间机构:机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。机架机架原动件原动件原动件原动件:机构中按已知给定机构中按已知给定的运动规律独立运动的构件。的运动规律独立运动的构件。从动件从动件:机构其余活动构件。机构其余活动构件。2-3 2-3 机构运动简图机构运动简图 机构运动简图机构运动简图 指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况,不要求严格地按比例而不要求严格地按比例而绘制的简图。绘制的简图。

8、机构运动简图机构运动简图：指根据机构的运动尺寸指根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定按一定的比例尺定出各运动副的位置出各运动副的位置,并用国标规定的简单线条和符号代表构并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。机构示意图机构示意图 常用运动副和构件的表示方法常用运动副和构件的表示方法为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。运动尺寸有关。一一般般构构件件的的表表示示方方法法常用机构运动简图符号常用机构

9、运动简图符号常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号(续）续）例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个构件和个构件和7个转个转动副。动副。123456 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法例题二、图示为一冲床。绕固定中心例题二、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为为原动件，与滑块原动件，与滑块2在在B点铰接，滑块点铰接，滑块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转动，拨叉转动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4转动时，通转动时，通过连杆过连杆5使冲头使冲头6实现冲压运动。试绘制

10、其机构运动简图。实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：123456:1.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。目。2.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目运动的性质，确定运动副的类型和数目;3.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平

11、面相平行的平面作为投影面。运动平面相平行的平面作为投影面。4.选择适当的比例尺选择适当的比例尺,定出各运动副之间的相对位置，定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号用规定的简单线条和各种运动副符号,将机构运动简将机构运动简图画出来。图画出来。小结：小结：实例分析实例分析 四杆机构动画四杆机构动画给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。其余构件有确定运动。机构中给定机构中给定独立运动参数的独立运动参数的构件为原动件。构件为原动件。问题：取运动链中某个构件为机架，其余问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动构件在什么条件下才具有

12、确定运动？2-4 机构机构具有确定运动的条件具有确定运动的条件 结论结论机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为：机构自由度机构自由度F 0,机构原动件数机构原动件数=机构自由度数机构自由度数五杆机构五杆机构给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必须给定的独立运机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。动参数的数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构有确定运动。假设平面机构有假设平面机构有n个活动构件：个活动构件：3n个自由度个自由度有有Pl个低副和个低

13、副和Ph个高副：个高副：平面自由构件：平面自由构件：3个自由度个自由度平面低副：引入平面低副：引入2个约束个约束平面高副：引入平面高副：引入1个约束个约束平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：引入约束引入约束分析：分析：2-5 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算自由度计算实例分析自由度计算实例分析 F=3n-2 Pl Ph=34-25-0=2F=3n-2 pl ph=33-24-0=1四杆机构四杆机构五杆机构五杆机构1）复合铰链复合铰链 实例分析实例分析1：计算图示直线机构自由度：计算图示直线机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=37-26-0=9解：解：F=3n-2

14、 pl ph=37-210-0=12-6 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个。个。一、正确计算运动副的数目两构件在几处接触两构件在几处接触而构成移动副且导路而构成移动副且导路互相平行或重合。互相平行或重合。两个构件组成在几处两个构件组成在几处构成转动副且各转动副构成转动副且各转动副的轴线是重合的。的轴线是重合的。只有一个运动副起约束只有一个运动副起约束作用作用,一个低副。一个低副。2）.

15、两构件在几处接触而构成低副两构件在几处接触而构成低副3）若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各不重合，将提供各2个约束，个约束，相当一个低副相当一个低副。一个平面高副一个平面高副复合高副，相当一个低副复合高副，相当一个低副实例分析实例分析2：计算图示凸轮机构自由度：计算图示凸轮机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=33-23-1=2F=3n-2 pl ph-F =33-23-1-1=1方法二：假想构件方法二：假想构件2 2和和

16、3 3焊成一体焊成一体F=3n-2 pl ph=32-22-1=1 二、二、局部自由度局部自由度 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动动,把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用F表示表示.注意：计算机构自由度时注意：计算机构自由度时,应将局应将局部自由度除去不计。部自由度除去不计。方法一：方法一：指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些约束指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用对机构运动实际上起不到独立的约束作用,这些对机构运这些对机

17、构运动实际上起重复约束作用的约束称为虚约束，用动实际上起重复约束作用的约束称为虚约束，用P表示。表示。三、三、虚约束虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。将因虚约束而减少的自由度再加上。将因虚约束而减少的自由度再加上。即：即：F=3n-2 pl ph+P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引起虚约束的附加构件和运动副数。F=3n-2 pl ph去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：F=3n-2 pl ph=34-26-0=0虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：1.机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合

18、,则该则该联接引入联接引入1个虚约束个虚约束;正确计算：正确计算：将因虚约束而减少的自由度再将因虚约束而减少的自由度再加上。加上。F=3n-2 pl ph+P =34-26-0+1=1不计引起虚约束的附加构件和不计引起虚约束的附加构件和运动副数。运动副数。F=3n-2 pl ph=33-24-0=1F=3n-2 pl ph=33-24-0=1F=3n-2 pl ph=34-26-0=0 分析：分析：E3和和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算：正确计算：F=3n-2 pl ph+P=34-26-0+1=13.某些不影响机构某些不影响机构运动的对称部分或运动的对称

19、部分或重复部分所带入的重复部分所带入的约束为虚约束。约束为虚约束。2.机构运动过程中机构运动过程中,某某两构件上的两点之间的两构件上的两点之间的距离始终保持不变距离始终保持不变,将此将此两点以构件相联两点以构件相联,则将带则将带入入1个虚约束。个虚约束。小结小结复合复合铰链处有铰链处有m个构件则有个构件则有(m-1)个转动副个转动副两构件在几处接触而构成重复的低副：两构件在几处接触而构成重复的低副：1个个低副低副 两构件接触而构成公法线重合的高副：两构件接触而构成公法线重合的高副：1个个高副；否则高副；否则1个低副个低副 正确计算正确计算运动副数运动副数 局部自由度局部自由度常发生在为减小高副

20、磨损而将滑动摩擦常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。由度减去。虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，典型例题一：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。并判断该机构是否有确定运动。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

21、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:p=1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：计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析 n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1 n=9 pl=11 ph=3 F=3n-2pl-ph+p-F=1典型例题二：计典型例题二：计 算算 图图 示示 机机 构构 的的 自自 由由 度，度，如如 有有 复复 合合 铰铰 链、链、局局 部部 自自 由由 度度 和和 虚虚 约约 束，需束，需 明明 确确 指指 出。出。画画 箭箭 头头 的的 构构 件件 为为 原原 动动 件

22、。件。复合铰链复合铰链解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析典型例题二（续）典型例题二（续）复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析一、机构的组成原理一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：自由度数自由度数=原动件数原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆分的自由度为零的构件基本杆组：把机构中最后不能再拆分的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。组称为机构的基本杆组。2-7 2-7 机构的组成原理及

23、结构分析机构的组成原理及结构分析1.杆组杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组自由度为零的杆组对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副 基本杆组的分类基本杆组的分类 根据根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2,pl=3的双杆组：又叫的双杆组：又叫级杆组级杆组 常见常见级杆组的形式为级杆组的形式为n和和pl为整数为整数n=2,4,6PL=3，6，9（2）n=4,pl=6的杆组，称为的杆组，称为级杆组级杆组

24、特征为杆组中具有一个三副构件。特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为常见的三种形式为（3）更高级别的杆组）更高级别的杆组 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。2.2.机构的组成原理机构的组成原理动画演示动画演示机构组成过程机构组成过程 机构创新设计应遵循的原则机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构要求

25、的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。件数和运动副数越少越好。二、平面机构的结构分类二、平面机构的结构分类 II级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。级的机构。III级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。级组的机构。级机构级机构 只由机架和原动件组成的机构称为只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。级的机构。（杠杆机构、斜面机构）（杠杆机构、斜面机构）机构结构分类的依据：机构结构分类的依据：根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。结构分析目

26、的结构分析目的 三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析 了解机构的组成，确定机构的级别。了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。结构分析的过程结构分析的过程拆杆组拆杆组 从离原动件最远的构件开始试拆，先拆从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不级组，若不成，再拆成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。为止。杆组拆分原则杆组拆分原则 机构结构分析步骤机构结构分析

27、步骤典型例题典型例题1：试确定图示机构级。试确定图示机构级。1、正确计算机构的自由度；、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。、最后定出机构的级别。杆组拆分示例杆组拆分示例 平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。高副低代的含义高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用根据一定条件对

28、平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。低副来代替的方法。高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。四四 平面机构的高副低代平面机构的高副低代高副低代方法高副低代方法 结论结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两转动副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。转动副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。分析：分析：高副：提供高副：提供1个约束个约束低副：提供低副：提供2个约束个约束不能直接用低副来代替，如不能

29、直接用低副来代替，如何进行高副低代？何进行高副低代？高副两元素均为圆弧高副两元素均为圆弧高副元素为非圆曲线高副元素为非圆曲线高副两元素之一为直线高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点高副两元素之一为一点因其曲率半径为零，其中一因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。个转动副就在该点处。因其曲率中心在无穷远处，则其中的因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；一个转动副变为移动副；动画演示动画演示动画演示动画演示 典型例题一典型例题一：试确定图示高副机构的级别。：试确定图示高副机构的级别。典型例题二：计典型例题二：计 算算 图图 示示 机机 构构 的的 自自 由由 度，并分度，

30、并分析机构组成情况析机构组成情况 。画画 箭箭 头头 的的 构构 件件 为为 原原 动动 件。件。解：解：1.1.分析分析复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链2.2.计算自由度计算自由度去除需约束和局部自由度后机构简图去除需约束和局部自由度后机构简图3.3.高副低代高副低代 平面机构的高副低代（续）平面机构的高副低代（续）典型例题二（续）：典型例题二（续）：4.结构分析结构分析二级机构二级机构 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构原动件数机构原动件数=机构自由度数机构自由度数F=3n-(2 pl+ph)=3n-2 pl-ph 计算计算机构自由度

31、应注意的事项机构自由度应注意的事项 运动副数目、局部自由度、虚约束运动副数目、局部自由度、虚约束 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算第第2 2章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图构件、运动副、运动链、机构构件、运动副、运动链、机构本章小结本章小结 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。结构分类及结构分析结构分类及结构分析 注意杆组拆分原则注意杆组拆分原则 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代代替条件：代替条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。率中心。