第2章機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)分析

第2章機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容構(gòu)件、運動副、運動鏈、機構(gòu)的概念；機構(gòu)運動簡圖；機構(gòu)自由度的計算及機構(gòu)具有確定運動的條件，計算自由度時的幾個本卷須知；平面機構(gòu)的組成原理與結(jié)構(gòu)分析。根本要求了解機構(gòu)的組成，搞清運動副、運動鏈、約束和自由度等根本概念；能繪制常用機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖；能計算平面機構(gòu)的自由度；

理解平面機構(gòu)的組成原理，能對平面機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。1精選ppt

2.1.1構(gòu)件機械的獨立運動單元，傳遞運動和力的載體。實例：內(nèi)燃機中的缸體、活塞、連桿、曲軸等。內(nèi)燃機連桿2.1機構(gòu)的組成2精選ppt

一個構(gòu)件大多由幾個零件剛性連接組成。實例：連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺母、連桿襯套等相互剛性連接組成。連桿體連桿蓋螺栓墊圈螺母連桿襯套軸瓦零件是機械的制造單元。3精選ppt2.1.2運動副兩個構(gòu)件以一定幾何形狀和尺寸的外表相互接觸所形成的可動連接。運動副元素—兩個構(gòu)件上相互接觸而構(gòu)成運動副的外表。約束—運動副對構(gòu)件間的相對運動自由度所施加的限制。(avi)運動副元素4精選ppt機構(gòu)是由運動副逐一連接各個構(gòu)件組成的。(avi)(avi)5精選ppt特點具有較多的自由度，易于構(gòu)件的自動調(diào)整，保持靜定特性。接觸應(yīng)力大，易變形、易磨損、承載能力低。制造比較困難。適用場合結(jié)構(gòu)簡單，運動精度要求較高，受力較小。構(gòu)件的不同接觸形式點接觸

點接觸，f

5,s

1線接觸，f

4,s

2線接觸6精選ppt面接觸

特點相當(dāng)于多點接觸，承載能力較高，應(yīng)用廣泛。運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準(zhǔn)確確定，需要較高的制造精度。保證運動副可靠工作的措施●提高外表硬度●正確選用材料●添加潤滑劑●參加中間體,將滑動摩擦改為滾動摩擦7精選ppt運動副的分類●按運動副引入的約束數(shù)分類I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。●按運動副的接觸形式分類面與面接觸的運動副—低副點、線接觸的運動副—高副●按兩構(gòu)件相對運動的形式分類平面運動副空間運動副●按接觸局部的幾何形狀分類圓柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圓柱副、圓柱–平面副等等。8精選ppt柱面高副(avi)

★運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。球面高副(avi)9精選ppt移動副(avi)球面低副(avi)回轉(zhuǎn)副(avi)★運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。10精選ppt螺旋副(avi)圓柱套筒副(avi)★空間運動副球銷副(avi)11精選ppt

★平面運動副——應(yīng)用最廣泛。平面運動副的約束數(shù)為1

s

2A.低副移動副(avi)轉(zhuǎn)動副(avi)齒輪副(avi)凸輪副(avi)B.高副12精選ppt運動副的封閉

保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉?！?/p>

幾何封閉

●

力封閉彈簧力封閉重力封閉幾何封閉13精選ppt常用運動副的符號運動副符號兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副轉(zhuǎn)動副移動副121212121212212121平面運動副兩構(gòu)件之一為固定時的運動副121222112211222112運動副名稱14精選ppt平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運動副122112平面運動副2115精選ppt

2.1.3運動鏈

構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。開式運動鏈(avi)閉式運動鏈(avi)開式運動鏈廣泛應(yīng)用于機械手和機器人中。16精選ppt2.1.4機構(gòu)

運動鏈中的某一構(gòu)件加以固定成為機架，稱此運動鏈為機構(gòu)。其余構(gòu)件運動是否確定？機構(gòu)滿足條件在另一個（或幾個）構(gòu)件上加上已知運動21341432運動鏈

4132固定一個構(gòu)件機構(gòu)(avi)17精選ppt曲柄滑塊機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)

運動鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機構(gòu)的重要手段。運動鏈的設(shè)計只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和連接這些構(gòu)件的運動副的數(shù)量和類型，所以又稱為機構(gòu)的型數(shù)綜合。

同一運動鏈可以生成的不同機構(gòu)431CAB21423ABC1432ABCAB124318精選ppt至少1個1個

構(gòu)件的類型原動件—機構(gòu)中按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)件，也稱為輸入構(gòu)件。從動件—其余的可動構(gòu)件。具有預(yù)期的運動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構(gòu)件或執(zhí)行構(gòu)件。機架—固定不動的構(gòu)件。機構(gòu)機架

原動件

從動件系統(tǒng)19精選ppt

根據(jù)機構(gòu)中各構(gòu)件的相對運動是否在同一平面或平行平面內(nèi)，可將機構(gòu)分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)。空間RSRC機構(gòu)球面4R機構(gòu)空間RSSP機構(gòu)平面機構(gòu)是我們的主要研究對象。20精選ppt

2.2.1.機構(gòu)運動簡圖的定義

機構(gòu)運動簡圖是從運動學(xué)角度出發(fā)，將實際機械中與運動無關(guān)的因素加以抽象和簡化后，得到的反映實際機械的運動特性和運動傳遞關(guān)系的圖形。機構(gòu)運動簡圖應(yīng)滿足的條件：

⑴構(gòu)件數(shù)目與實際機構(gòu)相同；⑵運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際機構(gòu)相符；⑶運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比例。

機構(gòu)示意圖為不嚴(yán)格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的結(jié)構(gòu)特征。2.2機構(gòu)運動簡圖21精選ppt構(gòu)件的表示方法

桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件22精選ppt三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

構(gòu)件的表示方法23精選ppt

畫構(gòu)件時應(yīng)撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運動副的性質(zhì)。24精選ppt常用機構(gòu)運動簡圖符號〔摘自GB/T4460-1984〕在機架上的電機齒輪齒條傳動圓錐齒輪傳動帶傳動25精選ppt鏈傳動圓柱桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動常用機構(gòu)運動簡圖符號〔續(xù)〕26精選ppt常用機構(gòu)運動簡圖符號〔續(xù)〕內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動棘輪機構(gòu)27精選ppt2.2.2繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟1.分析機構(gòu)的運動路線在繪制機構(gòu)運動簡圖時，首先確定機構(gòu)的原動件和執(zhí)行件，兩者之間為傳動部份，由此確定出組成機構(gòu)的所有構(gòu)件；構(gòu)件之間的是連接，即運動副，從而確定構(gòu)件間運動副的類型。2.選擇適宜的投影面一般選擇與多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同局部選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上。3.保證運動副之間的相對位置——準(zhǔn)確性選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，根?jù)機構(gòu)的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，然后用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構(gòu)件上的運動副符號用簡單線條連接起來——機構(gòu)的運動簡圖。28精選ppt繪制破碎機機構(gòu)的運動簡圖選取比例尺μl

(avi)29精選ppt試?yán)L制該機構(gòu)運動簡圖(avi)30精選ppt1.機構(gòu)的自由度計算機構(gòu)的自由度—機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)〔廣義坐標(biāo)〕的數(shù)目。

2.3機構(gòu)自由度的計算空間運動31精選ppt

平面機構(gòu)，其自由度計算公式為：空間機構(gòu)自由度：構(gòu)件總自由度6nI級副約束數(shù)p1II級副約束數(shù)2p2III級副約束數(shù)3p3IV級副約束數(shù)4p4V級副約束數(shù)5p5考察由N個構(gòu)件組成的機構(gòu)，活動構(gòu)件數(shù)

n=N-1。32精選ppt機構(gòu)自由度計算舉例例1縫紉機腳踏板機構(gòu)自由度計算例2

曲柄滑塊機構(gòu)自由度計算分析：n

3，p5

2，p4

1，p3

1計算：F

6

3

(3

1

4

1

5

2)

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。

分析：n

3，pL

4，pH

0計算：F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。

曲柄滑塊機構(gòu)1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板機構(gòu)33精選ppt

2.

機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)能否具有確定的運動，是提出新的設(shè)計方案時，自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

5

1約束過多，成為超靜定桁架，不能運動。

F

3n

2pL

pH

3

2

2

3

0為一剛性桁架，不能運動。

機構(gòu)具有確定運動的首要條件：機構(gòu)自由度必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件機構(gòu)1243ADBCE平面四構(gòu)件機構(gòu)34精選ppt

在F

0的條件下，進一步判斷機構(gòu)是否具有確定的運動。

平面五桿機構(gòu)

F

3n

2pL

pH

3

4

2

5

2原動件數(shù)

F,機構(gòu)內(nèi)部的運動關(guān)系不確定。機構(gòu)沒有確定運動。

原動件數(shù)

F,機構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。

機構(gòu)有確定運動。35精選ppt

平面四桿機構(gòu)

F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1原動件數(shù)

F，機構(gòu)內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。機構(gòu)沒有確定運動。

原動件數(shù)

F，機構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。

機構(gòu)有確定運動。36精選ppt

機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件的數(shù)目等于機構(gòu)的自由度的數(shù)目。

當(dāng)機構(gòu)不滿足這個條件時：〔1〕如果機構(gòu)的原動件數(shù)小于機構(gòu)的自由度數(shù)，機構(gòu)的運動不確定；〔2〕如果原動件數(shù)大于機構(gòu)的自由度數(shù)，將導(dǎo)致機構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)損壞。

結(jié)論37精選ppt

3.計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題

舉例直線機構(gòu)自由度計算

解

n

7，pL

6，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

6

9錯誤的結(jié)果！12345678ABCDEF(avi)38精選ppt

計算錯誤的原因：12345678ABCDEF兩個轉(zhuǎn)動副(avi)(avi)39精選ppt

●復(fù)合鉸鏈

定義：兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副連接所構(gòu)成的運動副。k個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，有(k-1)個轉(zhuǎn)動副。

12345678ABCDEF

正確計算

B、C、D、E處為復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)均為2。

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

140精選ppt

準(zhǔn)確識別復(fù)合鉸鏈舉例關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副1231342123441321432312兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副41精選ppt

未考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2●局部自由度

定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運動有關(guān)、并不影響其他構(gòu)件運動的自由度。

考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。

設(shè)想將滾子與從動件焊成一體F

3

2

2

2

1

1計算時減去局部自由度FP

F

3

3

2

3

1

1(局部自由度)

1(avi)42精選ppt●虛約束定義：機構(gòu)中不起獨立限制作用的重復(fù)約束。(avi)(avi)43精選pptF=3n-2pL=3x4-2x6=0???CB311DMN245AF=3n-2pL=3x3-2x4=131DC24BA(avi)(avi)計算具有虛約束的機構(gòu)的自由度時，應(yīng)先將機構(gòu)中引入虛約束的運動副或運動鏈局部除去。44精選ppt常見的虛約束有以下幾種情況:1)當(dāng)兩構(gòu)件組成多個移動副，且其導(dǎo)路互相平行或重合時，那么只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。帶虛約束的凸輪機構(gòu)EE'(avi)45精選ppt帶虛約束的曲軸2)當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互相重合時，那么只有一個轉(zhuǎn)動副起作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。(avi)46精選ppt3)如果機構(gòu)中兩活動構(gòu)件上某兩點的距離始終保持不變，此時假設(shè)用具有兩個轉(zhuǎn)動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，那么將會引入一個虛約束。F=3n-2p-p=3*4-2*6=0???帶虛約束的桿機構(gòu)(avi)47精選ppt4)機構(gòu)中對運動起重復(fù)限制作用的對稱局部也往往會引入虛約束。帶虛約束的行星輪系2'2"231(avi)48精選ppt

虛約束的作用⑴改善構(gòu)件的受力情況，分擔(dān)載荷或平衡慣性力，如多個行星輪。⑵增加結(jié)構(gòu)剛度，如曲軸與軸承、機床導(dǎo)軌。⑶提高運動可靠性和工作的穩(wěn)定性，如機車車輪聯(lián)動機構(gòu)。注意：機構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，那么虛約束將變成實際有效的約束，從而使機構(gòu)不能運動。49精選pptB2I9C3A1J6H87DE4FG5例3計算包裝機送紙機構(gòu)的自由度

分析活動構(gòu)件數(shù)A1B2C3J6G5H89IFn

9復(fù)合鉸鏈虛約束運動副D1處

去掉局部自由度和虛約束局部自由度n

6，pL

7，pH

3滾子3、8繞自身軸線的轉(zhuǎn)動7ED42個轉(zhuǎn)動副桿9和運動副F、I引入一個虛約束F

3n

2pL

pH

3

6

2

7

1

3

150精選ppt2.4平面機構(gòu)的組成原理與結(jié)構(gòu)分析2.4.1.平面機構(gòu)的組成原理——根本桿組法根本思路驅(qū)動桿組根本桿組

機構(gòu)由原動件和機架組成，自由度等于機構(gòu)自由度不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合核心問題：如何獲得各種F0的根本桿組？51精選ppt機構(gòu)都是由機架、原動件和從動件組構(gòu)成的。機架原動件從動件組52精選ppt從動件組當(dāng)把該機構(gòu)的機架和原動件拆去后，那么余下的從動件組為：這個從動件組的自由度為零，即：n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=0這個從動件組還可以分解成假設(shè)干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。53精選ppt分解？？還能進一步分解嗎？？？還能進一步分解嗎？n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=2,Pl=3F=3n－2Pl=3*2-2*3=0n=4,Pl=6F=3n－2Pl=3*4-2*6=054精選ppt這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。通常把這樣的從動件組稱為：根本桿組根本桿組的概念非常重要，它是機構(gòu)分析的重要的理論根底。機構(gòu)的組成原理：任何機構(gòu)都可以看作是由假設(shè)干個根本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的。55精選ppt如果根本桿組的運動副全為低副，那么根本桿組自由度的計算公式為：

由于活動構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)Pl都必須是整數(shù)，所以n應(yīng)是2的倍數(shù)，Pl應(yīng)是3的倍數(shù)。也就是說，在一個根本桿組中，其構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)有以下關(guān)系：n=2,Pl=3n=4,Pl=6n=6,Pl=9F=3n-2Pl=0n=2Pl/3

2.4.2平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類

56精選ppt

⑴n

2，pL

3的雙桿組(II級組)內(nèi)接運動副外接運動副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組57精選ppt⑵n

4，pL

6的多桿組①III級組

結(jié)構(gòu)特點有一個三副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所連接的分支構(gòu)件是兩副構(gòu)件。58精選ppt②IV級組

不同級別的桿組，其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同，從而決定了由它們所構(gòu)成的機構(gòu)可能實現(xiàn)的運動規(guī)律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。常用II級組和III級組結(jié)構(gòu)特點具有兩個三副構(gòu)件，桿組的四個內(nèi)副形成四邊形。59精選ppt例：牛頭刨床主機構(gòu)的組成原理牛頭刨床主機構(gòu)3C245BADE163C245BADE16a)3C2BA1645DEb)(avi)60精選ppt2.4.3平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析在對已有的機構(gòu)或已設(shè)計完畢的機構(gòu)進行運動分析和力分析時，通常需要對機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。問題核心正確劃分出機構(gòu)組成的根本桿組

步驟⑴計算機構(gòu)的自由度，確定原動件。⑵從傳動關(guān)系上離原動件最遠(yuǎn)的輸出構(gòu)件開始，依次進行試拆。試拆時，先按II級組試拆，假設(shè)無法撤除，再試拆高一級別的桿組。⑶按所有根本桿組中的最高級別桿組確定該機構(gòu)的類別，作為對機構(gòu)進行運動分析和受力分析時，選擇相應(yīng)方法的依據(jù)。61精選ppt

機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析舉例EF45GIH67J

BC2D3A1871245683GEFJIHABCD

機構(gòu)級別III級機構(gòu)III級組II級組62精選ppt5IH7G

BC2A1

機構(gòu)級別II級機構(gòu)注意機構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。71245683GEF