机构结构分析

1、 第二章 机构的结构分析和综合 21 研究机构结构的目的22 机构的组成及其运动简图的绘制23 机构自由度的计算24 平面机构的组成原理和结构分析25 平面机构的结构综合21 研究机构结构的目的1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件 目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？2.绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。22 机构的组成及其运动简图的绘制一、机构的组成要素1.构件 (Link) 独立的运动单元 零件(part)独立的制造单元内燃机中的连杆 构件由零件组成2.运动副 (Kinematic pair)a)两个构件、b) 直接

2、接触、c) 有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：滚动轴承、齿轮齿廓、活塞与缸套等。定义： 运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。三个条件，缺一不可 运动副的分类1平面运动副 回转副 移动副 高副下一页2 空间运动副 球面副 螺旋副1、面接触接触比压低，承载能力大。 2、接触面为平面或柱面便于加工，成本 低，便于润滑。 3、引入二个约束。 运动副的特点1、点、线接触接触比压高， 承载能力小。高副 3、引入一个约束。2、接触面为曲面不便于加工和润滑。 常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副121212121212121212121

3、21212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副1212123. 运动链 (Kinematic chain)运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。工业机器人闭式链 (Close chain) 、开式链(Open chain)若干1个或几个1个4. 机构定义：具有确定运动的运动链中某一构件加以固定而成为机架称为机构 。机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构机架原动件从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构

4、呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 原（主）动件按给定运动规律独立运动的构件。从动件其余可动构件。三、机构运动简图的绘制1.机构运动简图 ( 运动副-符号, 构件-简单线条 , 按比例定出各运动副位置) 说明机构各构件间的相对运动关系的简化图形。作用： 1)表示机械的组成。 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2.构件的表示方法 杆、轴构件固定构件同一构件三副构件

5、两副构件 在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动3.常用机构运动简图符号 链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动3.机构运动简图应满足的条件： 1)构件数目与实际相同 2)运动副的性质、数目与实际相符 3)运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动 四杆机构 滑块机构 导杆机构正切机构1）先找首端原动件 再找尾端工作构件(确定构件数)2）确定各构件之间的运动副种类及位置 “两两分析相对运动”3）代表回转副的小圆，其圆心必须与相对运动 回转中心重合。代表移动副的滑块，其导路 方向必须与相对运动方向一致。4）比例、符号、线条、标号绘制机构运动简图

6、的方法：例1：绘制破碎机的机构运动简图。1234例2: 绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵 动画23 、机构具有确定运动的条件给定构件3位移规律S3(t)，一个独立运动参数构件1.2唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。 若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4 ，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数 。S3123S31123414机构的自由度是保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数。一个原动件只能提供一个独立运动参数机构具有确定运动的必要条件为：自由度(F)原动件数24 机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算公式yx(x , y)F = 3单个自由构件的

7、自由度为 3低副 引入二个约束。 高副 引入一个约束。活动构件数 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph (低副数) (高副数) 计算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：记住上述公式，并能熟练应用。举例：计算曲柄滑块机构的自由度。123解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数PH=04计算五杆铰链机构的自由度。1解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数PH=05234计算图示凸轮机构的自由度。1解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高

8、副数PH=1231.复合铰链 multiple pin joints 两个以上的构件在同一处以转动副相联。 m个构件,有m1转动副。三、计算机构自由度时应注意的事项12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL= 在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。F=3n 2PL PH =37 2100 =1圆盘锯机构 动画2.局部自由度 Partial freedom构件局部运动所产生的自由度。计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。解：n= 3PL= 3F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1对于右边的机构，有： F=32 22 1=1事实上，两个机

9、构的运动相同，且F=112312 F=32 22 1 =1局部自由度出现在加装滚子的场合，计算时应刚化滚子12312解：n=4,PL=6,F=3n 2PL PH =34 26 =0 1234ABCDEFPH=0 FEAB CD ，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，增加的约束不起限制作用，应去掉构件4。已知： AB CD EF，计算图示平行四边形机构的自由度。 3.虚约束 formal constraint 对机构的运动只起重复限制作用的约束，称为虚约束。计算自由度时应去掉产生虚约束的构件或除去虚约束。重新计算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1E123A

10、BCD4F特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： ABCDEF已知： ABCDEF，计算图示平行四边形机构的自由度。 4F4 平面机构中的虚约束常出现下列场合：1、两构件在多处构成移动副，且导路重合或平行。 2、两构件在多处构成转动副， 且轴线重合3、法线始终重合的高副注意：法线不重合时，变成实际约束！4、两构件在相联接点的轨迹 重合5、机构中对传递运动不起独 立作用的对称部分例题分析 例1-5 计算图示机构的自由度，并指出复合铰链、局部自由度和虚约束。 计算图示包装机送纸机构的自由度。n=6，PL=7，F=3n 2PL PH =36 27 3 =1局部自由度2个虚约束1处, 去掉后复合铰链:

11、位置D ，2个低副PH=3分析：四、空间机构自由度简述 若n个活动构件中有P1个一级副；有P2个二级副；有P3个三级副；有P4个四级副；有P5个五级副，则可得空间机构的自由度公式： F=6n5P54P43P32P2P1 (2-2) 公共约束是机构中所有构件共同失去的自由度，设公共约束数为，则可得如下机构自由度计算公式： F=(6m)n(im)Pi24 平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理 1.最简单的机构（双杆机构） 由一个原动件和一个机架组成的机构。 a)原动件作移动 (如直线 电机、流体压力作动筒)。21 b)原动件作转动 (如电动 机)。212.基本杆组现设想将机构中的原动

12、件和机架与从动件系统分开，则剩下的从动件系统必有F0。将从动件系统继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。 机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。 机构机架原动件从动件系统0F个F0定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。F=1F=07举例：将图示八杆机构拆分成机架、原动件和基本杆组。1324568任何一个平面机构都可以看作是在机架和原动件的基础上，依次添加若干个基本杆组所形成的。这就是机构的组成原理结论：该机构包含机架、一个原动件和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到机架和原动件构成的双杆机构上，形成了该八杆机构。3.杆组的分类设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有： F

13、3n2PLPH0 PL3n/2 (低副机构中PH0 ) PL 为整数， n只能取偶数。 n 2 4 PL 3 6 n=2 的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型 n=4 （PL6）的杆组有多种类型，如:以上三种形式称为级组。结构特点：其中心构件有三个运动副元素。典型级组：下面的形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。内端副杆组内部相联。外端副与组外构件相联。4.机构的级别机构按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。表2-3 A级及部分级基本杆组结构型式杆组中含有构 件及运动副数杆 组 型 式n=2p=3二杆三副（II级杆组）（1）RRR （

14、2）RRP （3）RPR （4）PRP （5）RPP n=4p=6四杆六副（部分、IV 级杆组）（1） （2） 二、平面机构的结构分析机构结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架和若干个基本杆组，进而了解机构的组成，并确定机构的级别。机构结构分析的步骤是：1)计算机构的自由度并确定原动件。2)拆杆组。要从远离原动件处开始拆，尽量拆成二级组，拆后剩余部分还应是一个完整的机构。3)确定机构的级别。例2-5计算图2-16所示机构的自由度，并确定机构的级别。 解：该机构无虚约束和局部自由度， F=3527=1 该机构为II级机构。必须强调指出： 1)杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成

15、为刚体。如： 2)机构的级别与原动件的选择有关。7图示八杆机构，1为原动件，试对其进行结构分析。若6或7为原动件，结果一样吗？1324568或7为原动件时级机构6为原动件时级机构67三、平面机构的高副低代1 高副低代的条件1）代替前后机构的自由度完全相同。2）代替前后机构的运动状况（位移，速度，加速度）相同。2 高副低代的方法 找出构成高副的两轮廓曲线在接触点处的曲率中心，然后用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。如图2-17所示，构件1和构件2分别为绕和转动的两个圆盘，两圆盘的圆心分别为O1、O2，半径为R1、R2，它们在C点构成高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图

16、2-18所示机构的替代机构也如该图中虚线所示。图217图218 3 高副低代的两种特殊情况 1）如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副，如图2-19所示。 2）若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如图2-20所示。图 2-19 图220 2-5平面机构的结构综合 2-5Structure synthesis of planar mechanism 根据机构的输入特性与输出特性的要求设计机构运动简图的过程一般称为机构综合。机构综合过程中，首先要按机构特性的要求选择机构型式，称为结构综合（型综合）。综合平面机构时，如果没有虚约束，则只须往原动件和机架（即I级机构）上联接自由度等于零的基本杆

17、组。这种结构综合的方法称为基本杆组叠加法。 与I级机构联接的最少构件数应为1，该种组合形成了只有一个从动件的机构。可形成移动从动件凸轮机构、摆动从动件凸轮机构或齿轮机构。 当与I级机构联接的构件数等于2，机构结构综合的解已较多。没有高副时，共有五种形式。若把这五种形式的II级杆组分别联接到I级机构上，相应地便可形成五种不同机构，如图2-21所示。 四杆机构 滑块机构 导杆机构正切机构图 2-22平面机构如果没有高副，可将基本杆组与I级机构和机架联接，即可得到各种类型的机构。如图2-22的破碎机机构就是由两个II级杆组和I级机构串联构成。练习：22页2-2、作业：22页2-3、 2-4、 2-5.思考题： 1）机构的结构分析主要包括哪些内容？对机构进行结构分析的目的何在? 2) 何谓构件?构件与零件有何区别? 3) 何谓高副？何谓低副？在平面机构中高副和低副带入几个约束？齿轮副的约束数应如何确定？ 4) 何谓运动链?运动链与机构有何联系和区别？ 5) 何谓机构运动简图？它与机构示意图有何区别？绘制机构运动简图的目的和意义是什么？绘制机构运动简图应注意哪些问题？ 6) 何谓机构的自由度？在计算平面机构的自由度时应注意哪些问题？ 7)