机械原理机构的结构

第二章机构的结构分析

基本内容：(1)机构结构分析的内容及目的。(2)机构的组成。(3)机构运动简图。(4)机构具有确定运动的条件。(5)平面机构自由度的计算。(6)计算平面机构的自由度时应注意的事项。(7)机构的组成原理及平面机构的结构分类。第二章机构的结构分析

教学基本要求：(1)搞清运动副、运动链、约束和自由度等重要概念。(2)掌握平面机构自由度的计算方法及其具有确定运动的条件。(3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。(4)明确机构组成的概念，了解平面机构的组成原理。第二章机构的结构分析

重点：(1)运动副及其分类。(2)平面机构的自由度计算及具有确定运动的条件(3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。难点：机构运动简图绘制、机构中的虚约束的判定问题。第二章机构的结构分析

第一节机构结构分析的内容及目的机构运动的可能性及其具有确定运动的条件研究机构的组成，绘制机构运动简图研究机构的组成原理第二章机构的结构分析

第二节机构的组成机构分为两大类：平面机构空间机构机构是由构件和运动副两个要素组成的第二章机构的结构分析

1.构件

构件是指作为一个整体参与机构运动的刚性单元体。一个构件，可以是不能拆开的单一零件，也可以是由若干个不同零件装配起来的刚性体。第二章机构的结构分析

构件与零件的区别：零件是从制造加工角度提出的最小单元概念，即零件是制造加工的最小单元，是组成机器最基本的、不可再拆分的单元。构件则是从运动和功能实现的角度提出的最小单元概念，即构件是最小的独立运动单元，从运动角度讲，构件是一个刚体。第二章机构的结构分析

2.运动副

两构件间的直接接触而又能产生一定相对运动的活动连接称为运动副。第二章机构的结构分析

两构件上参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。

构件之间的接触不外乎点、线、面三种形式，运动副元素也不外乎是点、线、面。第二章机构的结构分析

对运动副的理解要把握以下三点：（１）运动副是一种联接（接触）；（２）运动副由两个构件组成；（３）组成运动副的两个构件之间有相对运动。可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。第二章章机机构的的结构构分析析一个构件件在三三维空空间自自由运运动时时，有有6个个自由由度：：沿三个个坐标标轴的的移动动绕三三个坐坐标轴轴的转转动。。两构件件间的的运动动副所所起的的作用用就是是限制制构件件间的的某些些相对对运动动，这这种相相对运运动的的限制制作用用称为为约束束。若运动动副的的自由由度用用f表表示，，约束束用s表示示，则则自由由度和和约束束的关关系为为：。第二章章机机构的的结构构分析析3.运运动副副的分分类1）根根据运运动副副所引引入的的约束束数分分类引入一一个约约束称称为ⅠⅠ级副副，引引入两两个约约束称称为ⅡⅡ级副副，依依次类类推，，还有有Ⅲ级级副、、Ⅳ级级副，，最末末为ⅤⅤ级副副。第二章章机机构的的结构构分析析第二章章机机构的的结构构分析析2）根根据组组成运运动副副的两两运动动副元元素的的接触触情况况分类类运动副副元素素以点点或线线接触触的运运动副副称为为高副副，运运动副副元素素以面面接触触的运运动副副称为为低副副。球面高副柱面高副第二章章机机构的的结构构分析析球面低副移动副转动副第二章章机机构的的结构构分析析3）根根据组组成运运动副副的两两个构构件的的相对对运动动形式式分类类两构件件之间间的相相对运运动为为转动动的运运动副副称为为转动动副（（回转转副、、铰链链），，相对对运动动为移移动的的运动动副称称为移移动副副，相相对运运动为为螺旋旋运动动的运运动副副称为为螺旋旋副，，相对对运动动为球球面运运动的的运动动副为为球面面副。。螺旋副第二章章机机构的的结构构分析析两构件件间相相对运运动的的平面面平行行，则则称为为平面面运动动副，，否则则称为为空间间运动动副。。平面运运动副副，它它只有有转动动副、、移动动副（（统称称为低低副））和平平面高高副三三种形形式。。第二章章机机构的的结构构分析析平面高高副是是两构构件以以点或或线的的形式式相接接触而而形成成的运运动副副，这这种运运动副副允许许两构构件在在接触触点A绕垂垂直于于平面面的Z轴作作相对对转动动和沿沿切线线t-t方方向作作相对对移动动，而而只约约束掉掉沿着着轮廓廓线接接触点点A公公法线线方向向的移移动自自由度度。第二章章机机构的的结构构分析析运动副副必须须始终终保持持接触触。若借助助于构构件的的结构构形状状所产产生的的几何何约束束来封封闭的的运动动副称称为几几何封封闭运运动副副。若借助于于重力、、弹簧力力、气液液压力等等来封闭闭的运动动副称为为力封闭闭运动副副，如凸凸轮机构构。第二章机机构的的结构分分析4.运动动链两个以上上构件通通过运动动副的连连接而构构成的可可相对运运动的系系统称为为运动链链。闭式运动动链开式运动动链第二章机机构的的结构分分析5.机构构如将运动动链中的的某个构构件固定定，使之之成为机机架，而而让另一一个或几几个构件件按给定定的运动动规律相相对于固固定构件件运动，，其余构构件都随随之具有有确定的的相对运运动，则则这个运运动链即即成为机机构。机构中按按给定运运动规律律运动的的构件称称为主动动件，随主动件件运动的的构件称称为从动动件。第二章机机构的的结构分分析第三节机机构运运动简图图第二章机机构的的结构分分析在研究机机构的运运动时，，只需按按规定符符号表示示运动副副、常用用机构、、及一般般构件，，并按一一定的比比例尺表表示机构构的运动动尺寸和和运动副副的位置置，绘制制表示机机构各构构件间相相对运动动关系的的简化图图形，将将机构的的运动传传递情况况表示出出来，这这种图形形被称为为机构运运动简图图。第二章机机构的的结构分分析第二章机机构的的结构分分析第二章机机构的的结构分分析绘制机构构运动简简图的步步骤：1）确定定机构的的原动件件和执行行件，两两者之间间为传动动部份，，确定出出组成机机构的所所有构件件，确定定出构件件间运动动副的类类型。2）恰当当地选择择投影面面，将机机构运动动简图表表示清楚楚。3）选择择适当的的比例尺尺（μ＝＝实际尺尺寸/图图示尺寸寸），定定出各运运动副之之间的相相对位置置，用规规定的符符号画出出各类运运动副，，并将同同一构件件上的运运动副符符号用简简单线条条连接起起来，这这样便可可绘制出出机构的的运动简简图。第二章机机构的的结构分分析例1：图图示为一一颚式破破碎机，，当曲柄柄1绕轴轴心O连连续回转转时，动动颚板5绕轴心心F往复复摆动，，从而将将矿石轧轧碎，试试绘制此此破碎机机的机构构运动简简图。第二章机机构的的结构分分析4321FO6CBDEA5第二章机机构的的结构分分析例2：绘绘制图示示牛头刨刨床机构构的运动动简图。。第二章机机构的的结构分分析第二章机机构的的结构分分析例3：绘绘制图示示活塞泵泵的机构构运动简简图。第二章机机构的的结构分分析第四节机机构具具有确定定运动的的条件ABCDAEBCD第二章机机构的的结构分分析机构的自自由度：：机构具具有确定定运动时时所必须须给定的的独立运运动参数数的数目目，用用F表示示。为了使机机构具有有确定的的运动，，则机构构的原动动件数目目应等于于机构的的自由度度的数目目，这就就是机构构具有确确定运动动的条件件。第二章机机构的的结构分分析讨论：1231）若机机构自由由度F≤≤0，则则机构不不能运动动（桁架架）。2)若若Ｆ>0且与与原动件件数相等等，则机机构各构构件间的的相对运运动是确确定的；；这就是是机构具具有确定定运动的的条件。。第二章机机构的的结构分分析3)若若Ｆ>0，而而原动件件数<F，则构件件间的运运动是不不确定的的；4）若Ｆ>0，而而原动件件数>F，则构件件间不能能运动或或产生破破坏。机构具有有确定运运动的条条件：机机构的自自由度数数目应等等于机构构的原动动件数目目，且自自由度大大于0。。第二章机机构的的结构分分析第五节机机构自自由度的的计算θ(x,y)F=3yx在平面机机构中，，各构件件只作平平面运动动。一个作平平面运动动的自由由构件（（刚体）），具有有三个自自由度：：沿X轴及及Y轴的的移动和和绕与运运动平面面垂直的的轴线转转动。第二章机机构的的结构分分析Syx12xy1212yxθR=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2第二章机机构的的结构分分析平面机构构共有n个活动构件，，3n个个自由度度。若若各构件件之间共共构成PL个低副和和PH个高副，，则共引引入了（（2PL+PH）个约束束。机构的自自由度F：第二章机机构的的结构分分析例4：例例1中颚颚式破碎碎机的自自由度。。4321FO6CBDEA5第二章机机构的的结构分分析例5：例例2牛头头刨床的的自由度度。第二章机机构的的结构分分析例6：求求只有一一个原动动件的五五杆机构构的自由由度。AEBCD第二章机机构的的结构分分析例7：例例3中活活塞泵机机构的自自由度。。第二章机机构的的结构分分析第六节计计算平平面机构构自由度度时应注注意的事事项第二章机机构的的结构分分析例8：计计算圆盘盘锯机构构的自由由度。？第二章机机构的的结构分分析1.复合合铰链两个以上上构件在在同一处处以转动动副的形形式相连连接，所所组成的的转动副副称为复复合铰链链。若有m个个构件在在一处构构成复合合铰链，，则其所所构成的的转动副副数应为为m-1个。第二章机机构的的结构分分析在上例的的圆盘锯锯机构中中，在A、B、、C、D处都是是3个构构件组成成的复合合铰链，，故在这这四处各各具有两两个转动动副。7个活动动构件，，10个个转动副副，根据据公式，，该机构构的自由由度为：：第二章机机构的的结构分分析例9：计计算图示示凸轮机机构的自自由度。。左图凸轮轮机构，，活动构构件数为为3，3个低副副，1个个高副，，自由度度为：？右图凸轮轮机构，，滚子与与推杆连连成一体体成为一一个构件件，这时时，活动动构件数数为2，，2个低低副，1个高副副，自由由度为：：第二章机机构的的结构分分析2.局部部自由度度不影响整整个机构构运动的的自由度度，称为为局部自自由度。。在计算机机构自由由度时，，局部自自由度应应当舍弃弃不计。。即有公公式：上例左图图中的凸凸轮机构构，由1个局部部自由度度，此时时机构的的自由度度应为：：为局局部部自自由由度度数数目目。。为了了防防止止计计算算差差错错，，在在计计算算自自由由度度时时，，也也可可以以设设想想将将产产生生局局部部运运动动的的构构件件与与其其连连接接的的构构件件视视为为焊焊接接在在一一起起，，以以达达到到消消除除局局部部自自由由度度的的目目的的。。第二章机机构的结构构分析3.虚约束束在机构中，，有些约束束所起的限限制作用可可能是重复复的，这种种不起独立立限制作用用的约束称称为虚约束束。MN与AB、CD平平行且相等等？第二章机机构的结构构分析在计算机构构自由度时时，因从机机构的约束束数中减去去虚约束数数，若设虚虚约束数目目为，则这时机机构的自由由度为：上例的自由由度为：也可以将产产生虚约束束的构件和运动动副去掉，然后后再按以前前公式计算算：第二章机机构的结构构分析机构中的虚虚约束常发发生在以下下几种情况况：1）移动副副导路平行行当两构件组组成多个移移动副，且且其导路相相互平行或或重合时，，则只有一一个移动副副起约束作作用，其余余都为虚约约束。第二章机机构的结构构分析2CAB134第二章机机构的结构构分析2)转动副副轴线重合合当两构件构构成多个转转动副，且且轴线相互互重合时，，则只有一一个转动副副起作用，，其余转动动副都是虚虚约束。第二章机机构的结构构分析3)轨迹重重合如果机构中中两活动构构件上某两两点的距离离始终保持持不变，此此时若用具具有两个转转动副的附附加构件来来连接这两两个点，则则将会引入入一个虚约约束。第二章机机构的结构构分析椭圆仪机构构，AB=BC=BD，AD与AC垂垂直，构件件2上的C点与构件件3上的C点皆沿X轴运动，，轨迹重合合，此处的的转动副和和移动副为为虚约束。。第二章机机构的结构构分析4）机构中中对运动起起重复限制制作用的对对称部分也往往会引引入虚约束束也可以去掉掉产生虚约约束的构件件和运动副副，再进行行自由度计计算：第二章机机构的结构构分析5)如果两两构件在多多处接触而而构成平面高副，且在接触触点处的公法线彼此此重合,则只能算算一个平面面高副。如果两构件件在多处相相接触所构构成的平面面高副，在在各接触点点处的公法法线方向彼彼此不重合合，就构成成复合高副副，它相当当于一个低低副（转动动副或移动动副）。第二章机机构的结构构分析机构中的虚虚约束都是是在一定特特定的几何何条件下出出现的，如如果这些几几何条件不不满足，则则虚约束就就会变成实实际有效的的约束。第二章机机构的结构构分析例10：计计算大筛机机构的自由由度。MH第二章机机构的结构构分析例11（P17例2-8）：：计算包装装机送纸机机构的自由由度，并判判断该机构构是否具有有确定的运运动。例12试试审查图示示简易冲床床的设计方方案简图是是否合理？？为什么？？如不合理理，请绘出出正确的机机构简图。。可将机构简简图修改为为：F=3n––2Pl–Ph=3×3-2×4-1=0F=3n––2Pl–Ph=3×4-2×5-1=1第二章机机构的结构构分析例13计算图示机机构的自由由度，已知知：DE=FG=HI，且且相互平行行；DF=EG，且且相互平行行；DH=EI，且且相互平行行。如有复复合铰链、、局部自由由度和虚约约束，需明明确指出。。画箭头的的构件为原原动件。解：分析局部自由度1个虚约束复合铰链局部自由度1个虚约束复合铰链n=8F=3n-2Pl-Ph=38-211–1=1Pl=11Ph=1第二章机机构的结构构分析例14：计计算图所示示机构的自自由度(若存在局局部自由度度、复合铰铰链、虚约约束请标出出）。F＝3n－－2PL－PH＝3－2－8111＝1例15：如图所示,已知HG=IJ,且相互互平行；GL=JK，且相互互平行。计计算此机构构的自由度度(若存存在局部自自由度、复复合铰链、、虚约束请请标出）。。去掉机架和原动件,余下的是是从动件系统统，它的F=0。。最简单的、、不可再分分的、自由由度为零的的构件组称为基本杆组。第二章机机构的结构构分析第七节平平面机构的的组成原理理、结构分分类及结构构分析1.平面机机构的组成成原理机架原动件从动件组第二章机机构的结构构分析从动件组当把该机构构的机架和和原动件拆拆去后，则则余下的从从动件组为为：这个从动件件组的自由由度为零，，即：这个从动件件组还可以以分解成若若干个更简简单的、自自由度等于于零的从动动件组。第二章机机构的结构构分析分解？？？？还能进一步分解吗？还能进一步分解吗？第二章机机构的结构构分析这样的从动动件组已经经不能进一一步分解成成更简单、、自由度为为零的从动动件组。通常把这样样的从动件件组称为：：基本杆组基本杆组的的概念非常常重要，它它是机构分分析的重要要的理论基基础。第二章机机构的结构构分析任何机构都都包含有机机架、原动动件和从动动件系统。。所以机构构可以看成成由若干个个基本杆组组依次连接接于原动件和机架上所组成的的系统，这这就是机构的组成成原理。第二章机机构的结构构分析根据上述原原理，当对对现有机构构进行运动动分析或动动力分析时时，可将机机构分解为为机架和原原动件以及及若干个基基本杆组，，然后对相相同的基本本杆组以相相同的方法法进行分析析。当设计一个个新机构的的机构运动动简图时，，可先选定定一个机架架，并将数数目等于机机构自由度度数的F个个原动件用用运动副连连于机架上上，然后再再将一个个个基本杆组组依次连于于机架和原原动件上，，从而就构构成一个新新机构。E4F523BCD61A1A623BCDE4F5如果基本杆杆组的运动动副全为低低副，则基基本杆组自自由度的计计算公式为为：由于活动构构件数n和低副数PL都必须是整整数，所以以n应是２的的倍数，PL应是３的的倍数。这也就是说说，在一个个基本杆组组中，其构构件数和低低副数有以以下关系：：n=2,PL=3或n=4,PL=6或n=6,PL=92.平面机机构的结构构分类第二章机机构的结构构分析最简单的平平面基本杆杆组是由两两个构件三三个低副组组成的杆组组，称之为为Ⅱ级杆组。。Ⅱ级杆组是机构中最常见的一类基本杆组Ⅱ级杆组有以下五种形式：（１）RRR杆组（２）RRP杆组第二章机机构的结构构分析（３）RPR杆组（４）PRP杆组（５）RPP杆组第二章机机构的结构构分析除Ⅱ级杆组外外，还有ⅢⅢ、Ⅳ级等等较高级的的基本杆组组。由4个构件件和6个低低副组成的的，其中具具有三个内内运动副组组成的闭廓廓的杆组称称为Ⅲ级杆杆组。第二章机机构的结构构分析具有由四个个内运动副副组成的闭闭廓的杆组组称为Ⅳ级级杆组。第二章机机构的结构构分析（在同一机机构中可以以同时包含含不同级别别的基本杆杆组），把把机构中包包含的基本本杆组的最高级数称为该机构的级数数。第二章机机构的结构构分析平面机构的的结构分析析的步骤：：1)计计算机构的的自由度并并确定原动动件。（先去除局局部自由度度和虚约束束）2)拆拆杆组。从远离原动动件处开始始→Ⅱ级（（不行）→→Ⅲ级→直直到只剩ⅠⅠ级（每拆拆出一个杆杆组后，剩剩下的仍能能组成机构构，且F不变）3）确定机机构的级别别。第二章机机构的结构构分析3.平面机机构的结构构分析Ⅲ级机构例16：确确定如图八八杆机构的的级别。第二章机机构的结构构分析例17：计计算图示机机构自由度度，并确定定机构的级级别。F＝3n－－(2PL＋PH)＝３×５－－２×７＝＝１Ⅱ级机构.第二章机机构的结构构分析例18：如如图所示颚颚式破碎机机，确定该该机构的级级别。1、计算机机构的自由由度F=3×5－2××7=12、拆杆组组4杆6副，，但非三级级杆组，可可再拆II级杆组组3、确定机机构的级别别：Ⅱ级机构注意：同一机构，，原动件不不同拆出的的杆组不同同，机构的的级别也不不同。+III级杆杆组III级机机构第二章机机构的结构构分析例19：确确定图示机机构的级别别。（１）计算算自由度（（构件1为为原动件））F=3×7－2×10－0=1（2））拆杆杆组：：（3））确定定级别别：ⅢⅢ级机机构。。第二章章机机构的的结构构分析析将原动动件改改为构构件８８第二章章机机构的的结构构分析析Ⅱ级机机构高副低低代的的条件件是：1）代代替前前后机机构的的自由由度完完全相相同。。2）代代替前前后机机构的的运动动状况况（位位移，，速度度，加加速度度）相相同。。4.平平面机机构中中的高高副低低代第二章章机机构的的结构构分析析为了使使平面面低副副机构构的结结构分分析和和运动动分析析方法法能适适用于于含有有高副副的平平面机机构，，可根根据一一定的的约束束条件件将平平面机机构中中的高高副虚虚拟地地用低低副代代替，，即为为高副副低代代。高副两两元素素均为为圆弧弧AK2K1Br2r11212分析：：高副：：提供供1个约束束低副：：提供供2个约束束不能直直接用用低副副来代代替，，如何何进行行高副副低代代？AK2K1B1212第二章章机机构的的结构构分析析结论：用一个个含有有两个个低副副的虚虚拟构构件来来代替