第三章 機構的組成和結構分析

1、第三章機構的組成與結構分析,§3.1機構的組成§3.2機構的運動簡圖§3.3機構的自由度和具有確定運動條件§3.4平面閉鏈機構組成原理及結構分析,§3.1機構的組成,一、構件二、運動副三、運動鏈（區(qū)分運動鏈和機構）四、機構,機構是傳遞運動和力或者導引構件上的點按給定軌跡運動的機械裝置。機構的組成要素為構件和運動副,一、構件,從制造加工角度：機械由零件組成 零件——

2、制造單元體 從運動和功能實現角度： 構件——獨立運動的單元體,注意：構件可以是單一零件，也可以是幾個零件的組合聯接,機構的組成,二、運動副,(一)運動副元素(二)運動副的自由度與約束度(三)運動副類型,◆ 運動副：指兩構件直接接觸并能產生相對運動的聯接。 ◆ 運動副元素：指兩個構件直接接觸而構成運動副的部分。,機構的組成,(一) 運動副元素,運動副元素不外乎為點、線、面。,機構的組成,(二)運動副的自由度與

3、約束度,1. 構件的自由度：指一個構件相對另一個構件可能出現的獨立運動。一個自由構件在空間具有6個自由度。,2. 約束：指通過運動副聯接的兩構件之間的某些相對獨立運動所受到的限制。運動副引入的約束數等于兩構件相對自由度減少的數目。運動副引入的約束數：最多為5個。,機構的組成,對于兩個空間構件對于兩個平面構件,機構的組成,1.按運動副相對運動形式分,（三）運動副類型,轉動副,移動副,螺旋副,球面副,2.按運動副引入的約束數

4、分：,X級運動副：指引入X個約束的運動副。,Ⅰ級副、Ⅱ級副、Ⅲ級、Ⅳ級副、Ⅴ級副,Ⅴ級副,Ⅴ級副,Ⅲ級副,機構的組成,3.按運動副接觸形式分,★ 低副: 兩構件通過面接觸而構成的運動副統稱為低副; ★ 高副: 凡兩構件系通過點或線接觸而構成的運 動副統稱為高副;,,4.按運動副的運動空間分: ★平面運動副:指構成運動副的兩構件之間的相對運動為平面運動的運動副; ★空間運動副:指構成運動副的兩構件之間的相對運

5、動為空間運動。,機構的組成,運動副元素間的鎖合,幾何鎖合 力鎖合,機構的組成,三、運動鏈,◆ 運動鏈:指兩個以上的構件通過運動副聯接而構成的系統。,★ 閉鏈: 運動鏈的各構件構成首尾封閉的系統。,★ 開鏈: 運動鏈的各構件未構成首尾封閉的系統。,機構的組成,運動鏈（續(xù)）,★平面運動鏈:各構件間的相對運動為平面運動的運動鏈。 ★ 空間運動鏈:各構件間的相對運動為空間運動的運

6、動鏈 。,空間運動鏈,機構的組成,四、機構,◆機構:在運動鏈中將一構件加以固定作為機架或參考構件, 并給定另外一個或少數幾個構件的運動規(guī)律，則運動鏈便成為機構。,◆機架：機構中固定不動構件。,◆ 平面機構: 機構中各構件間的相對運動為平面運動?！?空間機構: 機構中各構件間的相對運動為空間運動。,◆原動件: 機構中按給定的運動規(guī)律獨立運動的構件。,◆從動件:機構其余活動構件。,機構的組成,機構中構件類型,機構的組成,§3.2

7、 機構的運動簡圖,◆ 機構運動簡圖,機構的示意圖：指為了表明機構結構狀況, 不要求嚴格地按比例而繪制的簡圖。,機構運動簡圖：指根據機構的運動尺寸, 按一定的比例尺定出各運動副的位置, 并用國標規(guī)定的簡單線條和符號代表構件和運動副，繪制出表示機構運動關系的簡明圖形。,◆ 機構示意圖,為什么要畫機構運動簡圖？,機構的運動：與原動件運動規(guī)律、運動副類型、機構運動尺寸有關,而與機構的 結構尺寸和形狀以及運動副的具體構造無關，因此可以不計或略去

8、那些與機構運動無關的 因素。,機構的運動簡圖,（一）繪制機構運動簡圖的步驟和方法（二）機構運動簡圖中常用的規(guī)定符號（三）機構運動簡圖的識別,機構的運動簡圖,（一）繪制機構運動簡圖的步驟與方法,:1.恰當地選擇投影面：一般選擇與機械的多數構件的運動平面相平行的平面作為投影面。2.分析機構的組成及運動情況，確定機構中的機架、原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分，以確定構件和運動副的數目。3.循著運動傳遞的路線，逐一分析每兩個構件間相對

9、運動的性質，確定運動副的類型和數目;還應確定與機構運動特性相關的 運動要素：運動副間的相對位置；如轉動副中心的位置和移動副導路的方位；高副的廓線形狀，包括其曲率中心和曲率半徑等。4. 選擇適當的比例尺, 用規(guī)定的簡單線條和各種運動副符號, 將機構運動簡圖畫出來。,機構的運動簡圖,機構運動簡圖中的常用符號,機構的運動簡圖,常用傳動系統簡圖,機構的運動簡圖,機構的運動簡圖,例題一：繪制圖示顎式破碎機的機構運動簡圖,分析：該機構有6個構件

10、和7個轉動副。,◆ 畫機構運動簡圖的方法,機構的運動簡圖,例題二：繪制圖示偏心輪傳動機構的運動簡圖,機構的運動簡圖,機構的運動簡圖,機構的運動簡圖,機構的運動簡圖,例題三、圖示為一沖床。繞固定中心A轉動的菱形盤1為原動件，與滑塊2在B點鉸接，滑塊2推動撥叉3繞固定軸C轉動，撥叉3與圓盤4為同一構件，當圓盤4轉動時，通過連桿5使沖頭6實現沖壓運動。試繪制其機構運動簡圖。,◆ 畫機構運動簡圖的方法,分析：,繪制簡圖：,機構的運動簡圖,（三）

11、機構運動簡圖的識別,由于移動副繪制和表達方法的不同而出現的簡圖差異由于轉動副元素尺寸變化而出現的簡圖差異,實際繪制的運動簡圖會因為運動副繪制或表達方式的不同而會使同一機構所繪制的機構運動簡圖不同；或不同機構的運動簡圖相同。,機構的運動簡圖,§3.3 機構的自由度與確定運動條件,一、機構的自由度二、平面機構自由度三、空間機構自由度四、機構具有確定運動條件,一、機構的自由度,構件的自由度 確定平面或空間運動構件位

12、置所需的獨立位置參數的數目稱為構件的自由度平面和空間運動構件分別有3個和6個自由度機構的自由度 機構的自由度是機構中各構件相對機架所具有的獨立運動的數目或組成該機構的運動鏈的位形相對于機架或參考構件所需的獨立位置參數的數目，用F表示,機構的自由度與確定運動條件,假設平面機構有n個活動構件： 3n個自由度有P5 個低副和P4 個高副：,平面自由構件：3個自由度平面低副：引入2個約束平面高副：

13、引入1個約束,平面機構的自由度計算公式： F= 3n-(2 p5+ p4),引入(2 P5 +P4)約束,分析：,二、機構自由度的計算,◆ 平面機構自由度的計算公式,運動副的作用是約束構件自由度的，所以機構的自由度為活動構件在自由狀態(tài)下自由度總和減去由于運動副引入而限制的自由度,機構的自由度與確定運動條件,◆自由度計算實例分析,F=3n-2 P5 – P4=3×4 - 2×5-0

14、=2,F=3n-2 p5 – p4=3×3 - 2×4-0=1,四桿機構,五桿機構,機構的自由度與確定運動條件,★ 復合鉸鏈,實例分析1：計算圖示直線機構(實現無導軌直線運動)自由度,解：F=3n-2 p5 – p4=3×7 - 2×6-0=9,解：F=3n-2 p5 – p4=3×7 - 2×10-0=1,計算機構自由度應注意的事項,兩個以上構件同在一處以轉動副相聯接即

15、構成復合鉸鏈。m個構件以復合鉸鏈聯接所構成的轉動副數為(m-1)個注意：復合鉸鏈只存在于轉動副中。 。,,機構的自由度與確定運動條件,實例分析2：計算圖示凸輪機構自由度,解：F=3n-2 p5 – p4=3×3 - 2×3-1=2,F=3n-2 p5 – p4 - f′ =3×3 - 2×3-1-1=1,方法二：假想構件2和3焊成一體,F=3n-2 p5 – p4=3×2 -

16、2×2-1=1,★ 局部自由度,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,機構中某些構件所產生的局部運動并不影響其他構件的運動, 把這種局部運動的自由度稱為局部自由度。數目用f′表示.,注意：計算機構自由度時, 應將局部自由度除去不計。,方法一：,機構的自由度與確定運動條件,指機構在某些特定幾何條件或結構條件下，有些運動副帶入的約束對機構運動實際上起不到獨立的約束作用, 這些對機構運動實際上不起約束作用的約束稱為虛約束，用P′表示。

17、,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,★ 虛約束,注意：在計算自由度時，應將虛約束除去不計。,●不計引起虛約束的附加構件和運動副數。 F=3n-2 p5– p4,去除虛約束的方法：,機構的自由度與確定運動條件,F=3n-2 pl – ph=3×4 - 2×6-0=0,虛約束常出現的情況：1. 機構中兩構件未聯接前的聯接點軌跡重合, 則該聯接引入1個虛約束;,

18、計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,正確計算：●不計引起虛約束的附加構件和運動副數。F=3n-2 p5 – p4=3×3 - 2×4-0=1,用于連接構件2和3的轉動副C即屬此種情況。因為C2和C3在未連接前的軌跡都沿Y軸。此時轉動副C將引入一個虛約束。計算時去掉構件3和轉動副C以及3和機家移動副,機構的自由度與確定運動條件,F=3n-2 p5 – p4=3×3 - 2×4-0=1,F=3n-

19、2 p5 – p4=3×4 - 2×6-0=0,,分析：E3和E5點的軌跡重合，引入一個虛約束,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,正確計算： n=3  P5=4  P4=0   F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,機構的自由度與確定運動條件,▲兩構件在幾處接觸而構成移動副且導路互相平行或重合。,▲兩個構件組成在幾處構成轉動副且各轉動副的軸線是重合的。,只有一個運動

20、副起約束作用,其它各處均為虛約束;,2. 兩構件在幾處接觸而構成運動副,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,n=3   P5=4    P4=0    F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,圖示機構的兩個移動副即屬此種情況。計算其自由度時，只按一個移動副計算,機構的自由度與確定運動條件,3. 若兩構件在多處相接觸構成平面高副，且各接觸點處的公法線重合,則只能算一個

21、平面高副。若公法線方向不重合，將提供各2個約束。,有一處為虛約束,此兩種情況沒有虛約束a)圖相當于轉動副，b）圖相當于移動副,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,,n=2   P5=2   P4=1   F=3n-(2P5+P4)=3*2-2*2-1=1,機構的自由度與確定運動條件,某些不影響機構運動的對稱部分或重復部分所帶入的約束為虛約束。 3和1繞同一個軸轉動，計算機

22、構自由度時，只考慮對稱或重復部分中的一處，去掉2‘和2’‘構件,4. 機構運動過程中, 某兩構件上的兩點之間的距離始終保持不變, 將此兩點以構件相聯, 則將帶入1個虛約束。,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,n=3   P5=4   P4=0   F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,連接構件2和4上的E點和F點的構件5及轉動副E和F即屬此種情況，引入一個虛約束。

23、,n=3   P5=3    P4=2        F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*3-2=1,機構的自由度與確定運動條件,小結,計算機構自由度應注意的事項（續(xù)）,存在于轉動副處正確處理方法：復合鉸鏈處有m個構件則有(m-1)個轉動副,◆ 復合鉸鏈,◆局部自由度,常發(fā)生在為減小高副磨損而將滑動摩擦變成滾動摩擦所增加的滾子處

24、。正確處理方法：計算自由度時將局部自由度減去。,◆ 虛約束,存在于特定的幾何條件或結構條件下。正確處理方法：將引起虛約束的構件和運動副除去不計。,,,,機構的自由度與確定運動條件,典型例題一：計算圖示某包裝機送紙機構的自由度，并判斷該機構是否有確定運動。,解法1：,計算機構自由度典型例題分析,機構的自由度與確定運動條件,機構的自由度與確定運動條件,機構的自由度與確定運動條件,機構的自由度與確定運動條件,機構的自由度與確定運動條件,機

25、構的自由度與確定運動條件,典型例題一：計算圖示某包裝機送紙機構的自由度，并判斷該機構是否有確定運動。,解法2：復合鉸鏈：D包含2個轉動副(桿4和7)局部自由度：F’=2虛約束：桿8及轉動副F、I引入1個虛約束。計算自由度前直接去除虛約束和局部自由度：,n=6 p5=7 p4=3 F=3n-2p5-p4=1,計算機構自由度典型例題分析,,機構的自由度與確定運動條件,,,典型例題二：計 算 圖 示 機 構 的 自

26、由 度， 如 有 復 合 鉸 鏈、 局 部 自 由 度 和 虛 約 束，需 明 確 指 出。 畫 箭 頭 的 構 件 為 原 動 件。,,復合鉸鏈,,局部自由度,1個虛約束,,,復合鉸鏈,計算機構自由度典型例題分析,機構的自由度與確定運動條件,,典型例題三,計算機構自由度典型例題分析,計算圖示機構自由度。分析：該機構具有5個活動構件，有7個轉動副，即低副，沒有高副。于是機構自由度為,機構的自由度與確定運動條件,F=3n-2 p5 –

27、p4=3×5 - 2×7-0=1,四、機構具有確定運動的條件,機構中獨立運動參數的構件為原動件。,◆問題：取運動鏈中某個構件為機架，即構成機構，那么機構在什么條件下才具有確定運動？,,因為自由度為1給定一個獨立運動參數，其余構件有確定運動。,自由度小于等于零自由度大于零若獨立運動數大于自由度自由度大于零若獨立運動數小于自由度自由度大于零若獨立運動數等于自由度,機構的自由度與確定運動條件,◆ 結論,機構具有確

28、定運動的條件為：機構自由度大于0且機構原動件數=機構自由度數,五桿機構,四、機構具有確定運動的條件,給定一個獨立運動參數：機構沒有確定運動。,給定兩個獨立運動參數：機構有確定運動。,機構的自由度與確定運動條件,§3.4平面閉鏈機構的組成原理和結構分析,一、平面閉鏈機構的組成原理二、平面閉鏈機構的結構分析三、平面機構的高副低代,一、機構的組成原理,機構具有確定運動的條件： 自由度數=原動件數,◆基本桿組：把機構中

29、最后不能再拆的自由度為零的構件組稱為機構的基本桿組。,1. 桿組,機架和原動件與從動件組分開，運動副仍保留在桿組： 從動構件組自由度為零。,可以再拆成更簡單的自由度為零的桿組,平面機構的組成原理和結構分析,對于全低副的桿組：n個構件、p5個低副,◆ 基本桿組的分類,根據n的取值基本桿組分為以下幾種情況：（1）n=2, p5=3的雙桿組：又叫Ⅱ級桿組 常見Ⅱ級桿組的形式為,n和pl為整數n=2,4,6…,平面機構的組成原理和結

30、構分析,（2）n=4, p5=6的多桿組，又叫 Ⅲ級桿組 特征為桿組中具有一個三副構件。常見的三種形式為,（3）更高級別的桿組,平面機構的組成原理和結構分析,機構組成原理指把若干個基本桿組依次聯接到原動件和機架上，就可以組成自由度數與原動件數相等的新機構。,2. 機構的組成原理,◆ 機構創(chuàng)新設計應遵循的原則 利用機構組成原理進行機構創(chuàng)新時，在滿足相同工作要求的條件下，機構的結構越簡單、桿組的級別越低、構件

31、數和運動副數越少越好。因為機構的級別越高，機構的運動和動力分析也越困難.,自由度為F的機構=F 個主動桿+1個自由度為0的機架+若干個自由度為0的基本桿組,平面機構的組成原理和結構分析,二、平面閉鏈機構的結構分析,◆ Ⅰ級機構 只由機架和原動件組成的機構稱為Ⅰ級的機構。 （杠桿機構、斜面機構）◆II級機構 指機構中基本桿組的最高級別為II級的機構?！?/p>

32、 III級機構 指機構中基本桿組的最高級別為III級組的機構。,機構分類的依據： 根據機構中基本桿組的級別進行分類。,平面機構的組成原理和結構分析,◆ 結構分析目的,： 了解機構的組成，確定機構的級別。,把機構分解為基本桿組、機架和原動件。,◆ 結構分析的過程：,拆桿組,從離原動件最遠的構件開始試拆，先拆II級組，若不成，再拆III級組，每拆出一個桿組后，機構的剩余部分仍應是一個與原機

33、構有相同自由度的機構，直到只剩原動件為止。,◆ 桿組拆分原則,平面機構的組成原理和結構分析,◆ 機構結構分析步驟,1、除去虛約束和局部自由度，正確計算機構的自由度；2、指定機構的主動件3、將機構中的全部平面高副替換為低副4、根據機構拆分原則進行拆分5、最后定出機構的級別。6、對于帶有氣、液缸的平面機構，可先拆桿數較少的待缸或不帶缸的桿組，帶缸桿組自由度為缸數，而不帶缸桿組自由度為0,平面機構的組成原理和結構分析,典型例題：

34、試計算圖示沖壓機構的自由度，并分析下列情況下組成機構的基本桿組及機構的級別：（1）當以構件1為原動件時；（2）當以構件6為原動件時。,解：,平面機構的組成原理和結構分析,典型例題（續(xù)）：（1）當以構件1為原動件時,Ⅱ級機構,平面機構的組成原理和結構分析,典型例題（續(xù)）： （2）當以構件6為原動件時,Ⅲ級機構,平面機構的組成原理和結構分析,◆ 平面機構中高副低代的目的 為了使平面低副機構結構分析和運動分析的方法適用于

35、所有平面機構，需要進行平面機構的高副低代?！?高副低代的含義 根據一定條件對平面高副機構的中高副虛擬地用低副來代替的方法?！?高副低代的條件：①代替前后機構的自由度不變；②代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度不變。,三、平面機構的高副低代,平面機構的組成原理和結構分析,◆高副低代方法,結論：用一個含有兩個低副的虛擬構件來代替高副，且兩低副位置分別在兩高副兩元素接觸點處的曲率中心。,高副兩元素均為圓弧,高副元素為

36、非圓曲線,平面機構的組成原理和結構分析,高副兩元素之一為直線,高副兩元素之一為一點,因其曲率半徑為零，其中一個轉動副就在該點處。,因其曲率中心在無窮遠處，則其中的一個轉動副變?yōu)橐聘保?平面機構的組成原理和結構分析,,典型例題：計算圖示機構的自由度，并分析機構組成情況。畫箭頭的構件為原動件。,解：1. 分析,2. 計算自由度,去除虛約束和局部自由度后機構簡圖,3. 高副低代,,,,平面機構的組成原理和結構分析,典型例題（續(xù)）：,4. 結