結(jié)構(gòu)分析與綜合演示文稿

1、第二章第二章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與綜合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與綜合機機 械械 原原 理理 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)20042004年年2 2月月2-1 研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的機械原理課程對機械的研究主要有以下幾個方面：機械原理課程對機械的研究主要有以下幾個方面：一、對已有機械進行分析一、對已有機械進行分析二、設(shè)計新的機械二、設(shè)計新的機械機構(gòu)的選型機構(gòu)的選型機構(gòu)的動力設(shè)計機構(gòu)的動力設(shè)計機械系統(tǒng)總體運動方案設(shè)計機械系統(tǒng)總體運動方案設(shè)計設(shè)計機構(gòu)設(shè)計機構(gòu)機構(gòu)的運動設(shè)計機構(gòu)的運動設(shè)計機械的結(jié)構(gòu)分析機械的結(jié)構(gòu)分析機械的運動分析機械的運動分析機械的動力分析機械的動力分析本章主要研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與綜合本章主要研究機構(gòu)的

2、結(jié)構(gòu)分析與綜合其目的是：其目的是：、研究組成機構(gòu)的要素及機構(gòu)具有確定運動的條件、研究組成機構(gòu)的要素及機構(gòu)具有確定運動的條件、研究機構(gòu)的組成原理、研究機構(gòu)的組成原理、研究機構(gòu)運動簡圖的繪制、研究機構(gòu)運動簡圖的繪制、研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的綜合方法、研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的綜合方法2-2 2-2 機構(gòu)的組成及其運動簡圖的機構(gòu)的組成及其運動簡圖的 繪繪 制制一、機構(gòu)的組成要素一、機構(gòu)的組成要素機構(gòu)的組成要素是：機構(gòu)的組成要素是：、構(gòu)件、構(gòu)件作為一個整體參與機構(gòu)運動的剛性單元體稱為作為一個整體參與機構(gòu)運動的剛性單元體稱為構(gòu)件構(gòu)件一個構(gòu)件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若一個構(gòu)件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由

3、若干個不同零件組裝起來的剛性體。干個不同零件組裝起來的剛性體。例如：例如：、運動副、運動副由兩個構(gòu)件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接稱為由兩個構(gòu)件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接稱為 運動副。運動副。兩構(gòu)件上參與接觸構(gòu)成運動副的部分稱為兩構(gòu)件上參與接觸構(gòu)成運動副的部分稱為運動副元素。運動副元素。對運動副的理解要把握以下三點：對運動副的理解要把握以下三點：（）運動副是一種聯(lián)接；（）運動副是一種聯(lián)接；（）運動副由兩個構(gòu)件組成；（）運動副由兩個構(gòu)件組成；（）組成運動副的兩個構(gòu)件之間有相對運動（）組成運動副的兩個構(gòu)件之間有相對運動例如：請看教學(xué)模型演示例如：請看教學(xué)模型演示運動副是機械原理中最重要的概

4、念之一運動副是機械原理中最重要的概念之一以上是機構(gòu)的兩大組成要素以上是機構(gòu)的兩大組成要素可以說：可以說：機構(gòu)是由運動副逐一聯(lián)接各個構(gòu)件組成的。機構(gòu)是由運動副逐一聯(lián)接各個構(gòu)件組成的。二、運動副的分類二、運動副的分類組成機構(gòu)的運動副的類型決定機構(gòu)的運動形式。運動副有組成機構(gòu)的運動副的類型決定機構(gòu)的運動形式。運動副有多種類型，對運動副進行正確的分類，在機構(gòu)設(shè)計和綜合多種類型，對運動副進行正確的分類，在機構(gòu)設(shè)計和綜合中是非常重要的。中是非常重要的。、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類見表見表2-1表2-1 常用運動副及其簡圖名稱圖 形簡圖符號副級自由度名稱圖 形簡圖符號副級自由

5、度球面高副i5圓柱套筒副iv2柱面高副ii4轉(zhuǎn)動副v1球面低副iii3移動副v1球銷副iv2螺旋副v1、根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類、根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類球面高副球面高副柱面高副柱面高副運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。球面低副移動副轉(zhuǎn)動副、根據(jù)組成運動副的兩個構(gòu)件的相對運動形式分類、根據(jù)組成運動副的兩個構(gòu)件的相對運動形式分類空間運動副空間運動副球銷副螺旋副圓柱套筒副平面運動副平面運動副移動副轉(zhuǎn)動副三、運動鏈與機構(gòu)三、運動鏈與機構(gòu)開式運動

6、鏈開式運動鏈閉式運動鏈閉式運動鏈機構(gòu)機構(gòu)四、機構(gòu)運動簡圖的繪制四、機構(gòu)運動簡圖的繪制 為了便于研究機構(gòu)的運動，可以撇開構(gòu)件、運動副的為了便于研究機構(gòu)的運動，可以撇開構(gòu)件、運動副的外形和具體構(gòu)造，而只用簡單的線條和符號代表構(gòu)件和運外形和具體構(gòu)造，而只用簡單的線條和符號代表構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構(gòu)的組成和傳動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構(gòu)的組成和傳動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構(gòu)運動特性的簡明圖動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構(gòu)運動特性的簡明圖形就稱為形就稱為機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖。 只是為了表明機構(gòu)的運動狀態(tài)或各構(gòu)件的只是為了表明機構(gòu)的運動狀態(tài)或各構(gòu)件的相互關(guān)

7、系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，相互關(guān)系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這樣的簡圖稱為通常把這樣的簡圖稱為機構(gòu)示意圖機構(gòu)示意圖。常用機構(gòu)構(gòu)件、運動副代表符號常用機構(gòu)構(gòu)件、運動副代表符號 繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟1. 1. 在繪制機構(gòu)運動簡圖時，首先確定機構(gòu)的原動件在繪制機構(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，然后確定構(gòu)件間運動副的類型。構(gòu)的所有構(gòu)件，然后確定構(gòu)件間運動副的類型。2. 2. 為將機構(gòu)運動簡圖表示清楚，恰當?shù)剡x擇投影面。一為將機構(gòu)運動簡圖表示清楚，恰當?shù)?/p>

8、選擇投影面。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部分選擇兩個或兩個以上的投影面，時也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上?？傊?，繪制機構(gòu)運動簡圖要以正然后展開到同一平面上?？傊?，繪制機構(gòu)運動簡圖要以正確、簡單、清晰為原則。確、簡單、清晰為原則。3. 3. 選擇適當?shù)谋壤?，根?jù)機構(gòu)的運動尺寸定出各運動選擇適當?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

9、線條連接起來，這樣便可將同一構(gòu)件上的運動副符號用簡單線條連接起來，這樣便可繪制出機構(gòu)的運動簡圖。繪制出機構(gòu)的運動簡圖。繪制牛頭刨床機構(gòu)的運動簡圖繪制牛頭刨床機構(gòu)的運動簡圖繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖繪制十字滑塊聯(lián)軸節(jié)的運動簡圖2-3 機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算一、平面機構(gòu)自由度的計算公式(1)(1)自由度與約束自由度與約束構(gòu)件獨立運動的數(shù)目稱為構(gòu)件獨立運動的數(shù)目稱為自由度自由度xyzxyz對構(gòu)件運動的限制作用稱為對構(gòu)件運動的限制作用稱為約束約束(2)(2)機構(gòu)機構(gòu)自由度自由度機構(gòu)獨立運動的數(shù)目稱為機構(gòu)的機構(gòu)獨立運動的數(shù)目稱為機構(gòu)的自由度自由度什么是獨立運動什么是獨立運動? ?什么是什么是

10、機構(gòu)的機構(gòu)的獨立運動獨立運動? ? 對于具有對于具有n n個活動構(gòu)件的平面機構(gòu)，若各構(gòu)件個活動構(gòu)件的平面機構(gòu)，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成了之間共構(gòu)成了p pl l個低副和個低副和p ph h個高副，則它們共引入個高副，則它們共引入(2p(2pl l+p+ph h) )個約束。機構(gòu)的自由度個約束。機構(gòu)的自由度f f顯然應(yīng)為顯然應(yīng)為: : f=3nf=3n(2p(2pl l+p+ph h)=3n)=3n2p2pl lp ph h什么是什么是機構(gòu)的自由度機構(gòu)的自由度? ?機構(gòu)的自由度機構(gòu)的自由度= =機構(gòu)的獨立運動數(shù)目機構(gòu)的獨立運動數(shù)目平面機構(gòu)獨立運動的數(shù)目為平面機構(gòu)獨立運動的數(shù)目為: :所有活動構(gòu)件的自由

11、度的所有活動構(gòu)件的自由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。這是機構(gòu)自由度的計算公式這是機構(gòu)自由度的計算公式二、機構(gòu)自由度的意義及 機構(gòu)具有確定運動的條件 所謂所謂機構(gòu)的自由度機構(gòu)的自由度，實質(zhì)上就是機構(gòu)具有確定位，實質(zhì)上就是機構(gòu)具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構(gòu)的自由置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構(gòu)的自由度數(shù)也就是機構(gòu)應(yīng)當具有的原動件數(shù)目。度數(shù)也就是機構(gòu)應(yīng)當具有的原動件數(shù)目。計算下列機構(gòu)的自由度計算下列機構(gòu)的自由度n=2, pn=2, pl l=3, p=3, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *

12、2-22-2* *3=03=0n=3, pn=3, pl l=5, p=5, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *3-23-2* *5=-15=-1n=3, pn=3, pl l=4, p=4, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *3-23-2* *4=14=1n=4, pn=4, pl l=5, p=5, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *4-24-2* *5=25=2討論討論n=2, pn=2, pl l=3, p=3, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp p

13、h h=3=3* *2-22-2* *3=03=0n=3, pn=3, pl l=5, p=5, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *3-23-2* *5=-15=-11)1)若機構(gòu)自由度若機構(gòu)自由度，則機構(gòu)不能動，則機構(gòu)不能動n=3, pn=3, pl l=4, p=4, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *3-23-2* *4=14=1n=4, pn=4, pl l=5, p=5, ph h=0=0 f=3nf=3n2p2pl lp ph h=3=3* *4-24-2* *5=25=22)2)若若 且與原動件數(shù)相等

14、，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是且與原動件數(shù)相等，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是確定的，因此，機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件數(shù)確定的，因此，機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件數(shù)等于機構(gòu)的自由度數(shù)；等于機構(gòu)的自由度數(shù)；3)3)若若00，而原動件數(shù)，而原動件數(shù) ，而原動件數(shù)，而原動件數(shù) f f，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。三、計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1. 1. 復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈例：例：由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈。由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動副稱為復(fù)合鉸鏈。由由m m個構(gòu)件構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當包含個構(gòu)件構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當包含(m-1

15、)(m-1)個轉(zhuǎn)動副。個轉(zhuǎn)動副。2. 2. 局部自由度局部自由度不影響機構(gòu)整體運動的自由度，稱為局部自由度。不影響機構(gòu)整體運動的自由度，稱為局部自由度。在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)當舍棄不計。在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)當舍棄不計。3. 3. 虛約束虛約束應(yīng)在計算結(jié)果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件和應(yīng)在計算結(jié)果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件和運動副去掉，然后再進行計算。運動副去掉，然后再進行計算。在機構(gòu)中，有些約束所起的限制作用可能是重復(fù)的，這種不在機構(gòu)中，有些約束所起的限制作用可能是重復(fù)的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。起獨立限制作用的約束稱為虛約束。常見的虛

16、約束有以下幾種情況常見的虛約束有以下幾種情況: :）當兩構(gòu)件組成多個移動副，且其導(dǎo)路互相平行或重合時，）當兩構(gòu)件組成多個移動副，且其導(dǎo)路互相平行或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。則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)帶虛約束的凸輪機構(gòu)帶虛約束的曲軸帶虛約束的曲軸）當兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互相重合時，則只有）當兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉(zhuǎn)動副起作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。一個轉(zhuǎn)動副起作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。）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）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，此時若用具有

17、兩個轉(zhuǎn)動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，則將會引時若用具有兩個轉(zhuǎn)動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束。入一個虛約束。帶虛約束的桿機構(gòu)帶虛約束的桿機構(gòu)）機構(gòu)中對運動起重復(fù)限制作用的對稱部分也往往會引入）機構(gòu)中對運動起重復(fù)限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。虛約束。帶虛約束的行星輪系帶虛約束的行星輪系虛約束的本質(zhì)是什么虛約束的本質(zhì)是什么?從運動的角度看從運動的角度看, ,虛約束就是虛約束就是“重復(fù)的約束重復(fù)的約束”或者是或者是“多余的約束多余的約束”。機構(gòu)中為什么要使用虛約束機構(gòu)中為什么要使用虛約束?a.使受力狀態(tài)更合理使受力狀態(tài)更合理b.使機構(gòu)平衡使機構(gòu)平衡c.考慮機構(gòu)在特殊位置的運

18、動考慮機構(gòu)在特殊位置的運動使用虛約束時要注意什么問題使用虛約束時要注意什么問題?保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設(shè)計中保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設(shè)計中使用虛約束時，機械制造的精度要提高。使用虛約束時，機械制造的精度要提高。2-4 2-4 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析一、平面機構(gòu)的組成原理一、平面機構(gòu)的組成原理機構(gòu)都是由機架、原動件和從動件組構(gòu)成的。機構(gòu)都是由機架、原動件和從動件組構(gòu)成的。機架機架原動件原動件從動件組從動件組從動件組從動件組當把該機構(gòu)的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：當把該機構(gòu)的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：這個從動件組

19、的自由度為零，即：這個從動件組的自由度為零，即：06243236,4llpnfpn 這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。等于零的從動件組。分分解解？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？還能進一步分解嗎？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。從動件組。 通常把這樣的從動件組稱為：通常把這樣的從動件組稱為：基本桿組基本桿組基本桿組的概念非常重要，它是機構(gòu)分析基本桿組的概念非常重要，它是機構(gòu)分析的重要的理論基礎(chǔ)。的重要的理論基礎(chǔ)。

20、機構(gòu)的組成原理機構(gòu)的組成原理 任何機構(gòu)都可以看作是由任何機構(gòu)都可以看作是由若干個基本桿組依次連接于若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的原動件和機架上所組成的如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的計算公式為：計算公式為：023lpnflpn32 由于活動構(gòu)件數(shù)由于活動構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)和低副數(shù)pl都必須是整數(shù)，所以都必須是整數(shù)，所以 n應(yīng)是應(yīng)是 的倍數(shù)，的倍數(shù)， pl應(yīng)是應(yīng)是 的倍數(shù)。的倍數(shù)。 這也就是說，在一個基本桿組中，其構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)這也就是說，在一個基本桿組中，其構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)有以下關(guān)系：有以下關(guān)系：n=2, pl=3n=

21、4, pl=6n=6, pl=9二、基本桿組的類型二、基本桿組的類型 最簡單的平面基本桿組是由兩個構(gòu)件三個低副組成的桿組，最簡單的平面基本桿組是由兩個構(gòu)件三個低副組成的桿組，稱之為稱之為級桿組。級桿組。級桿組是機構(gòu)中最常見的一類基本桿組級桿組是機構(gòu)中最常見的一類基本桿組級桿組有以下五種形式：級桿組有以下五種形式：（）（）rrr桿組桿組（）（）rrp桿組桿組（）（）rpr桿組桿組（）（）prp桿組桿組（）（）rpp桿組桿組除除級桿組外，還有級桿組外，還有、級等較高級的基本桿組。級等較高級的基本桿組。這是這是級桿組級桿組由個構(gòu)件個低副組成，具有一個由個構(gòu)件個低副組成，具有一個副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所連

22、接的分支是雙副構(gòu)件。副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所連接的分支是雙副構(gòu)件。這是這是級桿組級桿組由個構(gòu)件個低副組成，有個內(nèi)副。由個構(gòu)件個低副組成，有個內(nèi)副。機構(gòu)自由度計算舉例機構(gòu)自由度計算舉例例 1 圖示牛頭刨床設(shè)計方案草圖。設(shè)計思路為：動力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動導(dǎo)桿 3 作往復(fù)擺動，并帶動滑枕4作往復(fù)移動 ，已達到刨削加工目的。 試問圖示的構(gòu)件組合是否能達到此目的？ 如果不能，該如何修改？1 12 23 34解：首先計算設(shè)計方案草圖的自由度解：首先計算設(shè)計方案草圖的自由度0624323hppnfl改進措施：改進措施：1 1、增加一個低副和一個活動構(gòu)件；、增加一個低副和一個活動構(gòu)件；2 2、用一個高副代替低副。、用一個高副代替低副。即表示如果按此方案設(shè)計機構(gòu)，機構(gòu)是不能運動的。必即表示如果按此方案設(shè)計機構(gòu)，機構(gòu)是不能運動的。必須修改，以達到設(shè)計目的。須修改，以達到設(shè)計目的。改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案改進方案例例 2 2 如圖所示，已知：如圖所示，已知： de=fg=hide=fg=hi，且相互平行；，且相