機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

1、 第二章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和綜合 21 研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的22 機(jī)構(gòu)的組成及其運動簡圖的繪制23 機(jī)構(gòu)自由度的計算24 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析25 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合21 研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的1.研究機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運動的條件 目的是弄清機(jī)構(gòu)包含哪幾個部分，各部分如何相聯(lián)？以及怎樣的結(jié)構(gòu)才能保證具有確定的相對運動？2.繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖 目的是為運動分析和動力分析作準(zhǔn)備。22 機(jī)構(gòu)的組成及其運動簡圖的繪制一、機(jī)構(gòu)的組成要素1.構(gòu)件 (Link) 獨立的運動單元 零件(part)獨立的制造單元內(nèi)燃機(jī)中的連桿 構(gòu)件由零件組成2.運動副 (Kinematic pair)a)兩個構(gòu)件、b) 直接

2、接觸、c) 有相對運動運動副元素直接接觸的部分（點、線、面）例如：滾動軸承、齒輪齒廓、活塞與缸套等。定義： 運動副兩個構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運動的聯(lián)接。三個條件，缺一不可 運動副的分類1平面運動副 回轉(zhuǎn)副 移動副 高副下一頁2 空間運動副 球面副 螺旋副1、面接觸接觸比壓低，承載能力大。 2、接觸面為平面或柱面便于加工，成本 低，便于潤滑。 3、引入二個約束。 運動副的特點1、點、線接觸接觸比壓高， 承載能力小。高副 3、引入一個約束。2、接觸面為曲面不便于加工和潤滑。 常用運動副的符號運動副名稱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121212121212121212121

3、21212兩構(gòu)件之一為固定時的運動副122121平面運動副平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運動副1212123. 運動鏈 (Kinematic chain)運動鏈兩個以上的構(gòu)件通過運動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人閉式鏈 (Close chain) 、開式鏈(Open chain)若干1個或幾個1個4. 機(jī)構(gòu)定義：具有確定運動的運動鏈中某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架稱為機(jī)構(gòu) 。機(jī)架作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)機(jī)架原動件從動件機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件經(jīng)運動副聯(lián)接而成的，很顯然，機(jī)構(gòu)歸屬于運動鏈，那么，運動鏈在什么條件下就能稱為機(jī)構(gòu)

4、呢？即各部分運動確定。分別用四桿機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)模型演示得出如下結(jié)論：在運動鏈中，如果以某一個構(gòu)件作為參考坐標(biāo)系，當(dāng)其中另一個（或少數(shù)幾個）構(gòu)件相對于該坐標(biāo)系按給定的運動規(guī)律運動時，其余所有的構(gòu)件都能得到確定的運動，那么，該運動鏈便成為機(jī)構(gòu)。 原（主）動件按給定運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件。從動件其余可動構(gòu)件。三、機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制1.機(jī)構(gòu)運動簡圖 ( 運動副-符號, 構(gòu)件-簡單線條 , 按比例定出各運動副位置) 說明機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系的簡化圖形。作用： 1)表示機(jī)械的組成。 2)作為運動分析和動力分析的依據(jù)。機(jī)構(gòu)示意圖不按比例繪制的簡圖2.構(gòu)件的表示方法 桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件三副構(gòu)件

5、兩副構(gòu)件 在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動帶傳動圓錐齒輪傳動3.常用機(jī)構(gòu)運動簡圖符號 鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動3.機(jī)構(gòu)運動簡圖應(yīng)滿足的條件： 1)構(gòu)件數(shù)目與實際相同 2)運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際相符 3)運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機(jī)構(gòu) 成比例。棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動 四桿機(jī)構(gòu) 滑塊機(jī)構(gòu) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)正切機(jī)構(gòu)1）先找首端原動件 再找尾端工作構(gòu)件(確定構(gòu)件數(shù))2）確定各構(gòu)件之間的運動副種類及位置 “兩兩分析相對運動”3）代表回轉(zhuǎn)副的小圓，其圓心必須與相對運動 回轉(zhuǎn)中心重合。代表移動副的滑塊，其導(dǎo)路 方向必須與相對運動方向一致。4）比例、符號、線條、標(biāo)號繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖

6、的方法：例1：繪制破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運動簡圖。1234例2: 繪制圖示偏心泵的運動簡圖偏心泵 動畫23 、機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件給定構(gòu)件3位移規(guī)律S3(t)，一個獨立運動參數(shù)構(gòu)件1.2唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個獨立參數(shù)。 若僅給定11（t）,則2 3 4 均不能唯一確定。若同時給定1和4 ，則3 2 能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個獨立參數(shù) 。S3123S31123414機(jī)構(gòu)的自由度是保證機(jī)構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)。一個原動件只能提供一個獨立運動參數(shù)機(jī)構(gòu)具有確定運動的必要條件為：自由度(F)原動件數(shù)24 機(jī)構(gòu)自由度的計算一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計算公式y(tǒng)x(x , y)F = 3單個自由構(gòu)件的

7、自由度為 3低副 引入二個約束。 高副 引入一個約束?；顒訕?gòu)件數(shù) 構(gòu)件總自由度 低副約束數(shù) 高副約束數(shù) n 3n 2 PL 1 Ph (低副數(shù)) (高副數(shù)) 計算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。舉例：計算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。123解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數(shù)PH=04計算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度。1解：活動構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副數(shù)PH=05234計算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。1解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高

8、副數(shù)PH=1231.復(fù)合鉸鏈 multiple pin joints 兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。 m個構(gòu)件,有m1轉(zhuǎn)動副。三、計算機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項12345678ABCDEF計算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL= 在B、C、D、E四處應(yīng)各有 2 個運動副。F=3n 2PL PH =37 2100 =1圓盤鋸機(jī)構(gòu) 動畫2.局部自由度 Partial freedom構(gòu)件局部運動所產(chǎn)生的自由度。計算圖示兩種滾子凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：n= 3PL= 3F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1對于右邊的機(jī)構(gòu)，有： F=32 22 1=1事實上，兩個機(jī)

9、構(gòu)的運動相同，且F=112312 F=32 22 1 =1局部自由度出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應(yīng)剛化滾子12312解：n=4,PL=6,F=3n 2PL PH =34 26 =0 1234ABCDEFPH=0 FEAB CD ，故增加構(gòu)件4前后E點的軌跡都是圓弧，增加的約束不起限制作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。已知： AB CD EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。 3.虛約束 formal constraint 對機(jī)構(gòu)的運動只起重復(fù)限制作用的約束，稱為虛約束。計算自由度時應(yīng)去掉產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件或除去虛約束。重新計算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1E123A

10、BCD4F特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是： ABCDEF已知： ABCDEF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。 4F4 平面機(jī)構(gòu)中的虛約束常出現(xiàn)下列場合：1、兩構(gòu)件在多處構(gòu)成移動副，且導(dǎo)路重合或平行。 2、兩構(gòu)件在多處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副， 且軸線重合3、法線始終重合的高副注意：法線不重合時，變成實際約束！4、兩構(gòu)件在相聯(lián)接點的軌跡 重合5、機(jī)構(gòu)中對傳遞運動不起獨 立作用的對稱部分例題分析 例1-5 計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度，并指出復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束。 計算圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。n=6，PL=7，F(xiàn)=3n 2PL PH =36 27 3 =1局部自由度2個虛約束1處, 去掉后復(fù)合鉸鏈:

11、位置D ，2個低副PH=3分析：四、空間機(jī)構(gòu)自由度簡述 若n個活動構(gòu)件中有P1個一級副；有P2個二級副；有P3個三級副；有P4個四級副；有P5個五級副，則可得空間機(jī)構(gòu)的自由度公式： F=6n5P54P43P32P2P1 (2-2) 公共約束是機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件共同失去的自由度，設(shè)公共約束數(shù)為，則可得如下機(jī)構(gòu)自由度計算公式： F=(6m)n(im)Pi24 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析一、平面機(jī)構(gòu)的組成原理 1.最簡單的機(jī)構(gòu)（雙桿機(jī)構(gòu)） 由一個原動件和一個機(jī)架組成的機(jī)構(gòu)。 a)原動件作移動 (如直線 電機(jī)、流體壓力作動筒)。21 b)原動件作轉(zhuǎn)動 (如電動 機(jī))。212.基本桿組現(xiàn)設(shè)想將機(jī)構(gòu)中的原動

12、件和機(jī)架與從動件系統(tǒng)分開，則剩下的從動件系統(tǒng)必有F0。將從動件系統(tǒng)繼續(xù)拆分成更簡單F0的構(gòu)件組，直到不能再拆為止。 機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件是原動件數(shù)自由度。 機(jī)構(gòu)機(jī)架原動件從動件系統(tǒng)0F個F0定義：最簡單的F0的構(gòu)件組，稱為基本桿組。F=1F=07舉例：將圖示八桿機(jī)構(gòu)拆分成機(jī)架、原動件和基本桿組。1324568任何一個平面機(jī)構(gòu)都可以看作是在機(jī)架和原動件的基礎(chǔ)上，依次添加若干個基本桿組所形成的。這就是機(jī)構(gòu)的組成原理結(jié)論：該機(jī)構(gòu)包含機(jī)架、一個原動件和兩個基本桿組，換句話說，將兩個基本桿組添加到機(jī)架和原動件構(gòu)成的雙桿機(jī)構(gòu)上，形成了該八桿機(jī)構(gòu)。3.桿組的分類設(shè)基本桿組中有n個構(gòu)件，則由條件F0有： F

13、3n2PLPH0 PL3n/2 (低副機(jī)構(gòu)中PH0 ) PL 為整數(shù)， n只能取偶數(shù)。 n 2 4 PL 3 6 n=2 的桿組稱為級組應(yīng)用最廣而又最簡單的基本桿組。共有 5 種類型 n=4 （PL6）的桿組有多種類型，如:以上三種形式稱為級組。結(jié)構(gòu)特點：其中心構(gòu)件有三個運動副元素。典型級組：下面的形式稱為IV級組。結(jié)構(gòu)特點：有兩個三副桿，且4個構(gòu)件構(gòu)成四邊形結(jié)構(gòu)。內(nèi)端副桿組內(nèi)部相聯(lián)。外端副與組外構(gòu)件相聯(lián)。4.機(jī)構(gòu)的級別機(jī)構(gòu)按所含最高桿組級別命名，如級機(jī)構(gòu)，級機(jī)構(gòu)等。表2-3 A級及部分級基本桿組結(jié)構(gòu)型式桿組中含有構(gòu) 件及運動副數(shù)桿 組 型 式n=2p=3二桿三副（II級桿組）（1）RRR （

14、2）RRP （3）RPR （4）PRP （5）RPP n=4p=6四桿六副（部分、IV 級桿組）（1） （2） 二、平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析就是將已知機(jī)構(gòu)分解為原動件、機(jī)架和若干個基本桿組，進(jìn)而了解機(jī)構(gòu)的組成，并確定機(jī)構(gòu)的級別。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是：1)計算機(jī)構(gòu)的自由度并確定原動件。2)拆桿組。要從遠(yuǎn)離原動件處開始拆，盡量拆成二級組，拆后剩余部分還應(yīng)是一個完整的機(jī)構(gòu)。3)確定機(jī)構(gòu)的級別。例2-5計算圖2-16所示機(jī)構(gòu)的自由度，并確定機(jī)構(gòu)的級別。 解：該機(jī)構(gòu)無虛約束和局部自由度， F=3527=1 該機(jī)構(gòu)為II級機(jī)構(gòu)。必須強(qiáng)調(diào)指出： 1)桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構(gòu)件上，否則將成

15、為剛體。如： 2)機(jī)構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。7圖示八桿機(jī)構(gòu)，1為原動件，試對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。若6或7為原動件，結(jié)果一樣嗎？1324568或7為原動件時級機(jī)構(gòu)6為原動件時級機(jī)構(gòu)67三、平面機(jī)構(gòu)的高副低代1 高副低代的條件1）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同。2）代替前后機(jī)構(gòu)的運動狀況（位移，速度，加速度）相同。2 高副低代的方法 找出構(gòu)成高副的兩輪廓曲線在接觸點處的曲率中心，然后用一個構(gòu)件和位于兩個曲率中心的兩個轉(zhuǎn)動副來代替該高副。如圖2-17所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2分別為繞和轉(zhuǎn)動的兩個圓盤，兩圓盤的圓心分別為O1、O2，半徑為R1、R2，它們在C點構(gòu)成高副，當(dāng)機(jī)構(gòu)運動時，替代機(jī)構(gòu)如圖中虛線所示。圖

16、2-18所示機(jī)構(gòu)的替代機(jī)構(gòu)也如該圖中虛線所示。圖217圖218 3 高副低代的兩種特殊情況 1）如果兩接觸輪廓之一為直線，替代轉(zhuǎn)動副演化成移動副，如圖2-19所示。 2）若兩接觸輪廓之一為一點，其替代方法如圖2-20所示。圖 2-19 圖220 2-5平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)綜合 2-5Structure synthesis of planar mechanism 根據(jù)機(jī)構(gòu)的輸入特性與輸出特性的要求設(shè)計機(jī)構(gòu)運動簡圖的過程一般稱為機(jī)構(gòu)綜合。機(jī)構(gòu)綜合過程中，首先要按機(jī)構(gòu)特性的要求選擇機(jī)構(gòu)型式，稱為結(jié)構(gòu)綜合（型綜合）。綜合平面機(jī)構(gòu)時，如果沒有虛約束，則只須往原動件和機(jī)架（即I級機(jī)構(gòu)）上聯(lián)接自由度等于零的基本桿

17、組。這種結(jié)構(gòu)綜合的方法稱為基本桿組疊加法。 與I級機(jī)構(gòu)聯(lián)接的最少構(gòu)件數(shù)應(yīng)為1，該種組合形成了只有一個從動件的機(jī)構(gòu)。可形成移動從動件凸輪機(jī)構(gòu)、擺動從動件凸輪機(jī)構(gòu)或齒輪機(jī)構(gòu)。 當(dāng)與I級機(jī)構(gòu)聯(lián)接的構(gòu)件數(shù)等于2，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的解已較多。沒有高副時，共有五種形式。若把這五種形式的II級桿組分別聯(lián)接到I級機(jī)構(gòu)上，相應(yīng)地便可形成五種不同機(jī)構(gòu)，如圖2-21所示。 四桿機(jī)構(gòu) 滑塊機(jī)構(gòu) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)正切機(jī)構(gòu)圖 2-22平面機(jī)構(gòu)如果沒有高副，可將基本桿組與I級機(jī)構(gòu)和機(jī)架聯(lián)接，即可得到各種類型的機(jī)構(gòu)。如圖2-22的破碎機(jī)機(jī)構(gòu)就是由兩個II級桿組和I級機(jī)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成。練習(xí)：22頁2-2、作業(yè)：22頁2-3、 2-4、 2-5.思考題： 1）機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析主要包括哪些內(nèi)容？對機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的目的何在? 2) 何謂構(gòu)件?構(gòu)件與零件有何區(qū)別? 3) 何謂高副？何謂低副？在平面機(jī)構(gòu)中高副和低副帶入幾個約束？齒輪副的約束數(shù)應(yīng)如何確定？ 4) 何謂運動鏈?運動鏈與機(jī)構(gòu)有何聯(lián)系和區(qū)別？ 5) 何謂機(jī)構(gòu)運動簡圖？它與機(jī)構(gòu)示意圖有何區(qū)別？繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖的目的和意義是什么？繪制機(jī)構(gòu)運動簡圖應(yīng)注意哪些問題？ 6) 何謂機(jī)構(gòu)的自由度？在計算平面機(jī)構(gòu)的自由度時應(yīng)注意哪些問題？ 7)