机构的组成

第1章机构的组成和机构StructuralAnalysisofMechenisms1.1机构的组成CompositionofMechanisms1.构件(Link)构件可以由多个零件组成，也可以由一个零件组成。零件—机器的制造单元，是机器的最小组成部分。2、运动副KinematicPair根据组成运动副的两构件在接触部分的几何形状可分为圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副等。构件与构件之间的直接接触所形成的可动连接平面运动副（PlanarKinematicPair)—两在同一平面内运动的构件形成的运动副。空间运动副（SpatialKinematicPair)—两构件在空间运动所形成的运动副。高副(HigherPair)—通过点、线接触而形成的运动副低副(LowerPair)—以面接触形成的运动副常见运动副KinematicPairinCommonUse引入几个约束就称为几级副球与平面副空间１级高副球面副空间３级低副球销副空间４级低副圆柱副空间４级低副圆柱高副空间２级高副螺旋副空间５级低副常见运动副（续）KinematicPairinCommonUse平面高副平面４级高副平面与平面副空间３级低副圆柱与平面副空间２级高副移动副平面５级低副转动副平面５级低副球与圆柱副空间２级高副运动副的类型及表示符号TypeandSymbolofKinematicPair3.运动链(KinematicChain)闭式运动链开式运动链闭式运动链—运动链的各构件构成首尾封闭的系统。开式运动链—运动链的各构件没有构成封闭的系统。含有单副构件的运动链必是开式运动链。由运动副连接所形成的构建组4.机构(Mechanisms)机架—机构中固定不动的构件。从动件—除机架和原动件外的其余构件。原动件—按照给定的运动规律独立运动的构件具有确定运动的运动链1.2机构运动简图1.2TheKinematicDiagramofaMechanisms机构运动简图—用简单的符号和线条表示的用以表达机构运动情况的简化图形，与原机器具有相同的运动特性。机构运动简图的画法ProceduresforDrawingtheKinematicDiagramofaMechanisms1.找出机器或机构的原动件、执行件和机架。2.遵循运动传递的路线，把原动件与执行构件的传递路线搞清楚。3.搞清楚机器是由多少构件组成的，每个构件与它相邻的构件之间的相对运动是怎样的，从而确定运动副的形式。4.选择能够表达运动关系的视图平面。5.选择适当的比例尺，定出运动副的相对位置，以简单的线条和各种运动副符号，由原动件开始将机构简图画出。构件及运动副连接的表达方法RepresentationoflinksandKinematicPairjoints举例如下例1Example1试绘制出如图所示机构的运动简图。举例2Example2画出小型压力机的机构运动简图。原动件—偏心轮1+齿轮1’执行构件—压杆8偏心轮1齿轮1’杆件2杆件3杆件4齿轮6’槽凸轮6’滑块7压杆8运动传递路线机器由9个构件组成。运动链成为机构的条件ConditionsforaKinematicChaintoBecomeaMechanisms运动链成为机构的条件是：运动链自由度数必须等于其原动件数，且必须大于零。三杆铰链不能运动，所以不是机构五杆铰链的运动不确定，所以也不是机构。运动链的自由度DegreeofFreedomofaKinematicChain运动链自由度计算的一般公式：写成通式的形式：例1.1计算自动驾驶仪操纵装置的自由度1）分析运动链的组成2）画机构运动简图3）计算运动链的自由度活动构件n=3,p5=2,p4=1,p3=1F=6×3-5×2-4×1-3×1=11234523456pppppnF516kkkpn-F计算运动链自由度时应注意的问题PointsforAttentionduringtheCalculationofDOF1.公共约束问题２.复合铰链３.局部自由度4.虚约束5.综合实例1.公共约束问题CommonConstraints解：该运动链活动构件n=3,有4个转动副p5=4。计算自由度为：F=6n－5p5－4p4－3p3－2p2－p1=6n－5p5=6×３—５×４=-2机构不能运动!计算有误。例1.试计算右图所示的四杆运动链的自由度。考虑公共约束后的运动链自由度的计算公式应为：51)()6(qkkpqknqF对四杆运动链重新计算：n=3,P5=4,q=3,自由度为F=(6－3)n－(5－3)p5＝3n－2p5＝3×3－2×4＝1与实际情况相符。公共约束问题（续）CommonConstraints平面问题运动链的计算公式：Ｆ＝３ｎ－２ｐ５－ｐ４例1.计算三杆运动链的自由度。解：n=2,P5=3。F=3n—2P5—P4=3×２—２×３=0运动链不能运动,所以不是机构。例2.计算五杆运动链的自由度。并判断运动链是否为机构。解：n=4,P5=5。F=3n—2P5—P4=3×4—２×5=2不等于原动件数。所以不是机构。只有当原动件为2时才能成为机构。例３.判断右图所示的运动链是否为机构。解：n=３,P5=４,P４＝１。F=３n—２P5－P４=３×３—２×４－１=０自由度数等于零。所以不是机构。例４.判断右图所示的运动链是否为机构。解：n=２,P5=３,ｑ＝４。F=２n—P5=２×２—３=１自由度等于原动件数。所以是机构。２.复合铰链CompoundHinge例１．计算右图所示摇筛机构的自由度。解:n=5,p5=6计算自由度F:F=３ｎ—２ｐ５－ｐ４＝３×５—２×６＝３与实际不符，可以看出该机构的自由度应该为１。复合铰链—两个以上构件在同一处以转动副联接。在计算时ｐ５＝ｋ－１，其中ｋ为组成该转动副的构件的个数。复合铰链重新计算上例：ｎ＝５，ｐ５＝７。Ｆ＝３×５—２×７=１与实际情况相符。３.局部自由度PassiveDOF例题：计算右图所示摆动导杆机构的自由度。解：ｎ＝３，ｐ５＝３，ｐ４＝１。计算自由度Ｆ＝３ｎ－２ｐ５－ｐ４＝３×３－２×３－１＝２机构需要两个原动件才能运动，与实际情况不符。局部自由度—机构中不影响机构的运动规律的自由度。发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦添加的滚子，滚动轴承的滚珠等。解决的办法：在计算自由度时，将滚子与安装滚子的构件固接在一起，视为一个构件。重新计算：解：ｎ＝２，ｐ５＝２，ｐ４＝１。计算自由度Ｆ＝３ｎ－２ｐ５－ｐ４＝３×２－２×２－１＝１与实际情况相符。局部自由度４.虚约束RedundantConstraints例1.计算平行四边形机构的自由度。解：n=3,p5=4,F=3ｎ－２ｐ５－ｐ４＝３×３—２×４＝１运动链只要有一个原动件就是机构。与我们看到的情况相同。例２.计算加强平行四边形机构的自由度。解：n=４,p5=６,F=3ｎ－２ｐ５－ｐ４＝３×４—２×６＝０运动链不能运动，与我们看到的情况相反。虚约束虚约束—对机构的运动没有影响的约束。处理方法：将引入虚约束的构件连同运动副一起去掉。重新计算：解：n=３,p5=４,F=3ｎ－２ｐ５－ｐ４＝３×３—２×４＝１与我们看到的情况相同。虚约束发生的场合SituationsofRedundantConstraintsOccuring虚约束n=３，ｐ５＝４Ｆ＝３×３－２×４＝１n=３，ｐ５＝3，p4=2Ｆ＝３×３－２×3－２＝１1.如果将机构的某个运动副拆开,机构被拆开的两部分在原连接点的运动轨迹仍互相重合,则此连接带入的约束必为虚约束。如右图所示。２.在机构中,某些不影响机构运动的重复部分所带入的约束为虚约束。如右图所示。３.在机构的运动过程中,若两构件上两点的距离始终保持不变，则用双转动副杆将这两点相联，也将带入一个虚约束。如右图所示。n=３，ｐ５＝４，p4=０Ｆ＝３×３－２×４－０＝１4.两构件组成若干个转动副，但其轴线互相重合（图ａ）；两构件组成若干个移动副，但其导路互相平行或重合（图ｂ）；两构件组成若干个高副，但各接触点之间的距离为常数（图ｃ，ｄ）；在这些情况下，各只有一个运动副起作用，其余运动副所提供的约束均为虚约束。如右图所示。综合实例Examples例题：计算右图所示大筛机构的自由度。按任意键继续1.找出机构中的复合铰链、局部自由度、和虚约束。复合铰链局部自由度虚约束2.画出简化后的机构运动简图。3.计算机构的自由度n=7,p5=9,p4=1F=3n－2p5－p4=3×7－2×9－1=2观看动画演示1.4机构的组成原理和结构分析TheCompositionPrincipleandStructuralAnalysis2.4.1机构的组成原理2.4.2平面机构的结构分类2.4.3平面机构的高副低代2.4.4综合例题1.4.1机构的组成原理CompositionPrincipleofMechanisms举例：考察由原动件和机架组成的运动链。n=1,P5=1,F=3－２＝１所以由原动件和机架组成的运动链是最简单的机构．称为１级机构．因为所有自由度为１的机构都有一个原动件，要把它和机架从机构中分离出去，剩下的运动链的自由度必定为零．如下图所示．机构的组成原理（续１）CompositionPrincipleofMechanisms分析六杆机构的自由度：n=5,P5=7,P4=0F=3×５—２×７＝１．拆出基本机构后剩余运动链的自由度：n=４,P5=６,F=3×４—２×６＝０．这种自由度为零的运动链，有时还可以继续分成若干个自由度为零的更简单的运动链．如下图所示．机构的组成原理（续２）CompositionPrincipleofMechanisms我们把最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组．或称阿苏尔组(AssurGroup).n=2,P5=3,F=3×２－２×３＝０n=2,P5=3,F=3×２－２×３＝０机构的组成原理（续３）CompositionPrincipleofMechanisms机构的组成原理：机构是由若干个基本杆组依次联接在由原动件和机架组成的基本机构上形成的．1.4.2平面机构的结构分类ClassificationofPlanarMechanisms对于任一基本杆组，它的自由度Ｆ＝０，即：Ｆ＝３ｎ－２ｐ５－ｐ4＝０现在仅考虑只有低副的情况，即：ｐ4＝０Ｆ＝３ｎ－２ｐ５＝０此时要满足自由度为零的条件，只能是：３ｎ＝２ｐ５因为构件的个数ｎ，运动副的个数ｐ５都只能是整数。因此，它们的组合应该是：ｐ５＝３，ｎ＝２；ｐ５＝６，ｎ＝４；即：构件是２的倍数，运动副是３的倍数。我们把ｎ＝２，ｐ５＝３的杆组称为Ⅱ级组。ｎ＝４，ｐ５＝６的构组称为Ⅲ级组。依此类推，不过比Ⅲ机组更高的基本杆组，实际机构中应用较少。常用Ⅱ级组和Ⅲ级组CommonlyusedgradeⅡandgradeⅢAssurgroups常用Ⅱ级组常用III组平面机构的结构分类（续）ClassificationofPlanarMechanisms平面机构的分类：用机构中所含最高基本杆组的级数对机构分类。如机构中所含最高的杆组是Ⅱ级组，则该机构就是Ⅱ级机构。如机构中所含最高的杆组是Ⅲ级组，则该机构就是Ⅱ级机构。例题：计算下图所示冲压机构的自由度，并分别分析在１构件和６构件为原动件情况下组成机构的基本杆组及机构的级别。n=9,p5=13,F=3n-2p5=3×9－2×13=1点击图片连接ＡutoCAD1.4.3平面机构的高副低代ReplacingHigherPairsbyLowerPairs高副低代：根据一定的条件对机构中的高副虚拟地用低副代替。高副低代的条件：1.代替前后机构的自由度不变。2.代替前后机构的瞬时速度和加速度不变。高副低代的方法：用含有两个低副的虚拟构件代替一个高副。如右图所示：按任意键继续平面机构的高副低代（续１）ReplacingHigherPairsbyLowerPairs1.两接触轮廓皆为曲线如图所示：两个圆盘的中心分别为Ｏ１和Ｏ２，它们在