机构的组成原理

第二章机构的组成原理和机构类型综合主讲：张青副教授上海交通大学机械与动力工程学院Feb.2011第二章机构的组成原理和机构类型综合内容提要基本要求基本概念重点与难点本章教案机构的组成及运动简图机构的自由度计算及机构运动确定条件机构的高副低代、结构分析和组成原理机构类型综合例题剖析与习题典型例题剖析思考题习题目录内容提要掌握平面运动副的类型及其提供的约束条件掌握运动链成为机构的条件掌握平面机构运动简图的绘制方法和步骤掌握平面机构自由度计算及其注意事项基本要求内容提要基本概念内容提要重点与难点本章教案构件与运动副运动链和机构平面机构运动简图§2-1机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一、构件与运动副机器:是由各种机构所构成的系统。例如内燃机就包含了曲柄滑块机构、齿轮机构和控制进、排气的凸轮机构。机构的组成:构件运动副运动链机构构件与运动副构件运动副运动链机构构件：组成机构的每一个独立运动单元体称为构件，机器中的构件可以是单一的零件，也可以由若干个零件刚性联接而成。构件和零件是两个不同的概念。构件是运动单元，而零件是制造单元1、构件构件与运动副构件运动副运动链机构运动副：两个构件之间的可动联接。两构件直接接触而又能产生一定型式的相对运动的连接，称为运动副。运动副元素：两个构件参加接触而构成运动副的表面作用类型轴与轴承联接（圆柱和圆柱孔面）2、运动副构件与运动副运动副滑块与导轨联接（接触平面）两齿轮轮齿啮合（齿廓曲面）构件与运动副3、运动副约束作空间自由运动的构件具有六个自由度。对构件一个独立运动的限制称为一个约束条件。自由度与约束数之总和应等于6对每个构件的约束数最多为5，最少引入一个约束。构件与运动副4、平面构件的自由度当没有约束时，构件作平面运动具有三个自由度：即可以沿x轴和y轴方向移动，以及绕垂直于运动平面xOy的z轴的转动。xyθ构件的独立运动的数目或者确定构件位置的独立参数的数目称为自由度数。构件与运动副5、运动副的分类根据运动副提供约束数目根据组成运动副两构件相对运动按照运动副元素构件与运动副根据运动副提供约束数目，运动副可分为五级提供一个约束条件的，称为I级运动副(简称I级副)。提供两个约束条件的称为II级运动副(简称II级副)；依次类推还有III、IV、V级副。根据运动副提供的约束数目分类I级副作者：潘存云教授II级副III级副IV级副V级副1V级副2V级副3两者关联构件与运动副螺旋副也属V级副。根据运动副提供的约束数目分类构件与运动副常用运动副及其代表符号构件与运动副根据组成运动副两构件相对运动：平面运动副、空间运动副球面副转动副球销副根据组成运动副两构件相对运动分类构件与运动副通常把面接触的运动副称为低副，点接触或线接触的运动副称为高副。在平面机构中，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束条件。低副高副按照运动副元素的不同分类构件与运动副6、常见平面运动副及其自由度转动副(低副）(自由度为1）可以绕铰链轴转动转动副构件与运动副移动副移动副(低副）(自由度为1）可以沿导路移动构件与运动副高副齿轮副，凸轮(高副）（自由度为2）可以沿切线移动可以绕接触点或线转动机构的组成及运动简图螺旋副球面副球销副圆柱副HCSS’7、空间低副机构的组成及运动简图复合运动副：万向铰或虎克铰U（universaljoint)8、复合铰链机构的组成及运动简图二、运动链和机构构件运动副运动链机构运动链：两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。闭链：运动链各构件构成首尾相接的系统。开链：运动链各构件构成首尾不相接的系统。闭式运动链开式运动链作者：潘存云教授运动链和机构组成机构的各构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。构件运动副运动链机构机构运动简图－撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，用简单的线条和规定的符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置。这种能准确表达机构运动情况的简化图形称为机构运动简图。机构示意图－若图形不按精确的比例绘制，仅仅为了表达机械的结构特征，这种简图称为机构示意图。机构的组成及运动简图三、平面机构运动简图平面机构运动简图构件和运动副的表示方法平面机构运动简图构件和运动副的表示方法平面机构运动简图绘制平面机构运动简图的主要步骤绘制平面机构运动简图的步骤：1)找构件；2)找运动副；3)按适当比例画机构运动简图。平面机构运动简图机构运动简图的实例分析颚式破碎机分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中A、E、G三处是与机架相连的固定铰链，原动件为AB，作整周旋转。难点：关键是搞清楚原动构件AB是一个作整周旋转的偏心轮，不容易看出。机构运动简图的实例分析平面机构运动简图偏心轮传动机构小型压力机机构运动简图的实例分析平面机构运动简图本章教案§2-2机构的自由度计算及其机构运动确定条件空间机构的自由度机构具有确定运动的条件计算机构自由度时应注意的事项机构自由度：保证机构具有确定运动时，所必须给定的独立运动参数。机构的自由度计算及其机构运动确定条件一、空间机构的自由度空间机构的自由度计算公式:SPiPuPiPRPiiPiqNPiqNqFhiii三个自由度的运动副，，两个自由度的运动副，，一个自由度的运动副，，个自由度的运动副数目具有运动副的自由度数各构件运动维数的并集构件总数（包括机架）321513,2,1-)()1(机构的自由度计算及其机构运动确定条件一、空间机构的自由度LhLiiiiPNPNFqPPnPPNFqPiNFqPiqNqF)1(2)12()1(2,223)23()13()1(3,3)6()1(6,6)()1(1215151斜面机构取平面机构一般取空间机构一般取机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例自动驾驶仪操舵装置的空间四杆机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例斜面机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RPS并联机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例Stewart并联机构-6-UPSSteward结构力敏元件Stewart并联机构可用于飞行员训练模拟器，并联机床，地震模拟器机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RRR球面机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例3-RRR平面机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件机构自由度计算举例平面四杆机构机构的自由度计算及其机构运动确定条件二、机构具有确定运动的条件fFLPLP铰链四连杆机构一个原动件两个原动件104233F•F＞0时，•原动件数大于机构的自由度，则在机构的薄弱处遭到破坏。机构具有确定运动的条件fFLPLP铰链五杆机构342502F•F＞0时，•原动件数机构的自由度，各构件没有确定的相对运动机构具有确定运动的条件fFLPLP刚性桁架332501F超静定桁架006243F•F＜=0时，机构蜕变为刚性桁架，构件之间没有相对运动。机构具有确定运动的条件结论：机构具有确定运动的条件是：机构的原动件的数目=机构的自由度的数目机构的自由度计算及其机构运动确定条件三、计算平面机构自由度时应注意的事项fFLPLP复合铰链局部自由度虚约束在用自由度计算公式计算机构自由度时，有时会出现按公式计算的结果与机构实际自由度不相得合的情况。为使计算结果与实际一致，在计算机构的自由度时，应注意下列几个问题。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项fFLPLP局部自由度Stewart并联机构-6-SPSSteward结构力敏元件Stewart并联机构可用于飞行员训练模拟器，并联机床，地震模拟器计算平面机构自由度时应注意的事项小型压力机局部自由度计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项fFLPLP3计算平面机构自由度时应注意的事项3计算平面机构自由度时应注意的事项fFLPLP3计算平面机构自由度时应注意的事项3计算平面机构自由度时应注意的事项3计算平面机构自由度时应注意的事项虚约束情况六：在机构运动过程中，当不同构件上两点间的距离保持恒定时，用一个构件和两个转动副将此两点相联，也将带入一个虚约束。计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算举例本章教案§2-3机构的高副低代、结构分析和组成原理平面机构中高副低代的方法平面机构的结构分析平面机构的组成原理机构的高副低代、结构分析和组成原理一、平面机构中高副低代的方法fFLPLP为了保证机构的运动保持不变，进行高副低代必须满足的条件是:1)代替机构和原机构的自由度必须完全相同。2)代替机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。b)32A1B4O1O2O12r1A31nO2r2nBa)32A1B4b)高副机构任意曲线轮廓高副机构O12r1A31nO2r2nBa)C曲率圆平面机构中高副低代的方法a)123ACBO1n(O2)nb)AO1O22413B若高副两元素之一为一点(如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图b：平面机构中高副低代的方法123BO1AO2a)C若高副两元素之一为一直线(如下图a)，则因其曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图b或图c：23BAC41c)b)23BO1AC41平面机构中高副低代的方法平面机构中高副低代的方法摆动从动件盘形凸轮机构平面机构中高副低代的方法由上述可知，平面机构中的高副均可以用低副来代替，所以任何平面机构都可以化为只含低副的机构，对平面机构进行结构分类时，只需研究平面低副机构就可以了。机构的高副低代、结构分析和组成原理二、平面机构的结构分析基本杆组：最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组ABCDEPl1yxθ1β图4-8转动输出七杆机构的正运动学分析Fig.4-8Thekinematicanalysisofseven-barmechanismwithrotatingoutputGFαl2l7l9l6l8l10l4l5l3θ2θ3θ5θ4θ6γθ6θ4θ5θ3θ2l3l4l8l6l9l7l2FGβθ1l1PEDCBADBP基本杆组+原动件+机架=机构机构的高副低代、结构分析和组成原理二、平面机构的结构分析332,2LLFnPPn即全含低副的基本杆组的组成：设基本杆组由n个构件和PL个低副组成，按自由度公式得由于构件数和运动副数必须是整数，所以满足上式的构件数和运动副数的组合为：n＝2，PL＝3；n＝4，PL＝6；…n应为2的倍数，而PL为3的倍数。平面机构的结构分析二级杆组最简单的组合为ｎ＝２，PL=3,由二个构件和3个低副构成的基本组称为II级组。考虑到低副中有转动副和移动副，II级组有五种不同的类型正切机构正弦机构平面机构的结构分析三级杆组大多数的机构都是由II级组构成、但在少数结构比较复杂的机构中，除II级组外，可能还有其他较高级的杆组。三级杆组：ｎ＝4，PL=6,而且必须有一个构件有三个低副，构成的基本组称为III级组。III级组的几种组合形式特点：其中一个构件有三个运动副。多能机送布机构JITPHWBB1AGCVMDNFERSTIJHPWBB1AGNFERCVDMQiUiNMDVCB1BCR(a)(b)(c)FEJIαβθθ13I5(d)xy0QiUiUiSS5842671234567891011123671110θQi489TPWHGBABGφ44θsQi859TWPHGA平面机构的结构分析三级杆组多能机送布机构平面机构的结构分析四级杆组四级杆组：最高封闭形为四边形，构成的基本组称为IV级组。高于III级组的基本杆组在实际机构应用很少。IV级组特点：具有两个三