机械学基础第二章机构的组成原理ppt课件.ppt

第2章 机构的组成原理与结构分析,2.4 平面机构的组成原理和结构分析,本章目录,2.2 机构运动简图,2.3 平面机构的自由度,2.1 基本概念,2.5 空间机构的自由度,平面机构：所有构件在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。,1.构件 机器中每一个独立的运动单元。,平面机构的组成,原动件:运动规律已知的活动构件。从动件:随原动件运动的其余活动构件。固定件(机架):支承活动构件的构件。,2.1 基本概念,2.1 基本概念,1 构件种类：机构由许多构件组成，构件具体分3类主动件：运动规律已知的活动构件。从动件：随主动件运动的其余活动构件。机架(固定件) ：本身固定或可以视作固定的构件。,主动件,从动件,从动件,机架,独立的运动单元体,颚式破碎机,2.1 基本概念,主动件,从动件,从动件,机架,2.1 基本概念,2 运动副：两构件直接接触形成的可动联接。运动副元素：构件之间的接触不外乎“点”、“线”、“面”三种，这些参与接触而构成运动副的点、线、面被称为运动副元素。,2.1 基本概念,运动副的分类： 按运动副元素的接触性质分：低副：面接触的运动副称为低副。转动副、移动副高副：点或线接触的运动副称为高副。凸轮副、 齿轮副,2.1 基本概念,结论： 平面低副具有两个约束， 平面高副具有一个约束。,球面副,螺旋副,齿轮副,凸轮副,2.1 基本概念,运动副的表示法(低副)：转动副：具有一个独立相对转动的运动副称为转动 副。转动副也可称为回转副或铰链。,表示法,2.1 基本概念,运动副的表示法(低副) ：移动副：具有沿一个方向独立相对移动的运动副称 为移动副。移动副也可称为棱柱副。,表示法,2.1 基本概念,运动副的表示法(高副) ：凸轮副：B点表示凸轮副(点接触)。,表示法,B,2.1 基本概念,运动副的表示法(高副) ：凸轮副：B点表示凸轮副。,表示法,2.1 基本概念,齿轮副：O点表示齿轮副(线接触)。,表示法,2.1 基本概念,运动副的分类： 按组成运动副两构件间的相对运动性质分：平面运动副：两构件间的相对运动是平面运动。空间运动副：两构件间的相对运动是空间运动。,平面低副：面接触。,平面高副：点、线接触。,2.1 基本概念,2.1 基本概念,3 运动链：两个以上构件以运动副联接而成的系 统称为运动链。,2.1 基本概念,运动链可以分为闭链和开链。,运动链可以分为平面运动链和空间运动链。平面运动链：运动链中各构件间的相对运动为平面运动。空间运动链：运动链中各构件间的相对运动为空间运动。,2.1 基本概念,闭链：组成运动链的每个构件至少包含两个 运动副元素。闭链的应用：广泛应用于各种机械。,2.1 基本概念,开链：运动链中有的构件只包含一个运动副元素。应用：用于机械手，挖掘机等多自由度机械。,2.1 基本概念,4 机构运动链成为机构的条件运动链中出现一个称之为机架的固定构件。具有一个或少数几个作独立运动的构件主动件。从动件的运动规律应完全确定。机构按包含的运动副类型分为：低副机构高副机构机构按构件间的相对运动性质分为：平面机构空间机构,(“3有”),2.1 基本概念,单击右图演示运动,低副机构,高副机构,2.1 基本概念,2.1 基本概念,平面机构,空间机构,平面机构中的运动副一定是平面运动副，但只含有平面运动副的机构也可能是空间机构,2.1 基本概念,只含平面运动副的空间机构,只含平面运动副的空间机构(空间低副机构),所有构件都在同一平面内运动,组成运动副两构件间的相对运动为平面运动,2.2 机构运动简图,定义：用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，说明机构各构件间相对运动关系的简单图形。作用：反映机构的结构原理。反映各个构件的运动情况。作为机构运动分析和力分析的依据。表达与运动有关的因素：尺寸、运动类型。,2.2 机构运动简图,机构运动简图的画法构件的表示：只需将构件上的所有运动副元素按照他们在构件上的位置用符号表示出来，再用简单的线条将它们连成一体。,具有两个运动副元素的构件,具有三个运动副元素的构件,2.2 机构运动简图,运动简图的绘制步骤,(1)分析机构运动，弄清构件数目；,(4)标注构件编号、运动副字母、原动件箭头。,(3)表达运动副和构件； 三选选视图、选比例、选位置,(2)判定运动副的类型和数目； 按接触情况和相对运动,颚式破碎机,2.2 机构运动简图,2,B,C,4,液压泵,2.2 机构运动简图,2.2 机构运动简图,牛头刨床结构示意图,牛头刨床运动简图,2.2 机构运动简图,机构运动简图的绘制是从具体到抽象的过程机构运动简图反映机构运动本质。因此，机构运动简图的绘制是透过现象看本质的过程。结合实际机构，多观察，多思考才能掌握机构运动简图的绘制技巧。,2.2 机构运动简图,平面机构运动简图绘制时注意问题,(1)忽略构件外形，关注运动副关系；(2)视图平面一般选择为构件的运动平面；(3)同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。,2.3 平面机构的自由度,自由度(DOF)：独立运动的数目。机构的自由度机构所具有的独立运动的数目。平面机构的自由度：定义：平面机构中各活动构件相对于机架所具有的独立运动数目的总和。确定机构中各构件相对机架的位姿所需的独立参数的数目。,2.3.1 构件的自由度,定义：构件所具有的独立运动的数目。 即确定构件位姿所需的独立参数的数目。,平面机构中单个自由构件的自由度 F=3,平面机构中n个自由构件的自由度 F=3n,2.3.2运动副的约束特点,约束：构件与其它构件用运动副连接以后，其相对运动受到限制，自由度便随之减少。我们把对独立运动所加的限制称为约束。,机构自由度=所有自由构件的自由度-约束数 =3n-constraints,问题转化为如何求解各种运动副带来的约束数？,平面低副转动副,二个约束：限制x 、y 方向移动，即去掉2个自由度一个自由度：允许绕 O 轴的转动,引入一个转动副去掉2个自由度,2.3.2运动副的约束特点,二个约束:限制绕O 的转动和沿x的移动. 即去掉2个自由度。一个自由度：允许沿y的移动,平面低副移动副,引入一个移动副去掉2个自由度,2.3.2运动副的约束特点,平面高副点接触（凸轮副）,2.3.2运动副的约束特点,一个约束：限制沿n 的移动，即去掉一个自由度。二个自由度：允许沿切线 t 方向移动和绕 O 轴的转动。,引入一个凸轮副去掉1个自由度,t,n,o,一个约束: 限制沿法线 n 方向移动.即去掉一个自由度。二个自由度：允许沿切线 t 方向移动和绕O轴的转动。,平面高副线接触（齿轮副）,引入一个齿轮副去掉1个自由度,2.3.2运动副的约束特点,2.3.3 平面机构的自由度计算,铰链四杆机构：n ，L，H,（当构件1为原动件时，机构有确定的相对运动。给出一个参变量1， 构件 2、3便有一个相应位置）,机构自由度：,设机构有N个构件，N-1=n个活动构件，用PL个低副，PH个高副联接后，机构的3n个自由度，受到（2PL+PH）个约束，则：,2.3.3 平面机构的自由度计算,F机构自由度数,n活动构件数,F=3n-constraints,活动构件数：n = 1,低副数：Pl = 1,高副数：Ph= 0,F = 3n2 PlPh= 3121=1,例,图示构件1为主动件，主动件与机架相连，具有一个自由度。,活动构件数：n = 2,低副数：Pl = 3,高副数：Ph= 0,F = 3n2 PlPh= 3223=0,F=0时，构件间不可能产生相对运动。,例,n=3；,Pl=4,Ph=0,F=3n2 PlPh=3324=1,例,n = 3；,Pl = 4,Ph= 0,F = 3n2 PlPh=1,F=1时，表明机构有一个独立运动。当给定机构主动件的独立运动时，机构具有确定运动。,例,例,铰链五杆机构。n ，L，H,铰链五杆机构,（构件为原动件，处于AB位置时，构件2、3、4位置不确定。当取构件1和4为原动件时，机构各构件的运动确定。）,2.3.4 机构具有确定运动的条件,一般情况下，主动件与机架相连，具有一个自由度，即对应一个独立的输入运动。 机构具有确定运动的条件为：机构的主动件数(m)机构的自由度数(F),mF 机构破坏mF 机构无规则运动,n=2；,Pl=2,Ph=1,F=3n2 PlPh=32221=1,取构件1为主动件时，机构具有确定运动即：将主动件1的连续转动转化为从动件2的往复移动,计算图示机构自由度,n=3；,Pl=3,Ph=1,F=33-23-1=2,n=2；,Pl=2,Ph=1,F=32-22-1=1,1.局部自由度：与输出件运动无关的自由度称为局部自由度。,2.3.5 计算机构自由度时应注意的问题,处理办法：将滚子与从动件焊死，相当于去掉一个构件和一个转动副。,2.复合铰链：两个以上构件同时在一处以转动副相连接。,n = 5,Pl = 6,Ph = 0,F =3n2 PlPh= 3,n = 5,Pl = 7,Ph=0,F =3n2 PlPh= 1,复合铰链处转动副数=构件数 1,?,n = 4,Pl = 6,Ph= 0,F =3n2PlPh= 0,?,3 虚约束：不起独立限制作用的约束称为虚约束。,n = 3,Pl = 4,Ph= 0,F =3n2 PlPh= 1,A,B,C,D,E,F,(1) 当不同构件上两点间的距离保持恒定时，若在两点间加上一个构件和两个转动副，即引入一个虚约束。,平面机构虚约束的常见情况：,右图：,轨迹重合被连接件上的轨迹和机构上连接点的轨迹完全重合。,平行四边形机构,（计算错误）,(2) 两构件组成多个转动副，且轴线重合,平面机构虚约束的常见情况：,(a),转动副轴线重合两构件有多处接触而构成转动副且转动轴线相互重合时，只有一个转动副起约束作用，如右图，曲轴的两转动副A 、B之一为虚约束。 这时：,单击,(3) 两构件组成多个移动副，且导路平行,移动副导路平行两构件在多处构成移动副且移动方向彼此平行时，只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。如右图所示机构D、D之一为虚约束。这时：,1,2,3,4,4,(4) 对运动不起作用的对称部分,对称部分机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分。,在右图中， 行星轮系中的行星轮2、2为虚约束，去掉后：,单击,行星轮系,(5) 两构件组成若干个高副，但接触点之间距离为常数。,高副接触点公法线重合两构件在多处接触而构成平面高副且各接触点处的公法线彼此重合时，只有一个高副起约束作用，如图中凸轮与从动杆构成的两高副A 、B之一为虚约束。 这时：,F=322211=1,例：计算图示机构自由度,由左图可知滚子具有局部自由度，处为复合铰链， 、D之一为虚约束。按右图分析。 则：F=37-29-1=2 因W，所以该机构运动是确定的。,机构自由度,机构自由度计算公式,F=37-29-1=2,F=38-（211+1-2）-1=2,局部自由度数,虚约束数,练习：画机构简图，并计算自由度,机构自由度,例-5 计算图示锯床进给机构的自由度。解：此机构A、C、D 四处均由三个构件组成复合铰链，则：n，L=10，PH=0。由2-1式：,锯床进给机构,单击,F = 3527=1,F=1,F=3426=0,例：计算图示机构自由度,机构,主动件,从动件组,如果我们再找出其他形式的自由度为0的从动件组，并依次连接，是否能构成新机构?,2.4 平面机构的组成原理和结构分析,2.4.1 机构的组成原理,机构=机架+主动件+从动件组,F机构=F机架+F主动件+F从动件组,F机构=主动件数 (机构具有确定运动条件),F从动件组=0,基本杆组的定义最后不能再拆的自由度为零的 构件组称为机构的基本杆组。,F=3527=1,F=1,F=3426=0,F=3527=1,F=1,F=3223=0,2.4.1 机构的组成原理,机构的组成原理,全低副机构的组成,一个基本机构的自由度数为1,机构的组成原理,全低副机构的组成,试分析以下机构组成特点：,全低副机构,=,+,基本杆组的级别,研究全部由低副组成的基本杆组，令其构件数为n，低副数为Pl。,并且 n 和 Pl 都必须为整数。,基本杆组,因此 n 和 Pl 只能取如下值：,最简单的基本杆组 为n=2 ，Pl =3 称为级杆组。 级杆组共有5种不同的结构形式。,2.4.1 机构的组成原理,级杆组的形式： n = 2, pl = 3,RRR,RRP,RPR,PRP,PPR,外运动副连接主动件、机架或其他基本杆组。内运动副连接杆组中两构件。,2.4.1 机构的组成原理,2.4.1 机构的组成原理,级杆组（级组）,a) RRR型 b) RRP型 c) RPR型 d) PRP型 e) RPP型,级杆组的定义: 包含具有三个运动副元素刚性构件 (或三个构件组成三角形)的杆组。级杆组的形式: n = 4, pl = 6 ；有3个内副,2.4.1 机构的组成原理,级杆组的定义: 包含四个构件组成四边形的杆组。 级杆组的形式: n = 4, pl = 6 ；有4个内副,2.4.1 机构的组成原理,机构的组成原理：,任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接与主动件和机架上或前面的杆组上而构成，这就是机构的组成原理。,机架+主动件,基本杆组,机构,+,2.4.1 机构的组成原理,机构,基本杆组,新机构,机构,基本杆组,新机构,综上所述，把若干个自由度为零的基本杆组依次连接到原动件和机架上，就可组成一个新的机构，其自由度数与原动件数目相等。上图表示了根据机构组成原理组成机构的过程。首先把级杆组BCD通过其外副B、D联接到基本机构上形成四杆机构ABCD。再把级杆组通过外副E、I、J依次与级杆组及机架连接，组成图示的八杆机构。根据机构的级的定义，该机构为级机构。,2.4.2 机构的结构分析任务将已知机构分解为主动件、机架和基本杆组。确定机构的级别机构所包含杆组的最高级别。步骤(1) 首先除去虚约束和局部自由度，将机构中的高副全部以低 副代替，计算机构的自由度，并指定主动件(箭头标出)。(2) 拆下主动件和机架。 (3) 从与主动件相连接的运动副开始，向外运动副运动参数已知的方向搜索。试拆顺序依次：n=2、 n=4的杆组。(4) 从与已拆下来的前一级基本杆组相连接的运动副开始，重 复(3)的过程，直至拆出全部基本杆组。(5) 根据所拆出基本杆组的最高级别，确定机构的级别。,级机构,例： 分析牛头刨床的结构并确定该机构的级别,2.4.2 机构的结构分析,例：图示为双自由度11杆平面机构，试将其拆分为基本杆组，并确定该机构的级别,2.4.2 机构的结构分析,级机构,运动链中，选不同的构件做机架，可得到完全不同的机构。,3 机架变换与主动件的选择,2.4.2 机构的结构分析,选6为机架,1为主动件,级机构,机构中，选不同的主动件，可得到完全不同的机构。,级杆组,选6为机架,4为主动件,级机构,2.4.4 平面机构中的高副低代,1.高副低代：将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。,2. 应满足的条件：,(1) 代替前后机构的自由度必须完全相同。(2) 代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。,3. 高副低代方法：,用两个转动副和一个构件来代替一个高 副，这两个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。,例：将图示机构高副低代,例：图示机构自由度为1，现取凸轮为主动件，试进行结构分析,瞬时等效代替机构,RRR,RPP,级机构,例：图示机构有一个主动件，(1)计算该机构的自由度，并判断机构的运动是否确定；(2) 取哪个构件为主动件，该机构可成为级机构？(3) 取哪个构件为主动件，该机构可成为级机构？并将机构拆分为基本杆组。,n = 7,Pl = 10,Ph= 0,F = 37-210=1,取1为主动件，进行结构分析,级机构,A,B,C,D,E,F,G,H,取7为主动件，进行结构分析,级机构,取5为主动件，进行结构分析,级机构,取3为主动件，进行结构分析,级机构,小结,1. 机构自由度计算注意问题,2. 机构组成原理 基本机构 杆组（级杆组）常见形式 机构组成原理,小结,方法：, 从远离原动件的构件开始拆 杆组 ，先试拆级组，不成， 再拆级组。每拆出一杆组后， 剩下部分仍是一个与原机构有 相同自由度的机构，直至只剩 下基本机构。, 高副低代。, 正确计算机构自由度。,3.平面机构的结构分析,目的：了解已知机构的组成情况， 并确定机构的级别。,小结,计算图示机构的自由度，并分析当构件1和5分别为原动件时机构的级别。,小结,例 计算图示机构的自由度，并分析当构件1和5分别为原动件时机构的级别。,解：F=35-27=1,构件1为原动件时：,机构为级机构。,构件5为原动件时：,机构为级机构。,小结,例: 试分析图示牛头刨床的结构。,（2）结构分析,解:（1） 计算机构自由度 F3n2PLPH34260 机构不能动,小结,(c)图所示部分不是杆组，机构组成不合理。可变成 (d)图所示杆组。这时机构改成如右图所示的机构。 该机构为级机构。F3n-2PL-PH=3527=1,空间机构的自由度计算公式,运动副引入的约束数,具有 i 约束数的运动副个数,自由度=所有自由构件的自由度-约束数,活动构件数,问题转化为如何求解各种运动副带来的约束数？, 2.5 空间机构的自由度,空间运动副,球 副,球销副,圆柱副,螺旋副,空间运动副的种类, 2.5 空间机构的自由度,三个约束：沿 x轴、y轴、z 轴三方向的移动三个独立的相对运动：绕x轴、y轴、z轴三轴的转动, 2.5 空间机构的自由度,球副,2.1 基本概念,球销副,四个约束：x、y、z 移动，绕 z 轴的转动二个独立的相对运动：绕 x、y 轴的转动,四个约束： 沿 y 轴、z 轴移动，绕 y 轴、z 轴转动二个独立的相对运动： 沿 x 轴移动，绕 x 轴转动, 2.5 空间机构的自由度,圆柱副,五个约束：沿 y 轴、z 轴移动，绕 y 轴、z 轴转动，一个独立的相对运动：沿x轴移动与绕x转动成一定关系, 2.5 空间机构的自由度,螺旋副,平面低副自由度 约束数目,5,Pi=P5,平面高副自由度 约束数目,2 4,Pi=P4,平面运动副在空间机构中的约束作用：,1, 2.5 空间机构的自由度,3-RPS型并联机器人的自由度,Pi=P5=3+3=6,Pi=P3=3, 2.5 空间机构的自由度, 2.5 空间机构的自由度,