平面机构结构分析.ppt

华中农业大学专用 潘存云教授研制,第一章 平面机构的结构分析,11 机构结构分析的内容及目的12 机构的组成13 机构运动简图14 机构具有确定运动的条件15 平面机构自由度的计算16 自由度计算中的特殊问题 17速度瞬心及其在机构速度分析中的应用,本章模型：复合可拆铰链、连杆、偏心泵、破碎机、四杆五杆机构、滚子凸轮、移动副、虚约束平行四边形,华中农业大学专用 潘存云教授研制,11 机构结构分析的内容及目的,1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件 目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？这对于设计新的机构显得尤其重要。,2.按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。,3.绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,4.研究机构的组成原理机构有简有繁，构件有多有少，而运动确定是它们的共同特征。研究的目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,12 机构的组成,名词术语解释:1.构件(Link)独立的运动单元 零件(part)独立的制造单元,2.运动副(Kinematic pair),a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动,运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：滚动轴承、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,内燃机中的连杆,定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。,三个条件，缺一不可,华中农业大学专用 潘存云教授研制,运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,2)按相对运动范围分有：平面运动副平面运动(Plannar kinematic pair),平面机构全部由平面运动副组成的机构。,IV级副,V级副1,V级副2,V级副3,空间运动副空间运动(Spatial kinematic pair),例如：球铰链、螺旋、生物关节。,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,3)按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高(high pair),低副面接触，应力低(lower pair),例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,例如：转动副（回转副）、移动副。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,常见运动副符号的表示:国标GB446084,详见教材 P13 页。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,常用运动副的符号,运动副名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,华中农业大学专用 潘存云教授研制,平面高副,螺旋副,空间运动副,华中农业大学专用 潘存云教授研制,构件的表示方法:,华中农业大学专用 潘存云教授研制,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,华中农业大学专用 潘存云教授研制,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,华中农业大学专用 潘存云教授研制,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,闭式链(Close chain)、开式链(Open chain),3.运动链(Kinematic chain),运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。,工业机器人,华中农业大学专用 潘存云教授研制,4.机构,定义：具有确定运动的运动链称为机构。,机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,机构的组成：机构机架原动件从动件,机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。从动件其余可动构件。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,13 机构运动简图,机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。,作用：1.表示机构的结构和运动情况。2.作为运动分析和动力分析的依据。,机构示意图不按比例绘制的简图,华中农业大学专用 潘存云教授研制,常用机构运动简图符号,华中农业大学专用 潘存云教授研制,华中农业大学专用 潘存云教授研制,机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同,2.运动副的性质、数目与实际相符,3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,绘制机构运动简图,顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。,步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；,4.检验机构是否满足运动确定的条件。,2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制 示意图。,3.按比例绘制运动简图。简图比例尺：l=实际尺寸 m/图上长度mm,思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。,举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,鳄式破碎机,华中农业大学专用 潘存云教授研制,题2-9 绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵 动画,华中农业大学专用 潘存云教授研制,14 机构具有确定运动的条件,给定S3S3(t)，一个独立参数11（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。,若仅给定11（t）,则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4，则3 2 能唯一确定，该机构需要两个独立参数。,S3,1,2,3,华中农业大学专用 潘存云教授研制,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。Freedom,原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为：,自由度原动件数,华中农业大学专用 潘存云教授研制,15 平面机构自由度的计算,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,）才能唯一确定。,y,x,华中农业大学专用 潘存云教授研制,运动副 自由度数 约束数回转副 1（）+2（x，y）=3,R=2,F=1,R=2,F=1,R=1,F=2,结论：构件自由度3约束数,移动副 1（x）+2（y，）=3,高 副 2（x,）+1（y）=3,华中农业大学专用 潘存云教授研制,活动构件数 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph(低副数)(高副数),计算公式：F=3n(2PL+Ph),要求：记住上述公式，并能熟练应用。,举例：,华中农业大学专用 潘存云教授研制,计算曲柄滑块机构的自由度。,1,2,3,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH=33 24=1,高副数PH=,0,4,华中农业大学专用 潘存云教授研制,计算五杆铰链机构的自由度。,1,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH=34 24=2,高副数PH=,0,5,2,3,4,华中农业大学专用 潘存云教授研制,计算图示凸轮机构的自由度。,1,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH=32 221=1,高副数PH=,1,2,3,华中农业大学专用 潘存云教授研制,16 自由度计算中的特殊问题,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对！,华中农业大学专用 潘存云教授研制,1.复合铰链 multiple pin joints 两个以上的构件在同一处以转动副相联。,计算：m个构件,有m1转动副。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,1,2,3,4,5,6,7,8,A,B,C,D,E,F,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解：活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH=37 2100=1,可以证明：F点的轨迹为一直线。,圆盘锯机构 动画,华中农业大学专用 潘存云教授研制,计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。,解：n=,3，,PL=,3，,F=3n 2PL PH=33 23 1=2,PH=1,对于右边的机构，有：F=32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且F=1,华中农业大学专用 潘存云教授研制,2.局部自由度 Partial freedom,F=3n 2PL PH FP=33 23 1 1=1,本例中局部自由度 FP=1,或计算时去掉滚子和铰链：F=32 22 1=1,定义：构件局部运动所产生的自由度。,出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。,滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,解：n=,4，,PL=,6，,F=3n 2PL PH=34 26=0,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,PH=0,3.虚约束 formal constraint 对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。,FEAB CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,重新计算：n=3,PL=4,PH=0,F=3n 2PL PH=33 24=1,特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：,华中农业大学专用 潘存云教授研制,出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，,2.两构件构成多个移动副，且导路平行。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。(需要证明),华中农业大学专用 潘存云教授研制,4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。,3.两构件构成多个转动副，且同轴。,5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,华中农业大学专用 潘存云教授研制,虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。,增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。,使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。,注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!,华中农业大学专用 潘存云教授研制,计算图示包装机送纸机构的自由度。,n=,6，,PL=,7，,F=3n 2PL PH=36 27 3=1,虚约束,1处,构件8,复合铰链:,位置D，2个低副,PH=,3,分析：,华中农业大学专用 潘存云教授研制,17速度瞬心及其在机构速度分析中的应用,机构速度分析的图解法有：速度瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析。,一、速度瞬心,绝对瞬心重合点绝对速度为零。,相对瞬心重合点绝对速度不为零。,两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,特点：该点涉及两个构件。绝对速度相同，相对速度为零。相对回转中心。,二、瞬心数目,每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有,1 2 3,若机构中有n个构件，则,Nn(n-1)/2,华中农业大学专用 潘存云教授研制,三、机构瞬心位置的确定,1.直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。,2.三心定律,定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,结论：P21、P 31、P 32 位于同一条直线上。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。,解：瞬心数为：Nn(n-1)/26 n=4,1.作瞬心多边形圆,2.直接观察求瞬心,3.三心定律求瞬心,华中农业大学专用 潘存云教授研制,四、速度瞬心在机构速度分析中的应用,1.求线速度。,已知凸轮转速1，求推杆的速度。,解：直接观察求瞬心P13、P23。,求瞬心P12的速度。,V2V P12l(P13P12)1,长度P13P12直接从图上量取。100分钟,根据三心定律和公法线 nn求瞬心的位置P12。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,2.求角速度。,解：瞬心数为,6个,直接观察能求出,4个,余下的2个用三心定律求出。,求瞬心P24的速度。,VP24l(P24P14)4,4 2(P24P12)/P24P14,a)铰链机构已知构件2的转速2，求构件4的角速度4。,VP24l(P24P12)2,方向:CW,与2相同。,相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同,华中农业大学专用 潘存云教授研制,b)高副机构已知构件2的转速2，求构件3的角速度3。,1,2,2,3,解:用三心定律求出P23。,求瞬心P23的速度:,VP23l(P23P13)3,32(P13P23/P12P23),方向:CCW,与2相反。,VP23l(P23P12)2,相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,3.求传动比,定义：两构件角速度之比为传动比。,3/2 P12P23/P13P23,推广到一般：i/j P1jPij/P1iPij,结论:两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的 距离之反比。,角速度的方向为：,相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧时，两构件转向相同。,相对瞬心位于两绝对瞬心之间时，两构件转向相反。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,4.用瞬心法解题步骤,绘制机构运动简图；,求瞬心的位置；,求出相对瞬心的速度;,瞬心法的优缺点：,适合于求简单机构的速度，机构复杂时因 瞬心数急剧增加而求解过程复杂。,有时瞬心点落在纸面外。,仅适于求速度V,使应用有一定局限性。,求构件绝对速度V或角速度。,华中农业大学专用 潘存云教授研制,本章重点：机构运动简图的测绘方法。自由度的计算。速度瞬心及其在机构速度分析中的应用。,