第二章 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

1、v機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的v機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的繪制機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的繪制v機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算v平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類與結(jié)平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類與結(jié)構(gòu)分析構(gòu)分析 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 （1）掌握機構(gòu)的組成；）掌握機構(gòu)的組成； （2）了解機構(gòu)運動簡圖的畫法；）了解機構(gòu)運動簡圖的畫法； （2）研究機構(gòu)具有確定運動的條件；）研究機構(gòu)具有確定運動的條件； （3）理解機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分析；）理解機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分析； 2 2.1.1 機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的繪制機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的繪制 1.1.機

2、構(gòu)的組成要素機構(gòu)的組成要素 機構(gòu)是具有機構(gòu)是具有確定相對運動確定相對運動的構(gòu)件組合的構(gòu)件組合體，是由體，是由構(gòu)件和運動副構(gòu)件和運動副兩個要素組成的。兩個要素組成的。 圖圖2-1 2）運動副運動副 運動副：兩構(gòu)件組成的運動副：兩構(gòu)件組成的直接接觸直接接觸而又而又能產(chǎn)生相對運動的能產(chǎn)生相對運動的活動聯(lián)接活動聯(lián)接稱為運動副。稱為運動副。 運動副元素：兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副元素：兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的部分稱為運動副元素。運動副的部分稱為運動副元素。 兩構(gòu)件間的運動副所起的作用是限制兩構(gòu)件間的運動副所起的作用是限制構(gòu)件間的相對運動，這種限制作用稱為構(gòu)件間的相對運動，這種限制作用稱為約約束束，而

3、仍具有的相對運動叫做，而仍具有的相對運動叫做自由度自由度。 3）運動鏈運動鏈 其為由若干個構(gòu)件通過運動副聯(lián)接其為由若干個構(gòu)件通過運動副聯(lián)接組成的構(gòu)件系統(tǒng)。組成的構(gòu)件系統(tǒng)。圖圖2-2a閉式鏈閉式鏈圖圖2-2b開式鏈開式鏈 4）機構(gòu)機構(gòu) 如將運動鏈中的一個構(gòu)件固定作為如將運動鏈中的一個構(gòu)件固定作為機架，則該運動鏈成為一個機構(gòu)。機架，則該運動鏈成為一個機構(gòu)。 圖圖2-3四桿機構(gòu)四桿機構(gòu) 2.運動副的分類運動副的分類 1)根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類 引入引入1個約束數(shù)的運動副稱為個約束數(shù)的運動副稱為I級副，依級副，依此類推：此類推：級副、級副、級副。級副。 2)根據(jù)構(gòu)成運

4、動副的兩構(gòu)件的接觸情況根據(jù)構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件的接觸情況分類。分類。 以面接觸的運動副為低副，以點或線相以面接觸的運動副為低副，以點或線相接觸的運動副為高副。接觸的運動副為高副。 3)根據(jù)構(gòu)成運動副的兩元素間相對運根據(jù)構(gòu)成運動副的兩元素間相對運動的空間形式分類。動的空間形式分類。 如果運動副元素間只能相互作平面平如果運動副元素間只能相互作平面平行運動的為平面運動副，否則為空間運動行運動的為平面運動副，否則為空間運動副。副。 球面高副球面高副球面低副球面低副柱面高副柱面高副球銷副球銷副圓柱套筒副圓柱套筒副移動副移動副螺旋副螺旋副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副 3.機構(gòu)運動簡圖的繪制機構(gòu)運動簡圖的繪制 機構(gòu)運動簡圖是

5、用簡單的線條和符號機構(gòu)運動簡圖是用簡單的線條和符號代表構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動代表構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動副位置繪制而成，用以表示機構(gòu)的組成和副位置繪制而成，用以表示機構(gòu)的組成和傳動情況的一種簡圖。傳動情況的一種簡圖。 繪制簡圖方法：繪制簡圖方法： (1)確定機構(gòu)中的原動部分和工作部分，確定機構(gòu)中的原動部分和工作部分，找出組成機構(gòu)的所有構(gòu)件并確定構(gòu)件間的找出組成機構(gòu)的所有構(gòu)件并確定構(gòu)件間的運動副類型。運動副類型。 (2) 選擇投影面。一般選擇機構(gòu)中與多選擇投影面。一般選擇機構(gòu)中與多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面為投影面。數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面為投影面。 (3)選用合適的比例尺繪

6、制簡圖。選用合適的比例尺繪制簡圖。 (4)(4)標構(gòu)件號。標構(gòu)件號。 1）常用運動副的符號）常用運動副的符號移動副移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副螺旋副螺旋副球面副球面副平面高副平面高副 2）一般構(gòu)件的表示方法）一般構(gòu)件的表示方法固定構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件同一構(gòu)件兩副構(gòu)件兩副構(gòu)件三副構(gòu)件三副構(gòu)件3）常用機構(gòu)運動簡圖符號）常用機構(gòu)運動簡圖符號外嚙合齒輪傳動外嚙合齒輪傳動內(nèi)嚙合齒輪傳動內(nèi)嚙合齒輪傳動圓錐齒輪傳動圓錐齒輪傳動齒輪齒條傳動齒輪齒條傳動鏈傳動鏈傳動電機電機棘輪傳動棘輪傳動帶傳動帶傳動凸輪傳動凸輪傳動蝸輪蝸桿傳動蝸輪蝸桿傳動 圖圖2-4a牛頭刨床機構(gòu)牛頭刨床機構(gòu)圖圖2-4b 機構(gòu)簡圖機構(gòu)簡圖例例1：繪制牛

7、頭刨床機構(gòu)簡圖：繪制牛頭刨床機構(gòu)簡圖 2.2 機構(gòu)自由度的計算機構(gòu)自由度的計算 1.1.平面機構(gòu)自由度的計算公式平面機構(gòu)自由度的計算公式 機構(gòu)自由度：機構(gòu)具有確定運動時所機構(gòu)自由度：機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。 假設(shè)平面內(nèi)有假設(shè)平面內(nèi)有n個活動構(gòu)件，它們之間個活動構(gòu)件，它們之間的運動副共有的運動副共有 低副低副Pl個與個與 高副高副Ph個，則機個，則機構(gòu)的自由度構(gòu)的自由度F為為F=F=3 3n n-(2-(2P PL L+P+PH H) ) 2.2.機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件圖圖2-5a 四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)圖圖2-5b五桿機構(gòu)

8、五桿機構(gòu)設(shè)機構(gòu)的自由度數(shù)設(shè)機構(gòu)的自由度數(shù)F F 、機構(gòu)原動件數(shù)、機構(gòu)原動件數(shù)a a 1)若機構(gòu)自由度若機構(gòu)自由度0，則機構(gòu)不能動；，則機構(gòu)不能動； 2)0，有如下三種情況：，有如下三種情況：（1 1）F=a F=a ，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是確，則機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動是確定的，這就是機構(gòu)具有確定運動的條件；定的，這就是機構(gòu)具有確定運動的條件；（2）F Fa a，則構(gòu)件間的運動是不確定的；，則構(gòu)件間的運動是不確定的；（3） a，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。，則構(gòu)件間不能運動或產(chǎn)生破壞。 2.3計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項 1.復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈 由兩個以上構(gòu)件在同一

9、處構(gòu)成的復(fù)合由兩個以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的復(fù)合轉(zhuǎn)動副。轉(zhuǎn)動副。圖圖2-6復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈例例2： 計算圖計算圖2-7a所示鋸床進給機構(gòu)的自由度數(shù)。所示鋸床進給機構(gòu)的自由度數(shù)。圖圖2-7 b 鋸床進給運動鋸床進給運動圖圖2-7a 鋸床進給機構(gòu)鋸床進給機構(gòu) 2.局部自由度局部自由度 不影響其他構(gòu)件運動，僅與其自身的不影響其他構(gòu)件運動，僅與其自身的局部運動有關(guān)的自由度。局部運動有關(guān)的自由度。圖圖2-8 凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu) 3.虛約束虛約束 對機構(gòu)的運動只起重復(fù)約束作用，對機構(gòu)的運動只起重復(fù)約束作用，不起獨立約束作用。不起獨立約束作用。圖圖2-9平行四邊形機構(gòu)平行四邊形機構(gòu)a b (2)(2)當兩構(gòu)件構(gòu)成

10、多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互當兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉(zhuǎn)動動副起作用，相重合時，則只有一個轉(zhuǎn)動動副起作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。圖圖2-10 (3)如果機構(gòu)中兩活動構(gòu)件上某兩點的如果機構(gòu)中兩活動構(gòu)件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉(zhuǎn)距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉(zhuǎn)動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，則將會動副的附加構(gòu)件來連接這兩個點，則將會引入一個虛約束。引入一個虛約束。圖圖2-11連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)圖圖2-12行星輪系行星輪系 (4)(4)機構(gòu)中對運動起重復(fù)限制作用的對機構(gòu)中對運動起重復(fù)限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。稱部分也往往會引入虛

11、約束。例例3： 計算圖示機構(gòu)的自由度計算圖示機構(gòu)的自由度 圖圖2-13 a 解：機構(gòu)各構(gòu)件均在同一平面運動，可按圖解：機構(gòu)各構(gòu)件均在同一平面運動，可按圖2-13b分析分析F=35-27=1圖圖2-13 b 2.4 空間機構(gòu)自由度簡述空間機構(gòu)自由度簡述 若若n個活動構(gòu)件中有個活動構(gòu)件中有P1個一級副；個一級副；有有P2個二級副；有個二級副；有P3個三級副；有個三級副；有P4個個四級副；有四級副；有P5個五級副，則可得空間機個五級副，則可得空間機構(gòu)的自由度公式為：構(gòu)的自由度公式為：F=6n- -5P5- -4P4- -3P3- -2P2- -P1 圖圖2-14a壓力機構(gòu)壓力機構(gòu)圖圖2-14b轉(zhuǎn)化機

12、構(gòu)轉(zhuǎn)化機構(gòu) 2.5 平面機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分析 1.平面機構(gòu)的組成原理平面機構(gòu)的組成原理 桿組：不能再拆的最簡單的自由度為桿組：不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組。又稱基本桿組或阿蘇桿組。零的構(gòu)件組。又稱基本桿組或阿蘇桿組。 機構(gòu)的組成原理：任何機構(gòu)都是由若干機構(gòu)的組成原理：任何機構(gòu)都是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的系統(tǒng)。成的系統(tǒng)。 2.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類是根據(jù)機構(gòu)中的平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類是根據(jù)機構(gòu)中的基本桿組的不同組成形態(tài)基本桿組的不同組成形態(tài)進行的。進行的。 組成平面

13、機構(gòu)基本桿組應(yīng)滿足條件組成平面機構(gòu)基本桿組應(yīng)滿足條件 F=3n- -2Pl- -Ph=0 如果基本桿組的運動副全為低副，則如果基本桿組的運動副全為低副，則 F=3n- -2Pl=0 即即 n=(2/3)Pl 最簡單的平面基本桿組是：由兩個構(gòu)最簡單的平面基本桿組是：由兩個構(gòu)件三個低副組成的桿組件三個低副組成的桿組-II級組。級組。 圖圖2-15 級桿組級桿組RRRRRPRPRPRPRPP圖圖2-16 級桿組級桿組 3.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析：將已知機構(gòu)分解為原動機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析：將已知機構(gòu)分解為原動件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構(gòu)件、機架和若干個基本桿組，進而了解機構(gòu)的組成，并確定機構(gòu)的級別。的組成，并確定機構(gòu)的級別。 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是：機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是： (1)計算機構(gòu)的自由度并確定原動件。計算機構(gòu)的自由度并確定原動件。 (2)拆桿組。拆桿組。 例例4：計算圖計算圖2- -17所示機構(gòu)的自由度，并確定機構(gòu)所示機構(gòu)的自由度，并確定機構(gòu)的級別。的級別。 解：該機構(gòu)無虛約束和局部自由度，故解：該機構(gòu)無虛約束和局部自由度，故F=35- -27=1 該機構(gòu)為該機構(gòu)為II級機構(gòu)級機構(gòu)圖圖2-17a圖圖2-17b圖圖2-18a圖圖2-18b圖圖2-18c圖圖2-19 2.6平面機構(gòu)的高副低代平面機構(gòu)的