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1、精密儀器零件設計,2013-9,Main Content 主要內(nèi)容 1 概述 2 運動副及其分類 3 平面機構的運動簡圖 4 平面機構的自由度 5 平面機構的組成原理和結構分析,Chapter 2 平面機構的結構分析,什么是機器呢？,機器是一種人為實物組合的具有確定機械運動的裝置，它用來完成有用功、轉換能量或處理信息，以代替或減輕人類的勞動。,1 概述,一部機器可能包含多種類型的機構，也可能只包含一種機構。,凸輪機構,齒輪機構,連桿機構,什么是機構呢？,機構可以定義為：是一個具有確定的機械運動的構件系統(tǒng)，或稱它是用來傳遞運動和動力的可動裝置。,本章主要研究機構的結構分析與綜合,其目的是：,、研

2、究組成機構的要素及機構具有確定運動的條件,、研究機構的組成原理,、研究機構運動簡圖的繪制,、研究機構結構的綜合方法,一、機構的組成要素,機構的組成要素是：,、構件,作為一個整體參與機構運動的剛性單元體稱為構件,一個構件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若干個不同零件組裝起來的剛性體。,例如：,2 運動副及其分類,,構件：組合剛性體,、運動副,由兩個構件直接接觸而產(chǎn)生一定相對運動的聯(lián)接稱為 運動副。,對運動副的理解要把握以下三點：,,,（）運動副是一種聯(lián)接； （）運動副由兩個構件組成； （）組成運動副的兩個構件之間有相對運動,運動副是最重要的概念之一,以上是機構的兩大組成要素,可以說：機構是

3、由運動副逐一聯(lián)接各個構件組成的。,二、運動副的分類,n = 1, 2 5,1、根據(jù)組成運動副的兩個構件的相對運動形式分類,空間運動副,球銷副,螺旋副,圓柱套筒副,平面運動副,移動副,轉動副,一個平面低副引入2個約束，保留1個自由度。,一個平面高副引入1個約束，保留2個自由度。,、根據(jù)組成運動副的兩個運動副元素的接觸情況分類,球面高副,柱面高副,運動副元素以點或線接觸的運動副稱為高副。,,運動副元素以面接觸的運動副稱為低副。,球面低副,移動副,轉動副,3、根據(jù)運動副所引入的約束數(shù)分類,3 平面機構的運動簡圖,,為了便于研究機構的運動，可以撇開構件、運動副的外形和具體構造，而只用簡單的線條和符號代

4、表構件和運動副，并按比例定出各運動副位置，表示機構的組成和傳動情況。這樣繪制出能夠準確表達機構運動特性的簡明圖形就稱為機構運動簡圖。,只是為了表明機構的運動狀態(tài)或各構件的相互關系，也可以不按比例來繪制運動簡圖，通常把這樣的簡圖稱為機構示意圖。,常用機構構件、運動副代表符號,繪制機構運動簡圖的步驟,1. 在繪制機構運動簡圖時，首先確定機構的原動件和執(zhí)行件，兩者之間為傳動部份，由此確定出組成機構的所有構件，然后確定構件間運動副的類型。,2. 為將機構運動簡圖表示清楚，恰當?shù)剡x擇投影面。一般選擇與多數(shù)構件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到

5、同一平面上。總之，繪制機構運動簡圖要以正確、簡單、清晰為原則。,3. 選擇適當?shù)谋壤?，根?jù)機構的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，然后用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構件上的運動副符號用簡單線條連接起來，這樣便可繪制出機構的運動簡圖。,繪制油泵機構的運動簡圖,一、平面機構自由度的計算公式,(1)自由度與約束,構件獨立運動的數(shù)目稱為自由度.,對構件運動的限制作用稱為約束.,第四節(jié) 平面機構的自由度,,,開式運動鏈（開鏈） 運動鏈的各構件未構成首末封閉系統(tǒng),閉式運動鏈（閉鏈） 運動鏈的各構件構成首末封閉的系統(tǒng),運動鏈與機構,機構是具有確定運動的運動鏈。,,機架,,原動件,從動件,,,閉式鏈

6、機構,開式鏈機構,運動鏈,具有確定的相對運動,機構,桁架,運動鏈,相對運動不確定,無相對運動,(2)機構自由度,機構獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度,什么是獨立運動?,什么是機構的獨立運動?,對于具有n個活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了PL個低副和PH個高副，則它們共引入(2PL+PH)個約束。機構的自由度F顯然應為: F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH,什么是機構的自由度?,機構的自由度=機構的獨立運動數(shù)目,平面機構獨立運動的數(shù)目為:所有活動構件的自由度的和減去所有運動副引入約束數(shù)目的和。,這是機構自由度的計算公式,二、機構自由度的意義及機構具有確定運動的條件,所謂機構的自由度

7、，實質(zhì)上就是機構具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。 機構的自由度數(shù)也就是機構應當具有的原動件數(shù)目。,計算下列機構的自由度,n=2, PL=3, PH=0 F=3n2PLPH =3*2-2*3=0,n=3, PL=5, PH=0 F=3n2PLPH =3*3-2*5=-1,n=3, PL=4, PH=0 F=3n2PLPH =3*3-2*4=1,n=4, PL=5, PH=0 F=3n2PLPH =3*4-2*5=2,討論,n=2, PL=3, PH=0 F=3n2PLPH =3*2-2*3=0,n=3, PL=5, PH=0 F=3n2PLPH =3*3-2*5=-1,1)若機構

8、自由度，則機構不能動,n=3, PL=4, PH=0 F=3n2PLPH =3*3-2*4=1,n=4, PL=5, PH=0 F=3n2PLPH =3*4-2*5=2,2)若且與原動件數(shù)相等，則機構各構件間的相對運動是確定的，因此，機構具有確定運動的條件是：機構的原動件數(shù)等于機構的自由度數(shù)；,3)若0，而原動件數(shù)

9、動的自由度，稱為局部自由度。,在計算機構自由度時，局部自由度應當舍棄不計。,3.虛約束,應在計算結果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。,在機構中，有些約束所起的限制作用可能是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。,常見的虛約束有以下幾種情況:,）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。,帶虛約束的凸輪機構,帶虛約束的曲軸,）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。,）如果機構中兩活動構件上某兩點的距離始終保持不變，此時若用具有兩個轉動副的附加構件來連接

10、這兩個點，則將會引入一個虛約束。,帶虛約束的桿機構,）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。,帶虛約束的行星輪系,虛約束的本質(zhì)是什么?,從運動的角度看,虛約束就是“重復的約束”或者是“多余的約束”。,機構中為什么要使用虛約束?,a.使受力狀態(tài)更合理,b.使機構平衡,c.考慮機構在特殊位置的運動,使用虛約束時要注意什么問題?,保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機械設計中使用虛約束時，機械制造的精度要提高。,例：計算大篩機構自由度,復合鉸鏈？ 局部自由度？ 虛約束？,n = 7 PH= 1 PL = 9 F = 37 - 29 1 = 2,一、平面機構的高副低代,根據(jù)一定的條件對平

11、面機構中的高副虛擬地用低副來替代， 這種以低副代替高副的方法稱為高副低代。,,條件一：代替前后機構的自由度不變,F = 31 - 22 = -1,第五節(jié) 平面機構的組成原理和結構分析,,條件二：代替前后機構的瞬時速度和加速度不變,兩個高副元素均為圓弧 AO1、BO、OO1均保持不變,瞬時替代機構,接觸輪廓之一為直線或點的高副低代,二、平面機構的組成原理,機構都是由機架、原動件和從動件組構成的。,,,,,機架,,原動件,,從動件組,,,,從動件組,當把該機構的機架和原動件拆去后，則余下的從動件組為：,這個從動件組的自由度為零，即：,這個從動件組還可以分解成若干個更簡單的、自由度等于零的從動件組。

12、,這樣的從動件組已經(jīng)不能進一步分解成更簡單、自由度為零的從動件組。,通常把這樣的從動件組稱為： 基本桿組,基本桿組的概念非常重要，它是機構分析的重要的理論基礎。,機構的組成原理：,任何機構都可以看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架上所組成的。,如果基本桿組的運動副全為低副，則基本桿組自由度的計算公式為：,,由于活動構件數(shù)n和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，所以 n應是 的倍數(shù)， PL應是 的倍數(shù)。,這也就是說，在一個基本桿組中，其構件數(shù)和低副數(shù)有以下關系：,n=2, PL=3,n=4, PL=6,n=6, PL=9,二、基本桿組的類型,n = 2 PL= 3 級桿組（雙桿組）,最簡單的平面基

13、本桿組是由2個構件3個低副組成的桿組，稱之為級桿組。,（）RRP桿組,（）RPR桿組,（）PRP桿組,（）RPP桿組,,除級桿組外，還有、級等較高級的基本桿組。,這是級桿組由個構件個低副組成，具有一個包含個低副的構件。,這是級桿組由個構件個低副組成，有個內(nèi)副。,機構級別已最高構件組級別為準。,三、平面機構的結構分析,概念：將已知機構分解為原動件、機架和基本桿組并確定機構的級別。 步驟： 1）計算自由度，確定原動件； 2）通常由遠離原動件的構件開始，先試拆II級桿組，如不行再依次拆III級和IV級桿組。當分出一個基本桿組后，第二次拆組時仍從最簡單的II級桿組開始，直到剩下機架和原動件為止。 3）

14、桿組的增減不應該變機構的自由度,該機構為II級機構,機構自由度計算舉例,例 1 圖示牛頭刨床設計方案草圖。 設計思路為：動力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動導桿 3 作往復擺動，并帶動滑枕4作往復移動 ，已達到刨削加工目的。 試問圖示的構件組合是否能達到此目的？ 如果不能，該如何修改？,解：首先計算設計方案草圖的自由度,改進措施： 1、增加一個低副和一個活動構件； 2、用一個高副代替低副。,即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。,改進方案,改進方案,改進方案,改進方案,例 2 如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計算此機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,例 3 計算圖所示機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,局部自由度,虛約束,,,例 4 如圖所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。計算此機構的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,局部自由度,復合鉸鏈,虛約束,,,,本章重點小結,三、機構運動簡圖的繪制,