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1、精密儀器零件設(shè)計(jì),2013-9,Main Content 主要內(nèi)容 1 概述 2 運(yùn)動(dòng)副及其分類 3 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 4 平面機(jī)構(gòu)的自由度 5 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,Chapter 2 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,什么是機(jī)器呢？,機(jī)器是一種人為實(shí)物組合的具有確定機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，它用來(lái)完成有用功、轉(zhuǎn)換能量或處理信息，以代替或減輕人類的勞動(dòng)。,1 概述,一部機(jī)器可能包含多種類型的機(jī)構(gòu)，也可能只包含一種機(jī)構(gòu)。,凸輪機(jī)構(gòu),齒輪機(jī)構(gòu),連桿機(jī)構(gòu),什么是機(jī)構(gòu)呢？,機(jī)構(gòu)可以定義為：是一個(gè)具有確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件系統(tǒng)，或稱它是用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的可動(dòng)裝置。,本章主要研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與綜合,其目的是：,、研

2、究組成機(jī)構(gòu)的要素及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,、研究機(jī)構(gòu)的組成原理,、研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制,、研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的綜合方法,一、機(jī)構(gòu)的組成要素,機(jī)構(gòu)的組成要素是：,、構(gòu)件,作為一個(gè)整體參與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的剛性單元體稱為構(gòu)件,一個(gè)構(gòu)件，可以是不能拆開的單一整體，也可能是由若干個(gè)不同零件組裝起來(lái)的剛性體。,例如：,2 運(yùn)動(dòng)副及其分類,,構(gòu)件：組合剛性體,、運(yùn)動(dòng)副,由兩個(gè)構(gòu)件直接接觸而產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為 運(yùn)動(dòng)副。,對(duì)運(yùn)動(dòng)副的理解要把握以下三點(diǎn)：,,,（）運(yùn)動(dòng)副是一種聯(lián)接； （）運(yùn)動(dòng)副由兩個(gè)構(gòu)件組成； （）組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)副是最重要的概念之一,以上是機(jī)構(gòu)的兩大組成要素,可以說(shuō)：機(jī)構(gòu)是

3、由運(yùn)動(dòng)副逐一聯(lián)接各個(gè)構(gòu)件組成的。,二、運(yùn)動(dòng)副的分類,n = 1, 2 5,1、根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分類,空間運(yùn)動(dòng)副,球銷副,螺旋副,圓柱套筒副,平面運(yùn)動(dòng)副,移動(dòng)副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,一個(gè)平面低副引入2個(gè)約束，保留1個(gè)自由度。,一個(gè)平面高副引入1個(gè)約束，保留2個(gè)自由度。,、根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的接觸情況分類,球面高副,柱面高副,運(yùn)動(dòng)副元素以點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。,,運(yùn)動(dòng)副元素以面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。,球面低副,移動(dòng)副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,3、根據(jù)運(yùn)動(dòng)副所引入的約束數(shù)分類,3 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,,為了便于研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可以撇開構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副的外形和具體構(gòu)造，而只用簡(jiǎn)單的線條和符號(hào)代

4、表構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副位置，表示機(jī)構(gòu)的組成和傳動(dòng)情況。這樣繪制出能夠準(zhǔn)確表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的簡(jiǎn)明圖形就稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。,只是為了表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或各構(gòu)件的相互關(guān)系，也可以不按比例來(lái)繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，通常把這樣的簡(jiǎn)圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。,常用機(jī)構(gòu)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副代表符號(hào),繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的步驟,1. 在繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，首先確定機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件和執(zhí)行件，兩者之間為傳動(dòng)部份，由此確定出組成機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)件，然后確定構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副的類型。,2. 為將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表示清楚，恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇與多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面相平行的面為投影面，必要時(shí)也可以就機(jī)械的不同部分選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的投影面，然后展開到

5、同一平面上?？傊L制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖要以正確、簡(jiǎn)單、清晰為原則。,3. 選擇適當(dāng)?shù)谋壤撸鶕?jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，然后用規(guī)定的符號(hào)畫出各類運(yùn)動(dòng)副，并將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副符號(hào)用簡(jiǎn)單線條連接起來(lái)，這樣便可繪制出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。,繪制油泵機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式,(1)自由度與約束,構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度.,對(duì)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的限制作用稱為約束.,第四節(jié) 平面機(jī)構(gòu)的自由度,,,開式運(yùn)動(dòng)鏈（開鏈） 運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉系統(tǒng),閉式運(yùn)動(dòng)鏈（閉鏈） 運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)是具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。,,機(jī)架,,原動(dòng)件,從動(dòng)件,,,閉式鏈

6、機(jī)構(gòu),開式鏈機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)鏈,具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng),機(jī)構(gòu),桁架,運(yùn)動(dòng)鏈,相對(duì)運(yùn)動(dòng)不確定,無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),(2)機(jī)構(gòu)自由度,機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度,什么是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?,什么是機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)?,對(duì)于具有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的平面機(jī)構(gòu)，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成了PL個(gè)低副和PH個(gè)高副，則它們共引入(2PL+PH)個(gè)約束。機(jī)構(gòu)的自由度F顯然應(yīng)為: F=3n(2PL+PH)=3n2PLPH,什么是機(jī)構(gòu)的自由度?,機(jī)構(gòu)的自由度=機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目,平面機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目為:所有活動(dòng)構(gòu)件的自由度的和減去所有運(yùn)動(dòng)副引入約束數(shù)目的和。,這是機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式,二、機(jī)構(gòu)自由度的意義及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,所謂機(jī)構(gòu)的自由度

7、，實(shí)質(zhì)上就是機(jī)構(gòu)具有確定位置時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。 機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)也就是機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有的原動(dòng)件數(shù)目。,計(jì)算下列機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)

8、自由度，則機(jī)構(gòu)不能動(dòng),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(dòng)件數(shù)相等，則機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是確定的，因此，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；,3)若0，而原動(dòng)件數(shù)

9、動(dòng)的自由度，稱為局部自由度。,在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)當(dāng)舍棄不計(jì)。,3.虛約束,應(yīng)在計(jì)算結(jié)果中加上虛約束數(shù)，或先將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副去掉，然后再進(jìn)行計(jì)算。,在機(jī)構(gòu)中，有些約束所起的限制作用可能是重復(fù)的，這種不起獨(dú)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(dāng)兩構(gòu)件組成多個(gè)移動(dòng)副，且其導(dǎo)路互相平行或重合時(shí)，則只有一個(gè)移動(dòng)副起約束作用，其余都是虛約束。,帶虛約束的凸輪機(jī)構(gòu),帶虛約束的曲軸,）當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且軸線互相重合時(shí)，則只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副起作用，其余轉(zhuǎn)動(dòng)副都是虛約束。,）如果機(jī)構(gòu)中兩活動(dòng)構(gòu)件上某兩點(diǎn)的距離始終保持不變，此時(shí)若用具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的附加構(gòu)件來(lái)連接

10、這兩個(gè)點(diǎn)，則將會(huì)引入一個(gè)虛約束。,帶虛約束的桿機(jī)構(gòu),）機(jī)構(gòu)中對(duì)運(yùn)動(dòng)起重復(fù)限制作用的對(duì)稱部分也往往會(huì)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(yùn)動(dòng)的角度看,虛約束就是“重復(fù)的約束”或者是“多余的約束”。,機(jī)構(gòu)中為什么要使用虛約束?,a.使受力狀態(tài)更合理,b.使機(jī)構(gòu)平衡,c.考慮機(jī)構(gòu)在特殊位置的運(yùn)動(dòng),使用虛約束時(shí)要注意什么問題?,保證滿足虛約束存在的幾何條件，在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用虛約束時(shí)，機(jī)械制造的精度要提高。,例：計(jì)算大篩機(jī)構(gòu)自由度,復(fù)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(jī)構(gòu)的高副低代,根據(jù)一定的條件對(duì)平

11、面機(jī)構(gòu)中的高副虛擬地用低副來(lái)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(jī)構(gòu)的自由度不變,F = 31 - 22 = -1,第五節(jié) 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,,條件二：代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)速度和加速度不變,兩個(gè)高副元素均為圓弧 AO1、BO、OO1均保持不變,瞬時(shí)替代機(jī)構(gòu),接觸輪廓之一為直線或點(diǎn)的高副低代,二、平面機(jī)構(gòu)的組成原理,機(jī)構(gòu)都是由機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件組構(gòu)成的。,,,,,機(jī)架,,原動(dòng)件,,從動(dòng)件組,,,,從動(dòng)件組,當(dāng)把該機(jī)構(gòu)的機(jī)架和原動(dòng)件拆去后，則余下的從動(dòng)件組為：,這個(gè)從動(dòng)件組的自由度為零，即：,這個(gè)從動(dòng)件組還可以分解成若干個(gè)更簡(jiǎn)單的、自由度等于零的從動(dòng)件組。

12、,這樣的從動(dòng)件組已經(jīng)不能進(jìn)一步分解成更簡(jiǎn)單、自由度為零的從動(dòng)件組。,通常把這樣的從動(dòng)件組稱為： 基本桿組,基本桿組的概念非常重要，它是機(jī)構(gòu)分析的重要的理論基礎(chǔ)。,機(jī)構(gòu)的組成原理：,任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干個(gè)基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架上所組成的。,如果基本桿組的運(yùn)動(dòng)副全為低副，則基本桿組自由度的計(jì)算公式為：,,由于活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，所以 n應(yīng)是 的倍數(shù)， PL應(yīng)是 的倍數(shù)。,這也就是說(shuō)，在一個(gè)基本桿組中，其構(gòu)件數(shù)和低副數(shù)有以下關(guān)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(jí)桿組（雙桿組）,最簡(jiǎn)單的平面基

13、本桿組是由2個(gè)構(gòu)件3個(gè)低副組成的桿組，稱之為級(jí)桿組。,（）RRP桿組,（）RPR桿組,（）PRP桿組,（）RPP桿組,,除級(jí)桿組外，還有、級(jí)等較高級(jí)的基本桿組。,這是級(jí)桿組由個(gè)構(gòu)件個(gè)低副組成，具有一個(gè)包含個(gè)低副的構(gòu)件。,這是級(jí)桿組由個(gè)構(gòu)件個(gè)低副組成，有個(gè)內(nèi)副。,機(jī)構(gòu)級(jí)別已最高構(gòu)件組級(jí)別為準(zhǔn)。,三、平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,概念：將已知機(jī)構(gòu)分解為原動(dòng)件、機(jī)架和基本桿組并確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。 步驟： 1）計(jì)算自由度，確定原動(dòng)件； 2）通常由遠(yuǎn)離原動(dòng)件的構(gòu)件開始，先試拆II級(jí)桿組，如不行再依次拆III級(jí)和IV級(jí)桿組。當(dāng)分出一個(gè)基本桿組后，第二次拆組時(shí)仍從最簡(jiǎn)單的II級(jí)桿組開始，直到剩下機(jī)架和原動(dòng)件為止。 3）

14、桿組的增減不應(yīng)該變機(jī)構(gòu)的自由度,該機(jī)構(gòu)為II級(jí)機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算舉例,例 1 圖示牛頭刨床設(shè)計(jì)方案草圖。 設(shè)計(jì)思路為：動(dòng)力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動(dòng)導(dǎo)桿 3 作往復(fù)擺動(dòng)，并帶動(dòng)滑枕4作往復(fù)移動(dòng) ，已達(dá)到刨削加工目的。 試問圖示的構(gòu)件組合是否能達(dá)到此目的？ 如果不能，該如何修改？,解：首先計(jì)算設(shè)計(jì)方案草圖的自由度,改進(jìn)措施： 1、增加一個(gè)低副和一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件； 2、用一個(gè)高副代替低副。,即表示如果按此方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是不能運(yùn)動(dòng)的。必須修改，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。,改進(jìn)方案,改進(jìn)方案,改進(jìn)方案,改進(jìn)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(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,例 3 計(jì)算圖所示機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)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(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,局部自由度,復(fù)合鉸鏈,虛約束,,,,本章重點(diǎn)小結(jié),三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制,