机械原理 作者 江帆第四章 机构的结构分析 第四章.ppt

第三节 机构的组成原理 一个机构具有确定运动必满足原动件的数目与自由度的数目相等的条件。设想将原动件和机架从机构中分离出来，则其余的活动构件构成的构件组必然是一个自由度为零的运动链。而这个自由度为零的运动链也许也可以进一步拆成为若干个更简单的自由度为零的运动链。 把自由度为零且不可再拆的运动链称为基本杆组，或称杆组。 任何机构都可能看成是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成的。这就是机构的组成原理。 根据以上原理，在设计一个新的机构时，就可以先选定一个构件固定作为机架，然后将与数个构件（其个数与机构的自由度相等）作为原动件用运动副联接在机架上，最后再将一个可几个基本杆组依次联接于机架和原动件上去而构成。 反之，对现有机构进行运动和动力分析时，可根据上述原理，将机构分解成机架，原动件和若干基本杆组。然后对相同的基本杆组以相同的方法进行分析。 如图所示的牛头刨床主机构，它是由构件2与3和构件4与5组成的Ⅱ级组依次连接于原动件1和机架6上所构成。 (a) (b) (c) 牛头刨床主机构的组成原理 第四节 平面机构中高副低代的方法 为了使平面低副机构的运动分析和动力分析方法能适用于所有平面机构，因而要了解平面高副与平面低副之间的内在联系，研究在平面机构中用低副代替高副的条件和方法（简称高副低代）。 为了保证机构的运动保持不变，进行高副低代必须满足的条件是： 1）代替机构和原机构的自由度必须完全相同。 2）代替机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。 对于具有任意曲线轮廓的高副机构，过接触点C作公法线nn，在此公法线上确定接触点的曲率中心O1、O2，构件4通过转动副O1和O2分别与构件1和构件2相连，便可得到图（b）所示的代替机构AO1O2B。 当机构运动时，随着接触点的改变，其接触点的曲率半径及曲率中心的位置也随之改变，因而在不同的位置有不同的瞬时代替机构。 （a） （b） 任意曲线轮廓高副机构 若高副两元素之一为一点，如图（a）所示，则因其曲率半径为零，所以曲率中心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图（b）所示。 （a） （b） 尖底从动件盘形凸轮机构 若高副两元素之一为一直线，如图（a）所示，则因直线的曲率中心在无穷远处，所以这一端的转动副将转化为移动副。其瞬时代替机构如图（b）或图（c）所示。 （a） （b） （c） 摆动从动件盘形凸轮机构 根据以上的分析，高副低代的方法就是用一个带有两个转动副的构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两元素接触点处的曲率中心。 第五节 机构结构及结构分析 4-5-1 机构的结构分类 机构的结构分类是根据机构中组成基本杆组的形态进行的。组成平面机构的基本杆组应符合条件： 式中，n为基本杆组中的构件数，PL为基本杆组中低副的数目，PH为基本杆组中高副的数目。 若在基本杆组中的运动副为低副，则上式可变为 ： 即： 最简单的基本杆组是 的基本杆组，我们把这种基本杆组称为Ⅱ级。Ⅱ级组是应用最多的一种基本杆组，考虑到低副中有转动副和移动副，Ⅱ级组有五种不同的类型，分别如图（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示。 （a） （b） （c） （d） （e） Ⅲ级组均由4个构件和6个低副所组成，而且必有一个构件上有三个连接其他组内构件的低副，例如图所示三种结构形式（a）、（b）、（c）中的构件2都包含B、C、D三个低副。 （a） （b） （c） 注意：如图所示的基本组，虽然也是由4个构件和6个低副组成，有由三个运动副构成的三角形和由四个运动副构成的四边形，而最高封闭形为有四个运动副的四边形，故称为Ⅳ级组。 Ⅳ级组 4-5-2 机构的结构分析 机构结构分析的目的是通过分析机构的组成来确定机构的级别。我们把由最高级别为Ⅱ级组构成的机构称为Ⅱ级机构；把最高级别为Ⅲ级组构成的机构称为Ⅲ级机构；而把只由机架和原动件而构成的机构称为Ⅰ级机构。 由此可见，平面机构的级别取决于该机构能够分解出的基本杆组的最高级别。 结构分析的步骤： （1）首先除掉结构中的虚约束和局部自由度，确定原动件。 （2）若有高副，先进行高副低代。 （3）先试拆Ⅱ级组；若拆不了Ⅱ级组时，再试拆Ⅲ级组。每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，并按第（2）步进行，且自由度与原机构相同，继续进行拆分，直至全部杆组拆出只剩下Ⅰ级机构（机架和原动件）。 （4）确定机构的级别。 一般先从远离原动部分开始拆组 例 1： 试确定图4-28（a）所示平面高副机构的级别。 （a） （b） 解： 1）先除去机构中的局部自由度和虚约束，活动构件为4个，低副5个，高副1个，即： 由式（4-1）得 ： 以构件1为原动件。 2）进行高副