经典机构结构原理与分析
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研究机构结构分析和综合的目的如下:(1)研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件,然后判断机构能否运动。
(2) 研究机构的组成原理,并根据结构特点对机构进行分类,以便于对其进行运动分析和力分析。
(3)研究机构运动简图的绘制方法,即研究如何用简单的图形表示机构的结构和运动状态。
(4)研究机构结构综合方法,即研究在满足预期运动及工作条件下,如何综合出机构可能的结构型式及其影响机构运动的结构参数。
一、机构的组成要素(Main Elements of Composing a Mechanism)机构是具有相对运动的构件组合体,是由构件和运动副两个要素组成的。
1.构件(Member)所谓构件是指机器中独立的运动单元。
构件是运动的单元,零件是加工制造的单元。
下图所示齿轮轴构件是由齿轮、轴、键三个零件组成的。
2.运动副(Kinematic Pair)两构件直接接触并能相互产生相对运动而组成的活动联接称为运动副。
两构件参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。
两构件间的运动副所起的作用是限制构件间的相对运动,使相对运动自由度的数目减少,这种限制作用称为约束,而仍具有的相对运动叫做自由度(见下面给出的常用运动副的三维动态图)。
3.运动链(Kinematic Chain )由若干个构件通过运动副联接组成相对可动的构件系统称为运动链。
如果运动链中的各构件构成首末封闭的系统则称为闭式链(如图2-3a),否则称为开式链(如图2-3b )。
在一般机构中,大多采用闭式链,而机器人机构中大多采用开式链。
图2-3a 图2-3b4.机构(Mechanism)如果运动链中的一个构件固定作为机架时则这种运动链称为机构。
二、运动副的分类(Classification of Kinematic Pairs )1. 根据运动副所引入的约束数分类。
把引入一个约束数的运动副称为I级副,引入两个约束数的运动副称为Ⅱ级副,依此类推。
2. 根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。
第一章机构的组成原理与结构分析一、填空题1、在平面机构中具有一个约束的运动副是副。
2、使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为。
3、平面机构中的低副有转动副和副两种。
4、机构中的构件可分为三类:固定构件(机架)、原动件(主动件)、件。
5、在平面机构中若引入一个高副将引入 ________ 个约束。
6、在平面机构中若引入一个低副将引入个约束。
7、在平面机构中具有两个约束的运动副是—副。
二、判断题(答A表示说法正确.答B表示说法不正确)1、具有局部自由度的机构,在计算机构的自由度时,应当首先除去局部自由度。
2、具有虚约束的机构,在计算机构的自由度时,应当首先除去虚约束。
3、虚约束对运动不起作用,也不能增加构件的刚性。
4、若两个构件之间组成两个导路平行的移动副,在计算自由度时应算作两个移动副。
5、若两个构件之间组成两个轴线重合的转动副,在计算自由度时应算作两个转动副。
6、当机构的自由度F>0,且等于原动件数,则该机构具有确定的运动。
三、选择题1、原动件的自由度应为。
A、0B、1C、22、在机构中原动件数目机构的自由度时,该机构具有确定的运动。
A、大于B、等于C、小于3、机构具有确定运动的条件是。
A、自由度大于零B、自由度等于原动件数C、自由度大于14、由K个构件汇交而成的复合皎链应具有个转动副。
A、K-1B、KC、K+15、通过点、线接触构成的平面运动副称为。
A、转动副B、移动副C、高副6、通过面接触构成的平面运动副称为。
A、低副B、局副C、移动副7、平面运动副的最大约束数是。
A、1B、2C、3四、简答题1.何谓构件?构件与零件有何区别?2.机构的自由度与确定运动的条件是什么?3.虚约束对机构工作性能的影响五、分析计算题1、如图所示是为高位截瘫的人所设计的一种假肢膝关节机构,该机构能保持人行走的稳定性。
若以颈骨1为机架,试绘制其机构运动简图和计算其自由度,并作出大腿弯曲90°时的机构运动简图。
龙门式起重机结构与工作原理分析龙门式起重机是一种常见的起重设备,它具有稳定性强、运行灵活、承重能力大等特点。
下面将为您分析龙门式起重机的结构和工作原理。
一、结构分析:龙门式起重机主要由龙门架、主横梁、起重机构、电气控制系统等组成。
1. 龙门架:龙门架是起重机的主体结构,由上部和下部构成,上部通常由两根立柱和横梁组成,下部由轨道、支撑架、传动装置等组成。
龙门架的结构具有足够的强度和刚度,能够承受起重机的工作负荷。
2. 主横梁:主横梁位于龙门架上方,它是起重机的承载梁,能够沿龙门架上下移动。
主横梁的两端设有小车,起重机通过小车沿主横梁水平移动,从而实现载重物体的左右移动。
3. 起重机构:起重机构是起重机的核心部分,主要由起重机钩、卷筒、钢丝绳等组成。
起重机通过起重机钩将重物吊起,升降等操作通过卷筒和钢丝绳来实现。
起重机具有多种工作制式,如行车式、悬挂式、可移式等,能够适应不同的工作要求。
4. 电气控制系统:电气控制系统是起重机的控制中心,主要由电动机、传感器、控制柜等组成。
通过电气控制系统,可以实现起重机的启停、运行速度的调节、重物的升降等功能,提高了起重机的安全性和稳定性。
二、工作原理分析:龙门式起重机的工作原理是基于机械原理和杠杆原理的。
1. 起重机的起重原理:当起重机启动时,电动机通过传动装置驱动卷筒将钢丝绳卷起使起重机钩上升,实现对重物的吊起。
卷筒上的防抱死装置可以防止钢丝绳抱死,保障起重过程的安全。
2. 起重机的横向移动原理:起重机的横向移动主要通过主横梁上的小车来实现。
小车由电动机驱动,通过传动装置带动起重机沿主横梁水平移动。
小车的驱动方式可以是电动驱动或手动驱动,可以根据不同工作环境和要求进行选择。
3. 起重机的纵向移动原理:起重机的纵向移动主要通过龙门架上的升降装置来实现。
升降装置通常由液压缸或电动机驱动,通过起重机的运行控制实现起重机的升降。
起重机的升降速度可以通过控制装置进行调节,以满足不同的工作需求。
第一章 机构的结构分析与运动分析一、 考点提要(一)机构的结构分析1.机器与机构机器具有以下三大本质属性:(1)人为实物的组合体、(2)各实物(称为构件)间具有确定的相对运动,能够传递和变换运动。
(3)能对外完成有用的机械功或实现能量转换。
机器是由机构组成的,机构是具有各自特点的,能传递和变换运动的基本组合体。
机构只具有机器的前两个属性。
(1)从结构、运动方面看,机器、机构无区别,机构是机器的组成单元;机器可以有一个或多个机构组成。
(2)从功能方面看,机器、机构有区别。
机器实现能量转换或作机械功而机构是实现运动、动力的传递。
2.机械从结构和运动的角度看,机构和机器是相同的,一般统称为机械。
3.构件与零件构件是机构中的组成元件也是运动单元,零件是机械中的制造单元;构件是由一个或若干个零件固定连接组合而成的,各个零件间不能再有相对运动。
构件在图形表达上是用规定的最简单的线条或几何图形来表示的.但从运动学的角度看,构件又可视为任意大的平面刚体。
机构中的构件可分为三类:(1) 机架。
用来支承活动构件(运动构件)的构件,作为研宪机构运动时的参考坐标系。
每个机构都必须有机架,但尽管机构中的活动构件可以在多处和机架组成运动副,但每个机构仅有一个机架。
机架并不一定是固定不动的构件,而是我们选做静参考系的构件,在分析机构时看作是不动的。
(2) 原动件(主动件)。
输入运动的构件,也是运动规律已知的活动构件,即作用有驱动力的构件。
每个机构至少有一个原动件。
(3) 从动件。
其余随主动件的运动而运动的活动构件,其中至少有一个是运动输出的构件。
4.运动副运动副是两个构件组成的可动联接。
两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素。
运动副是约束运动的,因而一个运动副至少引入一个约束,也至少保留一个自由度。
至于两构件组成运动副后还能产生哪些相对运动,则与运动别的类型有关。
运动副按其接触方式分为高副(点线接触)和低副(面接触),低副又可按相对运动形式分为转动副和移动副,判断依据是看两构件的相对运动轨迹是直线还是圆弧。
凸轮机构设计与动力学分析凸轮机构是一种重要的机械传动系统,用于将旋转运动转换成直线运动。
它是许多机械设备和工业生产线的核心部件之一,广泛应用于汽车、机器人、纺织、食品加工等领域。
本文旨在介绍凸轮机构的设计原理和动力学分析方法,为读者提供一些有关凸轮机构的基本知识和实用技巧。
一、凸轮机构的工作原理凸轮机构是由凸轮轴、凸轮和摆杆等部件组成的,其中凸轮是一个形状奇特的零件,通常由一圆柱形或锥形轴与一个凸起相连接而成。
凸轮轴和摆杆的运动轨迹是由凸轮轴的几何形状和参数决定的。
当凸轮轴旋转时,凸轮与摆杆发生相对运动,从而使摆动杆产生直线运动或允许摆动杆在取向不变的情况下旋转。
杆件的运动轨迹可以显式地表示为位置、速度和加速度方程式,这为凸轮机构的性能分析和优化提供了扎实的理论基础。
二、凸轮机构的设计方法在设计凸轮机构时,我们需要考虑以下几个因素:1. 运动要求:根据设备的需求,确定凸轮机构所需的运动类型和要求。
2. 摆杆结构:选择摆杆的长度、截面和形状,以及凸轮轴和摆动杆的垂直距离。
3. 凸轮形状:根据摆杆的运动要求和限制,选择最合适的凸轮形状。
4. 传动方式:根据凸轮机构的运动类型和要求,选择最合适的传动方式,如凸轮与摆动杆的直接接触或传动链条。
在实际设计中,我们可以采用以下方法来优化凸轮机构的性能:1. 确定凸轮形状:根据运动要求和制造成本,选择最合适的凸轮形状。
通常情况下,我们可以使用标准凸轮形状,如圆形、椭圆形和抛物线形等。
2. 调整凸轮轴位置:根据凸轮轴的位置和方向,调整凸轮的运动轨迹,以满足摆动杆的运动要求和限制。
3. 优化摆杆参数:根据摆动杆的长度、截面和形状,优化摆动杆的质量和稳定性,最大限度地提高运动精度和工作效率。
三、凸轮机构的动力学分析凸轮机构的动力学分析是评价凸轮机构运动性能的重要方法,可以预测和控制凸轮机构的位置、速度、加速度和力学性能等方面的变化。
常用的动力学分析方法包括:1. 几何法:利用几何原理和运动学方程,计算凸轮机构的位置、速度和加速度等参数。
第一章机构的结构分析基本要求:熟练掌握机构运动简图的绘制方法。
能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图;能看懂各种复杂机构的机构运动简图;能用机构运动简图表达自己的设计构思。
掌握运动链成为机构的条件。
熟练掌握机构自由度的计算方法。
能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度,尤其是平面机构的自由度。
能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束,并作出正确处理。
掌握机构的组成原理和结构分析的方法。
了解高副低代的方法;会判断杆组、杆组的级别和机构的级别;学会根据机构组成原理,用基本杆组、原动件和机架创新构思新机构的方法;学会将Ⅱ级、Ⅲ级机构分解为机架、原动件和若干基本杆组的方法。
教学内容:1. 机构的组成2. 机构运动简图3. 运动链成为机构的条件4. 机构的组成原理和结构分析重点难点:机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、判断运动链能否成为机构和机构的组成原理是本章学习的重点。
前面两个重点又是学习中的难点和必须正确熟练掌握的内容。
§1-1 研究机构结构的目的研究机构结构的目的:研究机构的组成及机构运动简图的画法;了解机构具有确定运动的条件;研究机构的组成原理及结构分类;按结构分类,建立运动分析和动力分析的一般方法;合理设计机构和创新新机构。
§1-2 平面运动副及其分类一、构件零件:从制造的观点分析机械时,零件是组成机械的最小单元体。
任何机械都由许多零件组合而成的。
如内燃机中的连杆由连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母和轴套等零件组成。
内燃机中的连杆由连杆体、连杆头、轴瓦、螺栓、螺母和轴套等零件组成。
构件:从运动的观点分析机械时,构件是参加运动的最小单元体。
构件可以是一个零件,也可以是由多个零件组成的刚性系统。
二、运动副为了使多个构件组成一个系统后相互之间具有确定的运动,构件与构件需要一种既直接接触又有相对运动的联接,这种联接称为运动副。
运动副:两构件直接接触所形成的可动联接。
曲柄摇杆机构曲柄AB为原动件作匀速转动,当它由AB1转到AB2位置时,转角φ1=180°+θ,摇杆由右极限位置C1D摆到左极限位置C2D摆角为ψ,当曲柄从AB2转到AB1时,转角φ2=180°-θ,摇杆由位置C2D返回C1D,其摆角仍为ψ,因为φ1>φ2 ,对应时间t1>t2,因此摇杆从C2D转到C1D较快,即具有急回特性,其中θ为摇杆处于两极限位置时曲柄两个位置之间所夹的锐角,称为极位夹角。
双摇杆机构摇杆AB为原动件,通过连杆BC带动从动件CD也作往复摆动,虚线AB1、AB2为摇杆AB的两极限位置,也是当摇杆AB为原动件时,机构的两死点位置。
双曲柄机构当曲柄AB为原动件作匀速回转时,曲柄CD跟随作周期性的匀速圆周回转,当曲柄从位置AB1转过φ1角到位置AB2时,从动件CD转过180°,当曲柄从位置AB2转过φ2角到位置AB1时,从动件CD转过180°,因为φ1>φ2 ,即t1>t2,从动曲柄的角速度不是常数,而是作变角速度回转。
平行双曲柄机构当机构处于AB1C1D和AB2C2D时,机构的传动角γ=0,即为死点位置,若在此位置由于偶然外力的影响,则可能使曲柄转向不定,出现误动作。
当原动件曲柄作匀速回转,从动曲柄也以相同角速度匀速同向回转,连杆作平移运动。
平行机构该机构为机车驱动轮联动机构,是利用平行曲柄来消除机构死点位置的运动不确定状态的。
搅拌机该机构是一曲柄摇杆机构的应用实例,利用连杆上E点的轨迹来进行搅拌。
夹具机构当工件被夹紧后,BCD成一直线,机构处于死点位置,即使工件的反力很大,夹具也不会自动松脱,该例为利用死点位置的自锁特性来实现工作要求的。
K=1的曲柄摇杆机构从动件摇杆处于两极限位置时,对应主动件曲柄位置AB1、AB2共线,即极位夹角θ=0,K=1,机构没有急回特性。
翻台机构本机构为翻台震实式造型机的翻台机构,是双摇杆机构,当造型完毕后,可将翻台F翻转180°,转到起模工作台的上面,以备起摸。
对心曲柄滑块机构因导路的中线通过曲柄的回转中心而得名。
该机构能把回转运动转换为往复直线运动或作相反的转变,广泛应用于蒸汽机、内燃机、空压机以及各种冲压机器中。
偏置曲柄滑块机构因导路的中线不通过曲柄的回转中心而得名。
偏心距为e,c1.c2为滑块的两极限位置,角为极位夹角,该机构具有急回特性。
摆动导杆机构该机构具有急回运动性质,且其传动角始终为90度,具有最好的传力性能,常用于牛头刨床、插床和送料装置中。
定块机构该机构是通过将曲柄滑块机构中的滑块固定而演化得出,它可把主动件的回转或摆动转化为导杆相对于滑块的往复移动。
摇块机构该机构是通过将曲柄滑块机构中的连杆固定而演化得出,它可把主动件的匀速回转运动转化为导杆相对于滑块的往复移动并随滑块摆动的形式。
转动导杆机构该机构是通过将曲柄滑块机构中的曲柄固定演化而成,它可将主动件的匀速回转转化为导杆的非匀速摆动,且具有急回特性。
插齿机该机构由两个四杆机构组成,粉红色的杆、红色杆、绿色杆、机架组成曲柄摇杆机构,绿色杆、橙色杆、黄色杆、机架组成摇杆滑块机构,当粉红色的曲柄匀速回转时,绿色杆作变速摆动,通过橙色的连杆使黄色的滑块向下切削时作近似匀速运动,往上则因曲柄摇杆机构的急回运动性质使插齿刀快速退回。
牛头刨主机构这是一个六杆机构,曲柄整周匀速转动,带动刨刀往复移动,该机构利用摆动导杆机构的急回特性使刨刀快速退回,以提高工作效率。
插床导杆机构利用摆动导杆机构的急回特性使插刀快速退回,以提高工作效率。
双滑块机构该机构由曲柄滑块机构和摇杆滑块机构组成,曲柄绕A点匀速整周旋转,带动两滑块往复移动。
正弦机构该机构是具有2个移动副的四杆机构,因从动件的位移与原动曲柄的转角的正弦成正比而得名,常用于缝纫机下针机构和其他计算装置中。
椭圆规动杆联接两回转副,固定导杆联接两移动副,导杆呈十字形,动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆。
曲柄压力机该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构组成,其中CD杆是两机构的共用件,该机构的特点是原动件在用力不太大的情况下,可产生很大的压力,实现增力作用,常用于行程要求不大而压力要求很大的冲压、剪切等机械中。
飞轮该机构为一对心曲柄滑块机构的应用形式,滑块为主动件,由于飞轮的惯性,使机构冲过了两个死点位置。
偏心轮该机构本质上是曲柄滑块机构,偏心轮的回转中心A到它的几何中心B之间的距离叫偏心距,即曲柄长度。
这种机构常用于冲床、剪床及润滑油泵中。
滚子对心移动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转,带动从动件往复移动,滚子接触,摩擦阻力小,不易摩擦,承载能力较大,但运动规律有局限性,滚子轴处有间隙,不宜高速。
平底移动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转,带动从动件往复移动,压力角始终为零度,传力特性好,结构紧凑,润滑性能好,摩擦阻力较小,适用于高速,但凸轮轮廓不允许呈下凹,因此实现准确的运动规律受到限制。
移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时,即成为移动凸轮,一般作往复移动,多用于靠模仿形机械中。
形锁合凸轮为保证凸轮机构能正常工作,必须保持凸轮轮廓与从动件相接触,该机构是靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保持两者的接触。
滚子摆动从动件盘形凸轮机构机构中凸轮匀速旋转,带动从动件往复摆动,滚子接触,摩擦阻力小,不易摩擦,承载能力较大,但运动规律有局限性,滚子轴处有间隙,不宜高速。
螺杆传动1螺杆转动,螺母移动.这种机构占据空间小,用于长行程螺杆,但螺杆两端的轴在和螺母防转机构使其结构较复杂。
螺杆传动2螺杆不动,螺母旋转并移动.由于螺杆固定不转,因而两端支承结构简单,但精度不高.如应用于某些钻床工作台的升降.螺杆传动3螺母固定不动,螺杆转动并移动.这种结构以固定螺母为主要支承,结构简单,但占据空间大.常用于螺旋压力机、螺旋起重器、千分尺等.螺杆传动4螺母转动,螺杆移动.螺杆应设置防转装置和螺母转动要设置轴承均使结构复杂,且螺杆运动时占据空间尺寸,故很少应用台虎钳当转动手柄时,螺杆相对于螺母作螺旋运动,产生的位移带动活动钳口一起移动.这样,活动钳口相对于固定钳口之间可作合拢或张开的动作,从而可以夹紧或松开工件。
压力机该机构是传力螺旋,螺母不动,螺杆旋转,以传力为主,一般速度较低,大多间歇工作,通常要求自锁千斤顶该机构是一种传力螺旋,以传力为主,用较小的驱动力矩可以产生很大的轴向载荷,螺母固定不动,螺杆转动并移动,一般速度较低,通常要求自锁。
蜗杆传动机构蜗杆传动用于传递空间垂直交错两轴间的运动和动力;传动比大、平稳性好;一定条件下可以自锁。
因此,广泛用于各种设备的传动系统中。
链传动链传动靠链轮和链之间的啮合传递运动,而链轮之间有挠性链条,兼有啮合传动和挠性传动的特点。
因此,可在不宜采用带传动和齿轮传动的场合考虑采用链传动。
开口式带传动传递平行轴之间的运动,两带轮转向相同。
带传动适于中心距较大的传动;传动平稳,可缓冲吸振;过载时打滑,能起安全保护作用。
带传动的主要缺点是不能保证准确的传动比,带的寿命和传动效率较低。
适合于小功率的动力传动,在机械传动系统中,多用于高速级。
交叉式带传动传递平行轴之间的运动。
两带轮转向相反。
带张紧轮的三角带传动三角带工作一段时间后会因为塑性伸长而松弛,致使张紧力降低,张紧轮可以保证足够的张紧力。
张紧轮应放在松边内侧靠大带轮处,以免小带轮包角减小过多,影响传动能力。
棘轮机构在棘轮机构中,一般情况下棘爪是原动件,当工作的棘爪连续摆动时,棘轮作间歇转动。
当棘轮停歇时,止动棘爪可防止其逆转。
只要棘轮的齿数Z足够多,则每次间歇转动的角度就可以很小;而且可根据工作要求调节棘轮转角的大小。
单圆销外啮合槽轮机构槽轮机构以拨盘为主动件,当拨盘匀速连续回转时,槽轮作间歇转动。
当槽轮停歇时,靠槽轮和拨盘上的锁止弧定位。
由于槽轮每次转过的角度取决于槽数Z,而槽轮的槽数又不能过多,所以槽轮机构只能用于转角较大的间歇传动。
双圆销外啮合槽轮机构单圆销槽轮是拨盘转4周,槽轮转1周,而双圆削槽轮是拨盘转2周,槽轮转1周。
能实现分度和转位等间隙回转,结构简单,制造容易,转位角一般不小于45度,并且不能调节,比单圆销槽轮传动平稳。
非完整齿轮机构非完整齿轮机构是由齿轮机构演化而来的,主动齿轮上只制出一个或几个轮齿,当主动齿轮匀速连续回转时,使从动齿轮作间歇运动。
不完整齿轮齿条机构该机构是由非完全齿轮机构演变而来的。
主动齿轮上只制出一个或几个轮齿,主动轮匀速转动,带动齿条往复移动。
平盘摩擦式无级变速器无级变速器是可调节传动比的摩擦传动或啮合传动,通过调整主、从动轮的有效工作半径,可以在一定的范围内连续改变从动轮的转速,实现无级变速。
主要性能指标是变速范围R ,它是输出轴最高转速与最低转速之比。
R 值与无级变速器的类型和传动件的有效尺寸有关,本机构的变速范围4-9,应用于变速时无需停机的无级变速场合。
外接圆柱摩擦轮主从动件转向相反,传动比:i=n1/n2=r2/r1,图中n1、r1及 r2可输入,从而得出不同尺寸的摩擦轮传动。
内接圆柱摩擦轮主从动件转向相同,传动比:i=n1/n2=r2/r1,图中n1、r1及 r2可输入,从而得出不同尺寸的摩擦轮传动。
齿轮传动齿轮传动是现代各类机械传动中应用最广泛的一种传动,与其他机械传动相比,齿轮传动的主要优点是:传递功率大、速度范围广、效率高、结构紧凑,工作可靠、寿命长、且能保证恒定的瞬时传动比。
其主要缺点是制造和安装精度要求高、成本高,而且不宜用于中心距较大的传动。
齿轮齿条机构该机构可以把齿轮的旋转运动转化为齿条的往复移动,或者把齿条的往复移动转化为齿轮的旋转运动。
定轴轮系1该机构中所有齿轮均具有固定几何轴线位置,可以实现大的传动比、变速、变向及回转的合成或分解。
定轴轮系2该机构中所有齿轮均具有固定几何轴线位置,可以实现大的传动比、变速及变向。