2平面机构运动简图的绘制精.docx
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2平面机构运动简图的绘制精
《机械传动基础》
教材
重庆工业职业技术学院
2012年4月
单元一典型机构
基础训练1平面机构的运动简图的绘制
1、相关知识
1.1机器、机构及其结构组成
1.1.1机器
机械是机器与机构的统称,是人类用以减轻或代替体力劳动和提高劳动生产率的主要生产工具。
在日常生活和工作中,我们接触到很多机器。
例如:
以下两种机器
1-1内燃机1-2牛头刨床
内燃机里的典型机构有:
曲柄滑块机构:
将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动。
齿轮机构:
实现转动的传递。
凸轮机构:
将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。
综合:
通过上述三个机构的协调工作便能将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。
结论:
机器是由各种机构组成的。
一部机器可能由多种机构组成,如上述的内燃机就是由曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构、带传动机构等组合而成;也可能仅由一个最简单的机构组成,如电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。
机器的共同特征:
从上述例子以及对其他不同机器的分析可以得到机器的共同特征:
(1)它们都是人们根据某种使用要求而设计创造的一种装置。
(2)它们必须执行确定的机械运动。
(3)用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务。
零件:
从制造和装配的观点看,机器是由许多独立加工、独立装配的单元体所组成,这些单元体称为零件。
一个构件可以是一个零件,如图中的曲轴,但往往由于结构、工艺等方面的原因,构件可由几个零件所组成,这些零件被刚性地连接在一起成为一个运动整体。
图示的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、轴套、螺栓、螺母、开口销等零件组成一个刚性构件,各个零件之间没有相对运动。
1-3曲轴1-5连杆
但往往由于结构、工艺等方面的原因,构件可由几个零件所组成,这些零件被刚性地连接在一起成为一个运动整体。
图示的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、轴套、螺栓、螺母、开口销等零件组成的一个刚性构件,各个零件之间没有相对运动。
需要指出:
随着科学技术的的进步,组成机构的构件已不能都简单地作为刚体处理,某些构件可以是挠性的或弹性的;有时候液体、气体及电磁体也参与实现机械运动的传递和变换。
部件:
在工程中,常常把组成机器的某一部分的零件组合体称为部件,如轴承、减速器、变速器、联轴器、离合器、制动器等。
这些部件用以完成特定的工作,企业往往把它们独立加工装配。
1.1.2机器的组成
作为一部完整的机器,仅具有上述的机械部分是不够的,它不能完成预期的工作。
从功能和系统的角度来看,机器一般主要由五部分组成,如图所示。
一、动力系统
动力系统包括动力机及其配套装置;它的功能是向机器提供运动和动力,是机械系统的动力源。
如图0-5的电动机及控制电路。
另外还有内燃机、液压马达、气马达、液压缸、气缸及电磁驱动等。
二、执行系统
执行系统包括若干执行机构,它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动,实现预期的工作。
执行系统一般处于机械系统的末端,执行构件直接与工作对象接触。
执行系统可以只包含一个执行机构和执行构件,如图1-5所示的曲柄冲压机,其曲柄、连杆、滑块及冲头组成曲柄滑块机构为冲压执行机构,滑块及冲头是执行构件。
三、传动系统
传动系统是把动力系统的运动和力传递给执行系统的中间装置。
如图中的齿轮和带轮都是将电机输出的运动和力传递给曲柄冲压机构。
四、操纵系统和控制系统
操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调工作,并准确可靠地完成整机功能的装置。
操纵系统:
多指通过人工操作以实现上述要求的装置。
如图0-5中的离合器是通过由连杆等构件组成的踏板机构控制其离合,实现传动的接入和分离。
另外还有起动、制动(如图A中的制动器)、变速、换向等装置。
控制系统:
是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号,经由控制器,使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。
五、框架支撑系统及其他的辅助系统
框架支撑系统:
包括基础件(如床身、底座、立柱等)和支撑构件(如支架、箱体等)。
它用于安装和支承动力系统、传动系统和操作系统等,如图0-5的机身。
机器各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证,该系统是机械系统中必不可少的部分。
1.1.3现代机器及其主要特征
一、现代机器及其组成
随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术的飞速发展,使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化,形成了一个崭新的现代机械工业。
现代机器已经成为一个以机械技术为基础,以电子技术为核心的高新技术综合系统。
现代机器的定义:
由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量转换动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。
这个定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用,同时也强调了现代机器的主要功能仍然是执行机械运动、完成有用功和能量的转换。
现代机器的组成
图中所示的焊接机器人就是典型的现代机器,它的执行系统是操作机,该系统可以实现六个独立的回转运动,完成焊接操作。
驱动系统按动力源的不同可分为电动、液动或气动,其驱动机为电动机、液压马达、液压缸、气缸及气马达。
传动系统可以是齿轮传动、谐波传动、带传动和链传动等。
也可以将上述驱动机直接与执行系统相连。
控制系统是控制器,它由计算机硬件、软件和一个专用电路组成。
框架支撑系统是机座。
另外还有焊接电源装置等。
焊接机器人由计算机协调控制操作机的机械运动,用于完成各种焊接工作。
二、现代机器的主要特征
现代机器是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新系统。
它与传统机器比较,具有以下主要特征:
必须强调指出:
在现代机器中机械系统是不可缺少的重要组成部分,机械系统和电子系统在不同的场合具有不同的优势。
因此,现代机器要求综合考虑机械、电子、硬件、软件等方面的特性,使系统各部分合理匹配,实现整体的最佳化。
1.2机构的组成及运动简图的绘制
1.2.1运动副
一、构件的自由度
构件的自由度——构件所具有的独立运动的数目。
如图所示作空间自由运动的构件具有六个自由度,一个作平面运动的自由构件有三个自由度当两构件1、2组成运动副后,使某些原有的独立的相对运动受到限制,对构件独立运动的限制称为约束。
每加上一个约束,便失去一个自由度,自由度与约束数之总和应等于6。
由于运动副为两个构件的活动连接,因此对每个构件的约束最多为5,最少为1。
二、运动副
运动副——两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的联接。
2-1运动副
1.2.2运动副的类型及其特点
平面机构中,由于运动副将各构件的运动限制在同一平面或相互平行的平面内,故这种运动副也称为平面运动副。
根据构件间接触形式的不同,平面运动副可分为低副和高副。
一、低副两构件以面接触而形成的运动副。
1、转动副:
只允许两构件作相对转动,又称作铰链。
2-2固定铰链
2-3活动铰链转动副
2、移动副:
只允许两构件作相对移动。
二、高副两构件以点或线接触而构成的运动副。
2-4凸轮副
2-5齿轮副
三、空间运动副
2-6螺旋副球面副
表2-1常用运动副及其代表符号
1.2.3机构运动简图
一、机构运动简图
机构是由若干构件通过若干运动副组合在一起的。
机构运动简图——根据机构的运动尺寸(确定各运动副相对位置的尺寸),按一定的比例尺定出运动副的相对位置,并用简单的线条和规定的符号代表构件和运动副,绘制出能够表达机构运动特征的简单图形。
二、构件的分类及带有运动副元素的构件的图示
1、构件的分类
机构中的构件按其运动性质可分为三类:
1)机架机架是机构中视作固定不动的构件,它用来支承其它可动构件。
例如各种机床的床身是机架,它支承着轴、齿轮等活动构件。
在机构简图中,将机架打上斜线表示。
2)原动件已给定运动规律的活动构件,即直接接受能源或最先接受能源作用有驱动力或力矩的构件。
例如柴油机中的活塞。
它的运动是外界输入的,因此又称为输入构件。
在机构简图中,将原动件标上箭头表示。
3)从动件机构中随着原动件的运动而运动的其他活动构件。
如柴油机中的连杆、曲轴、齿轮等都是从动件。
当从动件输出运动或实现机构的功能时,便称其为执行件。
2、构件的具体结构
1)带转动副的构件
连杆机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。
当构件上两转动副轴线间距较大时,一般做成杆状。
带两个转动副的双副杆结构:
2-7双副杆结构
带三个转动副的三副杆结构:
2-8三副杆结构
杆状结构的构件应尽量做成直杆。
有时为了避免构件之间的运动干涉,也可将杆状构件做成其他结构。
带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活,与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关,下图为8种典型结构形式:
2-9三副杆典型结构
另外,根据对构件强度、刚度等要求的不同,可以将构件的横截面设计成不同的形状,如下图所示
a)圆形
b)矩形
c)板材折边
d)工字形
e)U形
f)T形
2-10构件的横截面形状
当两转动副轴线间距很小时,难以在一个构件上设置两个紧靠着的轴销或轴孔,此时可采用偏心轮或偏心轴结构,分别如下图a和b所示,其中的偏心轮或偏心轴相当于连杆机构中的曲柄。
另外,当曲柄需安装在直轴的两支承之间时,为避免连杆与曲柄轴的运动干涉,也常采用偏心轮或偏心轴结构。
图c为偏心轮、偏心轴综合应用的结构实例,可以实现曲柄长度在一定范围内的连续调节。
2-11偏心结构
2)带转动副和移动副的构件
带转动副和移动副的构件结构形式主要取决于转动副轴线与移动副导路的相对位置及移动副元素接触部位的数目和形状。
下图为带转动副和移动副构件的几种结构形式。
2-12带转动副和移动副的构件
带两个移动副的构件
当构件带有两个移动副时,其结构与移动副导路的相对位置及移动副元素形状有关。
其典型结构如下图所示,其中:
a)为十字滑块联轴器;b)为十字滑槽椭圆画器;c)为带移动导杆的六杆机构。
2-13带两个移动副的构件
构件长度的调节
构件长度的调节可采用如下方法实现:
1)用螺纹联接调节(图a);2)用长槽调节(图b);3)用偏心轮调节(见
2-14构件长度的调节
三、转动副的结构
转动副:
转动副有滑动轴承式和滚动轴承式。
2-15转动副的结构
四、移动副的结构
2-16移动副的机构
1.2.4机构运动简图的绘制
一、运动简图的绘制步骤:
l)分析机械的运动原理和结构情况,确定其原动件、机架、执行部分和传动部分。
2)沿着运动传递路线,逐一分析每个构件间相对运动的性质,以确定运动副的类型和数目。
3)恰当地选择视图平面,通常可选择机械中多数构件的运动平面为视图平面,必要时也可选择两个或两个以上的视图平面,然后将其展到同一图面上。
4) 选择适当的比例尺,定出各运动副的相对位置,并用各运动副的代表符号、常用机构的运动简图符号和简单的线条,绘制机构运动简图。
5)从原动件开始,按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。
在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
实例1:
2-17吸水机
实例2:
2-18颚式破碎机
图示为颚式破碎机,它由六个构件组成。
根据机构的工作原理,构件6是机架,原动件为曲柄1,它分别与机架6和构件2组成转动副,其回转中心分别为A点和B点。
构件2是一个含有三个运动副元素的构件,分别与构件1、3和5组成转动副。
构件5与机架6、构件3与动颚板4、动颚板4与机架6也分别组成转动副,它们的回转中心分别为G、D、E点。
在选定长度比例尺和投影面后,定出各转动副的回转中心点A、B、C、E、F、G的位置,并用转动副符号表示,用直线把各转动副连接起来,在机架上加上短斜线,即得右图所示的机构运动简图。
1.2.5机构具有确定运动的条件
一、平面机构的自由度
一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。
若一个平面机构共有n个活动构件。
在未用运动副联接前,则活动构件自由度总数为3n。
当用运动副将这些活动构件与机架联接组成机构后,则各活动构件具有的自由度受到约束。
若机构中有PL个低副,PH个高副,则受到的约束,即减少的自由度总数应为2PL+PH。
因此,该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差,该差值称为机构的自由度,并以F表示,
F=3n-2PL-PH
由上式可知,机构要能运动,它的自由度必须大于零。
机构的自由度表明机构具有的独立运动数目。
由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律(如内燃机的活塞具有一个独立的移动)因此,当机构的自由度为1时,只需有一个原动件;当机构的自由度为2时,则需有两个原动件。
机构具有确定运动的条件是:
原动件数目应等于机构的自由度数目。
例1.试计算图示航空照相机快门机构的自由度。
2-19航空照相机快门机构
解:
该机构的构件总数N=6,活动构件数n=5,6个转动副、一个移动副,没有高副。
由此可得机构的自由度数为:
F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=1
例2.试计算图示牛头刨床工作机构的自由度。
]
解:
该机构的构件总数N=7,
活动构件数n=6,
5个转动副、3个移动副, 1个高副。
由此可得机构的自由度数为:
F=3n-2PL-PH=3×6-2×8-1=12-20牛头刨床
二、自由度计算时应注意的几种情况
1、复合铰链
两个以上的构件在同一处以转动副联接,即构成复合铰链,如图1-21所示。
由联接关系可知,若有K个构件形成的复合铰链,则联接处将有(K-1)个转动副。
。
2-21复合铰链
2-22惯性筛机构
n=5,Pl=7,Ph=0
F=3n-2Pl–Ph
=3×5-2×7–0
=1
2、局部自由度
机构中出现的与其机构整体运动无关的、局部独立的自由度,称为局部自由度。
在计算机构的自由度时,应排除局部自由度后进行计算。
如图1-23所示的凸轮机构,该机构的计算自由度数为F=2,但实际上该机构当以凸轮一个构件为原动件时,便具有确定的运动。
产生这种与平面机构具有确定相对运动条件不相吻合的原因是:
滚子绕其自身轴线转动所形成的运动副不影响凸轮机构的运动规律,是一个多出来的局部自由度,它是否存在并不影响机构的运动规律。
应除去局部自由度,即把滚子和从动件看作一个构件。
局部自由度多见于变滑动摩擦为滚动摩擦以减少磨损的场合。
n=3,Pl=3,Ph=1
F=3×3-2×-1=2
与实际不符
处理方法:
实际结构上为减小摩擦采用局部自由度,
“除去”指计算中不计入,并非实际拆除。
N=2,Pl=2,Ph=1,
F=3×2-2×2–1=1
与实际相符
3、虚约束2-23局部自由度
重复出现的,对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。
n=4,Pl=6,Ph=0
构件5给机构引入三个自由度,
四个约束。
多出的一个约束对机构的
运动不起独立的限制作用,是虚约束。
F=3×4-2×6–0=0
与实际不符
处理方法:
应除去多余的虚约束
n=3,Pl=4,Ph=0
F=3×3-2×4–0=1
与实际相符
2-24虚约束1
虚约束常见情况:
(1)轨迹重合:
连接构件上的轨迹和机构上连接点的轨迹重合时,引入虚约束。
计算时将虚约束去掉。
(2)导路平行或重合的移动副:
两构件构成多个导路相互平行的移动副时,会出现虚约束。
计算中只计入一个移动副。
(3)轴线重合的转动副:
两构件组成多个转动副,且轴线重合,只有一个转动副起约束作用,其余为虚约束。
计算中只计入一个转动副。
(4)传动对称:
机构中对运动不起独立作用的对称部分,将产生虚约束。
计算中应将对称部分除去不计。
2-25虚约束实例2
2-25虚约束实例3
虚约束对机构的影响
机构中虚约束是实际存在的,计算中所谓“除去不计”是从运动观点分析做的假想处理,并非实际拆除。
虚约束是在一些特定的几何条件下引入的,如“平行”、“重合”、“距离不变”等。
如果几何条件不满足,虚约束会转化为有效约束。
在机构中引入虚约束的目的,主要是改善机构的受力状况、增加构件的刚度和使机构具有稳定的运动,以保证机械的工作性能和承载能力,所以在结构设计中有着广泛的应用。
但由于虚约束的引入,对构件的制造和安装的精度要求较高;还有当构件或运动副不满足所必须的几何条件时,则约束就成为实际约束,使机构不能运动。
因此,在应用虚约束时也应当慎重。
另外,在机构中经常利用弹簧来达到一些构件与其他构件始终保持接触的目的。
如图1-27a所示机构中D处的弹簧就是让活塞始终保持与凸轮接触,使之能准确地将凸轮输入的运动传递给机构中的各个构件而完成工作任务。
由于弹簧的引入并没有改变机构整体的运动规律,所以在计算机构自由度时,应排除弹簧这一构件来进行计算。
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