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1、机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第一章第一章 平面机构组成原理及其平面机构组成原理及其自由度分析自由度分析20222022年年5 5月月2323日日机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第一章第一章 平面机构组成原理及其平面机构组成原理及其自由度分析自由度分析1.1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图1.2 平面平面机构自由度分析及应用举例机构自由度分析及应用举例1.3 平面机构平面机构组组成原理成原理1.4 平面机构的拓补结构理论平面机构的拓补结构理论* 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 1.1 机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图一、机构的组成一、机
2、构的组成 机构是一种具有确定运动的人为实物组合机构是一种具有确定运动的人为实物组合体。机构的组成要素为体。机构的组成要素为构件构件和和运动副运动副。二、机构运动简图二、机构运动简图机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系(一一)零件与构件零件与构件从制造加工角度：机械由零件组成从制造加工角度：机械由零件组成 零件零件制造单元体制造单元体 从运动和功能实现角度：从运动和功能实现角度： 构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接图图1.1.1 内燃机连杆构件内燃机连杆构件机械工程学院机械设计系
3、机械工程学院机械设计系构件分类（按构件在机构中所起的作用分）构件分类（按构件在机构中所起的作用分） 机架机架指机构中相对于定参考系是固定的构件，它相对指机构中相对于定参考系是固定的构件，它相对于地面可以是固定的，也可以是运动的；于地面可以是固定的，也可以是运动的； 活动构件活动构件指机构中的非机架构件指机构中的非机架构件, 即相对于机架是运即相对于机架是运动的构件。动的构件。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系(二二)运动副及其分类运动副及其分类 运动副：运动副：构件与构件之间直接接触的可动联接。构件与构件之间直接接触的可动联接。 运动副元素：运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副
4、的部分。指两个构件直接接触而构成运动副的部分。对于作空间运动的构件，在联接前有六个对于作空间运动的构件，在联接前有六个独立运动（又称自由度）。独立运动（又称自由度）。对于作平面运动的构件，在联接前只有三对于作平面运动的构件，在联接前只有三个独立运动（又称三个自由度）。个独立运动（又称三个自由度）。 图图1.1.5 作平面运动构件作平面运动构件自由度自由度机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系按运动副对被联接的两构件相对运动约按运动副对被联接的两构件相对运动约束数的不同分为：束数的不同分为： 低副低副: 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副; 高
5、副高副: 凡两构件系通过点或线接触而构成的运凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副统称为高副动副统称为高副; 按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分:平面运动副平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副运动的运动副; 空间运动副空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。运动。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系根据组成平面低副的两构件之间的相对运动性质根据组成平面低副的两构件之间的相对运动性质又可将其分为又可将其分为转动副转动副和和移动副移动副。低副类型低副类型图图
6、1.1.6 转动副转动副 图图1.1.7 移动副移动副 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系高副类型高副类型图图1.1.8 齿轮副齿轮副 图图1.1.9 凸轮副凸轮副 常见的平面高副有齿轮齿廓接触组成的常见的平面高副有齿轮齿廓接触组成的齿轮副齿轮副及及凸轮从动件端部与凸轮轮廓之间的点、线接触所组成凸轮从动件端部与凸轮轮廓之间的点、线接触所组成的的凸轮副凸轮副。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系根据在机构中所起的作用不同，运动副可分为：根据在机构中所起的作用不同，运动副可分为：(1) 驱动副驱动副指机构中，运动副的两构件的相对运动规律为已知指机构中，运动副的两构件的相对运动规律
7、为已知的运动副的运动副, 即其两构件之间作用有驱动力矩或驱动力的运动副；即其两构件之间作用有驱动力矩或驱动力的运动副；(2) 从动副从动副指机构中的非驱动副。指机构中的非驱动副。图图1.1.10 驱动副在驱动副在机架上的平面机构机架上的平面机构驱动副在机构中的位置可分为：驱动副在机构中的位置可分为：(1) 驱动副在机架上驱动副在机架上 (2) 驱动副不在机架上驱动副不在机架上 图驱动副不在图驱动副不在机架上的平面机构机架上的平面机构机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系(三三)运动链运动链 指构件用运动副联接而成的相对系统。指构件用运动副联接而成的相对系统。图图1.1.12 运动链运动链
8、 闭链闭链:每个构件上每个构件上至少有两个或两个至少有两个或两个以上运动副相互联以上运动副相互联接所组成的运动链接所组成的运动链。开链开链: 运动链中各运动链中各构件没有构成首尾构件没有构成首尾封闭的系统。封闭的系统。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系(四四)机构机构机构机构:将运动链中一个构件加以固定作为机架将运动链中一个构件加以固定作为机架, 将其中一个将其中一个或几个运动副作为驱动副并给定运动输入时或几个运动副作为驱动副并给定运动输入时,则所有构件均则所有构件均相对于机架作确定运动的系统。相对于机架作确定运动的系统。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系二、二、 机构运动
9、简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 若只是为了进行初步的结构组成分析，了解动作原若只是为了进行初步的结构组成分析，了解动作原理，表明机构的组成状况理，表明机构的组成状况, 不考虑机构的比例尺，这种不考虑机构的比例尺，这种简图称为机构运动示意图。简图称为机构运动示意图。 用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并并 按一定的比例尺表示机构的运动尺寸按一定的比例尺表示机构的运动尺寸, 绘制出机构的绘制出机构的简明图形。简明图形。机构示意图机构示意图机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机构运动简图中的常用符号机构运动简图中的常用符号机械工
10、程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系绘制机构运动简图的步骤与方法绘制机构运动简图的步骤与方法:（1）对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况）对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况和运动情况，确定其组成的各构件性质。和运动情况，确定其组成的各构件性质。（2）沿着运动传递路线，从原动件开始，逐一分析每两个）沿着运动传递路线，从原动件开始，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，并确定运动副的类型和数目。构件间相对运动的性质，并确定运动副的类型和数目。（3）选择合理的运动简图的视图平面。）选择合理的
11、运动简图的视图平面。（4）选择适当的长度比例尺（）选择适当的长度比例尺（=实际尺寸实际尺寸(m)/图示长度图示长度(mm)），定出各运动副的相对位置，绘制机构运动简图。），定出各运动副的相对位置，绘制机构运动简图。从原动件开始，按运动传递路线，顺序标出各构件的编号和从原动件开始，按运动传递路线，顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标明箭头方向即其运动方向。运动副的代号。在原动件上标明箭头方向即其运动方向。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系以图所示为一偏心轮曲柄滑块机构为例，说明机构运以图所示为一偏心轮曲柄滑块机构为例，说明机构运动简图的绘制方法。动简图的绘制方法。图图1.1
12、.13 偏心轮曲柄滑块机构偏心轮曲柄滑块机构 图图1.1.14 对应的机构运动简图对应的机构运动简图 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 例题：绘制图示颚式破碎机的运动简图例题：绘制图示颚式破碎机的运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个构件和个构件和7个转动副。个转动副。图图1.1.15 颚式破碎机构颚式破碎机构 图图1.1.16 对应的机构运动简图对应的机构运动简图 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系1.2 平面平面机构自由度分析及应用举例机构自由度分析及应用举例一、运动副的自由度和约束一、运动副的自由度和约束二、平面机构自由度计算公式二、平面机构自由度计算公式三、机构
13、可能运动条件及机构具有确定运三、机构可能运动条件及机构具有确定运 动条件动条件四、计算机构自由度应注意的问题四、计算机构自由度应注意的问题机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系一、运动副的自由度和约束一、运动副的自由度和约束 运动副对该两构件运动副对该两构件独立运动所加的限制称独立运动所加的限制称为约束。约束数目等于为约束。约束数目等于被其限制的自由度数。被其限制的自由度数。 图图 平面构件未平面构件未组成运动副前三个自由度组成运动副前三个自由度机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系图图1.1.18 组成运动副后构件组成运动副后构件2相对运动自由度相对运动自由度（一）（一）转动副转
14、动副：只能绕垂直于只能绕垂直于xoy平面的轴的相对转动平面的轴的相对转动 （二）（二）移动副移动副：使其只能沿使其只能沿x轴方向移动。轴方向移动。 （三）（三）高副高副：可沿可沿t-t方向独立移动和绕过方向独立移动和绕过k点垂直于运动平点垂直于运动平面的轴的独立转动面的轴的独立转动 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系二、平面机构自由度计算公式二、平面机构自由度计算公式式中式中 F平面机构的自由度；平面机构的自由度； n该机构的总构件数该机构的总构件数(包括机架包括机架), (n-1) 则为机构的活动构件数；则为机构的活动构件数； PL 该机构中的低副（转动副、移动副）数；该机构中的低
15、副（转动副、移动副）数； PH 该机构中的高副数。该机构中的高副数。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 结论结论（一）机构可能运动的条件为：机构自由度数大于等于（一）机构可能运动的条件为：机构自由度数大于等于1。（二）机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目（二）机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目等于机构的自由度数。等于机构的自由度数。三、机构可能运动条件及机构具有确定运动条件三、机构可能运动条件及机构具有确定运动条件图图1.1.19 机构自由度与确定运动机构自由度与确定运动机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系（一）（一） 复合铰链复合铰链 四、计算机构
16、自由度时应注意的问题四、计算机构自由度时应注意的问题四、计算机构自由度时应注意的问题四、计算机构自由度时应注意的问题 两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个个注意：复合铰链只存在于转动副中。注意：复合铰链只存在于转动副中。 图图1.1.20 复合铰链复合铰链机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机构的自由度与确定运动条件图图1.1.21 局部自由度局部自由度（二）局部自由度（二）局部自由度 机构中有些构件所具有机构中有些构件所具有的自由度只与该构件自身的的自由度只与该构件自身的局部运动有关，不影响其它局部运动有关，不影响其它构件的运动，即对整个机构构件的运动，即对整个机构的运动输出无关，则称这种的运动输出无关，则称这种自由度为局部自由度自由度为局部自由度。 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系在机构自由度计算时，还需注意，在某些特定的几何条件在机构自由度计算时，还需注意，在某些特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的
