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1、第一章机构结构分析主要内容：v1-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的v1-2 1-2 机构的组成机构的组成v1-3 1-3 机构运动简图机构运动简图v1-41-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件v1-5 1-5 机构自由度的计算机构自由度的计算v1-6 1-6 计算平面自由度时应注意的事项计算平面自由度时应注意的事项 v1-7 1-7 平面机构的组成原理平面机构的组成原理和结构分析和结构分析基本要求基本要求:1、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。、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；能看懂各种复杂能够将实际机构或机构的结
2、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。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。2、掌握运动链成为机构的条件。、掌握运动链成为机构的条件。3、熟练掌握机构自由度的计算方法。、熟练掌握机构自由度的计算方法。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，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，计算计算机构自由度。机构自由度。4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。、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；了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级
3、别；1 11机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件研究机构的组成及其具有确定运动的条件2.绘制机构运动简图和自由度的计算绘制机构运动简图和自由度的计算目的是为运动分析和动力分析作准备。目的是为运动分析和动力分析作准备。弄清机构包含哪几个部分弄清机构包含哪几个部分;各部分如何相联？各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？3.研究机构的组成原理研究机构的组成原理目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。动确定性的要求。机构、构件和零件机
4、构是由具有确定运动的单元体组成的，这些运动单元体成为构件；传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的机械装置。机器机器机构机构构件构件零件零件独立的运动单元独立的运动单元独立的制造单元独立的制造单元运动副运动副1-2机构的组成缸体缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴曲柄曲柄连杆连杆机构机构齿轮系齿轮系凸轮凸轮机构机构零件连杆体零件连杆体1、连杆头、连杆头2、轴套、轴套3、轴瓦、轴瓦4和和5、螺杆、螺杆6、螺母、螺母7、开口销、开口销8构件连杆观看下图机构并思考问题：v曲柄滑块机构v具有确定运动的机构是怎样组成的？v为什么各活动部分既能相互连接又能保持有相对运动？2.运动副（运动副（kinemati
5、cpair）a)两个构件、两个构件、b)直接接触、直接接触、c)有相对运动有相对运动（1）定义：运动副）定义：运动副两个构件两个构件直接接触直接接触组成的仍组成的仍能产生某些能产生某些相对运动相对运动的联接。的联接。 三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可转动副齿轮副移动副（2）运动副元素）运动副元素(elementsofpair)直接接触的部直接接触的部分（点、线、面）分（点、线、面）例如：例如：凸轮凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。作者：潘存云教授滑块与导槽啮合中的一对齿廓轴承中滚动体与内外圈的滚道（3）运动副的分类v1）按两构件的相对运动形式分类 平面运动副(planar
6、 kinematical pair) 空间运动副(spatial kinematical pair)v本章主要介绍平面运动副。自由度和运动副约束自由度和运动副约束 构件相对于参考系具有的构件相对于参考系具有的独立运动参数独立运动参数的数目称为的数目称为构件的构件的自由度。自由度。运动副分类运动副分类3）作平面运动的自由构件AB（如图）有几个自由度（即确定AB杆在oxy坐标平面内的位置需要哪几个独立参变量）？v需要（xA,yA,）3个独立参变量，也就意味着构件AB在oxy平面内有3个独立运动的可能性，A点即可沿着x轴和y轴独立移动和构件绕A点转动。v结论：作平面运动的自由构件的自由度为结论：作平
7、面运动的自由构件的自由度为3。作平面运动的自由构件AB（如图）有几个自由度（即确定AB杆在oxy坐标平面内的位置需要哪几个独立参变量）？o ox xz zy y那么空间坐标系里有几个自由度？那么空间坐标系里有几个自由度？ 平面机构的每个活平面机构的每个活动构件在未构成运动副动构件在未构成运动副之前都有三个自由度。之前都有三个自由度。当两个构件直接接触组当两个构件直接接触组成运动副之后，它们的成运动副之后，它们的相对运动相对运动就受到限制，就受到限制，自由度随之减少。自由度随之减少。运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束。不同不同类型的运动副引入的约束数
8、不同。每引入一个约束类型的运动副引入的约束数不同。每引入一个约束,构件就减少一个自由度。而约束的数目及约束的特点构件就减少一个自由度。而约束的数目及约束的特点取决于运动副的具体形式。取决于运动副的具体形式。（3）运动副的分类：）运动副的分类：按引入的按引入的约束约束数分有：数分有：（约束约束（constrain)联接时相对运动所受到的限制）联接时相对运动所受到的限制）I级副级副球与平面接触II级副级副球与方槽接触III级副级副球与球腕接触I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。引入1个约束 引入2个约束 引入3个约束 引入4个约束 引入5个约束IV级副级副
9、V级副级副1V级副级副2V级副级副3两者关联 2 2）按两构件）按两构件接触的情况接触的情况，平面运动副常分为，平面运动副常分为低副、低副、高副高副两大类。两大类。 1 1、低副低副 两构件以两构件以面接触面接触而形成的而形成的运动副。运动副。 (1) (1) 转动副转动副：若组成运动副的两个构件只能在一个平面内：若组成运动副的两个构件只能在一个平面内做相对转动做相对转动, , 则称为则称为转动副转动副, , 也称也称铰链铰链。 (2) (2) 移动副移动副：若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移：若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移动动, , 则称为移动副。则称为移动副。 两构件中如有一个
10、构件固定不动两构件中如有一个构件固定不动, , 则称为则称为固定铰链固定铰链；二者均能转动，则称为二者均能转动，则称为活动铰链活动铰链。 平面运动副的分类平面运动副的分类(a)固定铰链转动副、移动副实例转动副、移动副实例转动副转动副移动副移动副平面运动平面运动低副面接触。2个约束，1个自由度。2.2.高副高副 两构件以点或线接触而构成的运两构件以点或线接触而构成的运动副动副。1 1个约束个约束，2 2个自由度。个自由度。凸轮副齿轮副两个以上构件通过运动副联接而成的系统闭链开链平面运动链空间运动链3、运动链闭链开链运动链ab闭链cd开链如如果果将将运运动动链链中中的的一一个个构构件件固固定定作作
11、为为参参考考系系，另另一一个个或或几几个个构构件件按按给给定定的的运运动动规规律律相相对对于于固固定定构构件件运运动动，若若其其余余构构件件都都具具有有确定运动时，运动链则成为机构。确定运动时，运动链则成为机构。机机构构中中固固定定不不动动的的构构件件称称为为机机架架，机机构构中中按按给给定定运运动动规规律律运运动动的的构构件件称称为为原原动动件件（或或称称为为主主动动件件），其其余余随随原原动动件件运运动动的的构构件称为件称为从动件。从动件。机构是由原动件、从动件和机架组成。机构机构运动链成为机构的条件：（1）选一构件为机架（固定）（2）确定原动件（一个或数个）（3）原动件运动时，从动件有确
12、定的运动。定义： 用用规定的符号和线条规定的符号和线条代表代表运动副和构件运动副和构件，并按一定比例尺并按一定比例尺(scale)表示各构件与表示各构件与运运动有关的尺寸动有关的尺寸及及相对位置相对位置的简明图形称的简明图形称为为机构运动简图。机构运动简图。1-3 1-3 平面机构运动简图平面机构运动简图有时仅为表明机构组成情况和机构类型，有时仅为表明机构组成情况和机构类型，可不严格按比例绘制机构运动简图，这样的可不严格按比例绘制机构运动简图，这样的简图称为简图称为机构运动示意图。机构运动示意图。v注意：机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性！常常用用平平面面运运动动副副表表示示法法齿轮副
13、凸轮副构件（杆）不管构件形状如何，简单线条表示，带短剖面线表示机架。转动副：移动副：运动副的符号构件和运动副简图表示带运动副元素的构件机构运动简图的绘制v1分析机构的运动。首先认清原动件和机架，然后从原动件起，逐个观察各构件的运动形式，以及相邻两构件的相对运动形式，从而确定运动副类型。v2确定视图平面。（即能充分反映机构的特性）v3选定绘图比例尺。v4从原动件起按规定的简图符号，逐个画出运动副和构件的位置，直至输出运动构件和机架。v5最后用箭头标出原动件的运动方向，运动副用英文字母A，B，C.标注，构件用数字1，2，3，.顺序编号。例例 试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图1
14、12 23 34 4ABC141223A14B12C2343 32 24 41 14内燃机运动简图例例 活塞泵活塞泵运动副？运动副？23451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。例题1 绘制如图所示的颚式破碎机主体机构的运动简图OACDFBE152346例：绘制鄂式破碎机的机构运动简图机构运动简图机构运动简图(3/6)例题二、图示为一冲床。绕固定中心例题二、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为原动件，与滑块为原动件，与滑块2在在B点铰接，滑块点铰接，滑块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转动，拨叉转动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘
15、为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆转动时，通过连杆5使冲头使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。冲床动画冲床动画ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：123456练习牛头刨床练习缝纫机练习缝纫机脚踏板例题：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图移动副平面低副平面低副转动副：构成运动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动。移动副：构成运动副的两构件只能沿某一轴线作相对移动。转动副线接触线接触点接触点接触平面高副平面高副圆柱副圆柱副球面副球面副球面与圆柱副球面与圆柱副螺旋副螺旋副圆柱与平面副圆柱与平面副原动件原动件传动部分传动部分执行部分执行部分1-2-3-4
16、-7-81-6-5-4-7-8工工作作原原理理1、分析机械的动作原理、组成情况和运动情况工作原理2、沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目转动副：偏心轮1和杆件2杆件2和杆件3杆件3和杆件4滑块7和压杆8槽凸轮6齿轮6和机座9杆件4和滚子5机座9和偏心轮1齿轮1移动副杆件3和机座9杆件4和滑块7压杆8和机座9高副齿轮1和齿轮6滚子5和槽凸轮61-4平面机构的自由度7/28/2024一、平面机构自由度1、定义、定义：机构中活动构件相对于机架所具有的独立机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目运动的数目称为称为机构中自由度机构中自由度。2、计算公式、计算公式设
17、某一平面机构，除机架外共有设某一平面机构，除机架外共有n个个活动构件。活动构件。通过通过PL个低副和个低副和PH个高副联接各构件。个高副联接各构件。n个活动个活动构件在未用运动副联接之前共具有构件在未用运动副联接之前共具有3n个自由度，个自由度，当用当用PL个低副和个低副和PH个高副联接之后，便受到个高副联接之后，便受到2PL+PH个约束。个约束。故机构自由度，应为活动构件自故机构自由度，应为活动构件自由度的总数与运动副引入的约束总数之差由度的总数与运动副引入的约束总数之差，即，即F=3n-2PL-PHvn个活动构件：自由度为个活动构件：自由度为3n。vPL个低副：个低副：限制限制2PL个自由
18、度个自由度vPH个高副：个高副：限制限制PH个自由度个自由度vF=3n-2PL-PH例题例题计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 3低副数低副数PL= 4F=3n2PLPH=3324=1高副数高副数PH= 0S3123例题例题计算五杆铰链机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F=3n2PLPH=3425=2高副数高副数PH=012341 1例题例题计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数PL=2F=3n2PLPH=32221=1高副数
19、高副数PH=1123F=3n- 2PL-PHF=3n- 2PL-PH =3*7-2*8-4 =3*7-2*8-4 =1 =1二二平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件BACDBAEDCCD二、机构具有确定运动的条件图a所示：n=2PL=3PH=0F=3n-2PL-PH=0各构件间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构图b所示n=3PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=-1已成为超静定桁架了，也不能成为机构。 如果同时使构件3 也成为原动件，则可以看出，运动链内部的运动关系将发生矛盾，最薄弱的构件将损坏 。说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可多于
20、运动链的自由度数。 图c所示n=3PL=4PH=0F=3n-2PL-PH=1 若取构件1为原动件，则构件1每转过一个角度，构件2和构件3便有一个确定的相对运动，也就是说这个运动链能成为机构。 如果只取构件1作为原动件，则其余三个活动构件2、3、4的运动不能确定，只能作无规则的运动。说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可少于运动链的自由度数。的数目不可少于运动链的自由度数。 图(d)所示n=4PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=2若同时取构件1和构件4作为原动件，构件2和构件3 具有确定的运动，即该运动链能成为机构。二、机构具有
21、确定运动的条件由上可知：由上可知：1）F0如原动件数大于机构自由度数如原动件数大于机构自由度数损坏损坏如原动件数小于机构自由度数如原动件数小于机构自由度数运动运动不确定不确定综上所述：综上所述：机构具有确定的运动条件是机构具有确定的运动条件是机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机机构自由度数大于零，且原动件的数目等于机构的自由度数目。构的自由度数目。讨论：F0：不能动。不能动。F 0原动件数原动件数自由度：运动不确定。自由度：运动不确定。原动件数原动件数自由度：机构不能动。自由度：机构不能动。原动件数原动件数=自由度：具有确定的运动。自由度：具有确定的运动。三、计算机构自由度的注意事项：三、
22、计算机构自由度的注意事项：1例例1 1：计算图示摇筛机构的自由度：计算图示摇筛机构的自由度： 计算是否正确？计算是否正确？摇筛机构中，构件摇筛机构中，构件2 2、3 3、4 4同在同在C C 处处组成转动副。因此此机构的自由度为：组成转动副。因此此机构的自由度为：摇筛机构摇筛机构摇筛机构摇筛机构C 处侧视图处侧视图1.复合铰链复合铰链机构自由度计算的注意事项：机构自由度计算的注意事项：解决问题的方法：解决问题的方法：若有若有K K个构件在个构件在同一处组成复合铰链，则其构同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（成的转动副数目应为（K K-1-1）个。）个。两个低副两个低副定义：定义：两个
23、以上构件在同一处以转动副相两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为连接，所构成的运动副称为复合铰链复合铰链。 1235678ACDEFCB4例题例题计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图示圆盘锯机构的自由度。在在B、C、D、E四处应各有四处应各有2个运动副。个运动副。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数PL=10F=3n2PLPH=372100=1BCDE12345678AF=37210=1n=7Pl=10机构自由度计算的注意事项：2v2.局部自由度局部自由度v计算机构自由度：计算机构自由度：(a) F=2(b) F=1图a F=3*3-2*3-1=2图b F=3*2-2*
24、2-1=1ab223A113局部自由度局部自由度 解决的方法：解决的方法：计算机构自由度时，设想将计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。一个构件。定义：定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与其若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为则称这种自由度为局部自由度局部自由度。局部自由度经常发生的场合：局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。滚珠。v3虚约束机
25、构自由度计算的注意事项：3解：解：n=4， PL=6，F=3n2PLPH=3426=0PH=0已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形计算图示平行四边形机构的自由度。机构的自由度。1234ABCDEFv3.虚约束虚约束(formalconstraint)对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约束。 FEABCD，故故增增加加构构件件4前前后后E点点的的轨轨迹都是圆弧，。迹都是圆弧，。增增加加的的约约束束不不起起作作用用，应去掉构件应去掉构件4。1234ABCDEF解决方法：解决方法：计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。重新计算：重新计算：n=3,PL=4
26、,PH=0F=3n2PLPH=3324=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4F已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形计算图示平行四边形机构的自由度。机构的自由度。ABCDEF虚约虚约束束1虚约束虚约束2机构自由度计算的注意事项3：3.虚约束 指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用。运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用。常见的虚约束：常见的虚约束：1. .两构件联接前后，联接点的轨迹重合两构件联接前后，联接点的轨迹
27、重合 将带入一个将带入一个虚约束。右图机构的自由度是：虚约束。右图机构的自由度是：F=3F=33-23-24=14=1 ，如平行四边形机构，火车轮、椭圆仪等。如平行四边形机构，火车轮、椭圆仪等。2.两个构件在各处接触构成多个移动副，且移动副方向彼此平行，只能算一个移动副。3.两个构件在多处配合构成多个转动副，且同轴，只能算一个转动副常见的虚约束：常见的虚约束：4.机构运动过程中，如果两构件上某两点之间的距离始终机构运动过程中，如果两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则若用双转动副杆将这两点相连，将带入一保持不变，则若用双转动副杆将这两点相连，将带入一个虚约束。个虚约束。v右图机构的自由度是：
28、右图机构的自由度是：F=33-24=1常见的虚约束：常见的虚约束：5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮机构的自由度F=33-23-2=1 常见的虚约束：常见的虚约束：v6.两构件在多处接触构成平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合，只能算一个平面高副如如等宽凸轮等宽凸轮W常见的虚约束：常见的虚约束：第三节 平面机构自由度的计算注意：法线不重合时，虚约束将变成实际约束！注意：法线不重合时，虚约束将变成实际约束！两个构件在多处接触构成平面高副，但各接触点的公法线方向并不彼此重合，将提供两个约束，即相当于两个平面高副或一个低副。n1n1n2n2AAAAn1
29、n1n2n2相当于一个移动副相当于一个转动副常见的虚约束：常见的虚约束：v7公共约束v图示为压力机中常用的斜面机构。当构件1为原动件时，试计算该机构的自由度F=？v由于活动构件1和2都只能作移动，共同失去了转动的可能性，也就是有了一个公共约束。这样在“自由状态”时各构件所具有的自由度不再是3，而是3-1=2。同理，原来组成移动副的约束中有一个同公共约束相重复，因此此机构中的每个运动副只引入一个约束。这样计算此斜面机构的自由度公式应为:vF=(3-1)n-(2-1)PL=2n-PL=22-3=1.虚约束的作用v采用虚约束是为了改善构件的受力情况；如多个行星轮。v增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导
30、轨。v使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮注意：注意：机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。变成有效约束，而使机构不能运动。平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式F3n- (2Pl+ Ph -P)- FF F 局部自由度数局部自由度数 P PH H 高副数高副数n n 活动构件数活动构件数 P P 虚约束数虚约束数 P PL L 低副数低副数 F F 局部自由度局部自由度数数机械设计基础例: 计算图示机构的自由度,并对有关特殊问题进行指明
31、.F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 = =791 2局部自由度局部自由度虚约束虚约束复合铰复合铰链链F F 3n3n 2P2PL L P PH H+ + P P - - F F 3 3 2 2 + - + - 7911局例例4 4例例2 21234567801F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例题例题计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：分析：活动构件数活动构件数n：A1B2I9C 3J6H87DE4FG592个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度 2个个虚约束虚约束: 1处
32、处I8F F F F3n- (2P3n- (2P3n- (2P3n- (2Pl l l l+ P+ P+ P+ Ph h h h -P-P-P-P ) ) ) )- - - - F F F F = = = = 39 （211 +3-1）-2=1B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例题例题计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：分析：活动构件数活动构件数n：A1B2I9C 3J6H87DE4FG592个个低副低副复合铰链复合铰链:局部自由度局部自由度 2个个虚约束虚约束: 1处处I8去去掉掉局局部部自自由由度度和和虚约束后：虚约束后：n=6PL= 7F=3n2P
33、LPH=36273=1PH=3或或F=3n2PlPh=37292=1F=3n2PlPh-F=382102-1=1局部自由度复合铰链虚约束n=10 Pl=14 Ph=1P=1题题1F=1例题例题2局部自由度复合铰链虚约束n=9 Pl=12 Ph=2F=1典型例题典型例题在下图所示机构中，构件在下图所示机构中，构件AB,EF,CD相互平相互平行且相等，试计算该机构的自由度。行且相等，试计算该机构的自由度。分析：注意机构中的分析：注意机构中的复复合铰链合铰链、局部自由度局部自由度及及虚约束虚约束。解：去掉机构中的局部自解：去掉机构中的局部自由度和虚约束，则：由度和虚约束，则：1-5 平面机构的组成原
34、理和结构分析1平面机构的组成原理平面机构的组成原理2平面机构的结构分析平面机构的结构分析3平面机构的高副低代平面机构的高副低代1平面机构的组成原理v杆组及其类型杆组及其类型任何机构都含有原动件、机架和从动件系统三部分。通常每个原动件具有一个自由度，且原动件数与机构自由度数相等，因此，除原动件和机架外的从动件系统的自由度必为零。v从动件系统就是运动链。它还可以再分解成若干自由度为零的最简单的自由度为零的最简单的（不可再分解的）组合称为杆组杆组。v杆组是组成机构的最小结构单元。显然不同类型的杆组组成了不同的机构。v下图为六杆机构。原动件1由电动机带动绕A转动。如果将原动件1和机架“分离”出来，那么
35、剩余的为从动件系统。27机构的组成原理及其结构分类机构的组成原理及其结构分类一、机构的组成原理一、机构的组成原理a)原动件作移动原动件作移动(如直线电机、如直线电机、流体压力作动筒流体压力作动筒)。21b)原动件作转动原动件作转动(如电动机如电动机)。211.1.基本机构基本机构由一个原动件和一个机架组成的由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。双杆机构。2.2.基本杆组基本杆组定义：最简单的定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。的构件组，称为基本杆组。机构具有确定运动的条件：原动件数自由度。机构具有确定运动的条件：原动件数自由度。F=1F=0现设想将机构中的原动件和机架分离出来，则原动件与
36、现设想将机构中的原动件和机架分离出来，则原动件与机架构成了机架构成了基本机构基本机构，其，其F1。剩下的构件组必有剩下的构件组必有F0。将构件组继续拆分成更简单将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再的构件组，直到不能再拆为止。拆为止。举例：举例：将图示八杆机构拆分成将图示八杆机构拆分成基本机构基本机构和和基本杆组基本杆组。71324568推论：推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。基础上，依次添加若干个杆组所形成的。机构的组成原理：机构的组成原理：机构基本机构基本杆组机构基本机构基本杆组组组成成杆杆组
37、组的的构构件件数数和和运运动动副副数数应应满满足足什什么么关关系系才才能能使使杆组的自由度为零？杆组的自由度为零？结论：结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该八杆机构。构成了该八杆机构。二、结构分类二、结构分类设基本杆组中有设基本杆组中有n个构件，则由条件个构件，则由条件F0有：有：F3n2PLPh0PL3n/2(低副机构中低副机构中Ph0) PL 为整数，为整数， n n只能取偶数。只能取偶数。 n n 2 4 n4 2 4 n4 已无实例了已无实例了! !
38、PL36 n=2的的杆杆组组称称为为级级组组最最简简单单的的杆杆组组由由n=2，PL=3组组成成，此此类类杆杆组组中中每每个个构构件件都都与与两两个个低低副副相相联联，故故称称为为级级杆杆组组，简简称称级级组组。应应用用最最广广而而又又最最简简单单的基本杆组。共有的基本杆组。共有 5 5 种类型种类型 n=4（PL6 6）的杆组有以下四种类型的杆组有以下四种类型: :以以上上三三种种形形式式称称为为级级组组。结结构构特特点点：其其中中一一个个构构件件有三个运动副。有三个运动副。典型典型级组：级组：第四种形式称为第四种形式称为IVIV级组。级组。结构特点：结构特点：有两个三副杆，且有两个三副杆，
39、且4个构件构成四边形结构。个构件构成四边形结构。内端副内端副杆组内部相联。杆组内部相联。外端副外端副与组外构件相联。与组外构件相联。机构命名方式：机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构，级机构等。级机构等。必须强调指出：必须强调指出：1.杆杆组组的的各各个个外外端端副副不不可可以以同同时时加加在在同同一一个个构构件件上上，否则将成为刚体。如：否则将成为刚体。如：2.机构的级别与原动件的选择有关。机构的级别与原动件的选择有关。举例：举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。71324568级级机机构构或或级机构
40、级机构级机构级机构71324568以以构构件件6 6、7 7为为原原动动件件vv在同一机构中往往包含有不同级别的基本杆组。由在同一机构中往往包含有不同级别的基本杆组。由最高级别为最高级别为级基本杆组所构成的机构称为级基本杆组所构成的机构称为级机级机构构。vv由最高级别为由最高级别为级基本杆组所构成的机构称为级基本杆组所构成的机构称为级级机构机构。vv而把只由机架和原动件所构成的机构（如杠杆机构、而把只由机架和原动件所构成的机构（如杠杆机构、斜面机构等）称为斜面机构等）称为级机构级机构。 1-5 平面机构的组成原理和结构分析1平面机构的组成原理平面机构的组成原理2平面机构的结构分析平面机构的结构
41、分析（即拆杆组即拆杆组）3平面机构的高副低代平面机构的高副低代三、三、对机构进行组成分析对机构进行组成分析就是将给定的机构分解为机架、原动就是将给定的机构分解为机架、原动件和杆组，并由此确定机构的级别。它与机构的组成过程恰好件和杆组，并由此确定机构的级别。它与机构的组成过程恰好相反。对机构进行组成分析、相反。对机构进行组成分析、拆杆组的步骤和要领为：拆杆组的步骤和要领为：1、计算机构的自由度，确定原动件。计算机构的自由度，确定原动件。2、从从远离原动件远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆的地方开始拆杆组。先试拆II级组，级组，当不可能时再试拆当不可能时再试拆III级组。（级组。（若这个自由度为若
42、这个自由度为若这个自由度为若这个自由度为 00的的的的构件组还可以继续拆分下去，则拆分到构件数最少的构件组还可以继续拆分下去，则拆分到构件数最少的构件组还可以继续拆分下去，则拆分到构件数最少的构件组还可以继续拆分下去，则拆分到构件数最少的自由度为自由度为自由度为自由度为 00的构件组为止。的构件组为止。的构件组为止。的构件组为止。）但应但应注意注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出，只剩下只剩下I级机构（基本机构）。级机构（基本机构）。3在拆分基本杆组时，各个运动副的
43、在拆分基本杆组时，各个运动副的符号只能出现一次，且在原动件上符号只能出现一次，且在原动件上与基本杆组的连接端不能带有运动与基本杆组的连接端不能带有运动副。副。4在连接时，同一基本杆组上的多个在连接时，同一基本杆组上的多个外接运动副不能与另一基本杆组上外接运动副不能与另一基本杆组上的同一构件相连。否则，就不符合的同一构件相连。否则，就不符合机构的组成原理。机构的组成原理。对下面机构进行结构分析对下面机构进行结构分析对下面机构进行结构分析（杆组拆分）对下面机构进行结构分析（杆组拆分）注意v只对只对低副机构低副机构进行结构分析（拆杆组）进行结构分析（拆杆组）1-5 平面机构的组成原理和结构分析1平面
44、机构的组成原理平面机构的组成原理2平面机构的结构分析平面机构的结构分析（即拆杆组即拆杆组）3平面机构的高副低代平面机构的高副低代v为了便于对含有高副的平面机构进行结构为了便于对含有高副的平面机构进行结构分析，将机构中的高副根据一定的条件用一分析，将机构中的高副根据一定的条件用一种种虚拟的低副和构件虚拟的低副和构件的适当组合来代替。的适当组合来代替。高高副低代是瞬时替代。副低代是瞬时替代。高副低代的替代条件高副低代的替代条件（1）替代前后机构的自由度不变）替代前后机构的自由度不变（2）高副低代前后机构的瞬时运动特性）高副低代前后机构的瞬时运动特性（速度、加速度）不变（速度、加速度）不变平面机构的
45、高副低代高副低代的方法：高副低代的方法：用用一个含有两个低副的一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且虚拟构件来代替高副，且两低副位置分两低副位置分别别在两高副两元素接触点处的曲率中心。在两高副两元素接触点处的曲率中心。高高副副两两元元素素均均为为圆圆弧弧nn4永永久久代代替替思考：思考：能否直接用能否直接用一个低副代换一个一个低副代换一个高副？为什么？高副？为什么？为使原高副机构为使原高副机构的自由度不变，的自由度不变，必须用一个构件必须用一个构件和两个低副来代和两个低副来代换一个高副。换一个高副。接触点的法线上找出两曲线接触处的曲率中心K1、K2，用铰链四杆机构O1K1K2O2来瞬时代替原
46、高副机构。高高副副元元素素为为非非圆圆曲曲线线这里的关这里的关键问题是键问题是该取多长该取多长的杆才能的杆才能保证机构保证机构瞬时运动瞬时运动不变？不变？高副低代的瞬时性高副低代的瞬时性v 由两任意曲线接触的高副，不同瞬时接触由两任意曲线接触的高副，不同瞬时接触点的两曲率半径不同，虽然都可以用一个虚点的两曲率半径不同，虽然都可以用一个虚拟构件和两个低副代换，但虚拟构件的长度拟构件和两个低副代换，但虚拟构件的长度随接触随接触C C的位置不同而不同，因此低副代换具的位置不同而不同，因此低副代换具有有瞬时性瞬时性。 当两高副元素一为直线时当两高副元素一为直线时，直线的曲率中，直线的曲率中心趋于无穷远
47、，该转动副演化为移动副。心趋于无穷远，该转动副演化为移动副。为了满足高副低化的为了满足高副低化的条件，必须正确地确条件，必须正确地确定机构在瞬时高副接定机构在瞬时高副接触点处两曲线的曲率触点处两曲线的曲率中心位置。显然曲率中心位置。显然曲率中心的位置同曲线的中心的位置同曲线的几何形状有关。几何形状有关。 当两高副元素之一为一点时，其曲率半径为零，该转动副就在该点处。两高副元素分别为直线和点。高副元素曲线和曲线曲线和直线曲线和点点和直线高副机构瞬时替代机构常见高副低代类型常见高副低代类型本章重点：本章重点：机构运动简图的测绘方法。机构运动简图的测绘方法。自由度的计算。自由度的计算。机构的组成原理
48、和结构分析。机构的组成原理和结构分析。v本章结束试对图示机构进行结构分析。高副高副低代低代拆拆级级杆组杆组56cB56cBA拆拆级级杆组杆组3BG456cBA3BG4拆拆级级杆组杆组原动件原动件与机架与机架此机构为此机构为级机构级机构1、机构中原动件的数目小于机构的自由度数时，则此机构( )。A.具有确定的相对运动 B. 只能作有限的相对运动C. 运动不能确定 D. 不能运动2、平面机构中若引入一个高副将带入( )个约束，而引入一个低副将带入( )个约束。约束数与自由度数的关系是( )。3、两个做平面平行运动的构件之间为( )接触的运动副称为低副；而为( )或( )接触的运动副称为高副。4、机
49、构具有确定运动的条件是什么？5、机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图？6、何谓构件自由度和运动副的约束？7、在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？复习思考题复习思考题1、画出图示平面机构的运动简图，并计算其自由度。习题习题（a）(b)(c)2、一简易冲床的初拟设计方案如图。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A连续回转；而固装在轴A上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其运动是否确定，并提出修改措施。 (a)(b)(c)3、计算图示平面机构的自由度4、计算图示平面机构的自由度，判断机构运动是否确定。机构中的原动件用圆弧箭头表示。
50、(a)(b)(c)内燃机及其机构运动简图内燃机及其机构运动简图F3n(2plph)3627 31v基本杆组不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为组成机构的基本杆组。v机构的组成原理任何机构都可以看做是有若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成。自由度为自由度为F的机构的机构=F个主动杆个主动杆+1个自由度为个自由度为0的机架的机架+若干个自由度为若干个自由度为0的基本杆组的基本杆组v杆组若基本杆组的构件数为n，低副数为PL由F3n2PL0，得3n2PL故n246PL369级级杆杆组组级级杆杆组组机构的级别取机构的级别取决于其所含基决于其所含基本杆组中的最本杆组中的最高级别高级别 如如级机
51、构级机构八杆机构的组成八杆机构的组成v注意：杆组的全部外接运动副不能都并接到一个构件上，因为这种并接会使杆组与被并接件形成桁架，如图所示，起不到增加杆组的作用。v平面机构的结构分析将已知的机构分解为原动件、机架和基本杆组，并确定机构的级别。机构分析的目的了解机构的组成，确定机构的级别。机构分析的过程把机构分解为基本杆组、机架和原动件。v机构结构分析步骤：1）计算自由度，确定原动件。2）除去虚约束和局部自由度，进行高副低代。3）从远离原动件的构件开始，先试拆级杆组，如不行再试拆级杆组。当拆去一个杆组后，按上述顺序重复进行，直到只剩下机架和原动件为止。4）确定机构的级别。注意：杆组的增减不应改变机
52、构的自由度。举例举例常见常见级杆组级杆组常见常见级杆组级杆组常见常见级杆组级杆组v机构自由度计算中有关虚约束的识别。首先要正确掌握虚约束的概念。两个构件形成运动副将引入约束，会对构件的自由度产生限制。如果引入的约束所限制的自由度，已被其它约束限制，则该约束就是虚约束。掌握机构中虚约束常出现的几种情况。当两个构件形成多个移动副，导路又互相平行，或两构件构成多个转动副。而轴线互相重合时，将出现虚约束的情况。要注意是两个构件形成的。本章难点平面机构的高副低代概念：概念：用低副代替高副用低副代替高副目的：目的：为了使平面低副机构结构分析和运动分为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的
53、平面机构。析的方法适用于含有高副的平面机构。高副低代必须满足的条件：高副低代必须满足的条件：1.1.替代前后机构自由度不变替代前后机构自由度不变2.2.替代前后瞬时速度、加速度不变替代前后瞬时速度、加速度不变方法：用两个转动副和一个方法：用两个转动副和一个构件来代替一个高副，这两构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两轮个转动副分别处在高副两轮廓接触点的曲率中心。廓接触点的曲率中心。注意：对于一般的高副机注意：对于一般的高副机构，在不同位置有不同的构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。经高副低瞬时替代机构。经高副低代后的平面机构，可视为代后的平面机构，可视为平面低副机构。平面低副机构。请高
54、副低代下图所示的机构。请高副低代下图所示的机构。二、平面机构组成原理任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。1.杆组（阿苏尔组）不可再分的自由度为零的构件组合称为基本杆组，简称杆组。若杆组中有n个活动构件、pL个低副，则有： pL和n必须为整数。II级杆组：不包含封闭多边形、只包含两副构件的杆组。III级杆组:包含具有三个运动副元素的刚性构件(或三个构件组成的三角形)的杆组称为级组。包含四个构件组成的四边形的杆组称为级组；其余依此类推。级级组组级组级组机构的级别由杆组的最高级别决
55、定。2.机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等。观察八杆机构的组成过程：观察八杆机构的组成过程：三、机构的结构分析机构的结构分析机构的结构分析就是将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。拆杆组时应遵循的原则：（1）从远离原动件的构件开始拆组；（2）试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组；（3）每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的机构。（流程图）I级机构：由一个原动件和一个相对固定的机架所组成的机构。 注意事项：同一个运动链，当原动件更换时，机构的级别也有可能改变。例题例题：
56、试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下列试计算图示冲压机构的自由度，并分析在下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1 1）当以构件）当以构件1 1为原动件时；为原动件时；（2 2）当以构件）当以构件6 6为原动件时。为原动件时。解：（1）机构的自由度计算：（2 2）分析当构件）分析当构件1 1作为原动件时机构的组成情况。首先从传作为原动件时机构的组成情况。首先从传动路线上离原动件最远的构件动路线上离原动件最远的构件4 4开始拆杆组，先拆下由构件开始拆杆组，先拆下由构件4 4，5 5和转动副和转动副K，L，M组成的组成的级杆组，接着依次拆下级杆组，接着
57、依次拆下3 3个个级杆组：构件级杆组：构件6 6，7 7和转动副和转动副J，I，H；构件；构件8 8，9 9和转动副和转动副C，F，G；构件；构件2 2，3 3和转动副和转动副B，D及移动副及移动副E E；最后剩下由原动；最后剩下由原动件件1 1和机架和机架1010组成的组成的级机构，如图级机构，如图b所示。由于组成该机构所示。由于组成该机构的基本杆组的最高级别是的基本杆组的最高级别是级杆组，故该机构为级杆组，故该机构为级机构。级机构。（3）分析当构件）分析当构件6为原动件时为原动件时机构的组成情况。首先从传动机构的组成情况。首先从传动路线上离原动件最远的构件路线上离原动件最远的构件3（冲头）
58、开始试拆杆组。先（冲头）开始试拆杆组。先试拆试拆级组。从图中可以看出，级组。从图中可以看出，如果拆除构件如果拆除构件3 3，2 2、移动副、移动副E、转动副转动副D和转动副和转动副B，则构件，则构件1 1和转动副和转动副C均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整均会失去联接对象，导致剩余部分不再是一个完整机构；如果拆除构件机构；如果拆除构件3 3，2 2、移动副、移动副E E、转动副、转动副D和转动副和转动副C，则，则构件构件9 9和转动副和转动副B B也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是也均会失去联接对象，导致剩余部分也不再是一个完整机构。因此试拆一个完整机构。因此试拆级杆组失败。再
59、试拆级杆组失败。再试拆级杆组，即级杆组，即拆除构件拆除构件3 3，2 2，1 1，9 9，移动副，移动副E和五个转动副，由于剩余部分和五个转动副，由于剩余部分仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个仍是一个完整机构，故拆除成功。然后再依次拆除两个级杆级杆组：构件组：构件7 7，8 8和转动副和转动副G，H，I；构件；构件4 4，5 5和转动副和转动副K，L，M。最后剩下由原动件最后剩下由原动件6 6和机架组成的和机架组成的级机构，如图级机构，如图c所示。由于所示。由于组成的机构的基本杆组的最高级别为组成的机构的基本杆组的最高级别为级组，故该机构为级组，故该机构为级级杆组。杆组。机构运动简图的绘制1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；2）确定所有运动副的类型和数目；3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；4）确定比例尺；5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）
