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1、第第1章章 机构的组成和结构机构的组成和结构1.1 机构的组成机构的组成 1.1.1 构件构件机构：具有确定运动的实物组合体机构：具有确定运动的实物组合体构件：构件：独立影响机构功能，且能独独立影响机构功能，且能独立运动的单元体立运动的单元体零件：零件：单独加工的制造单元体单独加工的制造单元体 一个构件一个构件:1)一个零件一个零件 2)多个零件多个零件1.1.2 运动副运动副运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接两个相邻构件直接接触两个相邻构件直接接触两者之间允许一定的相对运动两者之间允许一定的相对运动机构中每个构件至少与另外一个构件通过运动
2、副联接机构中每个构件至少与另外一个构件通过运动副联接运动副元素：运动副元素： 两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面）两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面）接触形式：点、线、面接触形式：点、线、面自由度：自由度：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目自由构件自由构件(空间空间)：F = 6自由构件自由构件(平面平面)：F = 3运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。一个运动副引入多少约束？取决于运动副类型。一个运动副引入多少约束？取决于运动副
3、类型。约束：约束：运动副对构件独立运动所加的限制。运动副对构件独立运动所加的限制。运动副的分类方法：运动副的分类方法：1 按照运动副的相对运动形式分类按照运动副的相对运动形式分类平面运动副、空间运动副平面运动副、空间运动副2 按照运动副的接触形式分类按照运动副的接触形式分类低副（面面）、高副（点线）低副（面面）、高副（点线）4 按照运动副接触部分的几何形状分类按照运动副接触部分的几何形状分类圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副等圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副等3 按照运动副引入的约束数目分类按照运动副引入的约束数目分类n 级副级副n = 1, 2 5p按接触部
4、分的几何形状分类：按接触部分的几何形状分类：p按接触形式分类：按接触形式分类：p按引入的约束数目分类：按引入的约束数目分类：p按相对运动形式分类：按相对运动形式分类： 平面运动副平面运动副低副低副转动副转动副五级副五级副RPp按接触部分的几何形状分类：按接触部分的几何形状分类：p按接触形式分类：按接触形式分类：p按引入的约束数目分类：按引入的约束数目分类：p按相对运动形式分类：按相对运动形式分类： 平面运动副平面运动副低副低副移动副移动副五级副五级副?p按接触形式分类：按接触形式分类：p按引入的约束数目分类：按引入的约束数目分类：p按相对运动形式分类：按相对运动形式分类：p按接触部分的几何形状
5、分类：按接触部分的几何形状分类：平面运动副平面运动副高副高副平面高副平面高副四级副四级副1.1.3 运动链运动链运动链：运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统n开式运动链（开链开式运动链（开链）n运动链的各构件未构成首末封闭系统运动链的各构件未构成首末封闭系统n 闭式运动链（闭链闭式运动链（闭链）n 运动链的各构件构成首末封闭的系运动链的各构件构成首末封闭的系统统1.1.4 机构机构机机 构：构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，
6、如果运动链个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。机构是具有确定运动的运动链机构是具有确定运动的运动链。机架机架原动件原动件从动件从动件低副机构低副机构高副机构高副机构v 闭式链机构闭式链机构v 开式链机构开式链机构思考题：思考题：何谓何谓“零件零件”和和“构件构件”?试举例说明其区别。试举例说明其区别。“构件是由多个零件组成的构件是由多个零件组成的”，“一个零件不能成为一个零件不能成为构件构件”的说法是否正确的说法是否正确? 构件和零件的本质区别是什么构件和零件的本
7、质区别是什么?何谓何谓“运动副运动副”? 满足什么条件两个构件间才能构成运满足什么条件两个构件间才能构成运动副动副?何谓何谓“运动链运动链”? 具备什么条件，运动链才具有运动的具备什么条件，运动链才具有运动的可能性可能性? 具备什么条件后才具有运动的确定性具备什么条件后才具有运动的确定性? 具备什具备什么条件，运动链才能成为机构么条件，运动链才能成为机构?如何简要的表达设计思想和运动特性？绘制机构运动简图绘制机构运动简图1.2 机构运动简图机构运动简图 用国标规定的简单符号和线条代表用国标规定的简单符号和线条代表运动副运动副和和构件构件，并按一定，并按一定比例比例尺尺表示表示机构的运动尺寸机构
8、的运动尺寸，绘制出表示，绘制出表示机构的简明图形机构的简明图形。机构运动简图机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。与原机械具有完全相同运动特性。功用：功用：用于现有机械的分析用于现有机械的分析用于新机械原理方案的设计用于新机械原理方案的设计机构示意图机构示意图:不严格按比例绘制的机构简图不严格按比例绘制的机构简图1.2.1 构件与运动副的表达方法构件与运动副的表达方法机架机架机架和活动构件通过转动副联接机架和活动构件通过转动副联接 (内副内副)机架和活动构件通过移动副联接机架和活动构件通过移动副联接两个活动构件联接两个活动构件联接双副构件双副构件(一个构件和两个外副一个构件和两个外副)注：
9、点划线表示与其联接的其他构件注：点划线表示与其联接的其他构件三副构件三副构件(一个构件和三个外副一个构件和三个外副)原动机原动机偏心轮偏心轮AB12BA21构件构件1与机架：转动副与机架：转动副A构件构件1与构件与构件2：转动副：转动副B扩大运动副尺寸扩大运动副尺寸偏心轮机构偏心轮机构1.2.2 运动简图的绘制运动简图的绘制 1. 分析整个机构的工作原理分析整个机构的工作原理构件构件2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动 关系，确定运动副的类型和数目关系，确定运动副的类型和数目运动副运动副3. 选择适当的视图平面选择适当的视图平面4. 选择比例尺
10、，采用选择比例尺，采用标准的标准的符号和线条符号和线条绘图绘图1.2.2 运动简图的绘制运动简图的绘制小型压力机小型压力机编号原则：编号原则：注意区分位置重叠的不注意区分位置重叠的不同构件和同轴刚性联接的多个零件。同构件和同轴刚性联接的多个零件。前者分别编号，后者采用一个编号，前者分别编号，后者采用一个编号，加加 以示区别。以示区别。 1. 分析整个机构的工作原理分析整个机构的工作原理机构组成机构组成动作原理和运动情况动作原理和运动情况偏心轮偏心轮1 齿轮齿轮1 杆件杆件2 齿轮齿轮6 杆件杆件3 槽凸轮槽凸轮6 杆件杆件4 滑块滑块7 压头压头8原动件原动件执行构件执行构件2. 沿着传动路线
11、，分析相沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。确定运动副的类型和数目。转动副转动副移动副移动副平面高副平面高副3. 选择适当的视图平面选择适当的视图平面 选择原则选择原则1 1 清楚表达机构的主体部分；清楚表达机构的主体部分；2 2 尽可能反映机构的全面运动；尽可能反映机构的全面运动；3 3 可以选择其他视图平面作为补充。可以选择其他视图平面作为补充。4. 绘图绘图p选择机架选择机架p提取构件的运动尺寸提取构件的运动尺寸p确定比例尺确定比例尺p选择机构运动中的一个状态选择机构运动中的一个状态p确定各运动副位置，绘图确定各运动副位置，绘图
12、p编号：编号：A、B、C 表示运动副表示运动副 1、2、3 表示构件表示构件 O1、O2表示固定转轴表示固定转轴p 标注原动件运动方向标注原动件运动方向思考题：思考题：1. 机构运动简图有什么用途？它着重表达机构的哪些特征机构运动简图有什么用途？它着重表达机构的哪些特征？2. 绘制机构运动简图的步骤是什么？应注意哪些事项绘制机构运动简图的步骤是什么？应注意哪些事项?1.3 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件 运动链的自由度：运动链的自由度：确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需要确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需要的独立参变量的数目。的独立参变量的数目。 运动链自由度
13、计算的一般公式：运动链自由度计算的一般公式： F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 P1n个活动构件，在无约束的空间有个活动构件，在无约束的空间有6n个自由度个自由度1.3.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算Pk 个个 k （K=1,2,3,4,5）级副，共引入级副，共引入5P5 4P4 3P3 2P2 P1约束约束机架机架1和活塞和活塞2：圆柱副（：圆柱副（4级副）级副）活塞活塞2和连杆和连杆3：转动副（：转动副（5级副）级副）连杆连杆3和摇杆和摇杆4：球面副（：球面副（3级副）级副）摇杆摇杆4和机架和机架1：转动副（：转动副（5级副）级副）自动驾驶仪操作装置自
14、动驾驶仪操作装置1.3.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算2314构件数目：构件数目：N = 4活动构件数目：活动构件数目：n = 3运动副：运动副：P3 = 1 P4 = 1 P5 = 2F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 P1 = 63524131 = 11.3.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算具有公共约束数为具有公共约束数为q运动链的自由度：运动链的自由度： 平面运动链的公共约束平面运动链的公共约束q=3，则其自由度：，则其自由度： F = 3n - 2P5 - P4K运动副的级别运动副的级别公共约束作用下的运动链自由度公共约束作用下的运动链自由度
15、12345P4 = 1 P5 = 5n = 4F = 3n - 2P5 P4 = 34 25 1 = 11.3.1 运动链的自由度计算运动链的自由度计算例：平面运动链例：平面运动链1.3.2 运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件：运动链成为机构的条件： 取一个构件相对固定作为机架，取一个构件相对固定作为机架，1)运动链相对于机架的自由度必须大于零；运动链相对于机架的自由度必须大于零；2)原动件数目等于运动链自由度数。原动件数目等于运动链自由度数。 满足此条件的运动链即成为机构。满足此条件的运动链即成为机构。机构自由度的计算可采用运动链自由度的计算公式。机构自由度的计算可
16、采用运动链自由度的计算公式。机构：机构：在运动链中将某一个构件固定，让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件在运动链中将某一个构件固定，让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。1.3.2 运动链成为机构的条件（举例运动链成为机构的条件（举例1）Fa = 32 - 23 = 0Fb = 33 - 25 = -1F 0 运动链不能运动，不成为机构运动链不能运动，不成为机构 F = 34 - 25 = 2F 0，但原动件数目小但原动件数目小于自由度数目，
17、运动链于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为运动不确定，不能成为机构。机构。 F = 33 - 24 = 12 个原动件个原动件F 0，但原动件数目大于但原动件数目大于自由度数目，运动链被破自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。坏，不能成为机构。F 0，原动件数目等于原动件数目等于自由度数目，运动链是自由度数目，运动链是机构。机构。 F = 1 1 个原动件：活塞个原动件：活塞 实现摇杆的往复摆动实现摇杆的往复摆动 F = 1 1 个原动件个原动件运动链已成为机构运动链已成为机构1.3.2 运动链成为机构的条件（举例运动链成为机构的条件（举例2）1.3.3 计算机构自由度时应注意的问题计算
18、机构自由度时应注意的问题 问题问题1：复合铰链复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。联接所构成的运动副。解决方案解决方案k 个构件在同一处构成复合铰链，个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了实际上构成了 ( k-1 ) 个转动副。个转动副。 F = 3n - 2P5 P4 = 35 - 27 = 1解决方案解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度或在计算结果中去除局部自由度 问题问题2：局部自由度局部自由度
19、某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。 F = 33 - 23-11 = 2 F = 3n - 2P5 P4 = 32 - 22-11 = 1 问题问题3：虚约束虚约束 在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。不起独立限制作用的重复约束称为虚约
20、束。场合一：两个构件之间形成多个运动副场合一：两个构件之间形成多个运动副 F = 31 - 22 = -1 解决方案解决方案计算自由度时，不考虑虚约束的作用，假定：计算自由度时，不考虑虚约束的作用，假定：两个构件之间只形成一个运动副两个构件之间只形成一个运动副 F = 31 - 21 = 1等宽凸轮机构等宽凸轮机构两构件组成的多个平面高副，各接触点之间的距离为常数场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变5EF F = 31 - 22 = -1 AB CD AF DE点点E、F距离在运动过程中始终不变距离在运动过程中始终不变 杆式联轴器杆式
21、联轴器AB场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合 F = 31 - 22 = -1场合四：机构中存在不起作用的场合四：机构中存在不起作用的对称部分对称部分为了传递较大功率，保持机构受力为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分平衡，在机构中增加对称部分 虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率等需求；增大传递功率等需求； 计算自由度时，不考虑虚约束的作用；计算自由度时，不考虑虚约束的作用； 虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果
22、这些条件被破坏，将转化了实结构条件，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；约束，影响机构运动； 虚约束问题小结：虚约束问题小结：如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确保满足虚约束存在的条件。确保满足虚约束存在的条件。例：计算图示机构自由度例：计算图示机构自由度复合铰链？复合铰链？局部自由度？局部自由度？虚约束？虚约束？n = 7 P4 = 1 P5 = 9F = 37 - 29 1 = 2思考题：思考题：1. 运动链成为机构的条件是什么运动链成为机构的条件是什么?2. 当一个运动链中的原动件数目与其自由度数目当一个
23、运动链中的原动件数目与其自由度数目不一致时，会出现什么情况？不一致时，会出现什么情况？3. 计算机构自由度时应注意哪些事项计算机构自由度时应注意哪些事项?构件构件 + 运动副运动副 运动链运动链 机构机构1.4 机构的组成原理和结构分析机构的组成原理和结构分析 机架机架原动件原动件从动件组合从动件组合F = 0基本杆组：基本杆组：最简单的不可再拆的自由度最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，简称为杆组。为零的构件组，简称为杆组。 平面低副杆组自由度平面低副杆组自由度 ： F = 3n - 2P5 = 0P5 = 3n/2 n 只能取偶数！若干个基本杆组若干个基本杆组1.4.1 机构的组成原理机
24、构的组成原理n = 2 P5 = 3 级杆组（双杆组）级杆组（双杆组）P5 = n32n = 4 P5 = 6 级杆组级杆组三副构件三副构件3个双副构件个双副构件P5 = n321.4.1 机构的组成原理机构的组成原理机构的组成原理：机构的组成原理：若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和机架上构成机构；机构的自由度等于原动件的数目。机架上构成机构；机构的自由度等于原动件的数目。机构机构机架机架原动件原动件若干基本杆组若干基本杆组机架和原动件机架和原动件级杆组级杆组 级杆组级杆组四杆机构四杆机构八八杆杆机机构构新机构设计新机构设计：增加基本杆组。
25、：增加基本杆组。 原则原则：在满足相同工作要求的前提下，：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。越好，运动副数目越少越好。1.4.2 机构的结构分析机构的结构分析 机构的结构分析机构的结构分析是指把机构分解为基本杆组、原动件是指把机构分解为基本杆组、原动件和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。和机架，是机构组成的反过程，又称为拆杆组。机构的结构分析原则：机构的结构分析原则： 首先，从传动关系上远离原动件的部分开始拆分首先，从传动关系上远离原动件的部分开始拆分 每拆完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构每拆
26、完一个杆组，剩余的部分仍然是一个完整机构试拆时，先试拆低级别杆组，如试拆时，先试拆低级别杆组，如II级杆组级杆组1.4.2 机构的结构分析机构的结构分析I 级机构II 级机构III 级机构机构的命名：机构的命名： 以机构中所包含的基本杆组的最高级别以机构中所包含的基本杆组的最高级别原动件不同，机构原动件不同，机构的级别也有可能不同的级别也有可能不同1.4.3 平面机构的高副低代平面机构的高副低代 根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，根据一定的条件对平面机构中的高副虚拟地用低副来替代，这种以低副代替高副的方法称为这种以低副代替高副的方法称为高副低代高副低代。条件一：代替前后机构的
27、自由度不变条件一：代替前后机构的自由度不变 F = 31 - 22 = -1条件二：代替前后机构的瞬时速度和加速度不变条件二：代替前后机构的瞬时速度和加速度不变两个高副元素均为圆弧两个高副元素均为圆弧AO1、BO、OO1均保持不变均保持不变瞬时替代机构瞬时替代机构机构的结构分析流程例：机构的结构分析例：机构的结构分析高副低代高副低代本章重点本章重点机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制运动链（机构）自由度计算运动链（机构）自由度计算运动链成为机构的判断运动链成为机构的判断基本杆组及机构组成原理基本杆组及机构组成原理参考资料参考资料1. 不同条件下的空间机构自由度公式，如空间单封闭型机构和多封不同
28、条件下的空间机构自由度公式，如空间单封闭型机构和多封闭型机构，参见张启先：闭型机构，参见张启先：“空间机构的分析与综合空间机构的分析与综合”，机械工业，机械工业出版社，出版社，1984.2. 含多环闭链机构的自由度计算，尤其是各环的公共约束数目不相含多环闭链机构的自由度计算，尤其是各环的公共约束数目不相同时，参见杨廷力同时，参见杨廷力 ：“机械系统基本理论机械系统基本理论 : 结构学结构学运动学运动学动力动力学学” ，机械工业出版社，机械工业出版社, 1996 。3. 机构的类型综合，参见曹惟庆：机构的类型综合，参见曹惟庆：“机构组成原理机构组成原理”，高等教育出，高等教育出版社，版社，1983第一章第一章 作作 业业习题：1.2 b, c 若不是机构，请改进，使其成为机构。习题：1.5 b, c, d, f 注意复合铰链、局部自由度、虚约束自测题: 1-6习题：拆杆组 1.6(c,f)
