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1、第第2 2章章 机构的构型分析机构的构型分析本章教学内容本章教学内容 机构的构造机构的构造 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制 机构的自由度机构的自由度 过约束结构过约束结构 机构的组成原理及结构分析机构的组成原理及结构分析本章教学目的本章教学目的 了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度等概念；了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度等概念； 能绘制常用机构的机构运动简图；能绘制常用机构的机构运动简图； 能计算平面机构的自由度；能计算平面机构的自由度； 对平面机构组成的基本原理有所了解。对平面机构组成的基本原理有所了解。. .2.1.12.1.1、构、构、构、构 件件件件2.1 2.1
2、 机构的构造机构的构造注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接构件杆）构件杆）+ +可动连接运动副）可动连接运动副）连杆：一个构件连杆是由连杆盖、连杆连杆是由连杆盖、连杆体、螺栓、大小瓦分别体、螺栓、大小瓦分别制造装配而成。制造装配而成。机构构件：构件：独立运动的单元体独立运动的单元体零件零件制造单元体制造单元体. . 运动副：指两构件直接接触运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。并能产生相对运动的联接。运动副元素不外乎为点、线、面。运动副元素不外乎为点、线、面。两构件间面接触作相对转动转动副两构件间面接触作相对移动移动
3、副 两构件间线接触高副2.1.22.1.2、运动副、运动副. . 一个构件相对另一个构件可一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有件在空间具有6 6个自由度。个自由度。 运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。数目。运动副引入的约束数：最多为运动副引入的约束数：最多为5 5个。个。构件自由度与运动副约束构件自由度与运动副约束构件自由度与运动副约束构件自由度与运动副约束1 1、构件的自由度、构件的自由度2. 2. 约束约束 通过运动副联接的两构件之间通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运
4、动所受到的限的某些相对独立运动所受到的限制。制。. .1.1. 按运动副相对运动形式分按运动副相对运动形式分 运动副分类运动副分类移动副移动副螺旋副螺旋副球面副球面副 2. 2.按运动副引入的约束数分：按运动副引入的约束数分： X X级运动副：指引入级运动副：指引入X X个约束的运动副。个约束的运动副。自由度数自由度数f+f+约束数约束数u=6u=6级副、级副、级副、级副、级、级、级副、级副、级副级副级副级副级副级副转动副转动副级副级副. .3.3. 按运动副接触形式分按运动副接触形式分 低副低副: : 两构件通过面接触而构成的两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副运动副统称为低副; ; 高
5、副高副: : 凡两构件系通过点或线接触凡两构件系通过点或线接触而构成的运而构成的运 动副统称为高副动副统称为高副; ; 124.4. 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: :指构成运动副指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副动的运动副; ; 空间运动副空间运动副: :指构成运动副指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运的两构件之间的相对运动为空间运动。动。低副高副高副低副低副. .常用的运动副书常用的运动副书5 5页表页表2-12-1）V V V V级副级副级副级副 ： 转动副、转动副、转动副、转动副、 移动副、移
6、动副、移动副、移动副、 螺旋副螺旋副螺旋副螺旋副级副：级副：级副：级副： 圆柱副圆柱副圆柱副圆柱副 、 环副环副环副环副级副：球面副级副：球面副级副：球面副级副：球面副级副：圆柱级副：圆柱级副：圆柱级副：圆柱- - - -平面副平面副平面副平面副 级副：球面级副：球面级副：球面级副：球面- - - -平面副。平面副。平面副。平面副。. .运动副特点：运动副特点：运动副特点：运动副特点：例：例：例：例： 圆柱副（圆柱副（圆柱副（圆柱副（级）级）级）级）+ + + +圆柱圆柱圆柱圆柱- - - -平面副平面副平面副平面副 级移动副级移动副级移动副级移动副低副：低副：低副：低副：制造容易，承载能力强
7、，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副空间副：两构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。空间副：两构件间作非平面运动的运动副。高副：高副：高副：高副：不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。不能独立存在，制造困难，摩擦小。低级别运动副通过组合
8、或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。. .2.1.3 运动链与机构运动链与机构 运动链运动链: :杆副连成的相对可动系统。杆副连成的相对可动系统。 闭链闭链: 首尾相首尾相接的运动链。接的运动链。 开链开链: 运动运动链的各构件未链的各构件未构成首尾封闭构成首尾封闭的系统。的系统。. .平面运动链平面运动链: :各构件间的相对运动为平面运动的运动链。各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链空间运动链: :各构件间的相对运动为空间运动的运动链各构件间的相对运动为空间运
9、动的运动链 。空间运动链空间运动链. .机构机构: :在运动链中将一构件加以在运动链中将一构件加以固定固定, , 而其余构件都具有确定的而其余构件都具有确定的运动，则运动链便成为机构。运动，则运动链便成为机构。机架：机构中固定不动构件。机架：机构中固定不动构件。 平面机构平面机构: : 机构中各构件间的相对运动为平面运动。机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构空间机构: : 机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。机架机架主动件主动件主动件主动件: : 机构中按给定的运动规律机构中按给定的运动规律独立运动的构件。独立运动的构件。从动件从动件: :机构其余
10、活动构件。机构其余活动构件。机构的组成：机架、主动件、从动件机构的组成：机架、主动件、从动件一个运动链，可以通过取不同构件为机架，或采用不同的主动件和输入运动，不同的输出构件将得到不同的输出运动，从而生成不同运动功能的机构。. .2.2 2.2 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：用构件和运动机构运动简图：用构件和运动 副的符号表示机构图形。副的符号表示机构图形。为什么要画机为什么要画机构运动简图？构运动简图？机构的运动：机构的运动： 与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。功能：正确地表示机构各构件间的相功能：正确地表示机构各构件间的
11、相对运动关系，是机构分析与综合的几对运动关系，是机构分析与综合的几何模型。何模型。绘制的关键：正确地表达出机构绘制的关键：正确地表达出机构各构件之间运动副的形式和他们各构件之间运动副的形式和他们的相对位置。的相对位置。. . 常用运动副和构件的表示方法常用运动副和构件的表示方法. . .一一般般构构件件的的表表示示方方法法. .常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号. .常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号( (续）续）. . 例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6 6个构件和个构件和7 7个转个转动副。动副。234
12、51 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法鄂式破碎机运动原理鄂式破碎机运动原理. .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 A转动的菱形盘转动的菱形盘1 1为原动件，为原动件，与滑块与滑块2 2在在B B点铰接，滑块点铰接，滑块2 2推动拨叉推动拨叉3 3绕固定轴绕固定轴C C转动，拨叉转动，拨叉3 3与圆与圆盘盘4 4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4 4转动时，通过连杆转动时，通过连杆5 5使冲头使冲头6 6实现冲压运实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。动。试绘制其机构运动简图。ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：123456. .4 4、选择适当
13、的比例尺、选择适当的比例尺, , 定出各运动副之间的相对定出各运动副之间的相对 位置，用规定的简单线条和各种运动副符号位置，用规定的简单线条和各种运动副符号, , 将将机构运动简图画出来。机构运动简图画出来。绘制机构运动简图小结：绘制机构运动简图小结：1.1.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机 2.2. 架、原动部分、传动部分和执行部分，以确架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目；定运动副的数目；2.2.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相3.3. 对运动的性质，确定运动副的类型和数目；
14、对运动的性质，确定运动副的类型和数目；3.3.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件4.4. 的运动平面相平行的平面作为投影面；的运动平面相平行的平面作为投影面；. .2.3 机构的自由度机构具有的独立相对运动数目机构具有的独立相对运动数目机构具有的独立相对运动数目机构具有的独立相对运动数目一个构件有个独立自由度；一个级副产生个约束；一个构件有个独立自由度；一个级副产生个约束；例例:缝纫机踏板驱动机构缝纫机踏板驱动机构:F=3*6-5*2-4*1-3*1=1F=3*6-5*2-4*1-3*1=1新机构新机构老机构老机构老机构老机构与实际情况不符合与
15、实际情况不符合属于过约束机构属于过约束机构机构的自由度：机构的自由度：机构自由度机构自由度. .过约束机构 对空间而言对空间而言, ,平面机构都属于过约束机构。在平面机构都属于过约束机构。在计算时必须区分机构的种类，空间机构用通用计算时必须区分机构的种类，空间机构用通用自由度计算公式，平面机构用平面机构自由度自由度计算公式，平面机构用平面机构自由度计算公式。计算公式。虚约束虚约束指机构在某些特定几何条件或结构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。际上起不到独立的约束作用。计算出现问题的原因：计算出
16、现问题的原因： 所有所有级转动副提供了绕级转动副提供了绕y y 轴转轴转动的约束，而整个机构只需要一个动的约束，而整个机构只需要一个绕绕y y方向转动的约束，即可保证整个方向转动的约束，即可保证整个机构保持平面运动，因此有三个是机构保持平面运动，因此有三个是重复的重复的虚约束。虚约束。过约束机构：过约束机构：过约束机构：过约束机构：含有虚约束的机构。含有虚约束的机构。含有虚约束的机构。含有虚约束的机构。解决方法解决方法解决方法解决方法平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：平面机构的自由度计算公式：F=3n-2P L-P HF=3n-2P L-P HF=3
17、n-2P L-P HF=3n-2P L-P H例：缝纫机老式脚踏机构自由度：例：缝纫机老式脚踏机构自由度：例：缝纫机老式脚踏机构自由度：例：缝纫机老式脚踏机构自由度：F=3*32*40=1F=3*32*40=1正确正确. .常见的虚约束：常见的虚约束：常见的虚约束：常见的虚约束：1.1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合两构件联接前后，联接点的轨迹重合如平行四边形机构，火车轮、椭圆仪等。如平行四边形机构，火车轮、椭圆仪等。2.2.两构件构成多个移动副，且导路平行。两构件构成多个移动副，且导路平行。3.3.两构件构成多个转动副，且同轴。两构件构成多个转动副，且同轴。4.4.运动时，两构件上的两点运
18、动时，两构件上的两点 距离始终不变。距离始终不变。EF计算时要计算时要去掉一个去掉一个计算时要计算时要去掉一个去掉一个计算时要计算时要去掉一个去掉一个. .5.5.5.5.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。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。6.6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副，两处接触，且法线重合。W如等宽凸轮如等宽凸轮注意：法线不重合时，变成实际约束！注意：法线不重合时，变成实际约束！n1n1n2n2AAAAn1n1n2n2. .例如：凸轮机构例如：凸轮机构例如：凸轮机构例如：
19、凸轮机构 尖端从动件尖端从动件尖端从动件尖端从动件滚子从动件滚子从动件滚子从动件滚子从动件使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦局部自局部自由度由度计算时将滚计算时将滚子固化子固化正确算法：正确算法：F=23-22-1=1错误计算：错误计算： F=33-32-1=2过约束的另一种情况：局部自由度过约束的另一种情况：局部自由度过约束的另一种情况：局部自由度过约束的另一种情况：局部自由度目的：减少运动副内的摩擦磨损。滑动摩擦目的：减少运动副内的摩擦磨损。滑动摩擦目的：减少运动副内的摩擦磨损。滑动摩擦目的：减少运动副内的摩擦磨
20、损。滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦滚动摩擦滚动摩擦虚约束的作用：虚约束的作用：改善构件的受力情况，如多个行星轮。改善构件的受力情况，如多个行星轮。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。. . 虚约束和局部度是在机构运动副及其配置满足一定条件产虚约束和局部度是在机构运动副及其配置满足一定条件产虚约束和局部度是在机构运动副及其配置满足一定条件产虚约束和局部度是在机构运动副及其配置满足一定条件产生的。若不满足相应的条件，局部自由度将变成影响输出运动的生的。若不满足相应的条件，局部自由度将变成影响输出运动的生的。若不满足相应的条件，局部自由度将变成影响输出运动的生的。若
21、不满足相应的条件，局部自由度将变成影响输出运动的全局自由度；虚约束将变成真实的约束。全局自由度；虚约束将变成真实的约束。全局自由度；虚约束将变成真实的约束。全局自由度；虚约束将变成真实的约束。改善方法：改善方法：改善方法：改善方法：1 1 1 1、运动副中增加间隙，用间隙调整。、运动副中增加间隙，用间隙调整。、运动副中增加间隙，用间隙调整。、运动副中增加间隙，用间隙调整。 但间隙大小的调整需要控制。过大：振动、噪声、精度但间隙大小的调整需要控制。过大：振动、噪声、精度但间隙大小的调整需要控制。过大：振动、噪声、精度但间隙大小的调整需要控制。过大：振动、噪声、精度降低；过小继续降低；过小继续降低
22、；过小继续降低；过小继续“别劲别劲别劲别劲”。2 2 2 2、改变运动副形式：缝纫机踏板驱动机构的改变。、改变运动副形式：缝纫机踏板驱动机构的改变。、改变运动副形式：缝纫机踏板驱动机构的改变。、改变运动副形式：缝纫机踏板驱动机构的改变。例如：平面机构的平面条件得不到满足销轴不平行），将产例如：平面机构的平面条件得不到满足销轴不平行），将产例如：平面机构的平面条件得不到满足销轴不平行），将产例如：平面机构的平面条件得不到满足销轴不平行），将产 生生生生 “别劲而动不了。别劲而动不了。别劲而动不了。别劲而动不了。. .机构自由度计算中的另一个问题：复合铰链机构自由度计算中的另一个问题：复合铰链机构
23、自由度计算中的另一个问题：复合铰链机构自由度计算中的另一个问题：复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个以上的构件在同一处以转动副相联。两个低副两个低副计算：计算：m m个构件个构件, ,有有m m1 1转动副。转动副。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 B、C C、D D、E E四处应各有四处应各有 2 2 个运动副。个运动副。1235678ACDEFCB4F点点的的轨轨迹迹为为一一直直线线解：活动构件数解：活动构件数n=7 n=7 低副数低
24、副数PL=10PL=10F=3nF=3n2PL2PLPH =37PH =372102100=10=1圆盘锯机构圆盘锯机构. .例例例例1:1:1:1:计算图示大筛机构的自由度计算图示大筛机构的自由度计算图示大筛机构的自由度计算图示大筛机构的自由度, , , ,并对有关特殊问题进行指明并对有关特殊问题进行指明并对有关特殊问题进行指明并对有关特殊问题进行指明. . . .局部自由度局部自由度虚约虚约束束复合铰链复合铰链F F3n3n2PL2PLPH PH 3 3 2 2 = =7 79 91 1 2 2例例2:2:计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度, ,并对有并对有 关特殊问题进行说明关特殊
25、问题进行说明. .F=3n - 2PLPH = 36 - 2 - =81112678453此处不是复合铰链此处不是复合铰链虚约束虚约束局部局部自由自由度度. .2.5机构的组成原理目的： 从运动特征分析组成机构的规律，进而可以在机构自由度不变的条件下机构的演化，并可以为机构的运动分析和力分析提供理论依据。B123AC4CA1B23D4哪一个更复杂呢？. . a)原原动动件件作作移移动动 (如如直直线线电电机机、流流体体压压力力作作动筒动筒)。21 b)原动件作转动原动件作转动 (如电动机如电动机)。21 由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。2.2.基本杆
26、组基本杆组机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成了基本机构，其了基本机构，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。将构件组继续拆分成更简单分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。的构件组，直到不能再拆为止。F=1F=01.基本机构基本机构. .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。举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。713245
27、68. .推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的推论：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结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，结论：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，构成了该八杆机构。将两个基本杆组添加到基本机构上，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 n个构件，则由条件个构件，则由条件F F0 0有：有： F F3n3n2PL2
28、PLPhPh0 0 PL PL3n/2 (3n/2 (低副机构中低副机构中PhPh0 )0 ) PL 为整数， n只能取偶数。 n 2 4 n4 已无实例了! PL 3 6 n=2 的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型. . n=4 （PL6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，且4 4个构件构成四边形结构。个构件构成四边形结构。内端副杆组内部相联。内
29、端副杆组内部相联。外端副与组外构件相联。外端副与组外构件相联。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： 1.1.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上，否则将成为刚体。如：件上，否则将成为刚体。如： 2. 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：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。71324568. .或或级机构级机构级机构级机构47132568. . n=4
30、 （PL6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，且4 4个构件构成四边形结构。个构件构成四边形结构。内端副杆组内部相联。内端副杆组内部相联。外端副与组外构件相联。外端副与组外构件相联。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
31、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：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。71324568级组级组级组级组级机构级机构. .级机构级机构级机构级机构47132568构件构件6为输入件为输入件构件构件7为输入件为输入件. . 机构的级别愈高，可以实现的传动函数规律愈复杂，进行分析机构的级别愈高，可以实现的传动函数规律愈复杂，进行分析与综合的难度亦愈大。与综合的难度亦愈大。从主动链开始，按运动传递的顺序和杆组运动静从主动链
32、开始，按运动传递的顺序和杆组运动静定的条件进行定的条件进行例题：试由全铰链四杆运动链加例题：试由全铰链四杆运动链加级组生成独立的六杆运动链级组生成独立的六杆运动链C ABD+= ?1.加在对面杆上，形成加在对面杆上，形成Stephenson 运动链运动链C ABDFEGC ABDFEGFEG拆杆组的方法：拆杆组的方法：. .2.2.加在相邻杆上加在相邻杆上, ,得到得到WattWatt运动链运动链C ABDFEGC ABDFEG对对stephensonstephenson运动链和运动链和wattwatt运动链的应用可以从以下几个方面进运动链的应用可以从以下几个方面进行研究行研究: :1.1.特征点的运动规律特征点的运动规律; ;2.2.以不同构件为机架时不同活动点的运动规律以不同构件为机架时不同活动点的运动规律; ;3.3.应用领域应用领域( (机器人机构、工程机械领域等）机器人机构、工程机械领域等）例例2-32-3作为同学自学内容，习题作为同学自学内容，习题2-1a2-1a、c 2-2ac 2-2a、b b 2-3a 2-3a 、c 2-4ac 2-4a、b b . .
