第2章_机构的结构分析_机械原理课件

1、第第2 2章章 机构的结构理论机构的结构理论第一节第一节 机构结构的组成理论机构结构的组成理论第二节第二节 机构的自由度机构的自由度 第三节第三节 平面机构的结构分析平面机构的结构分析第四节第四节 平面运动链的结构综合平面运动链的结构综合第五节第五节 空间运动链的型综合空间运动链的型综合机械原理机械原理Northwest A&F UniversityNorthwest A&F University第一节第一节 机构的组成理论机构的组成理论 本章介绍机构的组成理论，空间开链与空本章介绍机构的组成理论，空间开链与空间闭链自由度计算方法，掌握平面运动副间闭链自由度计算方法，掌握平面运

2、动副的类型及其提供的约束条件、运动链成为的类型及其提供的约束条件、运动链成为机构的条件、平面机构自由度的计算方法。机构的条件、平面机构自由度的计算方法。 了解机构的组成原理。了解机构的组成原理。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University第一节第一节 机构的组成理论机构的组成理论第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析一、构件：一、构件： 机器中每一个独立运动的单元体称为机器中每一个独立运动的单元体称为一个构件一个构件。二、运动副：二、运动副：1.1.定义定义: :两构件直接接触而组成的可动联接称为两构件直接接触而组成的可动联接称为运动副

3、运动副。2.2.运动副元素：两构件上组成运动副的直接接触部分运动副元素：两构件上组成运动副的直接接触部分 称为称为运动副元素运动副元素。 构成运动副的两构件间的接触有三种形式：点、线、构成运动副的两构件间的接触有三种形式：点、线、面。面。Northwest A&F University第二节第二节 机构的组成机构的组成第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析运动副元素不外乎为运动副元素不外乎为点、线、面三种形式点、线、面三种形式。Northwest A&F University二、运动副：二、运动副：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析3.3.自由度与约束：自由度与约束

4、：（1 1）自由度：构件所具有的独立运动的数目（或）自由度：构件所具有的独立运动的数目（或 确定构件位置所需要的独立参变量确定构件位置所需要的独立参变量 的数目）叫构件的的数目）叫构件的自由度自由度。 一个自由构件在空间具有一个自由构件在空间具有6 6个自由度；个自由度；一个构件在平面具有一个构件在平面具有3 3个自由度。个自由度。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、运动副：二、运动副：（2 2）约束：对独立运动所加的限制称为）约束：对独立运动所加的限制称为约束约束。 每加上一个约束，构件便失去一个自由度；两每加上一个约束，构件

5、便失去一个自由度；两构件间形成的运动副引入的约束取决于运动副的类构件间形成的运动副引入的约束取决于运动副的类型。两构件形成运动副后所受到的约束数最多为型。两构件形成运动副后所受到的约束数最多为5 5，最少为最少为1 1。 平面构件：自由度数平面构件：自由度数+ +约束数约束数=3=3 空间构件：自由度数空间构件：自由度数+ +约束数约束数=3=3Northwest A&F University二、运动副二、运动副第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析4.运动副的分类：运动副的分类：1）按运动副相对运动形式分）按运动副相对运动形式分 ：2）根据引入的约束分：）根据引入的约束分：3）根

6、据运动副的接触形式分：）根据运动副的接触形式分： Northwest A&F Universityu 按相对运动的形式分按相对运动的形式分: :平面运动副平面运动副：构成运动副的两构件之间的相对运动若：构成运动副的两构件之间的相对运动若 为平面运动则成为平面运动副。为平面运动则成为平面运动副。 空间运动副空间运动副：构成运动副的两构件之间的相对运动若：构成运动副的两构件之间的相对运动若 为空间运动则成为空间运动副。为空间运动则成为空间运动副。球球面面副副移移动动副副第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University平面机构平面机构全部由平

7、面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构。至少含有一个空间运动副的机构。例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。球铰链球铰链 螺旋螺旋 平面机构平面机构 空间机构空间机构 Northwest A&F Universityu 根据引入的约束数分根据引入的约束数分: :第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析级副：引入级副：引入1 1个约束，球面与平面接触等个约束，球面与平面接触等级副：引入级副：引入2 2个约束，圆柱与平面接触等个约束，圆柱与平面接触等级副：引入级副：引入3 3个约束，平面与平面

8、接触等个约束，平面与平面接触等级副：引入级副：引入4 4个约束，圆柱接触等个约束，圆柱接触等级副：引入级副：引入5 5个约束，移动副、转动副等个约束，移动副、转动副等Northwest A&F Universityu 根据引入的约束数分根据引入的约束数分: :第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析级运动副（级运动副（f =1，c =5) Northwest A&F Universityu 根据引入的约束数分根据引入的约束数分: :第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析级运动副（级运动副（f =2， c =4) Northwest A&F Universityu

9、根据引入的约束数分根据引入的约束数分: :第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析IIIIII级运动副（级运动副（f f =3 =3， c c =3)=3)级运动副（级运动副（f =4f =4， c c =2)=2)Northwest A&F Universityu 根据引入的约束数分根据引入的约束数分: :第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析级运动副（级运动副（f =5f =5， c c =1)=1)Northwest A&F University高副高副：点或线接触的运动副：点或线接触的运动副( (应力高，具有应力高，具有2 2个自由度。个自由度。) )例如：例如：

10、滚动副、凸轮副、齿轮副滚动副、凸轮副、齿轮副等。等。低副低副：面接触的运动副（应力低，具有：面接触的运动副（应力低，具有1 1个自由度）个自由度）平面机构中的低副有转动副和移动副两种。平面机构中的低副有转动副和移动副两种。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析u 按两构件的接触方式分类按两构件的接触方式分类Northwest A&F University转动副转动副：组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转：组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转 动，这种运动副称为动，这种运动副称为转动副转动副或或铰链铰链。移动副移动副：组成运动副的两构件只能在一个平面内相对移：组成运动副的两构

11、件只能在一个平面内相对移 动，这种运动副称为动，这种运动副称为移动副移动副。u 按两构件的接触方式分类按两构件的接触方式分类第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F Universityu 按运动副元素始终保持接触方式分类有：按运动副元素始终保持接触方式分类有： 几何形状封闭运动副几何形状封闭运动副( (form-closed pairform-closed pair) )力封闭运动副力封闭运动副( (force-closed pairforce-closed pair) ) Northwest A&F University三、运动链三、运动链闭式运

12、动链简称闭式运动链简称闭链闭链：运动链的各构件首尾封闭：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开式运动链简称开链开链：未构成首尾封闭的系统：未构成首尾封闭的系统 定义定义用运动副将两个或两个以上的构件联接而成的可动用运动副将两个或两个以上的构件联接而成的可动 系统成为系统成为运动链运动链。分分类类闭链闭链第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析开链开链注意注意不是运动链不是运动链第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析Northwest A&F University作者：潘存云教授Northwest A&F University四、机构四、机构1.1.运动链与机构的

13、关系：在运动链中，如果将其中某一构件运动链与机构的关系：在运动链中，如果将其中某一构件加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。加以固定而成为机架，则该运动链便成为机构。2.2.原动件原动件: :机构中按给定运动规律独立运动的构件称为原动件。机构中按给定运动规律独立运动的构件称为原动件。3.3.从动件：其余活动构件则称为从动件。从动件：其余活动构件则称为从动件。4.4.机架：机构中固定不动的构件称为机架。机架：机构中固定不动的构件称为机架。机构的组成：机构机构的组成：机构=机架机架+原动件原动件+从动件从动件1个个 1个或几个个或几个 若干若干 第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Nor

14、thwest A&F University)mmmm)(ml图图上上所所画画长长度度（或或运运动动尺尺寸寸的的实实际际长长度度 第三节第三节 机构运动简图机构运动简图定义定义：仅用简单的线条、常用机构运动简图的代号和符号代：仅用简单的线条、常用机构运动简图的代号和符号代表构件、常用机构和运动副，并按一定比例表示各运表构件、常用机构和运动副，并按一定比例表示各运动副的相对位置，这种说明机构各构件相对运动关系动副的相对位置，这种说明机构各构件相对运动关系的简单图形称为机构运动简图。的简单图形称为机构运动简图。比例尺比例尺第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&am

15、p;F University二、平面运动副简图的表示方法：二、平面运动副简图的表示方法：1.1.低副：低副：（1 1）转动副：两构件构成转动副时，其表示方法如下，）转动副：两构件构成转动副时，其表示方法如下，图面垂直于回转轴线时用图图面垂直于回转轴线时用图a a表示；图面不垂直于回转表示；图面不垂直于回转轴线则用图轴线则用图b b表示。若两构件之一为机架，则应把代表表示。若两构件之一为机架，则应把代表机架的构件画上斜线。机架的构件画上斜线。（a）（b）1222111221第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University二、平面运动副简图的表示方

16、法：二、平面运动副简图的表示方法：（2 2）移动副：两构件构成移动副时，其表示方法如下。）移动副：两构件构成移动副时，其表示方法如下。 移动副的导路必须与相对移动方向一致。移动副的导路必须与相对移动方向一致。 与转动副相同，画有斜线的构件代表机架。与转动副相同，画有斜线的构件代表机架。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University二、平面运动副简图的表示方法：二、平面运动副简图的表示方法：2.2.高副：两构件组成高副时，在简图中应该画出高副：两构件组成高副时，在简图中应该画出 两构件接触处的曲线轮廓，如下图所示。两构件接触处的曲线轮廓，如下图

17、所示。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University三、构件简图的表示方法：三、构件简图的表示方法：1.含有两个低副的构件：含有两个低副的构件：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University三、构件简图的表示方法：三、构件简图的表示方法：2.2.含有三个低副的构件：含有三个低副的构件：具有三个运动副元素的构件可用具有三个运动副元素的构件可用三条直线连接三个运动副元素组三条直线连接三个运动副元素组成的三角形来表示，如图所示。成的三角形来表示，如图所示。依此类推，具有依此类推，具有n n个运动副

18、元素个运动副元素的构件可用的构件可用n n边形表示。边形表示。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University四、常用机构简图表示方法：四、常用机构简图表示方法：1.1.凸轮机构：通常习惯用整个轮廓来表示。凸轮机构：通常习惯用整个轮廓来表示。尖端推杆尖端推杆凸轮机构凸轮机构滚子推杆滚子推杆凸轮机构凸轮机构平底推杆平底推杆凸轮机构凸轮机构第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University四、常用机构简图表示方法：四、常用机构简图表示方法：2.2.齿轮机构：用粗实线或点划线画出一对节圆来表示互相齿轮机

19、构：用粗实线或点划线画出一对节圆来表示互相啮合的齿轮。啮合的齿轮。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University转转动动副副移移动动副副1 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 21 12 22 21 12 21 1常用运动副的符号常用运动副的符号 运动副运动副 名称名称 运动副符号运动副符号 两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副 两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副 平平面面运运动动副副Northwest

20、A&F University1 12 21 12 22 21 11 12 21 12 22 21 12 21 11 12 21 12 21 12 2平平面面高高副副螺螺旋旋副副球球面面副副球球销销副副空空间间运运动动副副1 12 21 12 21 12 2Northwest A&F University在机架上在机架上的电机的电机机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 外啮合圆柱齿外啮合圆柱齿轮机构轮机构 常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 Northwest A&F University圆锥齿轮圆锥齿轮机构机构 交错轴斜交错轴斜齿轮机构齿轮机构常用机构运动

21、简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 Northwest A&F University内啮合圆内啮合圆柱齿轮机柱齿轮机构构 齿轮齿齿轮齿条机构条机构 常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 Northwest A&F University常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 凸轮机构凸轮机构 机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 圆柱蜗圆柱蜗杆蜗轮杆蜗轮传动传动Northwest A&F University常用机构运动简图符

22、号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 棘轮机构棘轮机构 机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 槽轮机构槽轮机构 Northwest A&F University常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号（续表）（续表） 链传动链传动 机构名称机构名称 3D3D模型模型 简图简图 带传动带传动Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析常用运动副的符号常用运动副的符号(表表2-1)Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析常用运动副的符号（续）常用运动副的符号（续）Nor

23、thwest A&F University常用机构运动简图符号（表常用机构运动简图符号（表2-2）第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University一般构件的表示方法（表一般构件的表示方法（表2-3）第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University1.1.步骤：步骤：（1 1）分析机械的动作原理、组成情况，认清原动件、从动件和）分析机械的动作原理、组成情况，认清原动件、从动件和机架；机架；（2 2）沿着动作传递路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性）沿着动作传递路线，逐一分析每两个构件间相

24、对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；质，以确定运动副的类型和数目；（3 3）选择合适的投影面，选择与机械的多数构件的运动平面相）选择合适的投影面，选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为绘制机构运动简图的投影面；平行的平面作为绘制机构运动简图的投影面；（4 4）选择合适的比例尺，定出各运动副的相对位置，并用规定）选择合适的比例尺，定出各运动副的相对位置，并用规定的符号和简单线条，绘制出机构运动简图。从原动件开始，按的符号和简单线条，绘制出机构运动简图。从原动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副代号，在原动件上标出箭传动顺序标出各构件的编号和运动副代号，在原动件上标出箭头以表示其

25、运动方向。头以表示其运动方向。五、机构简图绘制的步骤与原则：五、机构简图绘制的步骤与原则：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University顺口溜顺口溜： 先两头，后中间，从头至尾走一遍，先两头，后中间，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，再看它们怎相连。数数构件是多少，再看它们怎相连。2.原则：原则：（1）机构简图和原机构的构件数目相同；）机构简图和原机构的构件数目相同；（2）机构简图和原机构的运动副数目和性质相同；）机构简图和原机构的运动副数目和性质相同；（3）按比例尺画图。）按比例尺画图。五、机构简图绘制的步骤与原则：五、机构简图绘制的步骤与

26、原则：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析例例 题题 2 21 1 例例2-12-1、试绘制下图所示的小型压力机的机构运动简图。、试绘制下图所示的小型压力机的机构运动简图。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析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

27、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例例 题题 2 21 1 Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析例例 题题 2 21 1 2. 沿着传动路线，分析相邻沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。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North

28、west A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析例例 题题 2 21 1 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。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析例例 题题 2 21 1 4. 绘图绘图选择机架选择机架提取构件的运动尺寸提取构件的运动尺寸确定比例尺确定比例尺选择机构运动中的一个状态选择机构

29、运动中的一个状态确定各运动副位置，绘图确定各运动副位置，绘图编号：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 原动件的运动方向原动件的运动方向Northwest A&F University例例 题题 2 22 2 例例2-2 绘制图所示绘制图所示鄂式破碎机鄂式破碎机的机构运动简图。的机构运动简图。A A1234B BC CD D第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University第四节第四节 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析

30、一、机构的自由度：机构具有确定运动时所必须给定一、机构的自由度：机构具有确定运动时所必须给定 的独立运动参数的数目。的独立运动参数的数目。F=0F=0F=1F=1F=2F=2Northwest A&F University第四节第四节 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、机构具有确定运动的条件：二、机构具有确定运动的条件： 机构的原动件数应等于机构的自由度数目。机构的原动件数应等于机构的自由度数目。原动件数大于自原动件数大于自由度数由度数原动件数等于自原动件数等于自由度数由度数原动件数小于自原动件数小于自由度数由度数Northwes

31、t A&F University第五节第五节 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式二、例二、例 题题第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University平面自由构件：平面自由构件：3 3个自由度个自由度 一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University构成运动副构件的自由度构成运动副构件的自由度 运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1 1（） + 2+ 2

32、（x x，y y） =3=3移动副移动副 1 1（x x） + 2+ 2（y y，） =3=3高高 副副 2 2（x,x,） + 1+ 1（y y） =3=3结论结论：构件自由度：构件自由度3 3约束数约束数 一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University机构的自由度机构的自由度 一个机构由一个机构由N N个构件组成，则活动构件有个构件组成，则活动构件有n=N-1n=N-1个个活动构件数活动构件数 构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 n 3n 3n 2

33、n 2 P PL L 1 1 P Ph h ( (低副数低副数) () (高副数高副数) ) 一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University 一、平面机构自由度的计算公式一、平面机构自由度的计算公式hl23PPnF活动构件数目活动构件数目低副数目低副数目高副数目高副数目平面机构自由度的计算公式：平面机构自由度的计算公式：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University二、例题二、例题第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析双双曲曲线线画

34、画规规机机构构牛牛头头刨刨床床机机构构 10725323hl PPnF11826323hl PPnFNorthwest A&F Universityu要正确计算运动副的数目要正确计算运动副的数目u要除去局部自由度要除去局部自由度u要除去虚要除去虚约束约束第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析第六节第六节 计算机构自由度的注意事项计算机构自由度的注意事项Northwest A&F University1. 1. 复合铰链复合铰链定义定义两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成 复合铰链复合铰链( (复杂接头复杂接头) )。处理办法处

35、理办法m个构件在同一处构成转动副，实际转动副个构件在同一处构成转动副，实际转动副 数目为（数目为（m-1）个。）个。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析一、要正确计算运动副的数目：一、要正确计算运动副的数目：Northwest A&F University几种典型复合铰链几种典型复合铰链第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University例例2-2-：如图所示的圆盘据主体机构。：如图所示的圆盘据主体机构。此处有两个低副此处有两个低副ABCDEF在在B、C、D、E四处都是三个构件汇交四处都是三个构件汇交的复合铰链。例如的复合铰链。例如E

36、点：点：12345678第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析一、要正确计算运动副的数目：一、要正确计算运动副的数目：2 2、两个构件在多处接触构成移动副，且移动方向彼、两个构件在多处接触构成移动副，且移动方向彼此平行，则只算一个移动副。当两构件在多处接触构此平行，则只算一个移动副。当两构件在多处接触构成转动副，且转动轴线重合，则只算一个转动副。成转动副，且转动轴线重合，则只算一个转动副。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析一、要正

37、确计算运动副的数目：一、要正确计算运动副的数目：两构件在几处接触两构件在几处接触而构成移动副且导路而构成移动副且导路互相平行或重合。互相平行或重合。两个构件组成在几处两个构件组成在几处构成转动副且各转动副构成转动副且各转动副的轴线是重合的。的轴线是重合的。只有一个运动副起约束作只有一个运动副起约束作用用,其它各处均为虚约束其它各处均为虚约束;Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析一、要正确计算运动副的数目：一、要正确计算运动副的数目：3 3、两个构件组成若干个高副并且各接触点的法线相、两个构件组成若干个高副并且各接触点的法线相互重合时

38、，则只算一个高副。但各接触点处的公法互重合时，则只算一个高副。但各接触点处的公法线方向并不重合，则只相当于一个低副。线方向并不重合，则只相当于一个低副。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束Northwest A&F University二、要除去局部自由度：二、要除去局部自由度：21323323F hppnl11222323F hppnl定义定义不影响其它构件运不影响其它构件运动的某些机构的局运动的自动的某些机构的局运动的自由度称为由度称为局部自由度局部自由度，用，用F F表示。表示。处理办法处理办法把滚子固化把滚子固化在支承滚子的构件上。在支承滚子的构

39、件上。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University三、要除去虚约束：三、要除去虚约束：定义定义对机构的运动起重复约束作用的约束称为对机构的运动起重复约束作用的约束称为虚约束虚约束， 用用P P表示。表示。处理办法处理办法将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的将机构中构成虚约束的构件连同其所附带的 运动副去掉不计运动副去掉不计 。1234ABCDEF123ABCDEABCDEF特别注意特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：此例存在虚约束的几何条件是：第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析虚约束的本质是什么虚约束的本质是什么?从运动的角度看

40、从运动的角度看, ,虚约束就是虚约束就是“重复的约束重复的约束”或或者是者是“多余的约束多余的约束”。Northwest A&F University机构中为什么要使用虚约束机构中为什么要使用虚约束?第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析a.使受力状态更合理使受力状态更合理b.使机构平衡使机构平衡c.考虑机构在特殊位置的运动考虑机构在特殊位置的运动Northwest A&F University注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。将因虚约束而减少的自由度再加上。将因虚约束而减少的自由度再加上。 即：即： F=3n-2 pl p

41、h + P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 pl ph去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：使用虚约束时要注意什么问题使用虚约束时要注意什么问题?保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。束时，机械制造的精度要提高。第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析三、要除去虚约束：三、要除去虚约束：Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：正确计算：正确计算：将因虚约

42、束而减少的自由度将因虚约束而减少的自由度再加上。再加上。 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1不计引起虚约束的附加构件不计引起虚约束的附加构件和运动副数。和运动副数。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=11 1、机构中用转动副联接的是两构件中运动轨迹相、机构中用转动副联接的是两构件中运动轨迹相 重合的点，则引入重合的点，则引入1 1个约束。个约束。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：2 2、机构中不影响运动传递的重复部分所带入的约、机构中不影响运动传递的重复

43、部分所带入的约 束为虚约束。束为虚约束。设重复部分中构件数为设重复部分中构件数为 ，低副数为，低副数为 ，高副数为，高副数为 ，则重复部分的虚约束，则重复部分的虚约束 为：为：hplp pn1)2652(53) 2(3232)422(3) 2(FpppnFnppphlhlNorthwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析虚约束常出现的情况：虚约束常出现的情况：3 3、在机构运动过程中，若两构件上某两点之间的、在机构运动过程中，若两构件上某两点之间的距离不变，又用双转动副杆将此两点相联，也将引距离不变，又用双转动副杆将此两点相联，也将引入入1 1个

44、约束。个约束。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析小小 结结存在于转动副处存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件个构件则有则有(m-1)个转动副个转动副 复合铰链复合铰链 局部自由度局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。由度减去。 虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将

45、引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。Northwest A&F University例例 题题 2 24 4111128323hl PPnF11) 11172(123) 2(3hlFPPPnF32hlnPPP第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University例例 题题 2 25 521927323hlPPnF21) 11112(83) 2(3hlFPPPnF第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析Northwest A&F University图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：

46、动力由曲图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄柄1 1输入，通过滑块输入，通过滑块2 2使摆动导杆使摆动导杆 3 3 作往复摆动，并带作往复摆动，并带动滑枕动滑枕4 4作往复移动作往复移动 ，已达到刨削加工目的。，已达到刨削加工目的。 试问图试问图示的构件组合是否能达到此目的？示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何如果不能，该如何修改？修改？第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析思思 考考 题题1 12 23 34Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析解：首先计算设计方案草图的自由度解：首先计算设计方案草图的自

47、由度0624323HPPnFL1 1、增加一个低副和一个活动构件；、增加一个低副和一个活动构件；2 2、用一个高副代替低副。、用一个高副代替低副。 即表示如果按此方案设计机构，即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。到设计目的。改进措施：改进措施：1 12 23 34思思 考考 题题Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析思思 考考 题题改进方案改进方案Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析思思 考考 题题改进方案

48、改进方案Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析思思 考考 题题改进方案改进方案Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析第八节第八节 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代

49、替的方法。来代替的方法。 高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。Northwest A&F University高副低代方法高副低代方法 结论：结论：用一个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点用一个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相连即可。的曲率中心处以转动副相连即可。高副两元素均为圆弧高副两元素均为圆弧高副元素为非圆曲线高副元素为非圆曲线第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析永久替代机构永久替代机构瞬时替代机构瞬时替代机构Northwe

50、st A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析高副两元素之一为直线高副两元素之一为直线高副两元素之一高副两元素之一为一点为一点两种特殊情况：两种特殊情况： 1.1.若两高副元素之一为一点，那么因点的曲率半径为若两高副元素之一为一点，那么因点的曲率半径为0 0，所，所以它的曲率中心与该点重合，其代替方法如下图。以它的曲率中心与该点重合，其代替方法如下图。2.2.若两高副元素之一为一直线，因直线的曲率半径为无穷远，若两高副元素之一为一直线，因直线的曲率半径为无穷远，所以该转动副演化成移动副，其代替方法如下图。所以该转动副演化成移动副，其代替方法如下图。Nort

51、hwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析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Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析第七节第七节 机构的组成原理、结构分类及结构分析机构的组成原理、结构分类及结构分析一、机构的组成原理一、机构的组成原理1. 基本杆组基本杆组构件构件 + 运动副运动副 运动链运动链 机构机构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为零的构件组，最简单的不可再拆的

52、自由度为零的构件组， 简称为杆组。简称为杆组。组成原理：机构是由基本组成原理：机构是由基本杆组依次连接到原动件和杆组依次连接到原动件和机架上而构成的。机架上而构成的。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析牛头刨床主机构的组成原理：牛头刨床主机构的组成原理：12345EDA6CB级机构级机构D45E1A623CBD45E123A6CBNorthwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、平面机构的结构分类：二、平面机构的结构分类：1.1.基本杆组应符合的条件：基本杆组应符合的条件： F=0

53、 机构在除去虚约束、局部自由度以及高副低代以后，获得机构在除去虚约束、局部自由度以及高副低代以后，获得的机构应为低副机构。其对应的基本杆组的运动副也应当全为的机构应为低副机构。其对应的基本杆组的运动副也应当全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：低副，则基本杆组自由度的计算公式为：023LPnFLPn32 由于活动构件数由于活动构件数n和低副数和低副数PL都必须是整数，所以都必须是整数，所以 n应是应是 的倍数，的倍数， PL应是应是 的倍数。的倍数。n= 2, 4，6 PL=3，6，9Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、平面机

54、构的结构分类：二、平面机构的结构分类：2.2.基本杆组的级：基本杆组的级：1）级杆组级杆组： n n=2, =2, p pl=3l=3级杆组是机构中最常见的一类基本杆组，级杆组是机构中最常见的一类基本杆组，级杆级杆组有以下五种形式：组有以下五种形式：Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、平面机构的结构分类：二、平面机构的结构分类：Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析二、平面机构的结构分类：二、平面机构的结构分类：2 2） 级杆组：级杆组： n n=4, =4, p pl

55、=6l=6。常见的三种形式：常见的三种形式：3 3） 机构的级：机构的级：机构的级由所含基本杆组的最高机构的级由所含基本杆组的最高 级别来确定的。级别来确定的。Northwest A&F University第二章第二章 机构的结构分析机构的结构分析三、平面机构的结构分析：三、平面机构的结构分析： 结构分析目的：结构分析目的：了解机构组成，确定机构级别。了解机构组成，确定机构级别。 机构结构分析步骤机构结构分析步骤1 1、先除去机构中的虚约束和局部自由度，再进行高副低、先除去机构中的虚约束和局部自由度，再进行高副低代，然后计算机构的自由度；代，然后计算机构的自由度；2 2、确定主动件，并在原动件上标注箭头。因为不同的主、确定主动件，并在原动件上标注箭头。因为不同的主动件会对应不同的机构结构组成和不同的机构级别；动件会对应不同的机构结构组成和不同的机构级别；3 3、拆分杆组。从传动关系上远离原动件的地方开始拆杆、拆分杆组。从传动关系上远离原动件的地方开始拆杆组。先试拆组。先试拆级组，当不可能时再拆级组，当不可能时再拆级组。但应注意，级组。但应注意，每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成机构，且自由度与原机构相同，直至全部杆组拆出只剩下原机构相同，直至全部杆组拆出只