机构的组成和结构分析

第三章机构的组成与结构分析§3.1机构的组成§3.2机构的运动简图§3.3机构的自由度和具有确定运动条件§3.4平面闭链机构组成原理及结构分析1编辑课件§3.1机构的组成一、构件二、运动副三、运动链（区分运动链和机构）四、机构机构是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。机构的组成要素为构件和运动副2编辑课件一、构件从制造加工角度：机械由零件组成零件——制造单元体从运动和功能实现角度：构件——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机构的组成3编辑课件二、运动副(一)运动副元素(二)运动副的自由度与约束度(三)运动副类型

◆运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。◆运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。

机构的组成4编辑课件(一)运动副元素运动副元素不外乎为点、线、面。机构的组成5编辑课件(二)运动副的自由度与约束度1.构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。2.约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为5个。机构的组成6编辑课件对于两个空间构件对于两个平面构件机构的组成7编辑课件1. 按运动副相对运动形式分（三）运动副类型转动副移动副螺旋副球面副2. 按运动副引入的约束数分：X级运动副：指引入X个约束的运动副。Ⅰ级副、Ⅱ级副、Ⅲ级、Ⅳ级副、Ⅴ级副Ⅴ级副Ⅴ级副Ⅲ级副机构的组成8编辑课件3. 按运动副接触形式分★低副:两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副;★高副:凡两构件系通过点或线接触而构成的运动副统称为高副;4. 按运动副的运动空间分:★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运动的运动副;

★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运动。机构的组成129编辑课件运动副元素间的锁合几何锁合力锁合机构的组成10编辑课件三、运动链◆运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。★

闭链:运动链的各构件构成首尾封闭的系统。★

开链:运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。机构的组成11编辑课件运动链（续）★平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。★

空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链。空间运动链机构的组成12编辑课件四、机构◆机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件,并给定另外一个或少数几个构件的运动规律，则运动链便成为机构。◆机架：机构中固定不动构件。◆

平面机构:机构中各构件间的相对运动为平面运动。◆

空间机构:机构中各构件间的相对运动为空间运动。◆原动件:机构中按给定的运动规律独立运动的构件。◆从动件:机构其余活动构件。机构的组成13编辑课件机构中构件类型机构的组成构件名称构件的作用和要求机架（参考构件）机构中视为不动的构件①，用于支承和作为研究其他构件运动的参考坐标输入（主动）件机构中运动规律为给定或已知的一个或几个构件从动件其运动规律取决于机构型式、机构运动尺寸或参数以及主动件运动规律的构件；除主动件以外的所有可动构件均可视为从动件输出件机构中具有期望运动规律或运动要求的从动件传动件在主动件和从动件间传递运动和动力的所有构件导引件在机构中具有给定位置或轨迹要求的所有构件原动件由外界输入驱动力或驱动力矩的构件14编辑课件§3.2机构的运动简图◆机构运动简图机构的示意图：指为了表明机构结构状况,不要求严格地按比例而绘制的简图。机构运动简图：指根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定出各运动副的位置,并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。◆机构示意图为什么要画机构运动简图？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,而与机构的结构尺寸和形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的因素。机构的运动简图15编辑课件（一）绘制机构运动简图的步骤和方法（二）机构运动简图中常用的规定符号（三）机构运动简图的识别机构的运动简图16编辑课件（一）绘制机构运动简图的步骤与方法:1.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。2.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。3.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目;还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运动副间的相对位置；如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。4.选择适当的比例尺,用规定的简单线条和各种运动副符号,将机构运动简图画出来。机构的运动简图17编辑课件机构运动简图中的常用符号机构的运动简图18编辑课件常用传动系统简图机构的运动简图19编辑课件机构的运动简图20编辑课件

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6个构件和7个转动副。123456◆

画机构运动简图的方法机构的运动简图21编辑课件例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图

机构的运动简图22编辑课件机构的运动简图23编辑课件机构的运动简图24编辑课件机构的运动简图25编辑课件例题三、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。◆

画机构运动简图的方法分析：绘制简图：机构的运动简图ABCDE12345626编辑课件（三）机构运动简图的识别由于移动副绘制和表达方法的不同而出现的简图差异由于转动副元素尺寸变化而出现的简图差异实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图不同；或不同机构的运动简图相同。机构的运动简图27编辑课件§3.3机构的自由度与确定运动条件一、机构的自由度二、平面机构自由度三、空间机构自由度四、机构具有确定运动条件28编辑课件一、机构的自由度构件的自由度确定平面或空间运动构件位置所需的独立位置参数的数目称为构件的自由度平面和空间运动构件分别有3个和6个自由度机构的自由度机构的自由度是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的数目或组成该机构的运动链的位形相对于机架或参考构件所需的独立位置参数的数目，用F表示机构的自由度与确定运动条件29编辑课件假设平面机构有n个活动构件：

3n个自由度有P5个低副和P4个高副：平面自由构件：3个自由度平面低副：引入2个约束平面高副：引入1个约束平面机构的自由度计算公式：

F=3n-(2p5+p4)引入(2P5+P4)约束分析：二、机构自由度的计算◆平面机构自由度的计算公式运动副的作用是约束构件自由度的，所以机构的自由度为活动构件在自由状态下自由度总和减去由于运动副引入而限制的自由度机构的自由度与确定运动条件30编辑课件◆自由度计算实例分析

F=3n-2P5–P4=3×4-2×5-0=2F=3n-2p5–p4=3×3-2×4-0=1四杆机构五杆机构机构的自由度与确定运动条件31编辑课件★复合铰链

实例分析1：计算图示直线机构(实现无导轨直线运动)自由度解：F=3n-2p5–p4=3×7-2×6-0=9解：F=3n-2p5–p4=3×7-2×10-0=1计算机构自由度应注意的事项两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个注意：复合铰链只存在于转动副中。

。机构的自由度与确定运动条件32编辑课件实例分析2：计算图示凸轮机构自由度解：F=3n-2p5–p4=3×3-2×3-1=2F=3n-2p5–p4-f′

=3×3-2×3-1-1=1方法二：假想构件2和3焊成一体F=3n-2p5–p4=3×2-2×2-1=1★局部自由度计算机构自由度应注意的事项（续）机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动,把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用f′表示.注意：计算机构自由度时,应将局部自由度除去不计。方法一：机构的自由度与确定运动条件33编辑课件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,这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用P′表示。计算机构自由度应注意的事项（续）★虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。●不计引起虚约束的附加构件和运动副数。

F=3n-2p5–p4去除虚约束的方法：机构的自由度与确定运动条件34编辑课件F=3n-2pl–ph=3×4-2×6-0=0虚约束常出现的情况：1.机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合,则该联接引入1个虚约束;计算机构自由度应注意的事项（续）正确计算：●不计引起虚约束的附加构件和运动副数。F=3n-2p5–p4=3×3-2×4-0=1用于连接构件2和3的转动副C即属此种情况。因为C2和C3在未连接前的轨迹都沿Y轴。此时转动副C将引入一个虚约束。计算时去掉构件3和转动副C以及3和机家移动副

机构的自由度与确定运动条件35编辑课件F=3n-2p5–p4=3×3-2×4-0=1F=3n-2p5–p4=3×4-2×6-0=0分析：E3和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束计算机构自由度应注意的事项（续）正确计算：n=3

P5=4

P4=0

F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1

机构的自由度与确定运动条件36编辑课件▲两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。▲两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束;2.两构件在几处接触而构成运动副计算机构自由度应注意的事项（续）n=3

P5=4

P4=0

F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1

图示机构的两个移动副即属此种情况。计算其自由度时，只按一个移动副计算机构的自由度与确定运动条件37编辑课件3.若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各2个约束。有一处为虚约束此两种情况没有虚约束a)图相当于转动副，b）图相当于移动副计算机构自由度应注意的事项（续）n=2

P5=2

P4=1

F=3n-(2P5+P4)=3*2-2*2-1=1

机构的自由度与确定运动条件38编辑课件某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。3和1绕同一个轴转动，计算机构自由度时，只考虑对称或重复部分中的一处，去掉2‘和2’‘构件4.机构运动过程中,某两构件上的两点之间的距离始终保持不变,将此两点以构件相联,则将带入1个虚约束。计算机构自由度应注意的事项（续）n=3

P5=4

P4=0

F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1

连接构件2和4上的E点和F点的构件5及转动副E和F即属此种情况，引入一个虚约束。

n=3

P5=3

P4=2

F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*3-2=1

机构的自由度与确定运动条件39编辑课件小结计算机构自由度应注意的事项（续）存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副◆复合铰链◆局部自由度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。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。◆虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。机构的自由度与确定运动条件40编辑课件典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。解法1：计算机构自由度典型例题分析机构的自由度与确定运动条件41编辑课件机构的自由度与确定运动条件42编辑课件机构的自由度与确定运动条件43编辑课件机构的自由度与确定运动条件44编辑课件机构的自由度与确定运动条件45编辑课件机构的自由度与确定运动条件46编辑课件典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。解法2：

复合铰链：D包含2个转动副(杆4和7)局部自由度：F’=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：

n=6p5=7p4=3F=3n-2p5-p4=1计算机构自由度典型例题分析

机构的自由度与确定运动条件47编辑课件典型例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链局部自由度1个虚约束复合铰链计算机构自由度典型例题分析机构的自由度与确定运动条件48编辑课件典型例题三计算机构自由度典型例题分析计算图示机构自由度。分析：该机构具有5个活动构件，有7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为123456机构的自由度与确定运动条件

F=3n-2p5–p4=3×5-2×7-0=149编辑课件四、机构具有确定运动的条件机构中独立运动参数的构件为原动件。◆问题：取运动链中某个构件为机架，即构成机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？因为自由度为1给定一个独立运动参数，其余构件有确定运动。自由度小于等于零自由度大于零若独立运动数大于自由度自由度大于零若独立运动数小于自由度自由度大于零若独立运动数等于自由度机构的自由度与确定运动条件50编辑课件◆结论机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于0且机构原动件数=机构自由度数五杆机构四、机构具有确定运动的条件给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构的自由度与确定运动条件51编辑课件§3.4平面闭链机构的组成原理和结构分析一、平面闭链机构的组成原理二、平面闭链机构的结构分析三、平面机构的高副低代52编辑课件一、机构的组成原理机构具有确定运动的条件：自由度数=原动件数◆基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。1.杆组机架和原动件与从动件组分开，运动副仍保留在杆组：从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的自由度为零的杆组平面机构的组成原理和结构分析53编辑课件对于全低副的杆组：n个构件、p5个低副◆基本杆组的分类根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2,p5=3的双杆组：又叫Ⅱ级杆组常见Ⅱ级杆组的形式为n和pl为整数n=2,4,6…平面机构的组成原理和结构分析54编辑课件（2）n=4,p5=6的多杆组，又叫Ⅲ级杆组特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为（3）更高级别的杆组平面机构的组成原理和结构分析55编辑课件机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。2.机构的组成原理◆机构创新设计应遵循的原则利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。因为机构的级别越高，机构的运动和动力分析也越困难.自由度为F的机构=F个主动杆+1个自由度为0的机架+若干个自由度为0的基本杆组平面机构的组成原理和结构分析56编辑课件二、平面闭链机构的结构分析◆Ⅰ级机构只由机架和原动件组成的机构称为Ⅰ级的机构。（杠杆机构、斜面机构）◆II级机构指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。◆III级机构指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。机构分类的依据：

根据机构中基本杆组的级别进行分类。平面机构的组成原理和结构分析57编辑课件◆结构分析目的

：了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动件。◆结构分析的过程：拆杆组从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。◆杆组拆分原则平面机构的组成原理和结构分析58编辑课件◆机构结构分析步骤1、除去虚约束和局部自由度，正确计算机构的自由度；2、指定机构的主动件3、将机构中的全部平面高副替换为低副4、根据机