1、本章教學目的本章教學目的 了解機構的組成，搞清運動副、運動鏈、自由度了解機構的組成，搞清運動副、運動鏈、自由度等概念；等概念； 能繪制常用機構的機構運動簡圖；能繪制常用機構的機構運動簡圖； 能計算平面機構的自由度；能計算平面機構的自由度；了解平面機構組成的基本原理；了解平面機構組成的基本原理； 掌握機構結構分析的方法。掌握機構結構分析的方法。本章教學基本內容本章教學基本內容2-2 機構的組成機構的組成2-3 機構運動簡圖機構運動簡圖2-5 平面機構平面機構的的自由度自由度2-7 機構的組成原理和機構分析機構的組成原理和機構分析 機構具有確定運動的條件：分析和綜合都是重要的，需要計算和分析確定機

2、構運動簡圖的繪制：工程技術人員必備技能 平面機構：所有構件都在相互平行的平面內運動的機構 了解機構的組成原理和機構結構分類二、運動副及其分類二、運動副及其分類 運動副：指兩構件直接接觸并能產生相對運動的聯接。運動副：指兩構件直接接觸并能產生相對運動的聯接。 運動副元素：指兩個構件直接接觸而構成運動副的運動副元素：指兩個構件直接接觸而構成運動副的接觸接觸部分。部分。 從制造加工角度：機械由零件組成從制造加工角度：機械由零件組成 零件零件制造單元體制造單元體 從運動和功能實現角度：從運動和功能實現角度： 構件構件獨立運動的單元體獨立運動的單元體注意：構件可以是單一零件，也可以是幾個零件的剛性聯接注

3、意：構件可以是單一零件，也可以是幾個零件的剛性聯接一、構件一、構件運動副元素不外乎運動副元素不外乎為點、線、面。為點、線、面。1. 構件的自由度構件的自由度：指一個構件相對另一個構件可能出現的獨立運動。一個自由構件在空間具有6個自由度。以以 f 表示。表示。2. 約束：約束：指通過運動副聯接的兩構件之間的某些相對獨立運動所受到的限制。 約束數以約束數以s表示。表示。運動副引入的約束數等于兩構件相對自由度減少的數目。運動副引入的約束數等于兩構件相對自由度減少的數目。運動副引入的約束數：運動副引入的約束數：最少為最少為1個，個，最多為最多為5個。個。運動副的自由度：運動副的自由度：f=6s1. 按

4、運動副相對運動形式分按運動副相對運動形式分 運動副分類運動副分類轉動副轉動副移動副移動副螺旋副螺旋副球面副球面副 2. 按運動副引入的約束數分：按運動副引入的約束數分： X級運動副：指引入級運動副：指引入X個約束的運動副。個約束的運動副。級副、級副、級副、級副、級副、級副、級副、級副、級副級副級副級副級副級副級副級副3. 按運動副接觸形式分按運動副接觸形式分 低副低副: 兩構件通過面接觸而構成的兩構件通過面接觸而構成的運動副統稱為低副運動副統稱為低副; 高副高副: 凡兩構件系通過點或線接觸凡兩構件系通過點或線接觸而構成的運而構成的運 動副統稱為高副動副統稱為高副; 124. 按運動副的運動空間

5、分按運動副的運動空間分: 平面運動副平面運動副:指構成運動副的兩指構成運動副的兩構件之間的相對運動為平面運動的構件之間的相對運動為平面運動的運動副運動副; 空間運動副空間運動副:指構成運動副的兩指構成運動副的兩構件之間的相對運動為空間運動。構件之間的相對運動為空間運動。常用運動副的符號常用運動副的符號常用運動副的符號（續）常用運動副的符號（續）三、運動鏈三、運動鏈 運動鏈運動鏈:指兩個以上的構件通過運動副聯接而構成的相對可指兩個以上的構件通過運動副聯接而構成的相對可動系統。動系統。 閉鏈閉鏈: 運動鏈運動鏈的各構件構成首的各構件構成首尾封閉的系統。尾封閉的系統。 開鏈開鏈: 運動運動鏈的各構件

6、未鏈的各構件未構成首尾封閉構成首尾封閉的系統。的系統。平面運動鏈平面運動鏈:各構件間的相對運動為平面運動的運動鏈。各構件間的相對運動為平面運動的運動鏈。 空間運動鏈空間運動鏈:各構件間的相對運動為空間運動的運動鏈各構件間的相對運動為空間運動的運動鏈 。空間運動鏈空間運動鏈 四、機構四、機構機構機構:在運動鏈中將一構在運動鏈中將一構件加以固定件加以固定, 各構件之間都各構件之間都具有確定的運動，則運動鏈具有確定的運動，則運動鏈便成為機構。便成為機構。機架：機構中固定不動構件。機架：機構中固定不動構件。 平面機構平面機構: 機構中各構件間的相對運動為平面運動。機構中各構件間的相對運動為平面運動。

7、空間機構空間機構: 機構中各構件間的相對運動為空間運動。機構中各構件間的相對運動為空間運動。機架機架原動件原動件原動件原動件: 機構中按已知給定機構中按已知給定的運動規律獨立運動的構件。的運動規律獨立運動的構件。從動件從動件:機構其余活動構件。機構其余活動構件。 機構運動簡圖機構運動簡圖 指為了表明機構結構狀況指為了表明機構結構狀況, 不要求嚴格地按比例而不要求嚴格地按比例而繪制的簡圖。繪制的簡圖。機構運動簡圖機構運動簡圖：指根據機構的運動尺寸指根據機構的運動尺寸, 按一定的比例尺定按一定的比例尺定出各運動副的位置出各運動副的位置, 并用國標規定的簡單線條和符號代表構并用國標規定的簡單線條和符

8、號代表構件和運動副，繪制出表示機構運動關系的簡明圖形。件和運動副，繪制出表示機構運動關系的簡明圖形。 機構示意圖機構示意圖 常用運動副和構件的表示方法常用運動副和構件的表示方法為什么要畫機為什么要畫機構運動簡圖？構運動簡圖？機構的運動：與原動件運動規律、運動副類型、機構機構的運動：與原動件運動規律、運動副類型、機構運動尺寸有關。運動尺寸有關。一般構件的表示方法一般構件的表示方法常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號(續）續）例題一：繪制圖示顎式破碎機的機構運動簡圖例題一：繪制圖示顎式破碎機的機構運動簡圖分析：該機構有分析：該機構有6個構件和個構件和7個

9、轉個轉動副。動副。123456 畫機構運動簡圖的方法畫機構運動簡圖的方法例題二、圖示為一沖床。繞固定中心例題二、圖示為一沖床。繞固定中心A轉動的菱形盤轉動的菱形盤1為為原動件，與滑塊原動件，與滑塊2在在B點鉸接，滑塊點鉸接，滑塊2推動撥叉推動撥叉3繞固定軸繞固定軸C轉動，撥叉轉動，撥叉3與圓盤與圓盤4為同一構件，當圓盤為同一構件，當圓盤4轉動時，通轉動時，通過連桿過連桿5使沖頭使沖頭6實現沖壓運動。試繪制其機構運動簡圖。實現沖壓運動。試繪制其機構運動簡圖。 畫機構運動簡圖的方法畫機構運動簡圖的方法ABCDE分析：分析：繪制簡圖：繪制簡圖：123456:1. 分析機構的組成及運動情況，確定機構中

10、的機架、分析機構的組成及運動情況，確定機構中的機架、原動部分、傳動部分和執行部分，以確定運動副的數原動部分、傳動部分和執行部分，以確定運動副的數目。目。2. 循著運動傳遞的路線，逐一分析每兩個構件間相對循著運動傳遞的路線，逐一分析每兩個構件間相對運動的性質，確定運動副的類型和數目運動的性質，確定運動副的類型和數目;3. 恰當地選擇投影面：一般選擇與機械的多數構件的恰當地選擇投影面：一般選擇與機械的多數構件的運動平面相平行的平面作為投影面。運動平面相平行的平面作為投影面。4. 選擇適當的比例尺選擇適當的比例尺, 定出各運動副之間的相對位置，定出各運動副之間的相對位置，用規定的簡單線條和各種運動副

11、符號用規定的簡單線條和各種運動副符號, 將機構運動簡將機構運動簡圖畫出來。圖畫出來。小結：小結： 實例分析實例分析 四桿機構動畫四桿機構動畫給定一個獨立運動參數：給定一個獨立運動參數：其余構件有確定運動。其余構件有確定運動。 機構中給定機構中給定獨立運動參數的獨立運動參數的構件為原動件。構件為原動件。 問題：取運動鏈中某個構件為機架，其余問題：取運動鏈中某個構件為機架，其余構件在什么條件下才具有確定運動構件在什么條件下才具有確定運動？具有確定運動的條件具有確定運動的條件 結論結論機構具有確定運動的條件為：機構具有確定運動的條件為：機構自由度機構自由度F 0,機構原動件數機構原動件數=機構自由度

12、數機構自由度數五桿機構五桿機構給定一個獨立運動參數：給定一個獨立運動參數：機構沒有確定運動。機構沒有確定運動。機構具有確定運動時所必須給定的獨立運機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目稱為機構的自由度。動參數的數目稱為機構的自由度。給定兩個獨立運動參數：給定兩個獨立運動參數：機構有確定運動。機構有確定運動。假設平面機構有假設平面機構有n個活動構件：個活動構件： 3n個自由度個自由度有有Pl個低副和個低副和Ph個高副：個高副： 平面自由構件：平面自由構件：3個自由度個自由度平面低副：引入平面低副：引入2個約束個約束平面高副：引入平面高副：引入1個約束個約束平面機構的自由度計算公式：平面

13、機構的自由度計算公式： 引入約束引入約束分析：分析： 平面機構自由度的計算平面機構自由度的計算lh2p + p（）lhlhF = 3n-(2 p + p )= 3n-2 p - p自由度計算實例分析自由度計算實例分析 F=3n-2 Pl Ph=34 - 25-0=2F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1四桿機構四桿機構五桿機構五桿機構1） 復合鉸鏈復合鉸鏈 實例分析實例分析1：計算圖示直線機構自由度：計算圖示直線機構自由度解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 210-0=1 兩個以上構件同在一處以轉動副相聯接即構成復合鉸兩

14、個以上構件同在一處以轉動副相聯接即構成復合鉸鏈。鏈。m個構件以復合鉸鏈聯接所構成的轉動副數為個構件以復合鉸鏈聯接所構成的轉動副數為(m-1)個。個。一、正確計算運動副的數目兩構件在幾處接觸兩構件在幾處接觸而構成移動副且導路而構成移動副且導路互相平行或重合。互相平行或重合。兩個構件組成在幾處兩個構件組成在幾處構成轉動副且各轉動副構成轉動副且各轉動副的軸線是重合的。的軸線是重合的。只有一個運動副起約束只有一個運動副起約束作用作用,一個低副。一個低副。2）. 兩構件在幾處接觸而構成低副兩構件在幾處接觸而構成低副3） 若兩構件在多處相接觸構成平面高副，且各接觸點若兩構件在多處相接觸構成平面高副，且各接

15、觸點處的公法線重合處的公法線重合,則只能算一個平面高副。若公法線方向則只能算一個平面高副。若公法線方向不重合，將提供各不重合，將提供各2個約束，個約束，相當一個低副相當一個低副。一個平面高副一個平面高副復合高副，相當一個低副復合高副，相當一個低副實例分析實例分析2：計算圖示凸輪機構自由度：計算圖示凸輪機構自由度解：解：F=3n-2 pl ph=33 - 23-1=2F=3n-2 pl ph - F =33 - 23-1-1=1方法二：假想構件方法二：假想構件2 2和和3 3焊成一體焊成一體F=3n-2 pl ph=32 - 22-1=1 二、二、 局部自由度局部自由度 機構中某些構件所產生的局

16、部運動并不影響其他構件的運機構中某些構件所產生的局部運動并不影響其他構件的運動動, 把這種局部運動的自由度稱為局部自由度。數目用把這種局部運動的自由度稱為局部自由度。數目用F表示表示.注意：計算機構自由度時注意：計算機構自由度時, 應將局應將局部自由度除去不計。部自由度除去不計。方法一：方法一： 指機構在某些特定幾何條件或結構條件下，有些約束指機構在某些特定幾何條件或結構條件下，有些約束對機構運動實際上起不到獨立的約束作用對機構運動實際上起不到獨立的約束作用, 這些對機構運這些對機構運動實際上起重復約束作用的約束稱為虛約束，用動實際上起重復約束作用的約束稱為虛約束，用P表示。表示。三、三、 虛

17、約束虛約束注意：在計算自由度時，應將虛約束除去不計。注意：在計算自由度時，應將虛約束除去不計。將因虛約束而減少的自由度再加上。將因虛約束而減少的自由度再加上。 即：即： F=3n-2 pl ph + P 不計引起虛約束的附加構件和運動副數。不計引起虛約束的附加構件和運動副數。 F=3n-2 pl ph去除虛約束的方法：去除虛約束的方法：lhp = 2 p + p - 3n F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0虛約束常出現的情況：虛約束常出現的情況：1. 機構中兩構件未聯接前的聯接點軌跡重合機構中兩構件未聯接前的聯接點軌跡重合, 則該則該聯接引入聯接引入1個虛約束個虛約束;正確計算：

18、正確計算：將因虛約束而減少的自由度將因虛約束而減少的自由度再加上。再加上。 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=1不計引起虛約束的附加構件不計引起虛約束的附加構件和運動副數。和運動副數。F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0 分析：分析：E3和和E5點的軌跡重合，引入一個虛約束點的軌跡重合，引入一個虛約束正確計算：正確計算：F=3n-2 pl ph + P =34 - 26-0+1=13. 某些不影響機構某些不影響機構運動的對稱部分或運動的對稱部分或重復部分所帶入的

19、重復部分所帶入的約束為虛約束。約束為虛約束。2. 機構運動過程中機構運動過程中, 某某兩構件上的兩點之間的兩構件上的兩點之間的距離始終保持不變距離始終保持不變, 將此將此兩點以構件相聯兩點以構件相聯, 則將帶則將帶入入1個虛約束。個虛約束。23lhpppn小結小結復合復合鉸鏈處有鉸鏈處有m個構件則有個構件則有(m-1)個轉動副個轉動副兩構件在幾處接觸而構成重復的低副：兩構件在幾處接觸而構成重復的低副：1個個低副低副 兩構件接觸而構成公法線重合的高副：兩構件接觸而構成公法線重合的高副：1個個高副；否則高副；否則1個低副個低副 正確計算正確計算運動副數運動副數 局部自由度局部自由度常發生在為減小高

20、副磨損而將滑動摩擦常發生在為減小高副磨損而將滑動摩擦變成滾動摩擦所增加的滾子處。變成滾動摩擦所增加的滾子處。正確處理方法：計算自由度時將局部自正確處理方法：計算自由度時將局部自由度減去。由度減去。 虛約束虛約束存在于特定的幾何條件或結構條件下。存在于特定的幾何條件或結構條件下。正確處理方法：將引起虛約束的構件和正確處理方法：將引起虛約束的構件和運動副除去不計。運動副除去不計。典型例題一：計算圖示某包裝機送紙機構的自由度，典型例題一：計算圖示某包裝機送紙機構的自由度，并判斷該機構是否有確定運動。并判斷該機構是否有確定運動。復合鉸鏈：復合鉸鏈：D包含包含2個轉動副個轉動副局部自由度：局部自由度：F

21、=2虛約束：桿虛約束：桿8及轉動副及轉動副F、I引引入入1個虛約束個虛約束:p=1計算自由度前直接去除虛約計算自由度前直接去除虛約束和局部自由度：束和局部自由度：計算機構自由度典型例題分析計算機構自由度典型例題分析 n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1 n=9 pl=11 ph=3 F=3n-2pl-ph+ p - F =1典型例題二：計典型例題二：計 算算 圖圖 示示 機機 構構 的的 自自 由由 度，度， 如如 有有 復復 合合 鉸鉸 鏈、鏈、 局局 部部 自自 由由 度度 和和 虛虛 約約 束，需束，需 明明 確確 指指 出。出。 畫畫 箭箭 頭頭 的的 構構 件件 為

22、為 原原 動動 件。件。復合鉸鏈復合鉸鏈解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1個虛約束個虛約束復合鉸鏈復合鉸鏈計算機構自由度典型例題分析計算機構自由度典型例題分析典型例題二（續）典型例題二（續）L LHH8 81 11 1 1 1n np pp p 、L LH H3 32 23 38 82 21 1 1 11 11 1F Fn np pp p 復合鉸鏈復合鉸鏈局部自由度局部自由度1 1個虛約束個虛約束復合鉸鏈復合鉸鏈計算機構自由度典型例題分析計算機構自由度典型例題分析一、機構的組成原理一、機構的組成原理機構具有確定運動的條件：機構具有確定運動的條件： 自由度數自由度數=原動件數原動件數基本

23、桿組：把機構中最后不能再拆分的自由度為零的構件基本桿組：把機構中最后不能再拆分的自由度為零的構件組稱為機構的基本桿組。組稱為機構的基本桿組。1. 桿組桿組機架和原動件與從動件組分開：機架和原動件與從動件組分開： 從動構件組自由度為零。從動構件組自由度為零。可以再拆成更簡單的可以再拆成更簡單的自由度為零的桿組自由度為零的桿組對于全低副的桿組：對于全低副的桿組：n個構件、個構件、pl個低副個低副 基本桿組的分類基本桿組的分類 根據根據n的取值基本桿組分為以下幾種情況：的取值基本桿組分為以下幾種情況：（1）n=2, pl=3的雙桿組：又叫的雙桿組：又叫級桿組級桿組 常見常見級桿組的形式為級桿組的形式

24、為n和和pl為整數為整數n=2,4,6PL=3，6，9320320L LnPnP2 23 3L LnPnP （2）n=4, pl=6的桿組，稱為的桿組，稱為級桿組級桿組 特征為桿組中具有一個三副構件。特征為桿組中具有一個三副構件。常見的三種形式為常見的三種形式為23lnp（3）更高級別的桿組）更高級別的桿組 機構組成原理指把若干個基本桿組依次聯接到原動件機構組成原理指把若干個基本桿組依次聯接到原動件和機架上，就可以組成自由度數與原動件數相等的新機構。和機架上，就可以組成自由度數與原動件數相等的新機構。2. 2. 機構的組成原理機構的組成原理動畫演示動畫演示機構組成過程機構組成過程 機構創新設計

25、應遵循的原則機構創新設計應遵循的原則 利用機構組成原理進行機構創新時，在滿足相同工作利用機構組成原理進行機構創新時，在滿足相同工作要求的條件下，機構的結構越簡單、桿組的級別越低、構要求的條件下，機構的結構越簡單、桿組的級別越低、構件數和運動副數越少越好。件數和運動副數越少越好。二、平面機構的結構分類二、平面機構的結構分類 II級機構級機構 指機構中基本桿組的最高級別為指機構中基本桿組的最高級別為II級的機構。級的機構。 III級機構級機構 指機構中基本桿組的最高級別為指機構中基本桿組的最高級別為III級組的機構。級組的機構。級機構級機構 只由機架和原動件組成的機構稱為只由機架和原動件組成的機構

26、稱為級的機構。級的機構。 （杠桿機構、斜面機構）（杠桿機構、斜面機構） 機構結構分類的依據：機構結構分類的依據： 根據機構中基本桿組的級別進行分類。根據機構中基本桿組的級別進行分類。 結構分析目的結構分析目的 三、平面機構的結構分析三、平面機構的結構分析 了解機構的組成，確定機構的級別。了解機構的組成，確定機構的級別。把機構分解為基本桿組、機架和原動件。把機構分解為基本桿組、機架和原動件。 結構分析的過程結構分析的過程拆桿組拆桿組 從離原動件最遠的構件開始試拆，先拆從離原動件最遠的構件開始試拆，先拆II級組，若不級組，若不成，再拆成，再拆III級組，每拆出一個桿組后，機構的剩余部分仍級組，每拆

27、出一個桿組后，機構的剩余部分仍應是一個與原機構有相同自由度的機構，直到只剩原動件應是一個與原機構有相同自由度的機構，直到只剩原動件為止。為止。 桿組拆分原則桿組拆分原則 機構結構分析步驟機構結構分析步驟典型例題典型例題1：試確定圖示機構級。試確定圖示機構級。1、正確計算機構的自由度；、正確計算機構的自由度；2、根據機構拆分原則進行拆分、根據機構拆分原則進行拆分3、最后定出機構的級別。、最后定出機構的級別。桿組拆分示例桿組拆分示例 為了使平面低副機構結構分析和運動分析的方法為了使平面低副機構結構分析和運動分析的方法適用于所有平面機構，需要進行平面機構的高副低代。適用于所有平面機構，需要進行平面機

28、構的高副低代。 高副低代的含義高副低代的含義 根據一定條件對平面高副機構的中高副虛擬地用根據一定條件對平面高副機構的中高副虛擬地用低副來代替的方法。低副來代替的方法。 高副低代的條件：高副低代的條件：代替前后機構的自由度不變；代替前后機構的自由度不變；代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度不變。代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度不變。高副低代方法高副低代方法 結論結論：用一個含有兩個低副的虛擬構件來代替高副，且兩：用一個含有兩個低副的虛擬構件來代替高副，且兩轉動副位置分別在兩高副兩元素接觸點處的曲率中心。轉動副位置分別在兩高副兩元素接觸點處的曲率中心。分析：分析：高副：提供高副：提供1個約束個約束低副：提供低副：提供2個約束個約束不能直接用低副來代替，如不能直接用低副來代替，如何進行高副低代？何進行高副低代？高副兩元素均為圓弧高副兩元素均為圓弧高副元素為非圓曲線高副元素為非圓曲線高副兩元素之一為直線高副兩元素之一為直線高副兩元素之一為一點高副