1、第第2 2章章 机构的结构分析机构的结构分析21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的22 机构的组成机构的组成23 机构运动简图机构运动简图24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件25 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算26 自由度计算中的注意事项自由度计算中的注意事项 27 机构的组成原理及其结构机构的组成原理及其结构分析分析分析分析21 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的1.研究机构的组成及其机构运动简图的画法研究机构的组成及其机构运动简图的画法3.机构的组成原理、机构分类及结构分析机构的组成原理、机构分类及结构分析 不同的机构都有各自的特点，把
2、各种机构按结构不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，其目的是按其分类加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动力建立运动分析和动力分析的一般方法。分析的一般方法。2.机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构的自由度计算；机构具有确定运动的条件。机构的自由度计算；机构具有确定运动的条件。弄清机构包含哪几个部分弄清机构包含哪几个部分;各部分如何相联？各部分如何相联？ 机构运动简图绘制。机构运动简图绘制。1.构件构件(Link) 独立的运动单元独立的运动单元 内燃机内燃机中的连杆22 机构的组成机构的组成内燃机内燃机连杆连杆套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦
3、连杆盖连杆盖零件零件(part) 独立的制造单元独立的制造单元2.运动副运动副a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：例如：凸轮凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。 运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。相对运动的联接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可运动副的分类：运动副的分类： 1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副
4、。I级副级副II级副级副III级副级副IV级副级副V级副级副1V级副级副2V级副级副3 2)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有： 平面运动副构成运动副的两构件是平面运动平面运动副构成运动副的两构件是平面运动平面机构平面机构所有构件在同一或相互平行平面运动。所有构件在同一或相互平行平面运动。空间运动副空间运动副构成运动副的两构件是构成运动副的两构件是空间运动空间运动例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。空间机构空间机构 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有： 高副点、线接触高副点、线接触 低副面接触低副面接触例如：例如：滚动副滚动副、凸轮副凸轮副、齿
5、轮副齿轮副等。等。例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副 。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转转动动副副移移动动副副121212121212121212两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122121平平面面运运动动副副12121212平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212 闭式链闭式链、 3. 运动链运动链运动链两个以上的构件通过运动副的联接运动链两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系
6、统。而构成的系统。工业工业机器人机器人 开式链开式链若干若干1个或几个个或几个1个个4. 机构机构能够用来传递运动和动力的可动装置。能够用来传递运动和动力的可动装置。机架作为参考系的构件机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆如机床床身、车辆底盘、飞机机身。底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成：机构机架原动件从动件机构机架原动件从动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件原（主）动件按给定运动规律运动的构件。从动件其余可动构件。从动件其余可动构件。23 机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图用规定的符合并按一定的比例尺绘用规定的符合并按一定的比例尺绘制的用以说明机构中各构件之间的相对运
7、动关系的制的用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。简单图形。作用：作用： 1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。 2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。机构示意图机构示意图不按比例绘制的简图不按比例绘制的简图构件的表示方法构件的表示方法:一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 注意事项注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。常用机构运动简图符号常
8、用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动机构运动简图应满足的条件机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动绘制机构运动简图的步骤绘制机构运动简图的步骤5.检验机构是否满足运动确定的条件。检
9、验机构是否满足运动确定的条件。举例：绘制举例：绘制破碎机破碎机和偏心泵的机构运动简图。和偏心泵的机构运动简图。1.构件及其成副分析：构件及其成副分析： 分析机构的构件个数；那些构件之分析机构的构件个数；那些构件之间成副，确定运动副的类型和数量。间成副，确定运动副的类型和数量。2.机构运动尺寸的测绘：测量出同一构件运动副间相对位机构运动尺寸的测绘：测量出同一构件运动副间相对位置尺寸置尺寸3.选择合适的比例尺选择合适的比例尺l 和恰当的视图和恰当的视图 l =实际尺寸实际尺寸 m / 图图上长度上长度mm4.先确定机架位置先确定机架位置(跟机架相连的运动副跟机架相连的运动副)，然后用规定的符，然后
10、用规定的符号从原动件开始，沿传递路线依次绘出机构的运动简号从原动件开始，沿传递路线依次绘出机构的运动简图。最后标出运动副的符号、构件符号并用箭头标出图。最后标出运动副的符号、构件符号并用箭头标出原动件。原动件。1234561-2 转动副转动副 2-3 转动副转动副2-4 转动副转动副4-5 转动副转动副3-6 转动副转动副 5-6 转动副转动副1-6 转动副转动副1234绘制图示偏心泵的运动简图绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵偏心泵1-2 转动副转动副2-3 移动副移动副3-4 转动副转动副1-4 转动副转动副1234偏心轮偏心轮24 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件给定给定S S3
11、 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数，一个独立参数1 11 1（t t）唯一确定，该机）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。构仅需要一个独立参数。 若仅给定若仅给定1 11 1（t t）, ,则则2 2 3 3 4 4 均不能唯一确定。若同均不能唯一确定。若同时给定时给定1 1和和4 4 ，则，则3 3 2 2 能能唯一确定，该机构需要两个独立唯一确定，该机构需要两个独立参数参数 。S3123S31 112341 14 4原动件能独立运动的构件。原动件能独立运动的构件。一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为：自由度原
12、动件数自由度原动件数自由度定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的自由度定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。独立运动参数称为机构的自由度。25 机构自由度的计算机构自由度的计算作平面运动的刚体在空间的位置需作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（要三个独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。才能唯一确定。yx(x , y)F = 3单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由度为 3 3定义：定义：保证机构具有确定运动保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。为机构的自由度。运动副运动副 自由度数自由度数
13、约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x，y） =3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2结论：构件自由度结论：构件自由度3约束数约束数移动副移动副 1（x） + 2（y，）=3高高 副副 2（x,） + 1（y） =3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 2 PL 1 Ph (低副数低副数) (高副数高副数) 计算公式：计算公式： F=3n(2PL +Ph )要求：记住上述公式，并能熟练应用。要求：记住上述公式，并能熟练应用。举例：举例：计算曲柄滑块机构的自由度。计算曲柄滑块机构的自由度。
14、123解：活动构件数解：活动构件数n= 3低副数低副数PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH=04计算五杆铰链机构的自由度。计算五杆铰链机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 24 =2 高副数高副数PH=05234计算图示凸轮机构的自由度。计算图示凸轮机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=12326 自由度计算中的特殊问题自由度计算中的特殊问题12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。计算图
15、示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 7低副数低副数PL=6F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0=37 26 0=9计算结果肯定不对！计算结果肯定不对！圆盘锯机构圆盘锯机构1）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。计算：计算：m个构件个构件, 有有m1转动副。转动副。1.要正确计算运动副的数目要正确计算运动副的数目上例：在上例：在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。12345678ABCDEF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。解：活动构件数解：活动构件数n=7低副数低副数P
16、L=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线。点的轨迹为一直线。2）两构件构成多个移动副，）两构件构成多个移动副，且导路平行。且导路平行。 两构件构成多个转动副，两构件构成多个转动副，且同轴。且同轴。 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。如如等宽凸轮等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，法线不重合时，变成实际约束！变成实际约束！相当于转动副相当于转动副相当于移动副相当于移动副计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。解：解：n=3， PL=3，F=3n 2PL PH =33 23 1
17、 =2PH=1对于右边的机构，有：对于右边的机构，有： F=32 22 1=1事实上，两个机构的运动相同，且事实上，两个机构的运动相同，且F=112312滚子凸轮机构滚子凸轮机构2.局部自由度局部自由度F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 FP=1或计算时去掉滚子和铰链：或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1定义：构件局部运动所产生的自由度。定义：构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，出现在加装滚子的场合，计算时应去掉计算时应去掉Fp。滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。12312解：解：n=4
18、， PL=6，F=3n 2PL PH =34 26 =01234ABCDEFPH=03.虚约束虚约束对机构的运动实际不起作用的约束。对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件，故增加构件4前后前后E点的轨迹都是圆弧，。点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件增加的约束不起作用，应去掉构件4。已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形机构的自由度机构的自由度。 重新计算：重新计算：n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1E123ABCD特别注意：此例存在虚约束的
19、几何条件是：特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： ABCDEF已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形机构的自由度。机构的自由度。 虚约束虚约束出现虚约束的场合：出现虚约束的场合： 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，如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪等。等。2）运动时，两构件上的两点）运动时，两构件上的两点距离始终不变距离始终不变,此时用两个转此时用两个转动副构件来连接这两个点，动副构件来连接这两个点，则会引入虚约束。则会引入虚约束。3）对运动不起作用的对）对运动不起作用的对称部分。如称部分。如多个行星轮
20、多个行星轮。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。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。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 !计算图示包装机送纸机构的自由度。计算图示包装机送纸机构的自由度。n=6， PL= 7，F=3n 2PL PH =36 27 3 =1局部自由度局部自由度 2个个虚约束虚约束 1处处, 构件构件8复合铰链复合铰链:位置位置D ，2个低副个低副PH= 3分析：
21、分析：1.1.基本杆组基本杆组 最简单的最简单的F0的构件组，称为基本杆组。的构件组，称为基本杆组。F=1F=027 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、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理设基本杆组中有设基本杆组中有n个构件，则由条件个构件，则由条件F0有：有： F3n2PLPh0 PL3n/2 (低副机构中低副机构中Ph0 ) PL 为整数，为整数， n n只能取偶数。只能取偶数。 n n 2 4 n4 2 4 n4 运用较少运用较少! ! PL 3 61 1）n=2 的杆组称为的杆组称为级杆组级杆组，共有，共有 5 5 种类型。种类型。2）n=4
22、（PL6 6）称为）称为级组，有以下三种级组，有以下三种类型类型: :结构特点：其中一个构件有三个运动副。结构特点：其中一个构件有三个运动副。典型典型级组：级组：3 3）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个构件构成四个构件构成四边形结构。边形结构。7举例：举例：1324568任何一个平面机构都可以认为是若干个基本杆任何一个平面机构都可以认为是若干个基本杆组依次连接到原动件和机架所组成的组依次连接到原动件和机架所组成的-机构的组机构的组成原理成原理 。 结论：将两个基本杆组依次连接于机架和原动结论：将两个基本杆组依次连接于机架和原动件上，构成了该八杆机构。
23、件上，构成了该八杆机构。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。必须强调指出：必须强调指出： 杆组的各个外端副不可杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：刚体。如：二、平面机构的结构分类二、平面机构的结构分类机构按所含最高杆组级别命名，如机构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。注意：机构的级别与原动件的选择有关。注意：机构的级别与原动件的选择有关。7举例：举例：1324568或或级机构级机构三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析1.结构分析的目的：了解机构的组成
24、，判断结构分析的目的：了解机构的组成，判断机构的级别。机构的级别。2.结构分析的步骤：结构分析的步骤：1）正确计算机构自由度，确定原动件。）正确计算机构自由度，确定原动件。2）从远离原动件的构件开始拆杆组，直到）从远离原动件的构件开始拆杆组，直到只剩原动件和机架为止。（原则先试拆只剩原动件和机架为止。（原则先试拆级杆组）3）确定机构的级别。）确定机构的级别。必须强调指出：必须强调指出： 1.杆组的各个外端副不可以同时加在同杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：一个构件上，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。28 平面机
25、构中的高副低代平面机构中的高副低代高副低代：高副低代：为了使平面低副机构的结构分析和运动为了使平面低副机构的结构分析和运动分析的方法能适用于含有高副的平面机构，根据一分析的方法能适用于含有高副的平面机构，根据一定条件将机构中的高副虚拟地以低副代替的方法。定条件将机构中的高副虚拟地以低副代替的方法。高副低代条件：高副低代条件：1、代替前后机构的自由度不变、代替前后机构的自由度不变2、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nnO1O2r1r2CBA123O1O24BA312nnO1O2r1r2CBA123O1O24BA312 1、当高副元素是一般曲线时，可以用位于两元素曲率中心的两个转动副和连、当高副元素是一般曲线时，可以用位于两元素曲率中心的两个转动副和连接两曲率中心的一个构件来代替高副，但由于曲线各处的曲率中心的位置不同，所接两曲率中心的一个构件来代替高副，但由于曲线各处的曲率中心的位置不同，所以一般高副低代具有瞬时性，即在不同位置应有不同的代替机构。以一般高副低代具有瞬时性，即在不同位置应有不同的代替机构。注意：注意： 2、当高副元素中有一个为直线时，其曲率中心位于无穷远处，即变为移动副。、当高副元素中有一个为直线时，其曲率中心位于无穷远处，即变为移动副。ABABCC
