1、1.1.平面机构的组成平面机构的组成2.2.机构运动简图及其绘制机构运动简图及其绘制3.3.机构自由度的计算机构自由度的计算4.4.平面机构的组成原理平面机构的组成原理与结构分析与结构分析平面机构：平面机构：所有构件在同一平面或所有构件在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。相互平行的平面内运动的机构。1.1.构件构件 机器中每一个独立的运动单元。机器中每一个独立的运动单元。构件的自由度构件的自由度构件的独立运动数目。构件的独立运动数目。原动件原动件 ：运动规律已知的活动构件。从动件：从动件：随原动件运动的其余活动构件。固定件固定件(机架机架)：支持活动构件的构件。一个做平面运动的独立构件有三
2、个自由度xy02.2.运动副运动副两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联结。两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联结。常见平面运动副凸凸轮轮副副转转动动副副移移动动副副齿齿轮轮副副结论：结论：平面低副具有两个约束，平面高副具有一个约束。平面低副具有两个约束，平面高副具有一个约束。平面运动副平面运动副低副低副面接触面接触（转动副、移动副转动副、移动副）高副高副线接触（线接触（凸轮副、齿轮副凸轮副、齿轮副)空间运动副球面副球面副螺旋副螺旋副3.3.运动链运动链开式链开式链闭式链闭式链两个以上的构件用运动副联接而构成的系统。两个以上的构件用运动副联接而构成的系统。构件构件运动副运动副运动链运动链
3、机构机构 运动链运动链固定一个构件的固定一个构件的4.4.机构机构将某一构件固定，其余构件均有确定相对运动的运动链。将某一构件固定，其余构件均有确定相对运动的运动链。1.平面机构运动简图平面机构运动简图 用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这种说明机构各机件间相对运动关定出各运动副的位置。这种说明机构各机件间相对运动关系的简单图形称为机构运动简图。系的简单图形称为机构运动简图。原动件原动件箭头箭头 如构件2固定件固定件斜线斜线 如构件1构件刚化构件刚化涂黑涂黑2112构件的表示方法：构件的表示方法：常用线条、块、圆或示
4、意性轮廓表示。常用线条、块、圆或示意性轮廓表示。须用规定的符号表示。须用规定的符号表示。转动副转动副移动副移动副12211212121212121212运动副的表示方法：运动副的表示方法：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件时的运动副两构件之一为固定件时的运动副常用运动副符号常用运动副符号常用运动副符号常用运动副符号凸轮副凸轮副齿轮副齿轮副尖端推杆滚子推杆平底推杆外啮合圆柱齿轮内啮合圆柱齿轮齿轮齿条啮合1212122.2.运动简图的绘制步骤：运动简图的绘制步骤：1 1）分析机构运动，弄清构件数目；）分析机构运动，弄清构件数目；）图示构件长度（）实际构件长度（比例mmm
5、l牛头刨床牛头刨床牛头刨床主运动机构牛头刨床主运动机构4 4）标注：）标注：构件编号、运动副字母、构件编号、运动副字母、原动件箭头。原动件箭头。3 3）表达运动副和构件；三选：）表达运动副和构件；三选：选视图、选比例、选位置2 2）判定运动副的类型和数目；）判定运动副的类型和数目；按接触情况和相对运动按接触情况和相对运动牛头刨床结构示意图牛头刨床结构示意图牛头刨床运动简图牛头刨床运动简图【例【例2-1】绘制牛头刨床主运动机构的运动简图绘制牛头刨床主运动机构的运动简图绘制图示平面机构的运动简图。绘制图示平面机构的运动简图。（图中偏心盘1绕固定轴O转动，通过构件2使滑块3相对于机架往复移动。）OO
6、AB1234【例【例2-2】3.平面机构运动简图绘制时注意问题：平面机构运动简图绘制时注意问题：1 1）忽略构件外形，主要表达运动副关系；）忽略构件外形，主要表达运动副关系；3 3）同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。）同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注。2 2）视图平面一般选择为构件的运动平面；）视图平面一般选择为构件的运动平面；一、机构自由度计算公式：一、机构自由度计算公式：铰链四杆机构铰链四杆机构：n，L，H （当取1个构件为原动件时，机构有确定的相对运动。）机构的自由度机构的自由度机构所具有的独立运动的数目。机构所具有的独立运动的数目。1)(2 23 HLPPnF机构自由度
7、：机构自由度：设机构有设机构有N个构件个构件，N-1=1=n 个活动构件，用个活动构件，用PL个低副，个低副，PH个高副联接后，个高副联接后，机构的机构的3 3n 个自由度，受到（个自由度，受到（2PL+PH）个约束，则：）个约束，则：铰链四杆机构铰链三杆机构：铰链三杆机构：n，L，H （机构不能运动）铰链三杆机构铰链五杆机构：铰链五杆机构：n，L，H 铰链五杆机构（当取2个构件为原动件时，机构各构件的运动才确定。）结论：结论：机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是 ：且且等于原动件数等于原动件数W二、机构具有确定运动的条件：二、机构具有确定运动的条件：通常，每个原动件只具有一个独立
8、运动，通常，每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由度数与原动件的数目相等因此，机构自由度数与原动件的数目相等时，机构才能有确定的运动。时，机构才能有确定的运动。牛头刨床的原动件为电动机带动的小齿轮【例【例2-1】分析牛头刨床主运动机构的自由度分析牛头刨床主运动机构的自由度：因原动件数为1，等于自由度数故机构具有确定的相对运动。n 6，L8，H1 3n-2pL-pH =681 课 堂 小 结1、运动副：类型、约束情况、识别和判断2、机构运动简图：识图、绘制方法（运动副的表达）3、机构自由度计算：应用、理解课课 堂堂 练练 习习 绘制图示内燃机机构的运动简图，计算机构的自由度并判断机构是否有
9、确定的相对运动。1.1.复合铰链复合铰链两个以上的构件同在一处以转动副相联结。两个以上的构件同在一处以转动副相联结。三、计算平面机构自由度时的注意问题三、计算平面机构自由度时的注意问题90627323HLPPnF 处理方法：个构件构成的复合铰，计（个构件构成的复合铰，计（）个转动副。）个转动副。复合铰链复合铰链锯床进给机构锯床进给机构【例【例2-3】计算图示锯床进给机构的自由度。计算图示锯床进给机构的自由度。101027323 HLPPnF锯床进给机构锯床进给机构解：此机构此机构A、C、D 四处均由三个构件组成复合铰链，四处均由三个构件组成复合铰链，原动件为原动件为1 1等于机构自由度数，故机
10、构运动是确定的。等于机构自由度数，故机构运动是确定的。则：则：n L=10 PH=0复合铰链的常见表现形式：123123123123123123 2.2.局部自由度局部自由度对整个机构运动无关的自由度。对整个机构运动无关的自由度。凸轮机构凸轮机构21323323HLPPnF左图：左图：11222323HLPPnF右图：右图：处理方法：认为滚子与杆焊结成一体认为滚子与杆焊结成一体 3.3.虚约束虚约束重复限制机构运动的约束。重复限制机构运动的约束。中图：中图：00624323 HLPPnF右图：右图：10423323HLPPnF虚约束之一：虚约束之一：轨迹重合轨迹重合处理方法：解除虚约束构件及其
11、运动副解除虚约束构件及其运动副机车车轮联动机构机车车轮联动机构 两构件在多处构成移动副且移动方向彼此平行时，只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。如图所示机构D、D之一为虚约束。这时：104233 23 HLPPnF虚约束之二虚约束之二：移动副导路平行移动副导路平行处理方法：只计一处移动副只计一处移动副12344 虚约束之三：虚约束之三：转动副轴线重合转动副轴线重合 两构件有多处接触而构成转动副且转动轴线相互重合时，只有一个转动副起约束作用，如图中曲轴的两转动副A、B之一为虚约束。这时：101213 23HLppnFAB处理方法：只计一处转动副只计一处转动副虚约束之四：虚约束之四：对称部分
12、对称部分机构中对传递运动不起独立作用的对称部分机构中对传递运动不起独立作用的对称部分在右图中，行星轮系中的行星轮2、2为虚约束，去掉后：行星轮系行星轮系处理方法：只计一部分只计一部分12323323HLPPnF小结虚约束：小结虚约束：1 1）虚约束是在一定的几何条件）虚约束是在一定的几何条件 下出现的。下出现的。2 2）虚约束的作用是为了改善）虚约束的作用是为了改善 构件受力状态或增大其刚性。构件受力状态或增大其刚性。3 3）应用虚约束时，要保证设计）应用虚约束时，要保证设计 和加工中的几何精度，否则就会变成实约束。和加工中的几何精度，否则就会变成实约束。【例【例2-4】计算大筛机构的自由度计
13、算大筛机构的自由度 ,并判断机构运动是否确定并判断机构运动是否确定。解：F处滚子为局部自由度，处滚子为局部自由度，处为复合铰链，处为复合铰链，、G之一为虚约束。之一为虚约束。则：219273 23HLPPnF因W所以该机构运动是确定的。所以该机构运动是确定的。G【例【例2-5】计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度 ,并判断机构运动是否确定。并判断机构运动是否确定。解：D处滚子为局部自由度，处滚子为局部自由度，E、F处为复合铰链，处为复合铰链，I、J之一为虚约束。之一为虚约束。则：1111283 23HLPPnF因W1所以该机构运动是确定的。所以该机构运动是确定的。I J 118263 23
14、HLPPnF1.1.全低副机构的组成全低副机构的组成（1 1）基本机构）基本机构原动件原动件机机 架架12112=基本机构基本机构 +从动件系统从动件系统一个基本机构的自由度数为一个基本机构的自由度数为1 1（2）从动件系统从动件系统 023LPnF 23LPn n为的倍数为的倍数pL为为3的倍数的倍数杆组杆组最简单的自由最简单的自由度为零的构件组度为零的构件组3 2LPn 级杆组（级杆组（级组）级组）RRR型型RRP型型RPR型型PRP型型RPP型型6 4LPn 级杆组（级杆组（级组）级组）3、机构自由度计算注意问题：1、机构自由度计算：方法、意义方法、意义 复合铰链复合铰链 局部自由度局部
15、自由度 识别及处理方法识别及处理方法 虚约束虚约束 2、机构运动确定的条件作业：作业：教材习题：教材习题：2-1 2-1 a、b、c*、d*2-2 2-2 a、b、c、d 学习指南：第二章练习题学习指南：第二章练习题 2.12.1）b、c 注“*”选作题 作业要求：作业要求：用山东建筑大学实验报告纸；用山东建筑大学实验报告纸；画图要用尺子、圆规等作图工具。画图要用尺子、圆规等作图工具。预习内容：预习内容：1 1、何为基本杆组、何为基本杆组?何为何为级杆组及级杆组及级杆组？级杆组？2 2、何为机构的级别？如何对机构进行结构分析？、何为机构的级别？如何对机构进行结构分析？基本机构基本机构杆组杆组机
16、构机构若干若干机构的组成原理机构的组成原理 任何机构都是由若干个任何机构都是由若干个基本杆组基本杆组依次连接于依次连接于原动件原动件和和机架机架上所组成的系统。上所组成的系统。例例：原动件为转动构件的基本机构分别 联接级杆组的五种形式构成的机构又例又例：原动件为转动构件的基本机构联接 两个级杆组构成的机构基本机构加基本机构加级杆组级杆组e)正弦机构正弦机构a)铰链四杆机构铰链四杆机构b b)曲柄滑块机构曲柄滑块机构d d)正切机构正切机构c)摆动导杆机构摆动导杆机构基本机构加两个基本机构加两个级杆组级杆组例：例：破碎机机构就是由两个破碎机机构就是由两个级杆组和基本机构串联成级杆组和基本机构串联
17、成。同一机构中可包含不同级别的基本杆组，把机构中所同一机构中可包含不同级别的基本杆组，把机构中所包含的基本杆组的最高级数作为机构的级数。包含的基本杆组的最高级数作为机构的级数。（3）机构的级别机构的级别机构结构分析机构结构分析分析机构中包含的杆组，确定机构级别。分析机构中包含的杆组，确定机构级别。拆杆组拆杆组分析机构结构组成，修改其错误结构。分析机构结构组成，修改其错误结构。结构改错结构改错（1 1）高副低代的定义）高副低代的定义：将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。（2）高副低代应满足的条件：）高副低代应满足的条件：（3）高副低
18、代的方法：）高副低代的方法：2、高副低代机构、高副低代机构自由度完全相同。自由度完全相同。瞬时速度和加速度完全相同。瞬时速度和加速度完全相同。代替机构和原机构代替机构和原机构一个构件一个构件 两个转动副两个转动副 高副高副 转动副位置转动副位置过高副接触点找两轮廓的曲率中心过高副接触点找两轮廓的曲率中心 例：图示机构中高副用低副取代例：图示机构中高副用低副取代31243124（4 4）高副低代的两种特殊情况）高副低代的两种特殊情况:若两接触轮廓之一为一点，替代转动副的位置即选在该点如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副【例【例2-6】对上图所对上图所示机构作结构分析，示机构作结构分析
19、，并确定机构的级别。并确定机构的级别。拆杆组：拆杆组：高副低代。高副低代。除去虚约束和局部自由度，除去虚约束和局部自由度，计算机构自由度。计算机构自由度。3 3、平面机构的结构分析方法：、平面机构的结构分析方法：判断：判断：每拆出一杆组后，剩下部分仍是一个每拆出一杆组后，剩下部分仍是一个 自由度不变的完整机构，直至只剩下自由度不变的完整机构，直至只剩下 基本机构。基本机构。拆法：拆法：先试拆先试拆级组，不成，再拆级组，不成，再拆级组。级组。顺序：顺序：从远离原动件的构件开始；从远离原动件的构件开始；确定机构的级别确定机构的级别【例【例2-6】解解：1）计算机构自由度）计算机构自由度F=35-2
20、7=1 该机构为该机构为级机构。级机构。该机构为低副机构该机构为低副机构。2 2）拆杆组）拆杆组由两个由两个级杆组级杆组加基本机构组成加基本机构组成。IJC123456I【例【例2-7】对图示机构作结构对图示机构作结构分析，并分析当构件分析，并分析当构件AB和和EG分别为原动件时机构的级别。分别为原动件时机构的级别。解：1.1.计算机构自由度计算机构自由度 F=F=3 36 6-2 28-1=18-1=1 局部自由度局部自由度2.2.高副低代高副低代虚约束虚约束12345671 1）EGEG为原动件时：为原动件时：3.3.拆杆组判断机构级别拆杆组判断机构级别46215873机构为机构为级机构。
21、级机构。级杆组级杆组基本机构基本机构级杆组级杆组级杆组级杆组IJC123456872 2）ABAB为原动件时：为原动件时：机构为机构为级机构。级机构。3.3.拆杆组判断机构级别拆杆组判断机构级别IJC1234568745673281级杆组级杆组级杆组级杆组基本机构基本机构【例【例2-8】:试分析图示牛头刨床的试分析图示牛头刨床的结构，如有问题，请改正。结构，如有问题，请改正。（2 2）结构分析）结构分析解解:（1 1）计算机构自由度计算机构自由度 F3 3n2 2PLPH3 34 42 26 60 0 机构不能动机构不能动 (d)(d)图所示部分不是杆组，图所示部分不是杆组，机构组成不合理。可
22、变成机构组成不合理。可变成 (e)(e)图所示杆组。这时机构改成如图所示杆组。这时机构改成如右图所示的机构。右图所示的机构。该机构为该机构为级机构。级机构。F3 3n-2-2PL-PH=3=35 52 27=17=12 2）根据平面机构组成原理，任何机构都可看成是由）根据平面机构组成原理，任何机构都可看成是由 加加 和和 组成。组成。3 3）机构中相对静止的构件称为）机构中相对静止的构件称为 ，机构中按给定运动规律运动的构件，机构中按给定运动规律运动的构件 称为称为 。4 4）杆组是自由度等于）杆组是自由度等于 的运动链。的运动链。A.1 B.0 C.A.1 B.0 C.原动件数原动件数1)1
23、)两构件通过点或线接触而构成的运动副为两构件通过点或线接触而构成的运动副为 ；它引入；它引入 个约束。个约束。两构件通过面接触而构成的运动副为两构件通过面接触而构成的运动副为 ，它引入，它引入 个约束。个约束。7 7）有两个平面机构的自由度都等于，现用一个有两铰链的运动）有两个平面机构的自由度都等于，现用一个有两铰链的运动 构件将它们串成一个平面机构，这时其自由度等于构件将它们串成一个平面机构，这时其自由度等于 。A.1 B.0 C.2A.1 B.0 C.25 5）某机构为）某机构为级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是 。A.A.至少含有一个至少含有
24、一个级杆组级杆组 B.B.至少含有三个基本杆组至少含有三个基本杆组 C.C.含有基本机构和二个基本杆组含有基本机构和二个基本杆组6 6）机构中只有一个）机构中只有一个 。A.A.原动件原动件 B.B.从动件从动件 C.C.机架机架2 2、机构运动简图的绘制、机构运动简图的绘制3 3、平面机构自由度的计算及、平面机构自由度的计算及 运动确定性的判断运动确定性的判断4 4、平面机构的组成原理及结构分析、平面机构的组成原理及结构分析运动副的表达绘图和读图计算和判断方法特殊情况的处理拆杆组方法结构改错1 1、平面机构的组成、平面机构的组成运动副的识别运动副的约束作业：教材习题：教材习题：2-4 b 2
25、-3*、2-4a*要求：要求：画图表示拆杆组过程画图表示拆杆组过程 预习：1.何谓速度瞬心？相对瞬心与绝对瞬心有何区别？何谓速度瞬心？相对瞬心与绝对瞬心有何区别？2.如何确定瞬心的位置？如何确定瞬心的位置？1 机构结构分析的目的机构结构分析的目的 3 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 5 平面机构的结构综合平面机构的结构综合a)a)构件构件b)b)运动副及其分类运动副及其分类c)c)机构的组成机构的组成d)d)运动简图的绘制方法步骤运动简图的绘制方法步骤e)e)举例举例a)a)基本概念基本概念b)b)举例举例c)c)应注意的问题应注意的问题d)d)举例举例 4 平面机构的组成与结构构分
26、析平面机构的组成与结构构分析a)a)全低副机构的组成全低副机构的组成b)b)高副低代机构的组成高副低代机构的组成c)c)结构分析结构分析 2 平面机构的组成与平面机构的组成与 运动简图的绘制运动简图的绘制*主要参考资料主要参考资料*知识拓展知识拓展 1.在进行机械运动方案创新设计阶段，计算所设计的运动链的自由度，在进行机械运动方案创新设计阶段，计算所设计的运动链的自由度，并判断其能否为机构，是设计工作中十分重要的一步。本章介绍了自由度并判断其能否为机构，是设计工作中十分重要的一步。本章介绍了自由度计算公式，并着重讨论了平面机构自由度计算时需要注意的问题。限于篇计算公式，并着重讨论了平面机构自由
27、度计算时需要注意的问题。限于篇幅，对空间机构的自由度没有展开讨论。希望在这方面作深入研究的同学，幅，对空间机构的自由度没有展开讨论。希望在这方面作深入研究的同学，可参阅张启先编著的可参阅张启先编著的空间机构的分析与综合空间机构的分析与综合（上册）（北京：机械工（上册）（北京：机械工业出版社，业出版社，1984）书中从研究空间开式运动链的自由度公式及末杆自由度）书中从研究空间开式运动链的自由度公式及末杆自由度分析入手，推导了空间单封闭形机构和多封闭形机构的自由度公式，并介分析入手，推导了空间单封闭形机构和多封闭形机构的自由度公式，并介绍了其计算方法及注意事项。此外，还介绍绍了其计算方法及注意事项
28、。此外，还介绍 了空间封闭形机构的组成原理。了空间封闭形机构的组成原理。2.本章所给出的自由度计算公式（本章所给出的自由度计算公式（21），只是用于计算单环闭链，），只是用于计算单环闭链，或虽系多环闭链但各环的公共约束数目相同的机构的自由度。当机构中含或虽系多环闭链但各环的公共约束数目相同的机构的自由度。当机构中含有多个环，而各环的公共约束数目又不相同时，机构自由度的计算就比较有多个环，而各环的公共约束数目又不相同时，机构自由度的计算就比较繁复。同学在需要时可参阅繁复。同学在需要时可参阅F.Freudenstein，R.Alizade所著的论文所著的论文Onthe Degree of Free
29、dom of Mechanisms with Variable General Constraint（The Fourth World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms，1975）。）。3.确定机构的运动，要求构件数和运动副数目之间满足一定的关系，确定机构的运动，要求构件数和运动副数目之间满足一定的关系，这个关系就是机构自由计算公式。在给定了所需设计的机构自由度的前提这个关系就是机构自由计算公式。在给定了所需设计的机构自由度的前提下，运动副数目和构件数的多种组合都可以满足该式，即公式的解不是唯下，运动副数目和构件数的多种组合都可
30、以满足该式，即公式的解不是唯一的。这就为选择和设计机构留下了比较和择优的余地。从这个意义上讲，一的。这就为选择和设计机构留下了比较和择优的余地。从这个意义上讲，机构自由度计算公式又称为机构的组成公式。机构自由度计算公式又称为机构的组成公式。把一定数量的构件和运动副进行排列搭配以组成机构的过程，称为机把一定数量的构件和运动副进行排列搭配以组成机构的过程，称为机构的类型综合。它可为创新机构提供途径。在进行机构类型综合时，需要构的类型综合。它可为创新机构提供途径。在进行机构类型综合时，需要用到图论的一些基本知识。曹惟庆在其编著的用到图论的一些基本知识。曹惟庆在其编著的机构组成原理机构组成原理（北京：
31、（北京：高等教育出出版社，高等教育出出版社，1983）一书中，以平面低副机构为例，介绍是单自由）一书中，以平面低副机构为例，介绍是单自由度机构的类型综合和平面杆组的类型综合问题。有兴趣的同学可参阅该书。度机构的类型综合和平面杆组的类型综合问题。有兴趣的同学可参阅该书。1.孙桓、陈作模主编孙桓、陈作模主编机械原理机械原理（高教出版社高教出版社，1996）2.郑文纬、吴克坚主编郑文纬、吴克坚主编机械原理机械原理（高教出版社，（高教出版社，1997）3.曹惟庆主编曹惟庆主编机构组成原理机构组成原理（高教出版社，（高教出版社，1983）4.张启先主编张启先主编空间机构的分析与综合（上册）空间机构的分析与综合（上册）（机械工业出版社机械工业出版社，1984）5.符炜符炜含齿轮副的平面机构的自由度计算含齿轮副的平面机构的自由度计算 （西安：机械科学与技术，（西安：机械科学与技术，1990（2）6.孙桓孙桓机械原理课程参考教案机械原理课程参考教案（西工大，（西工大，1992）
