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1、第2章 机构的构型分析,本章教学内容,机构的构造 机构运动简图的绘制 机构的自由度 过约束结构 机构的组成原理及结构分析,本章教学目的,了解机构的组成，搞清运动副、运动链、自由度等概念；能绘制常用机构的机构运动简图；能计算平面机构的自由度；对平面机构组成的基本原理有所了解。,、构 件,2.1 机构的构造,注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接,构件（杆）+可动连接（运动副）,连杆：一个构件,连杆是由连杆盖、连杆体、螺栓、大小瓦分别制造装配而成。,机构,构件：,独立运动的单元体,零件,制造单元体,运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。,运动副元素不外乎为点、线、面。,两构
2、件间面接触作相对转动转动副,两构件间面接触作相对移动移动副,两构件间线接触高副,、运动副,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。,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。,构件自由度与运动副约束,1、构件的自由度,2.约束,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。,1.按运动副相对运动形式分,运动副分类,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。自由度数f+约束数u=6,级副、级副、级、级副、级副,级副,级副,转动副,级副,3.按运动副接触形式分,低
3、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。,低副,高副,低副,常用的运动副（书5页表2-1）,V级副：转动副、移动副、螺旋副,级副：圆柱副、环副,级副：球面副,级副：圆柱-平面副 级副：球面-平面副。,运动副特点：,例：圆柱副（级）+圆柱-平面副 级移动副,低副：,制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。,平面副：两构件作平面运动。转动副、移动副空间副：两构件间作非平面运动的运动副。,高副
4、：,不能独立存在，制造困难，摩擦小。,低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。,2.1.3 运动链与机构,运动链:杆副连成的相对可动系统。,闭链:首尾相接的运动链。,开链:运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。,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:在运动链中将一构件加以固定,而其余构件都具有确定的运动，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。,机架,主动件,主动件:机构中按给定的运动规律独立运动的构件。,从动
5、件:机构其余活动构件。,机构的组成：机架、主动件、从动件,一个运动链，可以通过取不同构件为机架，或采用不同的主动件和输入运动，不同的输出构件将得到不同的输出运动，从而生成不同运动功能的机构。,2.2 机构运动简图,机构运动简图：用构件和运动 副的符号表示机构图形。,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。,功能：正确地表示机构各构件间的相对运动关系，是机构分析与综合的几何模型。,绘制的关键：正确地表达出机构各构件之间运动副的形式和他们的相对位置。,常用运动副和构件的表示方法,一般构件的表示方法,常用机构运动简图符号,常用机构运动简图符号(续）,例题
6、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。,画机构运动简图的方法,鄂式破碎机运动原理,例题二、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。,分析：,绘制简图：,4、选择适当的比例尺,定出各运动副之间的相对 位置，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。,绘制机构运动简图小结：,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，以确定运动副的数目；,循着运动传递的路线，逐
7、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；,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；,2.3 机构的自由度,机构具有的独立相对运动数目,一个构件有个独立自由度；一个级副产生个约束；,例:缝纫机踏板驱动机构:,F=3*6-5*2-4*1-3*1=1,新机构,老机构,老机构,与实际情况不符合属于过约束机构,机构的自由度：,机构自由度,.过约束机构,对空间而言,平面机构都属于过约束机构。在计算时必须区分机构的种类，空间机构用通用自由度计算公式，平面机构用平面机构自由度计算公式。虚约束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
8、构运动实际上起不到独立的约束作用。,计算出现问题的原因：,所有级转动副提供了绕y 轴转动的约束，而整个机构只需要一个绕y方向转动的约束，即可保证整个机构保持平面运动，因此有三个是重复的虚约束。,过约束机构：,含有虚约束的机构。,解决方法,平面机构的自由度计算公式：F=3n-2P L-P H,例：缝纫机老式脚踏机构自由度：F=3*32*40=1,正确,常见的虚约束：,1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合,如平行四边形机构，火车轮、椭圆仪等。,2.两构件构成多个移动副，且导路平行。,3.两构件构成多个转动副，且同轴。,4.运动时，两构件上的两点 距离始终不变。,计算时要去掉一个,5.对运动不起作用
9、的对称部分。如多个行星轮。,6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意：法线不重合时，变成实际约束！,例如：凸轮机构 尖端从动件滚子从动件,使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。,滑动摩擦,滚动摩擦,局部自由度,计算时将滚子固化,正确算法：F=23-22-1=1,错误计算：F=33-32-1=2,过约束的另一种情况：局部自由度,目的：减少运动副内的摩擦磨损。滑动摩擦滚动摩擦,虚约束的作用：,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。,虚约束和局部度是在机构运动副及其配置满足一定条件产生的。若不满足相应的条件，局部自由度将变成影响输出运动的全局
10、自由度；虚约束将变成真实的约束。,改善方法：1、运动副中增加间隙，用间隙调整。但间隙大小的调整需要控制。过大：振动、噪声、精度降低；过小继续“别劲”。2、改变运动副形式：缝纫机踏板驱动机构的改变。,例如：平面机构的平面条件得不到满足（销轴不平行），将产 生“别劲”而动不了。,机构自由度计算中的另一个问题：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。,两个低副,计算：m个构件,有m1转动副。,例题 计算图示圆盘锯机构的自由度。,在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,F点的轨迹为一直线,解：活动构件数n=7 低副数PL=10,F=3n2PLPH=372100=1,圆盘锯机构,例1
11、:计算图示大筛机构的自由度,并对有关特殊问题进行指明.,局部自由度,虚约束,复合铰链,例2:计算图示机构的自由度,并对有 关特殊问题进行说明.,1,此处不是复合铰链,虚约束,局部自由度,2.5机构的组成原理,目的：,从运动特征分析组成机构的规律，进而可以在机构自由度不变的条件下机构的演化，并可以为机构的运动分析和力分析提供理论依据。,哪一个更复杂呢？,a)原动件作移动(如直线电机、流体压力作动筒)。,b)原动件作转动(如电动机)。,由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。,2.基本杆组,机构具有确定运动的条件是原动件数自由度。,现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件与机架构成了基本机构，其F
12、1。剩下的构件组必有F0。将构件组继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。,1.基本机构,定义：最简单的F0的构件组，称为基本杆组。,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的 基础上，依次添加若干个杆组所形成的。,机构的组成原理：机构基本机构基本杆组,结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该八杆机构。,二、结构分类设基本杆组中有n个构件，则由条件F0有：F3n2PLPh0 PL3n/2(低副机构中Ph0),PL 为整数，n只能取偶数。,n 2 4 n4 已无实例了!PL 3 6,
13、n=2 的杆组称为级组应用最广而又最简单的基本杆组。共有 5 种类型,n=4（PL6）的杆组有以下四种类型:,以上三种形式称为级组。结构特点：其中一个构件有三个运动副。,典型级组：,第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。,内端副杆组内部相联。外端副与组外构件相联。,机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,必须强调指出：1.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：,2.机构的级别与原动件的选择有关。,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,4,7,1,3,2,5,6,8,n=4（PL6）的杆组有以下四种类型:
14、,以上三种形式称为级组。结构特点：其中一个构件有三个运动副。,典型级组：,第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构。,内端副杆组内部相联。外端副与组外构件相联。,机构命名方式：按所含最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,必须强调指出：1.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：,2.机构的级别与原动件的选择有关。,举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。,级组,级组,级机构,4,7,1,3,2,5,6,8,构件6为输入件,构件7为输入件,机构的级别愈高，可以实现的传动函数规律愈复杂，进行分析与综合的难度亦愈大。,从主动链开始，按运动传递的顺序和杆组运动静定的条件进行,例题：试由全铰链四杆运动链加级组生成独立的六杆运动链,+,=?,1.加在对面杆上，形成Stephenson 运动链,拆杆组的方法：,2.加在相邻杆上,得到Watt运动链,对stephenson运动链和watt运动链的应用可以从以下几个方面进行研究:1.特征点的运动规律;2.以不同构件为机架时不同活动点的运动规律;3.应用领域(机器人机构、工程机械领域等）,例2-3作为同学自学内容，习题2-1a、c 2-2a、b 2-3a、c 2-4a、b,
