机构的结构分析

1. 机构的结构分析 一、机构结构分析的内容及目的 • 研究机构的组成及机构具有确定运动的条件。 • 目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？ 这对于设计新的机构显得尤其重要。 (2) 研究机构运动简图的绘制方法。 如何用简单的图形表示机构的结构和运动状况，目的是为机构的运动分析和动力分析作准备。

2. 机构的结构分析 一、机构结构分析的内容及目的 (3) 研究机构的组成原理并按结构特点对机构进行分类。 把各种机构按结构加以分类，其目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求，并按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。 机构有简有繁，构件有多有少，不同的机构都有各自的特点，而运动确定是它们的共同特征。

3. 机构的结构分析 二 机构的组成 名词术语: 构件独立运动的最小单元体 组成机构的基本要素，本课程研究的基本单元 单一零件或多个零件刚性联接 而成的一个独立运动单元 零件加工制造的最小单元体

4. 机构的结构分析 二 机构的组成 名词术语:  两个构件之间接触式的可动联接 运动副 a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 三个条件，缺一不可 运动副作用是限制构件间的相对运动，使相对运动自由度的数目减少，这种限制作用称为约束 运动副元素  两构件直接接触的点、线、面部分

5. 机构的结构分析 二 机构的组成 2－1 运动副分类 （1）按运动副的接触方式分  高副、低副 凡是以面接触的运动副称为低副，而以点或线相接触的运动副称为高副 （2）按相对运动的范围分平面运动副、空间运动副 如果运动副元素间只能相互作平面平行运动，则称之为平面运动副，否则称为空间运动副 运动副是约束运动的，故一个运动副至少引入一个约束，也至少保留一个自由度 （3）按运动副引入的约束数分 将引入一个约束数的运动副称为I级副，引入两个约束数的运动副称为Ⅱ级副，依此类推 I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副 2-1-1 （4）按运动副接触部分的几何形状分 点接触高副 线接触高副 球面副 球销副 圆柱副 螺旋副平面高副 转动副 移动副等

6. 机构的结构分析 二 机构的组成 常见运动副符号的表示:国标GB4460－84 (表2-1)

7. 机构的结构分析 二 机构的组成 2－2

8. 机构的结构分析 二 机构的组成 一般构件的表示方法 杆、轴构件 固定构件 同一构件

9. 机构的结构分析 二 机构的组成 一般构件的表示方法 两副构件 三副构件

10. 机构的结构分析 二 机构的组成 一般构件的表示方法 注意事项: 画构件时，构件上与运动无关的因素（复杂形状等）应略去，只考虑与运动有关的因素。

11. 机构的结构分析 二 机构的组成 运动链 ──两个以上的构件通过运动副联接而构成的相对可动的构件系统 闭式链 运动链中的各构件构成首末封闭的系统 在一般机构中，大多采用闭式链

12. 机构的结构分析 二 机构的组成 运动链 ──两个以上的构件通过运动副联接而构成的相对可动的构件系统 闭式链 运动链中的各构件构成首末封闭的系统 在一般机构中，大多采用闭式链 开式链 运动链中的各构件未构成首末封闭的系统 机器人机构大多采用开式链

13. 机构的结构分析 二 机构的组成 平面闭式链 闭式链 空间闭式链

14. 机构的结构分析 二 机构的组成 平面开式链 开式链 空间开式链

15. 机构的结构分析 二 机构的组成 机构  具有固定构件的运动链 平面机构 ——各构件相互作平面平行运动 机架——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、 飞机机身等

16. 机构的结构分析 二 机构的组成 机构  具有固定构件的运动链 ——各构件的运动不在一个平面内 空间机构 机架——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身等

17. 机构的结构分析 若干 1个或几个 1个 二 机构的组成 机构  具有固定构件的运动链 机构的组成： 机构＝机架＋原动件＋从动件 机架——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身等 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

18. 机构的结构分析 三 机构运动简图 ——由机器抽象出的几何模型 机构运动简图 用简单线条和规定的运动副符号，按比例尺画出的表示机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形 作用： 1.表示机械的结构及运动传递情况 2.作为运动分析和动力分析的几何模型 机构位置图——指定位置的简图 机构示意图——不按比例绘制的简图

19. 机构的结构分析 三 机构运动简图 机构运动简图 机构位置图——指定位置的简图 机构示意图——不按比例绘制的简图

20. 机构的结构分析 三 机构运动简图 表2－2摘录了部分GB4460－84常用机构运动简图（示意图）符号。 2-3

21. 机构的结构分析 三 机构运动简图 ——绘制步骤 (1) 确定机构中的原动件和运动输出构件，弄清两者之间的运动传递路线，从而找出组成机构的所有构件，并确定构件间的运动副类型 2-4 先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联 (2) 恰当地选择投影面。一般选择机构中与多数构件的运动平面相平行的面为投影面 (3)测量各运动副之间的尺寸，选择适当的比例尺，定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制出机构的运动简图 简图比例尺： μl =实际尺寸 m / 图上长度mm (4) 在机架上加上阴影线，原动件标上运动方向箭头，按运动传递路线将各构件依次标上构件号1，2，3，…，各运动副上标上字母A,B,C, … (5)检验机构是否满足运动确定的条件

22. 机构的结构分析 三 机构运动简图 2-8 机构运动简图绘制——例1 绘制颚式破碎机的机构运动简图 机构运动简图应满足的条件： 1. 构件数目与实际相同 2. 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成比例

23. 机构的结构分析

24. 机构的结构分析

25. 机构的结构分析 三 机构运动简图 机构运动简图绘制— 例2 例3

26. 机构的结构分析 四 机械系统常用的驱动和运动传递变换装置 表2－2摘录了部分GB4460－84常用机构运动简图（示意图）符号 2-3 也是机械系统常用的驱动和运动传递变换装置

27. 机构的结构分析 五 机构具有确定运动的条件 在铰链四杆机构中，如果给定1个独立的已知运动参数，则其余构件的运动完全确定 如果给定2个独立的已知运动参数，则将导致机构中最薄弱的环节损坏

28. 机构的结构分析 五 机构具有确定运动的条件 在铰链五杆机构中，如果只给定1个独立已知的运动参数，则其余构件的运动将不确定 如果给定2个独立的已知运动参数，则此时各构件的运动将完全确定

29. 机构的结构分析 五 机构具有确定运动的条件 机构的自由度—— 保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，用F表示 原动件——能独立运动的构件 ∵一般1个原动件只能提供一个独立的运动参数 ∴ 机构具有确定运动的条件为 F >0 且 F =原动件个数 • 自由度＝原动件数

30. 机构的结构分析 y θ (x , y) x 2－2 六 机构自由度的计算 F = 3 平面机构的自由度 F 3n = ) F ( - 2Pl + Ph F = 3n - 2Pl-Ph 单个平面自由运动构件的自由度为 3 高副总的约束数 低副总的约束数 活动构件数 构件的总自由度 2 1 Pl (低副个数) Ph (高副个数) n 3n

31. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 F = 3n - 2Pl-Ph n=3,pl=4,ph=0 F=3×3－2×4＝1 n=4,pl=5,ph=0 F=3×4－2×5＝2

32. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 F = 3n - 2Pl-Ph n=2,pl=3,ph=0 F=3×2－2×3＝0 n=4,pl=6,ph=0 F=3×4－2×6＝0 n=3,pl=5,ph=0 F=3×3－2×5＝-1＜0

33. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 F = 3n - 2Pl-Ph n=6,pl=8,ph=1 F=3×6－2×8－1＝1

34. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 n=5,pl=7,ph=0 F=3×5－2×7－0＝1

35. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 空间机构的自由度F 活动构件数 n=N-1 N 个构件组成机构 具有自由度 6n p1 个I级副 p2个II级副 p3个III级副 p4个IV级副 p5个V级副 当用 联接成运动链后 共引入 (5p5＋4p4＋3p3 ＋2p2 ＋p1) 个约束 i— i 级运动副的约束数

36. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 有些运动链由于运动副的结构和布置的特殊性，其所有构件常同时受到某些相同的公共约束。对于具有m (m =0，1，2，3，4) 个公共约束的运动链，则： m = 0，运动链中无公共约束 若 m = 5，所有各构件间已无法以任何运动副相联成运动链 故 m = 0，1，2，3，4

37. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 对于平面机构 m =3 平面机构中，只有IV级副和V级副，而通常IV级副为平面高副，V级副为平面低副

38. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算

39. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 例：空间四杆机构自由度计算 m = 解：n = 0 3 P1= 0 0 P2= 1 P3= 1 P4= 2 P5= F=6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 =6×3- 5×2- 4×1- 3×1 =1

40. 机构的结构分析 六 机构自由度的计算 例：机械手的自由度计算 m= 0 解：n = 8 P1= 0 0 P2= P3= 0 1 P4= 7 P5= F=6n - 5P5 - 4P4 =6×8- 5×7- 4×1 = 9

41. 机构的结构分析 P1 = 0 P2 = 0 P3 = 0 P4 = 0 六 机构自由度的计算 例：楔形滑块机构自由度计算 m = 4 解：n = 2 P5 = 3 = 2n-P5 = 2×2- 1×3 = 1

42. 机构的结构分析 3 2 1 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 计算图示凸轮机构的自由度 F = 3n - 2Pl-Ph 解： 活动构件数 n = 2 2 低副数 PL= 高副数 PH= 1 F=3n－ 2Pl－ Ph =3×2 －2×2－1 =1

43. 机构的结构分析 3 2 1 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 计算图示凸轮机构的自由度 F = 3n - 2Pl-Ph 解： n= 3， Pl = 3， Ph= 1 F=3n－ 2Pl－ Ph =3×3 －2×3－1 =2 计算结果错误！

44. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 复合铰链、局部自由度和虚约束 2-5 1 复合铰链---两个以上的构件同在一处构成的多个转动副 计算：m个构件, 应有m－1转动副

45. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 复合铰链、局部自由度和虚约束 2 局部自由度---机构中与输出构件运动无关的自由度

46. 机构的结构分析 3 2 2 1 1 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 复合铰链、局部自由度和虚约束 2 局部自由度---机构中与输出构件运动无关的自由度 此机构中局部自由度F´=1 F=3n － 2Pl－ Ph－F´ =3×3－2×3－1 －1 =1 或计算时去掉滚子和铰链： F=3×2－2×2－1 =1 F´常出现在加装滚子的场合，计算时应去掉 滚子的作用： 滑动摩擦滚动摩擦

47. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 复合铰链、局部自由度和虚约束 3 虚约束---机构中不产生实际约束效果的重复约束 在一些特定的几何条件或结构条件下，某 些运动副所引入的约束（虚约束）可能与其它 运动副所起的限制作用相同。 注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! 在计算F 时，应将虚约束去处

48. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 机构中虚约束常发生的场合： 2-6 (1) 两构件间构成多个运动副 只有一个运动副起约束作用 (2) 运动时，两构件上的两点间的距离始终保持不变 2-6 (3) 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹 重合 2-6 (4) 机构中对运动不起作用的对称部分 2-6

49. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 计算图示机构的自由度 F = 3n - 2Pl-Ph 存在虚约束 和局部自由度 n=4 , pl=5 , ph=1 F=3×4－2×5－1＝1

50. 机构的结构分析 七 计算平面机构自由度时应注意的事项 计算图示机构的自由度 机构中存在不影响运动传递的结构对称（重复）部分所带入的虚约束 F = 3n - 2Pl-Ph ph=0 n= 7 pl= 10 F=3×7－2×10－0＝1