03 机构结构分析

第3章 机构结构分析



教学目标： 1.知识目标 ⑴掌握机器的主要组成和各部分的功能。 ⑵掌握机构、零件、构件、运动副、约束与自由度等概念。 ⑶掌握平面机构运动简图的结构要素。 ⑷掌握平面机构的结构公式，识别和处理机构中的复合铰链、 局部自由度和虚约束。 2.能力目标 ⑴具有绘制和读懂平面机构运动简图，运用机构示意图表达 机构设计构思的能力。 ⑵具有分析机构的组成，计算机构自由度，实现机构运动的 确定性的能力。


⑶重复结构（机构中不起独立传递运动的结构相 同的对称部分） ⑷重复轨迹（机构中某构件联接点的轨迹与另一 构件被联接点的轨迹重合）
3.3.3 平面机构具有确定运动的条件

铰链四杆机构和铰链五杆机构
F 3n 2 PL PH 3 3 2 4 0 1
F 3n 2 PL PH 3 4 2 5 0 2
能力训练案例1-4 ：试计算图3-12（a）所示 的筛料机构的自由度，并判断从动件是否具 有确定的运动。构件1和6为原动件。

解：⑴机构结构分析：机构在C处有构件2、3和4 共3根杆件组成复合铰链，该处有两个转动副；构 件5与机架8构成导路平行的两个移动副G和H，其 中一个为虚约束（重复移动副）；构件5的右端K 处安装了滚子，滚子与构件5之间的独立运动是局 部自由度。

当一个构件与其它构件组成运动副后,构件的某些独立运动受 到限制,自由度减少，这种对构件独立运动限制称为约束。两 个构件之间相对约束的数目和性质取决于运动副的型式。
运动副
自
由
度
约
束
构件2沿着X轴和Y轴两个方 构件2可以绕与XOY平面垂 转动副 向的移动受到限制，约束数 直的Z轴转动，自由度为1。 为2。 低 副 构件2沿着Y轴方向的移动 构件2可以沿着X轴方向的 移动副 和绕与XOY平面垂直的Z轴转 移动，自由度为1。 动受到限制，约束数为2。 构件2可以沿着接触点公 构件2沿着接触点公法线n切线t-t方向移动和绕接触 n方向的移动受到限制，约 点转动，自由度为2。 束数为1。
能力训练案例3-2 ：画出压力机（图38(a)）的机构示意图。
3.3 平面机构自由度和运动确定性 3.3.1 平面机构的自由度
机构的自由度是指机构中各个构件相对于 机架所具有的独立运动参数，它取决于组 成机构的活动构件数目、运动副的类型和 数目。 平面机构自由度的计算公式

F 3n 2PL PH
3.2 平面机构运动简图



机构中从动件的运动是由原动件的运动规律，及其 各运动副的类型、数目和机构的运动学尺寸（如转 动副的中心位置、转动副的中心到移动副导路的中 心线的距离、移动副导路中心线之间的夹角、高副 接触点的位置等）决定的，与构件的外形、断面形 状和尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体结 构等因素无关。 对机构进行运动和动力分析，或者对机构的结构进 行分析时，不需考虑与机构运动无关的因素，采用 规定的运动副符号和代表构件的线条，并且按照运 动学尺寸的比例，画出表示机构运动特性的机构运 动简图，它是对机构进行分析和设计的几何模型。 只是为了表明机构的运动状态和各个构件的联接关 系，不严格按照比例绘制的机构运动简图称为机构 示意图。
能力训练案例1-5 ：图3-13为一简易冲床的初拟设计 方案，从动件凸轮2绕定轴作逆时针方向转动，通过 摆杆3带动导杆4实现冲头的上下往复冲压动作。试 分析该设计方案有无结构组成的错误。若有，应该 如何修改？并绘制出正确的机构运动简图。

⑴增加1个滑块（或摇块）和1个移动副

⑵增加1个杆件和1个转动副
3.1 平面机构的组成
若组成机构的所有构件都在同一平面
或是相互平行的平面内运动，则称该 机构为平面机构，否则称为空间机构 （例如蜗轮蜗杆传动、圆锥齿轮传动、 万向铰链机构等）。 机构是具有确定运动的构件系统，其 组成要素有构件和运动副。
3.1.1 机构的组成


1.构件和零件 机构是由构件所组成，构 件在机构中具有独立运动 的特性，它是机构的运动 单元。若干构件通过彼此 之间既具有一定约束又具 有一定相对运动的联接， 组成了机构。 为了结构和工艺的需要， 通常构件是由若干个零件 刚性联结成一个整体。零 件是机器中不可拆卸的基 本单元，称为制造单元。
能力训练案例3-1 ：画出冲床（图3-7(a)）
所示的机构运动简图。

根据各个构件之间的相对运动性质，确定机构的 运动副类型和数目。


说明：1）本例中的连杆3与偏心轮2用转动副联 接，其转动中心就是偏心轮的几何中心A。因此， 两个构件组成转动副时，在画机构的运动简图时 不用考虑转动副圆柱实际直径的大小，只需要在 它的转动中心处用小圆圈表示即可。 2）由于其中构件3上有A、B和C三个转动副元素， 所以这是一个多闭环运动链组成的机构。
高 副


（a）球面副：约束数为3，相对自由度为3。 （b）球销副：约束数为4，相对自由度为2。 （c）螺旋副：约束数为5，相对自由度为1（构件 2沿轴线方向移动和绕该轴转动，但是这两种运动 是相互关联而不能相互独立）。


4.运动链和机构 两个以上的构件通过运动副联接组成的系统称为运动链， 分为闭链和开链两种。 在一个闭式的运动链中，每个构件至少包含两个运动副元 素。如果其中每个构件都只有两个运动副元素的为单闭环 链，而其中1个或1个以上的构件有3个或3个以上运动副 元素的为多闭环链。 只要有1个构件仅含1个运动副元素的都是开链，机械手和 工业机器人则是开链的具体应用。
3-6 简易冲床机构的原 动件1通过固定在其上 面的圆销A带动滑块2绕 固定轴心点转动，滑块 2又带动导槽3’（与圆 盘3固定联接）绕固定 轴心点转动，通过连杆 4带动冲头5在机架6中 上下往复运动。试：⑴ 绘制机构示意图；⑵计 算机构自由度，判断机 构从动件是否具有确定 的相对运动？
3-8 题图1-8所示的两种机构的结构是 否合理？如不合理，请针对错误提出修 改方案。

2.运动副 在机构中，两个构件之间既具有一定约束又具有一 定相对运动的联接称为运动副。机构各个构件之间 的运动和力的传递，都是通过运动副来进行的。
转动副的常见结构移动副的常见ຫໍສະໝຸດ 构及其符号


3.自由度与约束 一个构件在3维坐标系的空间运动可以分解为分别 沿X轴、Y轴和Z轴的移动和绕X轴、Y轴和Z轴的 转动，共有6个独立运动。 一个构件的平面运动可以分解为分别沿X轴、Y轴 的移动和绕一根垂直于平面的轴的转动，共有3个 独立运动。 构件在任一时刻的位置，可以由构件上任意一点 的坐标以及过该点的直线与轴的夹角等3个独立参 数来描述。 构件这种独立运动的数目称为自由度。因此一个 作平面运动的自由构件有3个自由度。
当输入机构的独立运动数目小于机构自
由度时，机构的运动状态是不确定的； 当输入机构的独立运动数目等于机构自 由度时，机构有确定的运动状态；当输 入机构的独立运动的数目大于机构自由 度时，机构将会卡死或损坏。 平面机构具有确定运动的条件可以表述 为：机构的自由度大于零，且原动件数 目等于机构的自由度。
平面机构的原动件通常都是用低副与机
架联接，它们相对于机架的独立运动数 目为1，每个原动件只能有一个独立运 动（例如，电动机的转子有一个独立转 动，内燃机的活塞有一个独立移动等， 将它们作为原动机给机构的原动件输入 运动）。因此，机构自由度数目标志着 所需要的原动件数目，即输入独立运动 的数目。实质上自由度为原动件所独有， 从动件系统无独立自由度。

⑶低副变换高副
从减轻构件磨损、提高构件强度和机构工作 可靠性等因素考虑，选择一个适用设计方案 根据平面机构的结构公式，在给定设计所需 机构自由度的条件下，可以灵活地选择运动 副类型、数目和活动构件数的多种组合来满 足要求，这种排列组配的过程就是机构的类 型综合，是机构创新的重要途径。

思考和实训习题3-5 ：试绘制题图3-8所示2种机 构（c柱塞油泵、d偏心轮油泵）的运动简图。

活动构件数
n
，低副数 PL ，高副数 PH
能力训练案例1-3 试计算图3-7（b）所示 冲床机构的自由度。 解：由于冲床机构中偏心轮2、构件3、4 、 5和冲头6是活动构件，所以 n 5 ； 转动副有 O1 、O2 、 A、B 、 C 和 D 等6 个，滑块6与机架1构成的移动副，没有高 副，所以 PL 7，PH 0 。 冲床机构的自由度

=
F 3n 2PL PH
3 5 2 7 0 1
3.3.2 机构自由度计算中的特殊情况处理
1.复合铰链（多个构件在同一处构成共轴线 的转动副） 2.局部自由度（某些构件局部独立运动 ）


3.虚约束（在机构运动分析中不产生实际约束效 果的重复约束，或称为消极约束） ⑴重复移动副（两个构件构成导路平行的多个移 动副） ⑵重复转动副（两个构件构成轴线重合的多个转 动副）