平面机构的结构分析-PPT演示文稿
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第一章 平面机构的结构分析
【教学目标】了解机构的组成，运动副、运动链、约束 和自由度等基本概念；掌握绘制机构运动简图的方法； 能计算平面机构的自由度；了解机构的组成原理并能进 行结构分析。
【重点难点】 重点：运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、 机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算。 难点：机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理。
运动副元素
机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。
(avi)
(avi)
2.构件（刚体）的自由度与约束 自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动参数的数目 （或确定构件位置的独立参变量的数目）。 约 束：对构件独立运动所施加的限制。
y
sy
z
(x , y)
O
x
sx
y
y
一个完全独立的刚体
y
在空间直角坐标系下的自
一、运动副(Joint，Kinematical Pair) 1.定义：两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接。 特点： （1）运动副是一种联接； （2）运动副由两个构件组成； （3）组成运动副的两个构件之间具有一定的相对运动。
转动副(avi)
移动副(avi)
运动副元素：组成 运动副的两构件上 的接触点、接触线 或接触面。
转向，如图(b)所示。
l
0.002 m mm
例1：绘制牛头刨床机构的运动简图:
(avi)
l 图 实示 际尺 尺寸 寸（ （mmm))
6 7H
G
5
F
2
B
3C D
1 A
4 E
例2：颚式破碎机
l 图 实示 际尺 尺寸 寸（ （mmm))
E
B A
2
4
6
3 C
D
5 F
G
例3：试绘制该机构运动简图:
(avi)
y
两构件保留的相对运动sz和z，
即自由度数 F 2。
两构件之间受限制的相对运动
sx，sy ，x和y，即约束数 S 4。
sz z
O
x
z
二、运动副的分类
机构运动副的类型决定机构的运动形式。 1.按约束数分 2.按接触情况分 3.按相对运动分
1.按约束数分
名
图形
称
Байду номын сангаас
球 面 高 副
柱 面 高 副
球 面 低 副
sy
x
由度(Degree of freedom)
O
为 sx ， sy ， sz ， x ， y ， z ，即自由度数F 6。
z x x
z
sz
O
sx 空间运动刚体的自由度
平面运动刚体的自由 z
y
度为sx，sy，z，即自由度
数 F 3。
sy
z
(x , y)
O
x
sx
平面运动刚体的自由度
如：观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pair)
齿轮副(avi)
三、运动链(Kinematical Chain)与机构 两个以上的构件通过运动副联接而成的相对可动系统。
开式运动链(avi) 机构(avi)
闭式运动链(avi)
在运动链中，若将其中 的一个构件取为机架并加 以固定，则该运动链便成 为机构。
运动链的类型：
1）按封闭形式分 闭式运动链(闭式链) 开式运动链(开式链)
b.区分构件 分清构件数、机架、原动件和从动件。
c.确定运动副的类型和个数 可用图(a)所示的机构拓扑
图，记录构件与运动副。
d.合理选择视图平面 通常选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面。 e.画机构示意图
一般先画固定导路和固定铰链，然后循着运动传递的路 线，依次画各运动副和构件。 2）再画机构运动简图 a.测量机构尺寸
球面高副(avi)
柱面高副(avi)
3.按相对运动形式分 空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动
球
螺
销
旋
副
副
平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动
4.平面运动副的类型（按两构件接触情况） 1.低副（F=1，S=2）
2.高副（F=2，S=1）
移动副(avi)
转动副(avi)
凸轮副(avi)
§1-1 研究机构结构的目的
平面机构：机构中所有构件均在一个或几个平行平面内运动。
2
2
3
1
3 1
4
4
(avi)
另有空间机构概念。
(avi)
研究目的之一：机构运动的可能性及具有确定运动的条件。 研究目的之二：研究机构运动简图的绘制方法。 研究目的之三：研究机构的组成原理。
§1-2 运动副、运动链和机构
摆 动 导 杆 机 构
摇 块 机 构
偏 心 泵 机 构
冲 床 机 构
§1-4 平面机构的自由度(Degrees of Freedom) 一、平面机构自由度的定义
1.定义：机构具有确定运动时所需的独立运动的数目称为机构 的自由度。也可理解为：为确定机构中所有活动构件的位置， 必须给定的独立广义坐标的数目。
2）按相对运动分 平面运动链 空间运动链
闭式运动链 开式运动链
空间运动链
§1-3 机构运动简图(Kinematical Diagrams)
1. 定义 为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的
外形和具体构造，而只用简单的线条和规定的符号代表构 件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组 成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的 最简明图形就称为机构运动简图。
只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系， 可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机 构示意图。
常用机构构件、运动副代表符号
2、绘制机构运动简图的步骤 总的思路是先画机构示意图，再画机构运动简图
下面结合偏心轮四杆机构模型，介绍机构运动简图的画法。 1）先画机构示意图 a.搞清机器的动作原理
C
2 B
1
A
1
4
3 D
什么是机构的独立运动？
(avi)
二、平面机构自由度的计算公式
机构的自由度=机构独立运动的数目 平面机构独立运动的数目为：所有活动构件自由度的总 数减去所有运动副引入的约束总数。 对于具有n个活动构件的平面机构，在没用运动副联接 起来之前，共有3n个自由度，若各构件之间共构成了pL个 低副和pH个高副，则它们共引入(2pL+pH)个约束。机构的 自由度F显然应为：
所测尺寸（杆长和角度等）应保证在原动件位置给定后，能画 出机构运动简图。如图(b)中，应测量4个杆长：lAB，lBC，lCD和lAD。
b.画机构运动简图
选择合适的长度比例尺：l
图 实示 际长 长(m 度 度 mm)
针对机构的一个瞬时运动位置，按比例尺l画出机构运动
简图，并依传递路线标出各构件的编号、运动副代号及原动件
表1-1 常用运动副及其简图
简图符号
副级 自由度 名 称
圆
柱
I
5套
筒
副
图形
简图符号
副级 自由度
IV
2
转
II
4动
副
V
1
移
III
3动
副
V
1
球
螺
销
IV
2旋
副
副
V
1
2.按接触情况分
低副：两构件以面接触所构 成的运动副。
移动副(avi)
球面低副(avi)
转动副 (avi)
高副：两构件以点或线接触所构成的运动副。
【教学目标】了解机构的组成，运动副、运动链、约束 和自由度等基本概念；掌握绘制机构运动简图的方法； 能计算平面机构的自由度；了解机构的组成原理并能进 行结构分析。
【重点难点】 重点：运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、 机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算。 难点：机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理。
运动副元素
机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。
(avi)
(avi)
2.构件（刚体）的自由度与约束 自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动参数的数目 （或确定构件位置的独立参变量的数目）。 约 束：对构件独立运动所施加的限制。
y
sy
z
(x , y)
O
x
sx
y
y
一个完全独立的刚体
y
在空间直角坐标系下的自
一、运动副(Joint，Kinematical Pair) 1.定义：两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接。 特点： （1）运动副是一种联接； （2）运动副由两个构件组成； （3）组成运动副的两个构件之间具有一定的相对运动。
转动副(avi)
移动副(avi)
运动副元素：组成 运动副的两构件上 的接触点、接触线 或接触面。
转向，如图(b)所示。
l
0.002 m mm
例1：绘制牛头刨床机构的运动简图:
(avi)
l 图 实示 际尺 尺寸 寸（ （mmm))
6 7H
G
5
F
2
B
3C D
1 A
4 E
例2：颚式破碎机
l 图 实示 际尺 尺寸 寸（ （mmm))
E
B A
2
4
6
3 C
D
5 F
G
例3：试绘制该机构运动简图:
(avi)
y
两构件保留的相对运动sz和z，
即自由度数 F 2。
两构件之间受限制的相对运动
sx，sy ，x和y，即约束数 S 4。
sz z
O
x
z
二、运动副的分类
机构运动副的类型决定机构的运动形式。 1.按约束数分 2.按接触情况分 3.按相对运动分
1.按约束数分
名
图形
称
Байду номын сангаас
球 面 高 副
柱 面 高 副
球 面 低 副
sy
x
由度(Degree of freedom)
O
为 sx ， sy ， sz ， x ， y ， z ，即自由度数F 6。
z x x
z
sz
O
sx 空间运动刚体的自由度
平面运动刚体的自由 z
y
度为sx，sy，z，即自由度
数 F 3。
sy
z
(x , y)
O
x
sx
平面运动刚体的自由度
如：观察图示两构件组成的圆柱副(Cylindric pair)
齿轮副(avi)
三、运动链(Kinematical Chain)与机构 两个以上的构件通过运动副联接而成的相对可动系统。
开式运动链(avi) 机构(avi)
闭式运动链(avi)
在运动链中，若将其中 的一个构件取为机架并加 以固定，则该运动链便成 为机构。
运动链的类型：
1）按封闭形式分 闭式运动链(闭式链) 开式运动链(开式链)
b.区分构件 分清构件数、机架、原动件和从动件。
c.确定运动副的类型和个数 可用图(a)所示的机构拓扑
图，记录构件与运动副。
d.合理选择视图平面 通常选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面。 e.画机构示意图
一般先画固定导路和固定铰链，然后循着运动传递的路 线，依次画各运动副和构件。 2）再画机构运动简图 a.测量机构尺寸
球面高副(avi)
柱面高副(avi)
3.按相对运动形式分 空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动
球
螺
销
旋
副
副
平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动
4.平面运动副的类型（按两构件接触情况） 1.低副（F=1，S=2）
2.高副（F=2，S=1）
移动副(avi)
转动副(avi)
凸轮副(avi)
§1-1 研究机构结构的目的
平面机构：机构中所有构件均在一个或几个平行平面内运动。
2
2
3
1
3 1
4
4
(avi)
另有空间机构概念。
(avi)
研究目的之一：机构运动的可能性及具有确定运动的条件。 研究目的之二：研究机构运动简图的绘制方法。 研究目的之三：研究机构的组成原理。
§1-2 运动副、运动链和机构
摆 动 导 杆 机 构
摇 块 机 构
偏 心 泵 机 构
冲 床 机 构
§1-4 平面机构的自由度(Degrees of Freedom) 一、平面机构自由度的定义
1.定义：机构具有确定运动时所需的独立运动的数目称为机构 的自由度。也可理解为：为确定机构中所有活动构件的位置， 必须给定的独立广义坐标的数目。
2）按相对运动分 平面运动链 空间运动链
闭式运动链 开式运动链
空间运动链
§1-3 机构运动简图(Kinematical Diagrams)
1. 定义 为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的
外形和具体构造，而只用简单的线条和规定的符号代表构 件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组 成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的 最简明图形就称为机构运动简图。
只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系， 可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机 构示意图。
常用机构构件、运动副代表符号
2、绘制机构运动简图的步骤 总的思路是先画机构示意图，再画机构运动简图
下面结合偏心轮四杆机构模型，介绍机构运动简图的画法。 1）先画机构示意图 a.搞清机器的动作原理
C
2 B
1
A
1
4
3 D
什么是机构的独立运动？
(avi)
二、平面机构自由度的计算公式
机构的自由度=机构独立运动的数目 平面机构独立运动的数目为：所有活动构件自由度的总 数减去所有运动副引入的约束总数。 对于具有n个活动构件的平面机构，在没用运动副联接 起来之前，共有3n个自由度，若各构件之间共构成了pL个 低副和pH个高副，则它们共引入(2pL+pH)个约束。机构的 自由度F显然应为：
所测尺寸（杆长和角度等）应保证在原动件位置给定后，能画 出机构运动简图。如图(b)中，应测量4个杆长：lAB，lBC，lCD和lAD。
b.画机构运动简图
选择合适的长度比例尺：l
图 实示 际长 长(m 度 度 mm)
针对机构的一个瞬时运动位置，按比例尺l画出机构运动
简图，并依传递路线标出各构件的编号、运动副代号及原动件
表1-1 常用运动副及其简图
简图符号
副级 自由度 名 称
圆
柱
I
5套
筒
副
图形
简图符号
副级 自由度
IV
2
转
II
4动
副
V
1
移
III
3动
副
V
1
球
螺
销
IV
2旋
副
副
V
1
2.按接触情况分
低副：两构件以面接触所构 成的运动副。
移动副(avi)
球面低副(avi)
转动副 (avi)
高副：两构件以点或线接触所构成的运动副。