绪论、平面机构的运动简图及自由度计算

1、1任课教师：戴向云2009.2机械设计基础2 学习绪论的目的：学习绪论的目的：1.掌握机器和机构、构件和零件、通用零件和专用零件等概念；2.初步了解课程研究的对象和内容， 以及本课程的性质。3缝纫机、洗衣机、复印机、缝纫机、洗衣机、复印机、各种机床、汽车、拖拉机、起重机等各种机床、汽车、拖拉机、起重机等1.1.机器实例：机器实例：(1) (1) 内燃机：单缸四冲程内燃机：单缸四冲程燃气热能燃气热能 机械能机械能(2)(2)工业机器人：搬运物料工业机器人：搬运物料电能、液能对物体做功（有用功）电能、液能对物体做功（有用功）(3)(3)加工蛋糕搅拌机、加工蛋糕搅拌机、 摩天轮摩天轮电能电能 机械能

2、机械能4 内内 燃燃 机机 内燃机包含着齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。内燃机包含着齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等。5 工工件件自自动动装装卸卸装装置置 工件自动装卸装置包含着带传动机构、蜗工件自动装卸装置包含着带传动机构、蜗杆传动机构、凸轮机构和连杆机构等。杆传动机构、凸轮机构和连杆机构等。6打磨工件毛刺的工业机器人打磨工件毛刺的工业机器人 六自由度关节式工业机器人由空间开链机构组成，各关六自由度关节式工业机器人由空间开链机构组成，各关节驱动节驱动传动装置由驱动器和齿轮传动及同步带传动等机构传动装置由驱动器和齿轮传动及同步带传动等机构组成。组成。7 契比雪夫四足步行机器人契比雪夫四足步行机器

3、人8 中国科技大学的机器人表演中国科技大学的机器人表演千手观音千手观音。93.3.机器概念（机器概念（19891989年国家标准）年国家标准） 机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。（起重机、录音机）思考：思考：“收音机、电视机收音机、电视机”是否为机器？是否为机器？2.2.机器一般特征机器一般特征 1）人为的实体组合 2）各部分之间具有确定的相对运动 3）用来完成有用的机械功或转换机械能10（二）机构：（二）机构：是机器的组成部分，一台机器可以包含一个机构，也可以包含多个机构1.1.机构实例：内燃机机构实例：内燃机1）曲柄滑块机构 直移 旋转2）凸轮机构 旋转 直移3）齿

4、轮机构 旋转 旋转2.2.机构一般特征机构一般特征 具有机器前两个特征，无第三特征，即不做功，仅改变运动形式。 1）人为的实体组合 2）各部分之间具有确定的相对运动3.3.机构概念机构概念 机构是用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。一般情况下，为了传递运动和力，各构件间应有确定的相对运动。传递运动；传递运动；改变运动形式改变运动形式11（三）机器和机构的区别（三）机器和机构的区别1.1.机器分类机器分类（1）工作机器：实现其他种类的某种工作或工艺过程，完成有用的机械功，如机床、汽车、飞机等（2）动力机器：实现其他种类的能量与机械能之间的转换，如

5、电动机（3）信息机器：实现其他形式的信息与机械运动信息之间的传递与转换，如复印机2.2.现代机械组成现代机械组成（1）驱动系统：机械系统工作的动力源，如电动机和各种热力机（2）执行系统：直接实现机器特定功能的部分，包括执行机构和执行构件（3）传动系统：把原动机的动力和运动传递给执行系统的中间装置（4）控制系统：使驱动系统、传动系统、执行系统彼此协调工作并准确可靠地完成整个机械系统功能的装置。123. 机器与机构的区别机器与机构的区别（1）机构是一个构件系统，机器除了构件系统外还包括电气、液压等装置。（2）机构只用于传递运动和力，而机器除了传递运动和力外，还应当具有变换和传递能量、物料、信息的功

6、能。4. 在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构之间并无区别（都是进行运动的传递与变换），因间并无区别（都是进行运动的传递与变换），因此，习惯上用此，习惯上用“机械机械”作为机器和机构的总称作为机器和机构的总称。13二、零件和构件二、零件和构件1. 零件：零件：是制造的单元专用零件：用件通用零件：标准件、常 专用零件：在特定机器中用到，如涡轮机及汽轮机中的专用零件：在特定机器中用到，如涡轮机及汽轮机中的叶片、飞机的螺旋桨、内燃机的曲轴、活塞等叶片、飞机的螺旋桨、内燃机的曲轴、活塞等2. 构件：构件：是运动的单元，可以是单一的整体，也可以是由几个零件组

7、成的刚性结构（零件间无相对运动）。14机械原理机械原理机械设计机械设计2 2 本课程的研究内容本课程的研究内容通用零件（设计与计算） 联接：螺纹联接、键联接、销联接 传动: 带传动、链传动、齿轮传动、 蜗杆传动 轴与轴系零部件: 轴、轴承、联轴器 其它: 弹簧常用机构(组成原理、运动学和动力学)如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构15传动零件轴系零件联接零件附件机架16课程性质：课程性质：专业基础课先修课程：先修课程：机械制图、理论力学、材料力学、工程材料、互换性与技术测量、金工实习17 本章讨论的问题：1.构件间满足什么条件才具有确定的相对运动？ 自由度计算2.为了便于分析研究复杂

8、的机械的外形及结构，需要对其简化机构运动简图3.本章只讨论平面机构(所有的构件都在一个相互平行的平面内运动)第第2 2章章 平面机构的运动简图及自由度计算平面机构的运动简图及自由度计算18机构的组成：机构是通过构件间有机的连接而成机构的组成：机构是通过构件间有机的连接而成1 1 运动副及其分类运动副及其分类一、运动副一、运动副（有机的联接）（有机的联接）1.1.定义：两构件直接接触并能定义：两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接产生一定相对运动的联接分析一下接触形式的特点分析一下接触形式的特点2.2.运动副元素：运动副中参与运动副元素：运动副中参与接触的点、线、面接触的点、线、面19转动副2

9、0移动副21齿轮副22点高副点高副23圆柱副（空间）圆柱副（空间）24球销副球销副（空间）空间）25球副球副（空间）26螺旋副螺旋副（空间）27点高副点高副（空间）28线高副（空间）29二、平面运动副分类二、平面运动副分类（按运动副元素即接触特性分）（按运动副元素即接触特性分）低副低副: : 构成运动副的两 构件通过面接触移动副铰链）转动副(高副高副: :构成运动副的两 构件通过点或线接触30三、机构三、机构 = = 构件构件 + + 运动副运动副1.1.固定构件固定构件（机架）（机架） 是用来支撑活动构件（运动构件）的构件。研究机构中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系。 2. 2.

10、原动件原动件（主动件）（主动件） 是运动规律已知的活动构件。它的运动是外界输入的，也称为输入构件。3.3.从动件从动件 是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。其中输出预定运动的从动件称为输出构件，其他从动件则起传递运动的作用。 任何一个机构中，必有一个构件被相对地看作固定构件。任何一个机构中，必有一个构件被相对地看作固定构件。在活动构件中，必须有一个或多个原动件，其余的都是从动件。在活动构件中，必须有一个或多个原动件，其余的都是从动件。312 2 平面机构运动简图平面机构运动简图一、机构运动简图一、机构运动简图 不考虑与运动无关的构件外形和运动副具体结构； 只考虑与运动有关的运动副的类

11、型和构件的运动尺寸，用简单的线条、规定的符号表示构件和运动副，按比例定出运动副的位置而画出的简图。 表达各构件相对运动关系的简单图形表达各构件相对运动关系的简单图形( (表达机构运动的语言表达机构运动的语言) )32二、构件和运动副的表示方法二、构件和运动副的表示方法1.1.运动副的表示方法运动副的表示方法122121122转动副转动副121212121212移动副移动副高高 副副齿轮副齿轮副2112凸轮副凸轮副332.2.构件的表示方法构件的表示方法1) 1) 参与组成两个转动副的构件参与组成两个转动副的构件2) 2) 参与组成一个转动副参与组成一个转动副和一个移动副的构件和一个移动副的构件

12、3) 3) 参与组成三个转动副的构件参与组成三个转动副的构件机构机构= =构件构件+ +运动副，可绘制机构运动简图了运动副，可绘制机构运动简图了34三、机构运动简图绘制步骤三、机构运动简图绘制步骤1.分析机构，原动件工作部分，看清构件的数目以及构件间运动传递情况2.根据各构件相对运动，判定运动副类型、数目3.选投影面（选取多数构件的运动平面作为投影面），取适当比例尺 （ = 实际尺寸m/ 图上尺寸mm），确定各运动副之间的相对位置ll4.用规定符号画机构运动简图，标出原动件（从原动件开始画）35颚式破碎机及其机构运动简图36颚式破碎机37活塞泵38内燃机机构运动简图39403 3 平面机构的自

13、由度平面机构的自由度一、自由度与约束一、自由度与约束1. 1. 定义定义自由度：自由度：一个平面活动构件3个自由度约束：约束：对机构或构件运动的某种限制机构或构件所具有的独立运动数目412. 2. 运动副所产生的约束数运动副所产生的约束数转动副：转动副： 带来两个约束，保留一个自由度带来两个约束，保留一个自由度移动副：移动副：带来两个约束，保留一个自由度带来两个约束，保留一个自由度平面低副平面低副 ，引入，引入2 2个约束；个约束； 个低副，个低副，2 2 个约束个约束高副高副: : 带来一个约束；保留两个自由度带来一个约束；保留两个自由度 平面高副，引入平面高副，引入1 1个约束；个约束；

14、个高副，个高副， 个约束个约束xyxyxyxyLPLPHPHP42二、平面机构自由度计算公式二、平面机构自由度计算公式设平面机构有：设平面机构有：n n个活动构件个活动构件3n3n个自由度个自由度LP个平面低副个平面低副引入引入2 2 个约束个约束LPHP个平面高副个平面高副引入引入 个约束个约束HP该平面机构自由度：该平面机构自由度：HLPPnF23例例例例10423323043HLHLPPnFPPn，11524323154HLHLPPnFPPn，43三、机构具有确定运动的条件三、机构具有确定运动的条件机构自由度是机构具有的独立运动数目，机构自由度是机构具有的独立运动数目，而机构中只有原动件

15、具有独立运动而机构中只有原动件具有独立运动机构自由度机构自由度 = = 原动件数原动件数若：机构自由度若：机构自由度 原动件数原动件数1. 25243F原动件数原动件数 F F ，机构运动不确定机构运动不确定2. 14233F原动件数原动件数 F F ， 机构被破坏机构被破坏3. 06243FF F 0 0，机构（超）静定，机构（超）静定12345AEBCCDD1444五连杆机构：不确定运动45五连杆机构：具有确定运动46 机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件：F 0F 0，且，且 F = F = 原动件数原动件数F0，构件间无相对运动，不成为机构。F0,原动件数=F，运动确定原动件

16、数F，机构破坏47四、计算平面机构自由度时应注意的事项四、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虚约束481.1.复合铰链复合铰链：两个以上的构件同时：两个以上的构件同时 在一处用转动副联接在一处用转动副联接3 3个构件，个构件，2 2个转动副个转动副K K个构件，个构件，(K-1)(K-1)个转动副个转动副例例 110273F49 有些机构中，某些构件所产生的局部运动并不影响其它构有些机构中，某些构件所产生的局部运动并不影响其它构件的运动，把这些构件所产生的局部运动的自由度称为件的运动，把这些构件所产生的局部运动的自由度称为局部自局部自由度由度（计算时应去除）（计算时应去除）11

17、2223F优点：将滑动摩擦改为滚动摩擦优点：将滑动摩擦改为滚动摩擦2.2.局部自由度局部自由度503. 3. 虚约束虚约束：在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动起重复约束：在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动起重复约束 作用，这类约束称为作用，这类约束称为虚约束（计算时应去除虚约束（计算时应去除) )1 1）两构件在多处接触构成移动副，且）两构件在多处接触构成移动副，且移动方向彼此平行或重合移动方向彼此平行或重合，只有一，只有一 个移动副起作用，其余都是虚约束。个移动副起作用，其余都是虚约束。10423323043HLHLPPnFPPn，2 2）两构件在多处配合构成转动副，且）

18、两构件在多处配合构成转动副，且转动轴线重合转动轴线重合，只有一个转动副起，只有一个转动副起 作用，其余都是虚约束。作用，其余都是虚约束。51 3 3）两构件在多处接触而构成平面高副，且）两构件在多处接触而构成平面高副，且各接触点公法线彼此重合，各接触点公法线彼此重合， 只能算一个平面高副只能算一个平面高副 当两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点公法线并不重合时，当两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点公法线并不重合时，则计算多个高副则计算多个高副52 4 4）机构中对传递运动）机构中对传递运动不起独立作用不起独立作用的的对称对称部分部分12323323233HLHLPPnFPPn，AMB2314NO3O1104233FAMBN1O3O006243F53解解: 1.1.如不考虑上述因素，如不考虑上述因素，解得解得：K=9, n=K1=8原动件数 F 机构运动不确定结论错误！2.2.重解：重解： n=7，原动件数= F 机构有确定运