机械原理 第一章 构件 约束 运动副
机械原理——构件、约束、运动副
可以通过加入中间元件改善磨损状况 无摩擦的柔顺机构
2.3运动副及其分类 如果仅仅考虑构件之间接触所提供的 运动约束的类型，这种对构件之间的 物理连接所作的理想化的描述定义为 运动副。
2.3.2.1 力闭合运动副、形闭合运动副 及材料闭合运动副
力闭合运动副
第2章 构件、约束和运动副
机械运动 约束运动
接触 点\线\面
2.1 构件及其分类 2.1.1构件 运动单元体
2.1.2构件的类型 刚性构件，拉曳件 机架、原动件和从动件
2.2 构件的运动约束
空间自由运动的构件有6个自由度
平面自由运动的构件有3个自由度
y
y
x
z
x
构件接触形成约束，约束性质与接触方式相关
形闭合运动副
材料闭合运动副
2.3.2.2 平面运动副和空间运动副
常见的平面运动副有移动副、转动 副和曲线副
（a)
(b)(c)(d)源自空间运动副2.3.2.3 低副和高副
高副，构件之间为一个点或一条线接触 低副，构件之间为平面或圆柱面接触
2.3.2.4 运动副的级
根据运动副所引入的约束数可以将运动副分为五 级：引入一个约束的运动副为Ⅰ级副，引入两个约束 的运动副为Ⅱ级副，依次类推，还有Ⅲ级副、Ⅳ级副， 最多为Ⅴ级副。
分析图示机器人机构构件和运动副组成
至少有三个活动构 件、机架和三个移 动副组成
直角坐标机械手 柱坐标机械手 极坐标机械手
机构设计鉴赏
肘关节设计
y
x
z
j
Pi
j i
y
j
j
x
i
i
2.2.1构件之间的运动 自由度与约束数的关 系
（完整版）机械原理笔记
（完整版）机械原理笔记第⼀章平⾯机构的结构分析1.1 研究机构的⽬的⽬的：1、探讨机构运动的可能性及具有确定运动的条件2、对机构进⾏运动分析和动⼒分析3、正确绘制机构运动简图1.2 运动副、运动链和机构1、运动副：两构件直接接触形成的可动联接（参与接触⽽构成运动副的点、线、⾯称为运动副元素）低副：⾯接触的运动副（转动副、移动副），⾼副：点接触或线接触的运动副注：低副具有两个约束，⾼副具有⼀个约束2、⾃由度：构件具有的独⽴运动的数⽬（或确定构件位置的独⽴参变量的数⽬）3、运动链：两个以上的构件以运动副联接⽽成的系统。
其中闭链：每个构件⾄少包含两个运动副元素，因⽽够成封闭系统；开链：有的构件只包含⼀个运动副元素。
4、机构：若运动链中出现机架的构件。
机构包括原动件、从动件、机架。
1.3 平⾯机构运动简图1、机构运动简图：⽤简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副并按⼀定的⽐例表⽰各运动副的相对位置。
机构⽰意图：不按精确⽐例绘制。
2、绘图步骤：判断运动副类型，确定位置；合理选择视图，定⽐例µｌ；绘图（机架、主动件、从动件）1.4 平⾯机构的⾃由度1、机构的⾃由度：机构中各活动构件相对于机架的所能有的独⽴运动的数⽬。
F=3n - 2p L - p H（n指机构中活动构件的数⽬，p L指机构中低副的数⽬，p H指机构中⾼副的数⽬)⾃由度、原动件数⽬与机构运动特性的关系：1）：F≤0时，机构蜕化成刚性桁架，构件间不可能产⽣相对运动2）：F > 0时，原动件数等于F时，机构具有确定的运动; 原动件数⼩于机构⾃由度时，机构运动不确定; 原动件数⼤于机构⾃由度，机构遭到破坏。
2、计算⾃由度时注意的情况1）复合铰链：m个构件汇成的复合铰链包含m-1个转动副（必须是转动副，不能多个构件汇交在⼀起就构成复合铰链，注意滑块和盘类构件齿轮容易漏掉，另外机架也是构件。
2) 局部⾃由度：指某些构件（如滚⼦）所产⽣的不影响整个机构运动的局部运动的⾃由度。
机械原理第一章构件约束运动副
2 空间副
指的是构件约束运动副在三维空间中进行约 束运动的一种形式。
构件约束运动副的特点
1 刚性
构件约束运动副具有一定的刚性，能够保持约束的稳定性。
2 全向约束
构件约束运动副能够限制构件在多个方向上的运动。
构件约束运动副的应用
机械装置
构件约束运动副广泛应用于各种机械装置中，如汽车发动机、工业机器人等。
构件约束运动副的设计
设计原则
构件约束运动副的设计应考虑运动要求、力学性能以及生产工艺等因素。约束运动副能够提高机械装置的稳定性和运动精度。
2 缺点
构件约束运动副可能增加装置的成本和复杂度。
构件约束运动副的发展前景
1 应用领域扩大
随着科技的进步，构件约束运动副在机械工程领域的应用将会更加广泛。
机械原理第一章构件约束 运动副
构件约束运动副是机械工程中一种重要的机构，用于实现机械装置的约束运 动功能。本章将介绍其定义、分类以及应用。
构件约束运动副的定义
1 定义
构件约束运动副指的是用于限制构件在给定条件下运动自由度的一种装置。
构件约束运动副的分类
1 平面副
指的是构件约束运动副在平面内进行约束运 动的一种形式。
机械原理复习
机械原理复习第2章机构的结构分析1.学习要求1)搞清构件、运动副、约束、⾃由度及运动链等重要概念。
2)能绘制⽐较简单的机械的机构运动简图。
3)能正确计算平⾯机构的⾃由度,并能判断其是否具有确定的运动;对空间机构⾃由度的计算有所了解。
4)对虚约束对机构⼯作性能的影响及机构结构合理设计问题的重要性有所认识。
52.学习的重点及难点本章的重点:构件、运动副、运动链等的概念,机构运动简图的绘制,机构具有确定运动的条件及机构⾃由度的计算。
本章的难点:机构中虚约束的判定问题。
⾄于平⾯机构中的⾼副低代则属于拓宽知识⾯性质的内容。
3. 基本概念题)对平⾯机构的组成原理有所了解。
1)何谓构件?构件与零件有何区别?2)何谓⾼副?何谓低副?在平⾯机构中⾼副和低副⼀般各带⼊⼏个约束?3)何谓运动链?运动链与机构有何联系和区别?4)何谓机构运动简图?它与机构⽰意图有何区别?绘制机构运动简图的⽬的和意义是什么?绘制机构运动简图的主要步骤如何?5)何谓机构的⾃由度?在计算平⾯机构的⾃由度时应注意哪些问题?6）机构具有确定运动的条件是什么? 若不满⾜这⼀条件,机构将会出现什么情况?4. 运动简图绘制题4-1 试画出图⽰泵机构的机构运动简图,并计算其⾃由度。
5. ⾃由度计算题计算下列各图所⽰机构的⾃由度，并指出复合铰链、局部⾃由度和虚约束所在位置第三章平⾯机构的运动分析1.学习要求1)正确理解速度瞬⼼(包括绝对瞬⼼及相对瞬⼼)的概念,并能运⽤“三⼼定理”确定⼀般平⾯机构各瞬⼼的位置。
2)能⽤瞬⼼法对简单⾼、低副机构进⾏速度分析。
3)能⽤⽮量⽅程图解法或解析法对Ⅱ级机构进⾏运动分析。
2.学习的重点及难点本章的学习重点是对Ⅱ级机构进⾏运动分析。
难点是对机构的加速度分析,特别是两构件重合点之间含有哥⽒加速度时的加速度分析。
3. 基本概念题1)何谓速度瞬⼼?相对瞬⼼与绝对瞬⼼有何区别?2)何谓三⼼定理?3)速度瞬⼼法⼀般适⽤于什么场合?能否利⽤速度瞬⼼法对机构进⾏加速度分析?4)何谓速度影像和加速度影像,应⽤影像法必须具备什么条件?要注意哪些问题?5)既然每⼀个构件与其速度图和加速度图之间都存在影像关系,那末整个机构也存在影像关系,对吗?机构中机架的影像在图中的何处?4. 运动分析题4-1 图⽰机构构件l等速转动，⾓速度为。
西南交大机械原理课件第1章构件约束和运动副
分析图示机器人机构构件和运动副组成
至少有三个活动构件、机架和三个移动副组成
15
第1章 构件、约束和运动副
1.1 构件及其分类 1.1.1构件 运动单元体
机械一般都是由许多机械零件组合而成的。 所谓零件，是制造、加工的单元体。 构件是运动时的单元体，而零件是制造时的 单元体。
1
图2---1单缸内燃机的组成及组成连杆的零件
内燃机的缸体为机架，活塞为原动件，曲柄和连杆 均为从动件，驱动其他机械所需要的力和运动通过曲柄 得到，因此，曲柄为输出构件，而连杆为传动构件。
凸轮机构
滚动轴承 也是转动副
图1---11 平面曲线副 （齿轮）
10
图1---8 万向轮
11
12
空间运动副（P12）
螺旋副
圆柱副
图1---6球铰链
螺旋副允许相对转动和沿着转动轴线方向的移动，这两 个相对运动不是独立的，所以，螺旋副有一个自由度； 圆柱副允许转动，并且允许独立于转动的沿着转动轴线 方向的移动，圆柱副有两个自由度。 （P11 ）
a两个构件b直接接触c有相对运动运动副元素形成运动副的构件之间相接触1321力闭合运动副形闭合运动副及材料闭合运动副p11了解1322平面运动副和空间运动副平面运动副如果形成运动副的一个构件的副元素的所有点相对另一构件的副元素的对应点的运动轨迹均为在相互平行的平面内的平面曲线则这样的运动副为平面运动副
以后详讲）
图1-3 两个构件点接触形成一个约束
4
1.2.1构件之间的自由度与约束 自由度 N 约束 S 空间N+S=6 平面N+S=3
利用点、线、面接触构成各种运动约束
对于运动在同一平面XOY上的两个构件来说，其相对运 动则可以分解为三个独立的运动，即沿轴X、Y的移动和绕 垂直于XOY平面的轴的转动。因此，作平面运动的两个自由 构件之间具有三个自由度。 (P8)
机械原理 第4版 第一章 机构的结构设计
（2）运动副符号
运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。 各种常用运动副模型 常用运动副的符号表
3.运动链
构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。
闭式运动链（简称闭链） 开式运动链（简称开链）
2
3
1
4
平面闭式运动链
2 3
1 4
空间闭式运动链
23
1
4
平面开式运动链
4
3
5
2 1
空间开式运动链
右图所示为一铰链四杆机构，该机构 具有4个构件，活动构件数n为3，低副数 PL=4，高副数PH=0。根据机构自由度计算 公式，该机构的自由度为
F=３n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1
此机构的自由度为1，即机构中各构件 相对于机架所能有的独立运动数目为1。
通常机构的原动件都是用转动副和移 动副与机架相联，因此每一个原动件只能 输入一个独立运动。
为了表明机器的组成状况和结构特征，不按严格
比例来绘制的简图通常称为机构示意图。
常用机构构件、运动副代表符号
双副构件 (一个构件和两个外副)
注：点划线表示与其联 接的其他构件
双副构件 (一个构件和两个外副)
三副构件 (一个构件和三个外副)
三副构件 (一个构件和三个外副)
原动机
二）、机构运动简图的绘制
空间闭式运动链
23
1
4
平面开式运动链
4
3
5
2 1
空间开式运动链
机构的组成(4/4)
机构 具有固定构件的运动链称为机构。
2 从动件
机 架 ——机构中的固定构件； 一般机架相对地面固定不动， 但当机 构安装在运动的机械上时则是运动的。
机械原理第一章 平面机构组成原理及其自由度分析
机构自由度与能运动的条件为：机构自由度数大于等于1。 （二）机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目等 于机构的自由度数。 由于平面机构的每个驱动副一般只有一个自由度，此时，机 构具有确定运动的条件又可表述为：机构驱动副数应等于机构的 自由度数。对驱动副位于机架的机构，与驱动力相连的构件为主 动构件，或称为原动件。故这时该类机构具有确定运动的条件又 可表述为：机构原动件数应等于自由度数。
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 运动的运动副。
按运动副对被联接的两构件相对运动约束数的不同分为： 低副——两构件通过面接触而构成的运动副； 高副——凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副。
4）选择适当的长度比例尺l（ l =实际尺寸/图示长度），定出 各运动副的相对位置，绘制机构运动简图。从原动件开始，按运 动传递路线，顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件 上标明箭头方向即其运动方向。
例1-1-1：绘制图示颚式破碎机的运动简图 分析：该机构有6个构件和7个转动副。
颚式破碎机构
机构运动简图
第二节 平面机构自由度分析及应用举例
一、运动副的自由度和约束
运动副对该两构件独立运动所加的限制称为约束。约束数目 等于被其限制的自由度数。组成运动副两构件间约束的特点和数 目取决于该运动副的型式。 （一）转动副
只能绕垂直于xoy平面的轴的相对转动 （二）移动副 只能沿x轴方向移动
（三）高副
绘制机构运动简图的步骤与方法：
1）对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况和运动 情况，确定其组成的各构件，哪些构件为原动件、哪一构件为机 架和哪些构件为从动件 。 2）沿着运动传递路线，从原动件开始，逐一分析每两个构件间 相对运动的性质，并确定运动副的类型和数目。
机械原理题库第一章、机构结构分析
00002、具有、、等三个特征的构件组合体称为机器。
00003、机器是由、、所组成的。
00004、机器和机构的主要区别在于。
00005、从机构结构观点来看，任何机构是由三部分组成。
00006、运动副元素是指。
00007、构件的自由度是指；机构的自由度是指。
00008、两构件之间以线接触所组成的平面运动副，称为副，它产生个约束，而保留了个自由度。
00009、机构中的运动副是指。
00010、机构具有确定的相对运动条件是原动件数机构的自由度。
00011、在平面机构中若引入一个高副将引入______个约束，而引入一个低副将引入_____个约束，构件数、约束数与机构自由度的关系是。
00012、平面运动副的最大约束数为，最小约束数为。
00013、当两构件构成运动副后，仍需保证能产生一定的相对运动，故在平面机构中，每个运动副引入的约束至多为，至少为。
00014、00015、计算机机构自由度的目的是__________________________________________________________。
00016、在平面机构中，具有两个约束的运动副是副，具有一个约束的运动副是副。
00017、计算平面机构自由度的公式为F ，应用此公式时应注意判断：(A)铰链，(B) 自由度，(C) 约束。
00018、机构中的复合铰链是指；局部自由度是指；虚约束是指。
00019、划分机构的杆组时应先按的杆组级别考虑，机构的级别按杆组中的级别确定。
00020、机构运动简图是的简单图形。
00021、在图示平面运动链中，若构件1为机架，构件5为原动件，则成为级机构；若以构件2为机架，3为原动件，则成为级机构；若以构件4为机架，5为原动件，则成为级机构。
00022、机器中独立运动的单元体，称为零件。
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( )00023、具有局部自由度和虚约束的机构，在计算机构的自由度时，应当首先除去局部自由度和虚约束。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
按在机械传动中的功能分类：
机 构件分成 活动构件 从动件 机 架：机架是指要被固定、而作为机构运动的参考 系的构件 。 原动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件，又称主 动件。 从动件：在机构中除机架和原动件以外的其余构件则称 为从动件 。
动画链接1 2
架（或固定构件） 原动件（主动件）
机架 原动件
从动件
传动构件
从动件
输出构件
按照其几何和运动特征进行分类：
如齿轮、凸轮、摩擦轮、滑块、导槽、杆件等
滑块、导槽、杆件
动画链接
广义来讲，随着科学技术的不断发展，机构中的构件可 以是有形的，也可以是无形的，只要它在传递运动和力或在 运动的导引的过程中能完成一些确定的运动任务，我们都可 以将其视为一个构件。例如：液态介质或气态介质、可塑性 的颗粒状物质等等，只要这些物质能够充满所提供的空腔， 在运动的传递过程中起到了必不可少的作用，都可以看作为 压力构件；机械运动的计算机控制程序等也可以看作是一个 构件。
只有1个自由度
用平面和曲面构造约束：用四个平面构造的相对移动约束
只有1个自由度
约束中加入中间元件，改变接触处的摩擦状态 滑动摩擦
滚动摩擦
钢球
滑动摩擦
保持架
滚动摩擦
2-9(b)
2-9(c)
1.4
1.4.1
运动副及其分类
运动副
运动副：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运 动的联接。
三个条件，缺一不可
第一章 构件、约束和运动副
1.2 构件及其分类
构件和零件是两个不同的概念：构件是运
动时的单元体，而零件是制造时的单元体。
构件是由一个或若干个零件组成。
这些零件之间没有任何的相对运动。
动画链接1 2
构件的类型
按抗载能力分类：
刚性构件:在机构的运动过程中， 构件上任意两点之间的距离是保持不变 构件上任意两条直线所夹的角度也是保 持不变 弹性构件:构件有弹性变形 拉曳件:主要承受拉力的构件
相对移动约束
不同的连接方式，产生相同的运动约束
1. 3. 2
约束力
约束是以约束力的方式对构件的运动产生影响
约束力是通过约束与被约束物体之间的相互接触而产生
约束力与接触面的物理性质和约束的结构形式有关
n
k
O
C
FR
FR
n
FR
光滑接触的约束力
1.3.3
构件运动约束的设计
约束设计就是确定出约束的具体结构。 用平面和曲面构造约束：利用轴和孔的圆柱面、圆环 断面构成的相对转动约束
空间运动副 －形成运动副的一个构件的运动副元素 上的各点相对另一构件运动副元素的对应点的运动轨 迹分布于空间或是在空间排列着的诸平面内 。
平面运动副
转动副:相对运动轨迹为圆弧，相对运动只 是旋转运动 ，自由度为 1 移动副:相对运动轨迹为直线，相对运动只 是直线移动 ，自由度为 1
空间运动副
结论：
构件之间的自由度与约束 ◆空间 N+S=6 ◆平面 N+S=3 其中：N——自由度 S——约束
可拆卸焊接烧锅的固定装置的设计 焊接烧锅 A 固定件 B
三棱锥形孔
支脚
V形槽
用点接触构造约束
三棱锥形孔：约束所有的移动
y z x
V形槽：约束绕轴X和y转动
相对移动约束
不同的连接方式，产生相同的运动约束
二、 按相对运动范围分： 平面运动副－平面运动(Plannar kinematic pair)
平面运动副 －形成运动副的一个构件的运动副元素 上的各点相对另一构件运动副元素的对应点的运动 轨迹均为位于各平行平面内的平面曲线 。
空间运动副－空间运动(Spatial kinematic pair )
两者关联
球面副球面副Biblioteka 自由度为3螺旋副圆柱副
螺旋副:相对运动轨迹为螺旋线，非独立转动+移动 ，自由度为1
圆柱副:独立的转动＋移动，自由度为2
三、按运动副接触形式分类 低副(lower pair)：面接触，应力低
高副(high pair)：点、线接触，应力高
转动副 移动副 螺旋副 球面副 圆柱副
高副：可使相联接的两构件间形成极其多样的相对运动
球面—平面副
圆柱—平面副
思考:XY移动
高副（续）
链接1
2
运动副特点：
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：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。 例： 圆柱副（Ⅳ级）+圆柱-平面副 Ⅴ级移动副
a)两个构件 b) 直接接触 c) 有相对运动
运动副元素: 直接接触的部分（点、线、面）
作者：潘存云教授
1.4.2
运动副的分类
一、按运动副的闭合分类
力闭合运动副
形闭合运动副
材料闭合运动副
力闭合运动副
由外力作用来保持构件的接触，外力通常为弹簧力或 重力等
形闭合运动副
材料闭合运动副
由柔性材料所构成的运动副
y
构件 2
构件1
分别沿轴x、y的移动 绕垂直于xoy平面的轴的转动 x
O
动画链接
约束: 使得机构的自由度减少的条件
任意两个构件之间约束数目＝其自由度减少的数目 两个构件之间的约束数＋自由度数＝6 运动约束因构件之间相互接触而产生
一个光滑平面接触的约束数目为 3
一个光滑点接触的约束数目为 1
四、按引入的约束数分类 I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副
I 级副：球面—平面副
II 级副:圆柱—平面副
III级副: 球面副
IV 级副:圆柱副
V 级副
两者关联
转动副
移动副
螺旋副
常用的运动副
V级副 ： 转动副、 移动副、 螺旋副
Ⅳ级副：圆柱副
、
环副
Ⅲ级副：球面副 Ⅱ级副：圆柱-平面副 Ⅰ级副：球面-平面副。
1.3 构件的运动约束
1.3.1 构件之间的运动自由度与约束
自由度：一个构件相对另一个构件可能出现 的独立运动。每一种独立的相对运动就是一 个运动的自由度。
y
构件2
O
构件1
x
动画链接
z 空间两个自由构件之间有6个自由度
平面机构的特点是机构中所有构件都在同一 个平面或相互平行的平面内运动。 平面自由运动的构件有3个自由度。