实验11 机构结构分析及运动简图
(整理)机构运动简图测绘与分析实验
实验一、机构运动简图测绘与分析实验二、实验预习内容机构组成要素、机构自由度及机构运动简图方面的有关概念，见表1-1。
表1-1常用机构构件、运动副代表符号四、实验方法及步骤1．分析机构的运动情况，判别运动副的性质通过观察和分析机构的运动情况和实际组成，先搞清楚机构的原动部分和执行部分，使其缓慢运动，然后循着运动传递的路线，找出组成机构的构件，弄清各构件之向组成的运动副类型、数目及各运动副的相对位置。
2．恰当地选择投影面选择时应以能简单、清楚地把机构的运动情况表示清楚为原则。
一般选机构中多数构件的运动平面为投影面，必要时也可以就机械的不同部分选择两个或多个投影面，然后展开到同一平面上。
3．选择适当的比例尺根据机构的运动尺寸，先确定出各运动副的位置（如转动副的中心位置、移动副的导路方位及高副接触点的位置等），并画上相应的运动副符号，然后用简单的线条和规定的符号画出机构运动简图，最后要标出构件号数、运动副的代号字母以及原动件的转向箭头。
4．计算机构自由度并判断该机构是否具有确定运动在计算机构自由度时要正确分析该机构中有几个活动构件、有几个低副和几个高副。
并在图上指出机构中存在的局部自由度、虚约束及复合铰链，在排除了局部自由度和虚约束之后，再利用公式计算机构的自由度，检查计算的自由度数是否与原动件数目相等，以判断该机构是否具有确定运动．实验二、齿轮范成原理及齿轮参数测定齿轮加工方法基本上有两种—范成法和仿型法。
由于范成法可以用一把刀具加工出不同齿数和变位系数的渐开线齿轮，同时具有较高的加工精度，故以范成法应用最广。
范成法是利用一对齿轮互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的。
加工时其中一个为刀具，另一个为轮坯，它们和一对真正的齿轮互相啮合传动一样保持着固定的角速比传动，同时刀具还沿着轮坯的轴向作切削运动，这样得到齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。
若用渐开线作为刀具的齿廓，则包络线必为渐开线．由于实际加工时看不到刀刃在各个位置形成的过程，故通过齿轮范成仪来实现轮坯与刀具间的传动过程，并用铅笔将刀具刀刃的各个位置描绘在图纸上，这时我们就能清楚地观察到齿轮范成的过程。
机构运动简图测绘与分析试验
图 10 摆动导杆机构+对心滑块机构 构件 1 为主动件，以角速度ω1 匀速转动。 结构特点：该机构由摆动导杆机构和摆杆滑块机构构成；滑块 5 导路延长线通过铰链 A。
构件 1 可由齿轮取代（齿轮上不在其回转中心的孔为铰链 B 的位置）。杆件 1、3、4 和 AC 尺寸可在允许范围内调整。 11、曲柄摆块-齿轮齿条机构：
6、加荷后在试样上保持载荷时间约 10 秒，然后缓缓摇动手柄卸除主载荷（在 2 －3 秒钟内卸除完毕），而预载荷仍然作用在试样上。此时长指针则沿顺时针方 向转动，静止位置所指的数字即表示所测的洛氏硬度值。
7、转动手轮卸除预载荷，取出试样。 8、测量硬度时，在同一试样须进行三点以上试验。若计算硬度时应取平均值， 但第一点的试验结果不应取用。
五、思考题
1、通过本实验，阐述机构运动简图的内涵。机构运动简图应准确反映实际机构中的哪些内 容？ 2、绘制机构运动简图时，原动件的位置如何确定？是否会影响简图的正确性？ 3、机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？机构具有确定运动的条件是什么？ 4、对所测绘的机构能否改进和创意新的机构运动简图？
所需零件： 连杆 1、3、4、5，带转动 副的滑块 2
图 13 导杆-摇杆机构（滑块 B 在左极限位置时，角位移传感器零位 ω1=30 转/分） 杆件 1 为主动件，以角速度ω1 匀速转动。 结构特点：该机构由曲柄导杆机构和双摇杆机构构成。曲柄 1 可由齿轮构成，滑块 2
的铰链拼装在齿轮上不在回转轴线的孔中。构件 1、AC、CF、构件 4、5 尺寸均可在允许范 围内调整。
所需零件： 连杆 1、2，带滑块 3 的齿轮 Z1， 与齿轮相啮合的齿条
图 11 曲柄摆块-齿轮齿条机构 构件 1 为主动件，以角速度ω1 匀速转动。 结构特点：该机构由曲柄摆块机构和齿条齿轮机构组成；齿条中线平行于导杆 2，齿轮 Z1 空套在滑块 3 的轴上，即：齿轮 Z1 和滑块 3 可相对转动。导杆 2 在滑块 3 中移动并随滑 块 3 摆动时带动齿条运动，并使齿轮 Z1 转动。 构件 1 可由齿轮取代，构件 1 和 AC 尺寸均可在允许范围内调整。 12、正弦机构：
机构的组成及运动简图的绘制
定义：最简单的F＝0的构件组，称为基本杆组。
举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。
2 1 3 4 5 7 8 6
结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆
组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机
构上，构成了该八杆机构。 推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本
机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。
§1.4 机构具有确定运动的条件
1
2
θ 1 S’3 S3 3 1 θ
2
3
1
4 θ
4
给定S3＝S3(t)，一个独立参数 θ1＝θ1（t）唯一确定，该机 构仅需要一个独立参数。
若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2、 θ3、 θ4 均 不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4 ，则 θ3 、θ2 能唯一确定，该机构需要两个 独立参数 。
自由度数 1（θ） + 1（x） + 2（x,θ） +
约束数 2（x，y） =3 2（y，θ）=3 1（y） =3
结论：构件自由度＝3－约束数
§1.3
活动构件数 数 n
平面机构的自由度计算
构件总自由度 3× n 低副约束数 2 × PL (低副数) 高副约束
1 × Ph (高副数)
计算公式： F=3n－(2PL +Ph ) 要求：记住上述公式，并能熟练应用。
1
a)原动件作移动 (如直线 电机、流体压力作动筒)。
b)原动件作转动 (如电动 机 )。
2
1
2
2.基本杆组 机构具有确定运动的条件是原动件数＝自由度。 现设想将机构中的原动件和机架断开，则原动件 与机架构成了基本机构，其F＝1。剩下的构件组 必有F＝0。将构件组继续拆分成更简单F＝0的构 件组，直到不能再拆为止。
11凸轮机构运动参数的测定
课题十一凸轮机构运动参数的测定凸轮机构主要是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
从动件与凸轮轮廓接触，传递动力和实现预定的运动规律故从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线。
由于组成凸轮机构的构件数较少，结构比较简单，只要合理地设计凸轮的轮廓曲线就可以使从动件获得各种预期的运动规律。
凸轮机构能将主动件的连续运动转变为从动件的移动或转动，因而广泛用于各种机械中，特别是自动机械、自动线中的机械控制装置中。
1．凸轮机构运动参数的测定实验台及其工作原理进行凸轮机构运动参数的测定实验台有多种形式，现以如图11—1所示的连杆机构与凸轮组合实验台，完成凸轮机构运动参数的测定。
图11—1 连杆机构与凸轮组合实验台a）b）图11—2 凸轮机构实验台的运动简图1--同步脉冲发生器 2—减速器 3--电机 4—传感器5--光栅盘 6--凸轮 7--平底直动从动件 8--回复弹簧9--滑块 10--滚子直动从动件如图11—2a）、b）所示，凸轮机构的实验台是电机、减速器、凸轮、直动从动件、滑块、传感器、同步脉冲发生器、光栅盘和回复弹簧等组成。
通过调速器调节电机的转速输出后，经蜗杆减速器带动凸轮转动，驱动从动件运动，其位移量通过直线位移传感器由模/数转换模块在嵌入式计算机系统的控制下，将位移量转换成数字信号，计算出其往复移动的周期、线速度、线加速度等机构运动参数。
也可更换不同廓线的盘形凸轮，从而调节从动件的偏心距。
2．凸轮机构运动参数的测定实验注意事项(1) 调节电机的转速时应缓慢转动调速旋钮，在关闭实验台电源前，应将电动机的转速调到最小。
(2) 用手转动凸轮盘1～2 周，检查各运动构件的运行状况，各螺母紧固件应无松动，各运动构件应无卡滞现象。
(3) 测试时，凸轮的转速不应过高，以免产生大的冲击，造成零件损坏。
(4) 调节从动件偏心距时，偏心距不宜过大，否则有可能使凸轮机构卡死，造成零件损坏。
机构运动简图
机构运动简图
实例说明－偏心轮机构运动简图绘制
1）分析机构的运动传递路线
➢该机构有哪些构件所组成？
➢各活动构件作何种形式的运动？
➢有几个何种类型的运动副？
➢偏心轮同连杆组成何种运动副？
2）偏心轮为原动件作定轴转动，其几何中心也
即偏心轮与连杆组成转动副的中心。
偏心轮几
何中心至转轴的距离为定值，因此偏心轮在机
构运动中的作用相当于一个曲柄的作用。
故该
机构实为偏置曲柄滑块机构。
3）因为构件只需用一条线表示即可，故再按规
定绘制成合格的机构运动简图（图中各构件尺寸均按比例画出）。
2、思考题
➢什么是零件？什么是构件？它们有何联系？
➢什么是运动副？在平面机构中常见的运动副有哪些类型？
➢什么是运动链？什么是机构？它们有何异同点？
➢什么是机构运动简图？要正确绘制机构运动简图应注意哪些问题？
3、绘制如下各机构运动简图
①.在作习题前请复习机构中常见构件和运动副的简图表示内容。
②.在绘制机构运动简图时只需大致按题图所示的尺寸比例。
手摇打气筒汽车发动机罩壳
泵手动冲孔机
颚式破碎机偏心轮传动机构4、习题答案
手摇打气筒（弹簧不为构件）颚式破碎机
泵手动冲孔机汽车发动机罩壳偏心轮传动机构
机构运动简图校内课程校外实训
一、绘制如下各机构运动简图（在绘制机构运动简图时只需大致按题图所示的尺寸比例）
手摇打气筒汽车发动机罩壳
泵手动冲孔机
颚式破碎机偏心轮传动机构班级：姓名：学号：。
机构运动简图及机构具有确定运动的条件
第二章机构的结构分析——机构运动简图用运动副的代表符号及国标规定的常用机构的运动简图符号和构件的表示方法，将机构的运动情况表示出来，这种简化图形就称为机构运动简图。
用运动副的代表符号及国标规定的常用机构的运动简图符号和构件的表示方法，将机构的运动情况表示出来，这种简化图形就称为机构运动简图。
●机构运动简图必须与原机械具有相同的运动特性●影响机构运动的尺寸（运动尺寸），及各构件之间的联接关系需要反映在简图上。
常用机构运动简图符号在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动一般构件的表示方法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。
机构示意图4.构件用1、2、3…数字表示，运动副处用大写英文字母A、B、C表示，机架用斜线表示，原动件用箭头表示。
S3123S’3θ1A CD B二、画法步骤1. 搞清该机械的实际构造和运动情况。
先定出原动件和工作部分，再把两者之间的传动部分搞清楚。
从而了解该机械由哪些构件组成，各构件之间形成了何种运动副。
2. 选择合适的投影面（多数构件的运动平面）。
3. 选择合适的比例尺，定出各运动副之间的相对位置。
L μ=实长图长4. 用简单的线条和各种运动副符号绘制简图。
例1：绘制图示偏心轮机构的运动简图。
S 3123θ1ACD B例：绘制下图机构运动简图。
小结§2-2机构运动简图问题？第二章机构的结构分析——机构具有确定运动的条件§2-3机构具有确定运动的条件问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动？给定一个独立运动参数：其余构件有确定位置。
四杆机构五杆机构给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。
给定两个独立运动参数：机构有确定运动。
机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。
机构的组成与运动简图
2.运动副 1）运动副定义
机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构 件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相 对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。
运动副是两构件直接接触而构成的可动联接；
转动副
移动副
齿轮副
2) 运动副的分类 1）按两个构件运动关系分为平面运动副和空间运动副
2. 齿轮机构 齿轮10与曲轴6固联,它的运动由曲轴决定 ,所以它是原动件 . 齿轮10,9与气缸体之间的相对运动都是转动 ,都组成回转副 ;齿 轮10,9之间的轮齿啮合是线接触 ,组成高副,从而独立形成另一 封闭的构件组合 ,即齿轮机构 .
2. 凸轮机构 凸轮7与齿轮9固联,它的运动由齿轮 9决定,所以它是原动件 . 凸轮7与气缸体4组成回转副 ,又与进气阀顶杆 8组成高副 ,气阀 顶杆8与气缸体组成移动副 ,独立形成另一封闭的构件组合 ,即 凸轮机构 .
2. 一般构件的表示方法
3. 常用机构运动简图符号
4.机构运动简图
按一定比例绘制的表示机构运动情况的简单图形称为机构运动简图
5.绘制机构运动简图的步骤
1、搞清机械的实际构造、动作原理和运动情况，确定原动件、机架、传动 部件和执行部件。
2、沿运动传递路线，逐一分析每两个构件之间相对运动的性质，确定运动 副的类型和数目。
1 2
1 2
齿轮副：
凸轮副：
2
2
1
1
3.运动链
构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。
运动链
按运动分 按结构分
平面运动链 空间运动链 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
机械基础实验11 机构结构分析及运动简图
11.3 原理和方法
（4）仔细测量机构的运动学尺寸（如构件上两 回转副的中心距和移动副导路的位置等），按 适当的比例尺将示意图画成正规的机构运动简 图。 长度比例尺:
构件AB实际长度 l AB (米) l 图中表示该构件的长度 AB(毫米)
11.3 原理和方法
1．机械运动简图有什么用途？一个正确的“机 构运动简图”应能说明那些内容？ 2．绘制机构运动简图时，原动构件的位置为什 么可以任意选定？会不会影响运动简图的正确性？ 3．计算机构自由度对机构分析和设计有何意义？ 4．零件与构件的区别是什么？ 5．分析机构的级别有何意义？你对机构的组成 原理有何认识？
机构、牛头刨床、插齿机、缝纫机头等）；
2．各类典型机械的模型（如：内燃机、油泵等）；
3．钢皮尺，内外卡钳，量角器（根据需要选用）；
4．三角板，铅笔，橡皮，草稿纸（自备）。
11.3 原理和方法
1. 撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造， 用简单的线条和符号来表示相应的构件和 运动副，绘制出能表明机构传动原理和运 动特性简单图形—机构运动简图。
2．测绘机构运动简图的方法： （1）使被测机械缓慢运动，从原动件开始仔 细观察机构运动的传递路径，了其工作 原理，从而确定组成机构的构件数目。 （2）根据相联接的两构件间的接触情况及相 对运动的性质，确定各个运动副的类型。
11.3 原理和方法
（3）选择最能描述各构件相对运动关系的运 动平面作为投影面，让机械停止在便于绘制 简图的位置。从原动件开始，用规定符号及 构件的联接次序（一个构件至少与二个构件 用运动副相联接）逐步画出机构示意图，然 后用数字（1、2、3……）分别标注各构件，
11.5绘制机构运动简图示例
实验11 机构结构分析及运动简图机械基础实验
（1）使被测机械缓慢运动，从原动件开始仔 细观察机构运动的传递路径，了解其工作 原理，从而确定组成机构的构件数目。
（2）根据相联接的两构件间的接触情况及相 对运动的性质，确定各个运动副的类型。
11.3 原理和方法
（3）选择最能描述各构件相对运动关系的运 动平面作为投影面，让机械停止在便于绘制 简图的位置。从原动件开始，用规定符号及 构件的联接次序（一个构件至少与二个构件 用运动副相联接）逐步画出机构示意图，然 后用数字（1、2、3……）分别标注各构件， 用英文字母A、B、C……分别标注各运动副。
11.4 实验步骤
1．先在草稿纸上徒手绘制机构示意图，标注出 必要的运动学尺寸，再按适当比例画成正规的 机构运动简图，如果只要求画机构示意图可不 进行测量，这时可凭目测使简图中构件的尺寸 与实物大致成比例。
2．计算机构的自由度，并将计算结果与实际机 构对照，观察是否相符。否则应重新绘制机构 简图或重新进行计算。
11.2 设备和工具
1．各类典型机械的实物（如：印刷机、车窗升降 机构、牛头刨床、插齿机、缝纫机头等）； 2．各类典型机械的模型（如：内燃机、油泵等）； 3．钢皮尺，内外卡钳，量角器（根据需要选用）； 4．三角板，铅笔，橡皮，草稿纸（自备）。
11.3 原理和方法
1. 撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造， 用简单的线条和符号来表示相应的构件和 运动副，绘制出能表明机构传动原理和运 动特性简单图形—机构运动简图。
式中：n为活动构件数目；P1、P2、P3、P4、 P5分别为I级副、2级副、3级副、4级副和5级副。 （6）除去原动件（原动件和机架）、去除虚约束、 注意复合铰链中回转副的数目、高副低代后，观 察经整理后的机构运动简图中有无IV级或III级基 本杆组，若没有，则按II级基本杆线的5种形式将 机构拆分。最后根据所含基本杆组的最高级别确 定机构的级别。
机构及机构运动简图
每一个单独加工的单元体(独立的加工单元)
▪ 构件
• 有相对运动的各个单元体(独立的运动单元)。可以是 单一的零件，也可以是多个零件固联成的内部没有相 对运动的刚性结构。
• 特点
– 不同构件间有相对运动 – 单一构件内部没有相对运动 – 可以是单一零件（如曲轴），也可以是多个零件组成（如
连杆）
机械
2
基
8/16/2020 3:04 PM
2 机构及机构运动简图
2.2 零件与构件
螺栓 垫圈 螺母
套 筒
连杆体 轴瓦
实体
机械
3
基
连杆盖 零件
8/16/2020 3:04 PM
构件
2 机构及机构运动简图
2.2 零件与构件 ▪ 零件、构件、机构与机器的联系
机器
一个或多个
做功或实现 能量转换
机构
确定的 相对运动
刚性联结 构件
零件
机械 总称
▪ 机构中构件的分类
运动单元
制造单元
固定件：机架 原动件：主动件 从动件：随原动件运动的其余构件
机械
4
基
8/16/2020 3:04 PM
2 机构及机构运动简图
2.3 运动副
▪ 构件的自由度
构件所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）
▪ 一个作平面运动的自由构件具有 三个独立运动数
▪ 运动副
• 使构件直接接触又能保持一定形式的相对运动的连接
点接触——高副(1个约束，2个自由度)
• 按接触方式分类 线接触——高副(1个约束，2个自由度)
面接触——低副(2个约束，1个自由度)
机械
6
基
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3．对上述机构进行结构分析（拆分杆组、确 定机构的级别）。
11.5绘制机构运动简图示例
颚式破碎机
机构简图
O1 O2
O1－圆盘回转中心， O2－圆盘几何中心
11.5 绘制机构运动简图示例
齿轮-连杆组合机构
机构简图
11.5 绘制机构运动简图示例
差速器
机构简图
5
2
4 1
3
2 H
汽车直线运动 左、右两轮转速相同 汽 车 转 弯 左、右两轮转速不同
思考题
1．机械运动简图有什么用途？一个正确的“机 构运动简图”应能说明那些内容？ 2．绘制机构运动简图时，原动构件的位置为什 么可以任意选定？会不会影响运动简图的正确性？ 3．计算机构自由度对机构分析和设计有何意义？ 4．零件与构件的区别是什么？ 5．分析机构的级别有何意义？你对机构的组成 原理有何认识？
11.4 实验步骤
1．先在草稿纸上徒手绘制机构示意图，标注出 必要的运动学尺寸，再按适当比例画成正规的 机构运动简图，如果只要求画机构示意图可不 进行测量，这时可凭目测使简图中构件的尺寸 与实物大致成比例。
2．计算机构的自由度，并将计算结果与实际机 构对照，观察是否相符。否则应重新绘制机构 简图或重新进行计算。
11.3 原理和方法
（4）仔细测量机构的运动学尺寸（如构件上两 回转副的中心距和移动副导路的位置等），按 适当的比例尺将示意图画成正规的机构运动简 图。
长度比例尺:
l
构件AB实际长度lAB (米) 图中表示该构件的长度AB(毫米)
11.3 原理和方法
（5）按公式F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1计算机构自 由度，注意局部自由度、复合铰和虚约束。
11.2 设备和工具
1．各类典型机械的实物（如：印刷机、车窗升降 机构、牛头刨床、插齿机、缝纫机头等）； 2．各类典型机械的模型（如：内燃机、油泵等）； 3．钢皮尺，内外卡钳，量角器（根据需要选用）； 4．三角板，铅笔，橡皮，草稿纸（自备）。
11.3 原理和方法
1. 撇开构件的复外形和运动副的具体构造， 用简单的线条和符号来表示相应的构件和 运动副，绘制出能表明机构传动原理和运 动特性简单图形—机构运动简图。
2．测绘机构运动简图的方法：
（1）使被测机械缓慢运动，从原动件开始仔 细观察机构运动的传递路径，了解其工作 原理，从而确定组成机构的构件数目。
（2）根据相联接的两构件间的接触情况及相 对运动的性质，确定各个运动副的类型。
11.3 原理和方法
（3）选择最能描述各构件相对运动关系的运 动平面作为投影面，让机械停止在便于绘制 简图的位置。从原动件开始，用规定符号及 构件的联接次序（一个构件至少与二个构件 用运动副相联接）逐步画出机构示意图，然 后用数字（1、2、3……）分别标注各构件， 用英文字母A、B、C……分别标注各运动副。