《自由度原理》PPT課件

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1、第1章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,11 機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制 12 平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算 13 機(jī)構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析,1 目的及內(nèi)容,,1)機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 目的是弄清機(jī)構(gòu)包含哪幾個(gè)部分?各部分如何相聯(lián)才能保證具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)？這對(duì)于設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu)顯得尤其重要。,2) 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類 不同的機(jī)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，把各種機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)加以分類，建立運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析的一般方法。,3)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 為運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析作準(zhǔn)備。,11 機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制,一 機(jī)構(gòu)組成,2 機(jī)構(gòu)的組成,1) 構(gòu)件 組成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)單元 .,零件制造單元,2)運(yùn)動(dòng)副,a)兩個(gè)構(gòu)件、b) 直接接觸、c

2、) 有相對(duì)運(yùn)動(dòng),(1)定義兩個(gè)構(gòu)件直接接觸又能產(chǎn)生某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。,三個(gè)條件，缺一不可,轉(zhuǎn)動(dòng)副 (鉸鏈) (a) 固定鉸鏈 (b) 活動(dòng)鉸鏈,移動(dòng)副,,,螺旋副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,移動(dòng)副,(2) 運(yùn)動(dòng)副元素構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面. 例如：滾動(dòng)副（點(diǎn)）、齒輪齒廓（點(diǎn)線）、滑動(dòng)軸承（面）等。,3）自由度：構(gòu)件含有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。,作空間運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件有六個(gè)自由度，即：沿X、Y、Z軸的移動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件有三個(gè)自由度，即：沿X軸方向移動(dòng)、沿Y方向的移動(dòng)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 構(gòu)件這種沿X軸方向移動(dòng)、沿Y方向的移動(dòng)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為構(gòu)件的自由度。,4）約束：對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的限制。,平面運(yùn)

3、動(dòng)構(gòu)件的自由度,作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件有三個(gè)自由度，,5) 運(yùn)動(dòng)副分類： 高副點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副，應(yīng)力高 。 (一個(gè)約束 2個(gè)自由度),例如：滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副等。,所示的高副只約束了沿接觸處公法線n-n方向的移動(dòng)。,低副面接觸的運(yùn)動(dòng)副，應(yīng)力低 。 (2個(gè)約束 1個(gè)自由度),例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副）、移動(dòng)副 。,,按運(yùn)動(dòng)空間分: 平面運(yùn)動(dòng)副:構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副; 空間運(yùn)動(dòng)副:構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)。,球面高副 柱面高副 球面低副 球銷副 圓柱套筒副 轉(zhuǎn)動(dòng)副,,轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副實(shí)

4、例,齒輪副實(shí)例,3. 運(yùn)動(dòng)鏈,運(yùn)動(dòng)鏈多個(gè)構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。,工業(yè) 機(jī)器人,閉式鏈 、開式鏈,,4. 機(jī)構(gòu),定義：具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu) 。,機(jī)架固定構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。,機(jī)構(gòu)的組成： 機(jī)構(gòu)機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件,原（主）動(dòng)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。 從動(dòng)件其余可動(dòng)構(gòu)件。,原動(dòng)件-1 從動(dòng)件-2 , 3 機(jī)架-4,,二 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖: 說(shuō)明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形。,機(jī)構(gòu)示意圖不按比例繪制的簡(jiǎn)圖,,1）一般構(gòu)件的表示方法,桿、軸構(gòu)件,固定構(gòu)件,同一構(gòu)件,,,,,,1、構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的表示方法,轉(zhuǎn)動(dòng)副的表示方法,2）運(yùn)動(dòng)副的表示方法,

5、移動(dòng)副的表示方法,三副構(gòu)件,兩副構(gòu)件,,,,,常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào),,,,,,,,,運(yùn)動(dòng)副 名稱,運(yùn)動(dòng)副符號(hào),兩運(yùn)動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副,轉(zhuǎn)動(dòng)副,移動(dòng)副,兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副,平面運(yùn)動(dòng)副,平面高副,螺旋副,,,,,空間運(yùn)動(dòng)副,,,,,,,,,,常用機(jī)器實(shí)例,帶式運(yùn)輸機(jī)用傳動(dòng)裝置,,注意事項(xiàng):,畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際外形， 而只考慮運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)。,工業(yè) 機(jī)器人,,原動(dòng)件-----1 從動(dòng)件----2 , 3 機(jī)架----- 4,,2、 繪制步驟,1) 分清構(gòu)件:找出機(jī)架和原動(dòng)件，分清各個(gè)構(gòu)件，標(biāo)上數(shù)字。,4） 連線構(gòu)件:用直線或曲線將同一構(gòu)件上各個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素連接起來(lái)代表構(gòu)件；,2） 確定副型:

6、確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的類型，標(biāo)上字母。,3） 選面定位:合理地選擇投影面；,5）標(biāo)原注比，寫明實(shí)長(zhǎng):在原動(dòng)件上用箭頭標(biāo)明運(yùn)動(dòng)方向，在圖旁注明比例尺l,,寫明有關(guān)尺寸的實(shí)際長(zhǎng)度。,順口溜：先兩頭，后中間， 從頭至尾走一遍， 數(shù)數(shù)構(gòu)件是多少， 再看它們?cè)跸嗦?lián)。,1）構(gòu)件數(shù)目 2）運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目 3）運(yùn)動(dòng)尺寸 4）機(jī)構(gòu)類型,3、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表達(dá)的內(nèi)容：,,,,,,,,,,,,,,例1：繪制破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。,,,,,,,,例2 活塞泵,,運(yùn)動(dòng)副？,1 箱體 2 活塞 3 連桿 4 曲軸 5、6 齒輪 7 凸輪 8 推桿,內(nèi)燃機(jī),箱體+,,活塞、連桿、曲軸,齒輪,凸輪、推桿,,連桿機(jī)構(gòu),,

7、齒輪機(jī)構(gòu),,凸輪機(jī)構(gòu),,,內(nèi)燃機(jī),,,,內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,例題三、圖示為一沖床。繞固定中心A轉(zhuǎn)動(dòng)的菱形盤1為原動(dòng)件，與滑塊2在B點(diǎn)鉸接，滑塊2推動(dòng)撥叉3繞固定軸C轉(zhuǎn)動(dòng)，撥叉3與圓盤4為同一構(gòu)件，當(dāng)圓盤4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿5使沖頭6實(shí)現(xiàn)沖壓運(yùn)動(dòng)。試?yán)L制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。, 畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的方法,沖床動(dòng)畫,分析：,繪制簡(jiǎn)圖：,,例2: 繪制圖示偏心泵的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,,,,偏心泵 動(dòng)畫,牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用了擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu), 。,12 機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 一、平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式,定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。,y,x,運(yùn)動(dòng)副 自由度數(shù)

8、 約束數(shù) 回轉(zhuǎn)副 1（） + 2（x，y） =3,,,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,結(jié)論：一個(gè)構(gòu)件自由度3約束數(shù),移動(dòng)副 1（x） + 2（y，）=3,高 副 2（x,） + 1（y） =3,活動(dòng)構(gòu)件數(shù) 構(gòu)件總自由度 低副約束數(shù) 高副約束數(shù) n 3n 2 PL 1 Ph (低副數(shù)) (高副數(shù)),計(jì)算公式： F=3n(2PL +Ph )= 3n 2PL Ph,計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。,1,2,3,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,3,低副數(shù)PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副數(shù)PH

9、=,0,4,計(jì)算鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)的自由度。,1,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,4,低副數(shù)PL=,5,F=3n 2PL PH =34 25 =2,高副數(shù)PH=,0,5,2,3,4,F=3n-2PL-PH,=3,2,-2,3,-0,=0,F=3n-2PL-PH,=3,3,-2,5,-0,=-1,三個(gè)構(gòu)件通過(guò)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連, 相當(dāng)于一個(gè)構(gòu)件。,,,,計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度,1,解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=,2,低副數(shù)PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副數(shù)PH=,1,2,3,試機(jī)算航空照相機(jī)快門機(jī)構(gòu)的自由度。,原動(dòng)件是能提供獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。,機(jī)構(gòu)自由度數(shù)原動(dòng)件數(shù),二 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,1

10、) 0，機(jī)構(gòu)不能動(dòng)； 2) 0，原動(dòng)件數(shù)0，原動(dòng)件數(shù)F，構(gòu)件不能運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生破壞。,,五桿鉸鏈機(jī)構(gòu),1.復(fù)合鉸鏈 1）定義：多個(gè)構(gòu)件在同一處形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。,2)處理 m個(gè)構(gòu)件( 含機(jī)架), 有m1轉(zhuǎn)動(dòng)副。,三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)注意的問(wèn)題,,,F=3n 2PL PH =37 210 0 =1,A、B、C、D 四處都由三個(gè)構(gòu)件組成復(fù)合鉸鏈，n7，PL10，PH=0，,鋼板剪切機(jī),2.局部自由度 1）定義：構(gòu)件局部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自由度。,解：n= 3,PL= 3,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,對(duì)于右邊機(jī)構(gòu)，有： F=3n 2PL PH =32 22 1=1,事實(shí)上，兩個(gè)

11、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相同，且 F=1,2）處理:滾子與桿焊在一起,解：n=4,,PL=6,,F=3n 2PL PH =34 26 =0,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,PH=0,, FEAB CD ，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧，,3.虛約束,1）定義：不起獨(dú)立限制作用的約束,2）出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合及處理 （1）軌跡重合。,,如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪,,橢圓儀等。,（2）兩構(gòu)件多處形成移動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副,高副。,,兩處接觸，且法線重合。,如等寬凸輪,,,,注意： 法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！,,,,（3）運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩點(diǎn)距離始終不變。,（4）對(duì)稱部分。,,,,,如多個(gè)行星輪。,差動(dòng)輪系,1)計(jì)算機(jī)

12、構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,F=3n 2PL PH =37 29 2 2 =1,,F=3n 2PL PH =37 29 1 =2,C---復(fù)合鉸鏈 E---局部自由度 H 、 N ---虛約束,2)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,,F=3n 2PL PH =37 29 2 =1,G---復(fù)合鉸鏈 D--局部自由度 A---虛約束,3 ） 如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,解：2

13、、3、4組成復(fù)合鉸鏈 F=3n 2PL PH =37-210 =1,4)求圖示機(jī)構(gòu)的自由度,5)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,F=3n 2PL PH =310 214 =2,A----復(fù)合鉸鏈,6) 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,F=3n 2PL PH =36 27 2 =2,C---復(fù)合鉸鏈 G---局部自由度 FE---虛約束 G I ----虛約束,（作業(yè)）,F3n2PLPH 372 8 1 = 2,7) 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束 ，說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,解：F=

14、3n 2PL PH =39212 21 =1,8) 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,9)計(jì)算圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。,n=,6，,PL=,7，,F=3n 2PL PH =36 27 3 =1,局部自由度,2個(gè),虛約束,1處, 去掉后,復(fù)合鉸鏈:,位置D ，2個(gè)低副,,PH=,3,分析：,F3n2PLPH 3 628 1 = 1,F3n2PLPH = 3 729 -1=2,例4,例8,4,1,2,3,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,,,,9,7,大篩機(jī)構(gòu),計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度,指出復(fù)合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件,,例

15、 3 計(jì)算圖所示機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,局部自由度,虛約束,,,例 2 如圖所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。計(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,（作業(yè)）,作業(yè),例 4 如圖所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。計(jì)算此機(jī)構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復(fù)合鉸鏈、虛約束請(qǐng)標(biāo)出）。,局部自由度,復(fù)合鉸鏈,虛約束,,,,F3n2PLPH 3 2 ,8,11,1, 1,,例6,,,,結(jié)束,23 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,一、平面機(jī)構(gòu)的組成原理,1.基

16、本機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)) 原動(dòng)件+機(jī)架,2. 桿組,現(xiàn)設(shè)想將機(jī)構(gòu)中的原動(dòng)件和機(jī)架與從動(dòng)件系統(tǒng)分開，則剩下的從動(dòng)件系統(tǒng)必有F0。將從動(dòng)件系統(tǒng)繼續(xù)拆分成更簡(jiǎn)單F0的構(gòu)件組，直到不能再拆為止。,桿組自由度為零，不能分解的運(yùn)動(dòng)鏈。應(yīng)滿足條件: F=3n-2PL-PH=0 。,機(jī)構(gòu)基本機(jī)構(gòu)若干桿組,表2-3 A級(jí)及部分級(jí)基本桿組結(jié)構(gòu)型式,,,級(jí)組 n=4 （PL6）四桿六副,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有三副構(gòu)件。,典型級(jí)組： n=2 p=3 二桿三副,,任何一個(gè)平面機(jī)構(gòu)都可以看作是在機(jī)架和原動(dòng)件的基礎(chǔ)上，依次添加若干個(gè)基本桿組所形成的。,這就是機(jī)構(gòu)的組成原理,結(jié)論：該機(jī)構(gòu)包含機(jī)架、一個(gè)原動(dòng)件和兩個(gè)基本桿組，換句話說(shuō)，將兩個(gè)

17、基本桿組添加到機(jī)架和原動(dòng)件構(gòu)成的雙桿機(jī)構(gòu)上，形成了該八桿機(jī)構(gòu)。,二、平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,機(jī)構(gòu)的級(jí)別 按最高桿組級(jí)別命名，如級(jí)機(jī)構(gòu)，級(jí)機(jī)構(gòu)等。,1)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度并確定原動(dòng)件。,2) 拆桿組。,3) 確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。,F=3n-2PL-PH = 3527=1 該機(jī)構(gòu)為II級(jí)機(jī)構(gòu)。,6,7,必須指出： 1) 機(jī)構(gòu)的級(jí)別與原動(dòng)件的選擇有關(guān)。 2)桿組的各個(gè)外端副不可以同時(shí)加在同一個(gè)構(gòu)件上，否則將成為剛體。如：,,三、平面機(jī)構(gòu)的高副低代,1）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度相同。 2）代替前后機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況（位移、速度和加速度）相同。,1、 條件,找出構(gòu)成高副的兩輪廓曲線接觸點(diǎn)的曲率中心，然后用一個(gè)構(gòu)件和位于兩個(gè)曲率中心的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)代替該高副。 如圖2-17所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2分別為繞和轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)圓盤，兩圓盤的圓心分別為O1、O2，半徑為R1、R2，它們?cè)贑點(diǎn)構(gòu)成高副，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，替代機(jī)構(gòu)如圖中虛線所示。圖2-18所示機(jī)構(gòu)的替代機(jī)構(gòu)也如該圖中虛線所示。,圖217圖218,2、 方法,,1）如果兩接觸輪廓之一為直線，替代轉(zhuǎn)動(dòng)副演化成移動(dòng)副，如圖2-19所示。 2）若兩接觸輪廓之一為一點(diǎn)，其替代方法如圖2-20所示。,圖 2-19 圖220,3、 兩種特殊情況,,,