《自由度原理》PPT課件

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1、第1章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,11 機構(gòu)組成及運動簡圖的繪制 12 平面機構(gòu)自由度計算 13 機構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析,1 目的及內(nèi)容,,1)機構(gòu)的組成及其具有確定運動的條件 目的是弄清機構(gòu)包含哪幾個部分?各部分如何相聯(lián)才能保證具有確定的相對運動？這對于設(shè)計新的機構(gòu)顯得尤其重要。,2) 對機構(gòu)進行分類 不同的機構(gòu)都有各自的特點，把各種機構(gòu)按結(jié)構(gòu)加以分類，建立運動分析和動力分析的一般方法。,3)繪制機構(gòu)運動簡圖 為運動分析和動力分析作準備。,11 機構(gòu)組成及運動簡圖的繪制,一 機構(gòu)組成,2 機構(gòu)的組成,1) 構(gòu)件 組成機構(gòu)的運動單元 .,零件制造單元,2)運動副,a)兩個構(gòu)件、b) 直接接觸、c

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

3、動構(gòu)件的自由度,作平面運動的構(gòu)件有三個自由度，,5) 運動副分類： 高副點、線接觸的運動副，應力高 。 (一個約束 2個自由度),例如：滾動副、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。,低副面接觸的運動副，應力低 。 (2個約束 1個自由度),例如：轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副 。,,按運動空間分: 平面運動副:構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件之間的相對運動為平面運動的運動副; 空間運動副:構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件之間的相對運動為空間運動。,球面高副 柱面高副 球面低副 球銷副 圓柱套筒副 轉(zhuǎn)動副,,轉(zhuǎn)動副、移動副實

4、例,齒輪副實例,3. 運動鏈,運動鏈多個構(gòu)件用運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。,工業(yè) 機器人,閉式鏈 、開式鏈,,4. 機構(gòu),定義：具有確定運動的運動鏈稱為機構(gòu) 。,機架固定構(gòu)件，如機床床身、車輛底盤、飛機機身。,機構(gòu)的組成： 機構(gòu)機架原動件從動件,原（主）動件按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)件。 從動件其余可動構(gòu)件。,原動件-1 從動件-2 , 3 機架-4,,二 機構(gòu)運動簡圖的繪制,機構(gòu)運動簡圖: 說明機構(gòu)中各構(gòu)件之間相對運動關(guān)系的簡單圖形。,機構(gòu)示意圖不按比例繪制的簡圖,,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)件和運動副的表示方法,轉(zhuǎn)動副的表示方法,2）運動副的表示方法,

5、移動副的表示方法,三副構(gòu)件,兩副構(gòu)件,,,,,常用運動副的符號,,,,,,,,,運動副 名稱,運動副符號,兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副,轉(zhuǎn)動副,移動副,兩構(gòu)件之一為固定時的運動副,平面運動副,平面高副,螺旋副,,,,,空間運動副,,,,,,,,,,常用機器實例,帶式運輸機用傳動裝置,,注意事項:,畫構(gòu)件時應撇開構(gòu)件的實際外形， 而只考慮運動副的性質(zhì)。,工業(yè) 機器人,,原動件-----1 從動件----2 , 3 機架----- 4,,2、 繪制步驟,1) 分清構(gòu)件:找出機架和原動件，分清各個構(gòu)件，標上數(shù)字。,4） 連線構(gòu)件:用直線或曲線將同一構(gòu)件上各個運動副元素連接起來代表構(gòu)件；,2） 確定副型:

6、確定各個運動副的類型，標上字母。,3） 選面定位:合理地選擇投影面；,5）標原注比，寫明實長:在原動件上用箭頭標明運動方向，在圖旁注明比例尺l,,寫明有關(guān)尺寸的實際長度。,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， 再看它們怎相聯(lián)。,1）構(gòu)件數(shù)目 2）運動副的類型和數(shù)目 3）運動尺寸 4）機構(gòu)類型,3、機構(gòu)運動簡圖表達的內(nèi)容：,,,,,,,,,,,,,,例1：繪制破碎機的機構(gòu)運動簡圖。,,,,,,,,例2 活塞泵,,運動副？,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,箱體+,,活塞、連桿、曲軸,齒輪,凸輪、推桿,,連桿機構(gòu),,

7、齒輪機構(gòu),,凸輪機構(gòu),,,內(nèi)燃機,,,,內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖,例題三、圖示為一沖床。繞固定中心A轉(zhuǎn)動的菱形盤1為原動件，與滑塊2在B點鉸接，滑塊2推動撥叉3繞固定軸C轉(zhuǎn)動，撥叉3與圓盤4為同一構(gòu)件，當圓盤4轉(zhuǎn)動時，通過連桿5使沖頭6實現(xiàn)沖壓運動。試繪制其機構(gòu)運動簡圖。, 畫機構(gòu)運動簡圖的方法,沖床動畫,分析：,繪制簡圖：,,例2: 繪制圖示偏心泵的運動簡圖,,,,偏心泵 動畫,牛頭刨床的主運動機構(gòu),牛頭刨床的主運動機構(gòu)利用了擺動導桿機構(gòu), 。,12 機構(gòu)自由度的計算 一、平面機構(gòu)自由度計算公式,定義：保證機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)稱為機構(gòu)的自由度。,y,x,運動副 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：一個構(gòu)件自由度3約束數(shù),移動副 1（x） + 2（y，）=3,高 副 2（x,） + 1（y） =3,活動構(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)),計算公式： F=3n(2PL +Ph )= 3n 2PL Ph,計算曲柄滑塊機構(gòu)的自由度。,1,2,3,解：活動構(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,計算鉸鏈五桿機構(gòu)的自由度。,1,解：活動構(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,=-1,三個構(gòu)件通過三個轉(zhuǎn)動副相連, 相當于一個構(gòu)件。,,,,計算圖示凸輪機構(gòu)的自由度,1,解：活動構(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,試機算航空照相機快門機構(gòu)的自由度。,原動件是能提供獨立運動的構(gòu)件。,機構(gòu)自由度數(shù)原動件數(shù),二 機構(gòu)具有確定運動的條件,1

10、) 0，機構(gòu)不能動； 2) 0，原動件數(shù)0，原動件數(shù)F，構(gòu)件不能運動或產(chǎn)生破壞。,,五桿鉸鏈機構(gòu),1.復合鉸鏈 1）定義：多個構(gòu)件在同一處形成轉(zhuǎn)動副。,2)處理 m個構(gòu)件( 含機架), 有m1轉(zhuǎn)動副。,三、計算機構(gòu)自由度應注意的問題,,,F=3n 2PL PH =37 210 0 =1,A、B、C、D 四處都由三個構(gòu)件組成復合鉸鏈，n7，PL10，PH=0，,鋼板剪切機,2.局部自由度 1）定義：構(gòu)件局部運動所產(chǎn)生的自由度。,解：n= 3,PL= 3,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,對于右邊機構(gòu)，有： F=3n 2PL PH =32 22 1=1,事實上，兩個

11、機構(gòu)的運動相同，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點的軌跡都是圓弧，,3.虛約束,1）定義：不起獨立限制作用的約束,2）出現(xiàn)虛約束的場合及處理 （1）軌跡重合。,,如平行四邊形機構(gòu)，火車輪,,橢圓儀等。,（2）兩構(gòu)件多處形成移動副，轉(zhuǎn)動副,高副。,,兩處接觸，且法線重合。,如等寬凸輪,,,,注意： 法線不重合時，變成實際約束！,,,,（3）運動時，兩點距離始終不變。,（4）對稱部分。,,,,,如多個行星輪。,差動輪系,1)計算機

12、構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,F=3n 2PL PH =37 29 2 2 =1,,F=3n 2PL PH =37 29 1 =2,C---復合鉸鏈 E---局部自由度 H 、 N ---虛約束,2)計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,,F=3n 2PL PH =37 29 2 =1,G---復合鉸鏈 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。計算此機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,解：2

13、、3、4組成復合鉸鏈 F=3n 2PL PH =37-210 =1,4)求圖示機構(gòu)的自由度,5)計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,F=3n 2PL PH =310 214 =2,A----復合鉸鏈,6) 計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,F=3n 2PL PH =36 27 2 =2,C---復合鉸鏈 G---局部自由度 FE---虛約束 G I ----虛約束,（作業(yè)）,F3n2PLPH 372 8 1 = 2,7) 計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈、局部自由度和虛約束 ，說明機構(gòu)具有確定運動的條件,解：F=

14、3n 2PL PH =39212 21 =1,8) 計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,9)計算圖示包裝機送紙機構(gòu)的自由度。,n=,6，,PL=,7，,F=3n 2PL PH =36 27 3 =1,局部自由度,2個,虛約束,1處, 去掉后,復合鉸鏈:,位置D ，2個低副,,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,大篩機構(gòu),計算機構(gòu)自由度,指出復合鉸鏈,局部自由度,虛約束,說明機構(gòu)具有確定運動的條件,,例

15、 3 計算圖所示機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,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。計算此機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,（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。計算此機構(gòu)的自由度 (若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。,局部自由度,復合鉸鏈,虛約束,,,,F3n2PLPH 3 2 ,8,11,1, 1,,例6,,,,結(jié)束,23 平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析,一、平面機構(gòu)的組成原理,1.基

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

17、基本桿組添加到機架和原動件構(gòu)成的雙桿機構(gòu)上，形成了該八桿機構(gòu)。,二、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,機構(gòu)的級別 按最高桿組級別命名，如級機構(gòu)，級機構(gòu)等。,1)計算機構(gòu)自由度并確定原動件。,2) 拆桿組。,3) 確定機構(gòu)的級別。,F=3n-2PL-PH = 3527=1 該機構(gòu)為II級機構(gòu)。,6,7,必須指出： 1) 機構(gòu)的級別與原動件的選擇有關(guān)。 2)桿組的各個外端副不可以同時加在同一個構(gòu)件上，否則將成為剛體。如：,,三、平面機構(gòu)的高副低代,1）代替前后機構(gòu)的自由度相同。 2）代替前后機構(gòu)的運動狀況（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的曲率中心，然后用一個構(gòu)件和位于兩個曲率中心的兩個轉(zhuǎn)動副來代替該高副。 如圖2-17所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2分別為繞和轉(zhuǎn)動的兩個圓盤，兩圓盤的圓心分別為O1、O2，半徑為R1、R2，它們在C點構(gòu)成高副，當機構(gòu)運動時，替代機構(gòu)如圖中虛線所示。圖2-18所示機構(gòu)的替代機構(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)動副演化成移動副，如圖2-19所示。 2）若兩接觸輪廓之一為一點，其替代方法如圖2-20所示。,圖 2-19 圖220,3、 兩種特殊情況,,,