《自由度原理》PPT课件

第1章 平面机构的结构分析,11 机构组成及运动简图的绘制 12 平面机构自由度计算 13 机构组成原理和结构分析,1 目的及内容,1)机构的组成及其具有确定运动的条件 目的是弄清机构包含哪几个部分?各部分如何相联才能保证具有确定的相对运动？这对于设计新的机构显得尤其重要。,2) 对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结构加以分类，建立运动分析和动力分析的一般方法。,3)绘制机构运动简图 为运动分析和动力分析作准备。,11 机构组成及运动简图的绘制,一 机构组成,2 机构的组成,1) 构件 组成机构的运动单元 .,零件制造单元,2)运动副,a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动,(1)定义两个构件直接接触又能产生某些相对运动的联接。,三个条件，缺一不可,转动副 (铰链) (a) 固定铰链 (b) 活动铰链,移动副,螺旋副,转动副,移动副,(2) 运动副元素构成运动副的点、线、面. 例如：滚动副（点）、齿轮齿廓（点线）、滑动轴承（面）等。,3）自由度：构件含有独立运动的数目。,作空间运动的构件有六个自由度，即：沿X、Y、Z轴的移动和绕X、Y、Z轴的转动。 作平面运动的构件有三个自由度，即：沿X轴方向移动、沿Y方向的移动、绕Z轴转动。 构件这种沿X轴方向移动、沿Y方向的移动、绕Z轴转动称为构件的自由度。,4）约束：对独立运动的限制。,平面运动构件的自由度,作平面运动的构件有三个自由度，,5) 运动副分类： 高副点、线接触的运动副，应力高 。 (一个约束 2个自由度),例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。,所示的高副只约束了沿接触处公法线n-n方向的移动。,低副面接触的运动副，应力低 。 (2个约束 1个自由度),例如：转动副（回转副）、移动副 。,按运动空间分: 平面运动副: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:构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。,球面高副 柱面高副 球面低副 球销副 圆柱套筒副 转动副,转动副、移动副实例,齿轮副实例,3. 运动链,运动链多个构件用运动副联接而构成的系统。,工业 机器人,闭式链 、开式链,4. 机构,定义：具有确定运动的运动链称为机构 。,机架固定构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,机构的组成： 机构机架原动件从动件,原（主）动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。,原动件-1 从动件-2 , 3 机架-4,二 机构运动简图的绘制,机构运动简图: 说明机构中各构件之间相对运动关系的简单图形。,机构示意图不按比例绘制的简图,1）一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,1、构件和运动副的表示方法,转动副的表示方法,2）运动副的表示方法,移动副的表示方法,三副构件,两副构件,常用运动副的符号,运动副 名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,常用机器实例,带式运输机用传动装置,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形， 而只考虑运动副的性质。,工业 机器人,原动件-1 从动件-2 , 3 机架- 4,2、 绘制步骤,1) 分清构件:找出机架和原动件，分清各个构件，标上数字。,4） 连线构件:用直线或曲线将同一构件上各个运动副元素连接起来代表构件；,2） 确定副型:确定各个运动副的类型，标上字母。,3） 选面定位:合理地选择投影面；,5）标原注比，写明实长:在原动件上用箭头标明运动方向，在图旁注明比例尺l,写明有关尺寸的实际长度。,顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。,1）构件数目 2）运动副的类型和数目 3）运动尺寸 4）机构类型,3、机构运动简图表达的内容：,例1：绘制破碎机的机构运动简图。,例2 活塞泵,运动副？,1 箱体 2 活塞 3 连杆 4 曲轴 5、6 齿轮 7 凸轮 8 推杆,内燃机,箱体+,活塞、连杆、曲轴,齿轮,凸轮、推杆,连杆机构,齿轮机构,凸轮机构,内燃机,内燃机的机构运动简图,例题三、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。, 画机构运动简图的方法,冲床动画,分析：,绘制简图：,例2: 绘制图示偏心泵的运动简图,偏心泵 动画,牛头刨床的主运动机构,牛头刨床的主运动机构利用了摆动导杆机构, 。,12 机构自由度的计算 一、平面机构自由度计算公式,定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。,y,x,运动副 自由度数 约束数 回转副 1（） + 2（x，y） =3,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,结论：一个构件自由度3约束数,移动副 1（x） + 2（y，）=3,高 副 2（x,） + 1（y） =3,活动构件数 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph (低副数) (高副数),计算公式： F=3n(2PL +Ph )= 3n 2PL Ph,计算曲柄滑块机构的自由度。,1,2,3,解：活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副数PH=,0,4,计算铰链五杆机构的自由度。,1,解：活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH =34 25 =2,高副数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,=-1,三个构件通过三个转动副相连, 相当于一个构件。,计算图示凸轮机构的自由度,1,解：活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副数PH=,1,2,3,试机算航空照相机快门机构的自由度。,原动件是能提供独立运动的构件。,机构自由度数原动件数,二 机构具有确定运动的条件,1) 0，机构不能动； 2) 0，原动件数0，原动件数F，构件不能运动或产生破坏。,五杆铰链机构,1.复合铰链 1）定义：多个构件在同一处形成转动副。,2)处理 m个构件( 含机架), 有m1转动副。,三、计算机构自由度应注意的问题,F=3n 2PL PH =37 210 0 =1,A、B、C、D 四处都由三个构件组成复合铰链，n7，PL10，PH=0，,钢板剪切机,2.局部自由度 1）定义：构件局部运动所产生的自由度。,解：n= 3,PL= 3,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,对于右边机构，有： F=3n 2PL PH =32 22 1=1,事实上，两个机构的运动相同，且 F=1,2）处理:滚子与杆焊在一起,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 ，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，,3.虚约束,1）定义：不起独立限制作用的约束,2）出现虚约束的场合及处理 （1）轨迹重合。,如平行四边形机构，火车轮,椭圆仪等。,（2）两构件多处形成移动副，转动副,高副。,两处接触，且法线重合。,如等宽凸轮,注意： 法线不重合时，变成实际约束！,（3）运动时，两点距离始终不变。,（4）对称部分。,如多个行星轮。,差动轮系,1)计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,F=3n 2PL PH =37 29 2 2 =1,F=3n 2PL PH =37 29 1 =2,C-复合铰链 E-局部自由度 H 、 N -虚约束,2)计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,F=3n 2PL PH =37 29 2 =1,G-复合铰链 D-局部自由度 A-虚约束,3 ） 如图所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,解：2、3、4组成复合铰链 F=3n 2PL PH =37-210 =1,4)求图示机构的自由度,5)计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,F=3n 2PL PH =310 214 =2,A-复合铰链,6) 计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,F=3n 2PL PH =36 27 2 =2,C-复合铰链 G-局部自由度 FE-虚约束 G I -虚约束,（作业）,F3n2PLPH 372 8 1 = 2,7) 计算机构自由度,指出复合铰链、局部自由度和虚约束 ，说明机构具有确定运动的条件,解：F=3n 2PL PH =39212 21 =1,8) 计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,9)计算图示包装机送纸机构的自由度。,n=,6，,PL=,7，,F=3n 2PL PH =36 27 3 =1,局部自由度,2个,虚约束,1处, 去掉后,复合铰链:,位置D ，2个低副,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,大筛机构,计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,说明机构具有确定运动的条件,例 3 计算图所示机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,局部自由度,虚约束,例 2 如图所示，已知： DE=FG=HI，且相互平行；DF=EG，且相互平行；DH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,（作业）,作业,例 4 如图所示, 已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,局部自由度,复合铰链,虚约束,F3n2PLPH 3 2 ,8,11,1, 1,例6,结束,23 平面机构的组成原理和结构分析,一、平面机构的组成原理,1.基本机构(简单机构) 原动件+机架,2. 杆组,现设想将机构中的原动件和机架与从动件系统分开，则剩下的从动件系统必有F0。将从动件系统继续拆分成更简单F0的构件组，直到不能再拆为止。,杆组自由度为零，不能分解的运动链。应满足条件: F=3n-2PL-PH=0 。,机构基本机构若干杆组,表2-3 A级及部分级基本杆组结构型式,级组 n=4 （PL6）四杆六副,结构特点：有三副构件。,典型级组： n=2 p=3 二杆三副,任何一个平面机构都可以看作是在机架和原动件的基础上，依次添加若干个基本杆组所形成的。,这就是机构的组成原理,结论：该机构包含机架、一个原动件和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到机架和原动件构成的双杆机构上，形成了该八杆机构。,二、平面机构的结构分析,机构的级别 按最高杆组级别命名，如级机构，级机构等。,1)计算机构自由度并确定原动件。,2) 拆杆组。,3) 确定机构的级别。,F=3n-2PL-PH = 3527=1 该机构为II级机构。,6,7,必须指出： 1) 机构的级别与原动件的选择有关。 2)杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则将成为刚体。如：,三、平面机构的高副低代,1）代替前后机构的自由度相同。 2）代替前后机构的运动状况（位移、速度和加速度）相同。,1、 条件,找出构成高副的两轮廓曲线接触点的曲率中心，然后用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。 如图2-17所示，构件1和构件2分别为绕和转动的两个圆盘，两圆盘的圆心分别为O1、O2，半径为R1、R2，它们在C点构成高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图2-18所示机构的替代机构也如该图中虚线所示。,图217图218,2、 方法,1）如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副，如图2-19所示。 2）若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如图2-20所示。,图 2-19 图220,3、 两种特殊情况,