自由度(原理)课件.ppt

1、第第1章章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析11 机构组成机构组成及及运动简图的绘制运动简图的绘制12 平面平面机构自由度计算机构自由度计算13 机构组成原理和结构分析机构组成原理和结构分析1 目的及内容目的及内容1)机构的组成及其具有确定运动的条件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

2、图的绘制机构组成及运动简图的绘制一一 机构组成机构组成2 机构的组成机构的组成1) 构件构件 组成机构的运动单元组成机构的运动单元 . 零件制造单元零件制造单元2)运动副运动副a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动(1)定义两个构件直接接触又能产生某些相对运动的联定义两个构件直接接触又能产生某些相对运动的联接接。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可 转动副转动副 (铰链铰链)(a) 固定铰链固定铰链 (b) 活动铰链活动铰链移动副移动副 螺旋副螺旋副 转动副转动副 移动副移动副 (2) 运动副元素构成运动副的点、线、面运动副元素构成运动副的点、线、面.例如

3、例如：滚动副滚动副（点）（点）、齿轮齿廓齿轮齿廓（点线）（点线）、滑动轴滑动轴承（面）等。承（面）等。3）自由度）自由度：构件含有独立运动的数目构件含有独立运动的数目。作空间空间运动的构件有六个个自由度自由度，即：沿X、Y、Z轴的移动和绕X、Y、Z轴的转动。作平面平面运动的构件有三个三个自由度自由度，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）约束：对独立运动的限制对独立运动的限制。平面运动构件的自由度平面运动构件的自由度 yMxO作作平面平面运动的构件有运动的构件有三个自由度三个自由度， 5) 运动副分类：运动

4、副分类： 高副点、线接触的高副点、线接触的运动副运动副，应力高，应力高 。(一个约束一个约束 2个自由度个自由度)例如例如：滚动副滚动副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。xyxy所所示的高副只约束了沿接触处公法线示的高副只约束了沿接触处公法线n-n方向的移动。方向的移动。 低副面接触的运动副，应力低低副面接触的运动副，应力低 。(2个约束个约束 1个自由度个自由度)例如例如：转动副转动副（回转副）（回转副）、移动副移动副 。12按运动空间分按运动空间分: 平面运动副平面运动副:构成运动副的两构构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运件之间的相对运动为平面运动的运动副动副; 空间运动副空

5、间运动副:构成运动副的两构构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。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 移动副螺旋副转动副、移动副实例转动副、移动副实例齿轮副实例齿轮副实例3. 运动链运动链运动链多个构件用运动副联接而构成的系统。运动链多个构件用运动副联接而构成的系统。工业工业机器人机器人闭式链闭式链 、开式链开式链若干若干1个或几个个或几个1个个4. 机构机构定义定义：具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构 。机架机架固定构件固定构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构的组成

6、：机构机架原动件从动件机构机架原动件从动件原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。原动件-1从动件-2 , 3机架-4二二 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制机构运动简图机构运动简图:说明机构中各构件之间说明机构中各构件之间相对运动关系相对运动关系的简单图形。的简单图形。机构示意图不按比例绘制的简图机构示意图不按比例绘制的简图1）一般构件的表示方法）一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件1、构件和运动副的表示方法、构件和运动副的表示方法转动副的表示方法转动副的表示方法 211221(a

7、)(b)(c)2）运动副的表示方法）运动副的表示方法移动副的表示方法移动副的表示方法 (b)2112212112(a)(c)21三副构件三副构件 两副构件两副构件 常用运动副的符号常用运动副的符号运动副运动副名称名称运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副122121平平面面运运动动副副平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮

8、齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动 棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动常用机器实例带式运输机用传动装置注意事项注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质而只考虑运动副的性质。工业工业机器人机器人原动件-1 从动件-2 , 3机架- 42、 绘制步骤绘制步骤1) 分清构件分清构件:找出机架和原动件，分清各个构件，标上数字。找出机架和原动件，分清各个构件，标上数字。4） 连线构件连线构件:用直线或曲线将同一构件上各个运动

9、副元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；素连接起来代表构件；2） 确定副型确定副型:确定各个运动副的类型，标上字母。确定各个运动副的类型，标上字母。3） 选面定位选面定位:合理地选择投影面合理地选择投影面；5）标原注比，写明实长标原注比，写明实长:在原动件上用箭头标明运动方在原动件上用箭头标明运动方向，在图旁注明比例尺向，在图旁注明比例尺l,写明有关尺寸的实际长度。写明有关尺寸的实际长度。顺口溜：先两头，后中间，顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，数数构件是多少， 再看它们怎相联。再看它们怎相联。1）构件数目）构件数目2）运动副的类型

10、和数目）运动副的类型和数目3）运动尺寸）运动尺寸4）机构类型）机构类型3、机构运动简图表达的内容：、机构运动简图表达的内容：例例1：绘制绘制破碎机破碎机的机构运动简图。的机构运动简图。例例2 2 活塞泵活塞泵运动副？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连杆机构齿轮机构凸轮机构内燃机内燃机内燃机的机构运动简图内燃机的机构运动简图 例题三、图示为一冲床。绕固定中心例题三、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为为原动件原动件，与滑块，与滑块2在在B点点铰接，滑块铰接，滑

11、块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转动，拨叉转动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4转动时，通转动时，通过连杆过连杆5使冲头使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。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画机构运动简图的方法冲床动画冲床动画ABCDE分析：分析：绘制简图：绘制简图：1234561234例例2: 绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的的运动简图运动简图偏心泵偏心泵 动画牛头刨床的主运动机构牛头刨床的主运动机构牛头刨床的主运动机构利用了摆动导杆机构牛头刨床的主运动机构利用了摆动导杆机构, 。12 机构自由度的计算机构自由度的计算一、平面机

12、构自由度计算公式一、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必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。的自由度。yx(x , y)F = 3单个做平面运动的构件的自由度为单个做平面运动的构件的自由度为 3 3运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x，y） =3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2结论：结论：一个构件自由度一个构件自由度3约束数约束数移动副移动副 1（x） + 2（y，）=3高高 副副 2（x,） + 1（y） =3活动构件数活动构件数

13、构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 n 3n 2 PL 1 Ph (低副数低副数) (高副数高副数) 计算公式：计算公式： F=3n(2PL +Ph )= 3n 2PL Ph 计算曲柄滑块机构的自由度计算曲柄滑块机构的自由度。123解：活动构件数解：活动构件数n= 3低副数低副数PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH=04计算铰链五杆机构的自由度计算铰链五杆机构的自由度。1解：活动构件数解：活动构件数n= 4低副数低副数PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH=05234F=3n-2PF=3n-2PL

14、L-P-PH H=3=3 2 2-2-2 3 3 - -0 0= =0 0F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=3 3 3-2-2 5 5- -0 0= =-1-1 三个构件通过三个转动副相连三个构件通过三个转动副相连, , 相当于一相当于一个构件。个构件。计算图示凸轮机构的自由度计算图示凸轮机构的自由度1解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副数高副数PH=123试机算航空照相机快门机构的自由度。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。原动件是能提供独立运动的构件。机构自由度数原动件数机构

15、自由度数原动件数二二 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件1) 0，机构不能动；，机构不能动；2) 0，原动件数，原动件数0，原动件数，原动件数F，构件不能运动或产生破坏。，构件不能运动或产生破坏。12341 14 4五杆铰链机构五杆铰链机构1.复合铰链复合铰链1）定义：多个构件在同一处形成转动副。）定义：多个构件在同一处形成转动副。2)处理处理 m个构件个构件( 含机架含机架), 有有m1转动副。转动副。三、三、计算机构自由度应注意的问题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，

16、 钢板剪切机钢板剪切机 2.局部自由度局部自由度1）定义：构件局部运动所产生的自由度。）定义：构件局部运动所产生的自由度。解：解：n= 3PL= 3F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1对于右边机构，有：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，且事实上，两个机构的运动相同，且 F=1123122）处理）处理:滚子与杆焊在一起滚子与杆焊在一起解：解：n=4,PL=6,F=3n 2PL PH =34 26 =01234ABCDEFPH=0 FEAB CD ，故增加构件，故增加构件4前后前后E点的轨迹都是圆点的轨迹都是圆弧，弧， 已

17、知：已知： AB CD EF，3.虚约束虚约束1）定义：不起独立限制作用的约束）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）出现虚约束的场合及处理 （1）轨迹重合。）轨迹重合。如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪等。等。（2）两构件多处形成移动副，转动副）两构件多处形成移动副，转动副,高副。高副。两处接触，且法线重合。两处接触，且法线重合。如如等宽凸轮等宽凸轮W注意：注意：法线不重合时，变法线不重合时，变成实际约束！成实际约束！（3）运动时，运动时，两点距离两点距离始终始终不变。不变。（4）对称部分。）对称部分。EF如如多个行星轮。多个行星轮。差动轮系差动轮系

18、 1)计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由度局部自由度,虚约束虚约束,说明机构具有确定运动的条件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-复合铰链复合铰链E-局部自由度局部自由度H 、 N -虚约束虚约束2)计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由度局部自由度,虚约束虚约束,说明机构具有确定运动的条件说明机构具有确定运动的条件F=3n 2PL PH =37 29 2 =1 G-复合铰链复合铰链D-局部自由度局部自由度A-虚约束虚约束3 3 ） 如图所示，

19、已知：如图所示，已知： DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；且相互平行；DH=EIDH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度，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）。若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。ADECHGFIBK1234567891111283231;11;8HHLPPnFPPnLADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束解：解：2、3、4组成复合铰链组成复合铰链F=3n 2PL PH =37-210=14)求图示机构的自由度求图示机

20、构的自由度5)计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由度局部自由度,虚约束虚约束,说明机构具有确定运动的条件说明机构具有确定运动的条件F=3n 2PL PH =310 214 =2A-复合铰链复合铰链6) 计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由局部自由度度,虚约束虚约束,说明机构具有确定运动的条件说明机构具有确定运动的条件F=3n 2PL PH =36 27 2 =2C-复合铰链复合铰链G-局部自由度局部自由度FE-虚约束虚约束G I -虚约束虚约束（作业）（作业）F F3n3n2P2PL LP PH H3 3 72 2 8 1 1= 2= 2

21、7) 计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链、局部自由度和虚约束指出复合铰链、局部自由度和虚约束，说明机构具有确定运动的条件，说明机构具有确定运动的条件解：解：F=3n 2PL PH=39212 21=1 8) 计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由度局部自由度,虚约虚约束束,说明机构具有确定运动的条件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。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局部自由度局部自由度 2个个虚约束虚约束 1处处, 去掉后去掉后复合铰链复合铰链:位置位置D ，2个个低

22、副低副PH= 3分析：分析：F F3n3n2P2PL LP PH H3 3 6 62 2 8 1 = 1局复局F F3n3n2P2PL LP PH H = = 3 3 7 72 2 9 -1=2例例4 4例例8 84123567812345697大筛机构大筛机构 6G2F537EE4BA1C8OD计算机构自由度计算机构自由度,指出复合铰链指出复合铰链,局部自由度局部自由度,虚约束虚约束,说明机构具有确定运动的条件说明机构具有确定运动的条件例例 3 3 计算图所示机构的自由度计算图所示机构的自由度 ( (若存在局部自由度、若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。复合铰链、虚约束请标出）。7

23、7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 67 7A AC C1 12B B3 3D DE EF FG GH HI I4 45 56 6局部自由度局部自由度虚约束虚约束118263231;8;6HHLPPnFPPnL例例 2 2 如图所示，已知：如图所示，已知： DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；且相互平行；DH=EIDH=EI，且相互平行。计算此机构的自由度，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）。若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。ADE

24、CHGFIBK123456789（作业）（作业）1111283231;11;8HHLPPnFPPnLADECHGFIBK123456789局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束作业作业例例 4 4 如图所示如图所示, , 已知已知HG=IJ,HG=IJ,且相互平行；且相互平行；GL=JKGL=JK，且相，且相互平行。计算此机构的自由度互平行。计算此机构的自由度 ( (若存在局部自由度、复若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。合铰链、虚约束请标出）。 C C2 21 1A AB BE ED DF F3 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 1G GH HI

25、IJ JK KL L1111283231;11;8HHLPPnFPPnLC C2 21 1A AB B6 67 78 89 91 10 01 11 1G GH HI IJ JK KL LE ED DF F3 34 45 5局部自由度局部自由度复合铰链复合铰链虚约束虚约束F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 8111 1例例6 623 平面机构的组成原理和结构分析平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理一、平面机构的组成原理 21411.基本机构基本机构(简单机构简单机构)原动件原动件+机架机架2. 2. 杆组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

26、的从动件系统必有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。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。的构件组，直到不能再拆为止。 杆组杆组自由度为零，不能分解的运动链。自由度为零，不能分解的运动链。应满足条件应满足条件:F=3n-2PL-PH=0 。 机构机构基本机构基本机构若干杆组若干杆组41表表2-3 A级及部分级及部分级基本杆组结构型式级基本杆组结构型式杆组中含有构 件及运动副数杆 组 型 式n=2p=3二杆三副（II级杆组）（1）RRR （2）RRP （3）RPR （4）PRP （5）RPP n=4p=6四

27、杆六副（部分、IV 级杆组）（1） （2） 级组级组 n=4 （PL6 6）四杆六副四杆六副结构特点：有三副构件。结构特点：有三副构件。典型典型级组级组： n=2 p=3 二杆三副二杆三副F=1F=0417举例：举例：将图示八杆机构拆分成机架、原动件和基本杆将图示八杆机构拆分成机架、原动件和基本杆组。组。1324568任何一个平面机构都可以看作是在机架和原动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件的基础上，依次添加若干个基本杆组所形成的。的。这就是机构的组成原理这就是机构的组成原理结论：结论：该机构包含机架、一个原动件和两个基本杆组，换句该机构包含机架

28、、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，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。形成了该八杆机构。二、平面机构的结构分析二、平面机构的结构分析机构的级别机构的级别按最高杆组级别命名，如按最高杆组级别命名，如级机构，级机构，级机构等。级机构等。1)计算机构自由度并确定原动件。计算机构自由度并确定原动件。2) 拆杆组拆杆组。3) 确定机构的级别确定机构的级别。 F=3n-2PL-PH = 3527=1 该机构为该机构为II级机构级机构。7图示八杆机构，图示八杆机构，1为原动件，试对其进行结构分析。为原动件，试对其进行

29、结构分析。若若6或或7为原动件，结果一样吗？为原动件，结果一样吗？1324568或或7为原动件时级机构6 6为原动件时级机构67必须指出：必须指出： 1) 机构的级别与原动件的选择有关。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，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：否则将成为刚体。如：三、平面机构的高副低代三、平面机构的高副低代1）代替前后机构的自由度相同。）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。）代替前后机构的运动状况（位移、速度和加速度）相同。1、 条件条件找出构成高副的两轮廓曲线接触

30、点的找出构成高副的两轮廓曲线接触点的曲率中心曲率中心，然后用一，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。个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。如图如图2-17所示，构件所示，构件1和构件和构件2分别为绕和转动的两个圆分别为绕和转动的两个圆盘，两圆盘的圆心分别为盘，两圆盘的圆心分别为O1、O2，半径为，半径为R1、R2，它们在，它们在C点构成点构成高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图2-18所示机构所示机构的替代机构也如该图中虚线所示。的替代机构也如该图中虚线所示。图217图2182、 方法方法 1）如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移）如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副，如图动副，如图2-19所示。所示。 2）若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如图）若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如图2-20所所示。示。图 2-19 图220 3、 两种特殊情况两种特殊情况 图 2-19