自由度原理学习.pptx

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1、2 机构的组成1)构件 组成机构的运动单元.零件制造单元第1页/共101页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，缺一不可第2页/共101页转动副(铰链)(a)固定铰链(b)活动铰链第3页/共101页移动副 第4页/共101页螺旋副转动副移动副第5页/共101页(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。第6页/共101页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：

2、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。第7页/共101页平面运动构件的自由度作平面运动的构件有三个自由度，第8页/共101页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。第9页/共101页所示的高副只约束了沿接触处公法线n-n方向的移动。第10页/共101页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。第11页/共101页12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

3、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。第12页/共101页 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第13页/共101页转动副、移动副实例第14页/共101页齿轮副实例第15页/共101页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、开式链第16页/共101页若干1个或几个1个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。第17页/共101页第18页/共101页原动件-1从动件-2,3机架-

4、4第19页/共101页二 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第20页/共101页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第21页/共101页转动副的表示方法 2）运动副的表示方法第22页/共101页移动副的表示方法第23页/共101页三副构件两副构件第24页/共101页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12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副第25页/共101页平面高副螺旋副21121221211

5、212球面副球销副121212空间运动副121212第26页/共101页在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动第27页/共101页链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动第28页/共101页棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动第29页/共101页常用机器实例第30页/共101页带式运输机用传动装置第31页/共101页注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。工业机器人第32页/共101页原动件-1 从动件-2,3机架-4第33页/共101页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

6、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。第34页/共101页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：第35页/共101页例1：绘制破碎机的机构运动简图。第36页/共101页例例2 2 活塞泵活塞泵运动副？运动副？第37页/共101页第38页/共101页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

7、+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第39页/共101页内燃机的机构运动简图 第40页/共101页例题三、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ABCDE分析：绘制简图：123456第41页/共101页1234例2:绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵动画第42页/共101页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

8、的主运动机构利用了摆动导杆机构,。第43页/共101页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。yx(x,y)F=3单个做平面运动的构件的自由度为 3 3第44页/共101页运动副自由度数约束数回转副1（）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=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第45页/共101页活动构件数构件总自由度低副约束数高副约束数n3n2PL1Ph(低副数)(高副数)计算公式：F=3n(2PL+Ph)=3n 2PL

9、 Ph第46页/共101页计算曲柄滑块机构的自由度。123解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n2PLPH=3324=1高副数PH=04第47页/共101页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=5F=3n2PLPH=3425=2高副数PH=05234第48页/共101页F=3n-2PF=3n-2PL 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,相当于一个相当于一个构件。构件。第49页/共101页计

10、算图示凸轮机构的自由度1解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n2PLPH=32221=1高副数PH=123第50页/共101页试机算航空照相机快门机构的自由度。第51页/共101页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第52页/共101页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。第53页/共101页12341 14 4五杆铰链机构第54页/共101页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第55页/共101页F=3n 2PL PH=372

11、100=1A、B、C、D四处都由三个构件组成复合铰链，n7，PL10，PH=0，第56页/共101页钢板剪切机第57页/共101页2.局部自由度1）定义：构件局部运动所产生的自由度。解：n=3PL=3F=3n2PLPH=33231=2PH=1对于右边机构，有：F=3n 2PL PH=32221=1事实上，两个机构的运动相同，且F=1123122）处理:滚子与杆焊在一起第58页/共101页解：n=4,PL=6,F=3n2PLPH=3426=01234ABCDEFPH=0 FEABCD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，已知：ABCDEF，3.虚约束1）定义：不起独立限制作用的约束第59页/共1

12、01页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。第60页/共101页（2）两构件多处形成移动副，转动副,高副。第61页/共101页两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！第62页/共101页（3）运动时，两点距离始终不变。（4）对称部分。EF如多个行星轮。第63页/共101页差动轮系第64页/共101页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 =2C-复合铰链E-局部自由度H、N-虚约束第65页/共1

13、01页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 =1G-复合铰链D-局部自由度A-虚约束第66页/共101页3 3）如图所示，已知：DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；DH=EIDH=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）。第67页/共101页局部自由度复合铰链虚约束第68页/共101页解：2、3、4组成复合铰链F=3n 2PL PH=37-210=14)求图示机构的自由度第69页/共101页5)计算机构自由度,指出复合铰链,局

14、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 =2A-复合铰链第70页/共101页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 =2C-复合铰链G-局部自由度FE-虚约束G I-虚约束（作业）第71页/共101页F F3n3n2P2PL LP PH H3 3 72 2 8 1 1=2=27)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第72页/共101页解：F=3n2PLPH=3921221=18)计算机构自由度,指出复合铰链,局部自由度,虚约束,

15、说明机构具有确定运动的条件第73页/共101页9)计算图示包装机送纸机构的自由度。n=6，PL=7，F=3n2PLPH=36273=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：第74页/共101页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第75页/共101页大筛机构第76页/共101页计算机构自由度,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第77页/共101页例 3 3 计算图所示

16、机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。第78页/共101页局部自由度虚约束第79页/共101页例 2 2 如图所示，已知：DE=FG=HIDE=FG=HI，且相互平行；DF=EGDF=EG，且相互平行；DH=EIDH=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）第80页/共101页局部自由度复合铰链虚约束作业第81页/共101页例 4 4 如图所示,已知HG=IJ,HG=IJ,且相互平行；GL=JKGL=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）。第82页/共101页局部自由度复合铰链

17、虚约束第83页/共101页F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 81111例例6 6第84页/共101页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 21411.基本机构(简单机构)原动件+机架第85页/共101页2.2.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41第86页/共101页表2-3A级及部分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（I

18、I级杆组）（1）RRR（2）RRP（3）RPR（4）PRP（5）RPPn=4p=6四杆六副（部分、IV级杆组）（1）（2）第87页/共101页 级组n=4（PL6 6）四杆六副结构特点：有三副构件。典型级组：n=2 p=3 二杆三副第88页/共101页F=1F=0第89页/共101页41第90页/共101页7举例：将图示八杆机构拆分成机架、原动件和基本杆组。1324568第91页/共101页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

19、构上，形成了该八杆机构。第92页/共101页二、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。第93页/共101页F=3n-2PL-PH=3527=1该机构为II级机构。第94页/共101页7图示八杆机构，1为原动件，试对其进行结构分析。若6或7为原动件，结果一样吗？1324568第95页/共101页或7为原动件时级机构6 6为原动件时级机构67第96页/共101页必须指出：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：第97页/共101页三、平面机构的

20、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、条件第98页/共101页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2182、方法第99页/共101页 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、两种特殊情况图2-19 第100页/共101页感谢您的观看！第101页/共101页