機械基礎(chǔ) 教學最好的PPT 第一章、平面機構(gòu)運動簡圖及其自由度

第一章平面機構(gòu)運動簡圖及其自由度學習目的:

掌握如何用機構(gòu)運動簡圖表示機器（或機構(gòu))中各構(gòu)件的相對運動關(guān)系；會計算機構(gòu)的自由度。第一節(jié)基本概念第二節(jié)平面機構(gòu)運動簡圖第三節(jié)平面機構(gòu)自由度計算本章總結(jié)第一節(jié)基本概念

一、構(gòu)件二、運動副

三、自由度、約束

四、運動副類型

五、機構(gòu)

機械的運動單元，傳遞運動和力的載體。實例：內(nèi)燃機中的缸體、活塞、連桿、曲軸等。內(nèi)燃機連桿一、構(gòu)件(Link)

一個構(gòu)件也可以由幾個零件剛性聯(lián)接組成。實例：連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺母、連桿襯套等相互剛性聯(lián)接組成。連桿體連桿蓋螺栓墊圈螺母連桿襯套軸瓦零件(Part)是機械的制造單元。內(nèi)燃機連桿二、運動副(Kinematicpair)運動副

構(gòu)件之間的可動聯(lián)接運動副元素

兩構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運動副的部分

對構(gòu)件施加的約束個數(shù)等于其自由度減少的個數(shù)。

在平面內(nèi)作自由運動的構(gòu)件具有3個獨立的相對運動；在三維空間作自由運動的構(gòu)件具有6個獨立的相對運動。三、自由度、約束yxAB自由度

構(gòu)件間的獨立相對運動(Degreeoffreedom,Mobility)約束

運動副對構(gòu)件間相對運動的限制作用(Constraint)Oxzysxszsy

y

x

z空間運動剛體的自由度

一個完全獨立的剛體在空間直角坐標系下的自由度為sx，sy，sz，

x，

y，

z

，即自由度數(shù)f

6。

平面運動剛體的自由度為sx，sy，

z，即自由度數(shù)f

3。y

x

z

O

y

z(x,y)xO平面運動剛體的自由度sxsy

觀察圖示兩構(gòu)件組成的圓柱副(Cylindricpair)

兩構(gòu)件保留的相對運動sz和

z，即自由度數(shù)f

2。

兩構(gòu)件之間受限制的相對運動sx，sy

，

x和

y，即約束數(shù)s

4。

兩構(gòu)件之間可以傳遞的力（力矩）

Px，Py，Mx，My結(jié)論幾何約束與力約束本質(zhì)上是一致的，是可以相互替代的。

zxyO

zsz

特點具有較多的自由度，易于構(gòu)件的自動調(diào)整，保持靜定特性。接觸應力大，易變形、易磨損、承載能力低。

制造比較困難。適用場合結(jié)構(gòu)簡單，運動精度要求較高，受力較小。構(gòu)件的不同接觸形式點接觸(Pointcontact)

點接觸，f

5,s

1線接觸，f

4,s

2線接觸(Linecontact)

面接觸(Areacontact)特點相當于多點接觸，承載能力較高，應用廣泛。運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準確確定，需要較高的制造精度。

保證運動副可靠工作的措施

●提高表面硬度●正確選用材料●添加潤滑劑●加入中間體,將滑動摩擦改為滾動摩擦

四、運動副的分類●

按運動副引入的約束數(shù)分類

I級副(ClassIkinematicpair)、II級副、III級副、IV級副、V級副?！?/p>

按運動副的接觸形式分類面與面接觸的運動副—低副(Lowerpair)點、線接觸的運動副—高副(Higherpair)

●按兩構(gòu)件相對運動的形式分類平面運動副(Planarkinematicpair)

空間運動副(Spatialkinematicpair)●

按接觸部分的幾何形狀分類圓柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圓柱副、圓柱–平面副等等。運動副舉例球面–平面副Sphere-planepair空間I級高副圓柱–平面副Cylinder-planepair空間II級高副球面副Sphericalpair空間III級低副球銷副Sphere-pinpair空間IV級低副圓柱副Cylindricpair空間IV級低副螺旋副Helicalpair空間V級高副回轉(zhuǎn)副Revolutepair平面V級低副軸承Bearing鉸鏈Hingedjoint移動副Prismaticpair,Slidingpair平面V級低副平面機構(gòu)是應用最廣泛的機構(gòu)。平面運動副的約束數(shù)為1

s

2。點、線接觸的平面運動副—平面高副

面接觸的平面運動副—平面低副

轉(zhuǎn)動副

移動副

滾動副

凸輪副

齒輪副

運動鏈(Kinematicchain)

兩個以上構(gòu)件用運動副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。閉式運動鏈(Closedkinematicchain)單封閉回路閉鏈p

N

（p為運動副數(shù)，N為構(gòu)件數(shù)）多封閉回路運動閉鏈k

p

N

1(k為回路數(shù))開式運動鏈(Openkinematicchain)

開式運動鏈廣泛應用于機械手和機器人中。N

p

1五、機構(gòu)機構(gòu)在運動鏈中，若選定某構(gòu)件為機架，且各構(gòu)件具有確定的相對運動，則稱該運動鏈為機構(gòu)。平面機構(gòu)機構(gòu)中各構(gòu)件的運動平面互相平行空間機構(gòu)機構(gòu)中至少有一構(gòu)件不在相互平行的平面上運動，或至少有一構(gòu)件能在三維空間中運動

機構(gòu)其余構(gòu)件運動是否確定？機構(gòu)滿足條件在另一個（或幾個）構(gòu)件上加上已知運動21341432運動鏈

4132固定一個構(gòu)件曲柄滑塊機構(gòu)搖塊機構(gòu)導桿機構(gòu)運動鏈的生成是創(chuàng)造、獲取新機構(gòu)的重要手段。同一運動鏈可以生成的不同機構(gòu)431CAB21423ABC1432ABCAB2134至少1個1個一、構(gòu)件的類型原動件(Drivinglink)—機構(gòu)中按給定運動規(guī)律運動的構(gòu)件，也稱為輸入構(gòu)件(Inputlink)。從動件(Drivenlink,Follower)—其余的可動構(gòu)件。具有預期的運動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構(gòu)件(Outputlink)或執(zhí)行構(gòu)件(Executivelink)。機架(Fixedlink,Frame)—固定不動的構(gòu)件。機構(gòu)機架

原動件

從動件系統(tǒng)第二節(jié)平面機構(gòu)運動簡圖(自學)

根據(jù)機構(gòu)中各構(gòu)件的相對運動是否在同一平面或平行平面內(nèi)，可將機構(gòu)分為平面機構(gòu)(Planarmechanism)和空間機構(gòu)(Spatialmechanism)?？臻gRSRC機構(gòu)球面4R機構(gòu)空間RSSP機構(gòu)

平面機構(gòu)是我們的主要研究對象?？臻g曲柄滑塊機構(gòu)空間四連桿機構(gòu)

機構(gòu)運動簡圖(Kinematicsketch)是從運動學角度出發(fā)，將實際機械中與運動無關(guān)的因素加以抽象和簡化后，得到的反映實際機械的運動特性和運動傳遞關(guān)系的圖形。機構(gòu)運動簡圖應滿足的條件：⑴構(gòu)件數(shù)目與實際機構(gòu)相同；⑵運動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際機構(gòu)相符；⑶運動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機構(gòu)成比例。

機構(gòu)示意圖為不嚴格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的結(jié)構(gòu)特征。二.

運動簡圖常用運動副的符號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121212121212212121平面運動副兩構(gòu)件之一為固定時的運動副121222112211222112運動副名稱平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運動副122112平面運動副21構(gòu)件的表示方法

桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

構(gòu)件的表示方法

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)。常用機構(gòu)運動簡圖符號（摘自GB/T4460-1984）在機架上的電機齒輪齒條傳動圓錐齒輪傳動帶傳動鏈傳動圓柱桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）常用機構(gòu)運動簡圖符號（續(xù)）內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動棘輪機構(gòu)

2.

機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟：⑴分析機械的動作原理、組成情況和運動情況，確定原動件、機架、執(zhí)行部分和傳動部分。⑵沿著運動傳遞路線，逐一分析每兩個構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目。⑶選擇與機械多數(shù)構(gòu)件的運動平面平行的平面，作為機構(gòu)運動簡圖的視圖平面。⑷選擇適當?shù)臋C構(gòu)運動瞬時位置和比例尺

l(m

mm)，定出各運動副的相對位置，并用各運動副的代表符號、常用機構(gòu)的運動簡圖符號和簡單線條，繪制機構(gòu)運動簡圖。⑸從原動件開始，按運動傳遞順序標出各構(gòu)件的編號和運動副代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動的方向。平面機構(gòu)運動簡圖繪制舉例偏心泵1234第三節(jié)平面機構(gòu)的自由度一、運動鏈自由度計算公式為活動構(gòu)件個數(shù);

為低副個數(shù);為高副個數(shù)。1.局部自由度

2.復合鉸鏈

3.虛約束

三、計算平面機構(gòu)的自由度應注意的事項

計算實例機構(gòu)的自由度：機構(gòu)具有確定運動時所給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。二、運動鏈成為機構(gòu)的條件一、運動鏈的自由度計算運動鏈的自由度—確定運動鏈中各構(gòu)件相對于其中某一構(gòu)件的位置所需的獨立參變量的數(shù)目。

考察由N個構(gòu)件組成的運動鏈，活動構(gòu)件數(shù)

n=N-1。

空間運動

運動鏈自由度：構(gòu)件總自由度6nI級副約束數(shù)p1II級副約束數(shù)2p2III級副約束數(shù)3p3IV級副約束數(shù)4p4V級副約束數(shù)5p5

具有q個公共約束的運動鏈，其自由度計算公式為：

平面運動鏈q=3，其自由度計算公式為：運動鏈自由度計算舉例例1

縫紉機腳踏板運動鏈自由度計算例2

平面四桿運動鏈自由度計算分析：n

3，p5

2，p4

1，p3

1計算：F

6

3

(3

1

4

1

5

2)

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。

分析：n

3，q

3，p5

4計算：F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1只要給定1個獨立位置參數(shù)，各構(gòu)件間的相對位置關(guān)系就確定了。

平面四桿運動鏈1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板運動鏈二、運動鏈成為機構(gòu)的條件判斷所設(shè)計的運動鏈是否能成為機構(gòu)，是提出新的設(shè)計方案時自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

5

1

該運動鏈約束過多，成為超靜定桁架，不能成為機構(gòu)。

F

3n

2pL

pH

3

2

2

3

0運動鏈為一剛性桁架，不能成為機構(gòu)。

運動鏈成為機構(gòu)的首要條件：運動鏈自由度必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件運動鏈1243ADBCE平面四構(gòu)件運動鏈

在F

0的條件下，進一步判斷運動鏈是否具有確定的運動。

平面五桿運動鏈

F

3n

2pL

pH

3

4

2

5

2原動件數(shù)

F,運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系不確定。運動鏈不能成為機構(gòu)。

原動件數(shù)

F,運動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。

運動鏈成為機構(gòu)。

平面四桿運動鏈

F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1原動件數(shù)

F，運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。運動鏈不能成為機構(gòu)。

原動件數(shù)

F，運動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運動關(guān)系確定。

運動鏈成為機構(gòu)。運動鏈成為機構(gòu)的條件是：取運動鏈中一個構(gòu)件相對固定作為機架，運動鏈相對于機架的自由度必須大于零，且原動件的數(shù)目等于運動鏈的自由度數(shù)。滿足以上條件的運動鏈即為機構(gòu)，機構(gòu)的自由度可用運動鏈自由度公式計算。

三、

計算機構(gòu)自由度時應注意的問題

未考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。

F

3n

2pL

pH

3

3

2

3

1

2

●局部自由度(Passivedegreeoffreedom)

定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運動有關(guān)的自由度。

考慮局部自由度時的機構(gòu)自由度計算。

設(shè)想將滾子與從動件焊成一體

F

3

2

2

2

1

1

計算時減去局部自由度FP

F

3

3

2

3

1

1(局部自由度)

1

●復合鉸鏈(Compoundhinges)

定義：兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運動副。

k個構(gòu)件組成的復合鉸鏈，有(k-1)個轉(zhuǎn)動副。12345678ABCDEF

正確計算

B、C、D、E處為復合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)均為2。

n

7，pL

10，pH

0

F

3n

2pL

pH

3

7

2

10

1

準確識別復合鉸鏈舉例關(guān)鍵：分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副1231342123441321432312兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副●虛約束(Redundantconstraint,Passiveconstraint)定義：機構(gòu)中不起獨立限制作用的重復約束。計算具有虛約束的機構(gòu)的自由度時，應先將機構(gòu)中引入虛約束的運動副或運動鏈部分除去。虛約束發(fā)生的場合⑴兩構(gòu)件間構(gòu)成多個運動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個導路平行的移動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸點處法線重合的高副兩構(gòu)件構(gòu)成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副52134EF5⑵兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變

未去掉虛約束時F

3n

2pL

pH

3

4

2

6

0

3241EF附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F提供的自由度F

3

1

2

2

1即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

1?⑶聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合

附加的構(gòu)件4和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F以及附加的構(gòu)件1和其兩端的轉(zhuǎn)動副A、B提供的自由度F

3

1

2

2

1即引入了一個約束，但這個約束對機構(gòu)的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F

3n

2pL

pH

3

3

2

4

11234ABDFEC43125ABCD平行四邊形機構(gòu)橢圓儀機構(gòu)構(gòu)件2和4在E點軌跡重合構(gòu)件1和2在B點軌跡重合1B342A⑷機構(gòu)中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分

對稱布置的兩個行星輪2

和2

以及相應的兩個轉(zhuǎn)動副D、C和4個平面高副提供的自由度F

3

2