平面机构的自由度教案
四讲 平面机构自由度
湖北职业技术学院备课纸《机械设计基础》教案教学内容：平面机构自由度教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．理解机构自由度的计算公式；2．明确平面机构具有确定运动的条件；3．清楚平面机构自由度计算应注意的问题；4．掌握平面机构自由度计算的实际应用。
重点、难点：平面机构自由度计算应注意的问题教学过程：3.3 平面机构的自由度3.3.1机构自由度的计算机构相对机架（固定构件）所具有的独立运动数目，称为机构的自由度。
在平面机构中，设机构的活动构件数为n，在未组成运动副之前，这些活动构件共有3n 个自由度。
用运动副联接后便引入了约束，并失去了自由度，一个低副因有两个约束而将失去两个自由度，一个高副有一个约束而失去一个自由度，若机构中共有P L个低副、P H个高副，则平面机构的自由度F的计算公式为F=3n－2P L－P H如图所示的搅拌机，其活动构件数n=3，低副数P L=4，高副数P H=0，则该机构的自由度为F=3n－2P L－P H=3×3－2×4－0=13.3.2机构具有确定运动的条件机构能否实现预期的运动输出，取决于其运动是否具有可能性和确定性。
如图1所示，由3个构件通过3个转动副联接而成的系统就没有运动的可能性，因其自由度为F=3n－2P L－P H=3×2－2×3－0=0 ，故不能图1称其为机构。
图2所示的五杆系统，若取构件1作为主动件，其自由度为F=3n－2P L－P H=3×5－2×5－0=2当构件1处于图示位置时，构件2、3、4则可能处于实线位置，也可能处于虚线位置。
显然，从动件的运动是不确定的，故也不能称其为机构。
如果给出2个主动件，即同时图2给定构件1、4的位置，则其余从动件的位置就唯一确定了（图2实线），此时，该系统则可称为机构。
当主动件的位置确定以后，其余从动件的位置也随之确定，则称机构具有确定的相对运动。
那么究竟取一个还是几个构件作主动件，这取决于机构的自由度。
机械设计基础教案平面机构自由度
机械设计基础教案【课题名称】平面机构的自由度【教学目标与要求】一、掌握内容1.判断机构是否具有确定运动.2.平面机构自由度的计算方法。
3.分析平面机构自由度计算的特殊情况（复合铰链，局部自由度，虚约束等特殊情况）。
二、了解内容机构自由度在分析机器构件运动中的作用，并在今后学习生活中注意观察自由度的应用场景。
【教学重点和难点】重点：机构自由度的计算、机构具有确定运动的条件。
难点：复合铰链、局部自由度和虚约束的判断。
【教学方法】课堂以讲授为主，借助PPT，flash动画等进行直观分析讲解。
授课过程中采用例题解析和启发式教学方法，通过提出问题——探究新知——归纳总结——实践应用等环节，采用例题解析教法来突出重点和突破难点，在解析例题和课堂练习中运用启发式教学，突出能力目标和情感目标的培养，体现“教为主导，学为主体”的教学原则，实现对每个知识点的认识、理解和掌握。
【教学时间】2课时，90分钟【教学过程】一、新课导入由内燃机的运动引出运动副的概念和特点，根据运动现象，通过提问导入新课：当活塞运动时，为什么齿轮9和顶杆8有确定的相对运动？是不是在设计的时候就可以提前预知这些基本运动规律？指出要回答这个问题，就要先弄清楚机构具有确定运动的条件。
二、讲解新课。
1、详细阐述平面机构具有确定运动的条件。
当机构的原动件数等于自由度数时，机构就具有确定的相对运动。
得出结论：F≤0 运动链不能运动F＞原动件数目，运动不确定F＜原动件数目，不能动F＝原动件数目，运动确定具体结合PPT讲解。
2、通过通过构件自由度推理出平面机构自由度的计算公式。
①构件的自由度：作平面运动的刚体在直角坐标系的位置需要三个独立的参数（x，y, θ）才能唯一确定。
及X、Y及绕某一点的转动。
②如设平面机构共有n个活动构件（不包括机架），当此机构的各构件尚未通过运动副联接时，显然它们共有3n个自由度。
当两构件构成运动副之后，它们的运动就将受到约束，其自由度将减少，一个低副引进2两个约束，一个高副引进1个约束，机构的自由度F计算公式为：F=3n－2PL -Ph公式解释：3n —一个构件有3个自由度，n 个活动构件有3n个自由度。
平面机构的自由度
1、三角形具有稳定性。 2、四边形具有不稳定性。
引入：三角形与四边形
教学引入 教学策略
教学练习
教学效果
“用三根木条钉成 三角形的木架，然 后扭动它，它的形 状会发生变化吗？” “不会变形”
引入：三角形与四边形
教学引入 教学策略
教学练习
教学效果
“然而，用四根木 条钉成四角形的木 架，然后扭动它， 它的形状会发生变 化吗？” “变形”
Part
3
教学练习
课前学习
教学流程 教学实施过程
平面机构自由度的计算
教学引入 教学讲解
教学练习
教学效果
1、三角固定架（刚性桁架）
F = 3n - 2 Pl - Ph
1 2
F=3×2－2×3=0 构件间没有相对运动 机构→刚性桁架
固定构件
2、铰链四杆机构
一个原动件
F = 3n - 2 Pl - Ph
（F﹥０）
原动件数=机构自由度
运动确定
平面机构自由度的计算
教学引入 教学讲解
教学练习
教学效果
2、铰链四杆机构
两个原动件
F = 3n - 2 Pl - Ph
（F﹥０）
原动件数＞机构自由度
运动不确定
3、铰链五杆机构
F = 3n - 2 Pl - Ph
（F﹥０）
原动件数＜机构自由度
运动不确定
平面机构自由度的计算
构件间具有确定的相对运动关 机构具有确定运动的条件： 系的构件组合体，称为机构。 自由度 F > 0 ， 且等于原动件个数。
Part
4
教学效果
教学效果 教学反思
习题练习：
教学引入 教学讲解
《平面机构自由度》课件
在计算平面机构自由度时，需要考虑局部自由度对整体自由度的影响。如果忽略 了局部自由度，可能会导致自由度计算错误。
平面机构自由度计算中的注意事项
01
正确理解约束和自由度的关系
约束和自由度是相对的概念，一个约束可以减少一个自由度。在计算自
由度时，需要正确识别和计算约束的数量。
02
注意机构的连接方式
机构的连接方式会影响其运动性质和自由度的数量。例如，不同连接方
式的连杆机构会有不同的自由度数。
03
考虑机构的实际工作状态
在某些情况下，机构在特定的工作状态下可能表现出不同的自由度数。
因此，在计算平面机构自由度时，需要考虑其实际工作状态。
04
平面机构自由度在机械设 计中的应用
机构运动分析中的应用
未来研究的方向与展望
01
02
03
04
发展更为精确、高效的平面机 构自由度计算方法，以适应各 种复杂机构的自由度分析需求
。
深入研究平面机构自由度与机 构性能之间的关系，为机构优
化设计提供理论依据。
探索平面机构自由度的实验验 证方法，提高研究的可重复性
和可推广性。
将平面机构自由度的研究成果 应用于实际工程中，促进相关
用提供理论支持。
平面机构自由度的研究有助于 推动机构学理论的完善和发展 ，促进相关领域的技术进步和
创新。
当前研究的不足与挑战
平面机构自由度的计算方法仍不够完善，对于某 些复杂机构的自由度分析仍存在困难。
平面机构自由度与机构性能之间的关系尚不明确 ，需要进一步深入研究。
平面机构自由度的实验验证方法有待发展，以提 高研究的可靠性和实用性。
分类
平面机构的自由度教案
平面机构的自由度教案第一章：平面机构的基本概念1.1 平面机构的定义介绍平面机构的定义和特点解释机构的作用和应用1.2 平面机构的组成介绍平面机构的组成要素，包括构件和连接解释不同类型的构件和连接方式1.3 平面机构的分类介绍平面机构的分类，包括单自由度机构和多自由度机构解释不同类型平面机构的特点和应用第二章：自由度的概念2.1 自由度的定义介绍自由度的概念和意义解释自由度在机构设计中的重要性2.2 自由度的计算介绍自由度的计算方法和步骤解释如何确定机构中自由度的数量2.3 自由度与约束的关系介绍自由度与约束之间的关系解释如何通过约束来控制机构的运动和稳定性第三章：平面机构的自由度计算3.1 单自由度机构的自由度计算介绍单自由度机构的自由度计算方法解释如何确定单自由度机构的自由度数量3.2 多自由度机构的自由度计算介绍多自由度机构的自由度计算方法解释如何确定多自由度机构的自由度数量3.3 自由度计算的实例分析提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度计算方法第四章：自由度对机构运动的影响4.1 自由度与机构运动的关系介绍自由度对机构运动的影响和作用解释不同自由度机构的特点和运动方式4.2 自由度对机构稳定性的影响介绍自由度对机构稳定性的影响和作用解释如何通过自由度来控制机构的稳定性和可靠性4.3 实例分析：自由度对机构运动和稳定性的影响提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度对机构运动和稳定性的影响第五章：自由度在机构设计中的应用5.1 自由度在机构设计中的作用介绍自由度在机构设计中的重要性和应用价值解释如何利用自由度来优化机构设计和提高性能5.2 自由度在机构创新中的运用介绍自由度在机构创新中的作用和意义解释如何利用自由度来创造新的机构设计和解决方案5.3 实例分析：自由度在机构设计中的应用提供实例分析，帮助学生理解和应用自由度在机构设计中的应用第六章：平面机构的自由度分析方法6.1 机构自由度分析的基本原理介绍机构自由度分析的基本原理和数学基础解释如何应用这些原理来分析平面机构的自由度6.2 运动链分析法介绍运动链分析法的概念和步骤解释如何利用运动链分析法来确定机构的自由度6.3 机构自由度分析的实例提供实例分析，帮助学生掌握自由度分析的方法和技巧第七章：平面机构的自由度优化设计7.1 自由度优化设计的目标介绍自由度优化设计的目标和意义解释如何在机构设计中实现自由度的优化7.2 自由度优化设计的方法介绍自由度优化设计的方法和技巧解释如何应用这些方法来提高机构的性能和效率7.3 实例分析：自由度优化设计在实际中的应用提供实例分析，帮助学生理解自由度优化设计的方法和应用第八章：平面机构的自由度控制8.1 自由度控制的概念和意义介绍自由度控制的概念和意义解释自由度控制在机构设计和应用中的重要性8.2 自由度控制的方法和技巧介绍自由度控制的方法和技巧解释如何应用这些方法来控制机构的自由度8.3 实例分析：自由度控制在实际中的应用提供实例分析，帮助学生理解自由度控制的方法和应用第九章：平面机构的自由度综合应用9.1 自由度在机构设计中的应用介绍自由度在机构设计中的应用和意义解释如何利用自由度来优化机构设计9.2 自由度在机械臂机构设计中的应用介绍自由度在机械臂机构设计中的应用和意义解释如何利用自由度来优化机械臂机构设计9.3 实例分析：自由度在机构综合应用中的实例提供实例分析，帮助学生理解自由度在机构综合应用中的方法和技巧第十章：平面机构的自由度教案总结10.1 平面机构自由度教案的回顾回顾整个教案的内容和重点强调平面机构自由度的重要性和应用价值10.2 平面机构自由度教案的实践应用鼓励学生将所学知识应用到实际机构和机械设计中强调平面机构自由度在实际工程中的重要性10.3 平面机构自由度教案的拓展学习推荐学生进一步学习的资料和资源鼓励学生探索平面机构自由度在更广泛领域中的应用重点和难点解析一、平面机构的基本概念：理解平面机构的定义、组成和分类是学习平面机构自由度的基础。
平面机构的自由度
do
something
平面机构的自由度
高考考点
学
习
目掌握平面机构自由度的计算
3.总结平面机构具有确定运动的条件
复习：运动副
转动副
低副（面）
移动副
螺旋副
运动副
滚动副
高副（点、线）
凸轮副
齿轮副
任务一：自由度与约束
名词1：自由度
构件的独立运动称为自由度。符号：F。
与机构整体运动无关的构件的独立运动，称为局部自由度。
在计算机构自由度时，局部自由度应省略不计。
滚动式从动杆盘形凸轮机构
3、虚约束
机构中不产生独立限制作用的约束，称为虚约束。在计算自由度时，
应先去除无效虚约束。
虚约束常有一下几种情况发生：
（1）重复的转动副。 （2）重复的移动副。
（3）重复的轨迹。
（4）重复的高副。
=3x3 − 2x4−0
2
=9−8 − 0
1
3
=1
在计算平面机构自由度时，应注意复合铰链、局部自由度、虚约束
三种特殊情况。
1、复合铰链
3个和3个以上的构件共用同一转动轴线所构成的转动副，称为复
合铰链。
F=3-1=2
由m个构件在同一轴线上形成的复合
铰链，转动副的数目应该是（m—1）个。
2、局部自由度
铰链四杆机构
W＜F，机构运动不确定
F=3n − 2 − ℎ
=3x4 − 2x5−0
=12−10 − 0
=2
W=F，机构运动确定
五杆机构
所以，平面机构具有确定运动的条件是：
W=F＞0
注：W——表示原动件数目；
F——表示机构的自由度。
平面机构的自由度教案
平面机构的自由度教案一、教学目标1.了解平面机构的定义和基本概念；2.掌握平面机构的自由度的概念和计算方法；3.掌握平面机构自由度的计算公式，并能够运用到实际问题中。
二、教学重点1.平面机构的定义和基本概念；2.平面机构自由度的概念和计算方法。
三、教学难点1.平面机构自由度的计算公式；2.如何应用平面机构自由度的计算公式解决实际问题。
四、教学准备1.多媒体设备；2.教学课件；3.示意图；4.计算实例。
五、教学过程1.导入（5分钟）通过一个简单的机械结构示意图，引起学生的兴趣，并引出平面机构自由度的概念。
2.知识讲解（15分钟）1)平面机构的定义：平面机构是由多个刚体通过铰链、滑动副等连接件连接而成，使得其中至少一个刚体较其他刚体有较多的运动自由度的机构。
2)平面机构自由度的定义：平面机构自由度是指机构中一些刚体相对于其他刚体的允许的自由运动的数量。
3)平面机构自由度的计算方法：a.单铰链机构：自由度=3n-m，其中n为零件数，m为约束数。
b.单滑块机构：自由度=3n-m+2，其中n为零件数，m为约束数。
c.混合机构：分别计算铰链和滑块的自由度，然后求和。
3.例题演练（30分钟）设计一个闭链机构，由4个杆件和4个铰链连接而成，其中两个杆件固定在平面上，另外两个杆件可以绕着铰链件旋转。
计算该闭链机构的自由度。
解：零件数n=4，约束数m=4，根据自由度的计算公式，自由度=3n-m=3×4-4=8-4=44.拓展应用（25分钟）请设计一个能够固定在地面上的四杆机构，其中一个杆件固定，两个杆件可绕铰链旋转，一个杆件可绕滑块旋转。
根据题目要求，计算该机构的自由度。
解：零件数n=4，约束数m=6，根据自由度的计算公式，自由度=3n-m=3×4-6=12-6=65.归纳总结（5分钟）通过例题的演练，复习和巩固了平面机构自由度的计算方法，并对平面机构的自由度有了更深入的理解。
六、课堂小结通过本节课的学习，我们了解了什么是平面机构，学会了如何计算平面机构的自由度，并通过例题的演练，掌握了自由度的计算方法的运用。
自由度的计算-机械原理教案
§2-6 计算机构自由度时应注意的事项
思考：
几个转动副？ 计算自由度时，算几个移动副？
机构运动确定吗？
欢迎大家提出宝贵意见！ 谢谢
§2-5 平面机构自由度的计算
• 平面机构的自由度
• 机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目
1.计算公式
一个不受任何约束的构件在平面中的 运动只有三个自由度 自由度、约束
一个平面低副引入两个约束 一个平面高副引入一个约束
§2-5 平面机构自由度的计算
1. 计算公式
• 具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成PL个 低副和PH个高副，则它们共引入了(2PL+PH)个约束，机构 的自由度F显然为:
• 1. 局部自由度 • 对整个机构运动无关的自由度称为局部自由度。
• 在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。 • 如图所示凸轮机构中的滚子带来一个局部自由度。 滚子3是多余活动构件，它绕C局部自由度为 F′=3×1-2×1=1
即计算机构自由度时应该将局部自由度减去
• F=3n-(2Pl+Ph)=3n-2Pl-Ph
§2-5 平面机构自由度的计算
2. 举例
例题一：计算图中所示主体机构的自由度 • 构件1为机架 • 活动构件数n=N-1=4-1=3 • 低副个数Pl=4 • 高副个数Ph=0 • 机构的自由度为
• F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1
§2-5 平面机构自由度的计算
2. 举例
例题二：计算图中所示牛头刨床机构的自由度 活动构件数n=5 低副个数Pl=7 高副个数Ph=0 该机构自由度为 F=3n—2Pl—Ph ＝3×5—2×7-0＝1
§2-6 计算机构自由度时应注意的事项
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平面机构的自由度教案
【教学目的】
1、掌握运动链成为机构的条件。
2、熟练掌握机构自由度的计算方法。
能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度，尤其是平面机构的自由度。
能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。
【教学内容】
1、引出自由度计算公式，平面运动链和空间运动链，并加以举例说明。
2、探讨机构具有确定运动的条件。
3、介绍自由度计算中的注意问题，复合铰链、局部自由度和虚约束处理的注意事项，并分别举例说明。
4、本章节内容总结和参考书目的推荐。
【教学重点和难点】
机构自由度的计算、判断运动链能否成为机构。
【教学方法】
1、课堂以讲授为主，结合PPT、多媒体视频及FLASH动画等文件进行分析讲解。
2、注重师生交流，提倡师生互动，上课时细心观察学生的反应，课间与学生交谈，了解学生的掌握情况，根据反馈的信息，适当地调整授课内容和方法等。
【教学时间】
2课时，90分钟
【教学流程】。