机械原理机构自由度计算 PPT
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机械原理自由度课件(1)
高副：点或线接触的运动副。接触面压强(yāqiáng)较高，易
磨损。 常见(chánɡ jiàn)低幅
常见高副
第六页，共61页。
（2）按相对运动形式分平面(píngmiàn)副和空间副
平面 (píngmiàn)副
空间(kōngjiān) 副
第七页，共61页。
运动(yùndòng)链
• 由两个或两个以上构件通过运动(yùndòng) 副联接而构成的系统。分两类：闭式和开 式。
第四十七页，共61页。
（2）非圆形曲线(qūxiàn)
由于曲线各处曲率中心的位置不同，故在机构运动中随着接 触点的改变(gǎibiàn)，曲率中心OO1相对于构件1、2的位置及 OO1间的距离也会随之改变(gǎibiàn)。因此对于一般的高副机 构，在不同的位置有不同的瞬时替代机构。实例
如果(rúguǒ)是一对齿轮，如何替
第十七页，共61页。
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第十九页，共61页。
第二十页，共61页。
第二十一页，共61页。
第二十二页，共61页。
第二十三页，共61页。
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其他零部件的表示(biǎoshì)方法可参看GB4460— 84“机构运动简图符号”。
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• 绘制小型(xiǎoxíng)压力机机构运动简图
拆成4个二级杆组
第五十七页，共61页。
实例(shílì)2
第五十八页，共61页。
机构(jīgòu)的级别：
第五十九页，共61页。
第六十页，共61页。
第六十一页，共61页。
F 3n 2PL PH
第三十一页，共61页。
1.3.2 机构具有确定相对运动(xiānɡ duì yùn dònɡ)的条件
《机械原理自由度》课件
机械故障诊断
通过运动分析诊断机械故障的原因 和位置。
控制系统设计
利用运动分析结果设计控制系统的 参数和策略。
机构运动分析的实例
平面四杆机构的运动分析
01
通过解析法计算平面四杆机构的自由度，并分析其运动特性。
凸轮机构的运动分析
02
利用实验法测量凸轮机构的位移、速度和加速度，分析其运动
规律。
机器人臂关节的运动分析
03
通过数值法模拟机器人臂关节的运动行为，优化关节的设计参
数。
04
机构动力学分析
机构动力学的基本概念
机构动力学是研究机 械系统中机构运动及 其与力的关系的学科 。
机构动力学的基本概 念包括力、力矩、加 速度、速度和位移等 。
它涉及到系统的平衡 、运动规律、动态响 应等方面的内容。
机构动力学分析的Байду номын сангаас法
空间机构自由度计算
总结词
空间机构自由度计算是机械原理中一个复杂的概念，它涉及到机构在空间中的 运动自由度数。
详细描述
空间机构的自由度计算公式为F=6n-(3PL + Ph)，其中n为活动构件数，PL为低 副数，Ph为高副数。与平面机构不同，空间机构需要考虑三个方向的自由度， 因此计算更为复杂。
特殊机构自由度计算
通过建立平面连杆机构的运动学和动力学模型，分析其运动规律 和动态响应。
凸轮机构的动力学分析
研究凸轮机构的动态行为，包括从动件的运动规律和受力情况等。
齿轮机构的动力学分析
分析齿轮机构的动态特性，如振动、冲击和噪声等，以提高齿轮传 动的平稳性和可靠性。
05
机构优化设计
机构优化设计的目标和方法
目标
机械原理平面机构自由度计算例题课件
的运动特性和稳定性产生影响。
02
平面机构自由度计算方法
平面机构自由度计算的公式
01
平面机构自由度计算公式：$F = 3n - 2p_{r} - p_{h}$
02
其中，$n$为活动构件数， $p_{r}$为低副数，$p_{h}$为高 副数。
平面机构自由度计算的步骤
确定活动构件数$n$。 确定低副数$p_{r}$和高副数$p_{h}$。 代入公式计算自由度数$F$。
平面凸轮机构是一种常见的控制机构，其自由度的计算对于机构的设计和控制具有指导意义。通过实例解析，介 绍如何正确计算平面凸轮机构的自由度，同时深入理解凸轮机构的工作原理和特点，包括从动件的运动规律、凸 轮的轮廓设计等。
04
平面机构自由度计算常见 问题解析
问题一
总结词
理解运动副和自由度的关系是计算平面 机构自由度的前提。
VS
详细描述
运动副是机构中用于连接各构件并确定其 相对运动的装置，分为高副和低副两类。 自由度是描述机构运动灵活性的参数，一 个构件在一个平面内具有3个自由度（2 个移动和1个转动）。正确理解运动副和 自由度的关系，有助于确定机构的运动特 性。
问题二
总结词
掌握和应用平面机构自由度计算公式是关键 。
机械原理平面机 构自由度计算例 题课件
目录
• 平面机构自由度计算概述 • 平面机构自由度计算方法 • 平面机构自由度计算例题解析 • 平面机构自由度计算常见问题解
析 • 平面机构自由度计算的实际应用
01
平面机构自由度计算概述
平面机构自由度的定义
平面机构自由度
描述平面机构运动特性的物理量，表示平面机构中各构件在 平面坐标系内独立运动的个数。
机械原理课件-自由度计算
1-2 平面机构自由度
一.平面机构自由度计算公式 1.平面机构自由度定义--平面机构相 对于机架所具有的独立运动的个数。 2.计算公式 1) 约束--对构件间运动的限制 2) 运动副与约束的关系 图1- C
1
2
构件1，2作平面运动
1
2
将构件2固定在o-xy坐标系中
y 1
o x 2
观察构件1的运动
C
2
A 1 F
D
平行四边形机构
3 B 5 4 E
C
2
A 1 F
D
平行四边形机构
3 B 5 4 E
C
2
F=? F=33-(2 3+1)=2 ???
滚子与廓线间纯滚动以减小摩擦。 滚子转动否是否影响机构整体运动？
可见，滚子转动否与机构 整体运动无关。
这种与机构整体运动无关的自由度 称为局部自由度。
计算机构自由度时应去掉。相当 于将滚子与推杆固结。
F=33-(2 3+1)=2 ???
y
2
x 1 z
y
2
x 1 z
y
2
x 1 z
y
2
x 1 z 构件2相对构件1有六个自由度。
y
2
x 1 z 若将其限制为平面运动，则构件2 只能在O-XY坐标系中运动。
y
2
o 1
x
y
2
o 1
x
限制为平面运动，即加入三个公共约束。 可见，加入一个约束即减少一个自由度。
y
2
o 1
x
若两构件以转动副相连，则沿x,y方向受到 约束，仅剩下沿z轴转动一个自由度。
F=32-(2 2+1)=1 !!!
机械原理平面机构自由度计算-例题.ppt
n=5 PL=6 PH=2 F=3×5-(2×6+2)=1
n=5 PL=5 PH=4 (或相当于两个转动副) F=3×5-(2×5+4)=1 或F=3×5-(2×7)=1
计
算
计算如图所示机构的自由度
实
例
牛 头 刨 床 机 构
解: F 3 n 2 P L P H 3 6 2 8 1 1
• 10、人的志向通常和他们的能力成正比例。2020/12/112020/12/112020/12/1112/11/2020 11:39:49 AM • 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。2020/12/112020/12/112020/12/11Dec-2011-Dec-20 • 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。2020/12/112020/12/112020/12/11Friday, December 11, 2020 • 13、志不立，天下无可成之事。2020/12/112020/12/112020/12/112020/12/1112/11/2020
。2020年12月11日星期五2020/12/112020/12/112020/12/11
• 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年12月2020/12/112020/12/112020/12/1112/11/2020
• 16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020/12/112020/12/11December 11, 2020
对齿轮副提供的约束情况分两种：
• 如一对齿轮副（包括内、外啮合副和齿轮与齿条啮合副）的两轮中心 相对位置被约束，则这对齿轮副仅提供一个约束即为一个高副。（因此 时两齿轮轮齿为单侧接触）
• 如一对齿轮副（包括内、外啮合副和齿轮与齿条啮合副）的两轮中心 相对位置未被约束，则这对齿轮副将提供两个约束即两个高副或相当于 一个转动副。
简图自由度PPT课件
图 2.33
带虚约束的杆机构
*
本节要求掌握的主要内容
1）机构组成要素中的一些基本概念； 2）掌握机械运动简图的绘制； 3）掌握机构自由度、复合铰链、局部自由度、 虚约束等概念以及机构自由度的计算； 4）机构具有确定运动的条件。
*
习 题
一、计算下列机构的自由度
*
二、计算下列机构的自由度，并指出局部自由度、 复合铰链和虚约束。
1） 机构的自由度Ｆ>０且 2）机构的原动件数等于机构的自由度数；
*
例2.2
例2.3
例2.4
*
机构的自由度Ｆ、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系： 1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动； 2)若Ｆ>０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定； 3)若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的; 4）若Ｆ>０，而原动件数>F，则构件间不能运动或产生破坏。
*
2.5.2 平面机构运动简图 1.意义和作用 对机构进行运动和动力分析时，常撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，表示机构的组成和传动情况。这种能准确表达出机构运动特性的简明图形，称为机构运动简图.－－有别于机构示意图！ 作用：1）设计者交流设计思想（讨论／分析 ／评价）的一种共同语言。 2）对机构进行运动和动力分析。
除去凸轮机构的虚约束 导路平行的移动副
２）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。
带虚约束的 曲轴与直轴
3）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。
带虚约束的行星轮系
4）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。
带虚约束的杆机构
*
本节要求掌握的主要内容
1）机构组成要素中的一些基本概念； 2）掌握机械运动简图的绘制； 3）掌握机构自由度、复合铰链、局部自由度、 虚约束等概念以及机构自由度的计算； 4）机构具有确定运动的条件。
*
习 题
一、计算下列机构的自由度
*
二、计算下列机构的自由度，并指出局部自由度、 复合铰链和虚约束。
1） 机构的自由度Ｆ>０且 2）机构的原动件数等于机构的自由度数；
*
例2.2
例2.3
例2.4
*
机构的自由度Ｆ、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系： 1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动； 2)若Ｆ>０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定； 3)若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的; 4）若Ｆ>０，而原动件数>F，则构件间不能运动或产生破坏。
*
2.5.2 平面机构运动简图 1.意义和作用 对机构进行运动和动力分析时，常撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，表示机构的组成和传动情况。这种能准确表达出机构运动特性的简明图形，称为机构运动简图.－－有别于机构示意图！ 作用：1）设计者交流设计思想（讨论／分析 ／评价）的一种共同语言。 2）对机构进行运动和动力分析。
除去凸轮机构的虚约束 导路平行的移动副
２）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。
带虚约束的 曲轴与直轴
3）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。
带虚约束的行星轮系
4）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。
机械原理(第二章 自由度)
§2-5 机构自由度的计算
1.平面机构自由度的计算
（1）计算公式
F＝3n－(2pl＋ph)
式中：n为机构的活动构件数目；
pl 为机构的低副数目；
ph为机构的高副数目。
3
(2)举例
1）铰链四杆机构
F＝3n－(2pl＋ph)
＝3×3－2×4 ＝1
3
2）铰链五杆机构
F＝3n－(2pl＋ph)
4
＝3×4－2×5 ＝2
虚约束的作用： ①改善构件的受力情况，如多个行星轮。 ②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。 ③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。
计算图示包装机送纸机构的自由度。
分析： 活 动 构 件 数 n ： 复合铰链: 2个低副 局部自由度 2个 虚约束: 1处
E
4 D7
F5G
96 IJ 8
H
B2 C3
轴孔连接（接
触平面）
滑块与导轨联
接（接触平面）
两齿轮轮齿啮 合（齿廓曲面）
运动副元素—两个构件参加接触而构成运动副的表面
面接触的运动副称为低副，
2
转动副 （回转副或铰链）
1
移动副
点接触或线接触的运动副称为高副。
3.平面构件的自由度
当没有约束时，构件作平面运动具有三个自由 度：即可以沿x轴和y轴方向移动，以及绕垂直于 运动平面xOy转动。
2 1
4
2
1 5
3）内燃机机构
F＝3n－(2pl＋ph) ＝3×6－2×7 ＝1
10 C 11
8 ,9 3
7D B
18
4 A1
§2-6 计算平面机构自由度时应注意的事项
1.要正确计算运动副的数目 （1）复合铰链 由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。
机构的自由度计算ppt课件
编辑版pppt
27
§1.5 平面机构的组成原理 和结构分析
• 组成原理 • 结构分类 • 结构分析
编辑版pppt
28
基本杆组：（低副）
构件组去掉机架和原动件后剩下的F=0 的最小运动链。
F=3n-2pl =0 级别 Ⅱ Ⅲ： n24
pl 3 6
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29
结构分类：杆组为几级？什么形式？
• 无约束
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19
平面运动副的约束
编辑版pppt
20
平面运动副的约束
高副约束1个自由度
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21
§1.4 平面机构的自由度计算公式 n个活动构件（不包括机架）, pl个低
副, ph个高副，则
自由度计算公式: F=3n-(2pl+ph)
编辑版pppt
22
举例 3
2
3
1
4
3
2
4
编辑版pppt
13
2.机构运动简图的绘制
绘制方法及步骤： （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，
查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置； （2）选定视图平面； （3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画
出各运动副和机构的符号，最后用简单线条连接即得 机构运动简图。
编辑版pppt
一构件和两个低副代替
凸轮机构:
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36
举例 6
编辑版pppt
37
小结：掌握机构自由度的计算方法； 机构具有确定运动的条件； 基本杆组拆分的原则及方法。
编辑版pppt
38
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机械原理自由度课件
机械原理自由度课件1. 机械原理简介机械原理是研究机械运动的基本原理以及机械结构的设计和分析的学科。
在机械设计中，自由度是一个重要的概念，它描述了机械系统中自由运动的能力。
本课件将详细介绍机械原理中的自由度概念及其应用。
2. 自由度的定义自由度（Degrees of Freedom，简称DoF）是指机械系统中独立的运动能力的数量。
简单来说，自由度就是机械系统中可以随意运动的单独变量的数量。
在机械系统中，自由度是确定系统约束和可变参数的一种方式。
3. 自由度的计算方法在计算机械系统的自由度时，可以使用以下方法：3.1. Grübler-Kutzbach公式 Grübler-Kutzbach公式是计算机械系统自由度的最常用的方法之一。
该公式可以用来计算刚性连杆机构的自由度，公式如下：DoF = 3 * N - 2 * C - H其中，DoF为自由度的数量，N为机械链中连杆和关节的数量，C为机构中独立的约束数量，H为机械链中的滑块和导轨的数量。
3.2. Fischer引理Fischer引理是另一种计算机械系统自由度的方法，适用于非刚性连杆机构。
该引理通过计算可动机构中约束柔性的数量来确定自由度的数量。
4. 自由度的应用自由度的概念在机械系统的设计和分析中有着重要的应用。
4.1. 机械结构设计自由度的计算可以帮助工程师确定所设计的机械结构是否具有足够的自由度以实现所需的运动。
过多或者过少的自由度都会导致机械结构的运动受限，影响机械系统的性能。
4.2. 运动学分析自由度的计算还可以用于机械系统的运动学分析。
通过确定机械系统的自由度数量，可以推导出机械系统的运动方程，进而研究其运动规律和性能。
5. 总结本课件简要介绍了机械原理中的自由度概念及其应用。
自由度是机械系统中独立运动能力的数量，通过计算自由度可以判断机械系统的设计是否合理，并进行运动学分析。
掌握自由度的计算方法和应用对于机械工程师来说非常重要。
机械原理第3版课件第一章
螺栓
连杆体
螺母
垫圈
曲轴
连杆头
真实连杆
从运动来看，任何机器都是由若干个
构件组合而成的。
气缸体 连杆体
连杆头
二、运动副与约束
运动副 是两构件直接接触而构成的可动联接。 运动副元素为两构件参与接触而构成运动副的表面。 例 轴与轴承、滑块与导轨 、两轮齿啮合。
圆柱面与圆孔面
棱柱面与棱孔面
两轮轮齿曲面
空间两构件构成的运动副，其自由度 f 和约束数 s 满足
（2）运动副符号
运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。 各种常用运动副模型 常用运动副的符号表
3.运动链
构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。
闭式运动链（简称闭链） 开式运动链（简称开链）
2
3
1
4
平面闭式运动链
2 3
1 4
空间闭式运动链
23
1
4
平面开式运动链
4
3
5
2 1
空间开式运动链
（1）分析机械的动作原理、组成情况和起动情况，确定其组 成的各构件，何为原动件、支架、执行部分和传动部分。
原动件 偏心轮1
齿轮1
杆件2
齿轮6`
杆件3
槽凸轮6
杆件4
滑块7
执行构件
压杆8
（2）沿着运动传递路线， 逐一分析每两个构件间相对 运动的性质，以确定运动副 的类型和数目。
转动副 移动副
平面高副
（3）恰当地选择运动简图的视图平面，通常可选择 机械中多 数构件的运动平面为视图平面，必要时也
原动件数目小于自由度数目，运动链运 动不确定。
F = 3×3 － 2×4 = 1 2 个原动件
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－－对机构的运动实际不起作用的约束。
计算自由度时应去掉虚约束。
∵ FE＝AB ＝CD ，故增加构件4前后E
点的轨迹都是圆弧，。
增加的约束不起作用，应去掉构件4。
⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形
机构的自由度。
B 2E
C
1
作者：潘存云教授
4
3
A
F
DБайду номын сангаас平行虚约束
重新计算：n=3, PL=4, PH=0
=1
§2－6 自由度计算中的特殊问题 例题④计算图示圆盘锯机构的自由度。
解：活动构件数n= 7
D5
F
低副数PL= 6
高副数PH=0
F=3n － 2PL － PH =3×7 －2×6 －0 =9
4 6 作者：潘存云教授 1E 7 C
2
3
B
8A
计算结果肯定不对！构件数不会错，肯定是低副数目搞错了！
1.复合铰链 －－两个以上的构件在同一处以转动 副相联。
解：n= 3， PL= 3， PH=1
3
3
F=3n － 2PL － PH
2
2
=3×3 －2×3 －1
1
=2
1
对于右边的机构，有： F=3×2 －2×2 －1=1
事实上，两个机构的运动相同，且F=1
2.局部自由度 定义：构件局部运动所产生的自由度。
出现在加装滚子的场合，
计算时应去掉。
3
3
2
2
1
1
或计算时去掉滚子和铰链： F=3×2 －2×2 －1
机械原理机构自由度计算
例题②计算五杆铰链机构的自由度
解：活动构件数n= 4
2
3
低副数PL= 5 高副数PH= 0
1 θ1
4
F=3n － 2PL － PH =3×4 － 2×5
=2
例题③计算图示凸轮机构的自由度。
解：活动构件数n= 2
3
2
低副数PL= 2
高副数PH= 1
1
F=3n － 2PL － PH =3×2 －2×2－1
两个低副
计算：m个构件, 有m－1转动副。
例题④重新计算图示圆盘锯机构的自由度。
上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。
解：活动构件数n=7
低副数PL= 10
F=3n － 2PL － PH =3×7 －2×10－0 =1
D5
F
4 6 作者：潘存云教授 1E 7 C
2
3
B
8A
圆盘锯机构
⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。
=1 滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形
机构的自由度。
解：n= 4， PL= 6， PH=0 F=3n － 2PL － PH =3×4 －2×6
=0
B 1
A
2 E 作者：潘存云教授
C
4
3
F
D
3.虚约束( formal constraint)
应用
F=3n － 2PL － PH =3×3 －2×4
=1 特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：
AB＝CD＝EF
出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，
作者：潘存云教授
2.两构件构成多个移动副，且 导路平行。