《平面机构及》课件

平面机构及其分类平面机构是机构学中的一个重要概念，它由多个刚体通过运动副连接而成，所有运动都限制在同一个平面上。平面机构的分类方法很多，常用的方法是根据机构的自由度和运动副类型进行分类。机构的自由度和约束自由度机构自由度表示机构独立运动的能力，反映机构的运动可能性。约束约束限制了机构的运动，减少了自由度，保证机构的稳定性。连杆连杆通过关节连接，构成机构的基本单元。关节关节是连杆之间的连接点，决定了连杆的相对运动方式。刚体连杆机构定义由若干个刚性构件通过运动副连接而成的机构，其中至少有一个构件为活动构件，并能完成规定的运动。特点每个构件都具有刚性，各个构件之间通过运动副相互连接，构成封闭的运动链。分类平面机构、空间机构、曲柄滑块机构、连杆机构等。应用广泛应用于各种机械设备，如发动机、起重机、印刷机、机器人等。单自由度机构11.运动受限只有一个自由度，意味着机构只能沿一个方向运动。22.运动控制通过一个输入量控制机构的运动，例如旋转角度或线性位移。33.应用广泛常见的应用包括发动机、机器人、机械臂等。双自由度机构定义双自由度机构是指具有两个独立运动自由度的机构。它可以通过两个独立的输入运动来控制其运动，例如，旋转两个轴或移动两个滑块。应用双自由度机构广泛应用于机械工程领域，例如机器人手臂、机床、医疗器械等。它们能够实现更加灵活的运动和操作，提高了设备的效率和功能。三自由度机构三个独立运动三自由度机构具有三个独立的运动，它们可以独立控制和操作。灵活的操作三自由度机构可以灵活地操作物体，例如抓取、移动和定位。复杂任务的完成三自由度机构可以应用于各种复杂的任务，例如组装、焊接和搬运。平面机构的基本运动学分析位置分析确定机构中各构件在某一时刻的位置和姿态。通过几何方法，根据机构的尺寸和约束条件，求解各构件的坐标和角度。速度分析研究机构中各构件的运动速度。利用速度合成和分解的原理，求解各构件的线速度和角速度。加速度分析研究机构中各构件的运动加速度。利用加速度合成和分解的原理，求解各构件的线加速度和角加速度。平面机构运动学分析的2种方法11.图解法这种方法基于矢量图，直观地展示了机构中各点的速度和加速度关系。22.解析法通过建立运动学方程，运用数学方法求解机构中各点的速度和加速度。速度分析的基本方程速度分析是平面机构运动学分析的重要内容，用于确定机构中各构件的速度和角速度。速度分析的基本方程是基于机构的运动约束和速度传递关系推导的，它描述了机构中各构件速度之间的关系。速度分析的基本方程主要有两种形式：矢量形式和矩阵形式。矢量形式直观易懂，但计算量较大；矩阵形式则更加简洁高效，便于计算机编程实现。速度图的构造速度图是用于平面机构运动学分析的重要工具，它能够直观地反映机构中各点的速度关系。1确定基点选择机构中一个固定点作为基点。2绘制速度矢量根据已知速度矢量，绘制各点的速度矢量。3连接速度矢量连接速度矢量的端点，形成封闭的矢量图。4测量速度大小测量速度矢量的长度，获得各点的速度大小。通过速度图，我们可以快速分析机构中各点的速度关系，并计算出各点的速度大小。加速度分析的基本方程平面机构的加速度分析是研究机构中各构件的加速度变化规律。基本方程是根据牛顿第二定律推导得到的。线性加速度a=d²r/dt²=dv/dt角加速度α=dω/dt=d²θ/dt²其中，a为线性加速度，α为角加速度，r为位置矢量，v为速度，ω为角速度，t为时间。加速度图的构造1选择坐标系首先，需要选择一个合适的坐标系，以便于描述机构中各个点的加速度。2绘制速度图在速度图的基础上进行加速度分析，绘制加速度图。3确定加速度关系利用加速度分析的基本方程，确定机构中各个点的加速度。4标绘加速度矢量根据加速度关系，将各个点的加速度矢量绘制在加速度图上。5标注加速度值最后，标注每个加速度矢量的大小和方向，完成加速度图的绘制。力学分析的基本原理牛顿定律力学分析的基础，描述了物体运动与受力的关系。根据牛顿定律，可计算出物体受力后的运动状态。能量守恒系统总能量保持不变，能量形式之间可以相互转化，如动能和势能。动量守恒系统的总动量保持不变，适用于封闭系统或不受外力作用的系统。摩擦力阻碍物体运动的力，摩擦力分为静摩擦力和动摩擦力。机构分析中的虚功原理基本概念虚功原理是机构分析中重要的工具，用于计算机构的平衡条件。它基于虚功的概念，即假设机构发生微小的虚位移，计算相应的虚功。应用范围虚功原理可以应用于各种机构，包括刚体连杆机构、弹性机构和流体机构。它能够解决各种机构的静力学问题，例如求解机构的平衡位置和支座反力。基于虚功原理的一般公式推导1建立虚位移假定机构处于平衡状态2引入虚功概念力或力矩作用下的虚位移3虚功原理约束力对虚功的总和为零4一般公式推导利用虚功原理建立方程虚功原理是平面机构力学分析的重要方法之一。通过建立虚位移，引入虚功概念，并应用虚功原理，可以推导出机构运动学和动力学分析的一般公式。这些公式可以用于计算机构的平衡位置、速度、加速度和受力等关键参数。机构设计中的优化问题性能优化提高机构的效率、精度和可靠性，例如减少摩擦、降低噪音、延长使用寿命。尺寸优化确定机构的最佳尺寸和比例，例如优化机械臂的长度和关节角度，以实现最佳的工作范围和运动精度。材料优化选择合适的材料，以满足机构的强度、刚度、重量和成本要求，例如选择高强度钢材以提高机构的承载能力。成本优化降低机构的制造和维护成本，例如简化机构结构、选择经济实惠的材料。典型平面机构的运动学分析四杆机构四杆机构是最常见的平面机构，广泛应用于各种机械系统。其运动学分析主要研究各杆的位移、速度和加速度。曲柄滑块机构曲柄滑块机构是由曲柄、连杆和滑块组成，主要用于将旋转运动转换为直线运动或反之。凸轮机构凸轮机构由凸轮和从动件组成，凸轮的形状决定了从动件的运动轨迹。齿轮机构齿轮机构通过齿轮之间的啮合来传递运动和扭矩，广泛应用于各种机械传动系统。四杆机构的运动学分析四杆机构是应用最为广泛的平面机构之一，其运动形式多样，适用于各种机械传动系统。四杆机构运动学分析是研究机构运动规律的关键，其核心内容包括位置分析、速度分析和加速度分析。1位置分析确定机构各杆的瞬时位置和运动轨迹2速度分析计算机构各杆的瞬时速度和速度方向3加速度分析计算机构各杆的瞬时加速度和加速度方向基于运动学分析，可以深入了解机构的运动特性，并进行运动参数优化，提高机构的效率和精度。因此，掌握四杆机构的运动学分析方法是进行机构设计和应用的重要基础。曲柄滑块机构的运动学分析1机构类型曲柄滑块机构是一种常见的平面机构，由曲柄、连杆和滑块组成。2运动分析分析曲柄的旋转运动，确定滑块的直线运动。3位移分析计算滑块的位置、速度和加速度。4应用场景广泛应用于内燃机、往复式压缩机等。平面机构的综合设计机构综合的目标根据给定的运动学或动力学要求，设计出满足特定功能的平面机构。机构综合是机械设计的重要环节，它决定了机构的运动特性和工作性能。综合设计流程包括确定机构类型、确定机构的自由度、确定机构的尺寸参数等步骤。这些步骤需要综合考虑运动要求、空间限制、力和力矩等因素。平面机构综合设计的一般方法确定机构的类型根据机构的功能和运动要求，选择合适的机构类型，例如四杆机构、曲柄滑块机构等。确定机构的运动参数根据机构的功能需求，确定机构的运动参数，例如行程、速度、加速度等。绘制机构的运动草图根据机构的运动参数和几何约束，绘制机构的运动草图，并标注关键尺寸。进行机构运动学分析对机构进行运动学分析，验证机构是否满足设计要求，并优化机构的运动参数。进行机构力学分析对机构进行力学分析，验证机构是否能够承受载荷，并优化机构的结构设计。进行机构优化设计根据机构的运动学、力学分析结果，对机构进行优化设计，提高机构的性能和可靠性。基于参数化的平面机构综合1参数定义确定机构运动参数，例如连杆长度、关节类型和位置。2约束方程建立机构运动约束方程，例如闭环方程和速度约束方程。3优化求解利用优化算法，例如遗传算法或梯度下降法，求解满足设计目标的机构参数。基于几何约束的平面机构综合定义约束条件根据机构的预期功能和运动要求，确定关键点的轨迹、速度、加速度等几何约束条件。建立几何模型根据约束条件，建立机构的几何模型，包括杆长、关节位置、运动范围等。求解机构参数利用几何约束方程和优化算法，求解机构的参数，例如杆长、关节位置、运动范围等。验证机构性能对综合得到的机构进行运动学和动力学仿真分析，验证其性能是否满足设计要求。平面机构综合实例平面机构综合实例涵盖了各种应用场景，如机械臂设计、机器人设计、以及自动化生产线等。通过综合设计，我们可以根据具体需求定制化设计平面机构，以满足特定的运动要求和功能需求。例如，设计一个能够在特定范围内精确运动的机械臂，可以根据目标轨迹和运动约束进行综合设计。平面机构综合的计算机辅助计算机辅助设计(CAD)借助CAD软件进行机构几何建模、运动学分析、参数化设计等，提高设计效率。有限元分析(FEA)利用FEA软件进行机构力学分析，优化结构设计，提高机构的性能。运动学仿真使用仿真软件模拟机构的运动过程，验证机构的设计方案，优化设计参数。平面机构的动力学分析动力学分析是研究机构在运动过程中的受力情况、动力学特性以及运动规律。它涉及到质量、惯性、力矩、速度、加速度等因素。1运动方程建立机构的运动方程组，描述机构的运动状态。2力学分析分析机构上的力和力矩，以及它们对机构运动的影响。3运动学分析分析机构的运动轨迹、速度和加速度等运动参数。动力学分析对于机构的优化设计、性能评估和控制系统的设计至关重要。它可以帮助我们预测机构在各种工况下的行为，并优化机构的结构和参数，以实现最佳的性能指标。动力学分析的基本方程动力学分析是研究机构在运动过程中受力情况和运动规律的学科分支。动力学分析的基本方程用于描述机构的运动和受力关系。1牛顿定律描述物体的运动与受力的关系2动量定理描述物体的动量变化与冲量的关系3动量矩定理描述物体的动量矩变化与冲量矩的关系4能量守恒描述系统能量守恒的定律能量法在动力学中的应用11.能量守恒能量法是利用机械能守恒定律进行分析，适用于无能量损耗的机构。22.功和能将功和能的关系应用于动力学分析，可以简化复杂的问题。33.能量平衡通过分析系统能量的输入、输出和储存，可以有效地分析机构的动力学特性。44.虚拟功虚拟功原理可以用来推导出机构的动力学方程，并进一步进行数值计算。动力学分析的数值求解1数值积分欧拉方法，龙格-库塔方法，预测-校正方法2矩阵方法状态空间方法，传递矩阵方法3有限元方法将机构分解成有限个单元，求解每个单元的运动数值求解方法可以用于处理复杂的非线性问题，且能够处理机构的约束条件。常用方法包括数值积分方法、矩阵方法和有限元方法。平面