《平面機構(gòu)及》課件

平面機構(gòu)及其分類平面機構(gòu)是機構(gòu)學(xué)中的一個重要概念，它由多個剛體通過運動副連接而成，所有運動都限制在同一個平面上。平面機構(gòu)的分類方法很多，常用的方法是根據(jù)機構(gòu)的自由度和運動副類型進行分類。機構(gòu)的自由度和約束自由度機構(gòu)自由度表示機構(gòu)獨立運動的能力，反映機構(gòu)的運動可能性。約束約束限制了機構(gòu)的運動，減少了自由度，保證機構(gòu)的穩(wěn)定性。連桿連桿通過關(guān)節(jié)連接，構(gòu)成機構(gòu)的基本單元。關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)是連桿之間的連接點，決定了連桿的相對運動方式。剛體連桿機構(gòu)定義由若干個剛性構(gòu)件通過運動副連接而成的機構(gòu)，其中至少有一個構(gòu)件為活動構(gòu)件，并能完成規(guī)定的運動。特點每個構(gòu)件都具有剛性，各個構(gòu)件之間通過運動副相互連接，構(gòu)成封閉的運動鏈。分類平面機構(gòu)、空間機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備，如發(fā)動機、起重機、印刷機、機器人等。單自由度機構(gòu)11.運動受限只有一個自由度，意味著機構(gòu)只能沿一個方向運動。22.運動控制通過一個輸入量控制機構(gòu)的運動，例如旋轉(zhuǎn)角度或線性位移。33.應(yīng)用廣泛常見的應(yīng)用包括發(fā)動機、機器人、機械臂等。雙自由度機構(gòu)定義雙自由度機構(gòu)是指具有兩個獨立運動自由度的機構(gòu)。它可以通過兩個獨立的輸入運動來控制其運動，例如，旋轉(zhuǎn)兩個軸或移動兩個滑塊。應(yīng)用雙自由度機構(gòu)廣泛應(yīng)用于機械工程領(lǐng)域，例如機器人手臂、機床、醫(yī)療器械等。它們能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的運動和操作，提高了設(shè)備的效率和功能。三自由度機構(gòu)三個獨立運動三自由度機構(gòu)具有三個獨立的運動，它們可以獨立控制和操作。靈活的操作三自由度機構(gòu)可以靈活地操作物體，例如抓取、移動和定位。復(fù)雜任務(wù)的完成三自由度機構(gòu)可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的任務(wù)，例如組裝、焊接和搬運。平面機構(gòu)的基本運動學(xué)分析位置分析確定機構(gòu)中各構(gòu)件在某一時刻的位置和姿態(tài)。通過幾何方法，根據(jù)機構(gòu)的尺寸和約束條件，求解各構(gòu)件的坐標(biāo)和角度。速度分析研究機構(gòu)中各構(gòu)件的運動速度。利用速度合成和分解的原理，求解各構(gòu)件的線速度和角速度。加速度分析研究機構(gòu)中各構(gòu)件的運動加速度。利用加速度合成和分解的原理，求解各構(gòu)件的線加速度和角加速度。平面機構(gòu)運動學(xué)分析的2種方法11.圖解法這種方法基于矢量圖，直觀地展示了機構(gòu)中各點的速度和加速度關(guān)系。22.解析法通過建立運動學(xué)方程，運用數(shù)學(xué)方法求解機構(gòu)中各點的速度和加速度。速度分析的基本方程速度分析是平面機構(gòu)運動學(xué)分析的重要內(nèi)容，用于確定機構(gòu)中各構(gòu)件的速度和角速度。速度分析的基本方程是基于機構(gòu)的運動約束和速度傳遞關(guān)系推導(dǎo)的，它描述了機構(gòu)中各構(gòu)件速度之間的關(guān)系。速度分析的基本方程主要有兩種形式：矢量形式和矩陣形式。矢量形式直觀易懂，但計算量較大；矩陣形式則更加簡潔高效，便于計算機編程實現(xiàn)。速度圖的構(gòu)造速度圖是用于平面機構(gòu)運動學(xué)分析的重要工具，它能夠直觀地反映機構(gòu)中各點的速度關(guān)系。1確定基點選擇機構(gòu)中一個固定點作為基點。2繪制速度矢量根據(jù)已知速度矢量，繪制各點的速度矢量。3連接速度矢量連接速度矢量的端點，形成封閉的矢量圖。4測量速度大小測量速度矢量的長度，獲得各點的速度大小。通過速度圖，我們可以快速分析機構(gòu)中各點的速度關(guān)系，并計算出各點的速度大小。加速度分析的基本方程平面機構(gòu)的加速度分析是研究機構(gòu)中各構(gòu)件的加速度變化規(guī)律?；痉匠淌歉鶕?jù)牛頓第二定律推導(dǎo)得到的。線性加速度a=d2r/dt2=dv/dt角加速度α=dω/dt=d2θ/dt2其中，a為線性加速度，α為角加速度，r為位置矢量，v為速度，ω為角速度，t為時間。加速度圖的構(gòu)造1選擇坐標(biāo)系首先，需要選擇一個合適的坐標(biāo)系，以便于描述機構(gòu)中各個點的加速度。2繪制速度圖在速度圖的基礎(chǔ)上進行加速度分析，繪制加速度圖。3確定加速度關(guān)系利用加速度分析的基本方程，確定機構(gòu)中各個點的加速度。4標(biāo)繪加速度矢量根據(jù)加速度關(guān)系，將各個點的加速度矢量繪制在加速度圖上。5標(biāo)注加速度值最后，標(biāo)注每個加速度矢量的大小和方向，完成加速度圖的繪制。力學(xué)分析的基本原理牛頓定律力學(xué)分析的基礎(chǔ)，描述了物體運動與受力的關(guān)系。根據(jù)牛頓定律，可計算出物體受力后的運動狀態(tài)。能量守恒系統(tǒng)總能量保持不變，能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，如動能和勢能。動量守恒系統(tǒng)的總動量保持不變，適用于封閉系統(tǒng)或不受外力作用的系統(tǒng)。摩擦力阻礙物體運動的力，摩擦力分為靜摩擦力和動摩擦力。機構(gòu)分析中的虛功原理基本概念虛功原理是機構(gòu)分析中重要的工具，用于計算機構(gòu)的平衡條件。它基于虛功的概念，即假設(shè)機構(gòu)發(fā)生微小的虛位移，計算相應(yīng)的虛功。應(yīng)用范圍虛功原理可以應(yīng)用于各種機構(gòu)，包括剛體連桿機構(gòu)、彈性機構(gòu)和流體機構(gòu)。它能夠解決各種機構(gòu)的靜力學(xué)問題，例如求解機構(gòu)的平衡位置和支座反力?；谔摴υ淼囊话愎酵茖?dǎo)1建立虛位移假定機構(gòu)處于平衡狀態(tài)2引入虛功概念力或力矩作用下的虛位移3虛功原理約束力對虛功的總和為零4一般公式推導(dǎo)利用虛功原理建立方程虛功原理是平面機構(gòu)力學(xué)分析的重要方法之一。通過建立虛位移，引入虛功概念，并應(yīng)用虛功原理，可以推導(dǎo)出機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)分析的一般公式。這些公式可以用于計算機構(gòu)的平衡位置、速度、加速度和受力等關(guān)鍵參數(shù)。機構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化問題性能優(yōu)化提高機構(gòu)的效率、精度和可靠性，例如減少摩擦、降低噪音、延長使用壽命。尺寸優(yōu)化確定機構(gòu)的最佳尺寸和比例，例如優(yōu)化機械臂的長度和關(guān)節(jié)角度，以實現(xiàn)最佳的工作范圍和運動精度。材料優(yōu)化選擇合適的材料，以滿足機構(gòu)的強度、剛度、重量和成本要求，例如選擇高強度鋼材以提高機構(gòu)的承載能力。成本優(yōu)化降低機構(gòu)的制造和維護成本，例如簡化機構(gòu)結(jié)構(gòu)、選擇經(jīng)濟實惠的材料。典型平面機構(gòu)的運動學(xué)分析四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)是最常見的平面機構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種機械系統(tǒng)。其運動學(xué)分析主要研究各桿的位移、速度和加速度。曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)是由曲柄、連桿和滑塊組成，主要用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動或反之。凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)由凸輪和從動件組成，凸輪的形狀決定了從動件的運動軌跡。齒輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)通過齒輪之間的嚙合來傳遞運動和扭矩，廣泛應(yīng)用于各種機械傳動系統(tǒng)。四桿機構(gòu)的運動學(xué)分析四桿機構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的平面機構(gòu)之一，其運動形式多樣，適用于各種機械傳動系統(tǒng)。四桿機構(gòu)運動學(xué)分析是研究機構(gòu)運動規(guī)律的關(guān)鍵，其核心內(nèi)容包括位置分析、速度分析和加速度分析。1位置分析確定機構(gòu)各桿的瞬時位置和運動軌跡2速度分析計算機構(gòu)各桿的瞬時速度和速度方向3加速度分析計算機構(gòu)各桿的瞬時加速度和加速度方向基于運動學(xué)分析，可以深入了解機構(gòu)的運動特性，并進行運動參數(shù)優(yōu)化，提高機構(gòu)的效率和精度。因此，掌握四桿機構(gòu)的運動學(xué)分析方法是進行機構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。曲柄滑塊機構(gòu)的運動學(xué)分析1機構(gòu)類型曲柄滑塊機構(gòu)是一種常見的平面機構(gòu)，由曲柄、連桿和滑塊組成。2運動分析分析曲柄的旋轉(zhuǎn)運動，確定滑塊的直線運動。3位移分析計算滑塊的位置、速度和加速度。4應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、往復(fù)式壓縮機等。平面機構(gòu)的綜合設(shè)計機構(gòu)綜合的目標(biāo)根據(jù)給定的運動學(xué)或動力學(xué)要求，設(shè)計出滿足特定功能的平面機構(gòu)。機構(gòu)綜合是機械設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，它決定了機構(gòu)的運動特性和工作性能。綜合設(shè)計流程包括確定機構(gòu)類型、確定機構(gòu)的自由度、確定機構(gòu)的尺寸參數(shù)等步驟。這些步驟需要綜合考慮運動要求、空間限制、力和力矩等因素。平面機構(gòu)綜合設(shè)計的一般方法確定機構(gòu)的類型根據(jù)機構(gòu)的功能和運動要求，選擇合適的機構(gòu)類型，例如四桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)等。確定機構(gòu)的運動參數(shù)根據(jù)機構(gòu)的功能需求，確定機構(gòu)的運動參數(shù)，例如行程、速度、加速度等。繪制機構(gòu)的運動草圖根據(jù)機構(gòu)的運動參數(shù)和幾何約束，繪制機構(gòu)的運動草圖，并標(biāo)注關(guān)鍵尺寸。進行機構(gòu)運動學(xué)分析對機構(gòu)進行運動學(xué)分析，驗證機構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，并優(yōu)化機構(gòu)的運動參數(shù)。進行機構(gòu)力學(xué)分析對機構(gòu)進行力學(xué)分析，驗證機構(gòu)是否能夠承受載荷，并優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。進行機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計根據(jù)機構(gòu)的運動學(xué)、力學(xué)分析結(jié)果，對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高機構(gòu)的性能和可靠性?；趨?shù)化的平面機構(gòu)綜合1參數(shù)定義確定機構(gòu)運動參數(shù)，例如連桿長度、關(guān)節(jié)類型和位置。2約束方程建立機構(gòu)運動約束方程，例如閉環(huán)方程和速度約束方程。3優(yōu)化求解利用優(yōu)化算法，例如遺傳算法或梯度下降法，求解滿足設(shè)計目標(biāo)的機構(gòu)參數(shù)?；趲缀渭s束的平面機構(gòu)綜合定義約束條件根據(jù)機構(gòu)的預(yù)期功能和運動要求，確定關(guān)鍵點的軌跡、速度、加速度等幾何約束條件。建立幾何模型根據(jù)約束條件，建立機構(gòu)的幾何模型，包括桿長、關(guān)節(jié)位置、運動范圍等。求解機構(gòu)參數(shù)利用幾何約束方程和優(yōu)化算法，求解機構(gòu)的參數(shù)，例如桿長、關(guān)節(jié)位置、運動范圍等。驗證機構(gòu)性能對綜合得到的機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，驗證其性能是否滿足設(shè)計要求。平面機構(gòu)綜合實例平面機構(gòu)綜合實例涵蓋了各種應(yīng)用場景，如機械臂設(shè)計、機器人設(shè)計、以及自動化生產(chǎn)線等。通過綜合設(shè)計，我們可以根據(jù)具體需求定制化設(shè)計平面機構(gòu)，以滿足特定的運動要求和功能需求。例如，設(shè)計一個能夠在特定范圍內(nèi)精確運動的機械臂，可以根據(jù)目標(biāo)軌跡和運動約束進行綜合設(shè)計。平面機構(gòu)綜合的計算機輔助計算機輔助設(shè)計(CAD)借助CAD軟件進行機構(gòu)幾何建模、運動學(xué)分析、參數(shù)化設(shè)計等，提高設(shè)計效率。有限元分析(FEA)利用FEA軟件進行機構(gòu)力學(xué)分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機構(gòu)的性能。運動學(xué)仿真使用仿真軟件模擬機構(gòu)的運動過程，驗證機構(gòu)的設(shè)計方案，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。平面機構(gòu)的動力學(xué)分析動力學(xué)分析是研究機構(gòu)在運動過程中的受力情況、動力學(xué)特性以及運動規(guī)律。它涉及到質(zhì)量、慣性、力矩、速度、加速度等因素。1運動方程建立機構(gòu)的運動方程組，描述機構(gòu)的運動狀態(tài)。2力學(xué)分析分析機構(gòu)上的力和力矩，以及它們對機構(gòu)運動的影響。3運動學(xué)分析分析機構(gòu)的運動軌跡、速度和加速度等運動參數(shù)。動力學(xué)分析對于機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、性能評估和控制系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。它可以幫助我們預(yù)測機構(gòu)在各種工況下的行為，并優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的性能指標(biāo)。動力學(xué)分析的基本方程動力學(xué)分析是研究機構(gòu)在運動過程中受力情況和運動規(guī)律的學(xué)科分支。動力學(xué)分析的基本方程用于描述機構(gòu)的運動和受力關(guān)系。1牛頓定律描述物體的運動與受力的關(guān)系2動量定理描述物體的動量變化與沖量的關(guān)系3動量矩定理描述物體的動量矩變化與沖量矩的關(guān)系4能量守恒描述系統(tǒng)能量守恒的定律能量法在動力學(xué)中的應(yīng)用11.能量守恒能量法是利用機械能守恒定律進行分析，適用于無能量損耗的機構(gòu)。22.功和能將功和能的關(guān)系應(yīng)用于動力學(xué)分析，可以簡化復(fù)雜的問題。33.能量平衡通過分析系統(tǒng)能量的輸入、輸出和儲存，可以有效地分析機構(gòu)的動力學(xué)特性。44.虛擬功虛擬功原理可以用來推導(dǎo)出機構(gòu)的動力學(xué)方程，并進一步進行數(shù)值計算。動力學(xué)分析的數(shù)值求解1數(shù)值積分歐拉方法，龍格-庫塔方法，預(yù)測-校正方法2矩陣方法狀態(tài)空間方法，傳遞矩陣方法3有限元方法將機構(gòu)分解成有限個單元，求解每個單元的運動數(shù)值求解方法可以用于處理復(fù)雜的非線性問題，且能夠處理機構(gòu)的約束條件。常用方法包括數(shù)值積分方法、矩陣方法和有限元方法。平面