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1、机械系统的建模和结构分析机械系统的建模和结构分析本讲稿第一页，共十四页主要内容主要内容机械系统的组成机械系统的组成参考机架参考机架坐标系坐标系机械系统的自由度机械系统的自由度速度、加速度和角加速度速度、加速度和角加速度本讲稿第二页，共十四页机械系统的组成机械系统的组成机械系统机械系统是机器和机构的总称，由构件和零件组成。是机器和机构的总称，由构件和零件组成。机构由两个以上具有相对运动的构件组成，用于传递运动或改机构由两个以上具有相对运动的构件组成，用于传递运动或改变运动形式。变运动形式。机器是由若干机构组成的系统。机器是由若干机构组成的系统。机构的构件既保持接触，又有一定的相对运动。机构的构件
2、既保持接触，又有一定的相对运动。运动副运动副：两构件既保持接触，又有一定的相对运动的连接。：两构件既保持接触，又有一定的相对运动的连接。本讲稿第三页，共十四页参考机架参考机架参考机架：计算速度、加速度的参考坐标系参考机架：计算速度、加速度的参考坐标系地面参考机架：为独立的惯性参考坐标系地面参考机架：为独立的惯性参考坐标系构件参考机架：对每一个刚体都有一个参考机架，构件参考机架：对每一个刚体都有一个参考机架，刚体上各点相对于该构件参考机架是静止的。刚体上各点相对于该构件参考机架是静止的。本讲稿第四页，共十四页坐标系坐标系地面坐标系：固定坐标系。地面坐标系：固定坐标系。构件机架坐标系：固定在构件上
3、随构件运动，构件机架坐标系：固定在构件上随构件运动，它相对地面坐标系的位置和方向确定构件的位置和方它相对地面坐标系的位置和方向确定构件的位置和方向。向。标记坐标系：也称标记。标记坐标系：也称标记。固定标记固定标记：固定在构件上，用于确定构件的形状、质心、力的作用点和固定在构件上，用于确定构件的形状、质心、力的作用点和构件的连接位置。构件的连接位置。浮动标记：相对构件运动，有的力和运动要用它定位。浮动标记：相对构件运动，有的力和运动要用它定位。本讲稿第五页，共十四页坐标系坐标系xz”y”x”zyxzy固定坐标系固定坐标系标记坐标系标记坐标系构件坐标系构件坐标系本讲稿第六页，共十四页确定坐标系的位
4、置和方向确定坐标系的位置和方向欧拉角法：坐标系原点在基准坐标系中的坐标，欧拉角法：坐标系原点在基准坐标系中的坐标，三点法：三点法：X-Z点法：点法：本讲稿第七页，共十四页欧拉角法：欧拉角法：坐标系原点在基准坐标系中的坐标坐标系原点在基准坐标系中的坐标x0,y0,z0坐标系相对基准坐标系的旋转轴、旋转角度和旋坐标系相对基准坐标系的旋转轴、旋转角度和旋转顺序。转顺序。常用为常用为3-1-3旋转法则：旋转法则：1、2、3代表代表x、y、z轴，轴，3-1-3表示先绕基准坐标系的表示先绕基准坐标系的z轴旋转，再绕基准坐标系的轴旋转，再绕基准坐标系的x轴旋轴旋转，最后再绕基准坐标系的转，最后再绕基准坐标系
5、的z轴旋转。轴旋转。共有共有24种组合，代表不同的旋转方式。不能连续对基准坐种组合，代表不同的旋转方式。不能连续对基准坐标系的同一轴旋转。标系的同一轴旋转。本讲稿第八页，共十四页三点法：三点法：不在同一直线上的三点不在同一直线上的三点A,B,C在定位坐标系的在定位坐标系的坐标值；坐标值；A,B,C，3点在基准坐标系的坐标值；点在基准坐标系的坐标值；本讲稿第九页，共十四页X-Z点法：点法：定位坐标系原点定位坐标系原点O在基准坐标系中的坐标在基准坐标系中的坐标x0,y0,z0定位坐标系定位坐标系x或或z轴上一点轴上一点A的坐标的坐标x-z平面上另一点平面上另一点B的坐标的坐标,B 点与点与O,A不
6、共不共线。线。本讲稿第十页，共十四页机械系统的自由度机械系统的自由度自由度：机械系统中各构件相对地面构架的独自由度：机械系统中各构件相对地面构架的独立运动数。立运动数。n 活动构件数，活动构件数，m 运动副总数运动副总数Pi-第第I个运动副的约束条件数个运动副的约束条件数Qj-第第I个原动机的驱动约束条件数个原动机的驱动约束条件数S-原动机总数原动机总数Rk 其它约束条件数其它约束条件数本讲稿第十一页，共十四页系统的自由度系统的自由度 例例系统自由度系统自由度 F 0,且且 Qj=0，系统系统蜕化为刚体蜕化为刚体系统。系统。系统自由度系统自由度 F 0,且且 Qj 0，表明原动机将，表明原动机
7、将不能驱动系统，或系统在薄弱环节将损坏。不能驱动系统，或系统在薄弱环节将损坏。当当F=0,且且 Qj 0，机械系统有确定运动。，机械系统有确定运动。当当F 0,机械系统没有确定的相对运动。机械系统没有确定的相对运动。本讲稿第十二页，共十四页系统自由度的计算系统自由度的计算复合铰链：复合铰链：m个构件在一处以铰链联接个构件在一处以铰链联接局部自由度：与构件运动无关的自由度局部自由度：与构件运动无关的自由度虚（重复）约束：虚（重复）约束：轨迹重合轨迹重合转动副轴线重合转动副轴线重合移动副导轨平行移动副导轨平行其它重复约束其它重复约束(m-1)虚约束对刚体无影响，对柔性体可增加刚度，虚约束对刚体无影响，对柔性体可增加刚度，但在计算运动将删除虚约束。但在计算运动将删除虚约束。本讲稿第十三页，共十四页速度计算速度计算xzyxozyoprrpr设地面坐标系设地面坐标系o-xyz,o-xyz,构件坐标系构件坐标系o-xyz,o-xyz,p p点固结在构件坐标系点固结在构件坐标系o-xyzo-xyz，它在地面坐标系它在地面坐标系o-xyzo-xyz中的矢量为中的矢量为本讲稿第十四页，共十四页