01 平面机构自由度-教学设计
机械学基础电子教案-第01章
33
四. 按照传动特性设计 2. 曲柄滑块机构的传动特性 B b C φ0 S C` φ
-α B`
0
+α
α a α0 A D
S=f(α)
d
位移s与转角α的关系公式:
2 2 a cos α 0 − d a cos α − d s = a (sin α − sin α 0 ) + b 1 − 1 − − b b
34Leabharlann 传动比i公式:i=
dα 1 = . ds a
cos α −
1 (a cos α − d )sin α a cos α − d b 1− b
2
位移x与转角α的关系公式:
x = (sin α − sin α 0 ) + λ2 − (cos α 0 − ε ) − λ2 − (cos α − ε )
2
2
相对传动比ia公式:
ia = dα = dx cos α − 1 (cos α − ε )sin α
λ2 − (cos α − ε )2
相对传动比ia公式与i关系:
ia= a ⋅ i
35
（1） 曲柄滑块机构相对传动比曲线 ia
αg
ε=1 λ=2 B
C A
α0
-90º 0º
+90º
α
α
α
α
C
s
A
40
（习题1-4）：四杆机构如图所示，已知l1=150mm， l2=120mm， l3=180mm， l4=200mm。试问属哪种机构？
41
（习题1-5）：设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构。要求踏板CD在 水平位置上下各摆10°，且lCD=500mm， lAD=1000mm，试用图 解法求曲柄AB和连杆BC的长度，如图所示。
《平面机构自由的计算》讲课比赛教学案例分析
当代教育实践与教学研究《平面机构自由的计算》讲课比赛教学案例分析吉林大学 卢秀泉 王聪慧 董景石摘 要：《机械原理》是工科大学生必修的一门专业基础课，其主要对平面机构的结构学、运动学和动力学问题进 行分析。
本文以《机械原理》课程中“平面机构自由度计算”部分作为吉林大学第六届“青年教师教学水平大赛” 的比赛内容，对该教学案例进行分析。
在示教的20分钟时间内，学生清楚了解自由度计算的工程意义，掌 握平面机构自由度计算公式，明白机构运动的条件，学会判断计算机构自由度时的注意事项——复合铰链， 通过丰富的教学手段和合理的教学设计以期达到良好的教学效果。
关键词：平面机构自由度计算 讲课比赛 案例分析文章编号：ISSN2095-6711/Z01-2014-09-0156一、背景吉林大学第六届“青年教师教学水平大赛”比赛基本要求：示教时间为20分钟；在规范书写板书的同时，要恰当、合理地使用多媒体课件。
比赛成绩由专家和学生代表按照教学竞赛指标体系进行现场评分。
根据讲课比赛的基本要求和特点，在教学设计时需考虑：（1）选题得当，内容安排合理。
教学主题内容明确且难度适中，保证在规定的有限时间内完整的体现一个教学单元内容；（2）充分运用丰富的教学手段，体现教师“说、写、演”三种教学素养，实现传统教学与现代化教学手段的完美结合；（3）教学过程中与评审（专家和学生代表）充分互动，课堂节奏紧凑、环环相扣、引人入胜、高潮迭起成为一个有机的整体。
基于以上考量，确定比赛选讲的内容是《机械原理》课程中的一小节“平面机构自由度的计算”。
二、教学案例展示1.课堂内容导入首先，说明课程性质和研究对象：《机械原理》是工科机械类学生必修的一门专业基础课。
其主要对平面机构的结构学、运动学和动力学问题进行分析。
介绍本次课教学内容的重要性和工程意义，激发学生的学习兴趣。
分别结合两组正确的和错误的平面机构工程设计实例，配合机构动画和图片，在简单分析其机构组成的基础上，引导学生观察机构的运动特点，从而说明本堂课知识点：从机构运动的角度，判定机构设计方案是否合理的依据。
《机械设计基础》课件 第1章 平面机构的自由度和速度分析
13
§1-2 平面机构运动简图
机构示意图 —— 不按比例绘制
三、机构运动简图的作用
是机构分析和设计的工具
四、机构中构件的分类
分为三类：
1）固定构件（机架）：用来支承活动构件的构件。在研究机构
中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系；
2）原动件（主动件）：运动规律已知（外界输入）的构件；
61
3. 直动从动件凸轮机构
求构件2的速度？
62
课后作业：
5、7、9、11、13、15
63
1
1
1
2）移动副
17
§1-2 平面机构运动简图
3）高副：应画出接触处的曲线轮廓
18
§1-2 平面机构运动简图
六、机构运动简图中构件的表示方法
轴、杆
机架
永久连接
固定连接，如轴和齿轮
19
§1-2 平面机构运动简图
参与组成两转动副的构件
一个转动副+一个移动副的构件
参与组成三个转动副的构件
20
§1-2 平面机构运动简图
4
3
2
2
1
4
32
§1-3 平面机构的自由度★
平面机构自由度：
所有活动构件相对于机架所能具有的独立运动数目之和。
作用：
讨论机构具有确定运动的条件。
C
C
D
B
A
B
D
A
E
F
33
§1-3 平面机构的自由度★
一、平面机构自由度计算公式
1. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度
34
2. 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度
机械设计基础课件01平面机构及自由度
一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动数。如图 所示，在Oxy坐标系中，构件S可随其上任一点A沿x轴、y轴 方向移动和绕A点转动。即一个作平面运动的自由构件具有 三：在机构中由两构件直接接触形成的一种可动联接。 运动副对构件产生约束，约束的多少和特点取决于运动副 型式。 运动副分类： • 按照接触的特性，分为低副和高副。面接触的运动副称
（4）对称结构：在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链 来传递运动时，只有一组起独立传递运动的作用，则其余各组引 入的约束为虚约束。如图1-16所示轮系中有2个行星轮，计算自由 度时只需考虑一个。
虚约束虽不影响机构的运动，但却可以增加构件的刚性，改善 其受力状况，因而在结构设计中被广泛使用。必须指出，只有在 特定的几何条件下才能构成虚约束，如果加工误差太大，满足不 了这些特定的几何条件，虚约束就会成为实际约束，从而使机构 失去运动的可能性。
1.3.1 平面机构的自由度
机构的自由度: 机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目 称为机构的自由度。
一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。因此，平面机构 中的每个活动构件，在未用运动副联结之前，都有三个自由度。 • 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度； • 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。
移动副：是使构件的一个相对移动和相对转动受到约束， 而只有一个方向独立相对移动自由度的运动副。也称为棱 柱副。如汽缸与活塞、滑块与导轨等，如右图所示。
2 高副（平面高副）
平面高副：构件间沿公法线方向的移动受到约束，但可以 沿接触点切线的方向独立移动，还可以同时绕点独立转动， 是具有一个约束而相对自由度等于２的平面运动副。如齿 轮副、凸轮副等，如图所示。
平面机构的自由度计算课件
目录
• 平面机构基本概念 • 平面机构自由度计算公式推导 • 典型平面机构自由度计算实例分析 • 复杂平面机构自由度计算方法论述 • 平面机构具有确定运动条件总结归纳 • 平面机构自由度计算中常见问题解析与讨
论
01
平面机构基本概念
机构定义及分类
机构定义
由两个以上的构件通过活动联接以形成的具有一定相对运动 的系统。
为了使机构具有确定的运动，必须已知构件的惯性特性，包括构件的质量、质心位置、转 动惯量等参数。这些参数对于分析机构的动态特性和优化机构设计具有重要意义。
06
平面机构自由度计算 中常见问题解析与讨 论
局部自由度问题解析
局部自由度定义
01
在机构中，常出现一种与输出构件运动无关的自由度，称为局
部自由度或内部自由度。
机构分类
根据构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构和空间机 构。其中，平面机构所有构件的运动都在同一平面或相互平 行的平面内，而空间机构的运动则不在同一平面内。
平面机构特点
运动特点
平面机构的运动相对简单，各构 件之间的相对位置关系易于确定
和分析。
结构特点
平面机构的构件一般呈平面形状 ，易于加工和制造。此外，平面 机构中的运动副也多为平面运动 副，其摩擦和磨损相对较小，使
THANKS
感谢观看
必要条件阐述
机构自由度等于原动件数
机构自由度是指机构中独立运动的构 件数减去机构中的运动副数。为了使 机构具有确定的运动，机构的自由度 必须等于原动件数。
运动副类型和数目确定
构件尺寸和形状已知
为了使机构的运动轨迹和速度等特性 是确定的，必须已知构件的尺寸和形 状，以便计算出机构的运动学参数。
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
平面机构作为机器人技术的基础组成部分，用于 构建机器人的关节和连接部分，实现机器人的灵 活运动。
发展趋势预测与挑战分析
微型化
随着微纳制造技术的发展，平面机构 的微型化将成为未来发展的重要趋势 ，实现更小的尺寸和更高的精度。
智能化
结合人工智能、机器学习等技术，平 面机构将实现智能化发展，具备自学 习、自适应等能力。
控制策略
智能化发展对控制策略提出了更高的要求，需要研究先进的控制算法 和策略。
06
总结与展望
本次报告核心内容回顾
机构自由度的定义和计算方法
介绍了平面机构自由度的概念，阐述了计算自由度的方法和步骤， 包括确定活动构件数、低副和高副的数目等。
常见机构自由度分析
详细分析了平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等常见机构的自由 度，通过实例说明了不同机构自由度的特点和计算方法。
发展趋势预测与挑战分析
• 多功能化：平面机构将实现多功能集成，如结合传感器、 执行器等实现感知、控制一体化。
发展趋势预测与挑战分析
制造精度
随着平面机构尺寸的减小，制造精度将成为一大挑战，需要发展高 精度的制造技术。
可靠性问题
微型化和多功能化将带来可靠性问题，如磨损、疲劳等，需要加强 材料、工艺等方面的研究。
分析结果：该简单平面机构的自 由度为1，即机构具有一个独立的 运动自由度。
03
平面机构自由度与运动特 性关系
自由度对机构运动性能影响
机构灵活性
自由度越多，机构可实现 的运动形式越丰富，灵活 性越高。
运动稳定性
适当的自由度可以确保机 构在运动中保持稳定，避 免不必要的振动和冲击。
能量传递效率
自由度对机构的能量传递 效率有直接影响，过多的 自由度可能导致能量损失 。
机械原理平面机构自由度计算例题课件
PART 05
平面机构自由度计算例题 三：间歇运动机构
间歇运动机构的组成及运动特点
组成
间歇运动机构由固定构件、运动构件和机架组成，其中运动构件又分为主动件和从动件。
运动特点
间歇运动机构能够在特定角度范围内实现主动件与从动件之间的传动，当主动件转动一圈时，从动件 完成一次或多次的间歇运动。
间歇运动机构的运动副及约束
平面机构的运动副及其约束
运动副
机构中两构件之间通过点、线或 面的接触形成的可动连接。
低副
两构件之间为点或线接触的副， 如转动副、移动副等。每个低副 引入两个约束，限制了构件的2
个自由度。
高副
两构件之间为面接触的副，如凸 轮机构中的凸轮与从动件之间的 副。每个高副引入一个约束，限
制了构件的1个自由度。
约束
齿轮机构中的轴和轴承之间的约束是 固定约束，轴承和轴承座之间的约束 也是固定约束。
齿轮机构的自由度计算
计算公式
自由度 = 3n - (2p + q)
n
活动构件数
p
低副数
q
高副数
计算结果
根据公式计算，齿轮机构的自由度为1。
结果分析
由于齿轮机构中有一个齿轮和一个轴，因此活动构件数为 2，低副数为2（两个转动副），高副数为0。根据公式计 算，自由度为1，符合平面机构的自由度计算规则。
组合机构的自由度计算
要点一
计算方法
对于组合机构，需要分别计算各组成机构的自由度，再根 据连接方式和约束情况，综合计算组合机构的总自由度。
要点二
注意事项
在计算组合机构的自由度时，需要注意各组成机构之间的 连接方式和约束情况，以及是否存在冗余自由度。同时， 还需考虑机构的实际运动情况，以确定机构的真实自由度数。
第1章平面机构运动简图及自由度
作用，另一个在计算机构的自由度时应除去不计。
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1.3 平面机构自由度
(3)机构中对传递运动不起独立作用的对称部分的约束是虚 约束。如图1-13所示的行星轮机构，为了受力均衡，采用了 两个对称布置的行星轮2及2′，在计算该机构的自由度时，只
能算其中一个引起的约束。F=3X4-2X4-2=2，注意1、3机架
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1.3 平面机构自由度
2.局部自由度 图1-10表明，要有两个原动件该机构的运动才能确定。事 实上当凸轮1作为原动件转动时，从动件3就具有确定的运动，
即表明该机构的自由度为1。多余的自由度是滚子2绕其中心
转动带来的局部自由度，它并不影响整个机构的运动，在计 算机构的自由度时，应该去掉。若把滚子2与杆件3焊为一体，
式。
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1.1 平面机构的组成
1.低副 两构件通过面接触而构成的运动副称为低副。低副引入2个 约束，保留1个自由度。根据两构件间的相对运动形式，低副
又可分为转动副和移动副。
(1)转动副。两构件只能组成在一个平面内作相对转动的运 动副称为转动副(或铰链)，如图1-3所示。
个。
若计算:F=3X3-2X5=-1(与实际情况不符);应为:F=3X3-
2X4=1。
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1.3 平面机构自由度
(2)两构件组成多个转动副，其轴线互相重合时，其中只有 一个起约束作用，其他都是虚约束。如图1-12所示的轮轴机 构，轴与机架组成两个转动副A、B，只有一个起独立的约束
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1.3 平面机构自由度
1. 3. 1平面机构的自由度计算
机械设计基础第1章平面机构的自由度和速度分析
§1 – 1 运动副及其分类
1.低 副 两构件通过面接触组成的运动副
①转 动 副(铰链): 组成运动副的两构件只能在平面内相对转动。
§1 – 1 运动副及其分类
②移 动 副: 组成运动副的两构件只能沿某一方向相对移动。
§1 – 1 运动副及其分类
2.高副：
F 3n2pLpH33241
§1 – 3 平面机构的自由度
⑷ 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分
2B
3
4
1
A
DC
2 2
B
3 2
4
1
A
行星轮系
对称布置的两个行星轮2和2以及相应的两个转动副D、 C和4个平面高副提供的自由度
F322214 2 即引入了两个虚约束。 未去掉虚约束时 F 3n2pLpH352516 1 去掉虚约束后 F 3n2pLpH3323121
§1 – 3 平面机构的自由度 例
分析图c)，可知： n=4，PL=6，PH=0 该平面机构的自由 度为：
F 3 n 2 P L P H 3 4 2 6 0 0
例:
复合
解: 1.如不考虑上述 2
3
因素，解得： 1
K=9, n=K－1=8
PL=10，PH=1，
虚 5局
6
7
8
4 9
§1 – 3 平面机构的自由度
机构具有确定运动的条件 （1）机构的自由度F >0。
（2）机构的原动件数等于机构的自由度F。
§1 – 3 平面机构的自由度
机构的自由度和原动件的数目与机构运动的关系
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
平面机构自由度说课
平面机构自由度说课摘要：“说课”是目前在各高校广泛开展的教研活动，通过“说课”教师可以相互交流、相互学习，提高教学水平。
本文平面机构自由度为例从说教材、说教法和学法、说教学过程三个方面阐述对说课的认识。
关键词：说课设计教学过程Abstract: The “Lessons” is now widely carried out in various university teaching and research activities. Through the “Lessons” teachers can interact and learn from each other to improve the teaching level. Taking planar mechanism degree of freedom, understanding of “Lessons” is elaborated from teaching material, teaching and learning methods, and teaching process three aspects.Key words: Lessons design teaching process说课，是一种教学研究和教师基本功训练的综合活动形式，它能够在一定程度上体现教师教学理论与实践的综合水平，因此目前在各高校受到各级各类教育行政部门和教研部门的青睐。
所谓说课，就是教师在有限时间内用简要精确的语言，讲述自己对所教这节课的教学内容的理解，还包括教法学法的选择、教学过程的设计及其设计的理论依据。
着重向别人说明“教什么”、“怎么教”及“为什么这样教”等问题。
说课是教师应具备的一项重要技能。
教师能熟练掌握这一技能将会大大缩短工作适应期，提高课堂教学水平，促进专业的快速成长。
为了促进教师进一步提高“说课”水平，掌握“说课”技能，我以平面机构自由度为例从说教材、说教法和学法、说教学过程三个方面阐述对说课的认识。
机械基础 教学最好的PPT 第一章平面机构运动简图及其自由度
常用机构运动简图符号（续）
内啮 合圆 柱齿 轮传 动
棘 轮 机 构
机械设计基础
第一章
2. 机构运动简图的绘制 步骤： ⑴ 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定 原动件、机架、执行部分和传动部分。 ⑵ 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，确定运动副的类型和数目。 ⑶ 选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为 机构运动简图的视图平面。 ⑷ 选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺 l(mmm)， 定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用 机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。 ⑸ 从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号 和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。
1. 局部自由度 2. 复合铰链 3. 虚约束 计算实例
机械设计基础
第一章
一、运动链的自由度计算 运动链的自由度 —确定运动链中各构件相对于其中某一 构件的位置所需的独立参变量的数目。 考察由N个构件组成的运动链，活动构件数 n=N-1。 空间运动
构件 I级副 总自由度 约束数 p1 6n II级副约 III级副约 束数 束数 2p2 3p3 IV级副 V级副 约束数 约束数 4p4 5p5
机械设计基础
第一章
平面机构运动简图绘制举例
3 2 1 4
偏心泵
机械设计基础
第一章
第三节 平面机构的自由度
机构的自由度：机构具有确定运动时所给定的独立运动参数的 数目。 一、运动链自由度计算公式
F 3 n 2 P P L H
n为活动构件个数;
PL 为低副个数;
PH 为高副个数。
二、运动链成为机构的条件 三、计算平面机构的自由度应注意的事项
01 平面机构自由度-教学设计
教师活动
学生活动
设计意图及
资源准备
一、组织教学
同学们好，现在开始上课！
停止说话，准备上课
用洪亮的声音吸引学生的注意力，让他尽快进入上课状态
二、复习
复习上次课学过的主要内容：
1．机械、机构、构件、零件等基本概念。
2.机构的组成原理。
强调掌握每一概念的重要性。
学生回忆该部分的知识
温故而知新，复习前次课的重要内容，对于本次课的学习有至关重要的作用
二、教学目的（知识，技能，情感态度、价值观）
知识与技能目标：
1.熟练掌握平面机构、低副和高副等概念。
2.熟练掌握机构自由度计算公式。
过程与方法目标：
1.通过提问式方法，总结归纳出机构自由度计算公式；
2.分别用工程中常见的机构作为例题，通过课堂练习法，带领学生巩固机构自由度计算公式，并对结果进行分析。
“机构自由度计算”是《机械设计基础》课程第一章平面机构分析中第三节课程的教学内容，在学生掌握了平面机构的组成、特点，熟练掌握机构运动简图绘制的基础上，进行教学的。通过学习该节内容，让学生学会如何准确的计算出机构的自由度，以及学会判断机构是否具有确定的运动，为已有机构进行分析或创造新的机构提供基本条件。
让学生做题，提高其应变能力。并培养学生积极做题。
五、巩固新课
课堂小结
这节课我们学习了计算机构自由度方法，通过学习发现在计算自由度时，应先判断机构中活动构件、低副和高复的数目，再进行做题！
学生积极配合
对本课的总结可以及时的帮助学生对主要讲授内容进行梳理，对学生的学习起巩固的作用
六、布置作业
课件中布置课后作业。
五、教学策略和方法
本节课采用启发式和主动参与式教学策略，引导学生发现问题，分析问题并解决问题。
平面机构的自由度教案
3 虚约束
在特定的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的。这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。在计算机构自由度时，虚约束应当除去不计（发生在轨迹重合、距离不变、对称部分）。
具体ppt举例讲解
§1-3平面机构组成原理
首先提出：机构是由若干个构件通过运动副联接而构成的，用于进行运动、力的传递及变换，机构需具有确定的运动。那么当构件组成机构时，有没有什么规则可循呢？这就是“机构的组成原理”所研究的问题。教学过程为：先讲解高副低代概念，讲清楚瞬时性，后引出“杆组”概念，介绍各类杆组，并通过分析得出结论：“机构是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上而构成的”。
5）、标注
新课导入：
机构的自由度是指机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。
这节课我们主要讨论对平面机构的自由度计算问题
讲解新课：
§1-3 平面机构的自由度
一、平面机构的自由度计算
机构的自由度与组成机构的构件数目，运动副的类型及数目有关。设机构中有K个构件 ，其中活动构件数为n=K-1; PL个低副o2
课题：§1-3 平面机构的自由度；§1-4机构的组成
目的要求：1、理解自由度、杆组、机构级别等基本概念；2、能计算平面机构的自由度，判定机构具有确定运动的条件3、几种特殊结构的处理（复合铰链、局部自由度、虚约束）4、了解机构的组成原理。
重点、难点：重点：平面机构自由度的计算
然后反过来可提出：既然机构是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上构成的，所以对现有机构进行分析时就可以把机构分解成原动件、机架和若干个基本杆组，从而对机构进行结构分类，以便对同样的杆组可采用通用的方法进行运动分析和力分析。这就是“机构结构分析”所研究的内容。主要是结合实例讲解机构结构分析
(完整版)教案平面机构的自由度
平面机构的自由度【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。
【教学内容】1、引出自由度的概念，明确自由度和约束的关系；2、推导自由度计算公式，并加以举例说明；3、学会利用公式计算平面机构的自由度。
【教学重点和难点】1、机构自由度的计算【教学方法】1、课堂以讲授为主，结合实物文件进行分析讲解。
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。
【教学内容】1、概念：平面机构的自由度——机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的自由度。
2、自由度的引入构件的独立运动称为自由度。
一个作平面运动的自由构件具有3个独立的运动，见图1。
图1 平面自由度即沿x轴、y轴移动及绕垂直于xoy面的轴线的转动。
构件组成运动副后，其运动就受到了约束，其自由度数随之减少，不同类型的运动副带来的约束不同。
如图2移动副中，限制了2相对1沿垂直于导路的移动及相对限制转动，引入两个约束。
如图3中转动副限制了2相限制1沿x轴y轴移动，引入两个约束。
如图4高副中，限制了2相对1沿法线轴的移动，引入一个约束。
图4 高副及表示符号3 自由度公式的推导如设平面机构共有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，假设各构件间共构成了L p 个低副和H p 个高副，自由度减少的数目等于运动副引入的约束（H L p p +2）。
于是，该机构的自由度应为()H L H L p p n p p n F --=+-=2323 （1）4 自由度的计算图5 平面四连杆机构 图6 平面五连杆机构（1）三个活动构件，四个低副，零个高副。
104233=-⨯-⨯=F （2）四个活动构件，五个低副，零个高副342502F 总结：平面机构自由度的计算是教学中的重点和难点，计算自由度时需要找准活动构件的个数，注意低副和高副的约束，然后进行计算。
01机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
三、 计算平面机构自由度的注意事项
1．复合铰链 两个以上构件组成两个或更多个共 轴线的转动副，即为复合铰链，如图112a），为三个构件在A处构成复合铰 链。由其侧视图b）可知，此三构件共 组成两个共轴线转动副。当由K个构件 组成复合铰链时，则应当组成（K-1） 个共轴线转动副。
c
图1-12 复合铰链
1、搞清机构的结构、动作原理和运动情况 。 2、沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件之间 相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。 3、恰当选择运动简图的视图平面，通常选择机构 中多数构件的运动平面为视图平面。 4、选择恰当的作图比例尺。 5、确定各运动副的相对位置，用各运动副的代 表 符号、常用机构运动简图符号和简单线条 绘制机构运动简图。 6、在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
c
图1-1 移动副
c
图1-2 转动副
c
2．高副
两构件通过点或线接触构成的运动副称 为高副。 如图1-3，凸轮1与尖顶推杆2间构成了高
副；
又如图1-4，两齿轮轮齿啮合处构成的高 副。
c
图1-3 凸轮高副
c
图1-4 齿轮高副
c
§1-2 平面机构运动简图
实际构件的外形和结构往往很复杂，在 研究机构运动时，为了突出与运动有关的因素， 将那些无关的因素删减掉、注意保留与运动有 关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副， 并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。 这种表示机构各构件之间相对运动的简化图形， 称为机构运动简图。部分常用机构运动简图符 号见表1-1。
c
该机构的自由度数F：
F=3n-2PL-PH
c
（1-1）
式（1-1）就是平面机构自由度的 计算公式。由公式可知，机构自由度F 取决于活动构件的数目以及运动副的 性质和数目。 机构的自由度必须大于零，机构才 能够运动，否则成为桁架。
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。
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低副：面接触
6构成运动副后，对运动的限制叫约束结合板书讲解：
7、构成高副有一个约束，构成低副有2 个约束
结合板书及动画讲解
8、一个做平面运动的自由构件有3个自由度，即有3个独立运动参数。
9、如果机构有n个活动构件，有pl低副，ph高副，动构件的自由度总数减去约束总数 就是机构的自由度数
2）平面低副和高副的识别与数目的确定。
七、教学环境及资源准备
1.以自制的机构运动动画做演示，能直观的展示抽象数据的特点，使学生更好的理解。避免学生对抽象数据充分理解的欠缺。需用到电脑与投影仪等现代教学设备。
2.教师的讲解配合板书，并采用多媒体的现代化教学手段作辅助，及时总结本课的知识点，加强巩固。
八、教学安排
观察法：采用机构动画演示的方式，让学生通过观察，发现问题所在，并引导其独立思考解决问题的方法。
演示法：通过对实际工程案例的演示，引起学生的注意力，提高他们的学习兴趣。
六、教学分析（内容、重难点）
教学内容：
1）平面机构基本概念
2）低副和高副等概念和约束等概念
3）机构自由度计算公式
教学重“机构自由度计算”是《机械设计基础》课程第一章平面机构分析中第三节课程的教学内容，在学生掌握了平面机构的组成、特点，熟练掌握机构运动简图绘制的基础上，进行教学的。通过学习该节内容，让学生学会如何准确的计算出机构的自由度，以及学会判断机构是否具有确定的运动，为已有机构进行分析或创造新的机构提供基本条件。
《机械设计基础》课程教学设计
2014年6月17日
案例名称
第一章平面机构分析第二节平面机构的自由度
科目
机械设计基础
教学对象
大学二年级
课时
1课时
一、教材内容分析
《机械设计基础》是一门培养学生具有一定机械设计能力的技术基础课。通过学习该课程，要求学生掌握机械中常用机构的结构原理、运动特性及有关机构动力学的基本知识，初步具有分析和设计基本机构的能力，并对机械运动方案的确定有所了解。同时掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用和设计计算的基本知识，使学生初步具有设计简单的机械及普通机械传动装置的能力。并培养学生运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。
五、教学策略和方法
本节课采用启发式和主动参与式教学策略，引导学生发现问题，分析问题并解决问题。
为了完成本节课的知识技能、情感态度、价值观方面的目标，我使用的教学方法有：谈话法、观察法、演示法。
谈话法：谈话法又叫问答法，在教学过程中我一直用谈话法，与学生交流，让学生感到轻松的学习氛围，激发学生的思维活动；培养学生的独立思考能力和语言表达能力；唤起和保持学生的注意力和兴趣。
大学二年级的学生已经具有一定的自学能力，能够独立进行思考、发现、分析问题，所以在学习过程中可针对这一特点，适时地以启发式教学方法进行教学，激励他们通过自己的思考、分析解决问题。
但这个阶段的学生在学习中难免存在一定的惰性，所以要通过适当的方式和手段激发他们学习新事物的兴趣。
四、教学思想
主要体现在主体性教学思想和反思性教学思想上
二、教学目的（知识，技能，情感态度、价值观）
知识与技能目标：
1.熟练掌握平面机构、低副和高副等概念。
2.熟练掌握机构自由度计算公式。
过程与方法目标：
1.通过提问式方法，总结归纳出机构自由度计算公式；
2.分别用工程中常见的机构作为例题，通过课堂练习法，带领学生巩固机构自由度计算公式，并对结果进行分析。
5、机构是如何运动的呢？下面学习机构自由度的基本概念以及求解计算机构自由度的计算公式。
学生思考，积极回应
学生认真听讲
学生认真作答，并积极回应老师
学生认真思考
学生认真记笔记
巧妙入境，通过对旧知识的复习，用工程实例作为例题，以提问的方式来巩固旧知，调动学生的积极性，导入新课，激发学生对新课的好奇心。提高学生的学习兴趣，主动参与到学习中来。
3.从中培养学生的观察、想象能力，发展学生的空间观念，渗透转化的思想。
情感态度与价值观目标：
1.培养学生的探索精神和合作能力，养成良好的学习习惯。
2.培养学生自学的意识和创新的精神。让学生将学到的知识运用到实际生活中。
三、学习者特征分析
本门课面向的对象是大学二年级、第四学期的近机械类学生。他们在之前的学期中已经学习了高等数学、工程制图、理论力学和材料力学等相关的基础课和专业基础课。对自由度的概念已经有了一定的认识，并能够读懂常见的工程图以及简图。
“平面机构分析”这一教学内容是《机械设计基础》课程中的第一章，后续的“平面连杆机构”、“凸轮机构”、“齿轮机构”以及“轮系”章节都是向学生讲授典型机构的相关知识，而学好这些内容的前提就是要学会分析机构，其中一个重要环节就是准确地计算出该机构的自由度数目。平面机构自由度计算的目的是判定一个已有的机构是否正确,确定原动件的个数。在进行机构的运动分析和受力分析时,必须通过机构的结构分析才能进行。如果机构的自由度计算不正确,那就无法进行机构的结构、运动及受力分析。所以,平面机构的自由度计算在机构的学习、设计中占有重要地位。
三、导入新课
1、机械由机器和机构组成，机器由一个或多个机构组成，机构由构件组成，构件由零件组成。
2、因为在工程中，要面对、分析以甚至设计众多复杂的机械产品，所以要准确分析机械产品的组成情况。
3、构件是运动的单元，机构是构件组成的传递运动动力的系统
4、构件中间是如何相连组成机构的呢？下面学习运动副的基本概念。
四、新课讲授
1、由动画引出构件的基本定义
（板书：一、构件）
2、结合多媒体课件讲解运动副的基本概念
（板书：二、运动副）
3、结合多媒体课件讲解构件之间的接触情况引出运动副元素的基本概念。
（板书：三、运动副元素）
4、根据点线面接触引出运动副类型（学生注意，重点部分的到来）
（板书：三、运动副分类）
5、讲解高副和低副的基本概念
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图及
资源准备
一、组织教学
同学们好，现在开始上课！
停止说话，准备上课
用洪亮的声音吸引学生的注意力，让他尽快进入上课状态
二、复习
复习上次课学过的主要内容：
1．机械、机构、构件、零件等基本概念。
2.机构的组成原理。
强调掌握每一概念的重要性。
学生回忆该部分的知识
温故而知新，复习前次课的重要内容，对于本次课的学习有至关重要的作用