機構(gòu)設(shè)計第一章

機構(gòu)設(shè)計第一章第一頁，共五十頁，2022年，8月28日由若干構(gòu)件通過低副（轉(zhuǎn)動副、移動副、圓柱副、螺旋副等）聯(lián)結(jié)而成的機構(gòu)，稱為連桿機構(gòu)。

平面連桿機構(gòu)空間連桿機構(gòu)幾個概念第二頁，共五十頁，2022年，8月28日連桿機構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機構(gòu)，它在眾多工農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到了廣泛的應(yīng)用。聯(lián)合收割機特種起重機第三頁，共五十頁，2022年，8月28日挖掘機破碎機第四頁，共五十頁，2022年，8月28日裝載機液壓支架第五頁，共五十頁，2022年，8月28日不銹鋼搬運機械手發(fā)動機曲柄滑塊機構(gòu)第六頁，共五十頁，2022年，8月28日人造衛(wèi)星太陽能板第七頁，共五十頁，2022年，8月28日人造假肢第八頁，共五十頁，2022年，8月28日連桿機構(gòu)的傳動特點：優(yōu)點：（1）面接觸壓強小，可承受較大的載荷；便于潤滑，磨損較??；運動副元素幾何形狀簡單，便于加工制造。（2）改變各構(gòu)件的相對長度，易使從動件獲得不同的運動規(guī)律。（3）運用連桿曲線，可實現(xiàn)各種不同的運動軌跡。缺點：（1）較難準確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律，一般只能近似滿足。（2）構(gòu)件增多時，累積誤差較大，使效率降低，自鎖的可能性增大。（3）構(gòu)件作平面復(fù)雜運動，慣性力不易平衡。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日這門課《現(xiàn)代連桿機構(gòu)設(shè)計》都討論些什么呢？本課程討論對象為平面連桿機構(gòu)，主要介紹平面連桿機構(gòu)圖解法的基本理論和設(shè)計方法，解析法中的函數(shù)逼近法、剛體導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計的理論和方法、機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論和方法，另外對與連桿機構(gòu)有關(guān)的組合機構(gòu)和開式鏈機構(gòu)進行了討論。

第十頁，共五十頁，2022年，8月28日緒論第一章平面連桿機構(gòu)的型分析第二章用函數(shù)逼近法進行平面連桿機構(gòu)綜合第三章給定連桿平面三個相關(guān)位置的四桿機構(gòu)綜合第四章給定連桿平面四位置的平面機構(gòu)綜合第五章給定兩連架桿對應(yīng)角位移的平面機構(gòu)綜合第六章極點曲線及其應(yīng)用第七章平面連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計第八章剛體導(dǎo)引機構(gòu)的綜合第九章含有連桿機構(gòu)的組合機構(gòu)第十章開式鏈機構(gòu)課程內(nèi)容：第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日機構(gòu)學(xué)研究的問題機構(gòu)綜合的基本問題精確綜合與近似綜合緒論第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日1機構(gòu)學(xué)研究的問題從應(yīng)用力學(xué)的觀點，機構(gòu)學(xué)分為兩大分支：

機構(gòu)運動學(xué)

研究各構(gòu)件的相對運動關(guān)系，位移、軌跡、速度等

機構(gòu)動力學(xué)

研究各構(gòu)件的受力及力與運動的關(guān)系另外，還有機構(gòu)的結(jié)構(gòu)理論（研究機構(gòu)的自由度、結(jié)構(gòu)類型等）。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日機構(gòu)學(xué)研究的問題：

機構(gòu)分析

機構(gòu)綜合

機構(gòu)分析——

指對已有機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)的分析計算。

機構(gòu)分析的目的是為了對現(xiàn)有機構(gòu)的工作性能進行運動學(xué)、動力學(xué)分析，掌握機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，以便對其進行改進。比如，對起重機的起吊機構(gòu)進行動力學(xué)分析，以便減小工作過程中的振動，增大有效起吊能力。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日機構(gòu)綜合——

指根據(jù)給定的運動學(xué)或動力學(xué)要求，設(shè)計相應(yīng)的機構(gòu)簡圖。機構(gòu)綜合的目的是為了滿足工作現(xiàn)場的實際需要，開發(fā)出新的工作機構(gòu)，提高工作效率。比如，物品輸送系統(tǒng)，根據(jù)給定的傳輸速度和傳輸作用力，設(shè)計合適的傳輸機構(gòu)。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日在這里，我們可以簡單對機構(gòu)進行一下分類，即所謂的閉式機構(gòu)和開式機構(gòu)。閉式機構(gòu)，指組成運動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，如常見的齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)。開式機構(gòu)，指各構(gòu)件未形成封閉的系統(tǒng)，如串聯(lián)機械手。兩個概念第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日2機構(gòu)綜合的基本問題

機構(gòu)綜合必須解決兩個基本問題：機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合和機構(gòu)尺度綜合。

1）機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合

簡言之，就是確定機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型。具體可分型綜合和數(shù)綜合。型綜合，即機構(gòu)的選型設(shè)計，為產(chǎn)生某種形式的運動，應(yīng)該選用什么類型的機構(gòu)，該類機構(gòu)應(yīng)當由多少構(gòu)件以及哪些類型的運動副組成。數(shù)綜合，是一種機構(gòu)枚舉學(xué)，即研究由一定數(shù)量的構(gòu)件和一定類型的運動副能組成一定自由度的運動鏈的種數(shù)。第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日2）機構(gòu)尺度綜合

簡言之，就是確定機構(gòu)的具體尺寸。按照給定的運動要求及動力要求，以及選定的機構(gòu)類型，確定機構(gòu)簡圖的尺寸。尺度綜合可分為運動綜合和動力綜合，即分別根據(jù)運動要求和動力要求確定尺寸。傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)綜合，即是指尺度綜合，其可歸納為三類問題：剛體導(dǎo)引、函數(shù)發(fā)生和軌跡發(fā)生。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日剛體導(dǎo)引，指規(guī)定連桿必須經(jīng)過幾個固定位置來尋求機構(gòu)構(gòu)件的尺寸，比如縫紉機的送線機構(gòu)、物料輸送機構(gòu)等。函數(shù)發(fā)生，要求機構(gòu)的輸出變量和輸入變量保持規(guī)定的函數(shù)關(guān)系，比如產(chǎn)生正弦、余弦、積分等關(guān)系。軌跡發(fā)生，要求連桿上的點產(chǎn)生預(yù)期的軌跡，比如要求在一個循環(huán)中某段軌跡為圓、橢圓或直線等。第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日需要說明一點：

以上這些機構(gòu)綜合問題，均未考慮構(gòu)件的彈性變形及運動副間隙的動力影響。如果要考慮這些影響，則機構(gòu)綜合問題變得更復(fù)雜一些。近年來，對于高速、精密機械系統(tǒng)，人們逐漸開始考慮構(gòu)件的彈性變形問題，即所謂的運動彈性動力學(xué)（KED）研究。本書僅限于機構(gòu)的運動綜合。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日首先給出“結(jié)構(gòu)誤差”的概念。結(jié)構(gòu)誤差：

考慮到制造不精確、構(gòu)件彈性變形及工作條件等因素影響，所設(shè)計的機構(gòu)簡圖理論上的運動與要求的預(yù)期運動之間的誤差，稱為結(jié)構(gòu)誤差。精確綜合：指沒有結(jié)構(gòu)誤差的機構(gòu)綜合。精確綜合常用于多桿機構(gòu)精確實現(xiàn)軌跡發(fā)生，如反演儀、仿圖儀、畫高次曲線的機構(gòu)等。3精確綜合與近似綜合第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日近似綜合：指包含按某種規(guī)律分布的結(jié)構(gòu)誤差的機構(gòu)綜合。

實際中，很多情況下，不可能得到既簡單又能精確發(fā)生軌跡或函數(shù)關(guān)系的機構(gòu)，因此，近似綜合方法得到了很大發(fā)展。

第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日

機構(gòu)近似綜合的目標，以盡量小的結(jié)構(gòu)誤差，使機構(gòu)簡圖理論上的運動再現(xiàn)預(yù)期運動。這實質(zhì)上屬于數(shù)學(xué)上的函數(shù)逼近問題，常用的函數(shù)逼近方法有差值逼近、平方逼近和最佳逼近，這部分內(nèi)容將在第二章進行介紹。另外，優(yōu)化方法在機構(gòu)綜合中也得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點是，可以采用一般的格式去處理問題，借助計算機進行機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。其缺點是，只能定量得到機構(gòu)參數(shù)的數(shù)值解，對問題不便做定性分析。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日目前，傳統(tǒng)的機構(gòu)綜合法主要發(fā)展方向，就是利用計算機取代人工繁重的計算和作圖，用編程運算取代圖上作業(yè)。隨著計算技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具的日益完善，更多復(fù)雜機構(gòu)的設(shè)計問題，正在逐步得到解決。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第一章平面連桿機構(gòu)的型分析1-1一自由度機構(gòu)的型分析1-2二自由度機構(gòu)的型分析

一般的，平面連桿機構(gòu)的綜合問題比其分析問題要困難。對于多桿機構(gòu)的綜合問題，需要滿足一系列性能指標，這些性能指標不僅和構(gòu)件數(shù)有關(guān)，還和構(gòu)件的基本尺寸有關(guān)。由于尺寸的變化是無窮的，所以，綜合問題遠比分析問題困難得多。第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日1-1一自由度機構(gòu)的型分析機構(gòu)自由度公式（1-1）式中為機構(gòu)自由度；為機構(gòu)的構(gòu)件總數(shù)（包括機架）；為低副的數(shù)目。對于一自由度機構(gòu)，由可得第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日由該式可知，桿件數(shù)必須是偶數(shù)，對于閉式運動鏈機構(gòu)，可以得到如下表的關(guān)系。4681012…47101316…根據(jù)各構(gòu)件所具有的運動副數(shù)目和約束條件的關(guān)系，有如下（1-2）（1-3）第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日將式（1-2）、（1-3）代入式（1-1），可得（1-4）該式說明，有三個運動副的構(gòu)件對機構(gòu)運動副無影響，因為對于每個運動副為兩構(gòu)件所共有，各分擔(dān)一個約束；三個運動副分擔(dān)三個約束，正好抵消了構(gòu)件全部可能的自由度。課本表1-1給出了一自由度機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)與有不同運動副數(shù)的構(gòu)件數(shù)目之間的關(guān)系。根據(jù)這些關(guān)系，我們可以對常見的四桿機構(gòu)、六桿機構(gòu)、八桿機構(gòu)和十桿機構(gòu)進行運動鏈和型分析。第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日表1-1一自由度運動鏈的型構(gòu)件總數(shù)N具有不同運動副的各構(gòu)件及其數(shù)目n2二副件n3三副件n4四副件n5五副件n6六副件備注446425*018445216026*101…*兩個運動副構(gòu)件與四運動副構(gòu)件固結(jié)在一起，致使總構(gòu)件數(shù)降低，失去意義。第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日（1）四桿機構(gòu)圖1-1如圖，有唯一的運動鏈，選定機架后也只有唯一的型。第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）六桿機構(gòu)圖1-2六桿機構(gòu)有兩種型，即420型和501型。1）420型有兩個形式的運動鏈，即圖1-2（a）瓦特型；（b）斯蒂芬遜型。（注意：二者的顯著區(qū)別在于，瓦特型的兩個三副件直接相連，斯蒂芬遜型的兩個三副件之間不是直接相連的。）第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日圖1-22）501型，有一個運動鏈。從圖1-2（c）看出，右側(cè)箭頭所示的兩個二副構(gòu)件與一個四副構(gòu)件固結(jié)在一起，成為剛體，致使構(gòu)件總數(shù)降低，成為一個四桿運動鏈，可見501型失去了實際意義。第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日確定機架后，瓦特型有兩種形式，斯蒂芬遜型有三種形式，如圖1-3。圖1-3第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日當取連架桿為原動件，可得到九種機構(gòu)，如圖1-4。如果再考慮連桿為原動件，并用移動副代替轉(zhuǎn)動副，將派生出一大批六桿機構(gòu)。圖1-4第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）八桿機構(gòu)八桿機構(gòu)有十六種運動鏈，如圖1-5、1-6。圖1-5圖1-6第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日（4）十桿機構(gòu)十桿機構(gòu)有多達230種型，圖1-9列舉了部分?？梢?，隨著桿件數(shù)目的增加，機構(gòu)的型急劇增加。圖1-9第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日型分析舉例：第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日1-2二自由度機構(gòu)的型分析對于二自由度機構(gòu)，在機構(gòu)自由度公式（1-1）中，取，則可得由該式可見，二自由度機構(gòu)中要使為整數(shù)，必須使桿件總數(shù)為奇數(shù)。那么，可以得到桿件總數(shù)與低副總數(shù)的關(guān)系，見下表5791113…58111417…第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日按照前面同樣的方式分配運動副，可得到二自由度機構(gòu)桿件總數(shù)和不同運動副數(shù)的構(gòu)件之間的關(guān)系，如表1-2。根據(jù)這些關(guān)系，我們可以對常見的五桿機構(gòu)、七桿機構(gòu)和九桿機構(gòu)進行運動鏈和型分析（主要討論閉式鏈）。（1）五桿機構(gòu)五桿機構(gòu)的閉式鏈有唯一的形式，如圖1-10。圖1-10第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日表1-2二自由度機構(gòu)運動鏈的型構(gòu)件總數(shù)N具有不同運動副的各構(gòu)件及其數(shù)目n2二副件n3三副件n4四副件n5五副件n6六副件備注557526019546217027101…第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）七桿機構(gòu)七桿機構(gòu)的閉式鏈有四種，如圖1-11。選定機架后，不同的機構(gòu)形式如圖1-12、1-13。圖1-11第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日圖1-12圖1-13第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）九桿機構(gòu)九桿機構(gòu)的閉式鏈有39種，隨著桿件數(shù)目的增加，機構(gòu)的型急劇增加。型分析舉例：第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日多自由度機構(gòu)的型分析任意多自由度機構(gòu)，都可以從一個單自由度機構(gòu)推演而來。對于閉式運動鏈，可以在一自由度機構(gòu)的基礎(chǔ)上，每增加一個自由度，相當于增加一個桿件和一個低副。三自由度六桿機構(gòu)（增加了兩桿件和兩個低副）三自由度八桿機構(gòu)（增加了兩桿件和兩個低副）第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日表平面連桿機構(gòu)的自由度和桿件數(shù)的關(guān)系自由度數(shù)12345備注機構(gòu)桿件總數(shù)