《機械原理（英漢雙語）（第2版）》 課件 第10、11章 空間連桿機構及機器人機構概述、機構系統(tǒng)設計

第10章空間連桿機構及機器人機構概述1.空間連桿機構中的運動副(1)Ⅰ類副圖10-1a所示的球放在平面上，形成點接觸的高副，僅提供沿二者公法線n—n方向的一個約束。

(2)Ⅱ類副具有2個約束、4個自由度。圖10-1b所示的圓柱平面副中，提供沿z軸移動和繞x軸轉動的2個約束，用CE表示圓柱平面副。圖10-1c所示的球槽副中，提供沿z軸移動和沿x軸移動2個約束，用SG表示球槽副，它們是典型的Ⅱ類副。Ⅱ類副也很少應用。

10.1空間連桿機構概述Fig.10-1Spatialkinematicpairs1(空間運動副1)(3)Ⅲ類副具有3個約束和3個自由度的運動副，圖10-2a中的球置于球面槽中，形成典型的球面副，用S表示球面副。圖10-2a中的球置于球面槽中，形成典型的球面副，用S表示球面副。球面副限制了沿x、y、z軸的移動，保留繞3個軸轉動的自由度。球面副在空間機構中應用廣泛。圖10-2b為球面副的代表符號。圖10-2c為兩平面接觸形成的平面副，用E表示，提供了沿z軸移動、繞x、y軸轉動的3個約束，應用很少。

Fig.10-2Spatialkinematicpairs2(空間運動副2)(4)Ⅳ類副具有4個約束和2個自由度的運動副。圖10-3a所示的球銷副中，由于球銷的約束，僅保留2個轉動自由度。運動副符號如圖10-3b所示，名稱用S′表示。圖10-3c中的圓柱副中,僅保留沿軸線的移動和繞軸線的轉動自由度,運動副符號如圖10-3d所示，名稱用C表示。Ⅳ類運動副在空間機構中應用較廣泛。

Fig.10-3Spatialkinematicpairs3(空間運動副3)(5)Ⅴ類副具有5個約束、1個自由度的運動副。圖10-4a所示的轉動副中，僅有一個繞軸線的轉動自由度，運動副代表符號如圖10-4b所示，名稱用R表示。圖10-4c所示移動副中，僅有1個沿導路方向的移動自由度，運動副代表符號如圖10-4d所示，名稱用P表示。圖10-4e所示的螺旋副中，沿軸線的移動和繞軸線的轉動線性相關，所以只有1個移動自由度，代表符號如圖10-4f所示，名稱用H表示。Fig.10-4Spacialkinematicpairs4(空間運動副4)2.空間連桿機構的自由度三維空間中的每個自由構件有6個自由度，n個構件則有6n個自由度。這些構件用運動副連接組成機構后，構件的運動就會受到運動副的約束。n個構件的自由度總數(shù)6n減去各運動副的約束總數(shù)，就是機構的自由度數(shù)。設機構中的Ⅰ類副數(shù)目為p1,則其提供的約束為1p1；Ⅱ類副數(shù)目為p2個，則其提供的約束為2p2個；Ⅲ類副的數(shù)目為p3，則其提供的約束為3p3；Ⅳ類副的數(shù)目為p4，則其提供的約束為4p4；Ⅴ類副的數(shù)目為p5，則其提供的約束為5p5。則機構自由度為3.空間連桿機構分類(1)空間連桿機構表示方法平面連桿機構名稱是按其運動特性確定的。如曲柄搖桿機構、曲柄滑塊機構、雙曲柄機構等?？臻g機構的名稱則用運動副名稱表示。第一個字母一般是原動件與機架連接的運動副的名稱，然后按順序依次排列。圖10-5所示飛機起落架機構可稱為SPSR空間連桿機構。

Fig.10-5Aircraftundercarriage(飛機起落架)(2)空間連桿機構分類按組成空間連桿機構的運動鏈是否封閉，空間連桿機構分為閉鏈空間連桿機構和開鏈空間連桿機構。圖10-6a所示RSSR機構中。構件1、2、3、4通過轉動副和球面副連接，形成一個封閉運動鏈，構件4為機架。圖10-6b所示機構中。構件1、2、3、4、5通過轉動副連接，形成一個不封閉的運動鏈，構件1為機架，則組成4R型空間開鏈機構。該機構是典型的機器人機構。Fig.10-6Classificationofspatialmechanisms(空間機構分類)例10-1計算圖10-7a所示R3C機構的自由度。Fig.10-7D.O.Fofspatialmechanisms(空間機構的自由度)4.空間連桿機構自由度的計算例10-2計算圖10-7b所示RSSR機構的自由度例10-3計算圖10-8所示開鏈機器人機構自由度。Fig.10-8Openlinkrobotmechanism

(開鏈機器人機構)1.串聯(lián)機器人機構Fig.10-9Tandemrobotmechanism(串聯(lián)機器人機構)

1—Wristjoint(腕關節(jié))2—Elbowjoint(肘關節(jié))3—Shoulderjoint(肩關節(jié))

4—Waistjoint(腰關節(jié))5—Base(底座)10.2機器人機構概述串聯(lián)機器人大都是開鏈機構，圖10-9a所示機器人是3個轉動副、3個構件組成的串聯(lián)機器人，也簡稱3R串聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人機構可以是平面開鏈機構，也可以是空間開鏈機構。串聯(lián)機器人一般由底座、腰部、大臂、小臂和腕部組成，分別對應腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)。圖10-9b為其機構簡圖。從串聯(lián)機器人的結構特點可以看出，其剛度較小，累積運動誤差較大，但運動空間很大。2.并聯(lián)機器人機構Fig.10-10Parallelrobotmechanisms(并聯(lián)機器人機構)并聯(lián)機器人分為平面并聯(lián)機器人和空間并聯(lián)機器人。圖10-10a所示為3自由度平面并聯(lián)機器人，3個連架桿為驅動件，共同驅動平臺1運動。該機器人簡稱為平面3RRR并聯(lián)機器人，在微動機構中有廣泛應用。圖10-10b為3自由度空間并聯(lián)機器人。3.機器人應用

機器人是典型的機電一體化產品，應用非常廣泛。按用途可分工業(yè)機器人、醫(yī)用機器人、服務機器人、軍用機器人和玩具機器人等。工業(yè)機器人廣泛應用在自動化生產領域；醫(yī)用機器人也應用在人體的手術中；服務機器人正在走向家庭；軍用機器人在作戰(zhàn)、排雷和后勤保證中也得到廣泛應用；玩具機器人已經普及。未來的機器人將會促進人類社會的快速發(fā)展。第11章機構系統(tǒng)設計1.簡單機構組成的機構系統(tǒng)

11.1機構系統(tǒng)設計概述使用簡單機構進行機械系統(tǒng)運動方案設計時，利用機構的演化與變異原理，可提高機械的力學性能和使用壽命。圖11-1a所示的剪床機構中，擴大轉動副B和移動副C，得到圖11-1b所示的剪床機構，可提高曲柄強度并提高剪刀的力學性能。Fig.11-1Shearingmachine

(剪床機構)2.多個獨立工作的簡單機構組成的機構系統(tǒng)Fig.11-2Motionharmonizationofmechanism

(機構運動的協(xié)調)圖11-2所示液壓機構系統(tǒng)中，液壓缸1和液壓缸2是兩個獨立的簡單機構。液壓缸1把工件送到位置2，觸動液壓缸2的開關后，即刻返回原位。液壓缸2再把工件送到位置3。兩個液壓缸的協(xié)調運動才能完成即定的工作要求，其運動協(xié)調依靠行程開關控制液壓換向油路即可實現(xiàn)。3.簡單機構連接組成的機構系統(tǒng)

各種簡單機構通過連接桿組、串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、疊加組合和封閉組合，可形成的一系列的復雜機構系統(tǒng)。實際機械中，這類機構系統(tǒng)應用最為廣泛。圖11-3所示的機構是由帶傳動機構、蝸桿機構、凸輪機構、鉸鏈四桿機構和正切機構串聯(lián)組成的，實現(xiàn)零件的自動夾取與送料運動。Fig.11-3Automaticfeedingmachine

(自動送料機)1.機構系統(tǒng)的運動協(xié)調Fig.11-4Punchingmechanism

(壓力機機構)11.2機構系統(tǒng)的運動協(xié)調設計圖11-4所示壓力機機構簡圖中，機構ABC為沖壓機構，機構FGH為送料機構。要求在沖壓結束后，沖壓頭回升過程中開始送料，到沖壓頭下降過程的某一時刻完成送料并返回原位。沖壓機構與送料機構的動作必須協(xié)調。沖壓機構ABC的設計可按沖壓要求設計，送料機構FGH不但要滿足送料位移要求，其尺寸與位置必須滿足運動協(xié)調的條件。設計時可通過連桿DE連接兩個機構。2.運動循環(huán)圖的設計

圖11-5所示的壓力機機構的運動循環(huán)圖中，AB為工作行程，BC為回程，其中GF為沖壓過程。送料機構的運動循環(huán)圖中，EC為開始送料階段，AD為退出送料階段。在沖壓階段，送料機構在DE階段不動，使其運動不發(fā)生干涉，其條件必須滿足T5＞T2。根據(jù)擬定的運動循環(huán)圖，設計送料機構的尺寸和位置。Fig.11-5Motioncirculationdiagramofapunchingmachine

(壓力機機構的運動循環(huán)圖)3.機構系統(tǒng)設計要點1)按機械功能目標選擇各簡單機構。

2)擬定運動循環(huán)圖。

3)進行各簡單機構的尺度綜合，確定各機構尺寸。

4)確定各機構的連接方法與連接件尺寸。

5)進行計算機仿真，檢驗運動協(xié)調的可靠性。

6)反復進行機構尺寸與位置的修訂，直到滿意為止。1.連接基本桿組Fig.11-6Connectingbasiclinkgroups(基本桿組)11.3機構系統(tǒng)的組合方法圖11-6a所示，Ⅱ級桿組BCD的外接副B、D連接到原動件AB和機架上，組成四桿機構ABCD。再把一個Ⅱ級桿組中的外接副E、F連接到四桿機構ABCD的桿DC和機架上，組成了一個機構系統(tǒng)。以此類推，可設計出更復雜的機構系統(tǒng)。各連接點的位置可通過機構綜合方法求取。如果把II級桿組中的外接副B、D連接到兩個原動件上，組成了圖11-6b所示的2自由度并聯(lián)機構。2.簡單機構串聯(lián)Fig.11-7Mechanismsintandemconnection1(機構的串聯(lián)組合1)圖11-7a所示齒輪機構的從動輪與連桿機構的主動曲柄剛性連接，形成了齒輪連桿機構組合系統(tǒng)。該系統(tǒng)可降低連桿機構運轉速度；圖11-7b中，平行四邊形機構ABCD的連桿與齒輪機構的內齒輪剛性連接，形成了連桿機構和齒輪機構的組合系統(tǒng)。由于內齒輪z1作平動。當滿足O1O2=AB=CD，且互相平行時，該系統(tǒng)的外齒輪z2作大速比減速輸出。Fig.11-8Mechanismsintandemconnection2(機構的串聯(lián)組合2)圖11-8a中，擺動導桿機構的輸出擺桿與曲柄滑塊機構的曲柄連接，可得到滑塊的特殊運動規(guī)律。圖11-8b是齒輪機構與凸輪機構串聯(lián)而成的機構系統(tǒng)。3.簡單機構并聯(lián)并聯(lián)組合也是最為常見的機構組合方法。圖11-9a為兩個并聯(lián)的導桿機構共同驅動汽車翻斗的示意圖；圖11-9b為將主軸運動分流到軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的并聯(lián)齒輪機構示意圖。Fig.11-9Mechanismsinparallelconnection1(機構并聯(lián)組合1)圖11-10a所示機構系統(tǒng)為軸向并聯(lián)布置的內燃機。連桿機構的活塞為主動件，8套呈Ⅴ型布置的曲柄滑塊機構共同驅動曲軸轉動。實現(xiàn)了動力的合成。圖11-10b所示為徑向并聯(lián)布置的內燃機簡圖。4套曲柄滑塊機構共同驅動曲軸轉動，實現(xiàn)動力的合成。Fig.11-10Mechanismsinparallelconnection2(機構并聯(lián)組合2)Fig.11-11Mechanismsinparallel

connection3(機構并聯(lián)組合3)圖11-11所示的機構系統(tǒng)把電動機的運動分解為兩路傳動，然后再合成一個蝸桿運動，形成并聯(lián)機構組合系統(tǒng)。這種并聯(lián)組合系統(tǒng)可提高蝸輪的輸出動力。4.簡單機構疊加Fig.11-12Mechanismsinsuperposedconnection1(機構疊加組合1)圖11-12a所示的液壓挖掘機中，轉塔1上安裝擺桿機構。通過液壓缸2、驅動桿3，再驅動大臂4擺動。大臂4上又安裝一套同類液壓機構，通過液壓缸5、桿6驅動小臂7擺動；小臂7上還安裝一套液壓缸機構，通過鉸鏈機構驅動鏟斗工作。圖11-12b所示的升降機構中，在一個平行四邊形機構上疊加另外一個平行四邊形機構，工作平臺在升降過程中保持一個穩(wěn)定姿態(tài)。Fig.11-13Mechanismsinsuperposed

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