連桿機構(gòu)原理與計算

1、第第 2 章章 連桿機構(gòu)連桿機構(gòu) 若干剛性構(gòu)件通若干剛性構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的機過低副聯(lián)接而成的機構(gòu)，稱為連桿機構(gòu)。構(gòu)，稱為連桿機構(gòu)。第第 2 章章 連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)2.1 平面連桿機構(gòu)的類型平面連桿機構(gòu)的類型2.2 平面連桿機構(gòu)的工作特性平面連桿機構(gòu)的工作特性2.3 平面連桿機構(gòu)的特點及功能平面連桿機構(gòu)的特點及功能2.4 平面連桿機構(gòu)的運動分析平面連桿機構(gòu)的運動分析2.5 平面連桿機構(gòu)的運動設(shè)計平面連桿機構(gòu)的運動設(shè)計2.6 空間連桿機構(gòu)簡介空間連桿機構(gòu)簡介2.1 平面連桿機構(gòu)的類型平面連桿機構(gòu)的類型2.1.1 平面四桿機構(gòu)的基本形式平面四桿機構(gòu)的基本形式AD：機架：機架AB、CD：連架桿：連

2、架桿BC：連桿：連桿A、B：整轉(zhuǎn)副：整轉(zhuǎn)副C、D：擺動副：擺動副鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD連架桿：定軸轉(zhuǎn)動連架桿：定軸轉(zhuǎn)動連連 桿：平面一般運動桿：平面一般運動1 曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)AB：曲柄：曲柄CD：搖桿：搖桿2 雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)AB：曲柄：曲柄CD：曲柄：曲柄平行四桿機構(gòu)平行四桿機構(gòu)3 雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)AB：搖桿：搖桿CD：搖桿：搖桿曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副2.1.2

3、 平面四桿機構(gòu)的演化平面四桿機構(gòu)的演化取不同構(gòu)件作機架取不同構(gòu)件作機架低副可逆性低副可逆性ABCD曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副取不同構(gòu)件作機架取不同構(gòu)件作機架2.1.2 平面四桿機構(gòu)的演化平面四桿機構(gòu)的演化曲柄搖塊機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副取不同構(gòu)件作機架取不同構(gòu)件作機架變換構(gòu)件的形態(tài)變換構(gòu)件的形態(tài)2.1.2 平面四桿機構(gòu)的演化平面四桿機構(gòu)的演化 擴(kuò)大運動副尺寸擴(kuò)大運動副尺寸轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副取不同構(gòu)件作機架

4、取不同構(gòu)件作機架變換構(gòu)件的形態(tài)變換構(gòu)件的形態(tài)擴(kuò)大運動副尺寸擴(kuò)大運動副尺寸2.1.2 平面四桿機構(gòu)的演化平面四桿機構(gòu)的演化曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)2.2 平面連桿機構(gòu)的工作特性平面連桿機構(gòu)的工作特性2.2.1 運動特性運動特性 具有整轉(zhuǎn)副的條件具有整轉(zhuǎn)副的條件 AB整周轉(zhuǎn)動整周轉(zhuǎn)動B1C1D和和B2C2D成立成立整轉(zhuǎn)副存在條件：整轉(zhuǎn)副存在條件：z 四桿長度滿足四桿長度滿足桿長條件桿長條件：最短桿與最長桿長度之：最短桿與最長桿長度之和和 小于或等于小于或等于 其他兩桿之和。其他兩桿之和。z 構(gòu)成整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件中必

5、有一個是構(gòu)成整轉(zhuǎn)副的構(gòu)件中必有一個是最短桿最短桿。z 滿足桿長條件時，最短桿兩端分別是兩個整轉(zhuǎn)副。滿足桿長條件時，最短桿兩端分別是兩個整轉(zhuǎn)副。z 此時，若以最短桿或其相鄰桿作機架，機構(gòu)都存此時，若以最短桿或其相鄰桿作機架，機構(gòu)都存 在曲柄。在曲柄。z 不滿足桿長條件則沒有整轉(zhuǎn)副，獲得雙搖桿機構(gòu)。不滿足桿長條件則沒有整轉(zhuǎn)副，獲得雙搖桿機構(gòu)。以最短桿以最短桿AB為機架為機架雙曲柄機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)以最短桿以最短桿AB相鄰構(gòu)件相鄰構(gòu)件AD為機架為機架曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)以最短桿以最短桿AB相鄰構(gòu)件相鄰構(gòu)件BC為機架為機架曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)以最短桿以最短桿AB對面構(gòu)件對面構(gòu)件CD為機架為機架雙搖

6、桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)桿長條件不成立時桿長條件不成立時雙搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)Grashoff 定理定理a + e b 急回特性：急回特性：表示回程所用時間小于工作行程所用時間表示回程所用時間小于工作行程所用時間 極位夾角極位夾角 q q（銳角）（銳角） 行程速比系數(shù)行程速比系數(shù) Kqq1801802121ttK 運動連續(xù)性運動連續(xù)性 運動連續(xù)性：運動連續(xù)性：表示主動件連續(xù)運動時，從動件也能連表示主動件連續(xù)運動時，從動件也能連 續(xù)占據(jù)各個預(yù)期的位置。續(xù)占據(jù)各個預(yù)期的位置。 從動件只能在某一可行域內(nèi)運動，而不能相互跨越。從動件只能在某一可行域內(nèi)運動，而不能相互跨越。2.2.2 傳力特性傳力特性壓力角壓力角

7、 a a ：受力方向和運動方向所夾的銳角：受力方向和運動方向所夾的銳角傳動角傳動角 g g ：壓力角的余角：壓力角的余角50amaxaamingg 死點：有效分力等于零死點：有效分力等于零g g= 0 a a = 90 利用構(gòu)件慣性利用構(gòu)件慣性 多套機構(gòu)交錯排列多套機構(gòu)交錯排列 利用死點夾緊工件利用死點夾緊工件 飛機起落架飛機起落架F = 0 死點死點 自鎖自鎖2.3 平面連桿機構(gòu)的特點及功能平面連桿機構(gòu)的特點及功能 運動副形狀簡單、易制造運動副形狀簡單、易制造 面接觸，可以承受沖擊力面接觸，可以承受沖擊力 構(gòu)件運動形式多樣構(gòu)件運動形式多樣 慣性力不易平衡慣性力不易平衡 實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動實現(xiàn)遠(yuǎn)距

8、離傳動 實現(xiàn)多種運動軌跡實現(xiàn)多種運動軌跡2.4 平面連桿機構(gòu)的運動分析平面連桿機構(gòu)的運動分析運動分析內(nèi)容：位移、速度、加速度運動分析內(nèi)容：位移、速度、加速度分析方法：圖解法分析方法：圖解法 解析法解析法 瞬心法瞬心法 相對運動圖解法（矢量合成法）相對運動圖解法（矢量合成法） 桿組法桿組法B計算流程圖計算流程圖免試題目（免試題目（1）：）：2.13 or 2.14 第六周交第六周交求解步驟求解步驟流程圖流程圖程序（語言不限）程序（語言不限）結(jié)果曲線（一個周期內(nèi)位移、速度、加速度曲線）結(jié)果曲線（一個周期內(nèi)位移、速度、加速度曲線）結(jié)果分析：有無問題？如何解決？結(jié)果分析：有無問題？如何解決？動態(tài)仿真動

9、態(tài)仿真 將一個復(fù)雜問題分解為一些簡單問題將一個復(fù)雜問題分解為一些簡單問題 將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的問題將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的問題FTP: 2.5 平面連桿機構(gòu)的設(shè)計平面連桿機構(gòu)的設(shè)計分析（分析（Analysis）設(shè)計（設(shè)計（Design）綜合（綜合（synthesis）2.5.1 平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題平面連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題問題一：剛體導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計問題一：剛體導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計 引導(dǎo)一個剛體實現(xiàn)一系列給定位置引導(dǎo)一個剛體實現(xiàn)一系列給定位置問題二：函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計問題二：函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計 主、從動連架桿運動規(guī)律具有給定的函數(shù)關(guān)系主、從動連架桿運動規(guī)律具

10、有給定的函數(shù)關(guān)系問題三：軌跡生成機構(gòu)設(shè)計問題三：軌跡生成機構(gòu)設(shè)計 機構(gòu)中某點可以實現(xiàn)預(yù)期的運動軌跡機構(gòu)中某點可以實現(xiàn)預(yù)期的運動軌跡 圖解法圖解法 解析法解析法 實驗法實驗法平面連桿機構(gòu)設(shè)計方法：平面連桿機構(gòu)設(shè)計方法：2.5.2 剛體導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計剛體導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計要求：設(shè)計四桿機構(gòu)，使得連桿通過要求：設(shè)計四桿機構(gòu)，使得連桿通過 I、II、III三個位置三個位置第第 1 步：選定步：選定 B、C 點位置點位置第第 2 步：找步：找 A、D 點位置點位置剛體導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計剛體導(dǎo)引機構(gòu)的設(shè)計第第 3 步：聯(lián)接步：聯(lián)接 A、B1、C1、D，獲得四桿機構(gòu)，獲得四桿機構(gòu) 三點唯一確定一個三點唯一確定一個圓

11、，圓，B B、C C確定后，確定后，A A、D D是確定的；是確定的； B B、C C的位置可以根的位置可以根據(jù)實際情況確定，據(jù)實際情況確定，滿足設(shè)計要求的四滿足設(shè)計要求的四桿機構(gòu)有無窮多個。桿機構(gòu)有無窮多個。2.5.3 函數(shù)生成機構(gòu)的設(shè)計函數(shù)生成機構(gòu)的設(shè)計 已知固定鉸鏈點已知固定鉸鏈點A、D，設(shè)計四桿機構(gòu)，使得兩個連，設(shè)計四桿機構(gòu)，使得兩個連架桿可以實現(xiàn)三組對應(yīng)關(guān)系架桿可以實現(xiàn)三組對應(yīng)關(guān)系函數(shù)生成機構(gòu)函數(shù)生成機構(gòu) 剛體導(dǎo)引機構(gòu)剛體導(dǎo)引機構(gòu)？d d剛化反轉(zhuǎn)法剛化反轉(zhuǎn)法 以以CD桿為機架時看到的四桿機構(gòu)桿為機架時看到的四桿機構(gòu)ABCD的位置相當(dāng)?shù)奈恢孟喈?dāng)于把以于把以AD為機架時觀察到的為機架時觀

12、察到的ABCD的位置剛化，以的位置剛化，以D軸為中心轉(zhuǎn)過軸為中心轉(zhuǎn)過 得到的。得到的。21 低副可逆性；低副可逆性； 機構(gòu)在某一瞬時，各構(gòu)機構(gòu)在某一瞬時，各構(gòu)件相對位置固定不變，件相對位置固定不變，相當(dāng)于一個剛體，其形相當(dāng)于一個剛體，其形狀不會隨著參考坐標(biāo)系狀不會隨著參考坐標(biāo)系不同而改變。不同而改變。函數(shù)生成機構(gòu)的設(shè)計函數(shù)生成機構(gòu)的設(shè)計第第 1 步：選步：選B點，以點，以 I 位置為參考位置，位置為參考位置，DF1 為機架為機架第第 2 步：用剛化反轉(zhuǎn)法求出步：用剛化反轉(zhuǎn)法求出 B2、B3 的轉(zhuǎn)位點的轉(zhuǎn)位點第第 3 步：做中垂線，找步：做中垂線，找C1 點點第第 4 步：聯(lián)接步：聯(lián)接AB1C1

13、D函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計 解析法解析法2.5.4 急回機構(gòu)的設(shè)計急回機構(gòu)的設(shè)計 已知行程速比系數(shù)已知行程速比系數(shù) K，以及從動件兩個極限位置，以及從動件兩個極限位置，設(shè)計四桿機構(gòu)設(shè)計四桿機構(gòu)急回機構(gòu)的設(shè)計急回機構(gòu)的設(shè)計思考：思考：A點可以在點可以在FG弧上選取嗎？弧上選取嗎？第第 1 步：確定步：確定D、C1、C2點，計算點，計算 q q 第第 2 步：找步：找 A 點點第第 3 步：找步：找 B 點點2.5.5 軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計 設(shè)計一個四桿機構(gòu)，使得機構(gòu)上設(shè)計一個四桿機構(gòu)，使得機構(gòu)上 M 點實現(xiàn)給定軌跡點實現(xiàn)給定軌跡軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計 解析法

14、解析法M（x，y）a, c, d, e, f, g gg, h, 0 0連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)自由度少、約束多自由度少、約束多設(shè)計靈活度受到限制設(shè)計靈活度受到限制減少約束減少約束 增加自由度增加自由度 軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計軌跡生成機構(gòu)的設(shè)計 實驗法實驗法平面連桿機構(gòu)設(shè)計小結(jié)平面連桿機構(gòu)設(shè)計小結(jié)一、剛體導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)連桿幾個預(yù)定位置一、剛體導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)連桿幾個預(yù)定位置二、函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)連架桿對應(yīng)運動規(guī)律二、函數(shù)生成機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)連架桿對應(yīng)運動規(guī)律 作圖法：剛化反轉(zhuǎn)法作圖法：剛化反轉(zhuǎn)法 解析法：可以精確實現(xiàn)解析法：可以精確實現(xiàn)5組對應(yīng)關(guān)系組對應(yīng)關(guān)系三、急回機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)具有急回特性的四桿

15、機構(gòu)三、急回機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)具有急回特性的四桿機構(gòu) 問題關(guān)鍵：問題關(guān)鍵：A 點的確定方法點的確定方法四、軌跡生成機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)預(yù)期軌跡四、軌跡生成機構(gòu)設(shè)計：實現(xiàn)預(yù)期軌跡 解析法：解析法：9個精確點位置個精確點位置 實驗法：增加自由度或者減少約束，增加設(shè)計靈活度實驗法：增加自由度或者減少約束，增加設(shè)計靈活度 如何將工程實際問題歸結(jié)為設(shè)計命題如何將工程實際問題歸結(jié)為設(shè)計命題 設(shè)計結(jié)果分析設(shè)計結(jié)果分析難難 點：點： 掌握各種設(shè)計思路：反推；轉(zhuǎn)化掌握各種設(shè)計思路：反推；轉(zhuǎn)化 尋找問題的本質(zhì)原因?qū)ふ覇栴}的本質(zhì)原因 善于總結(jié)，舉一反三善于總結(jié)，舉一反三重重 點：點： 連桿機構(gòu)中構(gòu)件并非一條線，而是代表一個面連桿機構(gòu)中構(gòu)件并非一條線，而是代表一個面 剛化反轉(zhuǎn)法一定要理解，熟練使用剛化反轉(zhuǎn)法一定要理解，熟練使用關(guān)鍵點：關(guān)鍵點：機械優(yōu)化設(shè)計方法機械優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計目標(biāo)： min f( x1, x2, ) 設(shè)計變量：設(shè)計變量： x1, x2, 約束條件：約束條件： F1 (x1, x2, ) 0 F2 (x1, x2, ) 0 . . .2.6 空間連桿機構(gòu)空間連桿機構(gòu)RSSR機構(gòu)機構(gòu)RSSP機構(gòu)機構(gòu)PRSR機構(gòu)機構(gòu)球面球面4R機構(gòu)機構(gòu)本章重點小結(jié)本章重點小結(jié)一、平面四桿機構(gòu)的基本形式和演化手段一、平面四桿機構(gòu)的基本形式和