機構設計第一章第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一由若干構件通過低副（轉動副、移動副、圓柱副、螺旋副等）聯結而成的機構，稱為連桿機構。

平面連桿機構空間連桿機構幾個概念第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一連桿機構是一種應用十分廣泛的機構，它在眾多工農業機械和工程機械中得到了廣泛的應用。聯合收割機特種起重機第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一挖掘機破碎機第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一裝載機液壓支架第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一不銹鋼搬運機械手發動機曲柄滑塊機構第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一人造衛星太陽能板第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一人造假肢第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一連桿機構的傳動特點：優點：（1）面接觸壓強小，可承受較大的載荷；便于潤滑，磨損較小；運動副元素幾何形狀簡單，便于加工制造。（2）改變各構件的相對長度，易使從動件獲得不同的運動規律。（3）運用連桿曲線，可實現各種不同的運動軌跡。缺點：（1）較難準確地實現預期的運動規律，一般只能近似滿足。（2）構件增多時，累積誤差較大，使效率降低，自鎖的可能性增大。（3）構件作平面復雜運動，慣性力不易平衡。第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一這門課《現代連桿機構設計》都討論些什么呢？本課程討論對象為平面連桿機構，主要介紹平面連桿機構圖解法的基本理論和設計方法，解析法中的函數逼近法、剛體導引機構設計的理論和方法、機構優化設計的理論和方法，另外對與連桿機構有關的組合機構和開式鏈機構進行了討論。

第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一緒論第一章平面連桿機構的型分析第二章用函數逼近法進行平面連桿機構綜合第三章給定連桿平面三個相關位置的四桿機構綜合第四章給定連桿平面四位置的平面機構綜合第五章給定兩連架桿對應角位移的平面機構綜合第六章極點曲線及其應用第七章平面連桿機構的優化設計第八章剛體導引機構的綜合第九章含有連桿機構的組合機構第十章開式鏈機構課程內容：第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一機構學研究的問題機構綜合的基本問題精確綜合與近似綜合緒論第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1機構學研究的問題從應用力學的觀點，機構學分為兩大分支：

機構運動學

研究各構件的相對運動關系，位移、軌跡、速度等

機構動力學

研究各構件的受力及力與運動的關系另外，還有機構的結構理論（研究機構的自由度、結構類型等）。第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一機構學研究的問題：

機構分析

機構綜合

機構分析——

指對已有機構進行運動學和動力學的分析計算。

機構分析的目的是為了對現有機構的工作性能進行運動學、動力學分析，掌握機構的相關參數，以便對其進行改進。比如，對起重機的起吊機構進行動力學分析，以便減小工作過程中的振動，增大有效起吊能力。第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一機構綜合——

指根據給定的運動學或動力學要求，設計相應的機構簡圖。機構綜合的目的是為了滿足工作現場的實際需要，開發出新的工作機構，提高工作效率。比如，物品輸送系統，根據給定的傳輸速度和傳輸作用力，設計合適的傳輸機構。第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一在這里，我們可以簡單對機構進行一下分類，即所謂的閉式機構和開式機構。閉式機構，指組成運動鏈的各構件構成首末封閉的系統，如常見的齒輪機構、凸輪機構和連桿機構。開式機構，指各構件未形成封閉的系統，如串聯機械手。兩個概念第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2機構綜合的基本問題

機構綜合必須解決兩個基本問題：機構結構綜合和機構尺度綜合。

1）機構結構綜合

簡言之，就是確定機構的結構類型。具體可分型綜合和數綜合。型綜合，即機構的選型設計，為產生某種形式的運動，應該選用什么類型的機構，該類機構應當由多少構件以及哪些類型的運動副組成。數綜合，是一種機構枚舉學，即研究由一定數量的構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。第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2）機構尺度綜合

簡言之，就是確定機構的具體尺寸。按照給定的運動要求及動力要求，以及選定的機構類型，確定機構簡圖的尺寸。尺度綜合可分為運動綜合和動力綜合，即分別根據運動要求和動力要求確定尺寸。傳統的連桿機構綜合，即是指尺度綜合，其可歸納為三類問題：剛體導引、函數發生和軌跡發生。第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一剛體導引，指規定連桿必須經過幾個固定位置來尋求機構構件的尺寸，比如縫紉機的送線機構、物料輸送機構等。函數發生，要求機構的輸出變量和輸入變量保持規定的函數關系，比如產生正弦、余弦、積分等關系。軌跡發生，要求連桿上的點產生預期的軌跡，比如要求在一個循環中某段軌跡為圓、橢圓或直線等。第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一需要說明一點：

以上這些機構綜合問題，均未考慮構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，則機構綜合問題變得更復雜一些。近年來，對于高速、精密機械系統，人們逐漸開始考慮構件的彈性變形問題，即所謂的運動彈性動力學（KED）研究。本書僅限于機構的運動綜合。第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一首先給出“結構誤差”的概念。結構誤差：

考慮到制造不精確、構件彈性變形及工作條件等因素影響，所設計的機構簡圖理論上的運動與要求的預期運動之間的誤差，稱為結構誤差。精確綜合：指沒有結構誤差的機構綜合。精確綜合常用于多桿機構精確實現軌跡發生，如反演儀、仿圖儀、畫高次曲線的機構等。3精確綜合與近似綜合第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一近似綜合：指包含按某種規律分布的結構誤差的機構綜合。

實際中，很多情況下，不可能得到既簡單又能精確發生軌跡或函數關系的機構，因此，近似綜合方法得到了很大發展。

第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

機構近似綜合的目標，以盡量小的結構誤差，使機構簡圖理論上的運動再現預期運動。這實質上屬于數學上的函數逼近問題，常用的函數逼近方法有差值逼近、平方逼近和最佳逼近，這部分內容將在第二章進行介紹。另外，優化方法在機構綜合中也得到了廣泛的應用。其優點是，可以采用一般的格式去處理問題，借助計算機進行機構的優化設計。其缺點是，只能定量得到機構參數的數值解，對問題不便做定性分析。第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一目前，傳統的機構綜合法主要發展方向，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。隨著計算技術的發展和現代數學工具的日益完善，更多復雜機構的設計問題，正在逐步得到解決。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一章平面連桿機構的型分析1-1一自由度機構的型分析1-2二自由度機構的型分析

一般的，平面連桿機構的綜合問題比其分析問題要困難。對于多桿機構的綜合問題，需要滿足一系列性能指標，這些性能指標不僅和構件數有關，還和構件的基本尺寸有關。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25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1-1一自由度機構的型分析機構自由度公式（1-1）式中為機構自由度；為機構的構件總數（包括機架）；為低副的數目。對于一自由度機構，由可得第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一由該式可知，桿件數必須是偶數，對于閉式運動鏈機構，可以得到如下表的關系。4681012…47101316…根據各構件所具有的運動副數目和約束條件的關系，有如下（1-2）（1-3）第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一將式（1-2）、（1-3）代入式（1-1），可得（1-4）該式說明，有三個運動副的構件對機構運動副無影響，因為對于每個運動副為兩構件所共有，各分擔一個約束；三個運動副分擔三個約束，正好抵消了構件全部可能的自由度。課本表1-1給出了一自由度機構的構件數與有不同運動副數的構件數目之間的關系。根據這些關系，我們可以對常見的四桿機構、六桿機構、八桿機構和十桿機構進行運動鏈和型分析。第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一表1-1一自由度運動鏈的型構件總數N具有不同運動副的各構件及其數目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…*兩個運動副構件與四運動副構件固結在一起，致使總構件數降低，失去意義。第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（1）四桿機構圖1-1如圖，有唯一的運動鏈，選定機架后也只有唯一的型。第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（2）六桿機構圖1-2六桿機構有兩種型，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31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一圖1-22）501型，有一個運動鏈。從圖1-2（c）看出，右側箭頭所示的兩個二副構件與一個四副構件固結在一起，成為剛體，致使構件總數降低，成為一個四桿運動鏈，可見501型失去了實際意義。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一確定機架后，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33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一當取連架桿為原動件，可得到九種機構，如圖1-4。如果再考慮連桿為原動件，并用移動副代替轉動副，將派生出一大批六桿機構。圖1-4第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（3）八桿機構八桿機構有十六種運動鏈，如圖1-5、1-6。圖1-5圖1-6第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（4）十桿機構十桿機構有多達230種型，圖1-9列舉了部分?？梢?，隨著桿件數目的增加，機構的型急劇增加。圖1-9第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一型分析舉例：第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1-2二自由度機構的型分析對于二自由度機構，在機構自由度公式（1-1）中，取，則可得由該式可見，二自由度機構中要使為整數，必須使桿件總數為奇數。那么，可以得到桿件總數與低副總數的關系，見下表5791113…58111417…第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一按照前面同樣的方式分配運動副，可得到二自由度機構桿件總數和不同運動副數的構件之間的關系，如表1-2。根據這些關系，我們可以對常見的五桿機構、七桿機構和九桿機構進行運動鏈和型分析（主要討論閉式鏈）。（1）五桿機構五桿機構的閉式鏈有唯一的形式，如圖1-10。圖1-10第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一表1-2二自由度機構運動鏈的型構件總數N具有不同運動副的各構件及其數目n2二副件n3三副件n4四副件n5五副件n6六副件備注557526019546217027101…第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（2）七桿機構七桿機構的閉式鏈有四種，如圖1-11。選定機架后，不同的機構形式如圖1-12、1-13。圖1-11第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一圖1-12圖1-13第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（3）九桿機構九桿機構的閉式鏈有39種，隨著桿件數目的增加，機構的型急劇增加。型分析舉例：第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一多自由度機構的型分析任意多自由度機構，都可以從一個單自由度機構推演而來。對于閉式運動鏈，可以在一自由度機構的基礎上，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（增加了兩桿件和兩個低副）三自由度八桿機構（增加了兩桿件和兩個低副）第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一表平面連桿機構的自由度和桿件數的關系自由度數12345備注機構桿件總數2