空间连杆机构的应用实例
机械原理8连杆机构设计
给 定 的 设 计 条 件 ： 1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置） 2)运动条件（给定K） 3)动力条件（给定γmin） 设计方法：图解法、解析法、实验法
3. 用解析法设计四杆机构 思路：首先建立包含机构的各尺度参数和运动变量在 内的解析关系式，然后根据已知的运动变量求解所需 的机构尺度参数。
特例：等腰梯形机构－汽车转向机构
C’ B’
B
C
作者：潘存云教授
A
D
CC 电机
作者：潘存云教授
D
蜗轮 BBBA AA
蜗蜗杆杆
风扇座
D
A
作者：潘存云教授
EE
C
B
2.平面四杆机构的演化型式 (1) 改变构件的形状和运动尺寸
作者：潘存云教授
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
↓∞ 偏心曲柄滑块机构
s =l sin φ
若∠B1C1D≤90°,则 γ1＝∠B1C1D ∠B2C2D＝arccos[b2+c2-(d+a)2]/2bc
若∠B2C2D>90°, 则 γ2＝180°-∠B2C2D
γmin＝[∠B1C1D, 180°-∠B2C2D]min
注：机构的传动角一般在运 动链最终一个从动件上度量。
B2 A
C2γ2 bγ1 c C1
（1）曲柄摇杆机构 共有三种基本型式：
特征：曲柄＋摇杆
作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。 如雷达天线。
CC作者：潘存云教授 2 33
作者：潘存云教授
3
B1 4 D
A
雷达天线俯仰机构 曲柄主动
（2）双曲柄机构 特征：两个曲柄
3
2
连杆机构
第二节 平面连杆机构的运动和动力特性
一、平面四杆机构存在曲柄的条件
平面四杆机构具有整转副 则可能存在曲柄
设l1 < l4，连架杆l1 若能整周
回转，必有两次与机架共线
由△B2C2D可得：
由△B1C1D可得：
l3≤(l4 –l1) + l2 l2≤(l4– l1) + l3
l1+l4≤ l2 + l3
第六章 连杆机构
§6－1 平面连杆机构的类型、特点和应用 §6－2 平面连杆机构的运动和动力特性 §6－3 平面连杆机构的综合概述和刚体位移矩阵 §6－4 平面刚体导引机构的综合 §6－5 平面函数生成机构的综合 §6－6 平面轨迹生成机构的综合 §6－7 按行程速比系数综合平面连杆机构
第一节 平面连杆机构的类型、特点和应用
二、平面连杆机构的类型和应用
1、平面四杆机构的基本型式和应用 几个概念： 机 架——固定不动的构件 连架杆——与机架相联的构件 摇 杆——只能作往复摆动的连架杆 曲 柄——能够绕机架作整周转动的连架杆 连 杆——连接两连架杆且作平面运动的构件
平面四杆机构在工程中应用的类型很多，但通过下面的分析可知，这些不同 类型的四杆机构，均可看作是由几种基本型式派生出来的。 对于铰链四杆机构，按两连架杆运动形式不同，可分为三种基本型式：
压力角：不计摩擦时,作用在从动件上的驱动力F与该力作 用点绝对速度Vc之间所夹的锐角α。
分析压力角对机构传动的影响：
有效分力: Ft＝Fcosα 即压力角 α↓→有效分力 Ft↑
机构的传动效率↑ 压力角是衡量连杆机构传动性能的标志
对连杆机构，也可用与压力角互余的角 γ，作为衡量机构传力性能的指标 ，更 形象直观，称之为传动角。
空间四连杆机构的等视角原理及应用
空间四连杆机构的等视角原理及应用莫灿林陈延生摘要（本文通过对空间四连杆机构的等视角原理、相对运动转换及相对转动极线确定方法和研究，找到按给定连架杆两组、三组、四组对应位置的空间四连杆机构的几何设计方法。
）1、空间四连杆机构的等视角原理：图1所示，AB杆在V面上绕过点A且垂直于V面的轴线Y A转动，DC杆在H面上绕过点D且垂直于H面的轴线Z D转动，AB1C1D、AB2C2D为空间四连杆机构ABCD运动的两个位置。
分别作线段B1B2、C1C2的中垂面M、N，它们的交线为L12。
根据空间两等长线段可绕一轴线旋转使它们重合的性质知，连杆BC的两位置B1C1、B2C2可绕直线L12作纯转动实现。
在此，可称直线L12为转动极线或极线。
现把图1换成图2的形式，极线L12垂直于平面P1B1B2、P2C1C2，连杆BC绕极线转过角φ12，则点B1、C1同时在极线L12的垂直面上绕L12转过角φ12，到达B2、C2，所以∠B1P1B2=∠C1P2C2=φ12。
⌒B1B2的交点，点C11为中垂面N与平面P2C1C2上⌒C1C2的交点。
由于中垂面M、N分别过Y A、Z D轴，所以∠B1P1B11=∠B11P1B2=φ12/2，∠C1P2C11=∠C11P2C2=φ12/2。
因为∠B1P1B11=∠C1P2C11=φ12/2，所以B1C1=B11C11，B1C1绕极线L12旋转φ12/2可与B11C11重合。
设点B11、C11、B1、C1与极线L12构成的平面分别为M1、N1、M2、N2，则二面角M1-L12-N1与二面角M2-L12-N2相等。
因点B11、C11分别在M、N上，故M1与M重合，N1与N重合。
因M、N分别过轴Y A、Z D，故点A、D分别在M、N上。
由此可得到以下的结论：由极线和连杆销轴中心所构成平面的夹角，与由极线和固定杆销轴中心所构成平面的夹角相等，由极线分别与两连架杆的销轴中心所构成的两个二面角相等。
5.2机动玩具常用机构类型
h
基圆 ：以凸轮最小矢径 r0 为半径所作的圆 r0 →基圆半径 A点→起始、 转动 接触点： A → B 推程、推程角
→ 0 、行程→ h
B → C 远休程、远休
止角→ 01
C → D 回程、 回程角
→ ´0 D → A 近休程、近休止角→ 02
“死点”位置的过渡 “死点”位置的应用
5-1-2.实用示例 颚式碎石机
曲柄AB带动连杆BC和摇杆CD运动,固连在摇杆 上的动颚将矿石压碎。
锁紧夹具
利用连杆2和连架杆3成一线，形成机构死点， 来锁紧工件5。
机车主动轮双曲柄联动机构
为了克服不稳定状态，除了采用惯性飞轮外， 还采用了平行连接副加构件BE。
双摇杆机构
摇杆AB为原动件，通过连杆BC带动从动件CD也作 往复摆动，虚线AB1、AB2为摇杆AB的两极限位置， 也是当摇杆AB为原动件时，机构的两死点位置。
双曲柄机构
当曲柄AB为原动件作匀速回转时，曲柄CD跟随作周期性的匀速圆周回转， 当曲柄从位置AB1转过φ1角到位置AB2时，从动件CD转过180°，当曲柄从位 置AB2转过φ2角到位置AB1时，从动件CD转过180°，因为φ1>φ2 ，即t1>t2, 从动曲柄的角速度不是常数，而是作变角速度回转。
平面机构具有急回特性的条件: (1)原动件等角速整周转动； (2)输出件具有正、反行程的往复运动； (3)极位夹角Ө>0。 应用：节省回程时间，提高生产率
平面连杆机构的死点 对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，在连杆
与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。 机构 的这种位置称为“死点”（机构的死点位置） 在“死点”位置，机构的传动角 γ＝0。 “死点”位置应用： 飞机起落架、钻夹具等 “死点”位置的过渡： 依靠飞轮的惯性（如内燃机、 缝纫机等）、两组机构错开 排列，如火车轮联动机构。
机械原理第10章 空间连杆机构及机器人机构概述
串联机器人机构fig109tandemrobotmechanism串联机器人机构1wristjoint腕关节2elbowjoint肘关节3shoulderjoint肩关节4waistjoint腰关节5base底座102机器人机构概述串联机器人大都是开链机构图109a所示机器人是3个转动副3个构件组成的串联机器人也简称3r串联机器人
(2)空间连杆机构分类 按组成空间连杆机构的运动链是否 封闭，空间连杆机构分为闭链空间连杆机构和开链空间连 杆机构。图10-6a所示RSSR机构中。构件1、2、3、4通过转 动副和球面副连接，形成一个封闭运动链，构件4为机架。 图10-6b所示机构中。构件1、2、3、4、5通过转动副连接， 形成一个不封闭的运动链，构件1为机架，则组成4R型空间 开链机构。该机构是典型的机器人机构。
3.空间连杆机构分类
(1)空间连杆机构表示方法 平面连杆机构名称是按其运动特性确定 的。如曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、双曲柄机构等。空间机构的 名称则用运动副名称表示。第一个字母一般是原动件与机架连接的 运动副的名称，然后按顺序依次排列。图10-5所示飞机起落架机构 可称为SPSR空间连杆机构。
Fig.10-5 Aircraft undercarriage(飞机起落架)
2.并联机器人机构
并联机器人分为平面并联机器人和空间并联机器人。 图10-10a所示为3自由度平面并联机器人，3个连架杆为驱 动件，共同驱动平台1运动。该机器人简称为平面3RRR并 联机器人，在微动机构中有广泛应用。图10-10b为3自由 度空间并联机器人。
Fig.10-10 Parallel robot mec hanisms(并联机器人机构)
10.1 空间连杆机构概述
1.空间连杆机构中的运动副
连杆机构设计
图3—26
44
由力的分解可以看出，沿着速度方向的有效 分力Ft＝Fcosα，垂直 Ft的分力 Fn＝Fsinα， 力 Fn只能使铰链 C、D产生压轴力，希望它 能越小越好，也就是Ft 愈大愈好，这样可使 其传动灵活效率高。总而言之，是希望压力 角α越小越好。
图3—26
2、传动角
图3-26中压力角的余角γ定义为传动角。由上 面分析可知，传动角γ愈大(α愈小)对传动愈有 利。 所以为了保证所设计的机构具有良好的传动性 能，通常应使最小传动角γmin≥400， 在传递力矩较大的情况下，应使γmin≥500。 在具体设计铰链四杆机构时，一定要校验最小 传动角γmin是否满足要求。
8
3-1)用于受力较大的挖掘机，破碎机。
挖掘机
破碎机
9
3-2)用于实现各种不同的运动规律要求。
惯性筛
10
3-3)可以实现给定轨迹要求的 搅拌机机构和步进输送机构
步进输送机构
搅拌机机构
11
但由于平面连杆机构存在一定的缺点， 使得它的应用范围受到一些限制。
例如，为了满足实际生产的要求，需增 加构件和运动副，这样不仅机构复杂， 而且积累误差较大，影响其传动精度； 又如，平面连杆机构惯性力不容易平衡 而不适合于高速传动（高速时易引起较 大的振动和动载荷）。 再有平面连杆机构的设计方法也较复杂， 不易精确地满足各种运动规律和运动轨 迹的要求。
铰链四杆机构可分为以下三种类型
1、曲柄摇杆机构
铰链四杆机构的两连架杆中一个能作整 周转动，另一个只能作往复摆动的机构。
16
2、双曲柄机构
铰链四杆机构的两连架杆均能作整周转 动的机构。
第二章 连杆机构(第二版)
2.2 平面连杆机构的基本结构与分类
一、平面四杆机构的基本结构
由N个构件组成的平面连杆机构称为平面N杆机构。
例如，平面四杆机构、平面六杆机构等等。 平面多杆机构：四杆以上的平面连杆机构。
基本术语：
连架杆：用低副与机架相联接的构件。 曲柄：相对机架作整周回转的连架杆。
连杆
摇杆：相对于机架不能作整周回转的连架杆。
在生产实际中，驱动机械的原动机(电动机、内燃机)一般都是作整 周转动的，要求机构的主动件也能作整周转动，即主动件为曲柄，需要 研究曲柄存在的条件。
影响平面铰链四杆机构中曲柄的因素： 1)构成四杆运动链的各构件长度； 2)运动链中选取的机架与其它构件的相对位置。
铰链四杆机构具有整转副存在的条件
铰链四杆机构具有整转副条件：
3）连杆机构的构件可以做得较长，故可实现较大空间范围的运 动，容易实现力和运动的远距离传递。
4）连杆曲线形状丰富，可以满足多种轨迹要求。
例如：转动、摆动、移动等复杂轨迹运动以及间歇运动等。 搅拌机， 起重机，送进机构
连杆机构缺点：
1）惯性力不易平衡，动载荷大，不适合于高速工作的场合。 2）一般只能近似实现给定运动规律
最长杆 b c C 最短杆
AD70mm
C
整转副 b B a
A
B
a d 曲柄摇杆机构 整转副
c
D
d
D
A
当10AD30和70AD110时，由于不满足杆长条件，机 构无整转副，为双摇杆机构。
三、平面四杆机构的演化
在工程实际中，还常常采用多种不同外形、构造和特性 的四杆机构。这些四杆机构都可以看作是由铰链四杆机构通 过各种方法演化而来，掌握这些演化方法，有利于连杆机构 创新设计。 改变构件形状和运动尺寸的演化方法 变换构件形态方法 改变运动副尺寸的演化方法 选用不同构件为机架的演化方法 低副运动可逆性：以低副相连接的两构件之间的相对运动 关系，不会因取其中哪一个构件为机架而改变的性质。
第三章 连杆机构设计和分析
第三章连杆机构设计和分析本章重点：平面四杆机构设计的几何法、解析法，及平面连杆机构运动分析的几何方法、解析法，机构动态静力分析的特点本章难点：1. 绘制速度多边形和加速度多边形时，不仅要和机构简图中的位置多边形相似，而且字母顺序也必须一致。
2．相对速度和加速度的方向，及角速度和角加速度的转向。
3．用解析法对平面机构进行运动分析，随着计算机的普及，已越来越显得重要，并且将在运动分析中取代图解法而占主要地位。
其中难点在于用什么样的教学工具来建立位移方程，并解此方程。
因为位移方程往往是非线性方程。
基本要求：了解平面连杆机构的基本型式及其演化；对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的概念；能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构。
§3－1 平面四杆机构的特点和基本形式一、平面连杆机构的特点能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，低副不易磨损而又易于加工。
由本身几何形状保持接触。
因此广泛应用于各种机械及仪表中。
不足之处:作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡；较难准确实现任意预期的运动规律，设计方法较复杂。
连杆机构中应用最广泛的是平面四杆机构。
二、平面四杆机构的基本型式三种：曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构三、平面四杆机构的演变1．转动副转化为移动副2．取不同构件为机架：3．变换构件的形态4．扩大转动副尺寸。
§3－2 平面连杆机构设计中的一些共性一、平面四杆机构有曲柄的条件上一节中，已经讲过平面四铰链机构中有三种基本形式：曲柄摇杆机构（一个曲柄）；双曲柄机构（二个曲柄）；双摇杆机构（没有曲柄）。
可见有没有曲柄，有几个曲柄是基本形式的主要特征。
因此，曲柄存在条件在杆机构中具有十分重要的地位。
下面分析曲柄存在条件：在铰链四杆机构中，有四个转动副和四个杆，为什么连架杆能作整周旋转（曲柄），有时就不能作整周旋转（摇杆）呢？这主要是因为四杆的相对杆长能约束连架杆是否能整周旋转或只作摆动的缘故。
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空间连杆机构的应用实例
空间连杆机构是指由多个杆件通过关节连接而成的机构，它可以在空间中实现各种运动和变换。
以下是一些空间连杆机构的应用实例：
1. 工业机器人：工业机器人通常由多个关节和连杆组成，可以在空间中实现灵活的运动和操作。
例如，机械臂可以通过空间连杆机构实现抓取、搬运、装配等操作。
2. 航天器：航天器中的太阳能电池板、天线等部件通常需要通过空间连杆机构进行展开和收拢。
例如，国际空间站的太阳能电池板就是通过空间连杆机构进行展开和收拢的。
3. 汽车悬挂系统：汽车悬挂系统中的弹簧、减震器等部件可以通过空间连杆机构进行连接和调整，以实现车辆的平稳行驶和舒适性。
4. 医疗器械：医疗器械中的手术机器人、假肢等部件通常需要通过空间连杆机构进行设计和控制，以实现精确的手术操作和人体运动补偿。
5. 玩具和娱乐设施：玩具和娱乐设施中的摩天轮、秋千等部件通常需要通过空间连杆机构进行设计和制造，以实现安全、稳定和有趣的运动。
总之，空间连杆机构在工业、航空航天、汽车、医疗、玩具等领域都有广泛的应用，它可以实现各种复杂的运动和操作，提高设备的性能和效率。