《机械原理（英汉双语）（第2版）》 课件 第10、11章 空间连杆机构及机器人机构概述、机构系统设计

第10章空间连杆机构及机器人机构概述1.空间连杆机构中的运动副(1)Ⅰ类副图10-1a所示的球放在平面上，形成点接触的高副，仅提供沿二者公法线n—n方向的一个约束。

(2)Ⅱ类副具有2个约束、4个自由度。图10-1b所示的圆柱平面副中，提供沿z轴移动和绕x轴转动的2个约束，用CE表示圆柱平面副。图10-1c所示的球槽副中，提供沿z轴移动和沿x轴移动2个约束，用SG表示球槽副，它们是典型的Ⅱ类副。Ⅱ类副也很少应用。

10.1空间连杆机构概述Fig.10-1Spatialkinematicpairs1(空间运动副1)(3)Ⅲ类副具有3个约束和3个自由度的运动副，图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。图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轴的移动，保留绕3个轴转动的自由度。球面副在空间机构中应用广泛。图10-2b为球面副的代表符号。图10-2c为两平面接触形成的平面副，用E表示，提供了沿z轴移动、绕x、y轴转动的3个约束，应用很少。

Fig.10-2Spatialkinematicpairs2(空间运动副2)(4)Ⅳ类副具有4个约束和2个自由度的运动副。图10-3a所示的球销副中，由于球销的约束，仅保留2个转动自由度。运动副符号如图10-3b所示，名称用S′表示。图10-3c中的圆柱副中,仅保留沿轴线的移动和绕轴线的转动自由度,运动副符号如图10-3d所示，名称用C表示。Ⅳ类运动副在空间机构中应用较广泛。

Fig.10-3Spatialkinematicpairs3(空间运动副3)(5)Ⅴ类副具有5个约束、1个自由度的运动副。图10-4a所示的转动副中，仅有一个绕轴线的转动自由度，运动副代表符号如图10-4b所示，名称用R表示。图10-4c所示移动副中，仅有1个沿导路方向的移动自由度，运动副代表符号如图10-4d所示，名称用P表示。图10-4e所示的螺旋副中，沿轴线的移动和绕轴线的转动线性相关，所以只有1个移动自由度，代表符号如图10-4f所示，名称用H表示。Fig.10-4Spacialkinematicpairs4(空间运动副4)2.空间连杆机构的自由度三维空间中的每个自由构件有6个自由度，n个构件则有6n个自由度。这些构件用运动副连接组成机构后，构件的运动就会受到运动副的约束。n个构件的自由度总数6n减去各运动副的约束总数，就是机构的自由度数。设机构中的Ⅰ类副数目为p1,则其提供的约束为1p1；Ⅱ类副数目为p2个，则其提供的约束为2p2个；Ⅲ类副的数目为p3，则其提供的约束为3p3；Ⅳ类副的数目为p4，则其提供的约束为4p4；Ⅴ类副的数目为p5，则其提供的约束为5p5。则机构自由度为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.10-5Aircraftundercarriage(飞机起落架)(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。Fig.10-6Classificationofspatialmechanisms(空间机构分类)例10-1计算图10-7a所示R3C机构的自由度。Fig.10-7D.O.Fofspatialmechanisms(空间机构的自由度)4.空间连杆机构自由度的计算例10-2计算图10-7b所示RSSR机构的自由度例10-3计算图10-8所示开链机器人机构自由度。Fig.10-8Openlinkrobotmechanism

(开链机器人机构)1.串联机器人机构Fig.10-9Tandemrobotmechanism(串联机器人机构)

1—Wristjoint(腕关节)2—Elbowjoint(肘关节)3—Shoulderjoint(肩关节)

4—Waistjoint(腰关节)5—Base(底座)10.2机器人机构概述串联机器人大都是开链机构，图10-9a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。串联机器人机构可以是平面开链机构，也可以是空间开链机构。串联机器人一般由底座、腰部、大臂、小臂和腕部组成，分别对应腰关节、肩关节、肘关节和腕关节。图10-9b为其机构简图。从串联机器人的结构特点可以看出，其刚度较小，累积运动误差较大，但运动空间很大。2.并联机器人机构Fig.10-10Parallelrobotmechanisms(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。3.机器人应用

机器人是典型的机电一体化产品，应用非常广泛。按用途可分工业机器人、医用机器人、服务机器人、军用机器人和玩具机器人等。工业机器人广泛应用在自动化生产领域；医用机器人也应用在人体的手术中；服务机器人正在走向家庭；军用机器人在作战、排雷和后勤保证中也得到广泛应用；玩具机器人已经普及。未来的机器人将会促进人类社会的快速发展。第11章机构系统设计1.简单机构组成的机构系统

11.1机构系统设计概述使用简单机构进行机械系统运动方案设计时，利用机构的演化与变异原理，可提高机械的力学性能和使用寿命。图11-1a所示的剪床机构中，扩大转动副B和移动副C，得到图11-1b所示的剪床机构，可提高曲柄强度并提高剪刀的力学性能。Fig.11-1Shearingmachine

(剪床机构)2.多个独立工作的简单机构组成的机构系统Fig.11-2Motionharmonizationofmechanism

(机构运动的协调)图11-2所示液压机构系统中，液压缸1和液压缸2是两个独立的简单机构。液压缸1把工件送到位置2，触动液压缸2的开关后，即刻返回原位。液压缸2再把工件送到位置3。两个液压缸的协调运动才能完成即定的工作要求，其运动协调依靠行程开关控制液压换向油路即可实现。3.简单机构连接组成的机构系统

各种简单机构通过连接杆组、串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合，可形成的一系列的复杂机构系统。实际机械中，这类机构系统应用最为广泛。图11-3所示的机构是由带传动机构、蜗杆机构、凸轮机构、铰链四杆机构和正切机构串联组成的，实现零件的自动夹取与送料运动。Fig.11-3Automaticfeedingmachine

(自动送料机)1.机构系统的运动协调Fig.11-4Punchingmechanism

(压力机机构)11.2机构系统的运动协调设计图11-4所示压力机机构简图中，机构ABC为冲压机构，机构FGH为送料机构。要求在冲压结束后，冲压头回升过程中开始送料，到冲压头下降过程的某一时刻完成送料并返回原位。冲压机构与送料机构的动作必须协调。冲压机构ABC的设计可按冲压要求设计，送料机构FGH不但要满足送料位移要求，其尺寸与位置必须满足运动协调的条件。设计时可通过连杆DE连接两个机构。2.运动循环图的设计

图11-5所示的压力机机构的运动循环图中，AB为工作行程，BC为回程，其中GF为冲压过程。送料机构的运动循环图中，EC为开始送料阶段，AD为退出送料阶段。在冲压阶段，送料机构在DE阶段不动，使其运动不发生干涉，其条件必须满足T5＞T2。根据拟定的运动循环图，设计送料机构的尺寸和位置。Fig.11-5Motioncirculationdiagramofapunchingmachine

(压力机机构的运动循环图)3.机构系统设计要点1)按机械功能目标选择各简单机构。

2)拟定运动循环图。

3)进行各简单机构的尺度综合，确定各机构尺寸。

4)确定各机构的连接方法与连接件尺寸。

5)进行计算机仿真，检验运动协调的可靠性。

6)反复进行机构尺寸与位置的修订，直到满意为止。1.连接基本杆组Fig.11-6Connectingbasiclinkgroups(基本杆组)11.3机构系统的组合方法图11-6a所示，Ⅱ级杆组BCD的外接副B、D连接到原动件AB和机架上，组成四杆机构ABCD。再把一个Ⅱ级杆组中的外接副E、F连接到四杆机构ABCD的杆DC和机架上，组成了一个机构系统。以此类推，可设计出更复杂的机构系统。各连接点的位置可通过机构综合方法求取。如果把II级杆组中的外接副B、D连接到两个原动件上，组成了图11-6b所示的2自由度并联机构。2.简单机构串联Fig.11-7Mechanismsintandemconnection1(机构的串联组合1)图11-7a所示齿轮机构的从动轮与连杆机构的主动曲柄刚性连接，形成了齿轮连杆机构组合系统。该系统可降低连杆机构运转速度；图11-7b中，平行四边形机构ABCD的连杆与齿轮机构的内齿轮刚性连接，形成了连杆机构和齿轮机构的组合系统。由于内齿轮z1作平动。当满足O1O2=AB=CD，且互相平行时，该系统的外齿轮z2作大速比减速输出。Fig.11-8Mechanismsintandemconnection2(机构的串联组合2)图11-8a中，摆动导杆机构的输出摆杆与曲柄滑块机构的曲柄连接，可得到滑块的特殊运动规律。图11-8b是齿轮机构与凸轮机构串联而成的机构系统。3.简单机构并联并联组合也是最为常见的机构组合方法。图11-9a为两个并联的导杆机构共同驱动汽车翻斗的示意图；图11-9b为将主轴运动分流到轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的并联齿轮机构示意图。Fig.11-9Mechanismsinparallelconnection1(机构并联组合1)图11-10a所示机构系统为轴向并联布置的内燃机。连杆机构的活塞为主动件，8套呈Ⅴ型布置的曲柄滑块机构共同驱动曲轴转动。实现了动力的合成。图11-10b所示为径向并联布置的内燃机简图。4套曲柄滑块机构共同驱动曲轴转动，实现动力的合成。Fig.11-10Mechanismsinparallelconnection2(机构并联组合2)Fig.11-11Mechanismsinparallel

connection3(机构并联组合3)图11-11所示的机构系统把电动机的运动分解为两路传动，然后再合成一个蜗杆运动，形成并联机构组合系统。这种并联组合系统可提高蜗轮的输出动力。4.简单机构叠加Fig.11-12Mechanismsinsuperposedconnection1(机构叠加组合1)图11-12a所示的液压挖掘机中，转塔1上安装摆杆机构。通过液压缸2、驱动杆3，再驱动大臂4摆动。大臂4上又安装一套同类液压机构，通过液压缸5、杆6驱动小臂7摆动；小臂7上还安装一套液压缸机构，通过铰链机构驱动铲斗工作。图11-12b所示的升降机构中，在一个平行四边形机构上叠加另外一个平行四边形机构，工作平台在升降过程中保持一个稳定姿态。Fig.11-13Mechanismsinsuperposed

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