連桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)形式多樣，如可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而可用于實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。此外，低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點(diǎn):運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小;制造方便，易獲得較高的精度;兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不象凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。

因此，平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械、儀表和機(jī)電產(chǎn)品中。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是:一般情況下，只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜;當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加;機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。

隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了較大的提高，而且在滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，還可考慮到動(dòng)力學(xué)特性。尤其是微電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，使用范圍更為廣泛。

動(dòng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸一般整周轉(zhuǎn)動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)中被驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)件應(yīng)是繞機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄在形成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈中，a、b、c、d既代表各桿長(zhǎng)度又是各桿的符號(hào)。當(dāng)滿(mǎn)足最短桿和最長(zhǎng)桿之和小于或等于其他兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)，若將最短桿的鄰桿固定其一，則最短桿即為曲柄。

若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則

a、 取最短桿的鄰桿為機(jī)架時(shí)，構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu);

b、 取最短桿為機(jī)架時(shí)，構(gòu)成雙曲柄機(jī)構(gòu);

c、 取最短桿為連桿時(shí)，構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu);

若鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則無(wú)曲柄存在，不論以哪一桿為機(jī)架，只能構(gòu)成雙搖桿機(jī)構(gòu)。

在曲柄等速運(yùn)動(dòng)、從動(dòng)件變速運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)中，要求從動(dòng)件能快速返回，以提高效率。即k稱(chēng)為急回系數(shù)。

如圖2a中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，若不計(jì)運(yùn)動(dòng)副的摩擦力和構(gòu)件的慣性力,則曲柄a通過(guò)連桿b作用于搖桿c上的力P，與其作用點(diǎn)B的速度vB之間的夾角α稱(chēng)為搖桿的壓力角，壓力角越大，P在vB方向的有效分力就越小，傳動(dòng)也越困難,壓力角的余角γ稱(chēng)為傳動(dòng)角。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)限制其最大壓力角或最小傳動(dòng)角。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若以搖桿為主動(dòng)件，則當(dāng)曲柄和連桿處于一直線位置時(shí)，連桿傳給曲柄的力不能產(chǎn)生使曲柄回轉(zhuǎn)的力矩，以致機(jī)構(gòu)不能起動(dòng)，這個(gè)位置稱(chēng)為死點(diǎn)。機(jī)構(gòu)在起動(dòng)時(shí)應(yīng)避開(kāi)死點(diǎn)位置，而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中則常利用慣性來(lái)過(guò)渡死點(diǎn)。

因此，平面連桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械和儀器中獲得廣泛應(yīng)用。連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是:低副中存在間隙，數(shù)目較多的低副會(huì)引起運(yùn)動(dòng)累積誤差;而且它的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不易精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地運(yùn)動(dòng) 規(guī)律。

最簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件組成的，稱(chēng)為平面四桿機(jī)構(gòu)。它的應(yīng)用非常廣泛，而且是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。

由若干個(gè)剛性構(gòu)件通過(guò)低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副))聯(lián)接，且各構(gòu)件上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)平面均相互平行的機(jī)構(gòu)，又稱(chēng)平面低副機(jī)構(gòu)。低副具有壓強(qiáng)小、磨損輕、易于加工和幾何形狀能保證本身封閉等優(yōu)點(diǎn)，故平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛用于各種機(jī)械和儀器中。與高副機(jī)構(gòu)相比，它難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜。

平面連桿機(jī)構(gòu)中最常用的是四桿機(jī)構(gòu)，它的構(gòu)件數(shù)目最少，且能轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。多于四桿的平面連桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)多桿機(jī)構(gòu)，它能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但桿多且穩(wěn)定性差。

根據(jù)構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)或空間運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)可分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)目的多少分為四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)等，一般將五桿及五桿以上的連桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為多桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)的自由度為1時(shí)，稱(chēng)為單自由度連桿機(jī)構(gòu);當(dāng)自由度大于1時(shí)，稱(chēng)為多自由度連桿機(jī)構(gòu)。

根據(jù)形成連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)情_(kāi)鏈還是閉鏈，亦可將相應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)分為開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu)(機(jī)械手通常是運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副的空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu))和閉鏈連桿機(jī)構(gòu)。單閉環(huán)的平面連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)至少為4，因而最簡(jiǎn)單的平面閉鏈連桿機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)，其他多桿閉鏈機(jī)構(gòu)無(wú)非是在其基礎(chǔ)上擴(kuò)充桿組而成;單閉環(huán)的空間連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)至少為3，因而可由三個(gè)構(gòu)件組成空間三桿機(jī)構(gòu)。

低副是面接觸，耐磨損;加上轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的接觸表面是圓柱面和平面，制造簡(jiǎn)便，易于獲得較高的制造精度。因此，平面連桿機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械和儀器中獲得廣泛應(yīng)用。連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是:低副中存在間隙，數(shù)目較多的低副會(huì)引起運(yùn)動(dòng)累積誤差;而且它的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不易精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

最簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)是由四個(gè)構(gòu)件組成的，稱(chēng)為平面四桿機(jī)構(gòu)。它的應(yīng)用非常廣泛，而且是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。

由若干個(gè)剛性構(gòu)件通過(guò)低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副)聯(lián)接，且各構(gòu)件上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)平面均相互 平行的機(jī)構(gòu)(圖1)，又稱(chēng)平面低副機(jī)構(gòu)。低副具有壓強(qiáng)小、磨損輕、易于加工和幾何形狀能保證本身封閉等優(yōu)點(diǎn)，故平面連桿機(jī)構(gòu)廣泛用于各種機(jī)械和儀器中。與高副機(jī)構(gòu)相比，它難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜。

平面連桿機(jī)構(gòu)中最常用的是四桿機(jī)構(gòu)，它的構(gòu)件數(shù)目最少，且能轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。多于四桿的平面連桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)多桿機(jī)構(gòu)，它能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但桿多且穩(wěn)定性差。

空間連桿機(jī)構(gòu)常指單自由度空間閉鏈機(jī)構(gòu),但是隨著工業(yè)機(jī)器人和假肢技術(shù)的發(fā)展,多自由度空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)也有不少用途。單自由度單環(huán)平面連桿機(jī)構(gòu)只含4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,而單自由度單環(huán)空間連桿機(jī)構(gòu)所含轉(zhuǎn)動(dòng)副應(yīng)為7個(gè),此即空間七桿機(jī)構(gòu)?？臻g連桿機(jī)構(gòu)中采用多自由度的運(yùn)動(dòng)副如球面副或圓柱副時(shí)，所含構(gòu)件數(shù)即可減少而形成簡(jiǎn)單穩(wěn)定的空間四桿機(jī)構(gòu)或三桿機(jī)構(gòu)。為了表明空間連桿機(jī)構(gòu)的組成類(lèi)型,常用R、P、C、S、H分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副、球面副、螺旋副。一般空間連桿機(jī)構(gòu)從與機(jī)架相連的運(yùn)動(dòng)副開(kāi)始，依次用其中的一些符號(hào)來(lái)表示。常用空間四桿機(jī)構(gòu)的組成類(lèi)型有RSSR、RRSS、RSSP和RSCS機(jī)構(gòu)這些機(jī)構(gòu)因含有兩個(gè)球面副,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但繞兩球心連線自由轉(zhuǎn)動(dòng)的局部自由度影響高速性能。所有轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線匯交一點(diǎn)的球面四桿機(jī)構(gòu),也是一種應(yīng)用較廣的空間連桿機(jī)構(gòu)，如萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)機(jī)構(gòu)。此外，還有某些特殊空間連桿機(jī)構(gòu)，如貝內(nèi)特機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副軸線夾角和構(gòu)件尺度要求滿(mǎn)足某些特殊關(guān)系。