連桿機構(gòu)在機械裝備中的應(yīng)用

1、 研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報告）科 目：機電系統(tǒng)設(shè)計與分析 教 師： 江桂云 姓 名： 沈振宇 學(xué) 號： 20160713146 專 業(yè)： 機械工程領(lǐng)域 類 別： 課程論文 上課時間： 2016年9月至2016年11月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷教師 (簽名) 重慶大學(xué)研究生院制連桿機構(gòu)在機械裝備中的應(yīng)用摘要：連桿機構(gòu)是機械設(shè)備中常見的一種機構(gòu)，它往往由若干根桿狀機構(gòu)組成，有時還會用凸輪和滑塊來代替其中一部分連桿，因為其制造簡便，易于獲得較高的制造精度以及其靈活多樣的組合方式而廣泛應(yīng)用于機械行業(yè)。關(guān)鍵詞：連桿機構(gòu)、工業(yè)生產(chǎn)、運動學(xué)原理1連桿機構(gòu)的基本介紹1

2、.1常見的四桿機構(gòu)連桿機構(gòu)中最基本的單元被稱為運動副1，由四個運動副可以構(gòu)成最簡單的連桿機構(gòu)，即四桿機構(gòu)。許多機械設(shè)備中的結(jié)構(gòu)都可以看作是由若干個四桿機構(gòu)組成的，因此，了解四桿機構(gòu)是了解連桿機構(gòu)的第一步。四連桿機構(gòu)一般由四根桿狀構(gòu)件組成，四根桿狀機構(gòu)一般分為曲柄、搖桿、連桿和機架。而根據(jù)選取不同的機構(gòu)作為原動件和從動件時，四桿機構(gòu)又可以分為雙曲柄機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)（如圖1.1）。圖1.1 四種常見的連桿機構(gòu)1.2曲柄滑塊機構(gòu)這些四桿機構(gòu)的共同特點是將由電機所提供的扭矩，即平面圓周運動轉(zhuǎn)化為平面曲線往復(fù)運動，倘若用滑塊來代替四桿機構(gòu)中的搖桿，還能獲得平面直線往復(fù)運動，這種機構(gòu)被稱之為

3、曲柄滑塊機構(gòu)（如圖1.2）圖1.2曲柄滑塊機構(gòu)2連桿機構(gòu)的應(yīng)用在工程實際中，機械設(shè)備不會只是單純四桿機構(gòu)，它們往往由很多根桿狀構(gòu)件以及滑輪、滑塊等其他非桿狀構(gòu)建組成，但其原理仍然是使原動機運動的運動方式發(fā)生改變，以獲得人們所期望的運動方式。2.1牛頭刨床例如用滑塊代替四桿機構(gòu)中的連桿，可以獲得不同于曲柄滑塊機構(gòu)的另一種機構(gòu)，擺動導(dǎo)桿機構(gòu)，與曲柄滑塊機構(gòu)不同的是，擺動導(dǎo)桿機構(gòu)可以在有限的空間內(nèi)獲得更大的行程，牛頭刨床正是基于這一原理而被設(shè)計出來的2。圖2.1牛頭刨床工作原理如圖2.1為頭牛刨床的工作示意圖，電動機經(jīng)過減速器帶動導(dǎo)桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)完成刨刀的往復(fù)運動和間歇移動。刨床工作時，刨頭6由曲

4、柄2帶動右行，刨刀進行切削，稱為工作行程。在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距離，工作阻力為常數(shù)；刨刀左行時，即為空回行程，此行程無工作阻力。在刨刀空回行程時，凸輪8通過四桿機構(gòu)帶動棘輪機構(gòu)，棘輪機構(gòu)帶動螺旋機構(gòu)使工作臺連同工件在垂直紙面方向上做一次進給運動，以便刨刀繼續(xù)切削。牛頭刨床的設(shè)計充分利用了連桿機構(gòu)能夠改變運動方式的特性，將原動件的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹闹本€往復(fù)運動，即使電動機提供的扭矩轉(zhuǎn)化為刀具的切削力，從而實現(xiàn)對工件進行平面加工的目的。 2.2四沖程單缸汽油發(fā)動機而如果將輸入與輸出的運動方式對調(diào)，使主動件是直線反復(fù)運動的，則可以輸出圓周運動，最簡單的四沖程單缸汽油發(fā)動機

5、正是運用了這一原理。進氣行程 壓縮行程 作功行程 排氣行程圖2.2單缸汽油發(fā)動機工作行程如圖2.2，氣缸內(nèi)裝有活塞，活塞通過連桿與曲軸相連接?；钊跉飧變?nèi)做往復(fù)運動，通過連桿推動曲軸轉(zhuǎn)動。為了吸入新鮮氣體和排出廢氣，設(shè)有進氣門和排氣門。 活塞頂離曲軸中心最遠處，即活塞最高位置，稱為上止點。活塞頂部離曲軸中心最近處，即活塞最低位置，稱為下止點。上、下止點間的距離稱為活塞行程，曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的距離稱為曲軸半徑。活塞每走一個行程相應(yīng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°。對于氣缸中心線通過曲軸中心線的發(fā)動機，活塞行程等于曲柄半徑的兩倍?；钊麖纳现裹c到下止點所掃過的容積稱為發(fā)動機的工作容積或

6、發(fā)動機排量。 單杠發(fā)動機的工作循環(huán)包括四個活塞行程，既進氣行程、壓縮行程、膨脹行程（作功行程）和排氣行程。1） 進氣行程化油器式汽油機將空氣與燃料先在氣缸外部的化油器中進行混合，然后再吸入氣缸。進氣行程中，進氣門打開，排氣門關(guān)閉。隨著活塞從上止點向下止點移動，活塞上方的氣缸容積增大，從而氣缸內(nèi)的壓力降低到大氣壓力以下，即在氣缸內(nèi)造成真空吸力。這樣，可燃混合氣便經(jīng)進氣管道和進氣門被吸入氣缸。 2） 壓縮行程為使吸入氣缸內(nèi)可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動機發(fā)出較大功率，必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小、密度加大、溫度升高，即需要有壓縮過程。在這個過程中，進、排氣門全部關(guān)

7、閉，曲軸推動活塞由下止點向上止點移動一個行程稱為壓縮行程。 壓縮終了時，活塞到達上止點，活塞上方形成很小空間，稱為燃燒室。壓縮前氣缸中氣體的最大容積與壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比，以表示。壓縮比愈大，在壓縮終了時混合氣的壓力和溫度便愈高，燃燒速度也愈快，因而發(fā)動機發(fā)出的功率愈大，經(jīng)濟性愈好。但壓縮比過大時，不僅不能進一步改善燃燒情況，反而會出現(xiàn)爆燃和表面點火等不正常燃燒現(xiàn)象3。 3）作功行程 在這個行程中，進、排氣門仍舊關(guān)閉。當(dāng)活塞接近上止點時，裝在氣缸蓋上的火花塞即發(fā)出電火花，點燃被壓縮的可燃混合氣。可燃混合氣被燃燒后，放出大量的熱能，因此，燃氣的壓力和溫度迅速增加，所能達到的最高壓力約為

8、3-5Mpa，相應(yīng)的溫度則為 2200-2800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，通過連桿使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出機械能，除了用于維持發(fā)動機本身繼續(xù)運轉(zhuǎn)而外，其余即用于對外作功。 3） 排氣行程 可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進行下一個進氣行程。 當(dāng)膨脹接近終了時，排氣門開啟，靠廢氣的壓力進行自由排氣，活塞到達下止點后再向上止點移動時，繼續(xù)將廢氣強制排到大氣中?；钊缴现裹c附近時，排氣行程結(jié)束。綜上所述，四沖程汽油發(fā)動機經(jīng)過進氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個行程，完成一個工作循環(huán)。這期間活塞作為原動件在上、下止點間做直線往復(fù)運動，相應(yīng)地，曲軸作為從動件做圓周運動。2.3連

9、桿機構(gòu)在工業(yè)機器人中的應(yīng)用機器人在結(jié)構(gòu)上可抽象為一個由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的，具有多個自由度的空間開式鏈，開鏈的一端固定連接在機座上，另一端是末端執(zhí)行器，用以在空間抓放物體或進行其它操作。機器人通過各個關(guān)節(jié)的運動，來實現(xiàn)其末端執(zhí)行器的以要求的姿態(tài)完成所要求的運動。圖2.3所示為一臺工業(yè)生產(chǎn)中常用的六自由度弧焊機器人，該機器人由6個連桿和6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成。具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)主體（腰關(guān)節(jié)）、大臂（肩關(guān)節(jié)）、小臂（肘關(guān)節(jié)）、腕部（腕關(guān)節(jié)）等幾個部分組成。機器人主體的回轉(zhuǎn)角度1由固定底座和腰關(guān)節(jié)控制，驅(qū)動電機1安裝在腰關(guān)節(jié)的軸中心，驅(qū)動腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)。電機2安裝在大臂與小臂的關(guān)節(jié)連接

10、處，驅(qū)動小臂上下俯仰角2。機器人的腕部位于小臂臂體前端，安裝在小臂臂體上的電機3驅(qū)動整個腕部上下俯仰角圖2.3六自由度弧焊機器人3。腕部的3個自由度由安裝在腕部后端的3個電機，通過傳動桿驅(qū)動腕部齒輪系實現(xiàn)，安裝在腕部后端的3個電機保證機器人末端重量盡可能的輕，以滿足機器人的配重法則4。機器人結(jié)構(gòu)具體可分為以下幾個部分：1） 機座這是機器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，直接固定在地面上。2）機器人的手臂部分手臂是連接機座和手腕的部分，主要用于改變末端操作器的空間位置，使機械手在操作空間中運動，并將各種載荷傳遞到機座。手臂的運動由三個相互垂直的轉(zhuǎn)動運動復(fù)合而成，三個關(guān)節(jié)的運動是相互獨立的，沒有耦合，不影

11、響末端操作器的姿態(tài)，運動簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)。3）機器人的手腕部分手腕是連接末端操作器和手臂的部分，主要作用是改變末端操作器的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂。手腕是由三個軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成，在理論上可以實現(xiàn)末端操作器任意方向的定位。4）末端執(zhí)行器 弧焊機器人的末端執(zhí)行器為焊槍。 與之前介紹的牛頭刨床、單缸汽油發(fā)動機所不同的是工業(yè)機器人是一個多自由度的連桿設(shè)備，它有多個電機作為原動件來驅(qū)動，因此其運動方式也不再是單一的往復(fù)運動了，而是更加靈活而復(fù)雜的空間運動，所以才能夠應(yīng)對工業(yè)生產(chǎn)中對不同產(chǎn)品的復(fù)雜要求。3小結(jié)連桿機構(gòu)構(gòu)件運動形式多樣，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動、擺動、移動和平面或空間復(fù)雜運動，從而可用

12、于實現(xiàn)已知運動規(guī)律和已知軌跡。此外，低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機構(gòu)具有以下一些優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減??；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維系的，它不象凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。因此，平面連桿機構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種機械、儀表和機電產(chǎn)品中。而平面連桿機構(gòu)的缺點是：一般情況下，只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往較多，這樣就使機構(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，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中作復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合5。隨著連桿機構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展，電子計算機的普及應(yīng)用以及有關(guān)設(shè)計軟件的開發(fā)，連桿機構(gòu)的設(shè)計速度和設(shè)計精度有了較大的提高，而且在滿足運動學(xué)要求的同時，還可考慮到動力學(xué)特性。尤其是微電子技術(shù)及自動控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機構(gòu)的采用，使連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計大為簡化，使