连杆机构在机械装备中的应用.docx

1、连杆机构在机械装备中的应用摘要：连杆机构是机械设备中常见的一种机构，它往往由若干根杆状机构组成，有时还会用凸轮和滑块来代替其中一部分连杆，因为其制造简便，易于获得较高的制造精度以及其灵活多样的组合方式而广泛应用于机械行业。关键词：连杆机构、工业生产、运动学原理1连杆机构的基本介绍1.1常见的四杆机构连杆机构中最基本的单元被称为运动副1，由四个运动副可以构成最简单的连杆机构，即四杆机构。许多机械设备中的结构都可以看作是由若干个四杆机构组成的，因此，了解四杆机构是了解连杆机构的第一步。四连杆机构一般由四根杆状构件组成，四根杆状机构一般分为曲柄、摇杆、连杆和机架。而根据选取不同的机构作为原动件和从动

2、件时，四杆机构又可以分为双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构（如图1.1）。图1.1 四种常见的连杆机构1.2曲柄滑块机构这些四杆机构的共同特点是将由电机所提供的扭矩，即平面圆周运动转化为平面曲线往复运动，倘若用滑块来代替四杆机构中的摇杆，还能获得平面直线往复运动，这种机构被称之为曲柄滑块机构（如图1.2）图1.2曲柄滑块机构2连杆机构的应用在工程实际中，机械设备不会只是单纯四杆机构，它们往往由很多根杆状构件以及滑轮、滑块等其他非杆状构建组成，但其原理仍然是使原动机运动的运动方式发生改变，以获得人们所期望的运动方式。2.1牛头刨床例如用滑块代替四杆机构中的连杆，可以获得不同于曲柄滑块机构的另一

3、种机构，摆动导杆机构，与曲柄滑块机构不同的是，摆动导杆机构可以在有限的空间内获得更大的行程，牛头刨床正是基于这一原理而被设计出来的2。图2.1牛头刨床工作原理如图2.1为头牛刨床的工作示意图，电动机经过减速器带动导杆机构和凸轮机构完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力为常数；刨刀左行时，即为空回行程，此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，凸轮8通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。牛头刨床的设计充分利用了连杆机

4、构能够改变运动方式的特性，将原动件的回转运动转变为从动件的直线往复运动，即使电动机提供的扭矩转化为刀具的切削力，从而实现对工件进行平面加工的目的。 2.2四冲程单缸汽油发动机而如果将输入与输出的运动方式对调，使主动件是直线反复运动的，则可以输出圆周运动，最简单的四冲程单缸汽油发动机正是运用了这一原理。进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程图2.2单缸汽油发动机工作行程如图2.2，气缸内装有活塞，活塞通过连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门和排气门。 活塞顶离曲轴中心最远处，即活塞最高位置，称为上止点。活塞顶部离曲轴中心最近处，即

5、活塞最低位置，称为下止点。上、下止点间的距离称为活塞行程，曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离称为曲轴半径。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180。对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机，活塞行程等于曲柄半径的两倍。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为发动机的工作容积或发动机排量。 单杠发动机的工作循环包括四个活塞行程，既进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。1） 进气行程化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门打开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，即在气缸内

6、造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。 2） 压缩行程为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程称为压缩行程。 压缩终了时，活塞到达上止点，活塞上方形成很小空间，称为燃烧室。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以表示。压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率愈大，经济性愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃

7、烧情况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象3。 3）作功行程 在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约为3-5Mpa，相应的温度则为 2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。 3） 排气行程 可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。 当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，

8、活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞作为原动件在上、下止点间做直线往复运动，相应地，曲轴作为从动件做圆周运动。2.3连杆机构在工业机器人中的应用机器人在结构上可抽象为一个由一系列连杆通过旋转关节和移动关节串联而成的，具有多个自由度的空间开式链，开链的一端固定连接在机座上，另一端是末端执行器，用以在空间抓放物体或进行其它操作。机器人通过各个关节的运动，来实现其末端执行器的以要求的姿态完成所要求的运动。图2.3所示为一台工业生产中常用的六自由度弧焊

9、机器人，该机器人由6个连杆和6个转动关节组成。具体关节结构由回转主体（腰关节）、大臂（肩关节）、小臂（肘关节）、腕部（腕关节）等几个部分组成。机器人主体的回转角度1由固定底座和腰关节控制，驱动电机1安装在腰关节的轴中心，驱动腰关节的回转。电机2安装在大臂与小臂的关节连接处，驱动小臂上下俯仰角2。机器人的腕部位于小臂臂体前端，安装在小臂臂体上的电机3驱动整个腕部上下俯仰角图2.3六自由度弧焊机器人3。腕部的3个自由度由安装在腕部后端的3个电机，通过传动杆驱动腕部齿轮系实现，安装在腕部后端的3个电机保证机器人末端重量尽可能的轻，以满足机器人的配重法则4。机器人结构具体可分为以下几个部分：1） 机座

10、这是机器人的基础部分，起支撑作用，直接固定在地面上。2）机器人的手臂部分手臂是连接机座和手腕的部分，主要用于改变末端操作器的空间位置，使机械手在操作空间中运动，并将各种载荷传递到机座。手臂的运动由三个相互垂直的转动运动复合而成，三个关节的运动是相互独立的，没有耦合，不影响末端操作器的姿态，运动简单，不产生奇异状态。3）机器人的手腕部分手腕是连接末端操作器和手臂的部分，主要作用是改变末端操作器的空间方向和将作业载荷传递到手臂。手腕是由三个轴线垂直相交的转动关节组成，在理论上可以实现末端操作器任意方向的定位。4）末端执行器 弧焊机器人的末端执行器为焊枪。 与之前介绍的牛头刨床、单缸汽油发动机所不同

11、的是工业机器人是一个多自由度的连杆设备，它有多个电机作为原动件来驱动，因此其运动方式也不再是单一的往复运动了，而是更加灵活而复杂的空间运动，所以才能够应对工业生产中对不同产品的复杂要求。3小结连杆机构构件运动形式多样，可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，平面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。而平面连杆机构的

12、缺点是：一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合5。随着连杆机构设计方法的发展，电子计算机的普及应用以及有关设计软件的开发，连杆机构的设计速度和设计精度有了较大的提高，而且在满足运动学要求的同时，还可考虑到动力学特性。尤其是微电子技术及自动控制技术的引入，多自由度连杆机构的采用，使连杆机构的结构和设计大为简化，使用范围更为广泛。参考文献1 申永胜.机械原理（第三版） 清华大学出版社 20152 黎新, 王国彪.牛头刨床的遗传优化设计J 机床与液压 2006（10）40-423 高寒，姜晓.发动机原理 北京交通大学出版社 20074 杨国良.工业机器人动力学仿真及有限元分析 华中科技大学 机械电子工程2007 硕士学位论文5 姜楠.新型曲柄连杆机构的设计研究 大连理工大学 动力工程 2014 硕士学位论文