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1、平面连杆机构的运动分析和设计平面连杆机构的运动分析和设计&2 2、连杆机构的特点、连杆机构的特点F优点优点 连杆机构为连杆机构为低副机构低副机构，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；，运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击；运动副元素的几何形状多为运动副元素的几何形状多为平面或圆柱面平面或圆柱面，便于加工制造；，便于加工制造；在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；在原动件运动规律不变情况下，通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；连杆曲线连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求；可以满足不同运动轨迹的设计要求；F缺点缺点
2、由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；由于运动积累误差较大，因而影响传动精度；由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；由于惯性力不好平衡而不适于高速传动；设计方法比较复杂。设计方法比较复杂。第1页/共57页&3 3、平面连杆机构的三大功能、平面连杆机构的三大功能在运动学方面，可以实现以下三大功能：在运动学方面，可以实现以下三大功能：v 刚体导引刚体导引v 轨迹生成轨迹生成v 函数发生函数发生 1轨迹生成轨迹生成：就是用连杆机构产生一个设计要求的就是用连杆机构产生一个设计要求的连杆曲线连杆曲线。1刚体导引刚体导引：用连杆机构用连杆机构引导刚体引导刚体实现一系列设计要求的平面位置。实现一系列设计要求
3、的平面位置。(既要绕参考点转动、又要随参考点平动的平面运动）。通常用连杆来实现设计要求的刚体位置。既要绕参考点转动、又要随参考点平动的平面运动）。通常用连杆来实现设计要求的刚体位置。1函数发生函数发生：就是实现机构的输入运动变量和输出运动变量之间的就是实现机构的输入运动变量和输出运动变量之间的某种函数关系某种函数关系。第2页/共57页刚体导引实例刚体导引实例1 1动画链接第3页/共57页刚体导引实例刚体导引实例2 21铲斗作平面一般运动，有三个自由度。三个输入运动分别是三个液压油缸提供铲斗作平面一般运动，有三个自由度。三个输入运动分别是三个液压油缸提供动画链接第4页/共57页刚体导引实例刚体导
4、引实例3 3第5页/共57页第6页/共57页.补充：连杆曲线补充：连杆曲线动画链接第7页/共57页轨迹生成实例轨迹生成实例1 1连杆.轨迹生成轨迹生成就是用连杆机构产生一个设计要求的连杆曲线。就是用连杆机构产生一个设计要求的连杆曲线。动画链接第8页/共57页轨迹生成实例轨迹生成实例2 2动画链接第9页/共57页轨迹生成实例轨迹生成实例3 3动画链接第10页/共57页函数发生实例函数发生实例1 1.函数发函数发生生就是实现机构的就是实现机构的输入运动输入运动变量和变量和输出运动输出运动变量之间的某种变量之间的某种函数关系函数关系 动画链接第11页/共57页函数发生实例函数发生实例2 2.ABC第
5、12页/共57页5.2 平面连杆机构的基本特征ABCD连架杆连架杆连架杆连架杆连杆连杆v 曲曲 柄柄v 摇摇 杆杆v 周转副周转副v 摆转副摆转副第13页/共57页5.2.1 5.2.1 曲柄存在的条件曲柄存在的条件&1.1.铰链四杆机构曲柄存在的条件铰链四杆机构曲柄存在的条件构件构件ABAB要为曲柄，则转动副要为曲柄，则转动副A A应为周转副；应为周转副；为此为此ABAB杆应能占据整周中的任何位置；杆应能占据整周中的任何位置；因此因此ABAB杆应能占据与杆应能占据与ADAD共线的位置共线的位置ABAB及及ABAB。由由DB C由由 DBC两两相加两两相加 a a最短最短最短杆与最长杆之和小于
6、等于其它两杆长度之和最短杆与最长杆之和小于等于其它两杆长度之和动画演示第14页/共57页.补充：补充：GrashofGrashof曲柄存在条件曲柄存在条件 L Lminmin +L+Lmaxmax P P Q Q则则最短杆最短杆两端的转动副均为两端的转动副均为周周转副转副；其余转动副为；其余转动副为摆转副摆转副。其中其中 L Lminmin ：最短杆长度：最短杆长度L Lmaxmax ：最长杆长度：最长杆长度P P，Q Q：其余两杆的长度其余两杆的长度GrashofGrashof机构机构：满足条件满足条件 L Lminmin+L Lmaxmax P Q的机构。的机构。第15页/共57页平面四杆
7、机构存在曲柄的条件平面四杆机构存在曲柄的条件 L Lminmin +L+Lmaxmax P P Q Q 最短杆为机架或连架杆最短杆为机架或连架杆动画链接1动画链接2第16页/共57页(示例：曲柄摇杆机构 运动演示运动演示第17页/共57页(示例：双曲柄机构示例：双曲柄机构惯性筛机构 第18页/共57页(示例：双摇杆机构示例：双摇杆机构动画演示动画演示第19页/共57页.特殊机构特殊机构不定点机构不定点机构动画链接1动画链接2克服运动不确定性的措施克服运动不确定性的措施第20页/共57页双曲柄双曲柄四杆机构四杆机构最短杆为机架最短杆为机架曲柄摇杆曲柄摇杆四杆机构四杆机构最短杆最短杆为为连架杆连架
8、杆双摇杆双摇杆四杆机构四杆机构最短杆最短杆为为连杆连杆Grashof机构机构 L Lminmin+L Lmaxmax P Q四杆机构四杆机构双摇杆双摇杆四杆机构四杆机构任意杆为机架任意杆为机架四杆机构小节四杆机构小节第21页/共57页&2.2.铰链五杆机构曲柄存在的条件铰链五杆机构曲柄存在的条件将机构各构件的杆长将机构各构件的杆长从小到大进行排列为从小到大进行排列为为最短杆长；为最短杆长；为次短杆长；为次短杆长；为最长杆长。为最长杆长。铰链五杆机构曲柄存在条件：铰链五杆机构曲柄存在条件：最短杆或次短杆为机架或连架杆。最短杆或次短杆为机架或连架杆。第22页/共57页5.2.2 5.2.2 摇杆的
9、极限位置和机构的摇杆的极限位置和机构的急回运动特征急回运动特征&1.1.摇杆的极限位置及其摆角摇杆的极限位置及其摆角动画链接第23页/共57页讨论：机构的初始装配状态与可行域讨论：机构的初始装配状态与可行域在机构的运动过程中是不会发生变化的原因在机构的运动过程中是不会发生变化的原因第24页/共57页当当曲柄等速回转曲柄等速回转的情况下，通常把的情况下，通常把从动件往复运动速度快慢不同从动件往复运动速度快慢不同的运的运动称为动称为急回运动急回运动。DabdccabA主动件主动件a a时间时间：转角转角：运动运动：从动件从动件c c时间时间：转角转角：运动运动：从动件从动件c c的平均角速度：的平
10、均角速度：11急回运动急回运动急回运动急回运动第25页/共57页通常把从动件往复运动平均速度的比值通常把从动件往复运动平均速度的比值(大于大于1)1)称为称为行程速比系数行程速比系数，用，用K K表示。表示。1行程速比系数行程速比系数K K牛头刨床牛头刨床第26页/共57页曲柄滑块机构分析曲柄滑块机构分析对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构第27页/共57页(平面连杆机构有无急回作用取决于有无极位夹角。1 若0，该机构必定有急回特征1 若0，该机构必定无急回特征 关于关于K K和和的讨论的讨论第28页/共57页思考一下思考一下 将两个不具有急回特征的机构将两个不具有急回特征的机构组合在一起，组合起
11、来的机构组合在一起，组合起来的机构会具有急回特征么？会具有急回特征么？转动导杆第29页/共57页5.3 连杆机构的演化.铰链四杆机构铰链四杆机构是单自由度连杆机构的最是单自由度连杆机构的最基本形式；基本形式；.各种各种单自由度多杆机构单自由度多杆机构通常是在四杆机通常是在四杆机构的基础上加若干个基本杆组而得到的；构的基础上加若干个基本杆组而得到的；.而而四杆机构的其他形式四杆机构的其他形式，如带有一个移，如带有一个移动副的四杆机构和带有两个移动副的四杆动副的四杆机构和带有两个移动副的四杆机构，是由铰链四杆机构通过一些演化方机构，是由铰链四杆机构通过一些演化方法得到的。法得到的。第30页/共57
12、页&1.1.改变构件的形状和运动尺寸改变构件的形状和运动尺寸变摇杆为滑块变摇杆为滑块摇杆尺寸为无穷大摇杆尺寸为无穷大曲线导轨曲柄滑块机构曲线导轨曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构e=0动画链接第31页/共57页&2.2.取不同的构件为机架取不同的构件为机架BA1234C(a)曲柄滑块机构曲柄滑块机构(b)曲柄转动导杆机构曲柄转动导杆机构BA1234C(c)曲柄摇块机构曲柄摇块机构A1234CB(d)曲柄摆动导杆机构曲柄摆动导杆机构3A124CB(e)定块机构定块机构A234CB1说明：说明：组成移动副的两活动构件，画成杆状的构件
13、称为组成移动副的两活动构件，画成杆状的构件称为导杆导杆，画成块状的构件称为，画成块状的构件称为导块导块。动画链接1、2、3、4第32页/共57页&3.3.扩大转动副扩大转动副 当一个构件上当一个构件上两个转动副之间的距离比较两个转动副之间的距离比较小小的时候，人们通常会采用的时候，人们通常会采用扩大转动副扩大转动副的方法，的方法，以以增大构件的强度和刚度增大构件的强度和刚度 。动画链接1、2第33页/共57页&4.4.运动副元素的逆换运动副元素的逆换 对于移动副，将运动副两元素的包容关系进对于移动副，将运动副两元素的包容关系进行逆换，行逆换，并不影响两构件之间的相对运动并不影响两构件之间的相对
14、运动。摆动导杆机构摆动导杆机构构件构件2包容构件包容构件3构件构件3包容构件包容构件2曲柄摇块机构曲柄摇块机构 改变形成运动副元素的改变形成运动副元素的包容关系包容关系的演化方法，的演化方法，称为称为运动副元素的逆换运动副元素的逆换。动画第34页/共57页小小 结结.铰链四杆机构可以通过改变构件的形状和长度，扩大转动副，选取不同的构件作为机架等途径，演变成为其它类型的四杆机构，以满足各种工作需要。v 移动副与转动副之间的关系v 机构运动学上的等效v 相对运动原理的应用第35页/共57页5.4 5.4 平面连杆机构运动分析的解析法平面连杆机构运动分析的解析法(两种方法两种方法：v 解析法解析法：
15、利用计算机进行机构分析：利用计算机进行机构分析v 图解法图解法：利用作图对机构进行运动分析：利用作图对机构进行运动分析(分析目的：分析目的：求位置、速度和加速度求位置、速度和加速度(解析法的关键之处：解析法的关键之处：v 方程建立方程建立v 方程求解方程求解v 编计算机程序编计算机程序 第36页/共57页5.4.1 5.4.1 方程组的求解方法（知识回顾）方程组的求解方法（知识回顾）在机构运动分析和设计中，所求解在机构运动分析和设计中，所求解的方程通常是代数方程组，方程组的方程通常是代数方程组，方程组类型：类型：v 线性方程组线性方程组v 非线性方程组非线性方程组第37页/共57页&1.1.线
16、性方程组及其求解方法线性方程组及其求解方法 则方程组的解为则方程组的解为 （5-65-6）线性方程组可以写成线性方程组可以写成 （5-55-5）其中其中 为待求变量。为待求变量。方程组可以简写为方程组可以简写为（5-55-5）第38页/共57页&2.2.非线性方程组及其求解非线性方程组及其求解可以简写为可以简写为 （5-75-7）其中其中n n个个变变量量n n个个方方程程的的非非线线性性方方程程组组的的一一 般形式为：般形式为：（5-75-7）第39页/共57页牛顿迭代法牛顿迭代法的基本思路：设方程组（的基本思路：设方程组（5-75-7）的解为）的解为 ，则构造一个序列则构造一个序列 来逼近
17、来逼近 。（5-85-8）其中其中 为方程组（为方程组（5-75-7）在迭代点）在迭代点 的的JacobianJacobian矩阵，矩阵，即即延伸：非线性方程组的求解延伸：非线性方程组的求解第40页/共57页5.4.2 5.4.2 平面连杆机构正运动学分析平面连杆机构正运动学分析 的直角坐标法的直角坐标法P79P79(机构的正运动学分析：机构的正运动学分析：已知机构的各个构件的杆长、已知机构的各个构件的杆长、原动件原动件的位置、的位置、速度和加速度的条件下，确定机构中从动速度和加速度的条件下，确定机构中从动件的位置、速度和加速度。件的位置、速度和加速度。(机构的逆运动学分析：机构的逆运动学分析
18、：已知机构的各个构件的杆长、机构运动已知机构的各个构件的杆长、机构运动输出构输出构件件的位置的条件下，确定机构中在各个的位置的条件下，确定机构中在各个运动副处构件之间的相对位置。运动副处构件之间的相对位置。第41页/共57页.直角坐标法直角坐标法一般是先求解运动构件上一些一般是先求解运动构件上一些点点位置、速度和加速度，然后求解构件的角位置、角速度和角加速度位置、速度和加速度，然后求解构件的角位置、角速度和角加速度 点运动参数点运动参数 求角运动参数求角运动参数.矢量法矢量法是先求解运动构件的是先求解运动构件的角角位置、角速度和角加速度，然后再求解该构件上点的运动；位置、角速度和角加速度，然后
19、再求解该构件上点的运动；角运动参数角运动参数 求点运动参数求点运动参数1正运动学分析的直角坐标法正运动学分析的直角坐标法解析法：解析法：v 封闭矢量多边形法封闭矢量多边形法v 混合法混合法v直角坐标直角坐标解析解析法法.混合法混合法是将矢量法和直角坐标法结合在一起的方法是将矢量法和直角坐标法结合在一起的方法 第42页/共57页1直角坐标法的基本原理直角坐标法的基本原理确定构件位置的一般表示方法：确定构件位置的一般表示方法：1.用构件上一个点用构件上一个点 J(xJ，yJ)2.通过点通过点J的一条标线与坐标轴的夹角的一条标线与坐标轴的夹角XY1.用构件上一个点用构件上一个点 J(xJ，yJ)2.
20、另一个不重合点另一个不重合点 K(xK，yK)XY 用点、角表示用点、角表示用点表示用点表示第43页/共57页已知如图所示已知如图所示机构的机构的结构尺寸结构尺寸、固定铰链固定铰链点的位置点的位置和和原动件的原动件的运动运动。试分别以构件。试分别以构件CDCD和构件和构件ABAB为原动件，为原动件，确定机构中所有从动确定机构中所有从动构件的运动。构件的运动。2例例 5-35-3，P79P79第44页/共57页&1.1.构件构件CDCD为原动件为原动件 解答：解答：v首先建立直角坐标系。首先建立直角坐标系。固定铰链点：固定铰链点：D(0，0)，E(xE，yE)，A(xA，yA)v机构为机构为级机
21、构级机构 F点点C C的运动的运动 （6-96-9）对该式求导，可求得对该式求导，可求得C C点的速度、加速度！点的速度、加速度！第45页/共57页根据题意：已知根据题意：已知 、将式（将式（5-95-9）对时间）对时间t t分别作一次、二次分别作一次、二次求导，得点求导，得点C C的速度和加速度方程如下：的速度和加速度方程如下：(a)(b)（5-105-10）(a)(b)（5-11)5-11)第46页/共57页分析分析：.求求B B点或构件点或构件3 3：确定出从动构件确定出从动构件3 3上点上点C C的运动之后，必须再确定构件的运动之后，必须再确定构件3 3上另外一个点才能确定出构件上另外
22、一个点才能确定出构件3 3的运动。构件的运动。构件3 3上的点上的点B B和点和点F F都可以作为下一步要求解的点。但是，确定点都可以作为下一步要求解的点。但是，确定点B B或或F F的位置都必须联立三个或三个以上的方程才能求解。的位置都必须联立三个或三个以上的方程才能求解。求求B B点或构件点或构件3 3求求F F点或构件点或构件2 2?.求求F F点或构件点或构件2 2：如果现在转而分析构件如果现在转而分析构件2 2上的点上的点F F情况就不同了。构件情况就不同了。构件2 2上点上点F F受到两个运动约束：受到两个运动约束：1 1）直线直线CFCF垂直于直线垂直于直线FEFE；2 2）点点
23、F F到点到点E E的距离保持不变，且为已知的机构结构参数。的距离保持不变，且为已知的机构结构参数。结论：求结论：求F F点点第47页/共57页F求求F F点运动点运动 v直线直线CFCF垂直于直线垂直于直线FEFEv点点F F到点到点E E的距离保持的距离保持 不变不变(5-12)(5-12)对该式求导，可求得对该式求导，可求得F F点的速度、加速度！点的速度、加速度！两个未知数、两个方程，可以求解！两个未知数、两个方程，可以求解！第48页/共57页F求求B B点运动点运动 v B B、F F、C C共线共线v 点点B B、C C之间的距离之间的距离 保持不变保持不变(5-16)(5-16)
24、对该式求导，可求得对该式求导，可求得B B点的速度、加速度！点的速度、加速度！两个未知数、两个方程，可以求解！两个未知数、两个方程，可以求解！第49页/共57页（5-225-22）&2.2.以构件以构件ABAB为原动件为原动件 机构为机构为级机构级机构 v杆长约束：杆长约束：ABAB、BCBC、DCDC、EFEF长度长度v转角约束转角约束:点点B B、F F、C C共线共线v垂直约束垂直约束:直线直线BFBF、EFEF方程数方程数=变量数变量数第50页/共57页5.4.3 5.4.3 平面连杆机构的逆运动学分析平面连杆机构的逆运动学分析 机构的逆运动学分析是在已知机构的逆运动学分析是在已知机构
25、的各个机构的各个构件的杆长构件的杆长、机构运动输出构件位置机构运动输出构件位置的条件下，的条件下，确定机构中在各个运动副处构件之间的相对位确定机构中在各个运动副处构件之间的相对位置置。逆运动学分析的具体内容是：逆运动学分析的具体内容是：.确定机构的工作空间确定机构的工作空间 工作空间是机构运动输出构件或点可以到达的工作空间是机构运动输出构件或点可以到达的物理空间的容积物理空间的容积。只有当运动输出构件或点在其工作空间之内的时候，逆运动学分析才能有解；。只有当运动输出构件或点在其工作空间之内的时候，逆运动学分析才能有解；第51页/共57页.确定解的个数确定解的个数 一般来说，逆运动学分析的解一般
26、来说，逆运动学分析的解不是惟一的不是惟一的，解的个数与机构的结构、运动尺寸等因素有关。然而，机构只能有一种位置形态，也就是只能取其中的一个解。至于解的取舍问题，可以按照有利于机构的运动控制或机构不与其他物体发生碰撞干涉等原则确定；，解的个数与机构的结构、运动尺寸等因素有关。然而，机构只能有一种位置形态，也就是只能取其中的一个解。至于解的取舍问题，可以按照有利于机构的运动控制或机构不与其他物体发生碰撞干涉等原则确定；.确定解的解法确定解的解法 逆运动学分析问题通常是逆运动学分析问题通常是非线性的非线性的，如果采用数值迭代法，如牛顿迭代法，一方面，不易求出所有的解，另一方面，求解过程可能要用很长的
27、时间，不能满足对机构进行实时控制的要求。所以，应该寻求，如果采用数值迭代法，如牛顿迭代法，一方面，不易求出所有的解，另一方面，求解过程可能要用很长的时间，不能满足对机构进行实时控制的要求。所以，应该寻求封闭解封闭解(封闭解：封闭解：是指一种基于解析表达式或是指一种基于解析表达式或4 4阶及低于阶及低于4 4阶的多项式的解法，即不需要用数值迭代就可以得到解的方法。阶的多项式的解法，即不需要用数值迭代就可以得到解的方法。第52页/共57页例例5-4 5-4 对图所示的平面二杆机械手进行对图所示的平面二杆机械手进行逆运动学分析逆运动学分析 平面二杆机械手AXl 2 2杆杆2 2杆杆1 11 12 2Yl 1 1B P(x,y)1P P点的正运动学，求解点的正运动学，求解 1P P点的逆运动学，求解点的逆运动学，求解此时已知：此时已知：第53页/共57页 封闭解封闭解第54页/共57页 封闭解封闭解由于余弦定理可得：由于余弦定理可得：由图得：由图得：取取“-”对应图中的实线所示的解，取对应图中的实线所示的解，取“+”对应虚线所示的解。对应虚线所示的解。第55页/共57页第56页/共57页