【文章內(nèi)容簡介】 不會使其他各個構(gòu)件運動到一個確定的預(yù)期的位置上的話，則該系統(tǒng)裝置是一個非約束運動鏈。機構(gòu)或連桿構(gòu)件是一個可約束的傳動鏈而且是一個從輸入到輸出以傳遞運動和（或）力為目的的機械裝置。連桿機構(gòu)是由通常被認(rèn)為是剛體構(gòu)件或桿組成的，它們是以銷軸鉸接的，例如用柱銷（圓形的）或棱柱體銷軸鉸接，以便成形開式或閉式（回環(huán)式）的運動鏈。這樣的運動鏈在至少有一個構(gòu)件被固定的條件下：（1）如果至少有兩個構(gòu)件能保持運動，就變?yōu)闄C構(gòu)，（2）如果沒有一個構(gòu)件能夠運動，則就成為結(jié)構(gòu)。換句話說，機構(gòu)是允許其“剛性構(gòu)件”之間相對運動，而結(jié)構(gòu)則不能。由于連桿機構(gòu)做成一簡單機構(gòu)而且能設(shè)定實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)，例如非線性運動和力的傳遞運動。它們在機構(gòu)學(xué)研究中將受到更多的關(guān)注。機構(gòu)被用于許多許多的機器和裝置中。最簡單的封閉式的連桿機構(gòu)就是四桿機構(gòu)，四桿機構(gòu)有三個運動構(gòu)件（加上一個固定構(gòu)件）并且有四個銷軸。連接動力源的構(gòu)件即原動件，而具有一個移動鉸和一個固定鉸者叫做輸入構(gòu)件。輸出構(gòu)件將一個移動鉸和另一個固定鉸連系起來。連接構(gòu)件即浮動構(gòu)件將兩個移動的鉸（回轉(zhuǎn)副）連系起來，因而連接構(gòu)件就將輸入傳送到輸出。四桿機構(gòu)若使一個或幾個構(gòu)件無限長而產(chǎn)生某些特殊的構(gòu)造。曲柄滑塊（即曲柄和滑塊）機構(gòu)就是一個四桿機構(gòu)特例。其以一個滑塊替換一個無限長的輸出件。內(nèi)燃機就是建立在這一機構(gòu)基礎(chǔ)上。有著另一種形式的四桿機構(gòu)，其中滑塊是在一運動的構(gòu)件上導(dǎo)移運動而不是在一固定構(gòu)件上。這些就被稱為曲柄滑塊機構(gòu)的變換，它是其中一個構(gòu)件（曲柄、連桿或滑塊）被固定時形成的。雖然四桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)是非常有用而且在成千上萬的應(yīng)用中都可找到。但是我們還看到，這些連桿機構(gòu)其性能水平的發(fā)揮已經(jīng)受到限制。具有更多構(gòu)件的連桿機構(gòu)常常用于更多要求的情況中。然而可以設(shè)想多回環(huán)的連桿機構(gòu)的運動常常是更為困難的，特別是當(dāng)其他零件出現(xiàn)在同一圖中的時候，要進行更復(fù)雜機構(gòu)的運動分析：第一步是繪制一等效運動圖即示意圖。這示意圖用于電路圖解類似的目的，即僅僅表示機構(gòu)的主要本質(zhì)的意圖，然而它要體現(xiàn)影響其運動的關(guān)鍵的尺寸。運動圖可用兩種形式中的一種：一是草圖（按比例畫出，但放大比例不精確），二是比例準(zhǔn)確的運動圖（通常用于進一步分析其位置、位移、速度，加速度，力和扭矩傳遞等等）。為了便于參考，對構(gòu)件進行順序編號，（以靜止構(gòu)件編號為1開始編寫），而回轉(zhuǎn)副則以字母表示。機構(gòu)運動分析的第二步：畫一個圖解圖，是要確定機構(gòu)的自由度數(shù)。依據(jù)自由度，可意指需要若干個獨立輸入的運動的數(shù)目，以確定機構(gòu)所有的構(gòu)件相對于地面的位置。人們可以想象存在數(shù)以千計的不同類型的連桿機構(gòu)。你可想象一個袋子包容大量的連桿機構(gòu)的組元：二桿組，三桿組，四桿組等等，以及構(gòu)件，回轉(zhuǎn)副，移動副，凸輪隨動件，齒輪，齒鏈，鏈輪，皮帶，皮帶輪等等。（球形運動副，螺旋副以及允許三維相對運動的其他連接尚未包括進去，這里，僅僅討論平行平面內(nèi)的平面運動）。而且你可以想象一下把這些組元放在一起而形成的各種類連桿機構(gòu)的可能性。存在如何幫助人們控制所形成這些機構(gòu)的規(guī)律嗎？實際上，大多數(shù)機構(gòu)的任務(wù)是要求一個單一的輸入被傳遞到一個單一的輸出。因此單一自由度的機構(gòu)是使用最多的一種機構(gòu)類型。例如，由直覺即可以看出：四桿機構(gòu)就是一個單一自由度的連桿機構(gòu)。畫運動圖和確定機構(gòu)自由度的過程，就是運動分析和綜合過程的第一個階段。在運動分析中，根據(jù)機構(gòu)的幾何形狀加上可能知道的其特性（如輸入角、速度，角加速度等）來研究確定具體的機構(gòu)。另一方面，運動綜合則是設(shè)計一個機構(gòu)以完成一個所要求的任務(wù)的過程。于此，選擇新機構(gòu)的類型和尺寸是運動綜合的一個部分。設(shè)想相對運動的能力，能推想出之所以這樣設(shè)計一個機構(gòu)的原因和對一個具體設(shè)計進行改進的能力是一個成功的機構(gòu)學(xué)家的標(biāo)志。雖然這些能力來自先天的創(chuàng)造性，然而更多的是因為掌握了從實踐中提高的技術(shù)。[b]運動分析[/b]最簡單最有用的機構(gòu)之一是四桿機構(gòu)。以下論述中的大部分內(nèi)容集中討論連桿機構(gòu)上，而該程序也適用于更復(fù)雜的連桿機構(gòu)。我們已經(jīng)知道四桿機構(gòu)具有一個自由度。關(guān)于四桿機構(gòu)，有沒有要知道的有用的更多內(nèi)容呢？的確是有的！這些包括格拉肖夫準(zhǔn)則，變換的概念，死點的位置（分歧點），分支機構(gòu)，傳動角，和他們的運動特征，包括位置，速度和加速度。四桿機構(gòu)可具有一種稱作曲柄搖桿機構(gòu)的形式，一種雙搖桿機構(gòu)，一種雙曲柄（拉桿）機構(gòu)，致于稱作哪一種形式的機構(gòu)，取決于跟機架（固定構(gòu)件）相連接的兩桿的運動范圍。曲柄搖桿機構(gòu)的輸入構(gòu)件，曲柄可旋轉(zhuǎn)通過360176。并連續(xù)轉(zhuǎn)動，而輸出構(gòu)件僅僅作搖動（即搖擺的桿件）。作為一個特例，在平行四桿機構(gòu)中，輸入桿的長度等于輸出桿的長度，連接桿的長度和固定桿（機架）的長度，也是相等的。其輸入和輸出都可以作整周轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)換成稱作反平行四邊形機構(gòu)的交叉結(jié)構(gòu)。格拉肖夫準(zhǔn)則（定理）表明：如果四桿機構(gòu)中，任意兩桿之間能作連續(xù)相對轉(zhuǎn)動，那么，其最長桿長度與最短桿長度之和就小于或等于其余兩桿長度之和。應(yīng)該注意：相同的四桿機構(gòu)，可有不同的形式，這取決于哪一根桿被規(guī)定作為機架（即作固定桿）。運動變換的過程就是固定機構(gòu)傳動鏈中的不同的桿件以產(chǎn)生不同的機構(gòu)運動過程。除了具備關(guān)于構(gòu)件回轉(zhuǎn)范圍的知識之外，還要具備如何使機構(gòu)在制造之前就能“運轉(zhuǎn)”的良好措施，那將是很有用的。哈登伯格（Hartenberg）說到：“運轉(zhuǎn)”是一個術(shù)語，其意義是傳給輸出構(gòu)件的運動的有效性。它意味著運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其中能在輸出構(gòu)件中產(chǎn)生一個力或扭矩的最大分力是有效的。雖然最終的輸出力或扭矩不僅是連桿幾何圖形的函數(shù)，而且一般也是動力或慣性力的結(jié)果，那常常是大到如靜態(tài)力的幾倍。為了分析低速運轉(zhuǎn)或為了易于獲得如何能使任一機構(gòu)“運轉(zhuǎn)”的指數(shù)，傳動角的概念是非常有用的。在機構(gòu)運動期間，傳動角的值在改變。傳動角0176?？砂l(fā)生在特殊位置上。在此特殊位置上輸出桿將不運動而與施加到輸入桿上的力多大無關(guān)。事實上，由于運動副摩擦的影響，一般根據(jù)實際經(jīng)驗，用比規(guī)定值大的傳動角去設(shè)計機構(gòu)。衡量連桿機構(gòu)傳遞運動能力的矩陣基礎(chǔ)的定義已經(jīng)研究出來。一個決定性因素的值（它含有對于某個給定機構(gòu)圖形，位置的輸出運動變量對輸入變量的導(dǎo)數(shù)）是該連桿機構(gòu)在具體位置中的可動性的一個尺度。如果機構(gòu)具有一個自由度（例如四桿機構(gòu)），則規(guī)定的一個位置參數(shù)，如輸入角，就將完全確定該機構(gòu)休止的位置（忽視分支機構(gòu)的可能性）。我們可研究一個關(guān)于四桿機構(gòu)構(gòu)件絕對角位置的分析表達式。當(dāng)分析若干位置和（或）若干不同機構(gòu)時候，這將是比幾何圖形分析程序要有用得多，因為該表達式將使自動化計算易于編程。實現(xiàn)機構(gòu)速度分析的相對速度法即速度多邊形是幾種有效的方法之一。這端（頂）點代表著機構(gòu)上所有的點，具有零速度。從該點到速度多邊形上的各點畫的線代表著該機構(gòu)上相應(yīng)各點的絕對速度。一根線連接速度多邊形上的任意兩點就代表著作為該機構(gòu)上兩個對應(yīng)的點的相對速度。另外的方法就是瞬時中心法，即瞬心法，該方法是非常有用的而且常常是在復(fù)雜連桿機構(gòu)分析時較快的方法。瞬心是一個點，該點在那一瞬間，機構(gòu)上的兩構(gòu)件之間不存在相對運動。為了找出已知機構(gòu)某些瞬心的位置，肯尼迪（Kennedy）三中心理論就非常有用。它是說：彼此相對運動的三個物體的三個瞬心必定是在一直線上。機構(gòu)各構(gòu)件的加速度是令人感興趣的，因為它影響慣性力，繼而影響機器零件的應(yīng)力、軸承載荷、振動和噪音。由于最終的目的是機器和機構(gòu)慣性力的分析，所有加速度的各分量都應(yīng)一次性地畫在同一坐標(biāo)系中——機構(gòu)的固定構(gòu)件的慣性坐標(biāo)系中表示出來。應(yīng)注意的是：相對于固定回轉(zhuǎn)副的回轉(zhuǎn)剛體上的一點加速度分量通常有兩個。一個分力方向切于該點的軌跡，其指向與該物體的角加速度方向相同，并被稱為切向加速度。它的存在完全是由于角速度的變化率引起的。另一個分量，總是指向物體的回轉(zhuǎn)中心，被稱為標(biāo)準(zhǔn)的向心加速度，這個分量由于速度矢量的方向發(fā)生改變而存在。[b]運動的綜合[/b]機構(gòu)是形成許多機械裝置的基本幾何結(jié)構(gòu)單元，這些機械裝置包括自動包裝機、打印機、機械玩具、紡織機械和其他機械等。典型的機構(gòu)要設(shè)計成使剛性構(gòu)件相對基準(zhǔn)構(gòu)件產(chǎn)生所希望的運動。機構(gòu)的運動設(shè)計即運動的綜合，第一步常常是先設(shè)計整部機器。當(dāng)考慮受力時，要提出動力學(xué)方面的問題，軸承的荷載、應(yīng)力、潤滑等類似的問題，而較大的問題是機器結(jié)構(gòu)問題。運動學(xué)家把運動學(xué)定義為“研究機構(gòu)的運動和創(chuàng)建機構(gòu)的方法”。這個定義的第一部分就涉及運動學(xué)分析。已知一個機構(gòu)，其構(gòu)成的運動特性將由運動學(xué)分析來確定。敘述運動分析的任務(wù)包含機構(gòu)的主要尺寸、構(gòu)件間的相互連結(jié)和輸入運動的技術(shù)特性或驅(qū)動方法。目的是要找出位移、速度、加速度、沖擊或跳動（二階加速度），和可能發(fā)生的各構(gòu)件的高階加速度以及所描述徑跡和由某些構(gòu)件來實現(xiàn)的運動。定義的第二部分可用以下兩方面來解釋：1．研究借助機構(gòu)來產(chǎn)生給定運動的方法2．研究建造能產(chǎn)生給定運動機構(gòu)的方法，在兩個方案中，運動是給定的而機構(gòu)是創(chuàng)建的。這就是運動綜合的本質(zhì)。這樣運動綜合涉及到為給定性能的機構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計。運動綜合方面又可歸結(jié)為以下兩類：1．類型綜合。規(guī)定所要求的性能，怎樣一種類型的機構(gòu)才是合適的？（齒輪系，連桿機構(gòu)？還是凸輪機構(gòu)？）而機構(gòu)應(yīng)具有多少構(gòu)件？需要多少個自由度？怎樣的輪廓結(jié)構(gòu)才是所希望的？等等。關(guān)于桿件數(shù)目和自由度的考慮通常被認(rèn)為是類型綜合中被稱作為數(shù)量綜合的一個分支領(lǐng)域。2．尺寸綜合。運動綜合的第二個主要類型是通過目標(biāo)法來確定的最佳方法。尺寸綜合試圖確定機構(gòu)的重要尺寸和起動位置，該機構(gòu)是為著實現(xiàn)規(guī)定的任務(wù)和預(yù)期的性能而事先設(shè)想的。所謂重要的尺寸意思是指關(guān)于兩桿、三桿等的長度或桿間距離，構(gòu)件數(shù)和軸線間的角度，凸輪輪廓尺寸，凸輪隨動件的直徑，偏心距，齒輪配額等等。預(yù)想機構(gòu)類型可能是曲柄滑塊機構(gòu)、四桿機構(gòu)，帶盤型從動件的凸輪機構(gòu)，或者是以拓?fù)鋵W(xué)方法而非因次分析法所確定的具有某種結(jié)構(gòu)形狀更為復(fù)雜的連桿機構(gòu)。對于運動綜合，慣例上有三個任務(wù)：函數(shù)生成，軌跡生成和運動生成。在函數(shù)生成機構(gòu)中輸入和輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)動或移動必須是相互關(guān)聯(lián)的。對于一個任意函數(shù)y＝f（x），一個運動綜合的任務(wù)可能是設(shè)計一個連桿機構(gòu)使輸入和輸出建立起關(guān)系以便使得在xo＜x＜xn1的范圍內(nèi)輸入按x運動，而輸出按y＝f（x）運動。在輸入和輸出件回轉(zhuǎn)運動情況下，轉(zhuǎn)角φ和φ分別是x和y的線性模擬。當(dāng)輸入件回轉(zhuǎn)到一個獨立x值時，在一個“黑箱”的機構(gòu)中，使輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)到相對應(yīng)的由函數(shù)y＝f（x）決定的數(shù)值上。這可被認(rèn)為是機械模擬計算機的最簡單的情形。各種不同的機構(gòu)都可以包含在這個“黑箱”內(nèi)，然而對于任意函數(shù)的無誤差生成，四桿機構(gòu)是無能為力的，僅僅可能在有限精確度內(nèi)與之相匹配。它廣泛用于工業(yè)上，因為四桿機構(gòu)在構(gòu)建和維修上都是簡單的。在軌跡生成機構(gòu)中，在“浮動桿”上一個點要描畫一條相對于一個固定坐標(biāo)系確定的軌跡。如果該軌跡點是既要與時間相關(guān)又要與位置相關(guān)，該任務(wù)被稱之為預(yù)定周期的軌跡生成。軌跡生成機構(gòu)的一個例子就是設(shè)計來投擲棒球或網(wǎng)球的四桿機構(gòu)。在這種情況下，點P的軌跡將是這樣：在預(yù)定的位置撿起一個球，并在預(yù)定的時間周期內(nèi)沿著預(yù)定的徑跡把球傳送出去，能達到合適的速度和方向。機械裝置設(shè)計中有著許多情形，在這些情形中既要導(dǎo)引剛體通過一系列規(guī)定的、受限制的獨立位置，又要在減少受限制而且獨立的位置的數(shù)目時，對運動體的速度和（或）加速度加以約束，那是必要的。運動生成或剛體導(dǎo)引機構(gòu)要求：一個完整的物體要被導(dǎo)引通過一預(yù)定的運動序列。作為被導(dǎo)引的物體通常是“浮動構(gòu)件”的一部分，那不僅是預(yù)定點P的軌跡，也是通過該點并嵌入該物體內(nèi)的線的轉(zhuǎn)動。例如，該線可能代表自動化機械中的一個載體件，那是在載體件上的一個點具有一個預(yù)定的軌跡而該載體件又具有一個預(yù)定的角度方位。預(yù)定方式裝料機的吊斗的運動是運動生成機構(gòu)的另一個例子。吊斗端的軌跡是有極限的。因為其端口必須實現(xiàn)挖掘的運動軌跡，緊跟著要實現(xiàn)提升和傾瀉的軌跡。吊斗的角度方位對保證斗中物料從正確的位置傾瀉（倒）同樣是重要的。[b]凸輪和齒輪[/b]凸輪裝置是把一種運動改變成另一種運動的方便裝置。這種機器零件具有曲面或槽面，該曲面或槽面與從動件相配合并將運動傳給從動件。凸輪的運動（通常是轉(zhuǎn)動）被傳遞給從動件作搖動或移動，或兩者均有。由于各種各樣的幾何體和大量的凸輪與從動件相結(jié)合，因此凸輪是一種極多功能的萬用的機械零件。雖然凸輪和從動件可以為運動、軌跡和功能生成而設(shè)計，但其主要是用于利用凸輪和從動件作為功能生成構(gòu)件。根據(jù)凸輪形狀，最普遍的凸輪種類是：盤形傳動凸輪（兩維的，即平面的）和圓柱形凸輪（三維的，即空間的）機構(gòu)。從動件可以用幾個方法分類：根據(jù)從動件的運動，例如移動或搖動來分類，根據(jù)平移式（直線）從動件運動是沿徑向的還是從凸輪軸中心偏心的和根據(jù)從動件接觸面的形狀（比如平面、輥子、點——刀尖式，球面，平面曲線或空間曲面）。對于一個對心直動滾子從動件盤形凸輪，可畫出的與凸輪表面相切且與輪軸同心的最小圓是基圓。隨動件的點就是產(chǎn)生節(jié)線的輥子中心的點。壓力角就是輥中心軌跡方向線和通過輥子中心的節(jié)線的法線之間的夾角而且是傳動角的余角。忽略摩擦影響，這法線方向跟凸輪與從動件之間接觸力方向是重合一致的。像在一連桿機構(gòu)中，壓力角在循環(huán)運轉(zhuǎn)過程中變化且是凸輪把運動作用力傳遞到從動件去的一種量度。大壓力角將產(chǎn)生施加到從動件桿上的側(cè)向力，因摩擦力存在，那將勢必把從動件限制在導(dǎo)槽中。在自動化機械中的許多應(yīng)用需要間歇運動。一個典型的例子將要求一個含有上升一停歇一返回和可能另一個停歇的周期，每階段經(jīng)過一個指定的角度，伴隨著一個所要求的從動件的位移，這個位移以厘米或度來度量。設(shè)計者的工作就是相應(yīng)地設(shè)計出該凸輪。首先要做的決策就是要選擇凸輪從動件的類型。規(guī)定的應(yīng)用可能要求凸輪和從動件相結(jié)合。轉(zhuǎn)化為決策的某些因素有：幾何形狀條件，動力條件，環(huán)境條件和經(jīng)濟因素。一旦凸輪與從動件運動副類型被選定，則從動件運動就必定選定。因此，速度、加速度和在某些情況下，從動件位移的進一步的方案實屬極端重要。齒輪是借助于輪齒成功嚙合來傳遞運動的機器零件。齒輪從一根回轉(zhuǎn)軸到另一回轉(zhuǎn)軸傳遞運動或傳遞運動到一傳動齒條。多數(shù)應(yīng)用中都以恒定角速比（或常定扭矩比）而存在。恒定角速比應(yīng)用中必定是軸向傳動。在各種各樣有用的齒輪類型基礎(chǔ)上，輸入軸和輸出軸需要在一直線上或需要互相平行都不受什么限制。由于使用非圓齒輪，非線性角速比也是很有用的。為了保持恒定的角速度，各個齒輪齒廓必須服從齒輪嚙合的基本規(guī)律：為了一對齒能