作者：朱金生
出版社：电子工业出版社
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机械设计实用机构运动仿真图解(第3版)试读：
内容简介
本书将机械设计中常用的机构及应用实例用三维软件建模，并生成机构运动仿真视频来展示机构的运动原理及可实现的运动。全书分为三个部分，第一部分介绍了常用基本机构及其运动特性，并对机器视觉系统应用中的机构做了简单介绍；第二部分对244种机构应用实例进行描述，并按输出构件的运动特点进行分类，以方便学习和查找；第三部分展开介绍了一个多功能给袋包装机的执行机构系统设计，描述了从工艺过程所需的动作开始，到各子执行机构的确定，最后用“机构运动循环图”来确定执行机构各子系统组合的设计方法。
本书案例丰富、主打三维运动仿真，形象直观，适合机械设计人员开拓设计思路、激发设计灵感，帮助相关专业学生快速吸收并消化教科书上的理论知识，也供有关技术人员在产品研发、创新时参考。
第3版前言
时隔五年，《机械设计实用机构运动仿真图解》一书第3版同读者见面了。本书将继续坚持以机构运动仿真视频为主、文字说明为辅的特点，目的只有两个：一是让读者快速了解实用机构，从而拓宽设计思路；二是让本书成为机械设计者、非机械专业的设计者和技术工人都能看得懂的科普读物。
本书分为三个部分，收集了393个运动仿真视频、244个应用实例，并介绍了一个“多功能给袋包装机”的产品设计实例，通过模拟包装工艺过程确定各执行机构子系统所需的运动，再通过“机构运动循环图”完成执行机构系统协调设计，并用机构子系统的运动仿真来说明机构特点。
由于应用实例的增加，为阅读和查找方便，本书对应用实例按输出构件（从动件）的运动特点进行了简单分类。
近十年来，作者有幸参与了用于检测目的的机器视觉产品的研发工作。机器视觉属于信息技术，其产品具有智能化的机电一体化特征，集光学、软件、电子、机械多个学科为一体。机械系统成为机电一体化产品的组成部分，机械设计从机电产品设计中的主导地位下降到了辅助地位；各执行机构系统从以往满足产品的总功能要求，变成了需要满足光学、软件所提出的各项要求。机器视觉产品中的机构设计大致有两种类型：一是光学系统（相机、光源）调整机构的设计；二是各类输送机构的设计。本书将机器视觉产品中的机构讨论放在第一部分的基本机构中，其应用实例还按照输出构件的运动特点放在本书的第二部分。
本书不是教科书，用很短的时间就可以观看完全部的视频。正如在本书第二版，凌云博士为本书撰写的前言中所说的，它更像正餐之后的甜点，能够在大餐之后给读者一种轻松、愉悦且充满启迪的阅读体验。经常看看，一定会有收获。朱金生
第一部分 常用基本机构介绍
1.平面连杆机构
平面连杆机构中结构最简单、应用最广泛的是铰链四杆机构。在铰链四杆机构的基础上，再依次连接二级杆组、三级杆组等，就成为多杆机构。它可以按照给定的运动规律和位置要求运动，也可以按照给定的运动轨迹运动。
1.1 铰链四杆机构
铰链四杆机构是平面四杆机构最基本的形态，其他形式的四杆机构都可以看作是在它的基础上演化而成的。铰链四杆机构有四个构件，用四个转动副将四个构件连接，两两构件之间为面接触，其结构、制造简单，可获得较高的精度，广泛应用在低速机械传动中。（1）曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构中，固定杆为机架，与机架相连的两个杆称为连架杆，连接两连架杆的杆称为连杆。在连架杆中，若有一个杆能做整周旋转时，该杆又称曲柄，但并不是所有的铰链四杆机构中都有曲柄，存在曲柄的几何条件如下：
①连架杆为最短的构件；
② 最短的构件与最长的构件长度之和小于或等于其余两构件的长度之和。
满足上述两个条件的铰链四杆机构又称为曲柄摇杆机构，如图1所示。图1 曲柄摇杆机构
在图1中，用连杆作机架也满足构成曲柄摇杆机构的几何条件。
仔细观察曲柄摇杆机构的运动仿真模型：主动的曲柄做匀速转动时，从动的摇杆做变速摆动，且曲柄转一周的过程中与连杆有两次共线（见图2、图3），此时摇杆所在的左右两个位置是极限位置；两次共线时，曲柄与机架的夹角不同。这说明从动摇杆在两个极限位置间运动时，曲柄转过的角度不同，即摇杆左右摆动的速度不同。通常把摇杆的这种左右摆动速度不同的特性称为急回特性。在实际应用中，常把慢速运动行程作为工作行程，快速运动行程作为空回行程。主动曲柄匀速旋转一圈的时间中，从动摇杆的工作行程所占的时间越长，工作行程的速度越平稳，空回行程所占的时间越短，急回特性就越强。设计时根据给定的急回特性系数，来确定各构件的尺寸。当然，急回系数越大，惯性力越大。图2 曲柄与连杆共线1图3 曲柄与连杆共线2
如果摇杆主动，即逆时针或顺时针转动，当从动的曲柄与连杆共线时，机构会停止运动（见图4、图5），该位置称为死点位置。为了使从动曲柄能做整周转动，需要增加防止卡死的构件，利用该构件所产生的惯性通过死点位置（见图6、图7）；但有些夹紧机构正是利用死点位置对零件进行定位、夹紧的，详见运动仿真实例198、实例199。图4 摇杆主动，逆时针转动的死点位置图5 摇杆主动，顺时针转动的死点位置
如图6所示为缝纫机脚踏板机构的示意图，为一个典型的曲柄摇杆机构。工作时用脚前后摆动脚踏板，脚踏板是曲柄摇杆机构中的摇杆，为主动件，而曲柄1为从动件。当连杆与从动件（曲柄）共线时，即出现图7所示的卡住情况，该位置就是死点位置，在此位置缝纫机可能会突然停止工作，而在实际操作时，只要不紧蹬脚踏板，利用皮带轮所产生的惯性就可通过死点位置。
常把曲柄的长度做成可以调节的，这样可调节摇杆的摆动角度的大小，详见运动仿真应用实例47。图6 缝纫机脚踏板曲柄摇杆机构图7 连杆与从动件（曲柄）共线时为死点位置
曲柄摇杆机构中的曲柄整周旋转时，连杆做平面运动。在运动仿真模型的连杆上任意选择A、B、C三点，这三点的运动轨迹如图8所示。某些机构就是利用这些点的轨迹或其中某一段近似直线或圆的轨迹来实现预定运动的，如运动仿真应用实例中的例128、例129，就是应用了C点的轨迹，来完成预定运动的。图8 连杆上A、B、C点的运动轨迹（2）双曲柄机构
用曲柄摇杆机构中的曲柄作机架时，可得到双曲柄机构（见图9）。图9 双曲柄机构
仔细观察双曲柄机构的运动仿真模型：主动曲柄1做匀速转动时，从动曲柄2做变速转动，平均传动比为1∶1；连杆3做平面运动；无死点位置。
当双曲柄机构中的四个杆的尺寸满足对边长度相等，即机架与连杆、两个曲柄的长度相等时，该铰链四杆机构又称为平行四杆机构（见图10）。该机构的主从动曲柄都做匀速转动，传动比为1∶1，从动曲柄没有急回作用，即急回特性系数等于1，瞬时速度相等；连杆平动，运动的连杆始终平行于初始位置；从动曲柄2上任意点的轨迹都为圆，其半径为该点到转动中心（在机架上）的距离，如图11所示为从动曲柄上A点的轨迹。图10 平行四杆机构图11 从动曲柄上A点的轨迹
平行四杆机构中的任何一个构件都可以做曲柄；当曲柄与连杆共线时，从动曲柄有发生逆转的可能（见图12）。当不能满足要求时，可增加虚约束杆（见图13）或增设一个可产生惯性的偏心盘（见图14），也可同时使用多组平行四杆机构解决（见图15）。图12 从动曲柄发生逆转图13 增加虚约束杆防止从动曲柄逆转图14 双偏心盘解决从动曲柄逆转图15 曲柄驱动四组平行四杆机构
如图14所示，由于使用了两个相同的偏心盘，并与机架在A、B点铰接，连杆与两个偏心盘用扩大了的转动副连接，可保证两个偏心盘的同步转动。该机构解决了从动曲柄可能发生逆转的问题。
如图15所示包含相同的四组平行四杆机构，图16为该机构的工程图。带有主动轴的曲柄1与转盘2固接，固定板3为机架；在转盘2上均匀分布四个孔（见图17），四个孔中心到圆盘的中心等于曲柄1的长度ab；固定板3也均布着与圆盘相同的四个孔；圆盘与固定板之间安装四个从动曲柄4，该曲柄与曲柄1的转动半径相等，ab=ef，并分别与转盘2和固定板3铰接。当主动曲柄驱动转盘绕a-c轴旋转时，使转盘2带动四个从动曲柄4共同旋转，四个从动轴转动方向及转速都相同。该原理可用于多轴钻，详见运动仿真应用实例1。图16 曲柄驱动四组平行四杆机构工程图1—曲柄；2—转盘；3—固定板（机架）；4—从动曲柄；5—轴座图17 圆盘零件模型
如图18所示为三个联动的平行四杆机构。该机构用三个加长的连杆来解决主动轴与从动轴相距较远且不在同一平面上的问题，其功能与图15相同。
如图19所示为该机构的工程图。为避免三个连杆转动时相互干涉，应使A、B、C三点到主动盘1的距离不同。图18 三个联动平行四杆机构（主视图）图19 三个联动平行四杆机构工程图1—主动盘；2—从动盘；3—连杆（3）双摇杆机构
在曲柄摇杆机构中，当用最短边的对边为机架时，得到双摇杆机构（见图20）。两个摇杆中，任一个主动旋转时，均有两个死点位置。实际应用时，为避免出现死点位置，应限制摇杆的摆动角度。
当最短的构件与最长的构件长度之和大于另两个构件之和，用任一杆为机架时，所得到的铰链四杆机构都为双摇杆机构。图20 双摇杆机构
在双摇杆机构中，有时可用一个齿轮副（见图21）解决双摇杆机构不能连续摆动而且有死点的问题，但要求两齿轮的中心距等于其中一个摇杆的长度，即摇杆的两端安装一对啮合的齿轮。图22是其工程图。在铰链四杆机构ABCD中，5为机架，1、2为两个摇杆，齿轮3上的两点B、C构成曲柄；齿轮3、齿轮4空套在摇杆2的两端点B、A上；两齿轮中的任一个转动时，曲柄BC可转动360°，摇杆1、2可以连续摆动。如用蜗轮副代替齿轮副，即为摇头风扇运动机构，见运动仿真应用实例160。图21 用齿轮副驱动双摇杆机构图22 齿轮驱动双摇杆机构的工程图1、2—摇杆；3、4—齿轮；5—机架
以上介绍的三种铰链四杆机构，其基本机构为曲柄摇杆机构。在掌握其结构特点（铰链连接）、几何尺寸要求（曲柄存在的条件）的基础上，除了连杆之外，当分别用其余三个杆中的任意一杆作机架时，就可得到另外两种机构；平行四杆机构可以看作是双曲柄机构的特例，但该机构在实际设计实例中大量存在，尤其是连杆的平动特点被广泛应用。了解三种铰链四杆机构的运动特点，对分析、掌握和设计各种新机构是有益处的，对了解后面所介绍的单移动副四杆机构与双移动副四杆机构也会有帮助。
1.2 单移动副四杆机构
当把铰链四杆机构中的一个转动副转化为移动副时，可将铰链四杆机构转化为单移动副四杆机构。当以其中任意杆为机架时，可得到下述的几种机构类型：曲柄滑块机构、转动（或摆动）导杆机构、曲柄摇块机构及移动导杆机构。（1）曲柄滑块机构
把曲柄摇杆机构中的摇杆与机架相连的转动副转化为移动副时，若维持原来的运动关系，即曲柄主动，机架固定，可得到曲柄滑块机构（见图23）。与前述的几种铰链四杆机构不同，该机构可将输入的旋转运动（曲柄主动时）转化为滑块的往复直线运动，或把滑块的往复直线运动（滑块主动时）转化为曲柄的转动。图23 曲柄滑块机构
该机构实际上是用一个滑块替代了原铰链四杆机构中的摇杆，滑块是二副杆，即用移动副与机架连接，用转动副与连杆连接。
观察该机构的运动仿真，主动曲柄1旋转时，滑块3做变速运动，并有急回特性。当滑块移动的轨迹中心通过曲柄的转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，该机构滑块移动的距离S等于曲柄半径r的2倍（S=2r）；当滑块移动的轨迹中心不通过曲柄的转动中心时，称为偏置曲柄滑块机构。对心曲柄滑块机构的运动原理可用于插床的主运动，见运动仿真实例83，偏置曲柄滑块机构运动原理可用于弓锯床的主运动，见运动仿真实例86。（2）转动导杆机构
如图24所示的机构为转动导杆机构。该机构是将图23曲柄滑块机构中的主动曲柄1固定（作机架），并令连杆2主动旋转（转变为曲柄），来使曲柄滑块机构转化为转动导杆机构的，原不动的机架转变为从动导杆，可做整周旋转。
转化后，主动曲柄1做匀速转动时，从动导杆3做整周变速转动；滑块4随导杆转动的同时还在导杆上滑动，需要注意的是，应保证转换后的曲柄长度大于机架的长度。
由模型运动仿真可以看出，滑块离导杆的转动中心越近，导杆的转动速度越快，反之亦然。
若导杆主动，并做匀速转动时，从动曲柄做变速转动（见图25）；当机架长度可调节时，并在从动曲柄转动中心固接一个输出轴，该轴随从动曲柄做变速转动，成为一个输出轴转速可调节的机构。如运动仿真应用实例中的例29、例30都是该机构运动原理的应用，即利用从动轴做变速运动这一结论，来调节切纸刀的瞬时速度使其与送纸速度同步。图24 转动导杆机构图25 导杆主动，曲柄从动时的转动导杆机构（3）曲柄摇块机构
当把图23曲柄滑块机构中的连杆2固定（作机架），主动曲柄1绕与连杆的铰接点旋转时，得到曲柄摇块机构（见图26）。该机构曲柄的长度应小于机架的长度。图26 曲柄摇块机构
由该机构的运动仿真可知，主动曲柄1旋转时，机构无死点位置；从动导杆3有急回特性，摇块4只做变速摇动。运动仿真应用实例中的例63、例132都是应用此机构原理的运动机构。（4）移动导杆机构
当把曲柄滑块机构中的滑块3固定（作机架），曲柄1旋转时，得到移动导杆机构（见图27）。
观察其运动仿真，曲柄1做匀速转动时，导杆2做变速移动，并有急回特性。手动抽水机构就利用了此原理。（5）摆动导杆机构
摆动导杆机构与上述几种单移动副四杆机构略有不同，如图28所示，主动曲柄1与滑块2铰接；滑块与从动导杆3滑动连接；连杆4固定。导杆摆动的条件是主动曲柄1的长度小于连杆4的长度（注意与转动导杆机构的区别）。图27 移动导杆机构图28 摆动导杆机构
由运动仿真模型可知，主动曲柄做匀速转动时，摆杆做变速摆动，而不是整周转动，并有急回特性。
应用实例见运动仿真应用实例中的例117。
1.3 双移动副四杆机构
双移动副四杆机构包括双滑块机构、正弦机构及正切机构，现介绍如下。（1）双滑块机构
把曲柄摇杆机构中两连架杆（连接机架的两个杆）与机架连接的转动副转化为移动副（可理解为把两个连架杆转变成两个滑块），两移动副在带有两个相互垂直的导槽的圆盘（机架）的槽中滑动，并与连杆用两个转动副连接，该机构称为双滑块机构，又称为椭圆机构（椭圆仪），如图29所示，图30是其工程图。当连杆2绕两滑块上的任意一个转动中心转动时，其连杆2上一点A的运动轨迹为一个封闭的椭圆，该椭圆长半轴与短半轴的尺寸与连杆的关系如图30所示，椭圆的长、短半轴之差等于两滑块转动中心间的距离。图29 双滑块机构
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