1、本科毕业论文（20 届）曲柄摇杆机构的建模与运动仿真所在学院 专业班级 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 曲柄摇杆机构的建模与运动仿真摘要：平面铰链四杆机构在工程实际中有广泛的应用，平面四杆机构是平面多杆机构及空间多杆机构的基础，尤其是曲柄摇杆机构，在实际工程中应用非常广泛。所以对平面四杆机构的设计研究有着很重要的意义。运动仿真研究是进行机构运动分析的一种很重要的方法。本文以 Pro/E 软件为平台，以曲柄摇杆机构为例进行机构的运动仿真研究。通过对其各组成杆件进行三维参数化建模、虚拟装配仿真。直观的展现出摇杆机构的运动情况，使得设计人员对机构的设计更加方
2、便,设计结果更符合实际工作,研究结果为曲柄摇杆机构设计提供了理论依据。关键词：曲柄摇杆机构；运动仿真；空间建模；Pro/EThe modeling and movement simulation of Crank rocker mechanismAbstract :Planr pivot four-bar mechanism is widely used in century project. Planar pivot four-bar mechanism is the base of planar multi-bar linkage, Crank-rockr mechanism in par
3、ticular,is very broadly applied in practical engineering.so planar pivot four-bar mechanisms Design Research is very important.Motion simulation is a kind of important mechanism motion analysis method. Based on Pro/E software as the platform, the movement of the crank rocker mechanism as an example
4、for the simulation research. By the composition of each bar 3 d parametric modeling, virtual assembly simulation. Intuitive show the movement of rocker mechanism, makes it easier to design to the design of institution design result is more in line with the actual work, the results for the crank rock
5、er mechanism design provides a theoretical basis.Key words:crank-rocker mechanism;motion simulation;spatial modeling;Pro/E目 录第一章 绪论11.1 研究目的和意义 11.2 曲柄摇杆机构的国内外研究现状 21.3 曲柄摇杆机构研究的发展趋势 3第二章 零件建模52.1 Pro/E 简介 52.2 机构的运动分析 62.3 零件建摸 102.3.1 固定架 102.3.2 短连杆 182.3.3 长连杆 192.3.4 中连杆 192.3.5 长销轴 192.3.6 短销轴
6、 20第三章 运动仿真213.1 装配 213.1.1 建立连接 213.1.2 装配文件 223.2 运动与仿真 273.2.1 参数设置 273.2.2 运动仿真 283.2.3 测量与记录 30第四章 总结32参考文献 33附录 34致谢 401第一章 绪论1.1 研究目的和意义随着当今社会科学技术迅猛发展，尤其是电子计算机的普及很大的推动了机构设计的研究进程。平面四杆机构在众多工农业机械和工程机械中有广泛的应用,平面四连杆机构是平面多杆机构及空间多杆机构的基础,所以对平面四连杆机构的设计研究有着很重要的意义。本课题主要研究平面四连杆机构中的曲柄摇杆机构的建模与仿真，通过电脑软件仿真出摇
7、杆机构的运动情况，使得设计人员对机构的设计更加方便,设计结果更符合实际工作,研究结果为曲柄摇杆机构设计提供了理论依据 1。曲柄摇杆机构属于平面四连杆中的一个比较经典的类型。在铰链四连杆机构的两个连杆架中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则称之为曲柄摇杆机构。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复运动。若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周运动 2。本课题建模仿真的是前者。为了满足工程设计的需要，说明平面四杆机构的尺寸变化对机构性能的影响，一些专供设计者使用的四杆机构综合图谱已经被总结出来 3。例如德国工程师手册中有很多机构的性能图谱，但是难以直接查明给
8、定机构尺寸所对应的性能是这些以机构运动性能(如：从动件和原动件所能实现的摆角)为坐标的图谱缺点所在 4。算很复杂，虽能实现将机构尺寸型都容纳与有限的封闭三维 空间，但是应用上很难实现。因此，构建完整的、系统的、可供技术人员在设计中查用的图谱成为当今机构学者的任务之一。所以建立一种简单、方便、实用的设计方法，绘制便于查阅的图谱，再利用电脑软件建模仿真并分析其特性成为连杆机构设计的首要任务。 在这种背景下，本课题主要研究对象为曲柄摇杆机构，通过分析它的工作性能和尺寸空间模型，来仿真分析出实际工作中的一些运动特性。21.2 曲柄摇杆机构的国内外研究现状18 世纪下半夜的第一次工业革命促进了机械工程学
9、科的迅速发展,机构在原来的机械力学的基础上发展为一门独立的学科。早在 19 世纪连杆机构就已经广泛应运。最简单的连杆机构是四连杆机构，也是出现最早的一种连杆机构 5。对连杆机构的研究起始于 19 世纪著名发明家瓦特，他所发明的蒸汽机曾应用四杆机构连杆点的近似直线运动导引机构中的另一个杆运动。瓦特在蒸汽机中应用连杆点的运动多年后，人们才认识到连杆运动的作用，但由于 当时缺少连杆运动特性方面的理论基础，限制了其应用的发展，直到19 世纪 20 年代后，才相继出现了一些有关连杆方面的文献 6。 19 世纪以来，以几何图解法为主导的德国机构学学派曾对连杆机构的研究做出了巨大的贡献，其研究成果长期处于世
10、界领先地位。二次世界大战后，借助于计算机技术的发展，使连杆机构在生产实际中的应用又有了新的突破，开辟了很多新的分支 7。在平面连杆机构中最基本的形式为曲柄摇杆机构，近几十年以来，关于曲柄摇杆机构的分析已进行了不少研究工作。但是在综合优化设计和机构分析方面，四杆机构仍有进一步研究的必要。四连杆机构虽然结构形式简单，但应用广泛，随着机械自动化、机械手、机器人的发展，人们对机构所需满足的运动特性及动力特性有更高的要求， 在国际上也十分注重这方面的工作 8。同时，曲柄摇杆机构也是工程实际中应用最广泛的机构，像颚式破碎机的主要工作部分、各种纺织机械、搅拌机、印刷机械等，过去的学者对曲柄摇杆机构的最佳传动
11、性能有过大量的研究，例如：2005 年东南大学钱瑞明教授对最佳传动角的研究，2007 年烟台大学的方世杰教授对最佳传动角的研究，他们都对传动性能做了大量有意义的研究 9。31.3 曲柄摇杆机构研究的发展趋势 随着科学技术的发展，对机构综合性能要求越来越高，因此，综合优化设计已成为优化设计的一个重要方向，其研究内容主要包括两个方面：机构综合优化和机构分析。机构分析就是根据给的机构简图 ，研究机构的运动特性和动力特性。机构 综合就是根据预期的运动特性和力特性，设计机构件。机构分析是机构综合的理论依据，研究侧重于创新性质的设计、理论、方法等的研究。机构综合的研究有尺度综合、类型综合。类型综合包括数综
12、合、型综合。数综合是：预定自由度求构件数目、运动副数目。型综合是数 综合已知和求证的反过程。 尺度综合 的任务是已知机构类型，求证机构实际尺寸、原动件起始位置的研究，它是研究的重点、难点。尺寸综合问题中尤其对于机构尺寸和机构输出性能间的量化关系和有实时要求的机构实现点位控制设计还很不理想，目前用代数法对其的研究也只能设计实现有限点位满足要求的机构 10。在尺度综合的研究中 ，由于每一机构尺寸型都有无数的组合方案，那么如何确定机构尺寸型是尺度综合研究的关键。解决这个问题需要有能将机构运动学、动力学的性能参数与尺寸性联系起来的 研究方法。解决这类问题在工程实际应用中有极大的价值。目前中外有代数法、
13、几何作图法和图谱法，这三种方法研究机构尺度综合的问题。代数法是通过方程求解的方法。主要的手段有：近似运动尺度综合，采用数学上的函数逼近问题为求解方法，适用于允许存在一定误差，在某一运动范围的设计；优化尺度综合,是采用建立数学模型解决运动分析的若干要求，以提高机构性能优化的目的的设计方法。这种算法只能得到部分解，而且初值的选择很关键，所以人为误差不能避免。精确点尺度综合，采用迭代法对分析的若干个精确点进行综合，目的再现符合要求的设计机构。这种算法常也只能得到部分解，在工程应用中还不成熟。由于其运算实施较 容易实现，所以代数法在目前的机构学研究中应用多。几何作图法是传统的机构尺度综合方法。因为该方
14、法有明显的缺点如精度较低，作图复杂、繁琐，且只能实现有限位置的尺度综合，所以无法实现动作4要求精确的运动轨迹。但是随着数学工具以 及计算机的广泛应用，在今后的研究中几何作图法将会有更广阔的发展 11。图谱法研的图谱有数值图谱、曲线图谱。数值图谱是对性能参数、输出特性的描述，数值提取，判别及对相关机构尺寸的设计。具有精度高、无分支、方案多、无顺序等优点，为机构的优化提供了基础，对输出特性的数学表示、参数识别和选取方法是其关键技术所在 12。曲线图谱是将连杆机构的所有类型的连杆曲线制成 图谱库，以便设计需要选择机构尺寸，辨别机构类型时参考。其优 点了解机构的运动规律直观，较容易辅助其他设计，给出合
15、理的初 值，减少了产生分支和顺序的麻烦；但是建库工作量很大，使得机构尺寸类型有限，精度也不好保证。 平面连杆机构运动综合的内容有轨迹综合、位置综合(即刚体导引综合)、函 数综合；即设计连杆上的某一点的运动满足要求（轨迹要求或性能要求），输出杆和输入杆的位移满足某函数关系，连杆机构能导引某构件(刚体)按规定次序精确地经过若干给定的位置这三类要求下的机构 13。5第二章 零件建模2.1 Pro/E 简介 Pro/ENGINEER（简称 Pro/e）是由美国 PTC 公司推出的一套博大精深的三维 CAD/CAM 参数化软件系统。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在
16、目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空、汽车、机械、数控（NC）加工、电子等诸多领域。由于 Pro/ENGINEER 具有强大而完美的功能，因此几乎成为三维 CAD/CAM 领域的一面旗帜和标准 8。软件特色：Pro
17、/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。参数化设计：相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。基
18、于特征建模：Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。单一数据库（全相关）：Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，6不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路
19、径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。2.2 机构的运动分析曲柄摇杆机构的设计要求是，短连杆作为主运动曲柄产生逆时针恒定的旋转驱动，通过相关的铰链连接带动其他连杆在相互平行的平面内产生摇摆运动14。在本机构中，需要构建一个固定副、一个圆柱副和三个旋转副 15。其中固定架为固定副，中连杆和长连杆之间为圆柱副，其他三个连杆构件均为旋转副；而短连杆为原动力驱动零件，其他两个连杆为从动件。其装配结构如图 2.1 所示；零件图如图 2.22.7 所示。表 2.1 零件明细表6 SG-06 短销轴 45 钢 25 SG-05 中连杆 45 钢 14 SG-04 长连杆 45 钢 13 SG-03 长销轴 45 钢 22 SG-02 短连杆 45 钢 11 SG-01 固定架 45 钢 1序号 图号 零件名称 材料 数量
