1、 毕业设计报告 (论文 ) 报告 (论文 )题目： 平面连杆机构运动及动力分析 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： B07115 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 20074011543 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2011 年 6 月 北华航天工业学院教务处北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 平面连杆机构是一种应用十分广泛的机构。平面连杆机构全部采用低副连接，因而结构简单易于制造，结实耐用，不易磨损，适于高速重载；运动低副具有良好的匣形结构，无需保养，适于极度污染或腐蚀而易出现问题的机器中；平面连杆机构能够实现多种多样复杂的运动
2、规律，而且结构的复杂性不一定随所需完成的运动规律性的复杂程度而增加；平面连杆机构还具有一个独特的优点，就是可调性，即通过改变机构中各杆件长度，从而方便地改变了原机构的运动规律和性能。连杆机构由于结构上的特点在各种机械行业中被广泛的采用。通过对连杆机构的设计，可以实现不同的 运动规律，满足预定的位置要求和满足预定的轨迹要求。 机构运动及动力分析的目的是分析各个构件的位移、角速度、角加速度以及受力，分析构件上某点的位置、轨迹、速度和加速度等。这种方法能给出各运动参数与机构尺寸间的解析关系及写出机构某些点的轨迹方程式，能帮助我们合理地选择机构的尺寸，从而对某一机构作深入的系统研究。 平面连杆 机构运
3、动及动力分析 ，就是以连杆机构作为研究对象，对其各个运动件之间的关系公式进行推导，应用现代设计理论方法和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，探索掌握其运动规律， 讨论重要参数间的关系。 关键词： 平面连杆机构 运动性能仿真 运动规律 北华航天工业学院毕业论文 II Abstract Planar linkage mechanisms are used widely. Planar linkage mechanisms take the use of lower pair connection, so its structure is easy to manufacture, durable
4、and resistant, especially suitable for high-speed and heavy-duty; lower pair sports has a good box-shaped structure, without maintenance, which is fit for machines working in extreme contamination or often coming with problems because of corrosion; planar linkage mechanism not only can achieve a var
5、iety of complex movement, but also the more complex movement doesnt go with more complex structure; what gives linkage a unique advantage is that the motive rules and performance of the original mechanism will change with the length of the bar. As a result, linkage mechanisms are widely used in mech
6、anical industries. By changing the design of linkage mechanisms, it can achieve different motive rules in order to move as the intended location and trajectory. The analysis of mechanisms motion and power is aimed at each linkage mechanisms location, speed, angle acceleration and power, even those o
7、f some point of linkage mechanisms. This method can give the motion parameters and body size between the analytic relationship and trajectory equations of some point in the bar, which can help us choose a reasonable choice of mechanisms size, and thus to have further study about the system of some m
8、echanisms. The research of simulation of planar linkage mechanisms is to infer relative formers about every motive bar by studying the linkage mechanisms. Going further study and analyze, by applying modern design theory method and relevant professional knowledge is to obtain motive rules of it, dis
9、cuss the relationship of important parameters. Key Words: Planar Linkage Mechanisms Kinematical Performance Simulation Computer Aided Design 北华航天工业学院毕业论文 III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 本课题的选题背景 . 1 1.2 目前国内外研究概况 . 1 1.3 连杆机构 . 3 1.3.1 连杆机构的概念及特点 . 3 1.3.2 连杆机构的地位和作用 . 4 1.3.3 连杆机构的发展
10、及现状 . 4 1.4 连杆机构的运动及动力分析 . 5 1.4.1 运动及动力分析需完成的工作 . 5 1.4.2 平面连杆机构的运动及动力分析 . 5 1.5 本课题的研究内容 . 6 1.5.1 课题的提出 . 6 1.5.2 研究目标和研究内容 . 6 1.5.3 拟解决的关键问题 . 7 1.6 本章小节 . 7 第 2 章 连杆机构运动规律 . 8 2.1 研究连杆机构运动规律的目 的 . 8 2.2 运动参数公式的推导 . 8 2.2.1 位置公式的推导 . 9 2.2.2 速度公式的推导 . 10 2.2.3 加速度公式的推导 . 10 2.3 运动关系的分析 . 12 2.3
11、.1 位置关系曲线 . 12 2.3.2 角速度关系曲线 . 14 2.3.3 角加速度关系曲线 . 16 2.4 运动结果分析 . 19 2.5 本章小结 . 19 第 3 章 连杆机构动力分析 . 20 3.1 研究连杆机构动力规律的目的 . 20 北华航天工业学院毕业论文 IV 3.2 动力参数公式的 推导 . 20 3.2.1 运动副中反力的推导 . 20 3.2.2 曲柄上平衡力矩的推导 . 22 3.3 动力关系的分析 . 22 3.3.1 运动副中反力曲线 . 22 3.3.2 曲柄平衡力矩关系曲线 . 31 2.4 动力结果分析 . 32 3.5 本章小结 . 33 第 4 章
12、 总结 . 34 4.1 总结 . 34 4.2 展望 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 北华航天工业学院毕业论文 V 北华航天工业学院毕业论文 1 第 1 章 绪论 1.1 本课题的选题背景 平面连杆机构是由若干刚性构件用低副联接而成的平面机构，故又称平面低副机构。平面连杆机构构件运动形式多样，可以实现转动、摆动、移动和平面复杂运动，从而实现已知运动规律和已知轨迹。它的优点是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，它不像凸轮机构有时需用弹簧等力封闭来保持接触；连杆机构还能起增力或扩大行程的
13、作用，若接长连杆，则能控制较远距离的某些动作 1。所以，平面连杆机构广泛地应用于各种机械、仪表和机电一体化产品中。但是 它还存在着许多缺点：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；机构中作平面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，故机构常用于速度较低的场合 2。 以四杆机构为代表的平面连杆机构在工程机械中应用非常广泛，其优势是能够实现设计者所期望的多种运动规
14、律和运动轨迹的要求，而且结构简 单，容易制造，工作可靠。但欲使某简单机构实现复杂的运动要求时，该机构的设计过程通常也是十分艰难的 3。随着生产的发展，机构的载荷与速度不断提高，对平面连杆机构设计的要求也越来越高。因此，如何设计可满足各种工程要求的平面连杆机构，一直是该领域的重要课题。 近年来，随着新技术的发展以及一些新兴学科的出现，许多专家在原有的机构分析方法上，综合这些新的知识，将一些新的思想融入机构的研究中，而无论是传统还是新提出的研究方法，一个共同的特点就是完成一次计算的工作量较大，因此，计算机辅助设计方法的研究就成了连杆机构研究的主要方向 4。 1.2 目前国内外研究概况 机构运动分析
15、是机构运动学的一个分支，即已知机构主动输入，构件尺度及构件装配构形，确定从动件的运动规律（包括奇异位形问题及运动误差问题）；或已知机构主动输入和构件尺度，确定所有装配构形并从中选优，然后确定从动件 的运动规律。机构的运动分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。有了这些运动参数，才能分析、评价现有机械的工作性能，同时它也是优化综合新机械的基本依据。 通过位移的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断它们运动时是否发生相互北华航天工业学院毕业论文 2 干涉；还可以确定从动件的行程；考察构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。 通过对速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作
16、要求。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。 机构的加速度分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机械中，要对其动强度、振动 等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性力的大小和变化有关。因此，对于高速机械，加速度分析不能忽略。 平面连杆机构运动分析的方法有很多，主要有图解法、解析法和实验法。当需要简捷直观地了解机构的某个位置的运动特性时，采用图解法比较直观、方便，但其缺点是精度不高，而且当对机构一系列位置进行运动分析时，需要反复作图，工作繁琐。图解法包括速度瞬心法和相对速度图解法。当需要确切地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得
17、很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘出机构相应 的运动曲线图 5。 国外 CAD领域中关于机构分析和仿真技术的研究开展的较早，美国 CADSI等专业公司的机构运动学和动力学仿真软件 DADS、 ADAMS等早已商品化。 UG/PRO/ENGINEER等大型的 CAD/CAM/CAE软件都有自己的机构分析模块。机构分析与仿真软件在全球的内燃机、飞机、汽车、工程机械、冶金机械、石油钻采机械、纺织机械、轻工机械等行业中得到广泛的应用。 国内关于机构运动学分析和仿真技术的研究也发展的较早，但 对相关软件的研究起步却较晚。这类软件可分为三类：第一类用于教学目的，使用 VB等软件工具开发一些常见机
18、构的动画演示；第二类是出于某一工程实际应用需要所编写的运动学分析软件，这些软件一般能相应解决某一类机构的问题，而通用性受到限制；第三类是一些高校自主研发的比较通用的运动学分析软件，比如大连理工大学研发的平面连杆机构分析与仿真专家系统，就能实现平面连杆机构的运动学分析。 在一些机构分析及仿真论文中也有类似研究。参考文献 6利用了特征归纳的作用，即从各种具体零件中总结出共性的信息进行描述，以利于设计的标准化及过 程简单化，根据曲柄连杆机构的结构特点，建立其特征库。然后开发基于 VC+和 Pro/TOOLKIT的系统主程序与人机交互界面，实现对 Pro/E进行控制与参数传递，从而最终建立完整的计算机
19、辅助系统。参考文献 7采用 Visual C+6.0，并用消息并行处理技术、位图技术和控件信息提示技术等，实现了机构的运动仿真，给出了运动实时控制的程序段和运动平滑处理等方法。在参考文献 8中研究了在三维机械设计系统 SolidWorks平台上进行平面连杆机构运动仿真的方法，基于 SolidWorks平台，以 API为应用程序接 口，以类型转化及广义转化法为运动分析的理论基础，通过机构的配合特征和装配体中各零件几何信息的提取与转换，利用面向对象的 VC+语言实现了机构三维实体的运动仿真。参考文献 9以八杆机构为例，将由机构创意性定向发散得到的每一个机构型作为基本运动分析对象，以桁架理论和基本杆组理论对其进行运动分析，采用面向对象的 VC+编程技术对其封装，应用雅格比北华航天工业学院毕业论文 3 矩阵辨识机构和传递机构几何特征信息，实现了机构运动分析的自动化。参考文献 10运用图论理论，建立了静定桁架分析方法与机构运动分析方法的对应关系，将桁架分析中的通路法拓 展到平面机构运动分析，提出了连杆机构运动分析的广义回路法。建立了桁架节点位移方程与机构速度方程的对应关系，将桁架有限元分析直接应用于机构速度计算， 运用通路法和桁架有限元法建立机构运动方程，方法通用，实现
