平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合(畢業(yè)論文)

1、黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合 教學(xué)院： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容 （1） 查閱資料，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告； （2） 按學(xué)院要求，完成 1 篇與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題相關(guān)的英文文獻(xiàn)翻譯； （3） 在相關(guān)軟件平臺(tái)（如 vb 或 matlab）下，用解析法實(shí)現(xiàn)平面連桿機(jī)構(gòu)的 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)； （4） 按要求完成畢業(yè)論文。 2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求 （1）了解平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合課題的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì)； （2） 在閱讀相關(guān)平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，能用解析法分析和設(shè)計(jì) 平面機(jī)構(gòu)； （3） 熟悉和掌握相關(guān)軟件

2、平臺(tái)（如 vb 和 matlab） ； （4） 運(yùn)用相關(guān)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平面機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析； （5） 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求格式規(guī)劃，語(yǔ)句通順，論據(jù)充分，符合學(xué)院對(duì)畢業(yè) 設(shè)計(jì)論文要求。 i 3進(jìn)度安排 序號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期 1調(diào)研，查閱資料 2開(kāi)題報(bào)告，英文文獻(xiàn)翻譯 3實(shí)現(xiàn)平面機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析 4完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文初稿 5畢業(yè)設(shè)計(jì)論文修改，完成論文 6論文答辯 4其他情況說(shuō)明 （1）題目開(kāi)始實(shí)施后，每周星期三下午 3：30 在 k1 四樓行政辦公室集中， 檢查進(jìn)度，協(xié)調(diào)相關(guān)事項(xiàng)，進(jìn)行組內(nèi)討論，解答問(wèn)題。 （2）要求有統(tǒng)一的畢業(yè)設(shè)計(jì)筆記本，記錄資料查閱、問(wèn)題及

3、解決方案等。 每周集中時(shí)間進(jìn)行檢查。 （3）獨(dú)立完成畢業(yè)論文。 5主要參考文獻(xiàn) 1 孫桓，陳作模主編， 機(jī)械原理 （第五版） ，高等教育出版社，2006 2 韓建友編，高等機(jī)構(gòu)學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004 3 王宏磊，平面連桿機(jī)構(gòu)綜合研究與軟件開(kāi)發(fā)，碩士論文，萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)， 2005 4 熊濱生，現(xiàn)代連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2006. 5 于紅英，王知行，李建生，剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)一種綜合方法的研究；機(jī)械設(shè) 計(jì)，2001 6 蘇 阿爾托包列夫斯基,等. 孫可宗,陳兆雄,張世民,譯. 平面機(jī)構(gòu) ii 綜合m. 人民教育出版社,1982. 摘摘 要要 機(jī)構(gòu)分析與仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其中對(duì)連桿機(jī)

4、構(gòu)的研究較多。對(duì)于 結(jié)構(gòu)類型比較固定的機(jī)構(gòu)，已經(jīng)有不少的研究成果，但在機(jī)構(gòu)的綜合問(wèn)題上還需 要進(jìn)一步的研究完善。 本文敘述了平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和可視化仿真的理論，比較分析了多種機(jī) 構(gòu)的分析方法后，運(yùn)用基于桿組的機(jī)構(gòu)組建理論對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，利用 turbo c語(yǔ)言在數(shù)學(xué)處理方面的優(yōu)勢(shì)，采用c語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)了一套平面連桿機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以任意組建機(jī)構(gòu)，不限制機(jī)構(gòu)組成構(gòu)件 的數(shù)目，綜合度較高;修改完成后進(jìn)行機(jī)構(gòu)的預(yù)運(yùn)行，提出了機(jī)構(gòu)可行性的概念， 解決了在運(yùn)動(dòng)模擬中機(jī)構(gòu)在某一角度位置不滿足裝配條件時(shí)，計(jì)算出錯(cuò)的問(wèn)題， 保證了任意搭建的機(jī)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬;對(duì)機(jī)構(gòu)在整個(gè)

5、周期內(nèi)的可行性進(jìn)行了計(jì) 算分析并記錄相應(yīng)信息，隨后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，可根據(jù)需要輸出任意構(gòu)件點(diǎn)的 位移、速度、加速度曲線和相應(yīng)文字信息，形象直觀。該系統(tǒng)界面美觀，人機(jī)交 互性能強(qiáng)，并有較強(qiáng)的容錯(cuò)機(jī)制，操作時(shí)根據(jù)文本提示，不需要很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)。 使用該系統(tǒng)，我們可以優(yōu)化設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中的情況，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)效率。 本論文的創(chuàng)新之處: 1.用基于桿組的思想來(lái)組建機(jī)構(gòu)，并可以任意的添加和修改，在動(dòng)態(tài)仿真中 可以觀察到機(jī)構(gòu)比較“真實(shí)”的運(yùn)動(dòng)情況，并有相應(yīng)數(shù)據(jù)和圖表信息的顯示。 2.對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可行性進(jìn)行了分析研究，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真前，在后臺(tái)進(jìn)行了 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬

6、的預(yù)運(yùn)行，甄別任意組建的機(jī)構(gòu)在整個(gè)周期運(yùn)動(dòng)中不滿足裝配條件 的角度并記錄，而展現(xiàn)給用戶的則是機(jī)構(gòu)在可行域內(nèi)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)情況，提高了程 序的運(yùn)行效率，并且使得程序的使用更加合理化和美觀化。 關(guān)鍵詞:平面連桿機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)分析、桿組、turbo c iii abstractabstract mechanisms analysis and imitation is the key content of the mechanisms design, in which the planar linkages analysis is more than others. to the mechanism whos

7、e structure style is fixed, there have many researches, but their synthesis is still need to be researched. this paper describes the theories of planar linkages movement analysis and visualization simulation, after comparing with several ways of the mechanisms analysis, adopt the mechanisms construc

8、tion theory based on rod-group and analysis the mechanisms movement, take the turbo advantage in math display, adopt turbo c as the program language, exploit a system of planar linkages movement analysis and dynamic simulation and imitation. this system can construct mechanism at random, no limitati

9、on in the number of the construction, the synthesis is very high; after amend, make the re-circulate, propose the conception of feasibility, resolve the problem that when the mechanism is not accord with the assemble condition the system will make wrong, so to ensure that the mechanism which constru

10、cted at random can make dynamic imitation; count and analysis the feasibility of the mechanism in whole period, then register all the information, and make dynamic simulation, and can output any components curve of displacement，edacity, acceleration and corresponding text information according to th

11、e need, it is visualize and view. this systems interface is very beautiful, and its communion ability between people and computer is very good, and also has a good form in dealing with the fault, when manipulate, we can infer form the hint text, so it is not need special knowledge in using it. using

12、 this iv system, we can optimize and design new mechanism, and make movement simulation, observe the status of the mechanisms movement, forecast the bug of the design and so to improve the design efficiency. the innovations of the paper: 1. set up the mechanism on the basis of rod-group, and can add

13、 or amend freely, during the course of dynamic simulation, we can observe the real movement of the mechanism, and also the corresponding data and figure be displayed. 2. make analysis on the feasibility of the mechanisms movement, before simulation, count and analyze the mechanism in the backstage,

14、so as to find out in which angel the mechanism accord with the assemble condition and in which angel not, then the pictures showed to the user is the continuous movement, such improve the run efficiency, and make the programs use be more rational and beautiful. keykey wordswords: planar linkage, mov

15、ement analysis, visualization simulation rod-group matlab, dynamic simulation and limit. v 目 錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 摘要摘要 abstractabstract 第一章第一章 緒論緒論.1 1 1. 1 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.1 1. 1. 1 平面連桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1. 1.2 連桿機(jī)構(gòu)分析的歷史與現(xiàn)狀.1 1.2 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析綜合和動(dòng)態(tài)仿真的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.4 1.2.1 連桿機(jī)構(gòu)分析的常用方法.4 1.2.2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析仿真軟件研究現(xiàn)狀及發(fā)展.5 1.

16、3 本文研究的內(nèi)容和意義.6 1.3.1 本文研究的內(nèi)容.6 1.3.2 本文研究的意義.7 1.4 平面連桿機(jī)構(gòu)的組成原理.8 1.4.1 研究機(jī)構(gòu)組成的目的.8 1.4.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的組成原理.9 第二章第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.1111 2.1 引言 .11 2.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的.11 2.1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的常用方法.11 22 曲柄、基本桿組的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.12 vi 2.2.1 曲柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .12 2.2.2 rrr級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .13 2.2.3 rrp級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .14 2.2.4 rpr級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .15 第

17、三章第三章 平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析.1717 3. 1 引言 .17 3.1.1 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的目的 .17 3.1.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的方法 .17 3.2 曲柄、基本桿組動(dòng)力學(xué)綜合.18 3.2.1 曲柄動(dòng)力學(xué)分析 .18 3.2.2 rrr級(jí)桿組的動(dòng)力學(xué)分析 .19 第四章第四章 基于基于 c c 語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).2121 4.1 turbo c 發(fā)展概況： .21 4.2 c 語(yǔ)言介紹 .22 第五章第五章 平面連桿機(jī)構(gòu)的平面連桿機(jī)構(gòu)的 c c 語(yǔ)言編程仿真實(shí)例語(yǔ)言編程仿真實(shí)例.2424 5.1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的實(shí)例分析 .24 第六

18、章第六章 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.2828 6.1 結(jié)論.28 6.2 展望.28 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).3030 致謝致謝.3232 0 第一章 緒論 1. 1 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1. 1. 1 平面連桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀平面連桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 18世紀(jì)下半葉的第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在 原來(lái)的機(jī)械力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。早在13世紀(jì)連桿機(jī)構(gòu)就己得 到應(yīng)用，最簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)，也是出現(xiàn)最早的一種連桿機(jī)構(gòu)。對(duì)連桿 機(jī)構(gòu)的研究起始于18世紀(jì)著名發(fā)明家瓦特，1784年他所發(fā)明的蒸汽機(jī)中曾應(yīng)用四 桿機(jī)構(gòu)連桿點(diǎn)的近似直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引機(jī)構(gòu)中的另一個(gè)桿運(yùn)

19、動(dòng).瓦特在蒸汽機(jī)中應(yīng)用連 桿點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)多年后，人們才認(rèn)識(shí)到連桿運(yùn)動(dòng)的作用，但由于當(dāng)時(shí)缺少連桿運(yùn)動(dòng)特 性方面的理論基礎(chǔ)，限制了其應(yīng)用的發(fā)展，直到19世紀(jì)80年代后，才相繼出現(xiàn)了 一些有關(guān)連桿方面的文獻(xiàn)。近百年來(lái),世界各國(guó)學(xué)者對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究， 其論文、專著和評(píng)述很多.對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的不斷深入研究，就在于連桿機(jī)構(gòu)無(wú)論是過(guò) 去還是現(xiàn)在，都對(duì)機(jī)械工業(yè)乃至整個(gè)生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義和作用. 19世紀(jì)以來(lái)，以幾何圖解法為主導(dǎo)的德國(guó)機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)派曾對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的研究做 出了巨大的貢獻(xiàn)，其研究成果長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位。二次世界大戰(zhàn)后，借助于 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使連桿機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用又有了新的突破，開(kāi)辟

20、了很 多新的分支。在平面連桿機(jī)構(gòu)中最基本的形式為四桿機(jī)構(gòu)，關(guān)于四桿機(jī)構(gòu)的分析 己進(jìn)行了不少研究工作。但是不論在運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方面，四桿機(jī)構(gòu)仍有進(jìn)一步 研究的必要。至于五桿以上的多桿機(jī)構(gòu)，特別是多桿多自由度機(jī)構(gòu)，目前的工作 還很不完善。四連桿機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，而且應(yīng)用廣泛，但其所能實(shí)現(xiàn)的功 能也比較簡(jiǎn)單，隨著機(jī)械自動(dòng)化、機(jī)械手、機(jī)器人的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)構(gòu)所需滿足 的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性有更高的要求，在國(guó)際上也十分注重這方面的工作。連桿 機(jī)構(gòu) 是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)，是組成各種機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)，各種紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等，因此連桿機(jī)構(gòu)的研究一直是機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域中的研 究重點(diǎn)。 連桿機(jī)

21、構(gòu)的研究包括兩個(gè)方面:連桿機(jī)構(gòu)分析與連桿機(jī)構(gòu)綜合。 1. 1.2 連桿機(jī)構(gòu)分析的歷史與現(xiàn)狀連桿機(jī)構(gòu)分析的歷史與現(xiàn)狀 連桿機(jī)構(gòu)分析著重在于連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性的研究，揭示 1 連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其相互關(guān)系，用于現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)的 性能分析與改進(jìn)。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析在連桿機(jī)構(gòu)分析中占有重要的地位，因此 本文著重介紹連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的發(fā)展情況。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括三個(gè) 方面的內(nèi)容:位置分析、速度分析和加速度分析。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)是理 論力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，它的研究歷史較早，經(jīng)過(guò)幾代學(xué)者們的努力，現(xiàn)己形成了較 為成熟的連桿機(jī)構(gòu)分析的理論與方法。 早期的機(jī)構(gòu)學(xué)研

22、究者就己建立了連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法，如圖解法、實(shí) 驗(yàn)法和解析法等。圖解法可分為速度瞬心法、速度和加速度多邊形法191等;圖解 法直觀、簡(jiǎn)單，但精度低。實(shí)驗(yàn)法需要專門(mén)的實(shí)驗(yàn)器材，而且實(shí)驗(yàn)的精度受到很 多客觀和主觀因素的限制，在機(jī)構(gòu)分析中己經(jīng)不大常用。解析法公式復(fù)雜，如果 沒(méi)有先進(jìn)的計(jì)算工具，只能用于簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，但其計(jì)算精度高，隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析法則成了機(jī)構(gòu)分析的主要手段。到目前為止,計(jì)算輔助機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法可分為三類:矢量三角形法、約束法、基本桿組法和數(shù)值法。 1) 矢量三角形法:一個(gè)平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的圖形總可以劃分為若千個(gè)三角 形，基于這種思想，將平面機(jī)構(gòu)的位置分

23、析問(wèn)題歸納為求解一系列三角形問(wèn)題， 并采用復(fù)數(shù)矢量方法來(lái)描述三角形。此法由m.a.ch ase創(chuàng)建，牧野洋對(duì)此法做了 一些改進(jìn)，所以此法又稱為擎斯-牧野洋法。d.w.cooper等人于1964年基于此理論 開(kāi)發(fā)了第一部公開(kāi)發(fā)行的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件kam(kinematic analysis method)。m.a.chase等人在michigan state university開(kāi)發(fā)了dram (dynamic response of articulated machinery)，它適用于平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分 析，所用的理論也是矢量三角形法。 2)基本桿組法:此法的出發(fā)點(diǎn)是，以機(jī)構(gòu)

24、中不可再分的自由度為零的運(yùn)動(dòng)鏈作 為機(jī)構(gòu)的基本單元，此單元稱為基本桿組或者阿蘇(accyp/assur)桿組。阿蘇爾提 出基本桿組概念后，阿爾托包列夫斯基又提出了機(jī)構(gòu)分類的方法，涉及到了ii級(jí) 桿組五種形式的運(yùn)動(dòng)分析?；緱U組法是以機(jī)構(gòu)中的“阿蘇爾桿組”為基本單元， 按各基本單元編制通用的運(yùn)動(dòng)分析子程序，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，先將機(jī)構(gòu)劃 分成基本桿組，然后逐個(gè)對(duì)每一基本桿組進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，最終完成整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動(dòng)分析。根據(jù)基本桿組內(nèi)部封閉的運(yùn)動(dòng)副個(gè)數(shù)不同，可以分為若干級(jí)，而每一級(jí) 又因轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的不同組合分為若干種。對(duì)于某一基本桿組來(lái)說(shuō)，就被稱為 第幾種幾級(jí)組。由于基本桿組具有運(yùn)動(dòng)的確定性和

25、力的穩(wěn)定性，可事先對(duì)各種基 2 本桿組編制成相應(yīng)的算法模塊。1981年，東北重型機(jī)械學(xué)院的黃真教授提出簡(jiǎn)單 方便的桿長(zhǎng)逼近法四去確定阿蘇爾三懸桿組的位置，對(duì)平面多桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置分 析。1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王知行、李瑰賢教授對(duì)用桿組法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析作 了深入的研究，給出連桿機(jī)構(gòu)的ii級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)分析子程序。與此同時(shí)，北京郵電 學(xué)院的梁崇高教授給出某些級(jí)ii桿組的運(yùn)動(dòng)分析的子程序，解決了某些h，ii級(jí)桿 組的運(yùn)動(dòng)分析問(wèn)題，但對(duì)于某些高級(jí)桿組的運(yùn)動(dòng)分析尚未解決。1987年，上海交 通大學(xué)的鄒惠君教授提出用虛擬機(jī)構(gòu)法解決了高于ii級(jí)桿組的機(jī)構(gòu)分析問(wèn)題，其 基本思想是將平面高級(jí)桿組分解成兩個(gè)具有同一

26、原動(dòng)件的ii級(jí)機(jī)構(gòu)，把它們的同 名點(diǎn)的距離平方作為分離函數(shù)，對(duì)分離函數(shù)求解可解得平面高級(jí)桿組的位置。同 年，北京航空學(xué)院張啟先教授提出用拆桿拆副法1151作平面多桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析， 該方法可用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，但公式推導(dǎo)較復(fù)雜。學(xué)者們?cè)诓粩嗟乜偨Y(jié)完 善已有的機(jī)構(gòu)分析的方法探求機(jī)構(gòu)分析的新方法，如文獻(xiàn)17研究了平面八桿 以內(nèi)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，其特點(diǎn)是在求解機(jī)構(gòu)位置時(shí)不需要給出位置初值，且能獲 得機(jī)構(gòu)位置的多解。國(guó)外對(duì)機(jī)構(gòu)分析的研究幾乎與國(guó)內(nèi)并行進(jìn)行，1986年意大利 學(xué)者c.u.galleti和日本學(xué)者h(yuǎn).funabashi提出將機(jī)構(gòu)看成由元掩架組成,首先求出 元析架的位置，然后便可確定整個(gè)機(jī)構(gòu)

27、的位置，這種方法實(shí)質(zhì)上與基本桿組法類 似。 3) 約束法:把平面機(jī)構(gòu)看成由一些相互之間受到一定約束的基點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)， 建立起這些約束條件的數(shù)學(xué)模型，并編制分析程序以完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，這種 方法稱為約束法。在此基礎(chǔ)上建立起這些約束的數(shù)學(xué)模型，并編制成通用的子程 序，提供給求解各種機(jī)構(gòu)分析或綜合問(wèn)題時(shí)使用。約束法本身也是多種多樣的， 不同作者所定義也不盡相同。p.n sheth,j.j. ui ker.jr 等人于20世紀(jì)60年代期 間在美國(guó)university of wisconsin大學(xué)開(kāi)發(fā)的imp就是基于這種理論。80年代以 后，隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像顯示技術(shù)的實(shí)用化，一些歐美國(guó)家已經(jīng)可以將所

28、設(shè)計(jì)的 機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中以三維實(shí)體來(lái)描述，從而可以顯示出它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期循環(huán)中的 各個(gè)側(cè)面，以觀察機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的空間運(yùn)動(dòng)情況。例如:美國(guó) mechanical inc.公司研制的adams (automatic dynamic of analysis mechanical system)軟件就是集建模，求解，可視化為一體的虛擬樣機(jī)軟件。它 可以產(chǎn)生復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，真實(shí)地仿真其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且可以同時(shí)分析 和比較多種參數(shù)方案，直至獲得優(yōu)化的工作性能。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的學(xué)者在平面連桿 3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方面做了很多富有成效的工作。1981年，法國(guó)學(xué)者javier garcia de jal

29、on介紹t如何用約束法對(duì)平面低副機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，該方法首先把機(jī)構(gòu)看 成具有一定約束點(diǎn)的集合，運(yùn)用有限元法的一些技巧，形成所求機(jī)構(gòu)的位置、速 度和加速度方程，借助于計(jì)算機(jī)對(duì)方程組進(jìn)行求解，得到機(jī)構(gòu)的參數(shù)。1985年， 天津紡織工學(xué)院的傅保羅以文獻(xiàn)中所介紹的數(shù)學(xué)模型和方法為基礎(chǔ)，采用一般的 數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)平面低副機(jī)構(gòu)的位置、速度和加速度進(jìn)行了分析求解,80年代后期， 楊廷力，沈惠平等人采用狀態(tài)變量法開(kāi)發(fā)的kapl,采用的理論是楊廷力提出的狀態(tài) 變量法。西安理工大學(xué)的曹惟慶，褚金貴等人采用型轉(zhuǎn)化理論和廣義型轉(zhuǎn)化理論 開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)化程度較高的對(duì)任意平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和力學(xué)分析的通 用軟件kd

30、as,1992年，美國(guó)學(xué)者g.r. pe nnock又采用建立約束方程的方法對(duì)用于 平臺(tái)型機(jī)器人的一種八桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析.1997年，意大利學(xué)c.innocenti采 用建立約束方程的方法，對(duì)7桿阿蘇爾運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行了位置分析。對(duì)于八桿以上的多 桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析比較因難，直到1999年，美國(guó)學(xué)者c.w wampler和北京郵電學(xué)院 的l.han才利用復(fù)數(shù)法解決了多桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的問(wèn)題。 4) 數(shù)值法。對(duì)于得不出顯函數(shù)關(guān)系的高級(jí)機(jī)構(gòu)，往往出現(xiàn)非線性方程組， 需要引用數(shù)值解法，應(yīng)用逼近理論進(jìn)行迭代求解方面的奠基人有齊諾維也夫， newton-raphson等，我國(guó)學(xué)者曹惟慶在他的著作中也介紹了這種

31、方法。文獻(xiàn)的的 作者于1995年將數(shù)值法與解析法結(jié)合起來(lái)對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了用復(fù) 合法進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)分析的新方法。經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的努力，到目前為止，已形成了 較為成熟的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的理論與方法。 1.2 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析綜合和動(dòng)態(tài)仿真的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 連桿機(jī)構(gòu)分析的常用方法連桿機(jī)構(gòu)分析的常用方法 機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容主要有連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)等。連桿機(jī)構(gòu)廣泛的 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、紡織、機(jī)械、冶金等行業(yè)中，因其具有以下特點(diǎn):1)運(yùn)動(dòng)副一般為低 副，可承受較大載荷，且不易產(chǎn)生大的磨損，此外，其形狀簡(jiǎn)單，便于加工制造; 連桿上各不同點(diǎn)的軌跡各不相同，改變各桿件相對(duì)長(zhǎng)度關(guān)系，則連

32、桿曲線的形狀 也隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)輸出。因此對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和模擬仿真 具有實(shí)際意義。在我國(guó)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般是用手工計(jì)算來(lái)完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力 學(xué)分析，到目前為止我國(guó)的制造行業(yè)大多數(shù)仍在使用這種方法。實(shí)際上，這種傳 4 統(tǒng)手工方法存在諸多弊端.首先,其工作效率非常低下，計(jì)算機(jī)構(gòu)中一個(gè)桿件在一 個(gè)位置上的一個(gè)點(diǎn)的位移、速度、加速度和反力可能要花費(fèi)幾天的時(shí)間，要完成 一個(gè)桿件的所有桿件上的任意點(diǎn)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì) 算所需的時(shí)間就長(zhǎng)得多了，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的信息時(shí)代的當(dāng)今，這是不允許 的。所以，實(shí)際上傳統(tǒng)手工計(jì)算僅僅是一種憑經(jīng)驗(yàn)作了極大簡(jiǎn)化處理的粗略計(jì)算， 就

33、算如此，還是大大地延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。其次 ，由于工作效率低下和手工作圖計(jì) 算的不準(zhǔn)確，必然造成分析結(jié)果的可信度大打折扣。其三 ，傳統(tǒng)手工計(jì)算輸出的 結(jié)果是數(shù)字，不夠生動(dòng)形象，給方案評(píng)價(jià)帶來(lái)不便。其四,某些復(fù)雜機(jī)構(gòu)的分析必 須求解復(fù)雜方程組，用手工計(jì)算無(wú)法完成，必須借助于數(shù)值計(jì)算方法才能解決。 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)分析與仿真技術(shù)是借助于計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的建模和分析軟件來(lái)完成 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，即使是復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，也 可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)建模、分析和仿真過(guò)程。它克服了傳統(tǒng)手工方法的 所有缺點(diǎn)，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，保證分析結(jié)果的正確性，生動(dòng)形象地模擬運(yùn)動(dòng) 過(guò)程，能解決用手工計(jì)

34、算無(wú)法完成的復(fù)雜機(jī)構(gòu)的分析。 1.2.2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析仿真軟件研究現(xiàn)狀及發(fā)展連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析仿真軟件研究現(xiàn)狀及發(fā)展 國(guó)外cad領(lǐng)域中，關(guān)于機(jī)構(gòu)分析與仿真技術(shù)的研究開(kāi)展得較早，美國(guó)cadsi, mechanical dynamics inc, working model等專業(yè)公司的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分 析與仿真軟件dads,adams, working model等早已商品化，長(zhǎng)期占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位， ug,i-deas, pro/engineer,c adds5, euclid,catia等大型的cad/cam/cae/p dm軟 件都有自己的機(jī)構(gòu)分析與仿真模塊(有些是將專業(yè)公司的機(jī)構(gòu)分析軟

35、件子集嵌入其 中)。最近在pc和windows平臺(tái)上崛起的solid works, solider age, mdt等所謂中 檔cad系統(tǒng)，無(wú)一例外地都把cadsi. mechanical dynamics inc.等公司的機(jī)構(gòu)分 析軟件作為其集成方案中的重要子系統(tǒng)之一。機(jī)構(gòu)分析與仿真軟件在全球的內(nèi)燃 機(jī)、飛機(jī)、汽車(chē)、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、石油鉆采機(jī)械、紡織機(jī)械、輕工自動(dòng)機(jī) 械等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在教育教學(xué)領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。國(guó)內(nèi)關(guān)于機(jī)構(gòu)運(yùn) 動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與仿真技術(shù)的研究也開(kāi)展得較早，機(jī)械學(xué)專業(yè)的一大批老資歷 專家和學(xué)者在這方面做了大量的研究工作。如果單從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的 理論研究

36、來(lái)講，我國(guó)目前的水平可能比國(guó)外并不落后。但是，有一個(gè)比較大的問(wèn) 題，就是這些工作長(zhǎng)期停留在傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，研究成果都只是一些概念、算法， 5 主要是編一些計(jì)算程序或繪出簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析曲線和圖譜，使用的是像fortran或 basic等結(jié)構(gòu)化程序語(yǔ)言，幾乎沒(méi)有人把它與高技術(shù)相聯(lián)系。所以，到目前為止， 沒(méi)有一個(gè)能適應(yīng)cims(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))需求的能與cad系統(tǒng)集成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 和動(dòng)力學(xué)分析與仿真軟件，這方面的研究開(kāi)發(fā)工作在國(guó)內(nèi)尚屬于起步階段。 總之 ，國(guó)外的軟件在人機(jī)交互，圖像圖形處理和可視化方面比較好，但與 此同時(shí)該軟件也存在缺點(diǎn)，其中一個(gè)比較普遍的問(wèn)題就是在運(yùn)動(dòng)分析中一般采用 非線性方程組

37、迭代法求解，速度慢，特別是對(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)就會(huì)更慢，有時(shí) 甚至不能收斂。國(guó)內(nèi)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方面的軟件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及受力分析與通 用程序方面雖然已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但在結(jié)合產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化和計(jì)算機(jī)仿真，人機(jī)交互及圖象處理，可視化等方面，則與國(guó) 際先進(jìn)水平有明顯差距。目前 ,我國(guó)制造業(yè)使用的機(jī)構(gòu)分析與仿真軟件幾乎完全 依賴進(jìn)口，付出了昂貴的代價(jià)，而國(guó)內(nèi)自主版權(quán)的同類軟件幾乎沒(méi)有，因此，從 提高我國(guó)制造業(yè)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力和發(fā)展高技術(shù)軟件產(chǎn)業(yè)的角度來(lái)看，開(kāi)展計(jì)算 機(jī)輔助機(jī)構(gòu)分析與仿真技術(shù)及軟件的研究開(kāi)發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和必要性。 1.3 本文研究的內(nèi)容和意義 1

38、.3.1 本文研究的內(nèi)容本文研究的內(nèi)容 在各種機(jī)構(gòu)形式中，連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)表現(xiàn)為具有多種多樣的結(jié)構(gòu)和特性，僅 就平面連桿機(jī)構(gòu)而言，即使其構(gòu)件數(shù)目被限制在很少的情況下，大量的各種可能 的結(jié)構(gòu)形式在今天仍難以估計(jì)。連桿機(jī)構(gòu)具有很多方面的優(yōu)點(diǎn)，因而在各種機(jī)構(gòu) 中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)于某一特定機(jī)構(gòu)如:四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲 柄搖桿機(jī)構(gòu)等工程中常見(jiàn)機(jī)構(gòu)都有很好的現(xiàn)成的計(jì)算方法。傳統(tǒng)的分析方法(如矢 量方程法、矩陣法等)對(duì)不同機(jī)構(gòu)均需單獨(dú)編程，不容易建立通用軟件，也就難以 發(fā)揮計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確快速的優(yōu)越性，影響了對(duì)機(jī)構(gòu)問(wèn)題的研究，如何編一個(gè)解決機(jī)構(gòu) 分析的通用程序成了一個(gè)待解決的問(wèn)題。 本課題的出發(fā)點(diǎn):

39、1.具有設(shè)計(jì)和教學(xué)雙重價(jià)值，面向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者及學(xué)生。2.具 有實(shí)用性、交互性，總體上要求先進(jìn)、實(shí)用、易用，既有良好的用戶界面和適時(shí) 交互能力，操作方便，對(duì)用戶的專業(yè)要求盡量低。3.具有易擴(kuò)展性、開(kāi)放性，系 統(tǒng)具有易于功能維護(hù)和擴(kuò)展的能力。4.具有高度的容錯(cuò)性和可靠性，系統(tǒng)在分析 6 計(jì)算中運(yùn)行可靠，不要出現(xiàn)意外的情況。系統(tǒng)完全使用模塊化的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)， 充分利用當(dāng)今先進(jìn)編程技術(shù)，使軟件具有流行的風(fēng)格，便于使用。本人研制了一 個(gè)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容: 1) 機(jī)構(gòu)的尺寸綜合。根據(jù)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性，確定幾何尺寸參數(shù)從 而完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。為了獲得滿意的機(jī)構(gòu)尺寸，在尺

40、寸綜合時(shí)可以對(duì)機(jī)構(gòu)尺寸 進(jìn)行修改，如，桿長(zhǎng)、角度等。 2) 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。結(jié)合論文實(shí)際，提出基本結(jié)構(gòu)桿組單元分析法，這些 基本結(jié)構(gòu)桿組單元是對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析建立數(shù)學(xué)模型，編寫(xiě)算法模塊的最小單 元.按已知的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解其它活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 其基本內(nèi)容為:求構(gòu)件的位置，包括求構(gòu)件上某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，求構(gòu)件的角速度和 角加速度，構(gòu)件上某點(diǎn)的速度、加速度等，其目的在于研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性 能，而且運(yùn)動(dòng)分析也是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模擬的基礎(chǔ)。 3) 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)已綜合的新機(jī)構(gòu)在屏幕上演示其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)仿 真檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 4) 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)?；诿嫦?qū)ο蟮?/p>

41、方法，建立機(jī)構(gòu)對(duì)象模型，將平面組合機(jī)構(gòu) 抽象成連桿，滑塊等基本構(gòu)件單元以及連接這些基本構(gòu)件單元的桿組，并為它們 建立各自的程序模塊。連桿機(jī)構(gòu)的通用運(yùn)動(dòng)分析軟件是基于良好的用戶界面的， 所以選擇了vb作為開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，利用vb語(yǔ)言編制了大量的程序，實(shí) 現(xiàn)了上述的各種功能。 1.3.2 本文研究的意義本文研究的意義 平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，其理論水平已經(jīng)接近完善， 但是遺憾的是雖然目前己經(jīng)有不少相關(guān)的分析仿真軟件，但在人機(jī)交互友好、可 視化、智能化程度高、功能完善等方面還做的不夠理想。本課題的目的是開(kāi)發(fā)一 套較高自動(dòng)化程度、計(jì)算速度快、人機(jī)交互能力強(qiáng)、界面友好、通用性

42、強(qiáng)、并能 讓一般工程技術(shù)人員方便使用的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和運(yùn)動(dòng)仿真的可視化仿真軟件。開(kāi) 發(fā)一套系統(tǒng)的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件既可以為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供良好的輔助工 具又可以便教學(xué)演示。同時(shí)將計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真這個(gè)先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用于機(jī)械行業(yè)里 來(lái)為機(jī)械設(shè)計(jì)與理論服務(wù)也具有重大的意義。本人制 的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件， 形象直觀，使用者只需要點(diǎn)擊選擇并添加桿件或桿組，系統(tǒng)提示輸入相應(yīng)的參數(shù)， 7 給出可能的組合情況供使用者選擇，機(jī)構(gòu)的綜合度高，使用者用鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊桿 件連接的位置即可組成機(jī)構(gòu)。然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，運(yùn)動(dòng)分析和結(jié)果輸出。軟件的 設(shè)計(jì)智能化，對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)要求低，機(jī)構(gòu)的組成形式不受限制，可以任意 連接組

43、構(gòu)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是研究機(jī)械性能的重要組成部分。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分 析可以了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，便于更合理有效地使用現(xiàn)有的各種機(jī)械，在設(shè)計(jì)機(jī) 構(gòu)時(shí)。又可以通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析來(lái)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性是否滿足要求。計(jì)算機(jī) 動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)用于機(jī)構(gòu)的原理分析中，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真顯示，可以使我們對(duì)一些機(jī) 構(gòu)的原理有比較直觀和深刻的認(rèn)識(shí)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析中采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿 真技術(shù)具有以下特點(diǎn). 1. 優(yōu)化性。對(duì)于復(fù)雜機(jī)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真可以預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)的性能和參數(shù)， 并使得所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的性能達(dá)到最優(yōu)。 2. 經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于大型和復(fù)雜機(jī)構(gòu)，直接實(shí)驗(yàn)的成本很高，采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿 真技術(shù)則可以大大降低實(shí)驗(yàn)成本，且可以多次重復(fù)

44、實(shí)驗(yàn)，并可以及時(shí)的修改設(shè)計(jì) 中的偏差。 3. 安全性。對(duì)于某些有潛在危險(xiǎn)的機(jī)構(gòu)，采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)沒(méi)有任何 危險(xiǎn)。 4. 可視性。通過(guò)先期的模擬、演示、驗(yàn)證，可以使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加直觀、 可視化。 1.4 平面連桿機(jī)構(gòu)的組成原理 1.4.1 研究機(jī)構(gòu)組成的目的研究機(jī)構(gòu)組成的目的 機(jī)構(gòu)是一個(gè)用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)的裝置，為此,機(jī)器中的機(jī)構(gòu)顯然需要具 有確定的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析就是研究機(jī)構(gòu)是怎樣組成的，以及在什么條件下機(jī) 構(gòu)才具有確定的運(yùn)動(dòng)。因此，研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的之一就是揭示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成 規(guī)律，為綜合新的機(jī)構(gòu)提供理論依據(jù)。 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中，常常需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，以便了解其速

45、 度、加速度和所受諸力的變化規(guī)律。然而，各種機(jī)器中機(jī)構(gòu)的型式多不相同，機(jī) 構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的具體形狀也是各式各樣的。因此，要逐一的對(duì)這些型式各異的具體 機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析是不可能的，而且實(shí)際上也沒(méi)有必要。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的目的之一就 是通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類，可以為舉一反三的研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力 8 分析提供方便。 另外，在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)構(gòu)的型式可以各式各樣，機(jī)構(gòu)的構(gòu)造可以有簡(jiǎn)有繁， 然而對(duì)它們的共同要求是必須能夠?qū)崿F(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的組成原理可以在選用 構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時(shí)，提供一些指導(dǎo)原則，特別在最優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，也是很有意義的。 機(jī)械工業(yè)在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 未來(lái)

46、機(jī)械工程科學(xué)的發(fā)展趨向于交叉，綜合化;微型，精密化:高效，清潔化;柔性， 集成化。對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)來(lái)說(shuō)，隨著科技的發(fā)展，也將隨之發(fā)生廣泛、深刻的 變化。近些年來(lái)，機(jī)構(gòu)學(xué)研究的深度和廣度不斷地延伸，新的研究理論及方法在 不斷地涌現(xiàn)出來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)、智能材料等科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類正在經(jīng)歷 一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命。許多自動(dòng)化系統(tǒng)正在部分地代替人類的腦力勞動(dòng)，并且不斷 地與各行業(yè)、各領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造性地結(jié)合起來(lái)，從而為社會(huì)的發(fā)展注入新的 活力，也使古老而年輕的機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)生著深刻的變化。 當(dāng)今時(shí)代是技術(shù)變革不斷發(fā)生的偉大時(shí)代。這幾年，最為振奮人心的事情， 是一些用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)分析的功能強(qiáng)大的軟件 matla

47、b 等的問(wèn)世，使原來(lái)不可能求解 的機(jī)構(gòu)變?yōu)榭赡?，機(jī)構(gòu)學(xué)理論也不斷完善。如何結(jié)合機(jī)械工程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 應(yīng)用各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，提高設(shè)計(jì)效率，是當(dāng)前設(shè)計(jì)研究的新方 向。 平面機(jī)構(gòu)是機(jī)械工業(yè)中使用最為廣泛的機(jī)構(gòu)，能有效地實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 和運(yùn)動(dòng)軌跡，很好地完成預(yù)定的動(dòng)作，因而在農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、重型工業(yè)、冶金、 儀表等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于圖解法或分析法的連桿機(jī)構(gòu)設(shè) 計(jì)無(wú)論設(shè)計(jì)精度還是設(shè)計(jì)效率都相對(duì)低下，不能滿足現(xiàn)代機(jī)械高精度的設(shè)計(jì)要求。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為機(jī)構(gòu)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的手 段，其設(shè)計(jì)的規(guī)范化、普及化、通用化、快速、高效是目前最大的需

48、求，結(jié)合計(jì) 算機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)正能解決這方面的矛盾。在目前，基于 matlab 等軟件對(duì)平 面機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合沒(méi)有全面研究。因此，在該方法研究基礎(chǔ)上，可為用戶提供方 便的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)。該方法所得出的研究結(jié)果，可推廣到機(jī)械工程設(shè)計(jì)的其它方 面，所以進(jìn)行這方面的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 總之，通過(guò)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的分析，揭示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成規(guī)律、機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特 征以及它們與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為建立機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、 9 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的理論系統(tǒng)提供基本依據(jù)，從而為新機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)化、創(chuàng)新 提供途徑。 1.4.2 平面連桿機(jī)構(gòu)的組成原理平面連桿機(jī)構(gòu)的組成原理 任何機(jī)構(gòu)都包含機(jī)架

49、、原動(dòng)件和從動(dòng)件系統(tǒng)三部分。由于機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng) 的條件是原動(dòng)件的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目，因此，如將機(jī)構(gòu)的機(jī)架以及和機(jī) 架相連的原動(dòng)件與從動(dòng)件系統(tǒng)分開(kāi)，則余下的從動(dòng)件系統(tǒng)的自由度應(yīng)為零。有時(shí) 這種從動(dòng)件系統(tǒng)還可分解為若干個(gè)更簡(jiǎn)單的、自由度為零的構(gòu)件組。這種最簡(jiǎn)單 的、不可 再分的、自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組或稱為阿蘇爾桿組。 任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若千個(gè)基本桿組依次聯(lián)接于原動(dòng)件和機(jī)架上所組成 的系統(tǒng)，這就是機(jī)構(gòu)的組成原理。 根據(jù)求自由度的計(jì)算公式，組成平面機(jī)構(gòu)基本桿組應(yīng)滿足 hl ppnf23 條件: =0 hl ppnf23 如果基本桿組的運(yùn)動(dòng)副全為低副(高副可用低副代替)，則上式可變

50、為: =0 或 l pnf23 3/2 l pn 由于活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)都必須是整數(shù)，所以，根據(jù)上式，n應(yīng)是2的倍數(shù)， l p 應(yīng)是3的倍數(shù)，它們的組合有:n=2, =3;n=4, =6； 由此可見(jiàn)n=2, l p l p l p =3是最簡(jiǎn)單的平面基本桿組，是由兩個(gè)構(gòu)件三個(gè)低副組成的，稱之為ii級(jí)桿組; l p n=4, =6是由四個(gè)構(gòu)件六個(gè)低副組成的桿組，稱之為iii級(jí)桿組;而在基本桿組 l p 中又以ii級(jí)和iii級(jí)基本桿組為常見(jiàn)。根據(jù)ii級(jí)組和ii級(jí)組中低副的不同形式(是 轉(zhuǎn)動(dòng)副(revolute pair，常用r表示)還是移動(dòng)副(prismatic pair，常用p表示) 和它們所

51、在的不同位置又分成不同的類型，如圖1-1所示。 10 平面連桿機(jī)構(gòu)的級(jí)別是根據(jù)其中最高級(jí)的基本桿組的級(jí)別。組成機(jī)構(gòu)的各基 本桿組的最高級(jí)別是n級(jí)時(shí)，該機(jī)構(gòu)稱為n級(jí)機(jī)構(gòu);基本桿組的最高級(jí)別是m級(jí)時(shí)， 該機(jī)構(gòu)稱為m級(jí)機(jī)構(gòu);以此類推。hi級(jí)及以上機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為高級(jí)機(jī)構(gòu)。但在我們?nèi)粘?生活中，用的最多的仍然是由ii級(jí)桿組組成的平面連桿機(jī)構(gòu)，即其中只包含由兩 個(gè)構(gòu)件和三個(gè)低副組成的ii級(jí)桿組，所以本文主要研究由n級(jí)桿組組成的平面連桿 機(jī)構(gòu)。 第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 2.1 引言 2.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的 所謂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，就是對(duì)機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度進(jìn)行分析。這里

52、 研究的內(nèi)容是不考慮機(jī)構(gòu)的外力及構(gòu)件的彈性變形等影響，僅僅研究在已知原動(dòng) 件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的條件下，分析機(jī)構(gòu)中其余構(gòu)件上各點(diǎn)的位移、速度和加速度，以及 這些構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度。有了這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)，才能分析、評(píng)價(jià)現(xiàn) 有機(jī)構(gòu)的工作性能，同時(shí)它也是優(yōu)化綜合新機(jī)構(gòu)的基本依據(jù)。 通過(guò)位移 (包括軌跡)的分析，可以確定某些構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的空間或判斷它們 運(yùn)動(dòng)時(shí)是否發(fā)生相互干涉，還可以確定從動(dòng)件的行程，考察構(gòu)件或構(gòu)件上某點(diǎn)能 否實(shí)現(xiàn)預(yù)定位置變化的要求。 通過(guò)速度的分析，可以確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的速度變化是否滿足工作要求。例 rrr級(jí)桿組rrp級(jí)桿組rpr級(jí)桿組 prp級(jí)桿組 rpp級(jí)桿組 圖圖 1 1- -1

53、 1 級(jí)級(jí) 桿桿 組組 圖圖 11 如牛頭刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，從而提高加工 質(zhì)量和刀具壽命，而刨刀空行程時(shí)，又希望快速返回，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能耗。 同時(shí)速度分析也是機(jī)構(gòu)的加速度分析和受力分析的基礎(chǔ)。對(duì)機(jī)構(gòu)加速度的分析， 是計(jì)算慣性力不可缺少的前提條件。在高速機(jī)構(gòu)中，要對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)等動(dòng)力 學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，這些都與動(dòng)載荷或慣性力的大小和變化有關(guān)。因此，對(duì)高速機(jī) 構(gòu)，加速度分析不能忽略。 2.1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的常用方法 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法很多，主要有圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法三種。圖解法的 特點(diǎn)是形象直觀，對(duì)構(gòu)件少的簡(jiǎn)單的平面機(jī)構(gòu)，一般情況下用圖解法也比較簡(jiǎn)單。

54、 但其缺點(diǎn)是精度不高，而且當(dāng)對(duì)機(jī)構(gòu)一系列位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，需要反復(fù)作圖， 真正進(jìn)行起來(lái)也很繁瑣.圖解法包括速度瞬心法和相對(duì)速度圖解法。而解析法的特 點(diǎn)是直接用機(jī)構(gòu)已知參數(shù)和應(yīng)求的未知量建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，從而可獲得 精確的計(jì)算結(jié)果。隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具的日益完善和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，快速、精 確的解析法己占據(jù)了主導(dǎo)地位，并具有廣闊的應(yīng)用前景。目前正在應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)分 析解析法，由于所用的數(shù)學(xué)工具不同，其方法名稱也不同，如復(fù)數(shù)矢量法、矩陣 法、矢量方程法等。這些方法只是使用不同數(shù)學(xué)工具而并未涉及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方 法的本質(zhì)，按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的本質(zhì)不同可分為以下三類: 1. 針對(duì)不同機(jī)構(gòu)建立適合該種機(jī)構(gòu)的具

55、體數(shù)學(xué)模型。此種方法編程簡(jiǎn)單，但 每種機(jī)構(gòu)都要單獨(dú)重新編程，所以通用性差。 2. 把機(jī)構(gòu)視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，對(duì)各運(yùn)動(dòng)副間以桿長(zhǎng)為約束建立非線性方程組， 進(jìn)行位置求解，而后再求解速度和加速度，該方法通用性很強(qiáng)，但計(jì)算程序復(fù)雜 龐大。 3. 根據(jù)前面介紹的機(jī)構(gòu)組成原理，機(jī)構(gòu)可由原動(dòng)件十基本桿組組成，當(dāng)給定 原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，機(jī)構(gòu)中各基本桿組的運(yùn)動(dòng)是確定的、可解的。因此，機(jī)構(gòu) 的運(yùn)動(dòng)分析可以從原動(dòng)件開(kāi)始，通過(guò)逐次求解各基本桿組來(lái)完成。這樣，把原動(dòng) 件和各類基本桿組看成各自獨(dú)立的單元，分別建立其運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型，然后 再編制成通用子程序，對(duì)其位移、速度及加速度和角速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù) 進(jìn)行求解。當(dāng)

56、對(duì)具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，可以通過(guò)調(diào)用原動(dòng)件和機(jī)構(gòu)中所需的 基本桿組的通用子程序來(lái)解決，這樣，可快速求解出各桿件及其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參 12 數(shù)。這種方法稱為桿組法運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)各種不同類型的平面連桿機(jī)構(gòu)都適用。 22 曲柄、基本桿組的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 2.2.1 曲柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析曲柄運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 如圖（2.1）所示，在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中，上圖曲柄 ab 復(fù)向量的模rj為常數(shù)、幅 角 j為變量，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副 a 與機(jī)架鏈接，轉(zhuǎn)動(dòng)副 a 的復(fù)向量的模ri為常量，幅 角 i為常量，曲柄 ab 的端點(diǎn)位移、速度、加速度推動(dòng)如下 i j ii erra j j jjj errr + (2.1) j rab i

57、j ie r j j je r 將方程（2.1）兩邊對(duì)時(shí)間 t 求兩次導(dǎo)數(shù)得 +（2 .2）b j r j )2/( j j e j r )(2 j j j e 由式（2 .2）寫(xiě)成矩陣形式有 （2 .3） b b im re )sin()2/sin( )cos()2/cos( 2 2 jjjjjj jjjjjj rr rr 2.2.2 rrr級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖（2.1） 曲柄位置參數(shù) 圖(2.2) rrr級(jí)桿組位置參數(shù) 13 圖(2.2) rrr級(jí)桿組位置參數(shù) 如圖（2.2）所示，在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中，由 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（b,c,d）和 2 個(gè)構(gòu)件 （長(zhǎng)度分別為， ）組成 rrr

58、級(jí)桿組，2 個(gè)構(gòu)件的幅角和為變量，則 i r j r i j 點(diǎn) c 的加速度，構(gòu)件 2 的角加速度，構(gòu)件 3 的角加速度、推導(dǎo)如下： i j (2.4) j i j j j i erderbc 整理(2.4)得 -= (2.5) i j ie r j j je r bd 對(duì)方程(2.5)求導(dǎo)并整理得 (2.6)bderer j ij j j i j ii )2/( )2/( 對(duì)方程(2.6)求導(dǎo)數(shù)并整理成矩陣形式有 j i jjii jjii rr rr )2/sin()2/sin( )2/cos()2/cos( (2.7) bd bd rr rr j i jjii jjii imim re

59、re )sin()sin( )cos()cos( 2 2 由式(2.4)寫(xiě)成矩陣形式并求導(dǎo)有 (2.8) i ii ii r r b b c c )2/sin( )2/cos( im re im re 式(2.8)對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)數(shù),得 (2.9) 2 )sin( )cos( )2/sin( )2/cos( im re im re i ii ii i ii ii r r r r b b c c 2.2.3 rrp級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析級(jí)桿組運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖（2.4）rrp級(jí)桿組的位置參數(shù) 14 如圖（2.4）所示，在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系中，由 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（b,c）、1 個(gè)移動(dòng)副 （c）和構(gòu)件 bc（長(zhǎng)度分別為

60、）和滑塊 c 組成 rrp級(jí)桿組，構(gòu)件的幅角為 i r i r i 變量，滑塊 c 相對(duì)固定點(diǎn) k 的位移為變量，滑塊 c 的滑道的幅角為變量，則 j s j 點(diǎn) c 的加速度推導(dǎo)如下 (2.10) j i j j i sekerbc 整理(2.10)得 -= (2.11) i j ie r j j se bk 對(duì)方程(2.11)求導(dǎo)并整理得 (2.12)bk s eer ijj i j ii )2/( 對(duì)方程(2.6)求導(dǎo)數(shù)并整理成矩陣形式有 s r r i jii jii sin)2/sin( cos)2/cos( (2.13) bk bk sr r i ii ii imim rere 0