【文章內容簡介】 性方程組迭代法求解，速度慢，特別是對于比較復雜的機構就會更慢，有時甚至不能收斂。國內的機構運動分析方面的軟件在機構運動分析及受力分析與通用程序方面雖然已經達到了世界先進水平，但在結合產品進行機構系統(tǒng)運動學和動力學分析，優(yōu)化和計算機仿真，人機交互及圖象處理，可視化等方面，則與國際先進水平有明顯差距。目前 ,我國制造業(yè)使用的機構分析與仿真軟件幾乎完全依賴進口，付出了昂貴的代價，而國內自主版權的同類軟件幾乎沒有，因此，從提高我國制造業(yè)的新產品開發(fā)能力和發(fā)展高技術軟件產業(yè)的角度 來看，開展計算機輔助機構分析與仿真技術及軟件的研究開發(fā)具有十分重要的現實意義和必要性。 本文研究的內容和意義 本文研究的內容 在各種機構形式中，連桿機構的特點表現為具有多種多樣的結構和特性，僅就平面連桿機構而言，即使其構件數目被限制在很少的情況下，大量的各種可能的結構形式在今天仍難以估計。連桿機構具有很多方面的優(yōu)點，因而在各種機構中得到了廣泛的應用。當前對于某一特定機構如 :四連桿機構、曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構等工程中常見機構都有很好的現成的計算方法。傳統(tǒng)的分析方法 (如矢量方程法、矩陣法等 )對不同機構均需單獨編程，不容易建立通用軟件，也就難以發(fā)揮計算機準確快速的優(yōu)越性，影響了對機構問題的研究，如何編一個解決機構分析的通用程序成了一個待解決的問題。 本課題的出發(fā)點 :，面向機構設計者及學生。 有實用性、交互性，總體上要求先進、實用、易用，既有良好的用戶界面和適時交互能力，操作方便，對用戶的專業(yè)要求盡量低。 、開放性，系統(tǒng)具有易于功能維護和擴展的能力。 ，系統(tǒng)在分析計算中運行可靠，不要出現意外的情況。系統(tǒng)完全使用模塊化的設計方法和 技術，充分利用當今先進編程技術，使軟件具有流行的風格，便于使用。本人研制了一個連桿機構運動分析和動態(tài)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)研究內容 : 黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 7 1) 機構的尺寸綜合。根據預期的運動特性和動力特性，確定幾何尺寸參數從而完成機構運動簡圖。為了獲得滿意的機構尺寸，在尺寸綜合時可以對機構尺寸進行修改，如 ， 桿長、角度等。 2) 機構的運動分析。結合論文實際，提出基本結構桿組單元分析法，這些基本結構桿組單元是對機構進行運動分析建立數學模型，編寫算法模塊的最小單元 .按已知的機構運動簡圖及原動件的運動規(guī)律，求解其它活動構件的運動參數。其基本內容為 :求構件的位置，包括求構件上某點的運動軌跡，求構件的角速度和角加速度，構件上某點的速度、加速度等，其目的在于研究機構的運動及動力性能，而且運動分析也是機構運動仿真模擬的基礎。 3) 機構的運動仿真，對已綜合的新機構在屏幕上演示其運動過程，通過仿真檢驗機構是否實現了預定的運動規(guī)律。 4) 系統(tǒng)開發(fā)?；诿嫦驅ο蟮姆椒ǎC構對象模型，將平面組合機構抽象成連桿，滑塊等基本構件單元以及連接這些基本構件單元的桿組，并為它們建立各自的程序模塊。連桿機構的通用運動分析軟件是基于良好的用戶界面的，所以選擇了 VB作為開發(fā)的語言進行開發(fā)設計，利用 VB語言編制了大量的程序，實現了上述的各種功能。 本文研究的意義 平面連桿機構運動分析經歷了近半個世紀的發(fā)展，其理論水平已經接近完善，但是遺憾的是雖然目前己經有不少相關的分析仿真軟件，但在人機交互友好、可視化、智能化程度高、功能完善等方面還做的不夠理想。本課題的目的是開發(fā)一套較高自動化程度、計算速度快、人機交互能力強、界面友好、通用性強、并能讓一般工程技術人員方便使用的機構運動分析和運動仿真的可視化仿真軟件。開發(fā)一套系統(tǒng)的平面機構運動分析軟件既可以為機構設計和創(chuàng)新提 供良好的輔助工具又可以便教學演示。同時將計算機動態(tài)仿真這個先進的技術運用于機械行業(yè)里來為機械設計與理論服務也具有重大的意義。本人制 的連桿機構運動分析軟件，形象直觀，使用者只需要點擊選擇并添加桿件或桿組，系統(tǒng)提示輸入相應的參數，給出可能的組合情況供使用者選擇，機構的綜合度高，使用者用鼠標直接點擊桿件連接的位置即可組成機構。然后進行動態(tài)模擬，運動分析和結果輸出。軟件的設計智能化，對使用者的專業(yè)知識要求低，機構的組成形式不受限制，可以任意連接組構。機構運黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 8 動分析是研究機械性能的重要組成部分。通過對機構的運動分析可 以了解機構的運動特性，便于更合理有效地使用現有的各種機械，在設計機構時。又可以通過機構的運動分析來檢驗機構的運動特性是否滿足要求。計算機動態(tài)仿真技術用于機構的原理分析中，通過動態(tài)仿真顯示，可以使我們對一些機構的原理有比較直觀和深刻的認識。在機構設計和運動分析中采用計算機動態(tài)仿真技術具有以下特點 . 1. 優(yōu)化性。對于復雜機構，通過計算機動態(tài)仿真可以預測機構的性能和參數，并使得所設計機構的性能達到最優(yōu)。 2. 經濟性。對于大型和復雜機構，直接實驗的成本很高，采用計算機動態(tài)仿真技術則可以大大降低實驗成本，且可以多 次重復實驗，并可以及時的修改設計中的偏差。 3. 安全性。對于某些有潛在危險的機構，采用計算機動態(tài)仿真技術沒有任何危險。 4. 可視性。通過先期的模擬、演示、 驗證，可以使得機構的設計更加直觀、可視化。 平面連桿機構的組成原理 研究機構組成的目的 機構是一個用來傳遞運動和力的可動的裝置，為此 ,機器中的機構顯然需要具有確定的運動。機構結構分析就是研究機構是怎樣組成的，以及在什么條件下機構才具有確定的運動。因此，研究機構結構的目的之一就是揭示機構的結構組成規(guī)律，為綜合新的機構提供理論依據。 在現實 生產、生活中，常常需要對機構進行運動和動力分析，以便了解其速度、加速度和所受諸力的變化規(guī)律。然而，各種機器中機構的型式多不相同，機構各個構件的具體形狀也是各式各樣的。因此，要逐一的對這些型式各異的具體機構進行分析是不可能的，而且實際上也沒有必要。機構結構分析的目的之一就是通過對機構的結構分析與分類，可以為舉一反三的研究機構的運動分析和動力分析提供方便。 另外，在 實際應用中 ,機構的型式可以各式各樣，機構的構造可以有簡有繁，然而對它們的共同要求是必須能夠實現確定的運動。機構的組成原理可以在選用構件組成機構時，提 供一些指導原則，特別在最優(yōu)化設計方面，也是很有意義的。 黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 9 機械工業(yè)在整個工業(yè)生產中具有舉足輕重的作用。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，未來機械工程科學的發(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。對于傳統(tǒng)的機構學來說，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，機構學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出來。隨著計算機、智能材料等科學技術的飛速發(fā)展，人類正在經歷一場新的產業(yè)革命。許多自動化系統(tǒng)正在部分地代替人類的腦力勞動，并且不斷地與各行業(yè)、各領域的科學技術創(chuàng)造 性地結合起來，從而為社會的發(fā)展注入新的活力，也使古老而年輕的機構學發(fā)生著深刻的變化。 當今時代是技術變革不斷發(fā)生的偉大時代。這幾年，最為振奮人心的事情，是一些用于復雜機構分析的功能強大的軟件 MATLAB 等的問世，使原來不可能求解的機構變?yōu)榭赡埽瑱C構學理論也不斷完善。如何結合機械工程設計和計算機技術應用各自的特點和優(yōu)勢，擴大應用領域，提高設計效率，是當前設計研究的新方向。 平面機構是機械工業(yè)中使用最為廣泛的機構，能有效地實現給定的運動規(guī)律和運動軌跡，很好地完成預定的動作，因而在農業(yè)、紡織業(yè)、重型工業(yè)、冶金、儀 表等多個領域中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的基于圖解法或分析法的連桿機構設計無論設計精度還是設計效率都相對低下，不能滿足現代機械高精度的設計要求。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，為機構運用運動仿真實現優(yōu)化設計提供了有效的手段，其設計的規(guī)范化、普及化、通用化、快速、高效是目前最大的需求，結合計算機特點進行機構設計正能解決這方面的矛盾。在目前，基于 MATLAB 等軟件對平面機構的設計綜合沒有全面研究。因此，在該方法研究基礎上，可為用戶提供方便的機構設計平臺。該方法所得出的研究結果，可推廣到機械工程設計的其它方面，所以進行這方 面的研究具有重要的理論意義和實用價值。 總之，通過機構結構的分析，揭示機構的結構組成規(guī)律、機構的拓撲結構特征以及它們與機構運動學、機構動力學特性之間的內在聯系，為建立機構結構學、運動學及動力學的理論系統(tǒng)提供基本依據，從而為新機構結構類型的優(yōu)化、創(chuàng)新提供途徑。 平面連桿機構的組成原理 任何機構都包含機架、原動件和從動件系統(tǒng)三部分。由于機構具有確定運動的條件是原動件的數目等于機構的自由度數目，因此，如將機構的機架以及和機架相連的原動件與從動件系統(tǒng)分開，則余下的從動件系統(tǒng)的自由度應為零。有時這種從黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 10 動件系 統(tǒng)還可分解為若干個更簡單的、自由度為零的構件組。這種最簡單的、不可 再分的、自由度為零的構件組稱為基本桿組或稱為阿蘇爾桿組。 任何機構都可以看作是由若千個基本桿組依次聯接于原動件和機架上所組成的系統(tǒng)，這就是機構的組成原理。 根據求自由度的計算公式 HL PPnF ??? 23 ，組成平面機構基本桿組應滿足條件 : HL PPnF ??? 23 =0 如果基本桿組的運動副全為低副 (高副可用低副代替 )，則上式可變?yōu)?: LPnF 23 ?? =0 或 3/2 Lpn? 由于活動構件數 n和低副數 LP 都必須是整數，所以，根據上式， n應是 2的倍數，LP 應是 3的倍數，它們的組合有 :n=2, LP =3。n=4, LP =6； ?? 由此可見 n=2, LP =3是最簡單的平面基本桿組，是由兩個構件 三個低副組成的，稱之為 II級 桿 組 。n=4, LP =6是由四個構件六個低副組成的桿組，稱之為 III級 桿 組 。而在基本桿組中又以II級和 III級基本桿組為常見。根據 II級組和 II級組中低副的不同形式 (是轉動副(Revolute pair，常用 R表示 )還是移動副 (Prismatic pair，常用 P表示 ))和它們所在的不同位置又分成不同的類型，如圖 11所示。 平面連桿機構的級別是根據其中最高級的基本桿組的級別。組成機構的各基本桿組的最高級別是 n級時，該機構稱為 n級機構 ?；緱U組的最高級別是 m級時，該機構稱為 m級機構 。以此類推。 HI級及以上機構統(tǒng)稱為高級機構。但在我們日常生活中，RRRⅡ級桿組 RRPⅡ級桿組 RPRⅡ級桿組PRPⅡ級桿組 RPPⅡ級桿組圖 11 Ⅱ 級 桿 組 圖黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 11 用的最多的仍然是由 II級桿組組成的平面連桿機構，即其中只包含由兩個構件和三個低副組成的 II級桿組，所以本文主要研究由 n級桿組組成的平面連桿機構。 第二章 平面連桿機構的運動學分析 引言 機構運動學分析的目的 所謂機構的運動學分析，就是對機構的位移、速度和加速度進行分析。這里研究的內容是不考慮機構的外力及構件的彈性變形等影響，僅僅研究在已知原動件運動規(guī)律的條件下，分析機構中其余構 件上各點的位移、速度和加速度，以及這些構件的角位移、角速度和角加速度。有了這些運動參數，才能分析、評價現有機構的工作性能，同時它也是優(yōu)化綜合新機構的基本依據。 通過位移 (包括軌跡 )的分析，可以確定某些構件運動所需的空間或判斷它們運動時是否發(fā)生相互 干涉 ，還可以確定從動件的行程，考察構件或構件上某點能否實現預定位置變化的要求。 通過速度的分析，可以確定機構中從動件的速度變化是否滿足工作要求。例如牛頭刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，從而提高加工質量和刀具壽命，而刨刀空行程時，又希望快速返回， 提高生產效率，節(jié)省能耗。同時速度分析也是機構的加速度分析和受力分析的基礎。對機構加速度的分析，是計算慣性力不可缺少的前提條件。在高速機構中，要對其動強度、振動等動力學性能進行計算，這些都與動載荷或慣性力的大小和變化有關。因此，對高速機構，加速度分析不能忽略。 機構運動分析的常用方法 機構運動分析的方法很多，主要有圖解法、解析法和實驗法三種。圖解法的特點是形象直觀，對構件少的簡單的平面機構，一般情況下用圖解法也比較簡單。但其缺點是精度不高，而且當對機構一系列 位置進行運動分析時，需要反復作圖，真正進行起來也很繁瑣 .圖解法包括速度瞬心法和相對速度圖解法。而解析法的特點是直接用機構已知參數和應求的未知量建立的數學模型進行求解，從而可獲得精確的計算結果。隨著現代數學工具的日益完善和計算機的飛速發(fā)展，快速、精確的解黃石理工學院畢業(yè) （設計） 論文 12 析法己占據了主導地位，并具有廣闊的應用前景。目前正在應用的運動分析解析法，由于所用的數學工具不同，其方法名稱也不同，如復數矢量法、矩陣法、矢量方程法等。這些方法只是使用不同數學工具而并未涉及機構運動分析方法的本質，按機構運動分析的本質不同可分為以下三類 : 1. 針對不同機構建立適合該種機構的具體數學模型。此種方法編程簡單，但每種機構都要單獨重新編程，所以通用性差。 2. 把機構視為一個質點系，對各運動副間以桿長為約束建立非線性方程組，進行位置求解，而后再求解速度和加速度，該方法通用性很強，但計算程序復雜龐大。 3. 根據前面介紹的機構組成原理，機構可由原動件十基本桿組組成，當給定原動件的運動規(guī)律后，機構中各基本桿組的運動是確定的、可解的。因此，機構的運動分析可以從原動件開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。這樣，把原動件和