平面连杆机构运动分析和可视化仿真(编辑修改稿)

平面连杆机构运动分析和可视化仿真(编辑修改稿)内容摘要：

性方程组迭代法求解，速度慢，特别是对于比较复杂的机构就会更慢，有时甚至不能收敛。 国内的机构运动分析方面的软件在机构运动分析及受力分析与通用程序方面虽然已经达到了世界先进水平，但在结合产品进行机构系统运动学和动力学分析，优化和计算机仿真，人机交互及图象处理，可视化等方面，则与国际先进水平有明显差距。 目前 ,我国制造业使用的机构分析与仿真软件几乎完全依赖进口，付出了昂贵的代价，而国内自主版权的同类软件几乎没有，因此，从提高我国制造业的新产品开发能力和发展高技术软件产业的角度 来看，开展计算机辅助机构分析与仿真技术及软件的研究开发具有十分重要的现实意义和必要性。 本文研究的内容和意义 本文研究的内容 在各种机构形式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和特性，仅就平面连杆机构而言，即使其构件数目被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构形式在今天仍难以估计。 连杆机构具有很多方面的优点，因而在各种机构中得到了广泛的应用。 当前对于某一特定机构如 :四连杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等工程中常见机构都有很好的现成的计算方法。 传统的分析方法 (如矢量方程法、矩阵法等 )对不同机构均需单独编程，不容易建立通用软件，也就难以发挥计算机准确快速的优越性，影响了对机构问题的研究，如何编一个解决机构分析的通用程序成了一个待解决的问题。 本课题的出发点 :，面向机构设计者及学生。 有实用性、交互性，总体上要求先进、实用、易用，既有良好的用户界面和适时交互能力，操作方便，对用户的专业要求尽量低。 、开放性，系统具有易于功能维护和扩展的能力。 ，系统在分析计算中运行可靠，不要出现意外的情况。 系统完全使用模块化的设计方法和 技术，充分利用当今先进编程技术，使软件具有流行的风格，便于使用。 本人研制了一个连杆机构运动分析和动态仿真系统，该系统研究内容 : 黄石理工学院毕业 （设计） 论文 7 1) 机构的尺寸综合。 根据预期的运动特性和动力特性，确定几何尺寸参数从而完成机构运动简图。 为了获得满意的机构尺寸，在尺寸综合时可以对机构尺寸进行修改，如 ， 杆长、角度等。 2) 机构的运动分析。 结合论文实际，提出基本结构杆组单元分析法，这些基本结构杆组单元是对机构进行运动分析建立数学模型，编写算法模块的最小单元 .按已知的机构运动简图及原动件的运动规律，求解其它活动构件的运动参数。 其基本内容为 :求构件的位置，包括求构件上某点的运动轨迹，求构件的角速度和角加速度，构件上某点的速度、加速度等，其目的在于研究机构的运动及动力性能，而且运动分析也是机构运动仿真模拟的基础。 3) 机构的运动仿真，对已综合的新机构在屏幕上演示其运动过程，通过仿真检验机构是否实现了预定的运动规律。 4) 系统开发。 基于面向对象的方法，建立机构对象模型，将平面组合机构抽象成连杆，滑块等基本构件单元以及连接这些基本构件单元的杆组，并为它们建立各自的程序模块。 连杆机构的通用运动分析软件是基于良好的用户界面的，所以选择了 VB作为开发的语言进行开发设计，利用 VB语言编制了大量的程序，实现了上述的各种功能。 本文研究的意义 平面连杆机构运动分析经历了近半个世纪的发展，其理论水平已经接近完善，但是遗憾的是虽然目前己经有不少相关的分析仿真软件，但在人机交互友好、可视化、智能化程度高、功能完善等方面还做的不够理想。 本课题的目的是开发一套较高自动化程度、计算速度快、人机交互能力强、界面友好、通用性强、并能让一般工程技术人员方便使用的机构运动分析和运动仿真的可视化仿真软件。 开发一套系统的平面机构运动分析软件既可以为机构设计和创新提 供良好的辅助工具又可以便教学演示。 同时将计算机动态仿真这个先进的技术运用于机械行业里来为机械设计与理论服务也具有重大的意义。 本人制 的连杆机构运动分析软件，形象直观，使用者只需要点击选择并添加杆件或杆组，系统提示输入相应的参数，给出可能的组合情况供使用者选择，机构的综合度高，使用者用鼠标直接点击杆件连接的位置即可组成机构。 然后进行动态模拟，运动分析和结果输出。 软件的设计智能化，对使用者的专业知识要求低，机构的组成形式不受限制，可以任意连接组构。 机构运黄石理工学院毕业 （设计） 论文 8 动分析是研究机械性能的重要组成部分。 通过对机构的运动分析可 以了解机构的运动特性，便于更合理有效地使用现有的各种机械，在设计机构时。 又可以通过机构的运动分析来检验机构的运动特性是否满足要求。 计算机动态仿真技术用于机构的原理分析中，通过动态仿真显示，可以使我们对一些机构的原理有比较直观和深刻的认识。 在机构设计和运动分析中采用计算机动态仿真技术具有以下特点 . 1. 优化性。 对于复杂机构，通过计算机动态仿真可以预测机构的性能和参数，并使得所设计机构的性能达到最优。 2. 经济性。 对于大型和复杂机构，直接实验的成本很高，采用计算机动态仿真技术则可以大大降低实验成本，且可以多 次重复实验，并可以及时的修改设计中的偏差。 3. 安全性。 对于某些有潜在危险的机构，采用计算机动态仿真技术没有任何危险。 4. 可视性。 通过先期的模拟、演示、 验证，可以使得机构的设计更加直观、可视化。 平面连杆机构的组成原理 研究机构组成的目的 机构是一个用来传递运动和力的可动的装置，为此 ,机器中的机构显然需要具有确定的运动。 机构结构分析就是研究机构是怎样组成的，以及在什么条件下机构才具有确定的运动。 因此，研究机构结构的目的之一就是揭示机构的结构组成规律，为综合新的机构提供理论依据。 在现实 生产、生活中，常常需要对机构进行运动和动力分析，以便了解其速度、加速度和所受诸力的变化规律。 然而，各种机器中机构的型式多不相同，机构各个构件的具体形状也是各式各样的。 因此，要逐一的对这些型式各异的具体机构进行分析是不可能的，而且实际上也没有必要。 机构结构分析的目的之一就是通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三的研究机构的运动分析和动力分析提供方便。 另外，在 实际应用中 ,机构的型式可以各式各样，机构的构造可以有简有繁，然而对它们的共同要求是必须能够实现确定的运动。 机构的组成原理可以在选用构件组成机构时，提 供一些指导原则，特别在最优化设计方面，也是很有意义的。 黄石理工学院毕业 （设计） 论文 9 机械工业在整个工业生产中具有举足轻重的作用。 随着科学技术的迅猛发展，未来机械工程科学的发展趋向于交叉，综合化。 微型，精密化 :高效，清洁化。 柔性，集成化。 对于传统的机构学来说，随着科技的发展，也将随之发生广泛、深刻的变化。 近些年来，机构学研究的深度和广度不断地延伸，新的研究理论及方法在不断地涌现出来。 随着计算机、智能材料等科学技术的飞速发展，人类正在经历一场新的产业革命。 许多自动化系统正在部分地代替人类的脑力劳动，并且不断地与各行业、各领域的科学技术创造 性地结合起来，从而为社会的发展注入新的活力，也使古老而年轻的机构学发生着深刻的变化。 当今时代是技术变革不断发生的伟大时代。 这几年，最为振奋人心的事情，是一些用于复杂机构分析的功能强大的软件 MATLAB 等的问世，使原来不可能求解的机构变为可能，机构学理论也不断完善。 如何结合机械工程设计和计算机技术应用各自的特点和优势，扩大应用领域，提高设计效率，是当前设计研究的新方向。 平面机构是机械工业中使用最为广泛的机构，能有效地实现给定的运动规律和运动轨迹，很好地完成预定的动作，因而在农业、纺织业、重型工业、冶金、仪 表等多个领域中得到了广泛的应用。 传统的基于图解法或分析法的连杆机构设计无论设计精度还是设计效率都相对低下，不能满足现代机械高精度的设计要求。 随着计算机技术的不断发展，为机构运用运动仿真实现优化设计提供了有效的手段，其设计的规范化、普及化、通用化、快速、高效是目前最大的需求，结合计算机特点进行机构设计正能解决这方面的矛盾。 在目前，基于 MATLAB 等软件对平面机构的设计综合没有全面研究。 因此，在该方法研究基础上，可为用户提供方便的机构设计平台。 该方法所得出的研究结果，可推广到机械工程设计的其它方面，所以进行这方 面的研究具有重要的理论意义和实用价值。 总之，通过机构结构的分析，揭示机构的结构组成规律、机构的拓扑结构特征以及它们与机构运动学、机构动力学特性之间的内在联系，为建立机构结构学、运动学及动力学的理论系统提供基本依据，从而为新机构结构类型的优化、创新提供途径。 平面连杆机构的组成原理 任何机构都包含机架、原动件和从动件系统三部分。 由于机构具有确定运动的条件是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及和机架相连的原动件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度应为零。 有时这种从黄石理工学院毕业 （设计） 论文 10 动件系 统还可分解为若干个更简单的、自由度为零的构件组。 这种最简单的、不可 再分的、自由度为零的构件组称为基本杆组或称为阿苏尔杆组。 任何机构都可以看作是由若千个基本杆组依次联接于原动件和机架上所组成的系统，这就是机构的组成原理。 根据求自由度的计算公式 HL PPnF  23 ，组成平面机构基本杆组应满足条件 : HL PPnF  23 =0 如果基本杆组的运动副全为低副 (高副可用低副代替 )，则上式可变为 : LPnF 23  =0 或 3/2 Lpn 由于活动构件数 n和低副数 LP 都必须是整数，所以，根据上式， n应是 2的倍数，LP 应是 3的倍数，它们的组合有 :n=2, LP =3。 n=4, LP =6； „„ 由此可见 n=2, LP =3是最简单的平面基本杆组，是由两个构件 三个低副组成的，称之为 II级 杆 组。 n=4, LP =6是由四个构件六个低副组成的杆组，称之为 III级 杆 组。 而在基本杆组中又以II级和 III级基本杆组为常见。 根据 II级组和 II级组中低副的不同形式 (是转动副(Revolute pair，常用 R表示 )还是移动副 (Prismatic pair，常用 P表示 ))和它们所在的不同位置又分成不同的类型，如图 11所示。 平面连杆机构的级别是根据其中最高级的基本杆组的级别。 组成机构的各基本杆组的最高级别是 n级时，该机构称为 n级机构。 基本杆组的最高级别是 m级时，该机构称为 m级机构。 以此类推。 HI级及以上机构统称为高级机构。 但在我们日常生活中，RRRⅡ级杆组 RRPⅡ级杆组 RPRⅡ级杆组PRPⅡ级杆组 RPPⅡ级杆组图 11 Ⅱ 级 杆 组 图黄石理工学院毕业 （设计） 论文 11 用的最多的仍然是由 II级杆组组成的平面连杆机构，即其中只包含由两个构件和三个低副组成的 II级杆组，所以本文主要研究由 n级杆组组成的平面连杆机构。 第二章 平面连杆机构的运动学分析 引言 机构运动学分析的目的 所谓机构的运动学分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。 这里研究的内容是不考虑机构的外力及构件的弹性变形等影响，仅仅研究在已知原动件运动规律的条件下，分析机构中其余构 件上各点的位移、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。 有了这些运动参数，才能分析、评价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据。 通过位移 (包括轨迹 )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 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要求。 例如牛头刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，从而提高加工质量和刀具寿命，而刨刀空行程时，又希望快速返回， 提高生产效率，节省能耗。 同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。 对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。 在高速机构中，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，对高速机构，加速度分析不能忽略。 机构运动分析的常用方法 机构运动分析的方法很多，主要有图解法、解析法和实验法三种。 图解法的特点是形象直观，对构件少的简单的平面机构，一般情况下用图解法也比较简单。 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，真正进行起来也很繁琐 .图解法包括速度瞬心法和相对速度图解法。 而解析法的特点是直接用机构已知参数和应求的未知量建立的数学模型进行求解，从而可获得精确的计算结果。 随着现代数学工具的日益完善和计算机的飞速发展，快速、精确的解黄石理工学院毕业 （设计） 论文 12 析法己占据了主导地位，并具有广阔的应用前景。 目前正在应用的运动分析解析法，由于所用的数学工具不同，其方法名称也不同，如复数矢量法、矩阵法、矢量方程法等。 这些方法只是使用不同数学工具而并未涉及机构运动分析方法的本质，按机构运动分析的本质不同可分为以下三类 : 1. 针对不同机构建立适合该种机构的具体数学模型。 此种方法编程简单，但每种机构都要单独重新编程，所以通用性差。 2. 把机构视为一个质点系，对各运动副间以杆长为约束建立非线性方程组，进行位置求解，而后再求解速度和加速度，该方法通用性很强，但计算程序复杂庞大。 3. 根据前面介绍的机构组成原理，机构可由原动件十基本杆组组成，当给定原动件的运动规律后，机构中各基本杆组的运动是确定的、可解的。 因此，机构的运动分析可以从原动件开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。 这样，把原动件和。