機(jī)械原理機(jī)構(gòu)分析教具設(shè)計(jì)

1、機(jī)械原理機(jī)構(gòu)分析教具設(shè)計(jì)摘要 機(jī)構(gòu)是用來傳遞與變換運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)的裝置，連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)構(gòu)的一種。在連桿機(jī)構(gòu)中，假設(shè)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件都在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就稱為平面連桿機(jī)構(gòu)。 機(jī)構(gòu)分析與仿真是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，但是對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)的分析較多。所以, 本文主要介紹以平面連桿機(jī)構(gòu)為主的一種機(jī)構(gòu)分析教具。機(jī)械原理是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，在這里我主要進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與機(jī)構(gòu)力分析 的研究。因?yàn)槭腔谑噶糠匠虉D解法的平面機(jī)構(gòu)分析，本文主要設(shè)計(jì)出一種教具 來演示這個(gè)分析方法。關(guān)鍵詞 平面連桿機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)分析；教具設(shè)計(jì)第一章緒論平面連桿機(jī)構(gòu)分析的研究意義經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的開展，平面連桿機(jī)構(gòu)分析理論水平已經(jīng)接近完善，但是，雖

2、 然目前已經(jīng)有不少優(yōu)秀的教材清楚地闡述了平面機(jī)構(gòu)分析的方法，但它僅僅局限 于書本上，我們沒有很清楚地認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)到這些方法。本課題的目的是開發(fā)一套 較高自動(dòng)化程度、人機(jī)交互能力強(qiáng)、界面友好、通用性強(qiáng)，并能讓一般學(xué)生能夠 接受而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)構(gòu)分析教具既可以為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分 析和創(chuàng)新提供良好的輔助工具又可以便于教學(xué)演示，同時(shí)丁將計(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)來為機(jī)械設(shè)計(jì)與理論服務(wù)也具有重大意義。機(jī)構(gòu)分 析是研究機(jī)械性能的重要組成局部。通過對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力的分析可以了解機(jī)構(gòu) 的特性，便于更合理有效地使用各種機(jī)械，而且還可以檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的特性是否滿足 設(shè)計(jì)要求。計(jì)算機(jī)仿真技

3、術(shù)用于機(jī)械原理機(jī)構(gòu)分析中，使我們比擬直觀深刻地認(rèn) 識(shí)到機(jī)構(gòu)的原理和特點(diǎn)。平面連桿機(jī)構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀連桿機(jī)構(gòu)分析的歷史與現(xiàn)狀連桿機(jī)構(gòu)分析重點(diǎn)在于連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性的研究，揭示連 桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其關(guān)系，用于現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)性能的分 析和改進(jìn)。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析在機(jī)構(gòu)分析中占有很重要的地位，故本文主要 介紹連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的開展情況。早期的機(jī)構(gòu)學(xué)研究者已經(jīng)建立了連桿機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法。例如：圖解法，分析法和實(shí)驗(yàn)法。目前，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)運(yùn) 動(dòng)學(xué)分析的方法有三種：矢量三角形法、約束法、基本桿組發(fā)和數(shù)值法。平面連桿機(jī)構(gòu)分析綜合和動(dòng)態(tài)仿真軟件研究現(xiàn)狀和開展國外關(guān)

4、于機(jī)構(gòu)分析與仿真技術(shù)的研究開展的較國內(nèi)早，美國CADSI, Mechanical Dynamics Inc, Working Model等專業(yè)公司的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與仿真軟 件早就商品化，長期占據(jù)國際領(lǐng)先地位。國內(nèi)關(guān)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真技術(shù)的 研究也開展的較早，機(jī)械研究者對(duì)此作出很大貢獻(xiàn)，如果單從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的 理論研究來講，我國相對(duì)其他國家的水平也并不落后?？墒?，我國的研究成果只 是一些概念、算法，并沒有與高技術(shù)相聯(lián)系。故到目前為止，還沒有能滿足CIMS 需求的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真軟件?？偠灾?，國內(nèi)和國外的差距主要在于人機(jī)交互、圖形圖像處理以及可視化方 面。與此同時(shí)，此仿真軟件也存在缺點(diǎn)，對(duì)

5、于比擬復(fù)雜的計(jì)算過程，程序運(yùn)行的 較慢，智能化程度還不夠高。本文的研究內(nèi)容連桿機(jī)構(gòu)可以分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠矫孢B桿機(jī)構(gòu)在日常生 活中比擬常見，所以我們?cè)谶@里主要介紹平面連桿機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)分析方 法有矢量方程法、矩陣法等。在這里，我們主要介紹矢量多邊形圖解法。該課題研究內(nèi)容：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。結(jié)合矢量方程圖解法，對(duì)平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，構(gòu)件的平 面運(yùn)動(dòng)可視為由構(gòu)件上任一點(diǎn)(稱為基點(diǎn))的牽連移動(dòng)和該構(gòu)件繞基點(diǎn)的相 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組成。牽連移動(dòng)的速度和加速度等于所選基點(diǎn)的速度和加速度，繞基 點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角加速度等于該構(gòu)件的角速度和角加速度。根據(jù)這一 平面運(yùn)動(dòng)合成原理列出構(gòu)件上任一點(diǎn)

6、的矢量方程，然后按一定比例畫出相應(yīng) 的矢量多邊形，由此解出機(jī)構(gòu)上各點(diǎn)的速度和加速度以及各構(gòu)件的角速度和 角加速度。(在這里主要研究同一構(gòu)件上兩點(diǎn)間的速度和加速度)。機(jī)構(gòu)的尺寸綜合。根據(jù)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)特性，確定幾何尺寸參數(shù)，從而完成機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)簡圖。在尺寸綜合過程中，我們可以獲得滿意的尺寸。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。對(duì)已經(jīng)綜合的機(jī)構(gòu)在電腦屏幕上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是 否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。(4)綜合改進(jìn)與創(chuàng)新。綜合考慮教具的各種特性，進(jìn)行改進(jìn)。第二章總體方案設(shè)計(jì)2.1各種設(shè)計(jì)方案分析如圖(a),所示的是錢鏈四桿機(jī)構(gòu)，各構(gòu)件的長度和原動(dòng)件1的角速度和角 加速度的大小和方向以及原動(dòng)件的瞬時(shí)位置角，現(xiàn)在要求圖示位置的

7、c、E的速 度和加速度，以及構(gòu)件2、3的角速度和角加速度。在這里，有三種方案來演示這個(gè)錢鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析過程。方案一：把所有桿件都放在同一個(gè)矩形板上進(jìn)行演示。這種方案并不用用到電機(jī), 只需要一一把桿件平移或旋轉(zhuǎn)就可以了。方案二：把所要用到表示速度的桿件放在一個(gè)矩形板上，而把表示加速度的桿件 放在另一個(gè)板上，利用電機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)控制矩形板的上下平移，從而表示較鏈 四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析過程。如下圖：圖中1是大矩形板，2是用來表示速度或者加速度的桿件所放的矩形板，3是 一個(gè)用來裝小矩形板和電機(jī)的箱子。方案三：利用壓縮機(jī)原理，在方案二的基礎(chǔ)上，同時(shí)里制兩塊小矩形板進(jìn)行上下 平移，來表示錢鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)

8、動(dòng)分析過程。如圖所不：圖中1表示大矩形板，2和3表示速度與加速度桿件放置的小矩形板，4表示裝 置小矩形板和電機(jī)的箱子。方案一的優(yōu)點(diǎn)就是環(huán)保簡單，但是用起來很繁瑣，比擬浪費(fèi)時(shí)間，而且如果把 所有桿件都放在一個(gè)矩形板上，那矩形板的面積需求較大，浪費(fèi)空間，不方便。方案二的優(yōu)點(diǎn)就是智能、外形美觀、比擬清晰。而且可以加快講課進(jìn)程，提高 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。但是，它技術(shù)需求高，材料耗費(fèi)大，重量較大，不好移動(dòng)。方案三相對(duì)方案二來說就技術(shù)要求更高，材料耗費(fèi)更大，能源消耗也較高，同 時(shí)，它也是智能教具，可以清晰地對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，也可以大大地提高教 學(xué)效率。2. 2總體方案的選擇機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，肯定是要尋求一種既能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求、又 性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的最正確方案。所以，最終所選擇的方案是方案