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1、机械原理机构分析教具设计摘要机构是用来传递与变换运动和力的可动的装置，连杆机构是机构的一种。在连杆机构中，若各运动构件都在相互平行的平面内运动，就称为平面连杆机构O机构分析与仿真是机构设计的重要内容,但是对平面连杆机构的分析较多。所以，本文主要介绍以平面连杆机构为主的一种机构分析教具。机械原理是一门技术基础课程，在这里我主要进行机构运动分析与机构力分析的研究。因为是基于矢量方程图解法的平面机构分析，本文主要设计出一种教具来演示这个分析方法。关键词平面连杆机构；机构分析；教具设计第一章绪论1.1 平面连杆机构分析的研究意义经过近半个世纪的发展，平面连杆机构分析理论水平已经接近完善，但是，虽然目前
2、已经有不少优秀的教材清楚地阐述了平面机构分析的方法，但它仅仅局限于书本上，我们没有很清楚地认识和学习到这些方法。本课题的目的是开发一套较高自动化程度、人机交互能力强、界面友好、通用性强，并能让一般学生能够接受而且能提高学生的学习积极性。设计这个机构分析教具既可以为机构设计分析和创新提供良好的辅助工具又可以便于教学演示，同时，将计算机动态仿真这个先进的技术运用于机械行业来为机械设计与理论服务也具有重大意义。机构分析是研究机械性能的重要组成部分。通过对机构的运动和力的分析可以了解机构的特性，便于更合理有效地使用各种机械，而且还可以检验机构的特性是否满足设计要求。计算机仿真技术用于机械原理机构分析中
3、，使我们比较直观深刻地认识到机构的原理和特点。1.2 平面连杆机构的国内外研究现状1.2.1 连杆机构分析的历史与现状连杆机构分析重点在于连杆机构运动学、结构学、动力学特性的研究，揭示连杆机构的结构组成、运动学、动力学规律及其关系，用于现有机械系统性能的分析和改进。连杆机构的运动学分析在机构分析中占有很重要的地位，故本文主要介绍连杆机构运动学分析的发展情况。早期的机构学研究者已经建立了连杆机构运动学分析的方法。例如：图解法，分析法和实验法。目前，计算机辅助机构运动学分析的方法有三种：矢量三角形法、约束法、基本杆组发和数值法。1.2.2 平面连杆机构分析综合和动态仿真软件研究现状和发展国外关于机
4、构分析与仿真技术的研究开展的较国内早，美国CADSI,MechanicalDynamicsInc,WorkingModel等专业公司的机构运动学与仿真软件早就商品化，长期占据国际领先地位。国内关于机构运动学分析与仿真技术的研究也开展的较早，机械研究者对此作出很大贡献，如果单从机构运动学分析的理论研究来讲，我国相对其他国家的水平也并不落后。可是，我国的研究成果只是一些概念、算法，并没有与高技术相联系。故到目前为止，还没有能满足CIMS需求的机构运动学分析与仿真软件。总而言之，国内和国外的差距主要在于人机交互、图形图像处理以及可视化方面。与此同时，此仿真软件也存在缺点，对于比较复杂的计算过程，程序
5、运行的较慢，智能化程度还不够高。13本文的研究内容连杆机构可以分为平面连杆机构和空间连杆机构，因为平面连杆机构在日常生活中比较常见，所以我们在这里主要介绍平面连杆机构。传统的连杆机构分析方法有矢量方程法、矩阵法等。在这里，我们主要介绍矢量多边形图解法。该课题研究内容：(1)机构运动分析。结合矢量方程图解法，对平面机构进行运动分析，构件的平面运动可视为由构件上任一点(称为基点)的牵连移动和该构件绕基点的相对转动组成。牵连移动的速度和加速度等于所选基点的速度和加速度，绕基点的相对转动角速度和角加速度等于该构件的角速度和角加速度。根据这一平面运动合成原理列出构件上任一点的矢量方程，然后按一定比例画出
6、相应的矢量多边形，由此解出机构上各点的速度和加速度以及各构件的角速度和角加速度。(在这里主要研究同一构件上两点间的速度和加速度)。(2)机构的尺寸综合。根据预期的运动特性，确定几何尺寸参数，从而完成机构运动简图。在尺寸综合过程中，我们可以获得满意的尺寸。(3)机构运动仿真。对已经综合的机构在电脑屏幕上进行运动仿真，检验机构是否实现预期的运动规律。(4)综合改进与创新。综合考虑教具的各种特性，进行改进。第二章总体方案设计2.1各种设计方案分析如图(a),所示的是钱链四杆机构，已知各构件的长度和原动件1的角速度和角加速度的大小和方向以及原动件的瞬时位置角，现在要求图示位置的C、E的速度和加速度，以
7、及构件2、3的角速度和角加速度。在这里，有三种方案来演示这个钱链四杆机构的运动分析过程。方案一:把所有杆件都放在同一个矩形板上进行演示。这种方案并不用用到电机,只需要一一把杆件平移或旋转就可以了。方案二：把所要用到表示速度的杆件放在一个矩形板上，而把表示加速度的杆件放在另一个板上，利用电机和凸轮机构控制矩形板的上下平移，从而表示较链四杆机构的运动分析过程。如图所示：图中1是大矩形板，2是用来表示速度或者加速度的杆件所放的矩形板，3是一个用来装小矩形板和电机的箱子。方案三：利用压缩机原理，在方案二的基础上，同时控制两块小矩形板进行上下平移，来表示较链四杆机构的运动分析过程。如图所示：图中1表示大
8、矩形板，2和3表示速度与加速度杆件放置的小矩形板，4表示装置小矩形板和电机的箱子。方案一的优点就是环保简单，但是用起来很繁琐，比较浪费时间，而且如果把所有杆件都放在一个矩形板上，那矩形板的面积需求较大，浪费空间，不方便。方案二的优点就是智能、外形美观、比较清晰。而且可以加快讲课进程，提高学生学习积极性。但是，它技术需求高，材料耗费大，重量较大，不好移动。方案三相对方案二来说就技术要求更高，材料耗费更大，能源消耗也较高，同时，它也是智能教具，可以清晰地对机构的运动进行分析，也可以大大地提高教学效率。2.2总体方案的选择机械运动方案设计的最终目标，肯定是要寻求一种既能实现预期功能要求、又性能优良、价格低廉的最佳方案。所以，最终所选择的方案是方案二。因为方案二满足了本课题的出发点：1）具有实用性、交互性，总体上满足先进、实用、易用的条件，操作方便。2）具有设计和教学双重意义，面向广大学生。3）具有高度容错性和可靠性。4）价格中庸，而且可以提高学生学习效率。5）自动化程度高，节省时间，提高教学效率。
