平面四桿機構設計

平面四桿機構設計,平面,機構,設計 一、選題的依據及意義： 1．1選題目的 1．建立研究新機構，新機器發(fā)明創(chuàng)造的普遍規(guī)律及實用方法的實用基礎理論。 2．加速吸收發(fā)達工業(yè)化國家的先進技術，為本國新機構，新機器的二次設計，二次開發(fā)提供理論基礎。 3．提出在技術革新和設備改造中提出的新機構，新機器的獨特結構和創(chuàng)新構思，是其成為成熟的先進技術。 4．簡介一些新機構，新機器實用性結構及技術的應用實例，說明理論對實踐的指導作用。 5．為從事機械設計，制造的工程技術人員的知識，技術更新開闊視野提供參考資料。 6．探索平面連桿機構研究的新方法，新思路。 連桿機構的最基本形式是平面四桿機構，它是其它連桿機構的基礎。 平面四桿機構是由四個剛性構件用低副鏈接組成的，各個運動構件均在同一平面內運動的機構。所以，對平面四桿機構進行研究可以概括連桿機構內在的基本原理，從而用以連桿機構的設計。 所有運動副均為轉動副的四桿機構稱為鉸鏈四桿機構，它是平面四桿機構的基本形式，其他四桿機構都可以看成是在它的基礎上演化而來的。選定其中一個構件作為機架之後，直接與機架鏈接的構件稱為連架桿，不直接與機架連接的構件稱為連桿，能夠做整周回轉的構件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內往復擺動的構件稱為搖桿。如果以轉動副連接的兩個構件可以做整周相對轉動，則稱之為整轉副，反之稱之為擺轉副。鉸鏈四桿機構中，按照連架桿是否可以做整周轉動，可以將其分為三種基本機構運動學綜合是按照給定的運動特性對機構進行系統(tǒng)的設計的過程，包括型綜合和尺度綜合兩大主要內容，主要綜合方法有解析法、作圖法和實驗法。作圖法和實驗法工作量大，設計精度低，僅適用于對機構精度要求不高的場合。近幾十年來，隨著工業(yè)技術的高速發(fā)展，人們對機構的復雜程度和精度要求越來越高，作圖法和實驗法已不能滿足要求，而基于計算機輔助設計（CAD）的解析法得到了廣泛的應用。 本課題的主要內容是平面四桿機構的連桿曲線及軌跡綜合，其意義在于：一、深入研究計算機在設計和仿真連桿機構連桿曲線方面的應用，從而指導實踐；二、總結出四桿機構軌跡綜合的理論基礎，從而指導多桿或復雜的低副平面機構的綜合。 此課題的主要目標是系統(tǒng)地對平面四桿機構連桿曲線進行研究，從而來獲得連桿機構基本的原理和綜合方法，以便在實際中得到應用；主要特色是在各個設計進度中將會大量應用計算機高級語言編程來輔助設計和仿真平面四桿機構。 受控連桿機構是指一個或若干個原動件受計算機控制，從而使機構可以精確實現任意給定運動并具有智能化的一類機構，如具有一個受控原動件的平面五桿機構；受控機構學研究受控連桿機構的分析與綜合理論、控制方法與控制系統(tǒng)和應用。 1．2課題主要內容及選題意義 四桿機構在機械自動化，機械手，機器人中都有很廣泛的應用，近幾十年來，隨著現代工業(yè)的高速發(fā)展，人們對機構的復雜程度和精度要求越來越高，作圖法和實驗法已經不能滿足要求，而解析法則成為日益廣泛應用的分析方法。 本課題的主要內容是平面四桿機構的連桿曲線與運動領域識別，要求研究者用解析法先進行平面四桿機構連桿軌跡的生成，再利用隨機函數建立軌跡曲線數據庫，對數據庫中的曲線進行分類及運動領域識別，最后用軟件（Visual Basic）實現運動仿真。 意義在于：深入研究計算機在設計和仿真連桿機構連桿曲線方面的應用，從而指導實踐；二，總結出四桿機構軌跡綜合的理論基礎，從而指導多桿（如六桿）或復雜的低副平面機構的綜合。 二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）： 連桿機構綜合的重中之重就是尺度綜合。六十年代以后，計算機輔助設計及輔助制造（CAD/CAM）蓬勃發(fā)展，隨著CAD技術和新算法的出現，人們已開發(fā)出許多實用化的軟件來進行尺度綜合。 目前，通過采用計算機高級語言編程來實現某種算法而精確求解的解析法得到了廣 泛的應用，例如連續(xù)算法（即同倫算法）、遺傳算法（GA）等，這些算法能夠綜合出精 度很高的機構。另外，近十年來還出現了“數值圖譜”進行機構的尺度綜合，其思路為 將連桿曲線機構的輸出參數用一組特征參數存入計算機，通過特征參數的比較，決定所 設計機構的近似精度，以進行機構的尺度綜合?，F在國內外學者已有不少研究成果，并 引入了多種數學工具，如頻譜分析、模糊數學、小波特征等參數。最后，應用計算機來 對機構進行仿真已成了目前機構綜合的一個重要內容，通過仿真來獲得機構的各個特征 參數，然后再進行優(yōu)化設計也決定了機構的精確。 1.受控機構學發(fā)展展望 作為受控機構學目前研究的重點受控五桿機構，雖然有一定進展，形成了一定的體系，但作為一個新興研究領域還有待更深入的研究。 1.1進一步加強研究，完善方法和理論體系 具有一個受控原動件的五桿機構是一種最簡單，但功能優(yōu)越的，能精確實現給定運動的機電一體化的連桿機構。下一步的研究，將進一步開拓新的研究領域，如精確實現給定的剛體位置的理論和綜合方法；精確實現給定的組合運動（如實現連桿軌跡的同時滿足主從動件之間的函數關系，實現連桿軌跡的同時滿足剛體位置的要求等）的理論和綜合方法；機構動力學方面的研究，如機構所傳遞的動力對精確實現運動的影響和平衡問題等；從而形成較完善的受控機構學理論體系。 1.2編制具有良好“魯棒性”的應用軟件 為了能使這種新型機構理論得到推廣，不但要有完善的理論研究，而且還要開發(fā)具有良好“魯棒性”的應用軟件，因此結合最新的計算機窗口和圖形技術，面向用戶編制具有良好“魯棒性”的計算機仿真程序和應用軟件，讓用戶不需要學習或只經過短時的訓練就能使用該軟件設計機構，而且得到全套的機構圖、機構尺寸、運動學參數、動力學參數和控制參數。將研究結果以軟件形式推廣，也是一個研究重點。 1.3加強實驗研究，推廣工程應用 科學研究的目的是為了推動工業(yè)進步。下一步的研究將側重于進行實驗研究。結合實際應用在實驗室條件下建立通用實驗臺，該通用實驗臺要能夠調整機構尺寸和動力學參數，并能適應各種單一運動、多個運動和組合運動的實驗需要，以驗證理論，探討控制系統(tǒng)的組成和優(yōu)化，為工業(yè)應用奠定基礎。 三、研究內容及實驗方案： 用解析法計算平面四桿機構連桿各點軌跡，建立連桿軌跡曲線數據庫，用軟件編程實現運動分析。這需要做到：1、建立平面四桿機構運動方程 2、編寫運動分析程序 3、機構運動模擬 平面連桿機構原理，包括鉸鏈四桿機構（曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構）、鉸鏈四桿機構的演化（曲柄滑塊機構、導桿機構、搖塊機構、定塊機構、雙滑塊機構）。 研究內容： 1.平面四桿機構連桿點的軌跡坐標 2.連桿軌跡曲線分類基準的確定 3.軌跡曲線的分類及運動領域識別 4．運動學仿真軟件編制 實驗方案： 所以， （1） （2） （1）（2）聯立消去，再將，， 代入，解方程可得： （3） 式中，， ， 當連桿初始位置是時，（2）式中取“+”號；當連桿初始位置是時（2）式中取“-”號；當時，連桿機構相應位置無法實現。 所以，， 所以， 所以，連桿上任一點（K點）的坐標（x,y）就可以表示為 四、目標、主要特色及工作進度： 目標：系統(tǒng)地對平面四桿機構和四桿機構連桿曲線進行研究，從而來獲得連桿機構基本的原理和綜合方法，以便在實際中得到應用。 主要特色：在各個設計進度中將會大量應用計算機高級語言編程（VB）來輔助設計和仿真平面四桿機構，主要體現在三個方面：一、繪制連桿曲線；二、綜合機構尺度；三、機構的優(yōu)化和VB運動模擬。 工作進度： 1、開題報告、外文資料翻譯 兩周 3月1日-——3月11日 2、平面四連桿機構的類型 三周 3月14日——4月2日 3、連桿曲線的生成與分類準則的確定 三周 4月6日——4月26日 4、曲線分類 兩周 4月27日——5月10日 5、曲線分類的運動領域識別 兩周 5月11日——5月25日 6、畢業(yè)論文整理及答辯準備 一周 5月26日——6月1日 五、參考文獻： 1、張紀元主編.機械學的數學方法.上海：上海交通大學出版社，2003 2、孫桓等主編.機械原理（第六版）.北京：高等教育出版社，2001 3、濮良貴主編.機械設計. 北京：高等教育出版社.2001 4、曹惟慶編著.平面連桿機構分析與綜合. 北京：科學出版社，1989 5、孟彩芳主編.機械原理電算分析與設計. 天津：天津大學出版社，2000 6、曹清林等編著.對稱軌跡機構 北京：機械工業(yè)出版社，2003 7、楊廷力編著.機械系統(tǒng)基本理論——結構學 運動學 動力學. 北京：機械工業(yè)出版社，1996 5