机构资源库螺旋连杆机构等模拟仿真毕业论文.docx

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机构资源库螺旋连杆机构等模拟仿真毕业论文

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绪论

1.1机构资源库及本次毕业设计的意义

人类之所以取得文明和进步，就是因为我们不断的利用工具和改进工具，在现代社会中，机械就是原始工具的延伸，不管是工作、娱乐还是科学研究，机械设备是必不可少，为了能给大家带来更多的使用方便、功能更强的机械产品，这是我们机械工作者需要研究的问题。

机械产品是由各种常用机构组合而成的，设计者往往需要在门类繁多的机构中挑选适合自己产品的机构，这会使工作者在复杂的计算中迷失方向，如何才能更好的利用现有的资源呢？

伟人牛顿是各项科学的集大成者，他说过，“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”。

所以构建资源库是一个很好的解决办法，这也是本次毕业设计的宗旨。

本机构资源库突破了以往只能在平面二维图纸上获得信息的缺陷，采用常用的CAD/CAM等机构设计分析软件，构建三维立体的机构模型和运动分析模型，能够帮助设计人员对平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等典型机构进行参数化分析，设计者可以通过调整尺寸，修改参数得到不同条件下的机构三维模型、速度图谱、运动图谱、运动轨迹线等设计参数，这样，设计者不用到工厂里就能得到很多只有在实体上才能得到的数据，在产品的开发阶段发现问题，解决问题。

，从而可以取消或缩短样机的实物制造、检测和修改定型等过程，进一步压缩产品开发周期。

为设计人员赢得更多的优化反方案，对于企业效益也弥足珍贵。

长期以来，人们在对执行机构进行型式设计时，存在两方面的问题，一是可供选择的设计方案有限，而且因是手工设设计，设计速度慢；二是在选型时，只作定性分析，产品性能的优劣，很大程度上只取决于设计者的知识结构和经验。

缺乏理论分析和计算，因而很难对产品的性能进行确切评价。

而机构资源库的构件就很好的解决了这些问题。

因此，本机构资源库无论对设计经验丰富的工程师，还是在校的机械类学生都能在机构分析和材料积累上得到帮助。

所以，为三维机构资源库提供一些具体素材，正是本次毕业设计的意义所在。

1.2机构设计的常用方法

不同的机构有不同的设计方法，有平面连杆机构的函数逼进法和位移矩阵法，空间机构运动分析的位移矩阵法和对偶数法等等。

其中较为典型的是机构的形式设计、机构的选型和构型。

下面将重点介绍。

机构设计在整个机械设计进程起着非常重要的地位，如果设计者具备了机构分析与综合的现代理论知识，熟悉各种常用机构的性能、用途和设计要点，掌握机构的组合创新技巧与优化方法，就可以在整个设计进程中取得主动。

1.2.1机构形式设计

机构形式设计具有多样性和复杂性，满足同一功能要求，可选用或创造不同的机构类型。

在进行机构形式设计时，除应满足基本功能所要求的运动形式或运动轨迹外，还应遵循以下几项原则。

1.机构尽可能简单

要使机构简单，可采用以下几项措施：

1）运动链尽量简短

完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数较少的机构，如下图所示为两个直线轨迹机构，其中a）图为E点有近似直线轨迹的四杆机构，b）图为理论上E点有精确直线轨迹的八杆机构。

实际分析表明，在保证同一制造精度条件下，后者的实际传动误差约为前者的2～3倍，其主要原因在于运动副数目增多而造成运动累积误差增大的缘故。

2）适当选择运动副

从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。

但从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构。

究竟选择何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到“扬长避短”。

在一般情况下，应先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副。

在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构，如凸轮机构或连杆-凸轮组合机构。

3）适当选择原动机

执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择传统的电动机驱动形式。

4）选用广义机构

选用广义机构不要仅限于刚性机构,还可选用柔性机构和利用光、电、磁以及利用摩擦、重力、惯性等工作原理的机构,许多场合可使机构更加简单、实用。

2.应使机构具有较好的动力学特性

改善机构动力学特性的方式有以下几种：

1）采用传动角较大的机构

尽可能选择传动角较大的机构,以提高机器的传力效益,减少功耗，对于传力大的机构这点更为重要。

2）采用增力机构

对于执行构件行程不大,而短时克服生产阻力很大的机构（如冲压机械中的主体机构）,应采用"增力"的方法,即瞬时有较大机械增益的机构。

3）采用对称布置的机构

对于高速运转的机构,作往复运动和平面一般运动构件,以及偏心的回转构件的惯性力和惯性力矩较大,则在选择机构时,应尽可能考虑机构的对称性,以减小运转过程中的动负荷和振动。

3.应使机构安全可靠

机械运转应满足其使用性能要求，要保证绝对完全。

起重机械不能在重物作用下产生倒转，应使用自锁机构，或安装制动器。

某些机械为防止过载而损坏，可安装联轴节或采用过载打滑的摩擦传动机构。

1.2.2机构的选型

所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动形式或实现的特定功能进行分类。

然后根据设计要求尽可能地将所有可能的机构形式搜索到，通过比较和评价，确定出合适的机构形式。

机构的选型可以按照以下两种方式进行：

1.按执行机构的运动形式如下表

运动形式

实例

旋转运动

连续旋转运动

车床、铣床的主轴、缝纫机主轴等

间歇运动

自动机床工作台的转位、饮料灌装机工作台转位等

连续往复摆动

鄂式破碎机的动鄂板的打击运动、电风扇的摆头运动等

直线运动

连续往复移动

冲床冲头的冲压运动、压缩机活塞的往复运动等

间歇往复运动

自动生产线上的自动供料机构、自动机床刀架的进退刀运动

曲线运动

插秧机秧爪的曲线运动、飞剪机剪刃的曲线运动等

2.按执行机构的功用如下表

功用

应用实例

夹压与夹持

液动压紧机构、压榨机构

供料与运送

步进式送料机构、供料机构

分度与转位

自动车床转位机构、冰淇淋自动灌装机工作台转位机构、蜂窝煤压制机工作台间歇转位机构

超越、离合、与制动

棘轮超越机构、杠杆带式制动机构、牙嵌离合器、单盘摩擦离合器、多盘摩擦离合器

升降

液压升降机构、凸轮式升降机构

压、剪、飞剪

四连杆式剪切机构、双四连杆剪切机构、摆式剪切机构、杠杆式剪切机构、偏心轴式剪切机构、滚筒式剪切机构、移动式剪切机构等

1.2.3机构的构型

当应用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不当和动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用创新构型的方法，重新构筑机构的形式，这是比机构选型更具有创造性的工作。

机构创新构型的基本思路是：

以初选的机构方案为雏型，通过机构创新构型的方法进行突破，获得新的机构。

常用机构创新构型的方法有以下几种：

1.机构的变异

为了实现某一功能要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。

机构变异构型的方法主要由以下几种：

1）机构的倒置：

 将机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。

按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。

2）机构的扩展：

以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构扩展。

机构扩展后，原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构有很大差别。

3）机构局部结构的改变：

改变机构局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。

4）运动副的变换：

改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。

运动副的变换方式有很多种，常用的有高副与低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。

2.机构的组合

1）齿轮-连杆机构是应用最广泛的一种组合机构，它能实现较复杂的运动规律和轨迹，且制造方便。

2）凸轮-连杆机构：

凸轮机构虽可实现任意的给定运动规律的往复运动,但在从动件作往复摆动时，受压力角的限制，其摆角不能太大。

若采取基本的连杆机构与凸轮机构组合起来，可以克服上述缺点，精确地实现给定的复杂运动规律和轨迹。

3）齿轮-凸轮机构

3.采用其他物理效应

随着科学技术的迅速发展,现代机械已不再是纯机械系统,而是集机、电、液为一体,充分利用力、声、光、磁等工作原理驱动或控制的机械。

利用上述工作原理驱动或控制的机构，由于巧妙地利用了一些其他工作介质和工作原理，将比传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。

1.3虚拟样机技术

1.虚拟样机技术的方法

以CAD和仿真技术为核心，加以三维计算机图形技术和用户界面技术，将传统松散关系的零部件设计和分析技术集成一体，在计算机上建造出产品的整体模型，通过仿真分析并以图形显示该模型在真实工程条件下的运动特性，预测产品的整体性能，从而修改并得到最优设计方案技术，提供了一个全系统研究产品性能的方法。

在整个设计过程中都可以反馈信息,指导设计,迅速获取产品的最优解。

2.虚拟样机技术的意义

新产品的开发要经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制等一系列的反复试制过程,许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。

产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。

这时多数问题已无法更改,修改设计就意味着部分或全部报废和重新试制，因此常常要进行多次试制才能达到要求,试制周期长、费用高。

而采用虚拟设计进行产品的设计、试制和评价,首先是进行产品的立体建模,通过三维建模，设计者能借助计算机将设计的产品形体转化为可视可分析可修改可进一步模拟加工的实体模型运用产品的形状大小、位置、结构切片等几何信息来描述产品的属性（颜色纹理等）并生成具有真实感的，可视的三维图形的技术，实现虚拟现实造型、分析、检验、快速原型制造和产品制造提供基础。

然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真,还可以直观地进行工作性能检查。

虚拟样机技术具有低成本、高效率的特性，特别是在设计过程中大大提高了设计的质量，同时，该技术进一步推广后，随着国家工业化和信息化建设速度的加快，必将带来更大的经济和社会效益。

1.4课题容与实现方法

本次毕业设计主要是完成一些机构简图的三维建模及运动分析建模，为机构资源库提供细胞单元，为了能够进行模型参数化设计，建模时将采用运动学分析模块和动画模块强大的CAD/CAE软件SolidWorks。

1.5本次毕业设计中机构设计的方法与基本步骤

本次毕业设计虽然涉及连杆、凸轮、齿轮、齿条等机构和间歇运动机构、精巧机构等组合机构，但设计过程还是由一定的相同之处，下面介绍我在这次毕业设计中运用的设计方法与基本步骤：

1）了解此机构的设计背景和设计意义

要求：

查阅相关文献，了解此机构得发展历史以及此机构在各种场合的功用，考虑是否有改进的可能和必要，构思初步设计要求。

2）设计要求的确定

要求：

进行机构的执行功能的分析，确定出最适合的能够实现机构功能的设计要求，如运动规律的选择、材料的确定等。

3）机构的类型和结构型式的确定

要求：

根据设计要求确定机构类型，确定机构类型后根据设计要求计算机构的自由度（F=3n-2PL-PH,其中n为机构构件数减去机架，PL低副数目，PH为高副数目）。

4）零件尺寸和运动副的确定

要求：

结合自由度、运动规律、装配体的配合问题、美学特性等要求给出尽可能合理的尺寸，给出各个零件间的运动副。

5）零件建模和装配

要求：

运用SolidWorks的草图、特征、装配等模块进行零件的建模、装配和染色等工作。

6）机构的运动仿真和动画输出

要求：

运用SolidWorks的COSMOSMotion（运动分析模块）和SolidWorksAnimato