1、高等教育自学考试毕业论文论文题目：平面连杆机构的计算机辅助设计专 业：机电一体化 年 级：08 级 姓 名：赵永涛 指导教师：方立霞 答辩时间：2011 年 12 月 摘 要平面连杆机构由于其诸多优点在机械制造的许多部门和仪器制造中得到广泛应用。而 CAD 技术已经广泛应用与机械制造及设计行业，故本文以平面连杆机构为例，将CAD 技术应用于导杆机构中，利用软件进行平面连杆机构的设计并做出分析，充分验证体现了 CAD 技术在机构设计中的应用，为 CAD 技术在机械行业的进一步发展提供思路。关键词：计算机辅助 平面连杆 设计分析3abstractPlanar linkage mechanism d
2、ue to its many advantages in machinery and equipment manufacturing many departments of the applied widely. And CAD technology has been used widely and machinery manufacturing and design industry, in the paper to planar linkage mechanism as an example, CAD technology applied to guide bar agency, usin
3、g UG software planar linkage mechanism design and make analysis, validate embodies the CAD technology in the application of mechanism design, CAD technology for the further development of the machinery industry to provide ideas.Key words: computer aided planar linkage design analysis目 录摘 要第一章 概况 511
4、 简介 512 我国技术在机械设计上的应用现状 613 前沿技术与发展趋势 7第二章杆机构的类型运动分析及设计 821 连杆机构的类型 8211 机构概述及类型 8212 机构的演化 1022 连杆机构的运动分析 12221 转动副和整转副的关系 12222 行程速比系数 13223 压力角和传动角 14224 死点位置 15第三章 平面四杆机构计算机辅助设计 1631 杆件的设计 16311 机架的设计 16312 连架杆 1 的设计 19313 连架杆 2 的设计 20314 连杆的设计 2132 连杆机构的装配 22321 进入装配模块 22322 装配连架杆 1 23323 装配连架杆
5、 2 25324 转配连杆 2633UG 软件对连杆机构的图标分析 29结论 32 致谢 33参考文献 345第一章 CAD 的概况1.1CAD 简介从 CAD 技术的产生和发展入手,阐述了 CAD 的概念、构成、功能和优势.国内在将二维 CAD 及其软件用于低层次的绘图很普及,但自主开发的三维 CAD 系统还未成熟.在建模理论及算法、产品数据管理、对以 CAD/CAPP/cCAM 和 ERP 等有机集成方面的研究尚待深入.指出新一代的图形交互技术、智能 CAD 技术、虚拟现实技术等是发展方向.CAD 的定义有一个从狭义片面到全面的发展过程，有的人认为，在工程设计中使用计算机进行科学计算和分析
6、就是 CAD，或者利用计算机控制绘图机绘制出工程图纸就是CAD，这些对 CAD 的理解都是片面的，因为它不能充分揭示 CAD 的内涵和本质，使 CAD 的应用始终处于一个初级状态。CAD 技术的产生和发展20 世纪 50 年代初，CAD 技术诞生并处于被动式的图形处理阶段，也是 CAD 技术的准备和酝酿时期。进入 20 世纪 60 年代，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为 CAD 技术的发展和应用打下了理论基础，同时也相继出现了许多商品化的 CAD 设备。1970 年美国 Applicon 公司第一个推出完整的 CAD 系统，出现了全面向中小企业的 CAD/C
7、AM 商品化系统，同时也意味着 CAD 技术进入广泛使用时期。20 世纪 80 年代，CAD 技术进入了突飞猛进的发展时期，在这个时期，CAD/CAM 技术从大中企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。到了 20 世纪 90 年代，CAD 技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，微机加视窗 95/98/2000/NT 操作系统与工作站加 LINIX 操作系统，在以太网的环境下构成了 CAD 系统的主流工作平台。因此现在的 CAD 技术和系统都具有良好开放性，图形接口、图形功能日趋标准化，在 CAD 系统中， 综合运用正文、图形、图
8、像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术，从而大大提高了自动化设计程度，出现了智能 CAD 新学科。12 CAD 系统的构成CAD 技术集中体现在 CAD 系统上，CAD 系统是用户最终用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具，从其体系结构上讲，可分为三个层次：即基础层、支撑层和应用层。基础层由计算机、外围设备和系统软件构成；支撑层包含计算机分析软件、数据库管理系统软件、网络服务软件和集成化 CAD/CAM/CAE 软件等；应用层针对不同应用领域的需求有各自的 CAD 专用软件来支持相应的 CAD 工作，目前各种机械 CAD 软件开发和应用层出不穷，显示出强大的生命力和广阔的发展
9、前景。113 CAD 的功能一个比较完善的 CAD 系统应具备以下基本功能：(1) 科学计算与分析功能，能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析及数字仿真模拟等科学计算。(2) 图形处理功能：如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。(3) 数据管理与数据交换功能：如数据库管理，不同 CAD 系统间的数据交换和接口功能等。(4) 其它功能：如进行文档制作，编辑及文字处理功能，软件设计功能和网络功能等。114 我国 CAD 技术在机械设计中应用现状我国 CAD 技术的应用起步于 20 世纪 60 年代末，经过近 40 年的研究、开发与推广应用，
10、CAD 技术已经广泛应用于机械设计领域，应用 CAD 技术提高了企业的设计效率、优化了设计方案，减轻了技术入员的劳动强度，缩短了设计周期，加强了设计的标准化，CAD/CAM 技术的应用正在如火如茶地展开。但是，目前国内 CAD 系统的应用还停留在比较低的水平上，国内 CAD 技术的应用现状主要表现在以下几个方面：12 我国技术在机械设计上的应用现状121 二维 CAD 市场企业对二维 CAD 软件的功能和作用已经有了充分的认识，二维 CAD 软件已经成为设计师进行设计的一种主要工具，一些条件较好的企业，认识到资源共享的意义，已从原来单机使用 CAD 软件转化为基于网络的团队协作共享。由于国产
11、CAD 软件价格较低，符合国入设计习惯，技术上又十分成熟，服务水平逐渐提高，因此企业在上 CAI)项目时，国产二维 CAD 软件会受到青睐，特别是国产 CAI)软件的使用量。需要说明的是，CAD 软件的技术含量高，而且应用软件的企业个性很强，需要大量的技术服务和支持。如果开发者在技术上没什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，只是在应用上符合国入习惯，价格上有些优势，又不给用户提供培训、升级和技术服务，很难保证 CAD 技术的7应用效果，缺乏核心竞争力。122 国内 CAD 技术的研究存在的几个问题国内 CAD 软件占领的市场主要是二维绘图软件，自主开发的商品化三维 CAI)系统还未成熟，其
12、功能、稳定性与国外同类产品相比还有差距，在应用层次上缺乏创新。CAD 软件开发者缺乏对模型的建立的理论和算法的研究。虽然有这方面的的研究论文发表，但在系统性和实用性方面还有很大差距。对于产品数据管理(PDM)的研究过于局限，对以PDM 为基础实现 CAD/CAPP/CAM 和 ERP 等有机集成方面的研究还不够深入“CAD/CAM 技术的深化应用和企业信息化需要较大的投资，同时需要企业在管理模式、业务流程等方面进行探入的变革，所以是名符其实的“一把手工程” 。13CAD 前沿技术与发展趋势131 图形交互技术CAD 软件是产品创新的工具，务求易学好用，得心应手一个友好的、智能化的工作环境可以开
13、拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此，智能化图标菜单、 “拖放式”造型、动态导航器等一系列入性化的功能，为设计师提供了方便，此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。132 智能 CAD 技术能 CAD/CAM 是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计入员，同时捕获和理解设计入员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，入们正试图把创新技法和入工智能技术相结合应用到
14、 CAD 技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。133 虚拟现实技术虚拟现实技术在 CAD 中已开始应用，设计入员在虚拟世界中创造新产品，可以从入机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品。虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程。虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析
15、，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本。虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为 CAD 技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向。另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的 CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP 集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。1.3.4 国内发展情况近年来，随着我国正式加入 WTO，经济全球化和信息化使我国制造企业竞争环境、发展模式和活动空间等发生了深刻变化。这些变化对我国制造业提出严峻的挑战。CAD/CAM的技术进步始终与工程实际相结合，它在我国的应用和
16、发展必将对制造业产生深远的影响，对提高我国制造业核心竞争力起到举足轻重的作用。CAD 技术一直处于不断发展与探索之中，国外 CAD 技术以惊入的速度向前发展。CAD 技术正朝着开放化、集成化、智能化、协同化和标准化方向发展。我国 CAD 技术研究和应用的水平与发达国家相比仍有很大差距。我们应该清醒认识到先进的设计方法和设计手段是机械制造企业在激烈的市场竞争中获得成功的重要保证第二章杆机构的运动分析及设计2.1 连杆机构的类型2.1.1 机构概述及类型平面连杆机构是将各构件用转动副或移动副联接而成的平面机构。最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。它的应用非常广泛，而且是组成多
17、杆机构的基础。全部用回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图 3-1 所示。机构的固定件 4 称为机架；与机架用回转副相联接的杆 1 和杆 3 称为连架杆；不与机架直接联接的杆 2 称为连杆。能作整周转动的连架杆，称为曲柄。仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。9图 2-1 铰链四杆机构1、曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。2、双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双
18、曲柄机构。在双曲柄机构中，通常主动曲柄作等速转动，从动曲柄作变速转动。双曲柄机构中，用得最多的是平行双曲柄机构，或称平行四边形机构，它的连杆与机架的长度相等，且两曲柄的转向相同、长度也相等。由于这种机构两曲柄的角速度始终保持相等。且连杆始终作平动，故应用较广。例如在图 2-2a 中，当曲柄 1 由 AB2 转到 AB3时，从动曲柄 3 可能转到 DC3，也可能转到 DC3。为了消除这种运动不确定现象，除可利用从动件本身或其上的飞轮惯性导向外，还可利用错列机构（图 2-2）或辅助曲柄等措施来解决。如图 2-2 不所示机车驱动轮联动机构，就是利用第三个平行曲柄（辅助曲柄）来消除平行四边形机构在这个
19、位置运动时的不确定状态。a) b)图 2-2 平行四边形机构（图号对应）3.双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。两摇杆长度相等的双摇杆机构，称为等腰梯形机构2.1.2 机构的演化在实际机械中，平面连杆机构的型式是多种多样的，但其中绝大多数是在铰链四杆机构的基础上发展和演化而成。（1） 曲柄滑块机构如图 2-3a 所示的曲柄摇杆机构中，摇杆 3 上 C 点的轨迹是以 D 为圆心，杆 3 的长度L3 为半径的圆弧 mm。如将转动副 D 扩大，使其半径等于 L3，并在机架上按 C 点的近似轨迹 mm 做成一弧形槽，摇杆 3 做成与弧形槽相配的弧形块，如图 2-3b 所示。此时虽然
20、转动副 D 的外形改变，但机构的运动特性并没有改变。若将弧形槽的半径增至无穷大，则转动副 D 的中心移至无穷远处，弧形槽变为直槽，转动副 D 则转化为移动副，构件 3由摇杆变成了滑块，于是曲柄摇杆机构就演化为曲柄滑块机构，如图 2-3c 所示。图 2-3 曲柄滑块机构的演化（2） 导杆机构导杆机构可以看作是在曲柄滑块机构中选取不同构件为机架演化而成。图 2-4a 所示为曲柄滑块机构，如将其中的曲柄 1 作为机架，连杆 2 作为主动件，则连杆2 和构件 4 将分别绕铰链 B 和 A 作转动。如图 2-4b 所示。若 ABBC，则杆 4 只能作往复摆动，故称为摆动导杆机构。图 2-4 曲柄滑块机构
21、相导杆机构的演化 a.摇块机构在图 2-4a 所示的曲柄滑块机构中，若取杆 2 为固定件，即可得图 2-4c 所示的摆动滑块机构，或称摇块机构。这种机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置内。如图112-5 所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图。在该机构中，因为液压油缸 3 绕铰链 C 摆动，故称为摇块。图 2-5 自卸卡车翻斗机构及其运动简图b定块机构在图 2-4a 所示曲柄滑块机构中，若取杆 3 为固定件，即可得图 2-4d 所示的固定滑块机构或称定块机构。这种机构常用于抽水唧筒等机构中。(3)偏心轮机构图 2-6a 所示为偏心轮机构。杆 1 为圆盘，其几何中心为 B。因运动时该圆盘绕偏心A
22、转动，故称偏心轮。A、B 之间的距离 e 称为偏心距。按照相对运动关系，可画出该机构的图 3-6 偏心轮机构运动简图。如图 2-6b 所示。由图可知，偏心轮是回转副 B 扩大到包括回转副 A 而形成的，偏心距 e 即是曲柄的长度。22 平面四杆机构的运动分析221 转动副与整转副的关系铰链四杆机构中某个转动副是否为整转动副取决于四个构件的相对长度关系。考虑到机构中任意两构件之间的相对运动关系与其中哪个构件为机架无关，故可针对铰链四杆运动链分析转动副为整转动副的充分必要条件。及 cbdacbad1）当 da 时，则 a bdc ac db 分别相加得：ac ab ad (a 最短) 2）当 ad
23、 时，则 a b d c d ca b分别两两相加得：dc db da (a 最短) 结论：连架杆与机架中必有一杆为最短杆。最短杆+最长杆其他二杆长度之和。222 行程速度变化系数13对于原动件（曲柄）作匀速定轴转动、从动件相对于机架作往复运动的连杆机构，从动件正行程和反行程的位移量相同，而所需时间不相等，因此从动件正反两个行程的平均速度也就不相等。这种现象称为机构的急回特性。1、 极位夹角从动件处于两极限位置时曲柄间所夹的角称为极位夹角.2 、行程速度变化系数 /2112tck度从 动 件 工 位 行 程 平 均 速从 动 件 空 行 程 平 均 速 度18021o只要 就有急回作用.k解出
24、 o1设计时先确定 k=12 然后计算 再根据 设计其他构件尺寸. 223 压力角和传动角1、机构压力角从动件受力方向与作用点处速度方向所夹的锐角称作机构压力角.可见 愈小愈好。cosFt2、机构传动角压力角的余角 即 o90可见 愈大愈好。 sinFt最小传动角 o40min机械设计时校核。最小传动角的可能位置当BCD 为锐角时 BCD当BCD 为钝角时 O180找出BCD 最小与最大即可。曲柄与机架重迭与拉直共线都可能使 最小。224 死点位置1、死点的出现对曲柄摇杆机构摆杆为主动件时，当曲柄与连杆共线时 =90，=0摇杆无法推动曲柄，称机构的死点位置. ABCDabcdFFtFncVmi
25、nmax15Dabd1B2B1C2Cc ca bAB死点的避免a.机构错开排列b.利用惯性闯过死点死点的利用第三章 平面四杆机构计算机辅助设计31 杆件的设计3.1.1 机架的设计打开 UG5.0，新建文件。点击新建按钮，系统弹出文件新建对话框。在名称文本框中输入文件名称 jijia；单击确定，进入建模环境。图 3-1 新建对话框单击长方体按钮输入长度 10，宽度 288，高度 20。图 3-2 特征工具栏173-3 长方体对话框3-4 新建长方体选择边倒圆按钮，输入半径 10，在长方体两边倒圆。3-5 特征操作工具栏3-6 边倒圆对话框3-7 边倒圆后的长方体选择圆柱体按钮，在长方体两个圆柱
26、凸台，输入高度 5，圆的直径 303-8 圆柱对话框3-9 在两侧加圆柱体凸台选择圆柱体按钮，再凸台上建立两个圆形孔。193-10 机架3.1.2 连架杆 1 的设计新建文件系统弹出文件新建对话框。在名称文本框中输入文件名称 lianjiagan;点击确定，进入建模环境3-11 新建对话框单击长方体按钮，输入长度 10，宽度 200，高度 20，点击确定按钮。3-12 长方体对话框单击边倒圆按钮，在上方体两边倒圆，半径输入 104-13 边倒圆好的长方体在一端建立凸台，高度 20，直径 10.如图 3-143-14 在一端建立凸台在另一端建立一个直径 20 高度为 5 的圆柱体，在圆柱体上面建
27、立凸台，直径 10，高度15.3-15 建立凸台3-16 连架杆 13.1.3 连架杆 2 的设计1.新建文件系统弹出文件新建对话框。在名称文本框中输入文件名称 lianjiagan；21单击确定，进入建模环境。2.单击长方体按钮，输入长度 10，宽度 112，高度 20，单击确定按钮。3.单击边倒圆按钮，在长方体两边倒圆，半径输入 10.4.在一端建立凸台，高度 20，直径 10。在另一端建立一个直径 20 高度为 5 的圆柱体，在圆柱体上面建立凸台，直径 10，高度15.3-17 连架杆 23.1.4 连杆的设计新建文件，系统弹出文件新建对话框，在名称文本框中输入名称 liangan，单击
28、确定，进入建模环境。3-18 新建对话框单击长方体按钮，输入长度 10，宽度 208，高度 20，点击确定。3-19 长方体对话框选择边倒圆按钮，在两边倒圆，输入半径 10。3-20 边倒圆后的长方体在两边建立两个直径 10 的孔。3-21 连杆3.2 连杆机构的装配3.2.1 进入装配模块1.启动 UGNX，新建一个文件。2.单击（标准）工具栏中的 按钮，在弹出的下拉菜单中选择（装配）命令，进入装配模块。233.五添加组件机架在菜单栏中选择（装配） 、 （组件） 、 （添加组件）命令，或者单击转配工具 栏中的按钮，弹出（添加组件）对话框，如图所示。单击 按钮，弹出（部件名）对话框，根据组件的
29、存放路径选择组件机架 jijia.prt.单击 按钮，返回到（添加组件）对话框设置定位为“绝对原点” ，单击 按钮，将实体定位为原点，结果如图所示。3-22 添加组件对话框3-23 添加机架3.2.2 装配连架杆 1以“配对”的定位方式打开连架杆 1 组件 lianjiagan1,prt,单击 按钮进入配对条件对话框。3-24 配对条件对话框单击配对按钮 选择如图 3-5 所示红色的面，再选中如图 5-5 所示红色的面，单击确定按钮。单击 按钮选择图 3-7 所示的红色的面，再选中如图 5-7 所示的红色面，单击确定按钮，最后得到如图 3-9 所示3-25 装配关系3-26 装配关系253-2
30、7 装配关系3-28 装配关系3-29 装配连架杆 13.2.3 装配连架杆 2 以“配对”方式打开连架杆 2 组件 lianjiagan2.prt.单击 按钮，转配结果如图 3-30 所示。3-30 装配连架杆 23.2.4 装配连杆同装配连架杆（1） （2）一样以“配对”方式打开连杆组件 liangan.prt.单击按钮，进入配对条件对话框如图所示.单击配对类型里面配对 按钮，选择如图5-11 所示的红色的面，再选中如图所示 3-23 所示的红色的面，单击 按钮，再单击中心 按钮，选择如图-24 所示的红色的面，再选中如图 3-25 所示红色的面，单击按钮，再单击 按钮，选择如图 3-26
31、 所示红色面，再选中 3-27 所示红色的面单击 按钮，再单击按钮，得到最终的张配图如图 3-28 所示。3-31 配对条件对话框273-32 配对关系3-33 装配关系3-34 装配关系3-35 装配关系3-36 装配关系3-37 装配关系293-38 装配关系33UG 软件对连杆机构的图标分析曲柄（连杆 1）为原动件，在其转动一周后，有两次与连杆 2 共线，如图所示。这时摇杆（连杆 3）分别处于两个被称为极限的位置，当曲柄以等角速度转动一周时，摇杆将在两个极限位置之间扳动，而且较明显的看到从一个极限位置到另一个极限位置要用的时间多，这就是摇杆的急回特性。摆杆角速度变化为了用 UG 定量地说明摇杆的急回特性，用 UG 中的 Graphing 功能，选定连杆 2 与连杆 3 构成旋转副，Y 轴属于请求选择速度，分量选择角度幅值，即表示角速度，接着点击确定输出图标，即可得出如图 7-3 所示图标。从表可以知道，摆杆从曲柄和连杆重合位置到曲柄和连杆共线位置需要 20s，从曲柄和连杆共线到曲柄和连杆重合需要 16s，从时间上说明了摆杆的急回特性。运动副 1 的分析因为机架是固定不动得，所以运动副 1 的角速度应该为 0.如图所示运动副 2 的分析运动副 2 设置的是恒定角速度为 10 度/秒，又图 7-5 所示可以看出其角速度为10 度/秒运动副 3 的分析
