平面四桿機構(gòu)設(shè)計
平面四桿機構(gòu)設(shè)計,平面,機構(gòu),設(shè)計
一、選題的依據(jù)及意義:
1.1選題目的
1.建立研究新機構(gòu),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(chǔ)理論。
2.加速吸收發(fā)達工業(yè)化國家的先進技術(shù),為本國新機構(gòu),新機器的二次設(shè)計,二次開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
3.提出在技術(shù)革新和設(shè)備改造中提出的新機構(gòu),新機器的獨特結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新構(gòu)思,是其成為成熟的先進技術(shù)。
4.簡介一些新機構(gòu),新機器實用性結(jié)構(gòu)及技術(shù)的應(yīng)用實例,說明理論對實踐的指導(dǎo)作用。
5.為從事機械設(shè)計,制造的工程技術(shù)人員的知識,技術(shù)更新開闊視野提供參考資料。
6.探索平面連桿機構(gòu)研究的新方法,新思路。
連桿機構(gòu)的最基本形式是平面四桿機構(gòu),它是其它連桿機構(gòu)的基礎(chǔ)。 平面四桿機構(gòu)是由四個剛性構(gòu)件用低副鏈接組成的,各個運動構(gòu)件均在同一平面內(nèi)運動的機構(gòu)。所以,對平面四桿機構(gòu)進行研究可以概括連桿機構(gòu)內(nèi)在的基本原理,從而用以連桿機構(gòu)的設(shè)計。
所有運動副均為轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu),它是平面四桿機構(gòu)的基本形式,其他四桿機構(gòu)都可以看成是在它的基礎(chǔ)上演化而來的。選定其中一個構(gòu)件作為機架之後,直接與機架鏈接的構(gòu)件稱為連架桿,不直接與機架連接的構(gòu)件稱為連桿,能夠做整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱作曲柄,只能在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動的構(gòu)件稱為搖桿。如果以轉(zhuǎn)動副連接的兩個構(gòu)件可以做整周相對轉(zhuǎn)動,則稱之為整轉(zhuǎn)副,反之稱之為擺轉(zhuǎn)副。鉸鏈四桿機構(gòu)中,按照連架桿是否可以做整周轉(zhuǎn)動,可以將其分為三種基本機構(gòu)運動學綜合是按照給定的運動特性對機構(gòu)進行系統(tǒng)的設(shè)計的過程,包括型綜合和尺度綜合兩大主要內(nèi)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(shè)計精度低,僅適用于對機構(gòu)精度要求不高的場合。近幾十年來,隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展,人們對機構(gòu)的復(fù)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(shè)計(CAD)的解析法得到了廣泛的應(yīng)用。
本課題的主要內(nèi)容是平面四桿機構(gòu)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(shè)計和仿真連桿機構(gòu)連桿曲線方面的應(yīng)用,從而指導(dǎo)實踐;二、總結(jié)出四桿機構(gòu)軌跡綜合的理論基礎(chǔ),從而指導(dǎo)多桿或復(fù)雜的低副平面機構(gòu)的綜合。
此課題的主要目標是系統(tǒng)地對平面四桿機構(gòu)連桿曲線進行研究,從而來獲得連桿機構(gòu)基本的原理和綜合方法,以便在實際中得到應(yīng)用;主要特色是在各個設(shè)計進度中將會大量應(yīng)用計算機高級語言編程來輔助設(shè)計和仿真平面四桿機構(gòu)。
受控連桿機構(gòu)是指一個或若干個原動件受計算機控制,從而使機構(gòu)可以精確實現(xiàn)任意給定運動并具有智能化的一類機構(gòu),如具有一個受控原動件的平面五桿機構(gòu);受控機構(gòu)學研究受控連桿機構(gòu)的分析與綜合理論、控制方法與控制系統(tǒng)和應(yīng)用。
1.2課題主要內(nèi)容及選題意義
四桿機構(gòu)在機械自動化,機械手,機器人中都有很廣泛的應(yīng)用,近幾十年來,隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,人們對機構(gòu)的復(fù)雜程度和精度要求越來越高,作圖法和實驗法已經(jīng)不能滿足要求,而解析法則成為日益廣泛應(yīng)用的分析方法。
本課題的主要內(nèi)容是平面四桿機構(gòu)的連桿曲線與運動領(lǐng)域識別,要求研究者用解析法先進行平面四桿機構(gòu)連桿軌跡的生成,再利用隨機函數(shù)建立軌跡曲線數(shù)據(jù)庫,對數(shù)據(jù)庫中的曲線進行分類及運動領(lǐng)域識別,最后用軟件(Visual Basic)實現(xiàn)運動仿真。
意義在于:深入研究計算機在設(shè)計和仿真連桿機構(gòu)連桿曲線方面的應(yīng)用,從而指導(dǎo)實踐;二,總結(jié)出四桿機構(gòu)軌跡綜合的理論基礎(chǔ),從而指導(dǎo)多桿(如六桿)或復(fù)雜的低副平面機構(gòu)的綜合。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(含文獻綜述):
連桿機構(gòu)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(shè)計及輔助制造(CAD/CAM)蓬勃發(fā)展,隨著CAD技術(shù)和新算法的出現(xiàn),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(xiàn)某種算法而精確求解的解析法得到了廣
泛的應(yīng)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(gòu)。另外,近十年來還出現(xiàn)了“數(shù)值圖譜”進行機構(gòu)的尺度綜合,其思路為
將連桿曲線機構(gòu)的輸出參數(shù)用一組特征參數(shù)存入計算機,通過特征參數(shù)的比較,決定所
設(shè)計機構(gòu)的近似精度,以進行機構(gòu)的尺度綜合?,F(xiàn)在國內(nèi)外學者已有不少研究成果,并
引入了多種數(shù)學工具,如頻譜分析、模糊數(shù)學、小波特征等參數(shù)。最后,應(yīng)用計算機來
對機構(gòu)進行仿真已成了目前機構(gòu)綜合的一個重要內(nèi)容,通過仿真來獲得機構(gòu)的各個特征
參數(shù),然后再進行優(yōu)化設(shè)計也決定了機構(gòu)的精確。
1.受控機構(gòu)學發(fā)展展望
作為受控機構(gòu)學目前研究的重點受控五桿機構(gòu),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(lǐng)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(gòu)是一種最簡單,但功能優(yōu)越的,能精確實現(xiàn)給定運動的機電一體化的連桿機構(gòu)。下一步的研究,將進一步開拓新的研究領(lǐng)域,如精確實現(xiàn)給定的剛體位置的理論和綜合方法;精確實現(xiàn)給定的組合運動(如實現(xiàn)連桿軌跡的同時滿足主從動件之間的函數(shù)關(guān)系,實現(xiàn)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(gòu)動力學方面的研究,如機構(gòu)所傳遞的動力對精確實現(xiàn)運動的影響和平衡問題等;從而形成較完善的受控機構(gòu)學理論體系。
1.2編制具有良好“魯棒性”的應(yīng)用軟件
為了能使這種新型機構(gòu)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(yīng)用軟件,因此結(jié)合最新的計算機窗口和圖形技術(shù),面向用戶編制具有良好“魯棒性”的計算機仿真程序和應(yīng)用軟件,讓用戶不需要學習或只經(jīng)過短時的訓(xùn)練就能使用該軟件設(shè)計機構(gòu),而且得到全套的機構(gòu)圖、機構(gòu)尺寸、運動學參數(shù)、動力學參數(shù)和控制參數(shù)。將研究結(jié)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(yīng)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(cè)重于進行實驗研究。結(jié)合實際應(yīng)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(diào)整機構(gòu)尺寸和動力學參數(shù),并能適應(yīng)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
三、研究內(nèi)容及實驗方案:
用解析法計算平面四桿機構(gòu)連桿各點軌跡,建立連桿軌跡曲線數(shù)據(jù)庫,用軟件編程實現(xiàn)運動分析。這需要做到:1、建立平面四桿機構(gòu)運動方程 2、編寫運動分析程序 3、機構(gòu)運動模擬
平面連桿機構(gòu)原理,包括鉸鏈四桿機構(gòu)(曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu))、鉸鏈四桿機構(gòu)的演化(曲柄滑塊機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)、搖塊機構(gòu)、定塊機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu))。
研究內(nèi)容:
1.平面四桿機構(gòu)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(lǐng)域識別
4.運動學仿真軟件編制
實驗方案:
所以, (1)
(2)
(1)(2)聯(lián)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(gòu)相應(yīng)位置無法實現(xiàn)。
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(gòu)和四桿機構(gòu)連桿曲線進行研究,從而來獲得連桿機構(gòu)基本的原理和綜合方法,以便在實際中得到應(yīng)用。
主要特色:在各個設(shè)計進度中將會大量應(yīng)用計算機高級語言編程(VB)來輔助設(shè)計和仿真平面四桿機構(gòu),主要體現(xiàn)在三個方面:一、繪制連桿曲線;二、綜合機構(gòu)尺度;三、機構(gòu)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(gòu)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(lǐng)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:
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5、孟彩芳主編.機械原理電算分析與設(shè)計. 天津:天津大學出版社,2000
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