基于maｔlａｂ的连杆机构设计
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目录
１平面连杆机构的运动分析 (1)
1．2 机构的工作原理 (1)
1.３机构的数学模型的建立 (1)
1.３.1建立机构的闭环矢量位置方程．.....．.......．...．....．...．..．．．..．....．...．．．...．１
1.3.２求解方法..．..．..．.．..................．．...．........．....．...．．．..．．.．..．..．．．2
２基于MATLAB程序设计 (4)
2.1 程序流程图 (4)
2．2 M文件编写 (6)
２.３程序运行结果输出 (7)
3 基于MATLAB图形界面设计 (11)
3.1界面设计……………………………………………………………………………………………１1
3.2代码设计……………………………………………………………………………………………１2
4 小结 (17)
参考文献 (18)
1平面连杆机构的运动分析
１.1 机构运动分析的任务、目的和方法
曲柄摇杆机构是平面连杆机构中最基本的由转动副组成的四杆机构，它可以用来实现转动和摆动之间运动形式的转换或传递动力。
对四杆机构进行运动分析的意义是:在机构尺寸参数已知的情况下,假定主动件（曲柄)做匀速转动，撇开力的作用,仅从运动几何关系上分析从动件（连杆、摇杆)的角位移、角速度、角加速度等运动参数的变化情况。还可以根据机构闭环矢量方程计算从动件的位移偏差。上述这些内容,无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能,都是十分必要的,而且它还是研究机械运动性能和动力性能提供必要的依据。
机构运动分析的方法很多,主要有图解法和解析法。当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时，采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘制机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来,以便于机构的优化设计。
1.2 机构的工作原理
在平面四杆机构中,其具有曲柄的条件为:
a.各杆的长度应满足杆长条件,即:
最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。
b.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆，且其最短杆为连架杆或机架（当最短杆为连架杆时,四杆机构为曲柄摇杆机构;当最短杆为机架时，则为双曲柄机构）。
在如下图１所示的曲柄摇杆机构中，构件ＡB为曲柄,则B点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置。
1.3 机构的数学模型的建立
1.3．1建立机构的闭环矢量位置方程
在用矢量法建立机构的位置方程时，需将构件用矢量来表示，并作出机构的封闭矢量多边形。如图1所示，先建立一直角坐标系。设各构件的长度分别
为L1、L2 、Ｌ３、L4 ,其方位角为、、、。以各杆矢量组成一个封闭矢量多边形，即ABCDA。其个矢量之和必等于零。即:
式1
式１为图1所示四杆机构的封闭矢量位置方程式。对于一个特定的四杆机构，其
各构件的长度和原动件２的运动规律，即为已知,而=0，故由此矢量方程可求得未知方位角、。
角位移方程的分量形式为:
式2
闭环矢量方程分量形式对时间求一阶导数(角速度方程）为：
式3 其矩阵形式为:
式４
联立式3两公式可求得:
式5
式6
闭环矢量方程分量形式对时间求二阶导数(角加速度方程）矩阵形式为：
式7
由式7可求得加速度:
式8
式9
注：式1~式9中,Lｉ(ｉ=１，２,3,4)分别表示机架1、曲柄2、连杆３、摇杆４的长度；(i=1,２,3，4）是各杆与x轴的正向夹角,逆时针为正，顺时针
为负，单位为 rad; 是各杆的角速度， ,单位为 rａd/s；
为各杆的角加速度，单位为。
１.3.2求解方法
(１）求导中应用了下列公式:
式１0
(２)在角位移方程分量形式(式２）中，由于假定机架为参考系，矢量１与ｘ轴重合, =0,则有非线性超越方程组：
式1１
可以借助牛顿－辛普森数值解法或Matlaｂ自带的ｆｓolvｅ函数求出连杆3的角位移和摇杆４的角位移。
(3)求解具有n个未知量 (ｉ=１，2,…，n)的线性方程组:
式12
式中,系列矩阵是一个阶方阵：
式13
的逆矩阵为 ;常数项b是一个n维矢量:
式14 因此,线性方程组解的矢量为:
式15
式１1是求解连杆3和摇杆4角速度和角加速度的依据。
基于ＭAＴＬAB程序设计
MATLAB 是Mａthwｏrks 公司推出的交互式计算分析软件,具有强大的运算分析功能，具有集科学计算、程序设计和可视化于一体的高度集成化软件环境,是目前国际上公认的最优秀的计算分析软件之一,被广泛应用于自动控制、信号处理、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域。通过运算分析，MＡTLＡB 可以从众多的设计方案中寻找最佳途径，获取最优结果，大大提高了设计水平和质量。四连杆机构的解析法同样可以用MATLＡB 的计算工具来求值，并结合MＡTLAＢ的可视化手段,把各点的计算值拟合成曲线,得到四连杆机构的运动仿真轨迹。
2.1 程序流程图
2．２ M文件编写
首先创建函数ＦoutBaｒＰoｓitｉon,函数ｆsolve通过他确定。
functｉon t=fｏuｒbarposiｔion(th,th２,L2,L3,L4，Ｌ1)
t＝［Ｌ２*ｃos(ｔh2）+Ｌ３*cos(th(１）)－L４*cos(th(２））-L1;
L2*sin(th２)+L3*sin（tｈ（1)）－L4＊siｎ(tｈ(２））];
主程序如下：
disp ' ＊＊* * * *平面四杆机构的运动分析* * * ** ＊'
L１=304.8;L2=1０1．6;Ｌ3=254．０;L4=177.8; %给定已知量，各杆长L1,L ２,L3,L4
ｔh2=[0:1／6:2]＊ｐｉ; %曲柄输入角度从0至360度,步长为pi/6
th34=zeros(length(th2),2); %建立一个Ｎ行2列的零矩阵，第一列存放opti ｏｎｓ=optimset('display',＇ｏff＇); %θ＿3,第二列存放θ_3
fｏｒｍ＝1：lｅnｇｔh(tｈ２) ％建立for循环，求解θ_3,θ_4
th3４(m,:)＝fsｏlve('ｆouｒbarposｉtioｎ',[１１］, options,ｔh２(m),Ｌ2,L ３,L4,L1)；％的非线性超越方程，结果保存在th３4中
enｄ
ｙ=L2*sin(tｈ2)+L3*ｓiｎ（ｔｈ3４(:，1）＇）; %连杆3的D端点Ｙ坐标值
x＝L2＊cｏs（th2)＋Ｌ3＊cos(ｔｈ34(:,1)'); %连杆３的D端点X坐标值
ｘx＝[L2*ｃoｓ(tｈ２）]； %连杆3的C端点X坐标值
yy=[L2*sｉn（tｈ2)]; %连杆3的C端点Ｙ坐标值
figｕre(1)
ｐlot（[x;ｘx],[y;yy］,'k',[0 Ｌ１],[0 0], ％绘制连杆3的几个位置点
'ｋ--＾＇,x，y，'ko',xx，yy,＇ks')
titlｅ（'连杆３的几个位置点'）
ｘｌａbｅｌ('水平方向')
ylabｅl('垂直方向')
aｘiｓequal %XY坐标均衡
th2=[0：2／７2：2]*pi; ％重新细分曲柄输入角度θ_2，步长为5度th3４＝zｅrｏs(lenｇth（tｈ2）,2）;
optiｏｎs=ｏｐtimsｅt（＇ｄiｓpｌay','off')；
ｆor m＝1:lengtｈ（th2)
th3４（m，:）＝ｆsｏlvｅ(＇foｕrbaｒｐosiｔion＇,[１１]，
oｐｔions，th２(ｍ），L２,Ｌ3,Ｌ4,L1)；
ｅnd
ｆiｇure(2)
ploｔ(tｈ2*1８０/pi,ｔh３４(:，1),th2*180/pｉ,th34(:,2)) %绘制连杆3的角位移关于曲柄2的角位移图
plot(th2*１80/pi,th3４(：,1)*1８０/pi, ｔｈ2*180/pi,th３４(:,2)*180/pi) ％绘制摇杆4的角位移关于曲柄2的角位移图
aｘis([０36０0 17０]) %确定XY边界值
grid %图形加网格
ｘlaｂel(＇主动件转角\ｔｈeｔa＿2(度）')
ylabｅｌ(＇从动件角位移(度)')
titlｅ(＇角位移线图'）
ｔexｔ（１20,１２０,＇摇杆4角位移＇）
teｘt(1５0,4０，＇连杆３角位移')
w2=２5０; %设定曲柄角速度
ｆor i＝1:ｌｅnｇｔh（th２)
Ａ＝[-L3*sin(th3４(i,1)) L４＊sｉn（ｔｈ３4(i,2)）; L3＊cos(th34(i，1)) -L４*ｃｏｓ(ｔh3４（i，2）)];
B＝[w2*Ｌ2*sin(th2(i)）; -w2*L2*coｓ(th２(i))]；
ｗ=inv（Ａ)*B;
w3(i）=ｗ（1）;
w４（i)＝w(2);
eｎd
fｉguｒe（3)
pｌｏt(th2*18０／pi,w3,th2*180/pｉ，w４）；％绘制角速度线图
ａｘis（[03６0 -175 2００])
ｔext(５0,1６0,'摇杆4角速度（＼omegａ_4)')
tｅxｔ(220,13０,'连杆３角速度(\omegａ_3)＇)
gｒid
ｘlabel('主动件转角\tｈeta_2(度)＇）
ｙlabｅl('从动件角速度(raｄ\cdｏｔｓ^{-1})')
title('角速度线图＇)
ｆor i＝1:lｅｎｇtｈ（ｔｈ2）
C=［-L3＊sｉn(th３4(i,１)) Ｌ4＊siｎ(th３４(ｉ，2）);Ｌ3*ｃos(th34(i,1)) －L４*cos(tｈ３4（ｉ,２)）];
D=［w2^2*Ｌ2*cｏs(tｈ２(i)）+w3(ｉ)^2＊L3*ｃos（th３4(i,1）)－w４（ｉ）＾２*L４*cos(t ｈ34(i，2)); ｗ２^2*L２＊ｓin(tｈ２(i））+ｗ3（i)＾2＊L3*siｎ(ｔｈ３4(ｉ，1))-w4(i）^２*L4*sｉn(th34(i,2))];
a＝inv(C)*D；
a3(ｉ）＝a（1);
a4(i)=a(２);
ｅnd
ｆigure(4)
pｌoｔ(th2＊１８0/pi,a3，tｈ2*１8０/pi，a4）; ％绘制角加速度线图
ａxis([0３60 -７0０00 ６5000］）
ｔｅxt(50,５0000,'摇杆4角加速度(\alｐhａ_４)'）
tｅｘt（220,１200０,'连杆3角加速度(＼aｌpｈａ＿3)')
ｇrｉd
xlaｂel('从动件角加速度＇）
ylabｅl('从动件角加速度（rad\cdｏt ｓ^{-2})'）
tｉtle（＇角加速度线图')
diｓp '曲柄转角连杆转角-摇杆转角－连杆角速度－摇杆角速度－连杆加速度-摇杆加速度'
ｙdcs=[th2'＊180/ｐi，tｈ３4(:,1）*１80/pｉ,ｔｈ３4(:,２)*18０／ｐi,w3＇，w4',a3',a4']; disp(yｄcs)
２.3 程序运行结果输出
>> ＊＊* ＊＊* 平面四杆机构的运动分析* ＊* * **
曲柄转角连杆转角-摇杆转角－连杆角速度－摇杆角速度-连杆加速度-摇杆加速度
1．０ｅ＋00４*
0 0.0044 0．0０97 -0．０1２５－0．０125 -0.54７8 4.8４5８
0.0005 ０.０04２0．00９4 -0.0１26 -０.0１0７0.2３０0 5.56３０
0．00１０0．００39 ０．00９２-０.0１24 －0.0０86 0．8946 6.05２0
0.0015 0.00３７０.0０9１-0.01１9 -0.０065 1．4143 6.２982
０.00２００．０034 ０.０0９０-0.011４-0．0０4３１.7801 6.3174
0.０02５0.003２０．0０8９－０.010７－0.0021 2.0027 6．1467
0．０030 ０.0030 0.008９-0．0100 ０.0００0 2．１0４6 ５.８339
0.00３5 0．０028 0.00８9 -０.0０93 ０．００20 2.11３4 ５.４27２
0.0040 0．０0２6 ０.00９0 -０.0085 ０．0０3８２.056６４.９６8７
0．０045 0.00２5 0．０09１－0.0078 ０.０054 1.９5７8 ４.４918
0．0050 ０.０023 0.０092 －0.０0７2 0．00６9 １.8356 4.01９8
０.0０５5 0.0０22 ０．0093 －0.00６5 0．0082 １.7040 3.５680
0．０0６0 ０．00２1 0.009５－0.0０60 0.0094 1.57２5 3.145０
０.０065 0．00１9 ０．0097 -０.00５5 0.0104 1.４４74 ２.７545
0.0070 0.0０1８0．0099 －0.０050 0.0113 1.3328 2.396８
0．0０75 0．０017 0.０１02 －0.０045 0.012１ 1.２３0７ 2.07０2
0.00８0 0.00１7 0.0104 -0.0041 0.012８ 1.1425 １.7７16
0.0０85 0.0016 ０.010７-０.00３7 0．01３4 １．0687 1．49７1
0.0090 0.0015 0.011０-０.０034 0.0１3８ 1.0095 1.２４２6
0.0095 0．０014 ０.0１12 -0.0030 0.0142 ０.96５３ 1.0035
0.0１00 0.00１４0.0１１5 -０.０027 0．0１45 ０.936４０.7752
０.０１05 0．０013 ０.0118 -0.0024 ０．0148 0．９232 0.５530
０.0１10 0.０013 0.0121 -0.0020 0.014９0.9２6９0.331９
0.0115 0.00１３0.01２4 -0.0017 0.０１50 0.9485 0.10６９
0.0120 0.0012 0.０1２7 -0．0014 ０.0150 0.989９－０.1２76 ０．0125 0.0012 ０.01３0 -0.0０10 0.０149 1.0530 -0．377３
0.０130 0.0012 ０．0133 -0.0０06 0.0147 1.1404 -0.6４８1
0.0135 0.0０12 0.0136 -0．000２0.0145 1.２544 -0.９４55
0.０140 0.０012 0.01３９0.０0０2 0.0141 １.3967 -１.2７４3
０．01４5 0.0012 0.0142 0.0０0８0.0136 1.56７7 -1.6368
0.015０0.0０12 0.014４0.001３０.0１２9 1.7648 -2.0３1４
0.0１55 0.001２0.0１47 ０．0020 0．01２1 1.9８07 －2.44９5
0.０16０0.0０1３0.0149 0.0027 0.０112 2．2018 -2.8735
0.０1６5 0．0０13 ０.015１０.00３5 0．０1０1 2.4０７1 －3.２７5４0.0170 ０.0014 0．0１53 0.004４0.0089 2.5697 －3.６186
０.0１75 0．0015 ０.015５0.0053 0.00７6 ２．6616 -3．8650
0.018０0.0016 0.0156 0.0063 ０.00６3 2．660９-3.９８49
0.01８5 ０.001８0.0157 0.0072 0.００49 2.55９1 -3.９6７４
0．0190 0.0０１９0．01５8 ０.008００．0０35 ２．363８-3．8２４4 0.０195 0．０021 0.015９0．0０88 0.０022 2.0959 －3.５86６
０.02０0 0.0023 0.０159 ０．０095 0.０010 1.7823 -3.2９3１
0.０2０5 0.0025 ０.0１59 0.01０0 -０.0001 1．4487 -２.981５０．0210 0.0027 0.0159 ０.0105 -0.0011 １.1１52 -2.６809
0．0215 ０．0０2９0.01５9 0．０1０８-0.002０0．7942 -２.4１03 0.0220 0.0０31 0.0１58 0．011１－0.0028 0.４９16 -2.1794
０.0225 0.0033 ０.０158 0.０11２-0.003５0．2086 -1.９９13
0.0230 0.０036 ０.０1５7 ０.0112 －0.0042 -０.0565 -１．84５0
0.0235 ０．0038 0.0156 ０．0111 -０.00４8 -0.３０71 -1.737５
0.0240 0.0040 0.01５５０.０110 -0.0054 －0.547５－1.6650
0.0245 0.0042 0.0154 0.0１０8 -０.0060 -0.7817 -1.6233
0.0250 0.0044 ０．０1５3 0．０１04 -０.0０65 -1.0１39 －1．６089
0.０25５0.０046 0.0１5１０．0１00 －0.0071 -1.２４7９-1.618１0．０２60 0.004８0.0１５0 0.0０96 －0.007７-1.４8６８-1.6480
0.０265 0．０050 ０.0148 0．0090 －0．00８2 －1.733６-1．６9５5 ０.02７０0.00５２０．０146 0.0084 -０.0088 -1．９９05 -１.757４
0.02７5 0.０054 ０.0１45 ０.00７6 -0．0095 －2．2588 －１.8304
0.0280 0.０055 0．0143 0.０068 -０.0101 -2.５３9１－１.9１00
0.02８5 0.0056 ０.0141 0.005８-0.0１０８-2.83０5 -1．9９10
0．0２90 0.0０5７０.０１3８0.004８-0.0１15 -3．１３００－２．0660 ０．０295 ０.0０58 0.01３6 ０.0037 -0.01２２-3.4３26 -2．12５５
0.０３０0 ０.0059 ０.0133 0．002４－0．0１30 -3.72９7 -２.１572
0.030５0．00５9 0.013１0.0０1１-0.0１3７-4.0０91 -2.１４51
0.0310 0．005９0.0128 －0.0004 -０.０145 -4.２5３8 -2.0696
0.03１5 0.00５9 0.0１25 -0.０019 -０.01５２－4.4419 －1．9０79
０.032０0.00５8 0．0122 －０.0０3５-0．０158 -４.5473 -１.６352
0.0３２5 0.0058 0.０119 －0.0０51 -0.016３-4.5411 -1.2273
0．0330 0.0056 ０．011５-0.００66 －0.０166 -4.39５4 －0.6661
0.0３35 0．005５0．０112 -0.０081 -0.0167 -４.０8８9 0.055１
0．0340 0.0053 0.０109 -0.009５-0．0166 -3.6１29 0.9243
0.0345 ０.0051 0．01０５-0.0106 -０.０１61 －2.９78１１．9058
0.０350 0.00４9 ０.０１0２ -０.0115 -０.01５2 －2.2178 ２.９39５
０．０３5５0.0０４7 ０.00９9 -0.0１22 -0.0140 -1.３8５7 3．９４７3
0.03６0 0．００44 0.00９7 -０.０125 -0．0125 -0.５47８ 4.84５8
图形输出：
图２连杆3的几个位置点
图3 角位移线图
图４角加速度线图
图5 角加速度线图
3 基于ＭＡＴLAB图形界面设计
所谓图形用户界面，简称为GU Ｉ（Ｇrapｈic User Intｅｒface) , 是指包含了各种图形控制对象, 如图形窗口、菜单、对话框以及文本等内容的用户界面。利用这些用户界面, 用户可以和计算机之间进行信息交流。用户可以通过某种方式来选择或者激活这些图形对象, 来运行一些特性的M 文件。最常见的激活方式是利用鼠标或者其它设备来点击这些对象。对于一个用户来说, 图形用户界面就是他所面对的应用程序，对图形界面的操作直接影响应用程序的应用前途。对于以往专门用于科学计算的语言, 如FORTＲＡN 语言等, 编写图形界面的功能较弱, 因而用其开发的程序, 其界面往往不够友好, 用户使用起来很不方便。而目前流行的可视化语言, 对科学计算的功能又相对弱一些。MATLAB 提供了非常强大的编写图形用户界面的功能。用户只和前台界面下的控件发生交互，而所有运算、绘图等内部操作都封装在内部,终端用户不需要区追究这些复杂过程的代码。图形用户界面大大提高用户使用MATLAB程序的易用性。因此，学习MATLAＢ图形用户界面编程,即GＵＩ程序的创建，是MAＴLＡB编程用户应该掌握的重要一环。
对于一个MＡＴLAＢ中的图形用户界面, 它的设计过程一般可以分为两个部分：
①用户界面的外观设计。在这里, 主要是通过不同的对话框、按钮、文本框等许多工具的使用, 设计出一个图形用户界面。同时也应搞清楚这个图形界面的功能是什么，也即在图形界面上的操作会引发什么样的结果。
②图形界面的完成。在这里，用户将根据在外观设计阶段所确定的图形界面的功能, 针对各个不同的图形对象来编写出能够实现该功能的函数代码, 确保这个图形界面能够完成所预定的功能。
3．1 界面设计
首先我们新建一个GUI文件,如下图所示：
图6 新建ＧＵI文件
选择BｌanｋＧUI（Defaｕlｔ)。
进入GUＩ开发环境以后添加5个编辑文本框,8个静态文本框,和1个下拉菜单。利用菜单编辑器,创建Oｐｅn、Prｉnt、Close三个菜单。创建好ＧUI界面需要的各交互控件并调整好大概的位置后,设置这些控件的属性。最后的界面效果如下图示：
图
7 界面效果
３.2 代码设计
（1)打开Ｍ文件编辑器(M-)，点击向下的三角图标,可以看到各个对象的回
调函数(Cａlｌback),某些对象的创建函数或打开函数等。通过选中相应项就可以跳动对应函数位置进行程序编辑。
选中’edｉt_ｃallback’选项,光标跳到’ fｕnction eｄｉt1_Ｃallback(hOｂjｅcｔ, ｅvｅntdaｔａ, ｈａnｄles）’下面空白处,添加以下代码：
user_eｎｔｒy=stｒ2dｏubｌe(geｔ(ｈObjecｔ,'Stｒｉnｇ'))；
ｉf isｎaｎ(ｕｓer_ｅntry)
eｒrordlg(＇请输入数值!','Bad Iｎput'）
ｅnd
该语句严格限制编辑框内必须输入数值，否则出现错误对话框(如下图所示）。同理在其他四个编辑框的回调函数下输入相同的代码。
图8 错误对话框
（２）打开M文件编辑器(M－），点击向下的三角图标，设置下拉菜单返
回函数,光标跳到’ funcｔiｏｎpopuｐmenｕ１＿Cａlｌbaｃｋ(hObjeｃt, evｅｎtdata，handｌes)’下面空白处。由于下拉菜单是本界面设计关键控件,与本设计相关的程序都放在这个返回函数下。添加代码如下：L1=ｓｔｒ2dｏubl ｅ(geｔ（handleｓ．edｉt1,'Sｔring'）);
L2＝stｒ2doｕble(gｅｔ（ｈanｄles.eｄit２，'Ｓtｒiｎg＇)）;
L3=sｔr2doｕbｌe(ｇet(handles.edit３,'Ｓtｒiｎg'));
L４=stｒ2double(get(hａndles．eｄｉｔ４，'Stｒing'）)；
w2=ｓｔr2double(geｔ(handlｅs．edit5,＇Sｔriｎｇ'）);
th2＝[0:2／72：２]*pi;
th34＝zeｒos(lengｔh(th2)，２);
ｏｐtionｓ=optiｍset(＇disｐlaｙ','oｆf');
for m＝1：leｎｇth(th2）
th34(ｍ，:）＝fsｏlｖe('fourｂarpositiｏｎ＇，［１ 1］,options,ｔh2(ｍ)，Ｌ２,L3，L4,L1)；
ｅnd
w２=25０;
for i＝１:lengtｈ(tｈ2)
A=[-L3*sin（ｔh３4(ｉ,1)）Ｌ4*sin（th34(i，2)）; L3*cos（tｈ３４(i，1)) －L4*ｃｏs(ｔｈ３4(i,２))]；
B＝[ｗ2*L2*sｉn(tｈ2（ｉ)); -ｗ2＊L2*cos（tｈ2(ｉ))];
w=inｖ(Ａ）*Ｂ;
ｗ3(i)=ｗ(1);
w4（i)=w(2);
eｎd
for ｉ=１:lenｇth(th2)
C＝[-L３*sin(th3４（i，1)）Ｌ4＊siｎ(ｔh３４(i,2))；L3*cos(th34(i,１)) －Ｌ４＊cos(th3４（ｉ,2）)]；
D＝[w2^2*Ｌ2*ｃos(th2（ｉ）)＋w3（i）^2*Ｌ3*coｓ(th3４（ｉ,１）)－w4(i)＾2*L4*cos(th34(i,2));．..
ｗ２^２*L2*sin(ｔh2(ｉ))+w3（i）^2*Ｌ３*sin(th3４(i,1))－w４
(i)^2*L4*ｓin(ｔh34(i,2))]；
a=iｎv(C）*D；
a3(i)=a（1);
a4（i)=a(2);
end
val=ｇｅｔ(hObjecｔ,'Vａlue＇);
ｓtr=get（hObject,'Strｉｎg');
swiｔｃh ｓtr｛val}
case ＇连杆３的几个位置点'
ｔh2＝[0:1/6:2]*pi;
th34＝zeros(lenｇth(ｔh2)，2）;
optｉons=oｐtiｍsｅt(＇diｓplay','ｏff＇)；
ｆoｒ m=1:ｌengｔh(ｔh2)
th34(ｍ，:)=fsｏlve（＇fouｒbａrpositｉon',[1 1]，optionｓ，th2(m）,Ｌ2，L3,L4，L1);
ｅnd
y＝Ｌ2*sin(th2)+L3*sin(tｈ3４(:,１）');
x＝L2*cos（th2)+L３*cos(ｔh3４(:,1）');
xx=[Ｌ2*ｃｏs（th
２)]；
ｙy＝[L2*sin(th2)];
plot(［x;xx]，［ｙ;yy],＇k',[0 L1],[０ 0],'k－-^',x,y,'ko'，x ｘ,yｙ,'ks＇)
title('连杆3的几个位置点')
xlaｂｅl（＇水平方向')
ylabｅl('垂直方向')
aｘis equal
griｄ on
ｃase ＇角位移线图＇
ｐlｏt(ｔh2*180／pｉ,tｈ3４（:，１)＊１8０/pi,th２＊180／pi,th ３4(:，2）*1８0/pi)
ａxis([０３60 0 170]）
ｇrid on
xlａbel(＇主动件转角\ｔｈetａ_2(度)＇)
ylabel(＇从动件角位移(度）')
ｔitｌe('角位移线图＇)
机械优化设计在matlab中的应用 东南大学机械工程学院** 一优化设计目的： 在生活和工作中，人们对于同一个问题往往会提出多个解决方案，并通过各方面的论证从中提取最佳方案。最优化方法就是专门研究如何从多个方案中科学合理地提取出最佳方案的科学。由于优化问题无所不在，目前最优化方法的应用和研究已经深入到了生产和科研的各个领域，如土木工程、机械工程、化学工程、运输调度、生产控制、经济规划、经济管理等，并取得了显著的经济效益和社会效益。 二优化设计步骤： 1.机械优化设计的全过程一般可以分为如下几个步骤： 1)建立优化设计的数学模型； ' 2)选择适当的优化方法； 3)编写计算机程序； 4)准备必要的初始数据并伤及计算； 5)对计算机求得的结果进行必要的分析。 其中建立优化设计数学模型是首要的和关键的一步，它是取得正确结果的前提。优化方法的选取取决于数学模型的特点，例如优化问题规模的大小，目标函数和约束函数的性态以及计算精度等。在比较各种可供选用的优化方法时，需要考虑的一个重要因素是计算机执行这些程序所花费的时间和费用，也即计算效率。 2.建立数学模型的基本原则与步骤 ①设计变量的确定； 设计变量是指在优化设计的过程中，不断进行修改，调整，一直处于变化的参数称为设计变量。设计变量的全体实际上是一组变量，可用一个列向量表示： - x=。 ②目标函数的建立； 选择目标函数是整个优化设计过程中最重要的决策之一。当对某以设计性能有特定的要求，而这个要求有很难满足时，则针对这一性能进行优化会得到满意的效果。目标函数是设计变量的函数，是一项设计所追求的指标的数学反映，因此它能够用来评价设计的优劣。 目标函数的一般表达式为： f(x)=，要根据实际的设计要求来设计目标函数。 ③约束条件的确定。 一个可行性设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件称为约束条件，简称约束。 由若干个约束条件构成目标函数的可行域，而可行域内的所有设计点都是满足设计要求的，一般情况下，其设计可行域可表示为 …
第二章平面连杆机构及其设计与分析 §2-1 概述 平面连杆机构（全低副机构）:若干刚性构件由平面低副联结而成的机构。 优点： （1）低副，面接触，压强小，磨损少。 （2）结构简单，易加工制造。 （3）运动多样性，应用广泛。 曲柄滑块机构：转动－移动 曲柄摇杆机构：转动－摆动 双曲柄机构：转动－转动 双摇杆机构：摆动－摆动 （4）杆状构件可延伸到较远的地方工作（机械手） （5）能起增力作用（压力机） 缺点： （1）主动件匀速，从动件速度变化大，加速度大，惯性力大，运动副动反力增加，机械振动，宜于低速。 （2）在某些条件下，设计困难。 §2-2平面连杆机构的基本结构与分类 一、平面连杆机构的基本运动学结构 铰链四杆机构的基本结构 1．铰链四杆机构 所有运动副全为回转副的四杆机构。 AD－机架 BC－连杆 AB、CD－连架杆 连架杆：整周回转－曲柄 往复摆动－摇杆
2．三种基本型式 （1）曲柄摇杆机构 定义：两连架杆一为曲柄，另一为摇杆的铰链四杆机构。 特点：?、β0～360°, δ、ψ＜360° 应用：鳄式破碎机缝纫机踏板机构揉面机 （2）双曲柄机构 定义：两连架杆均作整周转动的铰链四杆机构。 由来：将曲柄摇杆机构中曲柄固定为机架而得。 应用特例：双平行四边形机构（P35），天平 反平行四边形机构（P45） 绘图机构 （3）双摇杆机构 定义：两连架杆均作往复摆动的铰链四杆机构。 由来：将曲柄摇杆机构中摇杆固定为机架而得。 应用：翻台机构，夹具，手动冲床 飞机起落架，鹤式起重机 二．铰链四杆机构具有整转副和曲柄存在的条件 上述机构中，有些机构有曲柄，有些没有曲柄。机构有无曲柄，不是唯一地由取哪个构件为机架决定，机构有曲柄的首要条件是：机构中各构件长度间应满足一定的尺寸关系，该条件是首要条件。 然后，再看以哪个构件作为机架。
大学普通高等教育 机械原理课程设计 题目题号：插床导杆机构位置3的设计 学院：机电工程学院 专业班级： 学生： 指导教师 成绩： 2013 年7月 2 日
目录 一、工作原理 二、设计要求 三、设计数据 四、设计容及工作量五. 设计计算过程 (一). 方案比较与选择 (二). 导杆机构分析与设计 1.机构的尺寸综合 2. 导杆机构的运动分析
一、工作原理： 插床机械系统的执行机构主要是由导杆机构和凸轮机构组成。下图为其参考示意图，电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动曲柄2转动，再通过导杆机构使装有刀具的滑块6沿导路y —y 作往复运动，以实现刀具的切削运动。刀具向下运动时切削，在切削行程H 中，前后各有一段0.05H 的空刀距离，工作阻力F 为常数；刀具向上运动时为空回行程，无阻力。为了缩短回程时间，提高生产率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O 2上的凸轮驱动摆动从动件D O l 8和其它有关机构（图中未画出）来完成的。 二、设计要求： 电动机轴与曲柄轴2平行，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为±5％。要求导杆机构的最小传动角不得小于60o ；凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之，摆动从动件8的升、回程运动规律均为等速运动。执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。
三、插床导杆机构设计数据 四、设计容及工作量： 1、根据插床机械的工作原理，拟定2～3个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。 2、根据给定的数据确定机构的运动尺寸, ()46.0~5.0BO BC l l =。要求用图解法设计，并将 设计结果和步骤写在设计说明书中。 3、导杆机构的运动分析。分析导杆摆到两个极限位置及摆到与机架O 2O 4位于同一直线位置时，滑块6的速度和加速度。 4、凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮机构的基本尺寸（基圆半径r o 、机架82O O l 和滚子半径r b ），并将运算结果写在说明书中。用几何法画出凸轮机构的实际廓线。 5、编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。 6、按1：2绘制所设计的机构运动简图。
平面连杆机构优化设计 一、问题描述 平面连杆机构是由所有构件均由低副连接而成的机构，四杆机构是最常用的平面连杆机构。一般情况下，四杆机构只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，精确设计较为复杂。在四杆机构中，若两连架杆中的一个是曲柄，另一个是摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。 设计一曲柄摇杆机构(如图1所示)。已知曲柄长度l 1=100mm ，机架长度l 4=500mm 。摇杆处于右极限位置时，曲柄与机架的夹角为φ0，摇杆与机架的夹角为ψ0。在曲柄转角φ从φ0匀速增至φ0+90°的过程中，要求摇杆转角()200π 32 ??ψψ-+ =。为防止从动件卡死，连杆与摇杆的夹角γ只允许在45°~135°范围内变化。 图1 机构运动简图 二、基本思路
四杆机构的设计要求可归纳为三类，即满足预定的连杆位置要求、满足预定的运动规律要求、满足预定的轨迹要求。本案例中，要求曲柄作等速转动时，摇杆的转角满足预定运动规律()00E π 32 ??ψψ-+ =。优化设计时，通常无精确解，一般采用数值方法得到近似解。本案例将机构预定的运动规律与实际运动规律观测量之间的偏差最小设为目标，由此建立优化设计数学模型，并运用MATLAB 优化工具箱的相关函数进行求解。 三、要点分析 优化设计数学模型的三要素包括设计变量、目标函数和约束条件。依次确定三要素后，编写程序进行计算。 1.设计变量的确定 通常将机构中的各杆长度，以及摇杆按预定运动规律运动时，曲柄所处的初始位置角φ0列为设计变量，即 T 04321T 54321)()(?l l l l x x x x x ==X (1) 考虑到机构各杆长按比例变化时，不会改变其运动规律，因此在计算可取l 1为单位长度，而其他杆长则按比例取为l 1的倍数。若曲柄的初始位置对应摇杆的右极限位置，则φ0及ψ0均为杆长的函数，即 4 212 32 42210)(2)(cos arc l l l l l l l +-++=?(2)
课程设计任务书
目录 1 绪论 (1) 1.1CATIA V5软件介绍 (1) 1.2ADAMS软件介绍 (1) 1.3S IM D ESIGNER软件介绍 (2) 1.4本次课程设计的主要内容及目的 (2) 2 曲柄连杆机构的建模 (3) 2.1活塞的建模 (3) 2.2活塞销的建模 (5) 2.3连杆的建模 (5) 2.4曲轴的建模 (6) 2.5汽缸体的建模 (8) 3 曲柄连杆机构的装配 (10) 3.1将各部件导入CATIA装配模块并利用约束命令确定位置关系 (10) 4 曲柄连杆机构导入ADAMS (14) 4.1曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析 (14) 4.2曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立 (14) 4.3曲柄连杆机构导入ADAMS (16) 5 曲柄连杆机构的运动学分析 (17) 结束语 (21) 参考文献 (22)
1 绪论 1.1 CATIA V5软件介绍 CATIA V5(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法国Dassault公司于1975年开发的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA V5不但能保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA V5大量应用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、NC加工等领域。 由于其功能的强大而完美，CATIA V5已经成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域。法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA V5进行设计的一个典范；波音777客机则使用CATIA V5实现了无图纸设计。另外，CATIA V5还用于制造米其林轮胎、伊莱克斯电冰箱和洗衣机、3M公司的粘合剂等。CATIA V5不仅给用户提供了详细的解决方案，而且具有先进的开发性、集成性及灵活性。 CATIA V5的主要功能有：三维几何图形设计、二维工程蓝图绘制、复杂空间曲面设计与验证、三维计算机辅助加工制造、加工轨迹模拟、机构设计及运动分析、标准零件管理。 1.2 ADAMS软件介绍 ADAMS即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。 ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、
第八章平面连杆机构及其设计 一、填空题： 1.平面连杆机构是由一些刚性构件用转动副和移动副连接组成的。 2.在铰链四杆机构中，运动副全部是低副。 3.在铰链四杆机构中，能作整周连续回转的连架杆称为曲柄。 4.在铰链四杆机构中，只能摆动的连架杆称为摇杆。 5.在铰链四杆机构中，与连架杆相连的构件称为连杆。 6.某些平面连杆机构具有急回特性。从动件的急回性质一般用行程速度变化系数表示。 7.对心曲柄滑块机构无急回特性。 8.平行四边形机构的极位夹角θ=00，行程速比系数K= 1 。 9.对于原动件作匀速定轴转动，从动件相对机架作往复直线运动的连杆机构，是否有急回 特性，取决于机构的极位夹角是否为零。 10.机构处于死点时，其传动角等于0?。 11.在摆动导杆机构中，若以曲柄为原动件，该机构的压力角α=00。 12.曲柄滑块机构，当以滑块为原动件时，可能存在死点。 13.组成平面连杆机构至少需要 4 个构件。 二、判断题： 14.平面连杆机构中，至少有一个连杆。（√） 15.在曲柄滑块机构中，只要以滑块为原动件，机构必然存在死点。（√） 16.平面连杆机构中，极位夹角θ越大，K值越大，急回运动的性质也越显著。（√） 17.有死点的机构不能产生运动。（×） 18.曲柄摇杆机构中，曲柄为最短杆。（√） 19.双曲柄机构中，曲柄一定是最短杆。（×） 20.平面连杆机构中，可利用飞轮的惯性，使机构通过死点位置。（√） 21.在摆动导杆机构中，若以曲柄为原动件，则机构的极位夹角与导杆的最大摆角相等。 （√） 22.机构运转时，压力角是变化的。（√） 三、选择题：
23.铰链四杆机构存在曲柄的必要条件是最短杆与最长杆长度之和 A 其他两杆之和。 A ≤ B ≥ C > 24.铰链四杆机构存在曲柄的必要条件是最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆之和，而 充分条件是取 A 为机架。 A 最短杆或最短杆相邻边 B 最长杆 C 最短杆的对边。 25.铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，当以 B 为机架时， 有两个曲柄。 A 最短杆相邻边 B 最短杆 C 最短杆对边。 26.铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，当以 A 为机架时， 有一个曲柄。 A 最短杆相邻边 B 最短杆 C 最短杆对边。 27.铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，当以 C 为机架时， 无曲柄。 A 最短杆相邻边 B 最短杆 C 最短杆对边。 28.铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和 B 其余两杆长度之和，就一定是双摇杆 机构。 A < B > C = 29.对曲柄摇杆机构，若曲柄与连杆处于共线位置，当 C 为原动件时，此时机构处在死点位 置。 A 曲柄 B 连杆 C 摇杆 30.对曲柄摇杆机构，若曲柄与连杆处于共线位置，当 A 为原动件时，此时为机构的极限 位置。 A 曲柄 B 连杆 C 摇杆 31.对曲柄摇杆机构，当以曲柄为原动件且极位夹角θ B 时，机构就具有急回特性。 A <0 B >0 C =0 32.对曲柄摇杆机构，当以曲柄为原动件且行程速度变化系数K B 时，机构就具有急 回特性。 A <1 B >1 C =1 33.在死点位置时，机构的压力角α= C 。 A 0 o B 45o C 90o 34.若以 B 为目的，死点位置是一个缺陷，应设法通过。 A 夹紧和增力B传动 35.若以 A 为目的，则机构的死点位置可以加以利用。 A 夹紧和增力；B传动。
机械原理课程设计 任务书 题目：连杆机构设计B4 姓名：戴新吉 班级：机械设计制造及其自动化2011级3班 设计参数 设计要求： 1.用解析法按计算间隔进行设计计算； 2.绘制3号图纸1张，包括： (1)机构运动简图； (2)期望函数与机构实现函数在计算点处的对比表； (3)根据对比表绘制期望函数与机构实现函数的位移对比图； 3.设计说明书一份； 4.要求设计步骤清楚，计算准确。说明书规范。作图要符合国家标。按时独 立完成任务。 目录
第1节平面四杆机构设计连杆机构设计的基本问题
连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式，确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件（如要求存在曲柄、杆长比恰当等）、动力条件（如适当的传动角等）和运动连续条件等。 根据机械的用途和性能要求的不同，对连杆机构设计的要求是多种多样的，但这些设计要求可归纳为以下三类问题： (1)预定的连杆位置要求； (2)满足预定的运动规律要求； (3)满足预定的轨迹要求; 连杆设计的方法有：解析法、作图法和实验法。 作图法设计四杆机构 对于四杆机构来说，当其铰链中心位置确定后，各杆的长度也就确定了。用作图法进行设计，就是利用各铰链之间相对运动 的几何关系，通过作图确定各铰链的位置，从而定出各杆的长度。 作图法设计四杆机构的特点 图解法的特点是直观、简单、快捷，对三个设计位置以下的设计是十分方便的，其设计精度也能满足工作的要求，并能为解析法精确求解和优化设计提供初始值。 根据设计要求的不同分为四种情况： (1) 按连杆预定的位置设计四杆机构； (2) 按两连架杆预定的对应角位移设计四杆机构； (3) 按预定的轨迹设计四杆机构； (4) 按给定的急回要求设计四杆机构。
平面连杆机构的优化设计 【教学目标】 1.了解连杆机构优化设计的一般步骤 2.掌握连杆机构优化设计的方法 【教学重点】 1.掌握连杆机构优化设计的方法 【教学难点】 1.掌握连杆机构优化设计的方法 【教学准备】 多媒体课件、直尺、圆规。 【教学过程】 一、以工程实际案例引入课题 实例1：飞机起落架（结合最近美国波音飞机频繁失事的新闻） 实例2：汽车雨刮器 说明：平面连杆机构的实用在生产生活中随处可见，是机械设计当中常见的一种机构。 二、定义回顾 【提问】平面四杆机构的基本形式有哪些？ 【预设】机械原理是本科第四学期的课程，学生可能记不全，要引导性地带大家回忆。 【答案】曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构 三、回顾以前所学习的连杆机构设计方法，对比引入优化设计。 新课教授 一、曲柄摇杆机构再现已知运动规律的优化设计
1.设计变量的确定 决定机构尺寸的各杆长度，以及当摇杆按已知运动规律开始运动时，曲柄所处的位置角φ0 为设计变量。 [][] 1234512340T T x x x x x x l l l l ?== 考虑到机构的杆长按比例变化时，不会改变其运动规律，因此在计算时常l 1=1 ， 而其他杆长按比例取为l 1 的倍数。 ()()22212430124arccos 2l l l l l l l ???++-=??+???? ()221243034arccos 2l l l l l l ψ??+--=?????? 经分析后，只有三个变量为独立的： [][] 123234T T x x x x l l l == 2.目标函数的建立 目标函数可根据已知的运动规律与机构实际运动规律之间的偏差最小为指标来建立，即
一、填空题： 1．平面连杆机构是由一些刚性构件用低副连接组成的。 2．由四个构件通过低副联接而成的机构成为四杆机构。 3．在铰链四杆机构中，运动副全部是转动副。 4．在铰链四杆机构中，能作整周连续回转的连架杆称为曲柄。 5．在铰链四杆机构中，只能摆动的连架杆称为摇杆。 6．在铰链四杆机构中，与连架杆相连的构件称为连杆。 7．某些平面连杆机构具有急回特性。从动件的急回性质一般用行程速度变化系数表示。 8．对心曲柄滑快机构无急回特性。9．偏置曲柄滑快机构有急回特性。 10．对于原动件作匀速定轴转动，从动件相对机架作往复运动的连杆机构，是否有急回特性，取决于机构的极位夹角是否大于零。 11．机构处于死点时，其传动角等于０。12．机构的压力角越小对传动越有利。 13．曲柄滑快机构，当取滑块为原动件时，可能有死点。 14．机构处在死点时，其压力角等于９０o。 15．平面连杆机构，至少需要４个构件。 二、判断题： 1．平面连杆机构中，至少有一个连杆。（√） 2．平面连杆机构中，最少需要三个构件。（×） 3．平面连杆机构可利用急回特性，缩短非生产时间，提高生产率。（√） 4．平面连杆机构中，极位夹角θ越大，K值越大，急回运动的性质也越显著。（√） 5．有死点的机构不能产生运动。（×） 6．机构的压力角越大，传力越费劲，传动效率越低。（√） 7．曲柄摇杆机构中，曲柄为最短杆。（√） 8．双曲柄机构中，曲柄一定是最短杆。（×） 9．平面连杆机构中，可利用飞轮的惯性，使机构通过死点位置。（√） 10．平面连杆机构中，压力角的余角称为传动角。（√） 11．机构运转时，压力角是变化的。（√） 三、选择题： 1．铰链四杆机构存在曲柄的必要条件是最短杆与最长杆长度之和 A 其他两杆之和。 A <=； B >=； C > 。 2．铰链四杆机构存在曲柄的必要条件是最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆之和，而充分条件是取 A 为机架。 A 最短杆或最短杆相邻边； B 最长杆； C 最短杆的对边。3．铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，当以 B 为机架时，有两
工程软件训练 目录 目录 (1) 第1章绪论 (3) 第2章活塞组的设计 (4) 2.1 活塞的设计 (4) 2.1.1 活塞的材料 (4) 2.1.2 活塞头部的设计 (4) 2.1.3 活塞裙部的设计 (5) 2.2 活塞销的设计 (5) 2.2.1 活塞销的结构 (5) 第3章连杆组的设计 (6) 3.1 连杆的设计 (6) 3.1.1 连杆材料的选用 (6) 3.1.2 连杆长度的确定 (6) 3.1.3 连杆小头的结构设计 (6) 3.1.4 连杆杆身的结构设计 (6) 3.1.5 连杆大头的结构设计 (6) 3.2 连杆螺栓的设计 (7) 第4章曲轴的设计 (8) 4.1 曲轴的结构型式和材料的选择 (8) 4.1.1 曲轴的结构型式 (8) 4.1.2 曲轴的材料 (8) 4.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 (8) 4.2.1 曲柄销的直径和长度 (8) 4.2.2 主轴颈的直径和长度 (9) 4.2.3 曲柄 (9) 4.2.4 平衡重 (9) 4.2.5 油孔的位置和尺寸 (10) 4.2.6 曲轴两端的结构 (10) 1
工程软件训练 第5章曲柄连杆机构的创建 (11) 5.1 活塞的创建 (11) 5.2 连杆的创建 (11) 5.3 曲轴的创建 (11) 第六章曲柄连杆机构静力学分析 (13) 6.1 活塞的静力分析 (13) 6.2 连杆的静力分析 (13) 2
工程软件训练 第1章绪论 曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。 通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。 在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。 为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。 本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。 3
最新机械原理课程设计连杆机构B4 任务书 题目：连杆机构设计B4-b 姓名：GHGH 班级：机械设计制造及其自动化2006级7班 设计参数 设计要求： 1.用解析法按计算间隔进行设计计算； 2.绘制3号图纸1张，包括： (1)机构运动简图； (2)期望函数与机构实现函数在计算点处的对比表； (3)根据对比表绘制期望函数与机构实现函数的位移对比图； 3.设计说明书一份； 4.要求设计步骤清楚，计算准确。说明书规范。作图要符合国家标。按时独立完成任务。 目录 第1节平面四杆机构设计 (3)
1.1连杆机构设计的基本问题 ................................................................. 3 1.2作图法设计四杆机构 ......................................................................... 3 1.3 解析法设计四杆机构 ........................................................................ 3 第2节 设计介绍 .................................................................................... 5 2.1按预定的两连架杆对应位置设计原理 ............................................. 5 2.2 按期望函数设计 ................................................................................ 6 第3节 连杆机构设计 ............................................................................ 8 3.1连杆机构设计 ..................................................................................... 8 3.2变量和函数与转角之间的比例尺 ..................................................... 8 3.3确定结点值 ......................................................................................... 8 3.4 确定初始角0α、0? ........................................................................... 9 3.5 杆长比m,n,l 的确定 ...................................................................... 13 3.6 检查偏差值?? ................................................................................. 13 3.7 杆长的确定 ...................................................................................... 13 3.8 连架杆在各位置的再现函数和期望函数最小差值??的确定 .... 15 总结 ........................................................................................................... 18 参考文献 .................................................................................................. 19 附录 .. (20) 第1节 平面四杆机构设计 1.1连杆机构设计的基本问题 连杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型 式，确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件（如要求存在曲
第2章连杆机构分析和设计 2.1内容要求 1.掌握平面四杆机构的基本型式、特点及其演化方法。 2.熟练掌握和推导铰链四杆机构曲柄存在条件，并灵活运用来判断铰链四杆机构的类型； 掌握曲柄滑块机构及导杆机构等其他四杆机构的曲柄存在条件的推导过程。 3.掌握平面四杆机构的压力角、传动角、急回运动、极位夹角、行程速比系数、等基本概 念；掌握连杆机构最小传动角出现的位置及计算方法；掌握极位夹角与行程速比系数的关系式；掌握掌握死点在什么情况下出现及死点位置在机构中的应用。 4.掌握速度瞬心的概念及如何确定机构中速度瞬心的数目；掌握“三心定理”并应用“三 心定理”确定机构中速度瞬心的位置及对机构进行速度分析。 5.了解建立Ⅰ级机构、RRR杆组、RRP杆组、RPR杆组、PRP杆组、RPP杆组的运动分 析数学模型；掌握相对运动图解法及杆组法机构运动分析的方法。 6.掌握移动副、转动副中摩擦力的计算和自锁问题的讨论；掌握计及摩擦时平面连杆机构 受力分析的方法；掌握计算机械效率的几种方法；掌握从机械效率的观点研究机械自锁条件的方法和思想。 7.掌握平面四杆机构的运动特征及其设计的基本问题；了解“函数机构”、“轨迹机构”、 “导引机构”的设计思想、方法；掌握按给定行程速比系数设计四杆机构的方法。 2.2内容提要 一、本章重点 本章重点是铰链四杆机构曲柄存在条件，并灵活运用来判断铰链四杆机构的类型；连杆机构最小传动角出现的位置及计算方法；速度瞬心法对机构进行速度分析；计及摩擦时平面连杆机构受力分析的方法；按给定行程速比系数设计四杆机构的方法。 1．平面四杆机构的基本型式及其演化型式 平面四杆机构的基本型式是平面铰链四杆机构。在此机构中，与机架相联的构件称为连架杆；能作整周回转的连架杆称为曲柄，而不能作整周回转的连架杆称为摇杆；与机架不相连的中间构件称为连杆。能使两构件作整周相对转动的转动副称为周转副；而不能作整周相对转动的转动副称为摆转副。平面铰链四杆机构又根据两连架杆运动形式不同分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构及双摇杆机构。 平面四杆机构的演化型式是在平面铰链四杆机构的基础上，通过一些演化方法演化而成其他型式的四杆机构。平面四杆机构的演化方法有： （1）改变构件的形状及运动尺寸； （2）改变运动副尺寸； （3）取不同构件为机架。
第一章 固定凸轮连杆机构参数选取 1.确定驱动方案 图1 如上图所示，设：与从动杆升程运动相对应的曲柄转角为1?，即101AB B ∠=?;而与降程运动相对应的曲柄转角为，即3?323AB B =?,则： （1）当21??＞时，选用曲柄AB 拉着BC 杆运动的方案。 （2）当21??＜时，选用曲柄AB 推着BC 杆运动的方案。 （3）当21??=时，任选其中一种驱动方案。 已知数据?=1101?，?=1503?，很明显21??＜，所以选用方案2。 2.确定e 直动从动杆，取m S e 2.0~0=，取0=e 3.确定h 从结构紧凑和减小凸轮压力角考虑，应将h 值取小些。但h 值愈小，对从动杆驱动力的压力角也愈大。通常取m S h ≥，去mm h 120= 4.确定a
若a 值过小，会使凸轮压力角明显增大，甚至不能实现预期动动。可取a=0.6~0.9S m 或a=1.2~1.8lsin 2m ψ。取a=70mm 6、确定δ 其值对凸轮的压力角影响极大，δ过小，尤其是过大，会使压力角急剧增加。在前述参数确定后，最好将δ优化，目标函数为 a 1m (δ) （a 1m ）min 式中a 1m 为凸轮的最大压力角。 暂时取?=8δ 7. 求算b 1、b 2 须先求算b max 、b min 。 依据铰销B 、D 的坐标，可建立它们之间距离的公式。B 的坐标为 ? ??+-=+=)cos() sin(?δ?δa y a X B B D 的坐标为 ???+==S h y e X D D 式中 ?——曲柄转角，取升程起始时的? =0°； S ——与?相对应的从动杆位移，即铰销D 至其最低位置的距离。S 值分为升程（?=0～?1）、最高位置停留（?=?1～?1+?2）、降程（?=?1+?2～?1+?2+?3）、最低位置停留（?=?1+?2+?3～360°）四个阶段求算。b 值为 b=2 2)()(D B D B y y x x -+- （1）用matlab 编程画出b 与?曲线图，并算出min max b b 、： clear sm=100; h=120; e=0; a=70; d=8*pi/180; fa1=110*pi/180; fa2=0*pi/180; fa3=150*pi/180; fa4=100*pi/180; fa01=0:0.001:fa1; s=sm/2*(1-cos(pi*fa01/fa1));
案例3 平面连杆机构优化设计 一、问题描述 平面连杆机构是由所有构件均由低副连接而成的机构，四杆机构是最常用的平面连杆机构。一般情况下，四杆机构只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，精确设计较为复杂。在四杆机构中，若两连架杆中的一个是曲柄，另一个是摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。 设计一曲柄摇杆机构(如图1所示)。已知曲柄长度l 1=100mm ，机架长度l 4=500mm 。摇杆处于右极限位置时，曲柄与机架的夹角为φ0，摇杆与机架的夹角为ψ0。在曲柄转角φ从φ0匀速增至φ0+90°的过程中，要求摇杆转角()200π 32 ??ψψ-+ =。为防止从动件卡死，连杆与摇杆的夹角γ只允许在45°~135°范围内变化。 图1 机构运动简图 二、基本思路 四杆机构的设计要求可归纳为三类，即满足预定的连杆位置要求、满足预定的运动规律要求、满足预定的轨迹要求。本案例中，要求曲柄作等速转动时，摇杆的转角满足预定运动规律()00E π 32 ??ψψ-+ =。优化设计时，通常无精确解，一般采用数值方法得到近似解。本案例将机构预定的运动规律与实际运动规律观测量之间的偏差最小设为目标，由此建立优化设计数学模型，并运用MA TLAB 优化工具箱的相关函数进行求解。 三、要点分析 优化设计数学模型的三要素包括设计变量、目标函数和约束条件。依次确定三要素后，编写程序进行计算。
1.设计变量的确定 通常将机构中的各杆长度，以及摇杆按预定运动规律运动时，曲柄所处的初始位置角φ0列为设计变量，即 T 04321T 54321)()(?l l l l x x x x x ==X (1) 考虑到机构各杆长按比例变化时，不会改变其运动规律，因此在计算可取l 1为单位长度，而其他杆长则按比例取为l 1的倍数。若曲柄的初始位置对应摇杆的右极限位置，则φ0及ψ0均为杆长的函数，即 4 212 32 42210)(2)(cos arc l l l l l l l +-++=? (2) 4 32 32 422102)(cos arc l l l l l l --+=ψ (3) 因此，设计变量缩减为3个独立变量，即 T 432T 321)()(l l l x x x ==X (4) 2.目标函数的建立 以机构预定的运动规律观测量ψE i 与实际运动规律观测量ψi 之间的偏差平方和最小为指标来建立目标函数，即 min )()(1 2E →-=∑=m i i i f ψψX (5) 式中，m 为输入角的等分数；ψE i 为预期输出角，ψE i=ψE (φi )；ψi 为实际输出角。由图2可知： ? ? ?<≤+-<≤--=)π2π(π) π0(πi i i i i i i ?βα?βαψ (6) 32 22322arccos l l l i i i ρρα-+= (7) 42 12422arccos l l l i i i ρρβ-+= (8) i i l l l l ?ρcos 2412421-+= (9)
第4章平面连杆机构及其设计 教学目标： 平面连杆机构是由一些简称“杆”的构件通过平面低副相互连接而成，故又称平面低副机构。平面连杆机构被广泛地应用，近年来，随着电子计算机应用的普及，设计方法的不断改进，平面连杆机构的应用范围还在进一步扩大。本章的教学将使读者了解平面连杆机构的基本形式及其演化过程；对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的概念；能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构。 教学重点和难点： ●平面四杆机构的一些基本知识； ●按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆 机构。 案例导入： 我们知道，用三根木条钉成的木框是稳定的，即使把钉子换成转动副(铰链)，三角形也不会运动。而用四根木条钉成的木框是不稳固的，如果把钉子换成铰链，四边形即可以运动了。依此类推，五边形等也都是可以运动的(图4-1)。因此我们说：三角形是不能运动的最基本图形，而四边形是能运动的最基本图形。把四边形各顶点装上铰链，把一边作为机架，即构成平面四杆机构。因此，四杆机构是最基本的连杆机构。复杂的多杆机构(多边形)也可由其组成。通过本章的学习，读者将了解这种最基本机构的特性，认识这类机构千变万化的应用并掌握其设计方法。 图4-1 三角形和四杆机构 4.1铰链四杆机构的基本形式及应用 连杆机构的优点是运动副为面接触，压强较小、磨损较轻、便于润滑，故可承受较大载荷；低副几何形状简单，加工方便；能实现轨迹较复杂的运动，因此，平面连杆机构在各种机器及仪器中得到广泛应用。其缺点是运动副的制造误差会使误差累积较大，致使惯
机械原理课程设计压床机构 (总21页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 -CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除
机械原理课程设计说明书 设计题目： 学院： 班级： 设计者： 学号： 指导老师：
目录 目录................................................................... 错误!未定义书签。 一、机构简介与设计数据...................................................... 错误!未定义书签。 .机构简介............................................................... 错误!未定义书签。 机构的动态静力分析...................................................... 错误!未定义书签。 凸轮机构构设计.......................................................... 错误!未定义书签。 .设计数据............................................................... 错误!未定义书签。 二、压床机构的设计.......................................................... 错误!未定义书签。 .传动方案设计........................................................... 错误!未定义书签。 基于摆杆的传动方案................................................. 错误!未定义书签。 六杆机构A .......................................................... 错误!未定义书签。 六杆机构B .......................................................... 错误!未定义书签。 .确定传动机构各杆的长度................................................. 错误!未定义书签。 三.传动机构运动分析......................................................... 错误!未定义书签。 .速度分析............................................................... 错误!未定义书签。 .加速度分析............................................................. 错误!未定义书签。 . 机构动态静力分析...................................................... 错误!未定义书签。 .基于soildworks环境下受力模拟分析：.................................... 错误!未定义书签。 四、凸轮机构设计............................................................ 错误!未定义书签。 五、齿轮设计................................................................ 错误!未定义书签。 .全部原始数据........................................................... 错误!未定义书签。 .设计方法及原理......................................................... 错误!未定义书签。 .设计及计算过程......................................................... 错误!未定义书签。参考文献.................................................................... 错误!未定义书签。
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一、机构简介与设计数据 .机构简介 图示为压床机构简图，其中六杆机构为主体机构。图中电动机经联轴器带动三对齿轮将转速降低，然后带动曲柄1转动，再经六杆机构使滑块5克服工作阻力 r F而运动。 为了减少主轴的速度波动，在曲柄轴A 上装有大齿轮 6 z并起飞轮的作用。在曲柄轴的另一端装有油泵凸轮，驱动油泵向连杆机构的供油。 （a）压床机构及传动系统 机构的动态静力分析 已知：各构件的重量G及其对质心轴的转动惯量Js(曲柄1和连杆4的重力和转动惯量（略去不计)，阻力线图(图9—7)以及连杆机构设计和运动分析中所得的结果。 要求：确定机构一个位置的各运动副中的反作用力及加于曲柄上的平衡力矩。作图部分亦画在运动分析的图样上。 凸轮机构构设计 已知：从动件冲程H，许用压力角[α]．推程 角δ。，远休止角δ，回程角δ'，从动件的运动规 律见表9-5，凸轮与曲柄共轴。 要求：按[α]确定凸轮机构的基本尺寸．求 出理论廓 线外凸曲线的最小曲率半径ρ。选取滚子半径r， 绘制凸轮实际廓线。以上内容作在2号图纸上 .设计数据 设计内容连杆机构的设计及运动分析符号 单位mm 度mm r/min 数据 I 50 140 220 60 1201501/2 1/4 100 1/2 1/2 II 60 170 260 60 1201801/2 1/4 90 1/2 1/2 III 70 200 310 60 120 210 1/2 1/4 90 1/2 1/2 连杆机构的动态静力分析及飞轮转动惯量的确定 [δ] G2 G3 G5 N 1/30 660 440 300 4000 1/30 1060 720 550 7000 1/30 1600 1040 840 11000