机械学中的机构设计与运动分析

机械原理课程设计---牛头刨床主体机构的分析与综合

1 课程设计的目的和任务

牛头刨床是常见的一种金属加工机床如图1所示。其主体机构的机构运动简图有多种形式，图2所示的是常用的五种主体机构的示意图。

图 1 牛头刨床

图2 牛头刨床的主体结构机构运动简图

课程设计的内容包括：

1）牛头刨床主传动系统总体传动方案的设计

构思一个合理的传动系统。它可将电机的高速转动（1440 转/分）变换为安装有刨刀的滑枕5 的低速往复移动（要求有三挡速度：60，95，150 次/分）。其中，将转动变为移动的装置（主体机构）采用图2 所示的连杆机构。在构思机构传动方案时，能做到思路清晰，各部分的传动比分配合理，最后在计算机上绘出主传动机构的原理示意图。

2）牛头刨床主体机构的尺度综合

已知数据如表1所示图中的参数如图3所示。

图3参数表达形式

表1 项目 方案1 方案2 方案3

序号 名称 代号 计算式

1 行程长度 H（mm） 600 600 600

2 机架高度 O2O4（mm） 360 350 380

3 行程速比系数 K 1.6 1.8 1.6

4 连杆长度 BC（mm） 0.3 BO4

5 摆动导杆长度 BO4（mm） H/2/ H/2/ H/2/

6 曲柄长度 AO2（mm） O2O4

7 曲柄转速 n（rpm） 50 30 40

3）牛头刨床主体机构的运动分析 sin2sin2sin2sin2根据已定出的主体机构的尺度参数，按曲柄处于最低转速、滑枕处于最大行程的工况对主体机构进行运动分析。设各具有旋转运动的构件对x 轴的转角分别为i i θ , ( 为旋转构件的标号），相应的角速度和角加速度分别为ωi ,ε i ；用解析法求出当曲柄转角θ1 从刨刀处于最右侧时起，沿逆时针方向转动每隔100 计算一组运动参数，其中包括：各杆的角位置、角速度、角加速度及刨刀的位置刀s （以最右点为零点）、速度刀v 和加速度刀a ，应用计算机在同一幅图中绘出刨刀的位移曲线、速度曲线和加速度曲线，并分析计算结果的合理性。

第一章 平面机构及其运动简图

案例导入：通过硬纸片是否钉在桌面上及常见的推拉门、活页等例子，引入自由度、铰链、铰接、约束条件和运动副、运动链、机构等概念，介绍运动副的分类；以牛头刨床为例子导入运动简图，介绍用简单的符号和图形表示机器的组成和传动原理。

第一节 平面运动副

一、平面运动构件的自由度

平面机构是指组成机构的各个构件均平行于同一固定平面运动。组成平面机构的构件称为平面运动构件。

两个构件用不同的方式联接起来，显然会得到不同形式的相对运动，如转动或移动。为便于进一步分析两构件之间的相对运动关系，引入自由度和约束的概念。如图1-1所示，假设有一个构件2，当它尚未与其它构件联接之前，我们称之为自由构件，它可以产生3个独立运动，即沿x方向的移动、沿y方向的移动以及绕任意点A的转动，构件的这种独立运动称为自由度。可见，作平面运动的构件有3个自由度。如果我们将硬纸片（构件2）用钉子钉在桌面（构件1）上，硬纸片就无法作独立的沿x或y方向的运动，只能绕钉子转动。这种两构件只能作相对转动的联接称为铰接。对构件某一个独立运动的限制称为约束条件，每加一个约束条件构件就失去一个自由度。

二、运动副的概念

机构是具有确定相对运动的若干构件组成的，组成机构的构件必然相互约束，相邻两构件之间必定以一定的方式联接起来并实现确定的相对运动。这种两个构件之间的可动联接称为运动副。例如两个构件铰接成运动副后，两构件就只能绕轴在同一平面内作相对转动，称为转动副，见图1-2a)、b)所示。又如图1-2d)所示，一根四棱柱体1穿入另一构件2大小合适的方孔内，两构件就只能沿轴线X作相对移动，称之为移动副；图1-2c)所示为车床刀架与导轨构成的移动副。我们日常所见的门窗活叶、折叠椅等均为转动副，推拉门、导轨式抽屉等为移动副。

图1-1 自由构件

图1-2 平面低副 5

三、运动副的分类

两构件只能在同一平面作相对运动的运动副称为平面运动副。构成运动副的点、线或面称为运动副元素，根据运动副元素的不同，平面运动副可分为低副和高副。

１

机械原理

课程设计说明书

题目 六杆机构运动分析

学院 工程机械学院

专业 机械设计制造及其自动化

班级 机制三班

设计者 秦湖

指导老师 陈世斌

2014年1月15日

２ 目录

一、题目说明 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2

1、题目要求 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 3

2、原理图 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 3

3、原始数据 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 3

二、 结构分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 4

三、 运动分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 5

1、D点运动分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8

2、构件3运动分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9

3、构件4运动分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9

4、点S4运动分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10

四、结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10

机械系统的机构设计与运动学性能优化

机械系统的设计与优化是一个充满挑战的过程，旨在实现系统的高效运行和稳定性。机械系统的核心是机构设计和运动学性能优化。机构设计指的是选择合适的机构，以实现预期的运动传输功能。而运动学性能优化则是指对机构的运动学参数进行调整和改进，以提高系统的运动性能和效率。

在机构设计中，首先需要确定系统的运动传输需求，包括速度、力矩和位置等。然后，根据这些需求选择合适的机构类型，例如齿轮传动、链传动、连杆机构等。不同的机构类型有各自的适用范围和优缺点，设计师需要根据具体情况进行选择。同时，还需要考虑机构的布局和结构形式，以确保机构能够正常运转和适应工作环境。

在机构设计的过程中，需要进行材料选择和结构分析。不同的材料具有不同的机械性能和工艺特点，选择合适的材料有助于提高机构的强度和耐久性。结构分析可以通过数值模拟和实验验证，确定机构的最佳设计参数和结构形式。

一旦机构设计完成，接下来就是运动学性能的优化。运动学性能优化的目标是提高系统的运动精度、响应速度和传动效率。最常用的优化方法是参数调整和结构改进。通过调整机构的参数，例如齿轮的模数和齿数，可以改变机构的传动比和齿轮啮合效果，从而改善运动精度。结构改进一般包括降低传动误差、减少摩擦损失和提高刚度等方面。

除了上述的设计与优化方法，还可以利用先进的技术手段来辅助机构设计和运动学性能优化。例如，计算机辅助设计软件和仿真平台能够快速模拟和分析机构的运动学特性，帮助设计师通过参数调整和结构改进实现最佳设计。同时，利用机器学习和优化算法，可以实现对机构设计和运动学性能的智能化优化，大大提高设计效率和性能。 总之，机械系统的机构设计与运动学性能优化是一项复杂而重要的工作。设计师需要根据系统需求选择合适的机构类型和结构形式，同时进行材料选择和结构分析。然后，通过参数调整和结构改进，进一步优化系统的运动学性能。最后，借助先进的技术手段，如计算机仿真和优化算法，提高设计效率和性能。