常用机构的运动仿真
一名资深机构设计师的话：
机构设计是机械设计中的灵魂，一种独特、新颖的机构设计体现了设计者的智慧与创新的精神。谁掌握、了解的机构越多，在研发设计新产品时就越主动，越有办法。
但是，熟练的掌握各种机构的设计并非易事，并非一日之功。它又是一种“隐性知识”，不是刚刚毕业就可以掌握的知识。需要日积月累，不断从实践、生活中学习，结合理论不断的总结，才能逐步地掌握。
但对于那些刚刚从事机械设计的人，才走上机械设计岗位的人，是否有一条稍微快捷的办法呢？我想尝试下面所述的方法：利用三维软件的运动仿真技术，把在实践中用到的、见到的以及在书本上学到的，常用的机构，绘制成三维模型仿真运动，让那些枯燥的平面图形变成实物一样的机构模型，并让他“动”起来，像看动画片一样。轻松地、在较短的时间里了解各种机构的运动原理，并大大地加深印象和记忆，用这样的办法来“缩短”掌握机构的时间。在老师的帮助下，首先完成了下面几个常用机构的仿真运动并作了简单的说明，方法是否可行？等候读者的消息。
20个常用机构的运动仿真案例
1、风扇摇头机构
图1是风扇摇头机构的原理模型。该机构把电机的转动转变成扇叶的摆动。红色的曲柄与蜗轮固接，蓝色杆为机架，绿色的连架杆与蜗杆（电机轴）固接。电机带扇叶转动，蜗杆驱动蜗轮旋转，蜗轮带动曲柄作平面运动，而完成风扇的摇头（摆动）运动。机构中使用了蜗轮蜗杆传动，目的是降低扇叶的摆动速度、模拟自然风。
图 1 风扇摇头机构
2、用摆动扇形齿轮实现间接送料机构
图2 是一个曲柄摇杆机构。绿色的可调曲柄可作整周旋转。并驱动扇形齿轮（摇杆）摆动，扇形齿轮又使蓝色小齿轮正反转动，若小齿轮与电磁离合器或超越离合器结合可完成间歇转动，可完成间断送料。
图 2 摆动扇形齿轮机构
3、量筒开盖落料机构
图3 用于电子秤自动计量的设备上，绿色的量筒挂在电子秤上（图中未显示），当充填的物料达到设定的要求时，秤重传感器发出信号，通过电磁阀接通单作用气缸，活塞杆伸出推动摇杆转动，打开量筒盖，物料下落；气缸复位，红色的配重块自动关盖。
图 3 开盖落料机构
4、犁爪伸缩机构
图4 为一犁地机构示意图。黄色的车轮缘上铰接多个红色的犁爪，犁爪的另一端与绿色的连杆相铰接，连杆又与深蓝色的圆环相铰接，圆环与浅蓝色的偏心圆盘铰接，偏心圆盘与车轴固接；偏心圆盘中心位置应在车轴垂直下方。当轮转动时圆环绕固定的偏心圆盘转动，并带动犁爪伸缩完成犁地的动作。该机构原理也可用于包装生产线步进送料机构。
5、转动导杆与摆动导杆串接机构
图5 为牛头刨床的运动原理模型。可实现由转动到往复的直线运动过程。主动件是一个浅红色的短曲柄，曲柄铰接一个蓝色的滑块，滑块与蓝色的转动导杆相配合，滑块可以在转动导杆的导槽中滑动。转动导杆的另一端也铰接一个滑块，并与黄色的摆动的导杆相配合，摆动导杆的下端与机架铰接，上端与棕色连杆铰接，棕色连杆可带动粉红色的滑块(刨头)作往复直线运动。刨头向左运动为工作状态，向右为退出状态。此机构工作状态近似匀速平稳运动并具有快速退出功能。
图 5 转动导杆与摆动导杆串接机构
6、用正反转销驱动摆杆机构
图5所示的机构，可使输入的转动转换成往复摆动。主动红色小锥齿轮与两个大锥齿轮同时啮合，使两个大齿轮转向相反。在两个大齿轮的内端面各固接一个圆柱销，两个圆柱销交替与蓝色的摆动导杆槽配合，使摆杆往复摆动。若在一个圆柱销脱离摆杆的瞬间，用锁止机构或电磁离合器可使摆杆间歇。
7、翻转机构
图5翻转机构可将主动导杆的直线移动转换成零件夹持器的180度的翻转。红色直动导杆前端铰接一绿色的零件夹持器，夹持器的下部与灰色摆杆铰接，摆杆的上端与机架铰接。当导杆移动到设定的长度时，夹持器可把零件翻转180度。该机构可用于印刷及包装生产线上。
图7 翻转机构
8、用双偏心轮驱动导杆机构
图6机构是驱动轴带动两个与之固接的偏心盘（分别为红色与蓝色），轴转动带动两个黄色连杆，连杆用转动副与偏心圆盘连接。连杆的另一端分别于带有圆弧槽的导杆铰接，圆弧槽的导杆上端又与一个灰色摇杆铰接，摇杆的上端与机架铰接。黄色导杆一端铰接一个弧形滑块，圆弧导杆的往复摆动驱动导杆作往复直线运动。
图8 双偏心轮驱动导杆机构
9、切膜（纸）机构
该机构用于自动包装机上，对使用塑料薄膜打包的物品进行最后热合封接及剪断。该机构可使上下两个绿色的刀杆同时向相反的方向运动，携带热合及切断刀反复完成闭合、分开的运动，从而不间断地完成打包剪断工作。使用两个相同的齿轮驱动两个粉色的转盘（导杆），两个转盘大小相等转动方向相反。转盘上各有一个相同的滑槽，滑槽内装有红色的滑块。每个滑块的外端与上下刀杆的灰色转轴相连接并组成转动副，滑块的里端装有凸轮辊子轴承，该轴承与黄色侧板上的椭圆形槽形凸轮配合组成滑动副。圆盘转动时，并在滑块及红色直线导轨的的作用下，驱动上下导杆沿着椭圆形的轨迹运动，并且使热合切断刀在中间对称面接合，完成热合及剪断动作。
图9 切膜机构
10、翻转压板与楔夹紧机构
图10时用于加工零件的工装夹具。展示了一种快速的加紧零件的方法。被加工黄色零件用销钉定位后，先前推动灰色的手柄就可完成对加工零件的加紧，其方法快速、简单。仿真运动已清楚地表示出，这里不再论述了。
11、气钻行星机构
图11是把气动叶片泵与行星轮系传动的组合机构。压缩气体推动叶片泵转子旋转，带动中心齿轮旋转，中心齿轮与三个均布的绿色行星轮啮合，行星轮又带动红色转臂旋转，转臂上装有钻卡头（未示出）卡上钻头即可钻孔了。
图11 气钻与行星齿轮机构
12、切纸（膜）调速机构
为了使切刀切纸时的瞬时速度与送纸速度一致（同步），当改变送至速度或改变切纸长度时应调节切刀转速。图12就是一种调节机构。马达驱动棕色的大同步带轮匀速转动，与其同轴黄色的转动导杆也同步转动。输出链轮（粉红色）用链条与切刀连接（图中未示出），链轮转速变化时，切刀的转速也随之改变。链轮又与一个装有凸轮棍子轴承的黄色圆盘固结，棍子轴承可在转动导杆的直槽中滑动。转动的导杆通过棍子轴承带动圆盘与链轮转动。由于链轮转旋转轴与转动导杆的旋转轴不同轴是偏心的，构成了一个旋转导杆机构。导杆做匀速转动而链轮是非匀速转动。转动棕色的手柄，可调节偏心距的大小，通过试切或计算总可以解决切纸速度与送纸速度同步的位置。
图13是普通车床采用的对开螺母机构，它用燕尾槽组装在溜板箱中；利用两个半螺母与车床丝杠的开合，完成切削螺纹的工作。用手柄转动灰色转盘时，由于转盘上有两个对称布置的凸轮槽，凸轮槽又与两个销轴配合，销轴拨动红绿两色的螺母安装座上，使其安装座开合并带动红色的两个半螺母开合。螺母闭合时与车床丝杆接通，带动溜板箱沿车床导轨移动完成螺纹的制作。
图13 对开螺母机构
14、用于冲压床的双曲柄机构
红色齿轮转动时，通过其上的固定转轴带动黄色的连杆旋转，连杆又带动蓝色的曲柄旋转，粉红色的连杆一端与曲柄上的滑块铰接，另一端与黄色滑块连接，黄色滑块的上下运动，可完成冲压工作。红色齿轮活套在绿色的大轴上；蓝色的曲柄也铰接在大轴的端面上。大轴中心到曲柄的铰接点的距离最短且固定（为机架），该机构是一个双曲柄机构。
图14 双曲柄机构
图15机构可用于包装生产线上，实现间接输送包装物。它利用两个完全相同行星轮系，在行星轮上安装的蓝色连杆(用来移动包装物)。当两个灰色转臂旋转时，行星齿轮与固定的内齿轮啮合，其连杆近似走出一个方形轨迹；连杆上伸出的两臂带着一个包装物前移，随后撤离包装物，完成一次间歇输料过程。
图15 方形轨迹机构
16、用凸轮调节锥齿轮周转轮系输出轴转速机构
该机构可实现输出轴的复杂运转。用一个绿色的凸轮控制灰色的行星锥齿轮的公转，使输出轴由匀速转动变成非匀速转动。右端红色的锥齿轮是主动齿轮，通过行星齿轮与另一个红色的从动锥齿轮啮合，从动锥齿轮与一个黄色的直齿轮同固结在输出轴上；两个红色的齿轮大小一样。行星直齿轮铰接在蓝色转臂的一端。蓝色的小直齿轮与凸轮同固结在一个轴上，小直齿轮与大直齿轮啮合。
主动锥齿轮转动时输出轴上的大直齿轮带动小直齿轮转动，从而使凸轮转动，凸轮又使转臂转动带动行星锥齿轮绕输入轴线转动（公转）成为行星轮，它的自转与公转使输出轴的转速改变；输出轴速的改变又影响凸轮的转速，从而使输出轴得到复杂的运动。通过改变凸轮的轮廓尺寸就可改变输出轴的转速。
图16 用凸轮调节圆锥齿轮的输出轴转速机构
17、用凸轮调节输出轴转速机构
图17与图16所示的机构类似，只不过全部是直齿轮，也可以通过改变凸轮的形状来改变输出轴的转速。这里不再重复论述。
图17 用凸轮调节输出轴的转速
18、手动夹爪机构
转动红色的手柄时，螺杆驱动黄色的螺母作直线移动，横向布置的深蓝色小轴也随螺母一起移动；小轴的两端两侧红色滑块上的孔配合，驱动滑块沿两个斜向布置的小轴移动，若在滑块安装夹爪，可以同时夹住或撑开需爪夹的零件或物品。此机构还可自动定心。
图18 手动夹爪机构
19、凸轮夹紧机构
图19 是一个简单易行的夹紧机构。转动手柄，黄色凸轮随之转动，凸轮驱动三个灰色的摇臂将红色的零件夹紧。三个摇臂装有可调节的螺杆，用于调节夹紧力的大小；凸轮有三个均匀分布的轮廓曲线，可同时夹紧零件。模型省略了定位件，仅展示了夹紧机构。
图19 凸轮夹紧机构
20、移动夹紧机构
图20 为把内部机构表示清楚，夹具体与夹持的零件没画出。转动中间蓝色的螺母使红色的连座下移，绿色推杆伸出推动三个摇臂转动把零件夹紧。松开螺母利用弹簧的弹力使连座恢复原位。
图20 移动夹紧机构
基于Solid Edge的高级机构运动仿真 在机构设计中，分析输入/输出构件运动的相关性是比较困难和繁琐的，但若能方便地得到输入/输出构件及相关中间构件的运动曲线，解决这类问题就会容易许多。 Solid Edge 具有功能强大的三维造型模块和装配模块，而Dynamic Designer/Motion for Solid Edge实现了Dynamic Desinger和Solid Edge的无缝集成，用户不必离开自己所熟悉的Solid Edge界面，就可以对所设计的装配体进行运动仿真。 Dynamic Designer产品由Simply Motion、Motion和Professional组成，用户可以根据设计的复杂程度进行选择，也可以根据实际应用的情况逐步升级到更高一级的产品。在机构设计中，熟练使用以上模块，完成零件的三维实体造型，模拟整个机构的装配，分析装配干涉情况，进而实现运动模拟、运动干涉分析和动力分析，即可实现机构的精确设计，优化机器的性能和可靠性，从而减少从设计到产品的开发周期。 本文以单、双万向联轴结机构为例，简述了运用以上模块进行机构的装配、运动模拟及运动分析、动力分析的过程。 一、单万向联轴结机构的运动分析 图1是应用Solid Edge的Part模块制作的十字结、叉轴和支架。在支架的制作中要注意精确定位左右轴孔的位置及角度，以便准确安装。 图1 十字结、叉轴和支架的实体造型 图2为装配后的单万向联轴结，装配中左右叉轴与支架、十字结的定位关系均为轴对齐、面对齐。
图2 装配后的单万向联轴结 如果让右侧叉轴作为输入轴并以60r/min匀速旋转，左侧叉轴作为输出轴，由于其输出转速是变速的，在Solid Edge集成的Simply Motion模块中无法对该输出轴进行速度和加速度分析。应用Dynamic Designer/Motion for Solid Edge，在Edge Bar中选中左侧叉轴，单击鼠标右键，选“绘制曲线”→“角速度”→“幅值”，如图3所示；重复上述操作，在Edge Bar中选中左侧叉轴，单击鼠标右键，选“绘制曲线”→“角加速度”→“幅值”，图4为将会出现在操作区中的输出叉轴的角速度和角加速度曲线。 图3 绘制输出曲线的操作
机构仿真是PROE的功能模块之一。PROE能做的仿真内容还算比较好，不过用好的兄弟不多。当然真正专做仿真分析的兄弟，估计都用Ansys去了。但是，Ansys研究起来可比PROE麻烦多了。所以，学会PROE的仿真，在很多时候还是有用的。我再发一份学习笔记，并整理一下，当个基础教程吧。希望能对学习 仿真的兄弟有所帮助。 术语 创建机构前，应熟悉下列术语在PROE中的定义：主体(Body) - 一个元件或彼此无相对运动的一组元件，主体内DOF=0。 连接(Connections) - 定义并约束相对运动的主体之间的关系。 自由度(Degrees of Freedom) - 允许的机械系统运动。连接的作用是约束主体之间的相对运动，减少系统可能的总自由度。 拖动(Dragging) - 在屏幕上用鼠标拾取并移动机构。 动态(Dynamics) - 研究机构在受力后的运动。 执行电动机(Force Motor) - 作用于旋转轴或平移轴上(引起运动)的力。 齿轮副连接(Gear Pair Connection) - 应用到两连接轴的速度约束。 基础(Ground) - 不移动的主体。其它主体相对于基础运动。 机构(Joints) - 特定的连接类型（例如销钉机构、滑块机构和球机构）。 运动(Kinematics) - 研究机构的运动，而不考虑移动机构所需的力。 环连接(Loop Connection) - 添加到运动环中的最后一个连接。 运动(Motion) - 主体受电动机或负荷作用时的移动方式。 放置约束(Placement Constraint) - 组件中放置元件并限制该元件在组件中运动 的图元。 回放(Playback) - 记录并重放分析运行的结果。 伺服电动机(Servo Motor) - 定义一个主体相对于另一个主体运动的方式。可在机构或几何图元上放置电动机，并可指定主体间的位置、速度或加速度运动。LCS - 与主体相关的局部坐标系。LCS 是与主体中定义的第一个零件相关的缺 省坐标系。 UCS - 用户坐标系。 WCS - 全局坐标系。组件的全局坐标系，它包括用于组件及该组件内所有主体 的全局坐标系。 运动分析的定义 在满足伺服电动机轮廓和机构连接、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求的情况下，模拟机构的运动。运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。因此，运动分析不能使用执行电动机，也不必为机构指定质量属性。运动分析忽略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以及执行电动机等，所有动态图元都不影响运动分析结果。
第三部分机械原理与设计课程设计 常用资料与参考图例 第七章常见运动功能的机构选型 第一节连续回转机构选型 能实现连续回转的机构除了教材中讲到的齿轮机构、摩擦轮机构、双曲柄机构、转动导杆机构、双万向铰链机构、反平行四边形机构、带传动、链传动、行星轮系等以外，实际中还用到下面一些机构。 1）平行四边形机构（图7-1） 图7-1中ABCD是一个平行四边形机构，两连架杆AB、CD作同速转动，连杆BC作平动。图示机构为多个平行四边形机构的组合，在多头钻床中就应用了此机构。
图7-1 图7-2 2）摆动齿轮行星减速机构（图7-2） 图7-2中主动件1与导杆3，上的内齿轮3固联，而齿轮2从动。当曲柄1匀速回转时，齿轮2变速回转，其平均转速为： 式中为主动件1的转速，、为齿轮2、3的齿数。 3）极限四杆机构（图7-3） 图7-3中构件长度l1= l2，l3= l4。构件1和3的转向相同。杆1转一周时，杆3转两周。 图7-3 图7-4 4）以曲柄滑块为基础的转动导杆机构（图7-4） 图7-4中的曲柄滑块机构ABC与导杆机构CDE串接在一起。当
时，导杆5可作整周转动。 5）齿轮－连杆机构（图7-5） 图7-5a）中的四杆机构ABCD上装有一对齿轮2'和5。行星齿轮2'和连杆2固联，而中心轮5与曲柄1共轴线并可分别自由转动。当主动曲柄1以ω1等速转动时，从动齿轮5作非匀速转动，其角速度为： 式中为连件2的角速度，、为齿轮2'、5的齿数。 通过改变杆长和齿轮节圆半径，可是从动齿轮5作单方向的非匀速转动，或作瞬时停歇的转动或带逆转的转动。 图7-5b）所示为用于铁板传输机构中的齿轮－连杆组合机构。齿轮1与曲柄固联，齿轮2、3、4及构件DE组成差动论系。该轮系的中心论2由齿轮1带动，而系杆DE由四杆机构带动作变速运动，因此，使从动轮4实现变速转动。
院系电子信息工程学院班级姓名学号 实训名称典型环节动态特性的仿真实训日期 一、实训目的 1、掌握典型环节仿真结构图的建立方法； 2、通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。 2、定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 3、初步了解MATLAB中SIMULINK 的使用方法。 二、实训内容 掌握比例、积分、一阶惯性、实际微分、振荡环节的动态特性。 [例] 观察实际微分环节的动态特性 (1)连接系统, 如图所示: (2)参数设置: 用鼠标双击阶跃信号输入模块，设置信号的初值和终值，采样时间sample time 和阶跃 时间step time；用鼠标双击实际微分环节,设Kd=1,Td=1；用鼠标双击示波器,设置合适的示波器参数； (3)在simulation/paramater中将仿真时间(Stop Time )设置为10秒； (4)仿真:simulation/start，仿真结果如图1-1所示； (5)改变Td、Kd，观察仿真结果有什么变化。 图1-1 实际微分环节的动态特性图 第 1 页共 7 页指导教师签名
院系电子信息工程学院班级姓名学号 实训名称典型环节动态特性的仿真实训日期 ①惯性环节 建立如下图1所示的仿真结构图，K值为1，并保持不变；T值依次为1,2和3，运行得到阶跃响应曲线（图2）： 图1 惯性环节仿真结构图 T值不同 图2 惯性环节T值不同的阶跃响应曲线 建立如下图2所示的仿真结构图，T值为1，并保持不变；K值依次为1,2和3，运行得到阶跃响应曲线（图3）： 图3 惯性环节仿真结构图 K值不同 第 2 页共 7 页指导教师签名
常用机构的运动仿真 一名资深机构设计师的话： 机构设计是机械设计中的灵魂，一种独特、新颖的机构设计体现了设计者的智慧与创新的精神。谁掌握、了解的机构越多，在研发设计新产品时就越主动，越有办法。 但是，熟练的掌握各种机构的设计并非易事，并非一日之功。它又是一种“隐性知识”，不是刚刚毕业就可以掌握的知识。需要日积月累，不断从实践、生活中学习，结合理论不断的总结，才能逐步地掌握。 但对于那些刚刚从事机械设计的人，才走上机械设计岗位的人，是否有一条稍微快捷的办法呢？我想尝试下面所述的方法：利用三维软件的运动仿真技术，把在实践中用到的、见到的以及在书本上学到的，常用的机构，绘制成三维模型仿真运动，让那些枯燥的平面图形变成实物一样的机构模型，并让他“动”起来，像看动画片一样。轻松地、在较短的时间里了解各种机构的运动原理，并大大地加深印象和记忆，用这样的办法来“缩短”掌握机构的时间。在老师的帮助下，首先完成了下面几个常用机构的仿真运动并作了简单的说明，方法是否可行？等候读者的消息。
20个常用机构的运动仿真案例 1、风扇摇头机构 图1是风扇摇头机构的原理模型。该机构把电机的转动转变成扇叶的摆动。红色的曲柄与蜗轮固接，蓝色杆为机架，绿色的连架杆与蜗杆（电机轴）固接。电机带扇叶转动，蜗杆驱动蜗轮旋转，蜗轮带动曲柄作平面运动，而完成风扇的摇头（摆动）运动。机构中使用了蜗轮蜗杆传动，目的是降低扇叶的摆动速度、模拟自然风。 图 1 风扇摇头机构 2、用摆动扇形齿轮实现间接送料机构 图2 是一个曲柄摇杆机构。绿色的可调曲柄可作整周旋转。并驱动扇形齿轮（摇杆）摆动，扇形齿轮又使蓝色小齿轮正反转动，若小齿轮与电磁离合器或超越离合器结合可完成间歇转动，可完成间断送料。 图 2 摆动扇形齿轮机构
proe机构运动仿真教程 典型效果图 1.1机构模块简介 在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/ engineer中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。 PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanism design（机械设计）和Mechanism dynamics （机械动态）两个方面的分析功能。 使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。并可以观察并记录分析，可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观的显示这些测量量。也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。 使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。
如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。 1.2总体界面及使用环境 在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”，如图1-1所示。系统进入机构模块环境，呈现图1-2所示的机构模块主界面：菜单栏增加如图1-3所示的“机构”下拉菜单，模型树增加了如图1-4所示“机构”一项内容，窗口右边出现如图1-5所示的工具栏图标。下拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。用户既可以通过菜单选择进行相关操作。也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。 图1-1 由装配环境进入机构环境图 图1-2 机构模块下的主界面图 图1-3 机构菜单图1-4 模型树菜单图1-5 工具栏图标图1-5所示的“机构”工具栏图标和图1-3中下拉菜单各选项功能解释如下：
技术测量及运动学、力学分析能力训练 典 型 机 构 的 运 动 学 分 析 年级： 班级： 学号： 姓名：
对心曲柄滑块机构的运动学分析 一、已知参数： 在图1所示的曲柄滑块机构中，已知各构件的尺寸分别L1=80mm,L2=120mm,ω=66rad/s, 试确定连杆2和滑块3的位移、速度和加速度，并绘制出运动线图。 图1 曲柄滑块机构 二、机构的工作机理 1、机构自由度计算 F=3n-2p l -p h =3x3-2x4-0=1 2、机构的拆分及级别 该机构由一个Ι机构和一个ΙΙ 机构组成 三、数学模型的建立： 1、位置分析 由图1可以得到偏置曲柄滑块机构的向量模型，如图2所示，从而可得该机构的闭环位移矢量方程： 图2 对心曲柄滑块机构向量模型 C S l l =+21 将该闭环位移矢量方程向X 轴和Y 轴进行分解，可得该矢量方程的解析式： s i n s i n c o s c o s 22112211=+=+θθθθl l S l l C (1)
由式（1）得： 2211cos cos θθl l S C += ； ??? ? ??-=2112sin arcsin l l θθ ........... （2） 2、速度分析： 对（1）式两边求时间的一阶导数，可得机构的速度运动学方程： C v l l l l =--=+222111222111sin sin 0cos cos θωθωθωθω (3) 为了便于编写程序，将（3）式改写成矩阵形式： ??? ???-=????????????-11 11122222cos sin . 0 cos 1 sin θθωωθθl l v l l C (4) 3、加速度分析： 对（3）式两边求时间的一阶导数，可得机构的加速度运动学方程（矩阵形式）： ? ?????--=????????????+????????????-11 11111222222222222sin cos 0 sin 0 cos 0 cos 1 sin θωθωωωθωθωαθθl l v l l a l l C C (5) 四、程序设计 1、主程序 %输入已经知道的数据 clear; l1=88; l2=102; e=0; hd=pi/180; du=180/pi; omega1=77; alpha1=0; %调用子函数 for n1=1:361 theta1(n1)=(n1-1)*hd; [theta2(n1),s3(n1),omega2(n1),v3(n1),alpha2(n1),a3(n1)]=slider_crank(theta1(n1),omega1,alpha1,l1,l2,e); end %绘制位移图 figure(1); n1=1:361; subplot(2,2,1); [AX,H1,H2]=plotyy(theta1*du,theta2*du,theta1*du,s3); set(get(AX(1),'ylabel'),'String','连杆角位移/\circ')
基于Matlab的机构运动仿真方法及其比较 发表时间：2015-12-18T16:19:30.760Z 来源：《基层建设》2015年16期供稿作者：严家炜 [导读] 广东伊之密精密机械股份有限公司运动学仿真对于机构设计研究有着非常重要的地位，它能够去除大量的复杂繁琐和重复的计算工作，对运动过程进行直观的表达。 严家炜 广东伊之密精密机械股份有限公司 528306 摘要：机构运动仿真在机构学研究中占有着非常重要的地位，本文依照仿真活动生命周期，总结概括了三种机构运动仿真方法，并进行对比研究深入分析。基于MatLab平台，以曲柄摆杆机构为例探究这三种方法的实现途径。 关键词：Matlab；机构运动仿真；对比 前言 运动学仿真对于机构设计研究有着非常重要的地位，它能够去除大量的复杂繁琐和重复的计算工作，对运动过程进行直观的表达。在机构运动仿真中，明确不同仿真方法及其特点，把握仿真方法的发展趋势，从而充分选择和利用不同仿真平台的功能，对于节约仿真费用，提高研究效率等方面有积极作用。 1.Matlab概述 Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 2.机构运动仿真 机构仿真周期主要由建立模型，求解模型，展现结果，观察结果和调整模型等五部分构成，如图1所示。建立模型即列出相关构件或关键点的运动方程，通过求解模型解算出相关点的位姿数据，基于这些数据建立直观的人机界面，将运动过程动态展现给用户。通常仿真与优化配合使用，由于人机界面的直观性，通过观察常常可以获得优化方面的新信息，利用优化后的新参数调整仿真模型，开始一个新的仿真活动周期，直到获得满意结果为止。 根据对机构仿真中各阶段的侧重不同，可以将机构运动仿真方法基本归为三个大的类别。第一类的核心是，对仿真模型进行数值求解，称之为基于模型解算的仿真方法。第二类以提供建模支持手段为核心，利用一些辅助工具来提高建模效率，称之为基于辅助建模的仿真方法。第三类方法中引进了虚拟现实技术，称之为基于虚拟现实的仿真方法。以下以图1所示的曲柄摆杆机构为例，说明三种仿真方法的实现过程。该机构的相关参数分别为l1=370，l2=1049.6，l3=524.7，（xd，yd）=（1080.3，-270）。其中AB为曲柄，是原动件，以ω作匀速圆周运动，DC为摆杆。 图1：一个曲柄摆杆机构 3.运动仿真方法 3.1基于模型解算的运动仿真 基于模型解算的运动仿真方法属于传统的仿真方法，它以求解模型为核心，重点研究模型的求解方法，以及如何提高求解的效率。也就是说，仿真效率的提高主要体现为模型求解效率的提高。在MatLab中，具体表现为提供了大量的功能强大的函数，供求解模型时调用。 这种传统的机构仿真方法的另一个特点是，对仿真结果即运动轨迹的展现，除非用户满意字符界面，一般要用户本人利用图形函数绘制相关构件或关键点的轨迹。对于图2所示机构，如果要在基于OpenGL的环境下，以图形方式展现运动轨迹，开发人员必须调用多个GDI 函数。但在MatLab下，对于C点的位姿数据，只要调用plot函数即可获得运动图线。 3.2基于辅助建模的运动仿真 这种方法是以提高建模效率来提高仿真效率的，MatLab/Simulink就是以框图作为建立仿真模型的主要支持手段，框图成为描述模型的基本元素。而且，MatLab还提供了一个机构系统仿真工具SimMechanics，它可以在Simulink环境下直接使用，使得仿真建模更为便捷。 3.3基于虚拟现实的仿真方法 虽然在SimMechanics下也可采用VR的显示方式，问题是由于构件模型不是三维的，不能得到虚拟环境下的效果。尤其是对于空间机构，这种缺陷更为明显。如果能够从不同的空间位置，观察机构的构件基于三维实体模型的动态运动过程，则可以得到更为逼真的仿真效果，这有助于人们对机构的直观理解，对于发现设计缺陷是非常重要的。这可以利用MatLab中的VR工具箱[6]来实现。以虚拟现实的方式展现仿真结果数据时，必须将仿真模型的数据实时传送到虚拟场景中，用仿真模型驱动三维场景。 4.方法比较 4.1模型解算方法 这类方法强调仿真模型的求解，以提高求解仿真模型的效率为核心。主要优点是对软件平台的要求不高，比较灵活，不受制于仿真软件供应商。可以在多个较为通用平台上开发，如选择VisualC++或BorlandC++，可以开发自主知识产权的仿真软件。 这类方法主要缺点是，通用性相对较差，当面临每一个具体机构时，都要开发一个单独的仿真引擎，因此工作量较大。当要以图形方式展现仿真结果时，也必须进行额外的编程工作。这类方法的另外一个缺点是，要求技术人员掌握较多的编程知识和仿真领域的知识，增
常用机械机构介绍
第4章常用机构 4.1 平面连杆机构 4.1.1 平面连杆机构的组成 我们将机构中所有构件都在一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。 1、构件的自由度 如图4－1所示，一个在平面内自由运动的构件，有沿X轴移动，沿y轴移动或绕A点转动三种运动可能性。我们把构件作独立运动的可能性称为构件的“自由度”。所以，一个在平面自由运动的构件有三个自由度。可用如图4－1所示的三个独立的运动参数x、y、θ表示。 2、运动副和约束 平面机构中每个构件都不是自由构件，而是以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生一定运动的联接，称为运动副。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的部分相对运动，运动副对于构件间相对运动的这种限制称为约束。机构就是由若干构件和若干运动副组合而成的，因此运动副也是组成机构的主要要素。 两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面接触来实现的。根据组成运动副的两构件之间的接触形式，运动副可分为低副和高副。 （1）低副两构件以面接触形成的运动副称为低副。按它们之间的相对运动是转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。 ①转动副组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。通常转动副的具体结构形式是用铰链连接，即由圆柱销和销孔所构成的转动副，如图4－2（a）所示。
②移动副组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副，如图4－2（b）所示。 由上述可知，平面机构中的低副引入了两个约束，仅保留了构件的一个自由度。因转动副和移动副都是面接触，接触面压强低，称为低副。我们将由若干构件用低副连接组成的机构称为平面连杆机构，也称低副机构。由于低副是面接触，压强低，磨损量小，而且接触面是圆柱面和平面，制造简便，且易获得较高的制造精度。此外，这类机构容易实现转动、移动等基本的运动形式及转换，因而是在一般机械和仪器中应用广泛。平面连杆机构也有其缺点：低副中的间隙不易消除，引起运动误差，且不易精确地实现复杂的运动规律。 （2）高副两构件以点或线接触形成的运动副称为高副，如图4－3所示。这类运动副因为接触部位是点或线接触，接触部位压强高，故称为高副。 3、构件分类 机构中的构件可分为三类。 （1）机架它是机构中视作固定不动的构件，起支撑其他活动构件的作用。 （2）原动件它是机构中接受外部给定运动规律的活动构件。 （3）从动件它是机构中的随原动件运动的活动构件。 4.1.2平面机构的运动简图 为方便对机构进行分析，可以撇开机构匮与运动无关的因素（如构件的形状、组成构件的零件数目、运动副的具体结构等），用简单线条和符号表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置，以简图表示出机构各构件间相对运动关系，这种简图为机构运动简图。它是表示机构运动特征的一种工程用图） 1、常用运动副的符号（如图4－4）
iNVENTOR运动仿真分析 第1章运动仿真 本章重点 应力分析的一般步骤 边界条件的创建 查看分析结果 报告的生成和分析 本章典型效果图 1.1机构模块简介 在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/ engineer 中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。 PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanism design（机械设计）和Mechanism dynamics（机械动态）两个方面的分析功能。 使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。并可以观察并记录分析，
可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观的显示这些测量量。也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。 使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。 如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。 1.2总体界面及使用环境 在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”，如图1-1所示。系统进入机构模块环境，呈现图1-2所示的机构模块主界面：菜单栏增加如图1-3所示的“机构”下拉菜单，模型树增加了如图1-4所示“机构”一项内容，窗口右边出现如图1-5所示的工具栏图标。下拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。用户既可以通过菜单选择进行相关操作。也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。 图1-1 由装配环境进入机构环境图 图1-2 机构模块下的主界面图
第1章运动仿真进度 本章重点 应力分析的一般步骤 边界条件的创建 查看分析结果 报告的生成和分析 本章典型效果图
1.1机构模块简介 在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/ engineer中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanism design（机械设计）和Mechanism dynamics（机械动态）两个方面的分析功能。 使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。并可以观察并记录分析，可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观的显示这些测量量。也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。 使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。 1.2总体界面及使用环境 在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”→“机构”，如图1-1所示。系统进入机构模块环境，呈现图1-2所示的机构模块主界面：菜单栏增加如图1-3所示的“机构”下拉菜单，模型树增加了如图1-4所示“机构”一项内容，窗口右边出现如图1-5所示的工具栏图标。下拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。用户既可以通过菜单选择进行相关操作。也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。 图1-1 由装配环境进入机构环境图
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
机械原理第一次作业（matlab7.0）： 求：r1旋转360°时，θ2，θ3，ω2，ω3，α2，α3和C点的加速度. 设r1=1000,r2=2000,r3=1800,r4=2500 1、角位移的M函数： function y=diyiwen(x) % Input parameters % x(1)=theta-1 % x(2)=theta-2 guess value % x(3)=theta-3 guess value % x(4)=r1 % x(5)=r2 % x(6)=r3 % x(7)=r4 % Output parameters % y(1)=theta-2 % y(2)=theta-3 theta2=x(2); theta3=x(3); % epsilon=1.0E-6; % f=[x(4)*cos(x(1))+x(5)*cos(theta2)-x(7)-x(6)*cos(theta3); x(4)*sin(x(1))+x(5)*sin(theta2)-x(6)*sin(theta3)]; % while norm(f)>epsilon J=[-x(5)*sin(theta2) x(6)*sin(theta3);x(5)*cos(theta2) -x(6)*cos(theta3)]; dth=inv(J)*(-1.0*f); theta2=theta2+dth(1); theta3=theta3+dth(2); f=[x(4)*cos(x(1))+x(5)*cos(theta2)-x(7)-x(6)*cos(theta3); x(4)*sin(x(1))+x(5)*sin(theta2)-x(6)*sin(theta3)]; norm(f); end;
在各类机械中，常需要某些构件实现周期性的运动和停歇。能够将主动件的连续运动转换成从动件有规律的运动和停歇的机构称为间歇运动机构。 而实现间歇运动的四种常用机构分别为：棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动机构和不完全齿轮机构。 一、棘轮机构棘轮机构的类型很多，从工作原理上可 分为轮齿啮合式和摩擦式棘轮机构；从结构上可分为外啮合 式和内啮合式棘轮机构；从传动方向上分为单向（单动和双 动）式和双向式棘轮机构。棘轮机构是把摇杆的摆动转变为 棘轮的间歇回转运动。其优点轮齿式棘轮机构运动可靠，棘 轮转角容易实现有级调节，但在工作过程中棘爪在齿面上滑 行，齿尖易磨损并伴有噪音，同时为使棘爪能顺利落入棘轮 槽，摇杆摆角应略大于棘轮转角，这样就不可避免地存在空 程和冲击，在高速时尤其严重，所以常用在低速、轻载 下实现间歇运动。摩擦式棘轮机构传递运动平稳、无噪声， 棘轮转角可作无级调节。图1 单向轮齿啮合式棘轮 但由于运动准确性差，不 宜用于运动精度要求高的场合。在工程实践中，棘轮机构 常用于实现间歇送进（如牛头刨床）、止动（如起重和牵 引设备中）和超越（如钻床中以滚子楔块式棘轮机构作为 传动中的超越离合器，实现自动进给和快速进给功能）等 场合。 图2 摩擦式棘轮 二、槽轮机构槽轮机构又称马尔他机构或日内瓦机构，也是常用的间歇运动机构之一。普通平面槽轮机构有外接式槽轮机构（图3）和内接式槽轮机构（图4）两种类型。它主要是由带有均布的径向开口槽的槽轮２、带有圆柱销Ａ的拔盘１以及机架组成。 图3 外接式槽轮机构图4 内接式槽轮机构 槽轮机构的工作过程是：主动拨盘１上的圆柱销Ａ进入槽轮２上的径向槽以前，拔盘上的凸锁止弧α将槽轮上的凹锁止弧β锁住，则槽轮静止不动。当拔盘圆柱销Ａ进入槽轮径向
一架飞机有大小十几个舱门，包含登机门、服务门、货舱门、应急门等。舱门结构设计复杂，连杆、铰链数量众多，机构运动过程多阶段，运动关系复杂多变。由于舱门上的机构运动关系复杂，如何将这些舱门安装到位一直是飞机装配的一个难点。为了理清舱门各个机构运动的原理，指导现场工艺人员更好地进行工艺分析，采用CATIA的DMU模块对舱门进行运动机构仿真分析[1]。通过虚拟仿真技术的研究应用...... 一架飞机有大小十几个舱门，包含登机门、服务门、货舱门、应急门等。舱门结构设计复杂，连杆、铰链数量众多，机构运动过程多阶段，运动关系复杂多变。由于舱门上的机构运动关系复杂，如何将这些舱门安装到位一直是飞机装配的一个难点。为了理清舱门各个机构运动的原理，指导现场工艺人员更好地进行工艺分析，采用CATIA的DMU模块对舱门进行运动机构仿真分析[1]。通过虚拟仿真技术的研究应用，验证舱门机构运动，找出机构中的可调节量，能指导工人现场安装调试，确保安装的顺利进行，缩短研制及安装周期[2]。 民用飞机舱门结构特点分析 民用飞机舱门：指民用飞机上带铰链机构，供人员进出或作为舱段主要维护通道的开口。完整的舱门包含的主要功能有：开关功能、应急开启功能、安全性功能、滑体预位功能、指示功能、辅助功能等。 民用飞机舱门结构一般采用金属材料。由于结构厚度较高，没有内蒙皮，采用连接角片连接横纵梁，采用预变形设计，飞行中正常飞行压差下为30% 压缩量，以保证良好的密封性能。 舱门结构方式主要有2种：外翻式打开方式与抛放式打开方式。外翻式，如A RJ的货舱门、大客的应急门等，重力方向与舱门运动方向一致;抛放式主要为ARJ 的应急门、大客的登机门等，舱门提升后与机身平行沿航向前方打开，各位置垂直提升高度有所不同。 舱门的开启过程一般分为3个阶段：首先是对舱门进行解锁;然后对开启手柄进行提升;最后是将门推开的过程。在整个过程中包含的主要机构有：提升机构、导向机构、平移机构、内手柄及齿轮盒、外手柄机构、扭矩杆机构、阵风锁机构、外伸机构、增压预防、内外手柄机构、滑梯启动机构、驱动机构等。 舱门机构的简化 机构由若干个相互联接起来的构件组成。机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动联接，称为运动副。机构每个运动模块里面包含若干个运动副。舱门机构运动仿真中涉及到的运动副有：固定副、旋转副、球面副、圆柱副、点线副、滑移副等。其中固定副、旋转副、圆柱副等运动副在舱门机构中形式单一也相对简
机构运动简图的绘制 【一】能力目标 能根据实物绘制机构运动简图 【二】知识目标 1.了解机构组成原理 2.理解自由度、运动副、约束的概念及三者的关系 【三】教学的重点与难点 重点：平面机构的运动简图的绘制。 难点：绘制简图时构件及运动副的表示。 【四】教学方法与手段 多媒体教学，采用动画演示、实例分析、启发引导的教学方式。 【五】教学任务及内容 一、 的组 成 （一） 运动 副 a)， 轴承中的滚动体与内外圈的滚道、图b)啮合中的一对齿廓、图c)滑块与导槽，均保持直接 接触，并产生一定的相对运动。因而它们都构成了运动副。构件上参与接触的点、线、面， 称为运动副的元素。 根据运动副对构件运动形式的约束及两构件接触方式的不同，运动副可如下分类： 1、高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图所示，凸轮与从动杆及两齿轮分别 在其接触处组成高副。 2、低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面低副可分为转动副和移动副。 （1）转动副若运动副只允许两构件作相对转动，则称该运动副为转动副，也称铰链。 如图所示各构件的联接就是转动副。如果转动副的两构件之一是固定不动的，则称该转 动副为固定铰链。若转动副中两构件都是运动的，则称该转动副为活动铰链。 （2）移动副若运动副只允许两构件沿接触面某一方向相对滑移，则称该运动副为移 动副。如图所示。 y （二）自由度和运动副的约束 O 12
1、构件的自由度 在平面运动中，每一个独立的构件，其运动均可分为三个独立的运动，即沿x轴和y 轴的移动及在xoy平面内的转动。构件的这三种独立的运动称为其自由度，分别用x、y及α为三个独立参数表示。由上述可知：构件的自由度等于构件的独立运动参数。 平面内自由的构件，有3个自由度，而空间内自由的构件，有6个自由度。 2、运动副的约束 当两构件通过运动副联接，任一构件的运动将受到限制，从而使其自由度减少，这种限制就称为约束。每引入一个约束，构件就减少一个自由度。 （1）转动副 2——约束，1——自由度 （2）移动副 2——约束，1——自由度 （3）平面高副 1——约束，2——自由度 （三）运动链和机构 两个以上的构件以运动副联接而构成的系统称为运动链。未构成首末相连的封闭环的运动链称为开链，否则称为闭链。在运动链中选取一个构件固定（称为机架），当另一构件（或少数几个构件）按给定的规律独立运动时，其余构件也随之作一定的运动，这种运动链就成为机构。机构中输入运动的构件称为主动件，其余的可动构件称为从动件。由此可见，机构是由主动件、从动件和机架三部分组成的。 闭链开链 二、平面机构的运动简图 机构的运动简图：撇开那些与运动无关的构件的外形和运动副的具体结构，仅用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置，表达机构的各构件间的相对运动关系的简图。 （一）构件的表示方法 1、构件 （1）参与形成两个运动副的构件 （2）参与形成三个运动副的构件 2、转动副构件组成转动副时，其表示方法如图。图面垂直于回转轴线时用图a表示；图面不垂直于回转轴线时用图b表示。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一 3
实验一机构运动简图的测绘和分析 一.实验目的 1.学会根据各种机械实物或模型，绘制机构运动简图； 2.分析和验证机构自由度，进一步理解机构自由度的概念，掌握机构自由度的计算方法； 3.加深对机构结构分析的了解。 二.设备和工具 1.各类典型机械的实物（如：缝纫机等） 2.各类典型机械的模型（如：内燃机模型、牛头刨床等）； 3.钢皮尺，内外卡钳，量角器（根据需要选用）； 4.三角板，铅笔，橡皮，稿纸（自备）。 三.原理和方法 1.原理 由于机构和运动仅与机构中所有的构件的数目的构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关，因此，在绘制机构运动简图时，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简略的符号（如教科书和机械设计手册中有关“常用构件的运动副简图符号”的规定）来代替构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此表明机构的运动特征。表1－1为常用符号示例。 2.方法 （1）确定组成机构的构件数目 测绘时使被测绘机械缓慢运动，仔细观测机构的运动，区分各个运动单元，从而确 定组成机构的构件数目，找出原动件。 （2）测绘运动副的种类、数目 根据相联接两构件的接触情况及相对运动的特点，确定各个运动副的种类。（3）合理选择投影面，坐标和原动件位置 选与机构的各个构件上的点运动平面皆平行的平面，或选能反映机构运动特征的其 他平面做投影面。 转动（或移动）原动件，找出每个构件都能表达清楚的原动件位置。 （4）绘机构运动简图的示意图 徒手按规定的符号，凭目测，使图与实物大致成比例（转动副位置、移动副导路方
位，高副接触点及曲率），从原动件开始，依构件的连接次序，逐渐画出机构运动 简图的示意图。用数字1、2、3……区分构件，用字母A、B、C……区分运动副。（5）绘正式机构运动简图 仔细测量与机构运动有关的尺寸，即转动副间的中心距和移动导路的方向等，按适 当的比例尺画出正式机构运动简图。 四．步骤和要求 1.对指定绘制的几种机器或机构运动简图，其中至少有一种需按确定的比例尺绘制，其余的可凭目测，使图与实物大致成比例，这种不按比例尺绘制的简图通常称为机构示意图。
第一章平面机构的运动简图及自由度 一、判断题（认为正确的，在括号内画√，反之画×） 1.机构是由两个以上构件组成的。（） 2.运动副的主要特征是两个构件以点、线、面的形式相接触。（） 3.机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度大于零。（） 4.转动副限制了构件的转动自由度。（） 5.固定构件（机架）是机构不可缺少的组成部分。（） 6.4个构件在一处铰接，则构成4个转动副。（） 7.机构的运动不确定，就是指机构不能具有相对运动。（） 8.虚约束对机构的运动不起作用。（） 二、选择题 1.为使机构运动简图能够完全反映机构的运动特性,则运动简图相对于与实际机构的（）应相同。 A.构件数、运动副的类型及数目 B.构件的运动尺寸 C.机架和原动件 D. A 和 B 和 C 2.下面对机构虚约束的描述中，不正确的是（）。 A.机构中对运动不起独立限制作用的重复约束称为虚约束，在计算机构自由度时应除去虚约束。 B.虚约束可提高构件的强度、刚度、平稳性和机构工作的可靠性等。 C.虚约束应满足某些特殊的凡何条件，否则虚约束会变成实约束而影响机构的正常运动。为此应规定相应的制造精度要求。虚约束还使机器的结构复杂，成本增加。 D.设计机器时，在满足使用要求的情况卜，含有的虚约束越多越好。 三、综合题 1.图2-1中构件1相对于构件2能沿切向At 移动，沿法向An向上移动和绕接触点A转动，所以构件1与2组成的运动副保留三个相对运动。 图b中构件1与2在A两处接触，所以构件1与2组成两个高副。 图2-1 图2-2 2.如图2-2所示的曲轴1与机座2，曲轴两端中心线不重合，加工误差为△，试问装配后两构件能否相对转动，并说明理由。 3.局部自由度不影响整个机构运动，虚约束不限制构件独立运动，为什么实际机构中还采用局部自由度、虚约束的结构？ 4.吊扇的扇叶与吊架、书桌的桌身与抽斗，机车直线运动时的车轮与路轨，各组成哪一类运动副，请分别画出。 5.绘制2-3图示各机构的运动简图。
摘要 使用Pro/E 软件构建活塞机构的三维模型，对模型进行装配，并用Mechanism 模块对活塞机构进行运动仿真，得到活塞的位移、速度、加速度的运动仿真曲线图；并从理论角度运用数理方法建立运动方程，借助Matlab simulink仿真模块对活塞机构进行仿真得到活塞的位移、速度、加速度的理论曲线。 根据Pro/E运动仿真结果分析表明设计的活塞机构满足要求，活塞运动正常；对比Matlab simulink仿真结果表明Pro/E进行模拟比数值理论方法更具优越性。 关键词：Pro/E Simulink 活塞机构运动仿真
ABSTRACT The paper constructs the three-dimensional model of piston mechanism by using Pro/E software ,gets the assembly model , makes the piston mechanism motion simulation by using Mechanism module and obtains the displacement, velocity , acceleration of slider and the motion simulation curve. From a theoretical point of view by means of mathematical methods to establish the motion equation ,and making simulation by means of Matlab Simulink simulation module and obtaining the displacement ,velocity, acceleration curve. According to the Pro/E simulation results show that the piston mechanism design to meet the requirements, the piston motion is normal; Compared with the Matlab Simulink simulation results show that the Pro/E simulation than numerical theory method is more superiority. Key words: Pro/E Simulink Piston mechanism Motion simulation