实验一 机构运动简图测绘与分析实验
一、实验目的
1．根据机构模型，掌握正确绘制平面机构运动简图的方法和技能。
2．验证和巩固机构自由度的计算，进一步理解机构自由度的概念。
3．应用机构自由度的计算方法，分析平面机构运动的确定性。
4．掌握平面机构的组成原理，能够对平面机构进行结构分析。
二、实验设备
1、机构模型（铆钉机构B1、简易冲床B2、装订机机构B3、鄂式破碎机B4、步进输送机B5、假肢膝关节机构B6、机械手腕部机构B7、抛光机B8、牛头刨床B9、制动机构B10等）；
2．所用工具：钢板尺、游标卡尺、三角板、铅笔、圆规、橡皮、纸（除钢板尺和游标卡尺外，其余学生自备）。
三、实验内容
1. 选择5种机构模型进行测量，绘制机构运动简图；
2. 计算机构自由度，并注明其活动构件数、低副数、高副数，然后代入公式进行计算。
3．对所选择的机构进行结构分析，确定机构的级别。
四、实验原理、方法和手段
在对现有机械设备进行分析或设计新的机械设备时，都需要运用其机构运动简图。而机构各部分的运动是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的数目、类型，运动副相对位置和构件的数目来确定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及运动副的具体构造等无关。所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图画出来。
常用符号见下表：
1、机构运动简图的概念
抛开构件的复杂外形和运动副的具体结构，利用简单的线条和规定的符号来代表每一个构件和运动副，并按一定的比例将机构的运动特征表达出来的简单图形称为机构运动简图。机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，因而可以根据该图对机构进行运动分析和动力分析。
2、测绘方法
（1）分析运动情况。绘制机构运动简图时，首先要把该机器或模型的实际构造和运动情况搞清楚。为此，先应确定出原动件和从动件，再使被测机器或模型缓慢运动，然后按照运动的传递路线，把原动件和从动件之间的各构件的运动情况观察清楚，
尤其应注意有微小
运动的构件，分清各构件间的接触情况及相对运动的性质，从而确定组成机构的运动构件数目、联接次序和运动副数目、种类等。
（2）选择投影面。投影面的选择应以能简单清楚地把机构运动情况正确地表达出来为原则。一般应先确定机构原动件的位置，原则是选择机构中的每一构件均能清楚地表达出来的最佳位置（避免构件间的交叉和重叠），然后将机构投影到与多数构件的运动平面相平行的平面上。必要时可就机器的不同部分选择两个或两个以上的投影面，应尽量减少投影面。
（3）选择适当的比例尺。在确定了原动件和投影面以后，就可以测量机构的运动尺寸，按照一定的比例尺画出各构件和各运动副之间的相对位置。比例尺：
μL＝实际长度LAB（m）／图示长度AB(mm)。
五、实验步骤
1．先了解测绘的机械实物或模型的名称、用途和结构，并找出它的机架、原动构件和活动构件数目。
2．缓慢驱动被测的机器或机构模型，从原动件开始，根据运动传递路线，仔细观察相联接两零件间是否有相对运动，特别要注意那些运动很微小的构件，认清机架，原动件和从动件，弄清机构的活动构件数目。
3．分析各构件之间相对运动的性质，确定各运动副的类型、运动副的数目。根据运动传递的顺序，仔细分析相互连接两构件间的接触方式及相对运动形式，确定运动副类型和数目。
4．合理选择机构运动简图的投影面。要以清楚地把机构的运动情况正确地表达出来为原则。一般选择与机构中多数构件的运动平面平行的平面为投影面。
5．绘制机构运动简图的草图。首先将原动件转到适当的位置（避开构件之间重合），大致定出各运动副之间的相对位置，在草稿纸上，用规定的符号画出运动副，并用线条连接起来，然后用数字1、2、3……及字母A、B、C……分别标注相应的构件和运动副，并用箭头表示原动件的运动方向和运动形式，量出机构对应运动副间的尺寸，再将草图按比例画入实验报告中。
6．计算自由度，并与实际机构对照，观察原动件数与自由度是否相等。计算公式：
F?3n?2PL?PH
7．分析机构运动的确定性。将前面计算的机构自由度与实际机构的自由度相对照，若与实际相符，则机构具有确定的运动；若与实际情况不符，要找出原因及时改正。
在实验报告纸上用三角板和圆规，将上述草图按选定的长度比例尺，在实验报告上绘制正式的机构运动简图，计算机构的自由度。
8．对机构进行结构分析，并判断机械的级别。
9．举例绘制如图2-1(a)所示的小型压力机的机构运动简图。
解：该小型压力机的工作原理是电机带动偏心轮1′作顺时针转动，通过构件2、3将主运动传给构件4；同时另一路运动自与偏心轮1′固联的齿轮1输出，经齿轮8及与其固
联的槽型凸轮8′，传递给构件4；两路运动经构件4合成，由滑块6带动压头7作上下移动，实现冲压工艺动作。显然该压力机的机架是构件0，原动件为组件1-1′，其他为从动件。
仔细观察各连接构件之间的相对运动特点后可知，构件0和1(1′)、1′和2、2和3、3和4、4和5、6和7及0和8(8′)之间构成转动副；而构件0和3、4和6及0和7间构成移动副；高副为1和8、8′和5之间形成。
选定视图投影面及比例尺?L=0.001m/mm，顺序确定转动副A、H和移动副导路D、M的位置，根据原动件1′的位置及各杆长等绘出转动副B、C、E、F、J的位置按规定符号绘出各运动副(包括高副G、N)及各构件等，最后得到该压力机的机构运动简图，如图2-1(b)所示。 由上述分析可知，该机构活动杆件数为8，转动副数为7，移动副数为3，高副为2。但构件4与凸轮8′之间以滚子5实现滚动接触，故此处引进了一个局部自由度，应排除(即设想将滚子与构件4焊成一体)。这样n=7；PL=9；PH=2；计算自由度得
F?3n?2PL?PH?3?7?2?9?2?1。
六、思考题
1．一张正确的机构运动简图应包括哪些必要的内容？
2．绘制机构运动简图时，原动件的位置能否任意选定？会不会影响运动简图的正确性？
3．机构自由度大于或小于原动件数时会产生什么结果？您的位置： &
移动副驱动的2-DOF球面并联机构运动学分析
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卫江红：基于ＳｏｌｉｄＷｏｆｌ：ｓ的连杆机构的运动分析与仿真
运动仿真和干涉检查系统，但其在构造机构实体模型、自动生成机构拓扑信息及设计的参数化方面还存在不足。
天津大学喻宏波、姜杉等人研究了在ＭＤＴ平台上进行机构运动仿真的途径【２州”Ｊ。西安理工大学郭晓宁采用型转化理论【２Ｊ和广义型转化理论ｐｊ，对ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的二次开发进行了初步探索，开发了一个参数化的机构实体运动分析仿真系统【２６］［２卯。本文正是在此基础上展开工作。
从以上分析可以看出，国外的软件在人机交互、图形图像处理和可视化方面做的比较好，但这些软件也存在缺点，其中一个比较普遍的缺点就是在运动分析中一般采用非线性方程组迭代求解，速度慢，特别是对于比较复杂的机构就更慢，有时甚至不能收敛。国内机构运动分析方面的软件在运动分析及受力分析方法方面已达到世界先进水平，但大多是用二维符号表示机构的传动类型和结构类型，一般也仅着眼于数值计算，缺乏与ＣＡＤ技术的紧密结合，人机交互能力差，很难推广到实际应用中。
目前，要实现机构的参数化实体运动仿真主要有三种途径：（１）利用高级语言，如Ｃ＋＋、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＶＢ等开发完全自主版权的软件，一切需求从底层做起。（２）利用通用的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统内嵌的运动分析模块。（３）基于通用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件平台，利用高级语言和所选定的基础平台及提供的开发语言（即所谓的混合开发环境与工具）进行二次开发【２８】【２们。
如果运用高级语言开发专用软件进行机构的实体运动仿真，需要较强的技术力量和大量的编程工作，不太现实；而采用通用的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件，虽然可以减少设计人员的实际工作量，但是对于某些复杂的机构，使用比较麻烦，因此主要用于机构的虚拟装配设计和动态检查【２８】【２９】；而按照设计工作或行业的要求，将通用ＣＡＤ软件作为支撑软件，针对具体问题进行二次开发，不仅可以充分利用ＣＡＤ／ＣＡＭ软件本身具有的各种功能，还可以减少程序设计工作量，具有开发周期短、见效快、系统稳定性好和功能强等特点。所以在进行此类软件的开发时，没有必要从底层做起，应充分利用现有的通用ＣＡＤ软件的开放接口和数据资源，以现有的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件作为支撑系统，进行二次开发Ⅲ。“。另外，目前在ＣＡＤ／ＣＡＭ软件市场中，可提供ＣＡＤ／ＣＡＭ系统支持环境，并提供开发环境与工具的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件产品很多，如Ｉ－ＤＥＡＳ，Ｐｒｏ／Ｅ，ＵＧ。ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ，ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ等，可以根据实际情况选用不同的ＣＡＤ软件来进行二次开发。
１．３论文的主要工作在总结前人工作的基础上，作者在本论文中主要作了以下工作：
大连理工大学硕士学位论文
（１）根据型转化法中连杆机构的组成原理，利用面向对象的思想，确定了连杆机构的层次模型分解准则，建立了连杆机构分析系统的功能模型和适当的类等级。
（２）建立了常用构件的三维参数化的模板库，确定了运动副与ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ零件配合特征之间的关系，使机构的建模工作大为简化。
（３）给出了自动提取机构实体装配信息并将其转化为结构分解所需要的拓扑信息的算法，使得运动副的类型由系统自动识别，并且避免了拓扑信息由人工输入的不足之处。
（４）以Ｗｉｎｄｏｗｓ为系统软件，ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ为支撑软件，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ提供的ＡＰＩ接口，在ｖｃ＋＋６．０开发环境下，编制大量程序，实现了连杼机构三维参数化实体的运动分析与仿真。并使用该系统对几种典型的机构进行了建模、结构分解、运动分析和仿真。
卫江红：基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的连杆机构的运动分析与仿真
２基本理论综述
２．１型转化及广义型转化理论
对于连杆机构而言，虽然不同的分析方法利用的原理不同，但基本思想都是按照某种规律将机构分解为一系列基本单元，对单元进行分析，再由单元之间的约束关系得到机构整体的分析。
根据阿苏尔杆组理论，机构的组成为：机构＝机架＋∑原动件＋∑杆组。经过这一分解，使对机构的分析变为对杆组的分析，从而使得机构分析大为简化。更重要的是，由于杆组是一个自由度为零的基本运动单元，该单元具有运动和力的确定性，这样，可以事先对各级杆组进行分析。当对具体机构进行分析时，可依据分解顺序来调用此机构分解出来的杆组的现成解，从而使机构分析更迅速、简单。但是由于阿苏尔杆组种类多，结构形式复杂，只有二级杆组可以简单地得到显式解，而对于三级以上的杆组，其解析式为含三角函数的多维非线性方程组，还需用迭代法求解。
为了寻找比较简单和直接的对杆组进行分析的方法，文献Ｄ４］对杆组的结构特征进行了研究，提出了型转化理论，即：把阿苏尔杆组的部分外约束解除而在内部运动链上虚拟同样数量（此数称型转化数肌）的外约束，这样，秆组内部运动链上出现外约束，内部运动链发生分解，高级杆组退化成～系列运动学和动力学确定的单元（双杆组和单构件）的叠加形式，从而使复杂杆组变为最简单的单元组合。通过顺序求解机构各组成单元达到对机构的分析。图２．１描述了采用型转化理论，三级杆组的分解情况。在三级杆组中，有三个外副Ａ，Ｂ，Ｃ，在运动分析时，把构件４的外副Ｃ的～个运动参数解除而虚拟到构件ｌ的副Ｄ上，这样此杆组就分解为两个单构件和一个双杆组。
鳖堡’．、ｆ÷
双杆组单构件三级杆组单构件
图２．１型转化法杆组结构分解
Ｆｉｇ．２．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌｉｎｋａｇｅｓｇｒｏｕｐｕｓｉｎｇｔｙｐｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
大连理工大学硕士学位论文
但在型转化法的具体运用中，特别是力分析时发现，不能使力分析的型转化和运动分析的型转化达到统一，文献［３】通过对型转化理论的实质进一步深入探讨，提出了广义型转化理论，即：在杆组中，通过把若干内副参数转化为外副参数（即虚拟），而无须解除部分外约束，使得杆组能够转化为虚拟单构件、约束单构件和双杆组，从而使型转化理论更加完善，更有利于建立机构结构学、运动学和动力学分析的统一的数学模型和系统方法，并易于实现计算机辅助分析的自动化。图２．２描述了采用广义型转化理论，三级杆组的分解情况。在内副Ｄ上虚拟一个运动参数为己知，杆组分解为虚拟单构件、双杆组和约束单构件。
！燮塑◆、ｆ七＋
三级杆组虚拟单构件双杆组约束单构件
图２．２广义型转化法杆组结构分解
Ｆｉｇ．２．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌｉｎｋａｇｅｓｇｒｏｕｐｕｓｉｎｇｅｘｔｅｎｄｅｄｔｙｐｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ
用型转化和广义型转化法进行机构分析时，机构的组成可以表示为：机构＝机架＋∑原动件＋∑虚拟单构件＋∑双杆组＋∑约束单构件。目前，以型转化单元为机构结构单元的分析方法已广泛应用于连杆机构的运动分析，其特点是使机构运动分析方程的维数降至最低，从而极大地简化了机构的运动分析，并且使机构的结构学、运动学和动力学分析相统一，便于实现分析过程的自动化。
２．２连杆机构的数学表示
在机构分析中，用运动简图虽然可以将所需的全部结构参数表示出来，但难以建立数学运算关系。在机构结构分析中引入拓扑图及其矩阵表示，使机构分析的研究上了一个新台阶，并可利用图论来定量分析机构的回路特性。对于只含单铰的连杆机构，将机构简图转变成拓扑图只需将机构简图中的构件用图论中图的顶来表示，运动副用图的边来表示。但是对于含复铰的连杆机构，直接用上述方法作机构的拓扑图时，图中将出现多边形，图论中的一些定理不能适用。文献［３５】针对这一问题提出了双色图的概念，能有效地解决含复铰的连杆机构的表示问题。
包含总结汇报、办公文档、人文社科、经管营销、教程攻略、考试资料、资格考试、党团工作以及基于SolidWorks的连杆机构的运动分析与仿真_图文等内容。本文共16页
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