机械原理（朱龙英西电版）第12章计算机辅助机构设计与分析

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1、第12章　计算机辅助机构设计与分析12.1计算机辅助机构设计与分析的特点及分类12.2平面连杆机构的计算机辅助设计12.3平面连杆机构的运动分析和仿真12.4凸轮机构的计算机辅助设计12.1计算机辅助机构设计与分析的特点及分类机构的设计与分析过程较为复杂。在前面的章节中介绍了机构设计与分析的图解法和解析法。用图解法对机构进行分析，只能分析一个位置，若要求对机构多个位置，如对应原动件360个不同位置进行全面的运动分析，其作图量非常大。随着工程上对机构设计和分析的精度要求越来越高，图解法作图精度有时难以保证。解析法的优点是精度高，但计算工作量大，在早期曾一度限制了它

2、的应用。近几十年来，随着计算机科学的发展，机构设计与分析的解析法与计算机科学相结合，形成了一门新的机构学分支，这就是机构的计算机辅助设计与分析。近年来，机构的计算机辅助设计与分析的研究趋势主要有：（1)将机构的设计与分析作为计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)的研究基础。（2)研究包括间隙、构件的变形、摩擦与阻力、振动等复杂问题的分析与设计，以及机构的优化设计等。（3)利用计算机的绘图功能显示和模拟机构的运动。（4)为缺乏经验的设计者开发计算机辅助设计形式的综合方法，其中包括专家系统和人工智能方法。（5)快速发展适用于微型计算机机构分析与设计的软件。机

3、构的计算机辅助分析与设计，其主要优点是：（1)计算机的快速计算能力提高了分析与设计的效率和时间。（2)计算机计算精度高和优化设计方法的采用，提高了分析与设计的质量。（3)机构的计算机辅助设计与分析作为计算机辅助设计与制造的一部分，可以直接利用数据库中的数据，并可将分析与设计的结果送入数据库，便于集成化的生产和管理。　由于具有上述这些优点，机构的计算机辅助设计与分析的应用已渐成趋势。用计算机对机构进行设计与分析，最终要通过计算机软件来完成。由于机构设计与分析的内容和方法很多，因此编制的程序也不一样。目前利用计算机进行分析与设计的方法大致可分为三类：一类是针对

4、具体的机构，用解析法推导出所有的计算公式，然后按公式编制相应的程序进行计算，如凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构等一些特殊机构的设计与分析就属于此类方法；第二类是预先编制通用子程序，然后对机构进行分析时再调用相应的子程序进行相应的计算，如平面连杆（多杆）机构的运动和动力分析就属于这类方法；第三类是利用二维或三维造型软件进行参数化设计与分析，如Pro/E、UG、Adams等软件。当然，这里的分类只是为了说明方便，并不是绝对的。12.2平面连杆机构的计算机辅助设计平面连杆机构的计算机辅助设计，一般是采用解析法设计的理论和所建立的设计公式，利用计算机求解，以得到设计结果

5、。现以最常见的平面四杆机构的设计为例，介绍机构的计算机辅助设计的思路、过程和方法。常见的平面四杆机构的设计有三种类型：按给定的连杆位置设计四杆机构、按两连架杆对应位置设计四杆机构和按给定行程速比系数设计四杆机构。这里介绍按给定行程速比系数设计平面四杆机构的方法。如图12-1所示的曲柄摇杆机构，设给定行程速比系数K、摇杆的最大摆角ψ、摇杆的长度c和许用压力角［α］（或最小传动角），要求综合该四杆机构。1．建立数学模型首先由(12-1)求出极位夹角θ。由图解法知，以c和ψ作等腰三角形C1DC2，以C1C2为弦作圆周角为θ的圆，则该圆即为曲柄回转中心A所在的圆η，如

6、图12-2所示。图12-1曲柄摇杆机构图12-2曲柄摇杆机构的几何关系该圆的圆心在摇杆最大摆角ψ的等分线上。再由给定的许用压力角［α］，可分几种情况确定固定铰链A在η圆上的位置，最后求出曲柄、连杆和机架的长a、b和d。在△AC1C2中，lC1C2=2csin，lAC1=b－a,lAC2=a+b，应用正弦定理得所以有(12-3)(12-2)可见，若能求出∠AC1C2和∠C1C2A，便可求出曲柄和连杆长a、b，然后在△AC1C2和△AC2D中应用余弦定理求出机架长d。1）当θ=ψ时如图12-2(a)所示，当θ=ψ时，两极限位置连杆和摇杆的夹角δ1和δ2均为AD所对

7、圆周角，所以δ1=δ2=90°－［α］，故在△AC2D中应用余弦定理求得机架长度为(12-4)2）当θ<ψ时如图12-2(b)所示，延长C1D和C2D，与圆η分别交于E1和E2，因为δ2所对应的弧小于δ1所对应的弧，所以δ2<δ1。从满足许用压力角要求的角度，应按δ2=90°－［α］综合曲柄摇杆机构。则有在△AC2D中应用余弦定理求得机架长度为(12-5)3）当θ>ψ时如图12-2(c)所示，可见δ1<δ2，从满足许用压力角要求的角度，应按δ1＝90°－［α］综合曲柄摇杆机构。则有在△AC1D中应用余弦定理求得机架长度为(12-6)用该方法综合曲柄摇杆机构时，

8、在工作行程