机械综合设计说明文书（例）

1、 0 / 39目 录第 1 章 问题的提出 11.1 项目背景 11.2 设计要求 1第 2 章 设计方案的选择 22.1 整体设计构想 22.1 技术原理 22.3 装置操作 32.4 核心部件的设计 32.4.1 三杆式托爪 32.4.2 死点式托爪 42.4.3 雨伞柄式托爪42.4.4 自锁式托爪42.5 托爪设计方案的确定5第 3 章 机构尺寸设计 53.1 三杆式托爪 53.1.1 三杆式托爪的引入 53.1.2 三杆式托爪的几何尺寸设计 63.2 死点式托爪 63.2.1 死点式托爪的引入 63.2.2 死点式托爪的几何尺寸设计 7第 4 章 机构强度校核 124.1 三杆式托爪

2、 124.1.1 三杆式托爪根部的设计与校核 134.1.2 三杆式托爪销轴 A 的设计与校核 134.1.3 三杆式托爪支撑轴的设计与校核 144.1.4 支撑杆销轴 C 的设计与校核 154.2 死点式托爪 154.2.1 死点式托爪根部的设计与校核 164.2.2 死点式托爪支撑杆的设计和校核 174.2.3 死点式托爪销轴 A 的设计与校核 174.2.4 死点式托爪支撑杆销轴 C、D 的设计与校核 174.3 主要零部件的设计尺寸、材料 194.3.1 圆盘 194.3.2 托爪 19第 5 章 机构运动分析与动力分析 205.1 机构运动分析 205.2 机构动力分析 22第 6

3、章 机构动力分析 25第 7 章 机构建模与 VR 展示 25 1 / 397.1 机构建模 257.1.1 建模工具的选择 257.1.2 各部件的建模 267.1.3 机构的装配 277.2 VR 展示 287.2.1VRML 简介 287.2.2VR 展示 28结束语 31参考文献 33附录 34 第第 1 章章 问题的提出问题的提出1.11.1 项目背景项目背景近年来，报纸、电视等媒体多见报道有关孩童掉入小径深井（多为直径 2545cm 水泥管机井）及营救的消息。由于井径过小，成年人无法进入井下，营救的方法多是无奈大规模动用挖掘机等大型设备，此种方法费时、费力、费财、废井，且因救捞时间

4、过长而无法保证井下孩童的生命，况且如果孩童掉入深度超过 15m，挖掘机也是根本无法及时进行施救的。通过查阅相关资料发现，全国各省每年不慎掉入机井、油井等小径深井及深沟、山涧、楼体夹缝等的孩童事件高达几千起，连同其他小动物也有数千起，而掉入机械零部件、重要物品的情况则上万起。此种情况导致的生命损失不可估量，而每年的财产损失则在一亿元以上。调查发现，目前市场上没有轻便、合适的深井专用救援机械，开发这一类救援机械迫在眉睫，且极具市场价值，设计一种专用且安全可靠的救捞设备是十分必要的。针对上述调查和分析，我们小组计划设计一种可控式的救捞装置，主要用于对不慎跌入小径油井、机井的孩童、小动物实施安全快捷的

5、救援，同时也可用于对机器部件和一些重要物品的打捞工作。该设备的研制将能够成功解救宝贵的孩童生命、宠物生命，能够打捞许多重要物品进而挽回重大的财产损失，具有巨大的经济和社会效益。该设备的应用围将会很广泛，可适用于油田、水利、武警、消防及居民家庭等。1.21.2 设计要求设计要求考虑到救捞环境的复杂性、救援空间的狭小性以及救援条件的限制，我们对所设计的救捞装置提出以下要求：（1）该装置的核心部位是与救捞目标直接接触的托爪部分，由于托爪是直接对目标起作用的机构，所以在设计托爪机构时应该考虑到强度问题，要有足够的强度来支撑救捞目标的重量。（2）考虑到救捞的目标很多情况下是儿童活小动物，所以托爪部分不能

6、对目标有过强的干涉，以免对目标造成 2 次伤害。（3）该装置还应该是可调节的，以适应不同救捞环境下不同大小的空间。（4）整体要求：该装置应该轻便、可靠、环保，易于操作，对于整体结构而言，必须 1 / 39简洁、不拖沓。第第 2 章章 设计方案的选择设计方案的选择2.12.1 整体结构设想整体结构设想根据第 1 章 1.2 节所提出的设计要求，考虑到可操作性和实用性，我们所设计的救捞装置的整体结构图如图 2-1 所示，根据结构特点，定名为“可控式救捞装置” 。图 2-1 可控式救捞装置整体构想图2.22.2 技术原理技术原理该装置利用三根托爪插入打捞物以下，控制托爪机构托起打捞物以达到救援和打捞

7、目的。它主要由圆盘、可调节立杆、可调节托爪、电器箱、绳索、控制盘组成。圆盘是安装（或支撑）其他零部件的非固定机架；三根可调节立杆靠伸缩长度以适应井径和打捞物大小的需要；三个可调节托爪沿井壁插入打捞物下部后，可经控制盘控制随时变到与立杆成90的水平位置，形成“钩状” ，以托起打捞物；密封的电器箱装有照明灯、摄像头以及氧 2 / 39气管，以清晰地向控制盘的显示器传输井下图像及输氧；操作人员通过控制绳索来控制整个装置转动任意角度并承受推力，灯线、电缆线、氧气管、提拉绳均与绳索并联并进行安放。装置结构简捷，操作方便，功能可靠，节能环保。2.32.3 装置操作装置操作如图 1 所示：装置下井时，可控式

8、救捞装置下井时，3 个托爪在扭转弹簧的作用下与立杆呈铅垂线状态，竖直下插。当托爪达到被打捞物下面后，由操作人员提起提拉绳，托爪向翻转 90，达到水平状态，即打捞位置，这时就可以开始打捞。3 个托爪可实现独立动作，通过控制提拉绳控制托爪的动作。托爪的转动与控制是由其工作部件实现的。2.42.4 核心部件的设计核心部件的设计该装置利用三根托爪插入打捞物以下，控制托爪机构托起打捞物以达到救援和打捞目的。三个可调节托爪沿井壁插入打捞物下部后，可经控制盘控制随时变到与立杆成 90的水平位置，形成“钩状” ，以托起打捞物。所以装置的核心部件为装置下端与救援与打捞目标直接接触的托爪机构。我们利用机械原理的知

9、识，设计了一下四种托爪的结构：2.4.12.4.1 三杆式托爪三杆式托爪 3 / 39图 2-2 三杆式托爪该部件设计为“三杆式” ，利用了杆件位置变换及三角形稳定的原理，如图 2-2 所示。当人工提起丝绳时，托杆克服细弹簧的微小预拉力沿导槽顶部凹槽定位。此时托杆呈水平托起状态，斜杆呈支撑作用。当需要放下托杆时，操作人员再次提起丝绳，托杆左端滚销再次碰触伸缩器舌，舌伸出，并堵死导槽顶部凹槽，托杆左端滚销不能再进入凹槽，托杆便在重力、细弹簧拉力作用下左端下行，同时斜杆恢复铅垂位置。2.4.22.4.2 死点式托爪死点式托爪 4 / 39图 2-3 死点式托爪如图 2-3 所示，这种托爪机构利用的

10、是类似飞机起落架的死点原理，如图。当操作员提起丝绳时，长杆被拉到水平托起位置，2 段短杆通过死点原理形成斜支撑杆，由于死点机构具有自锁功能，从而起到支撑作用。当要实现托爪自动收缩时，只需在连架杆上施加一驱动力矩即可。2.4.3雨伞柄式托爪雨伞柄式托爪根据雨伞到达规定位置时可实现固定，可达到预定的目的，我们据此设计托爪，当托爪的横杆达到水平状态时，可实现固定，这样才能安全、可靠地将救捞物打捞上来。2.4.4自锁式托爪自锁式托爪机械自锁：由于摩擦的存在和其他条件，一个原为静止的机械，当驱动力（炬）从零增加到无穷大时，若机械的受力件总不能发生运动，这种现象称为自锁。有些机械的工作需要具有自锁的特征，

11、可以巧妙利用自锁的特性达到指定的要求。在我们的设计中就想利用自锁使横杆达到水平状态时实现自锁，托起打捞物上升，实现救援。2.52.5 托爪设计方案的确定托爪设计方案的确定通过对前面提出的四种托爪设计方案进行研究、分析和比较，得出以下结论： 5 / 39三杆式托爪：灵活简便，易于操作，但其底部加工导槽会影响其刚度。死点式托爪：设计巧妙，不会对打捞物形成干涉，但是若要实现自动调整，需在连架杆上施加一个驱动力矩。雨伞柄式托爪：原理简单，安全可靠，但托爪不易实现反复自动调整，需增加驱动装置。自锁式托爪：设计巧妙，但自动控制难以实现，且安全因素存在一定隐患。综上所述，三杆式托爪和死点式托爪较其它两种托爪

12、结构更加简单实用，巧妙利用机械原理中的知识，我们选择了三杆式和托爪和死点式托爪进行进一步的研究，且由于在死点式托爪中创造性地运用了“死点”的概念，我们重点对死点式托爪进行科学设计、研究和校核。第第 3 章章 机构尺寸设计机构尺寸设计3.13.1 三杆式托爪三杆式托爪3.1.13.1.1 三杆式托爪的引入三杆式托爪的引入在托爪机构的设计过程中，我们首先设计了三杆式托爪，如下图 3-1 所示：图 3-1 三杆式托爪三杆式托爪结构简单，由两杆、和一个滑槽和弹簧组成，其尺寸要根据救捞ABBC环境而定，由于装置可以通过圆盘和可调横杆的接口来调节横杆半径以适应不同的救捞环境。 6 / 393.1.23.1

13、.2 三杆式托爪的几何尺寸设计三杆式托爪的几何尺寸设计为了方便第 4 章中对三杆式托爪的校核，初定尺寸如下：200ABlmm200 2282.8BClmmmm3.23.2 死点式托爪死点式托爪3.2.13.2.1 死点式托爪的引入死点式托爪的引入在三杆式托爪的基础上，我们反复推敲，在图 3-2 飞机起落架的结构上得到了启发：图 3-2 飞机起落架结构 在飞机起落架的结构中，主要运用了机械原理中的死点原理，经过研究设计，我们极富创意地把死点原理运用到了托爪机构的设计当中。死点的概念： 7 / 39图 3-3 四杆机构当如图 3-3 所示的四杆机构，当机构从动件 CD 上的传动角时，驱动力 F 的

14、作0用线与力作用点 C 的绝对速度之间的夹角，有效驱动力矩为零，这时的机构位CV90置成为死点位置。3.2.23.2.2 死点式托爪的几何尺寸设计：死点式托爪的几何尺寸设计：设计方法设计方法：位移矩阵法求解求解：Matlab 编程求解设计过程如下： 8 / 39图 3-4 死点式托爪考虑到救捞环境的复杂、救援空间的狭小，并避免救捞装置对打捞物形成干涉，造成伤害，死点式托爪可从打捞物下方缓慢调整至打捞状态，即托爪出于水平状态时，即可上升进行打捞动作。托抓机构运动设计容包括以下几个方面：机构的类型选择机构的类型选择：从安全方面考虑，托爪的机构必须为单自由度机构，另一方面，托爪要求达到水平的同时出现

15、“死点” ，所以确定要设计一个会出现“死点”的铰链四杆机构。机构各杆件的运动尺寸设计方法选择机构各杆件的运动尺寸设计方法选择：我们所设计的死点式托爪是一个平面四杆机构属于平面连杆机构。平面连杆机构的常用设计方法有图解法和解析法两种。图解法是运用几何学原理求解，比较直观，但由于我们所要设计的死点式托爪机构除了对机构精确位置有特殊要求之外，还要求出现“死点” ，所以设计出来之后还要检验其是否满足条件，如果不满足就需要重新进行作图求解。解析法是通过建立数学模型用数学解析求解，在求解过程中还需要用到数值分析、计算机编程等知识。在本项目的设计中，我们采用平面连杆机构解析法综合中的位移矩阵法。这是因为位移

16、矩阵法与运动分析紧密结合，应用面广。位移矩阵法的基本思想是：根据给定机构的运动设计要求，建立机构设计的数学模型， 9 / 39即设计方程，再用计算机进行求解。利用位移矩阵法进行死点式托爪机构设计的具体步骤如下：（1）如图建立平面直角坐标系，如下图 3-5 所示，图 3-5 机构坐标图在连杆上选择一固定点，以点的坐标和连杆的轴线与轴正向之间的夹角来PBCx表示。 （2）确定机构的设计变量，以销轴点 B、C、D 的坐标作为设计变量，进而可求出各杆件的长度。（3）根据机构的活动副在机构运动中受到的约束，建立位置约束方程。（4）由设计要求给出的精确点或精确位置写出位移矩阵，并建立中间变量与设计变量的位

17、移矩阵方程。（5）利用位移矩阵将位置约束方程中的中间变量消去，导出设计变量的机构设计方程。（6）利用 Matlab 进行方程的求解。以下是具体的设计过程：图 3-5 所示为死点式托爪机构，取机构的设计变量为，1111AABBCCxyxyxy、 10 / 39设计变量确定之后，机构所有的运动几何尺寸都可以确定出来。机构在运动过程中，动铰链点 B、C 的运动约束是：1）从连杆 BC 上看，点 B、C 之间的距离保持不变；2）从连架杆 AB 上看，点 B 到点 A 的距离保持不变。运动约束 1）将在后面用位移矩阵进行讨论，运动约束 2）的数学表达为：222211()()()()BABABiABiAx

18、xyyxxyy2,3,i 根据救捞空间的严格要求，考虑现实情况，我们在连杆上选定一点 P，设计要求就是连杆要精确实现一下三组位置，如表 1 所示：表 1 P 点位置表PixPiyi1i 0150902i 501701353i 1803045连杆从第 1 位置到第 2 位置的位移矩阵为12214512cos45sin4550 150sin45sin45cos45170 150cos45001D连杆从第 1 位置到第 3 位置的位移矩阵为133145 13cos( 45 )sin( 45 )180 150sin( 45 )sin( 45 )cos( 45 )30 150cos( 45 )001D铰

19、链点 B 满足位移矩阵方程：11111BiBBiiBxxyDy从而可得： 11 / 39211cos45sin4550 150sin45BBBxxy211sin45cos45170 150cos45BBByxy311cos( 45 )sin( 45 ) 180 150sin( 45 )BBBxxy211sin( 45 )cos( 45 )30 150cos( 45 )BBByxy代入运动约束 2）的数学表达得：211(cos45sin4550 150sin45 )BBAxyx2221111(sin45cos45170 150cos45 )()()BBABABAxyyxxyy211(cos( 4

20、5 )sin( 45 ) 180 150sin( 45 )BBAxyx2221111(sin( 45 )cos( 45 )30 150cos( 45 )()()BBABABAxyyxxyy 这两个方程共有四个未知数，所以可以任意假设其中的两个，根据11AABBxyxy、我们建立的坐标系，取，联立这两个方程，利用 Matlab0,0,0,200AADDxyxy 求解，程序见附件程序 1，解出。从而托爪 AB 的几何11112.9836,175.2396BBxy 尺寸为 。2211()()208.5ABBABAlxxyymm运动约束 1）的数学表达为：2222111111()()()()CBCBC

21、iBCiBxxyyxxyy2,3,i 铰链点 C 同样满足位移矩阵方程：11111CiCCiiCxxyDy211cos45sin4550 150sin45CCCxxy211sin45cos45170 150cos45CCCyxy311cos( 45 )sin( 45 ) 180 150sin( 45 )CCCxxy211sin( 45 )cos( 45 )30 150cos( 45 )CCCyxy 12 / 39代入运动约束 1）的数学表达可得：2111(cos45sin4550 150sin45 )CCBxyx2221111111(sin45cos45170 150cos45 )()()CC

22、BCBCBxyyxxyy2111(cos( 45 )sin( 45 ) 180 150sin( 45 )CCBxyx2221111111(sin( 45 )cos( 45 )30 150cos( 45 )()()CCBCBCBxyyxxyy根据已求出，同样利用 Matlab 编程求解可得11112.9836,175.2396BBxy ，从而连杆 BC 的几何尺寸为 1112.3076,70.5878CCxy ，进而求连架杆 CD 的几何尺寸为221111()()149.8BCCBCBlxxyymm2211()()133.0CDCDCDlxxyymm至此，死点式托爪的几何尺寸就设计完毕。第第 4

23、 章章 机构强度校核机构强度校核4.14.1 三杆式托爪三杆式托爪 13 / 39图 4-1 三杆式托爪平面图三杆式托爪主要零部件的形状、尺寸、材料以及各种参数的确定：三杆式托爪主要零部件的形状、尺寸、材料以及各种参数的确定：说明：本设备的受力危险零部件发生在托爪根部（即悬臂梁固定端） 、托爪销轴、支撑杆及斜拉杆销轴处，其余部分因受力（含弯、扭矩等）较轻、且截面较大，故无需校核。在三杆式托爪设计过程中，在设计提升能力为 25Kg 情况下，主要零部件危险界面的设计与校核、计算归纳如下：4.1.14.1.1 三杆式托爪根部的设计与校核三杆式托爪根部的设计与校核托爪主要受力为弯矩。按托爪最大长度 l

24、=200mm、单爪托起最大重量 25Kg(250N)计(考虑承重不均)，托爪根部（斜拉杆下部）最大弯矩为：W=50000Nmm，由于托爪轴比套管抗弯能力强，故主设计套管尺寸。套管材料采用 Q235 普通碳钢，其屈服极限为 235MPa，取安全系数，则s1.5SS许用弯应力235/1.5=157MPa 。 SSS钢套管抗弯模量=50000/157=318， /WM3mm 取截面尺寸为大径 D=15mm,小径 d=12mm 之钢套管，其抗弯模量34343(1)0.1 15 1 (12/15) 33732WDmm WW 所设计套管抗弯能力足够，可用，尺寸为大径 D=15mm,小径 d=12mm。4.

25、1.24.1.2 三杆式托爪销轴三杆式托爪销轴 A A 的设计与校核的设计与校核托爪销轴 A 主要受力为剪力。由于销轴 A 受力和的作用，根据实际情况，本文3F4F近似假定托爪的受力主要集中在托爪的中点处。托爪受力简图见下图 4-2。 14 / 39图 4-2 托爪受力分析图托爪受力为，将沿水平和铅垂方向分解，1250,100,100FN ADmm BDmm2F则2113224sin450sin45cos450AMFABFADFFFFF代入数值，计算得：，3111252FFN2125125 2177cos45FNN， “-”号表示方向与相反，水平向左。42177FFN 4F2F销轴材料为 Q2

26、35,由于销轴受剪，取安全系数，销轴的许用切应力2.5SS。 235942.5SMPaS销轴所受剪力为222234125( 177)216.5FFFN 取直径为 5mm 的标准螺栓作为销轴，则最大剪应力，22max34/()4 216.5/(5 )11.03FdMPamax 螺栓抗剪强度足够，可用，取的标准件销轴。5dmm4.1.34.1.3 三杆式托爪支撑杆的设计和校核三杆式托爪支撑杆的设计和校核如图 4-3 所示，为了打捞之便，取与托爪横轴之间的夹角为，对 A 点求矩得，2F45，则122250 100100 20AMFADFAEF2125 2177FN 15 / 39图 4-3 托爪受力

27、分析图取支撑杆的材料为 Q235 钢，圆形截面，取安全系数为，则1.5SS，则支撑杆的最小面积， 235/1.5157MPa2minmin1771 1574FSd，取，从而支撑杆的强度足够。min1.2ddmm12dmm4.1.44.1.4 支撑杆销轴支撑杆销轴 C C 的设计与校核的设计与校核此轴销主要受力为剪力。支撑杆受力为，结合图 5，由作用力和反作用力得，支撑2F杆销轴所受剪力与大小相等，方向相反。2F销轴材料为 Q235,取安全系数为，2.5SS 235/2.594MPa销轴截面积，取销轴直径为，则其截面积 221771.8894FSmm2dmm，所以此销轴可用。22min123.1

28、44SmmS4.24.2 死点式托爪死点式托爪托爪的受力危险零部件发生在托爪根部（即悬臂梁固定端） 、托爪销轴、支撑杆，其余部分因受力（含弯、扭矩等）较轻、且截面较大，故无需校核。 16 / 39在死点式托爪设计过程中，在设计提升能力为 25Kg 情况下，主要零部件危险界面的设计与校核、计算归纳如下：图 4-4 死点式托爪平面图4.2.14.2.1 死点式托爪根部的设计与校核死点式托爪根部的设计与校核托爪主要受力为弯矩。按托爪最大长度 l=200mm、单爪托起最大重量 25Kg(250N)计(考虑承重不均)，托爪根部（斜拉杆下部）最大弯矩为：W=50000Nmm，由于托爪轴比套管抗弯能力强，故

29、主设计套管尺寸。套管材料采用 Q235 普通碳钢，其屈服极限为 235MPa，取安全系数，则s1.5SS许用弯应力235/1.5=157MPa 。 SSS钢套管抗弯模量=50000/157=318， /WM3mm 取截面尺寸为大径 D=15mm,小径 d=12mm 之钢套管，其抗弯模量34343(1)0.1 15 1 (12/15) 33732WDmm WW 17 / 39 所设计套管抗弯能力足够，可用，尺寸为大径 D=15mm,小径 d=12mm。4.2.24.2.2 死点式托爪支撑杆的设计和校核死点式托爪支撑杆的设计和校核如图 4-5 所示，为了打捞之便，取与托爪横轴之间的夹角为，对 A

30、点求矩得，2F45，则122250 100100 20AMFADFAEF2125 2177FN图 4-5 托爪受力分析图取支撑杆的材料为 Q235 钢，圆形截面，取安全系数为，则1.5SS，则支撑杆的最小面积， 235/1.5157MPa2minmin1771 1574FSd，取，从而支撑杆的强度足够。min1.2ddmm12dmm4.2.34.2.3 死点式托爪销轴死点式托爪销轴 A A 的设计与校核的设计与校核托爪销轴 A 主要受力为剪力。由于销轴 A 受力和的作用，根据实际情况，本文3F4F近似假定托爪的受力主要集中在托爪的中点处。托爪受力简图见图 4-6。 18 / 39图 4-6 托

31、爪受力分析图托爪受力为，将沿水平和铅垂方向分解，1250,100,100FN ADmm BDmm2F则2113224sin450sin45cos450AMFABFADFFFFF代入数值，计算得：，3111252FFN2125125 2177cos45FNN， “-”号表示方向与相反，水平向左。42177FFN 4F2F销轴材料为 Q235,由于销轴受剪，取安全系数，销轴的许用切应力2.5SS。 235942.5SMPaS销轴所受剪力为222234125( 177)216.5FFFN 取直径为 5mm 的标准螺栓作为销轴，则最大剪应力，22max34/()4 216.5/(5 )11.03FdM

32、Pamax 螺栓抗剪强度足够，可用，取的标准件销轴。5dmm4.2.44.2.4 死点式托爪支撑杆销轴死点式托爪支撑杆销轴 C C、D D 的设计与校核的设计与校核此轴销主要受力为剪力。支撑杆受力为，结合图 7，由作用力和反作用力得，支撑2F 19 / 39杆销轴所受剪力与大小相等，方向相反。2F销轴材料为 Q235,取安全系数为，2.5SS 235/2.594MPa销轴截面积，取销轴直径为，则其截面积 221771.8894FSmm2dmm，所以 2 个销轴可用。22min123.144SmmS4.34.3 主要零部件的设计尺寸、材料主要零部件的设计尺寸、材料4.3.14.3.1 圆盘圆盘设

33、计尺寸如图 4-7 所示为：高60mm，外径 250mm，台阶孔径 150mm，深 50mm，中间通孔径 40mm，相隔 1200的 3 个横杆插孔孔径 15mm。材料：聚酰胺、尼龙等工程塑料。4.3.4.3.2 2 托爪托爪尺寸：总长 200mm，以适应伸缩的需要；前端敬特殊处理，以减轻对打捞物的冲顶；爪身尺寸以校核为准。材料为：木质或工程塑料。图 图 4-7 圆盘示意图 20 / 39第第 5 章章 机构运动分析与动力分析机构运动分析与动力分析5.15.1 机构运动分析机构运动分析机构运动分析就是根据在机构各构件运动尺寸已确定、且原动件的运动规律（通常原动件做匀速转动）已知来确定其他构件上

34、某些点的轨迹、位移、速度和加速度（或某些构件的位置、角位移、角速度、角加速度）等运动参数。为了确定机构工作过程的运动和动力性能，往往要知道机构构件上某些点的速度、加速度及其变化规律。对于高速和重载机械，其运动构件的惯性力往往很大，因此，在进行强度计算、动力特性分析和机构动力学设计（如机构平衡）时常需要计算构件惯性力。因而，也就要求首先对机构的速度和加速度进行分析。对于我们所设计的两个机构，我们主要对死点式托爪用解析法进行分析，同时，我们应用 ADAMS 软件进行机构运动模拟，从而绘制某些机构构件上某些点的位移、速度及加速度。平面上一个点的位置可以用该点的两个坐标表示，运用解析法的关键是建立构件

35、上一些特殊点的位置方程，从而得到它们速度与加速度的变化规律，来分析构件的运动。分析过程如下：图 5-1 机构坐标图如图 5-1 中坐标所示，以 A 点为原点（0，0） ，在上面 MATLAB 分析中，208.5ABlmm149.8,133.0BCCDlmm lmm 21 / 39，在托爪向上展开的运动过程中，AB 杆和丝绳连22()191.06ADBCCDABllllmm接，所以 AB 为原动件，已知原动件的运动，就是已知 AB 杆绕 A 点转动的角位置为、1角速度和角加速度，由于 3 个杆的尺寸约束，、距离不变，所以可写出11ABlCDlBClB 的位置方程为： (5-1)11cossinB

36、AABBAABxxlyyl其中，AB 杆的角位置为，可立即计算出来，从而0AAxy208.5ABlmm1,BBxy得到铰接点 B 的位置将式（5-1）对时间 t 分别作一次、二次求导，可得到铰接点 B 的速度和加速度方程如下： （5-2）1111sincosBxAxABByAyABvvlvvl其中。0AxAyvv （5-3）2111121111cossinsincosBxAxABABByAyABABaallaall其中，根据已知的和，由式（5-2）和（5-3）就可以求出铰接点0AxBxaa11B 的速度和加速度。确定从动件 BC 上点 B 的运动之后，必须再确定构件 BC 上另一点 C，才能确

37、定构件BC 杆的运动，由于运动尺寸的约束，、的尺寸不变，ABlCDlBCl22()ADBCCDABllll其中，所以即 D，则有 C 点的位置方程如下：0Dx 191.06Dy (0, 191.06) (5-4)2222()()()()BCBCBCCDCDCDxxyylxxyyl 其中由式（5-1）中，可求得，又因为，所以，所以由式（5-4）,BBxy0Dx Dy 22 / 39可求得。,CCxy 将式（1-4）进行整理： (5-5)222222()()()()BCBCBCCDCDCDxxyylxxyyl 对式（5-5）进行对时间 t 的一阶和二阶导数，可以得到 C 点的速度方程：(5-6)(

38、)()()()()()()()BCBxBCByBCCxBCCyCDCxCDCyCDDxCDDyxxvyyvxxvyyvxxvyyvxxvyyv 其中，已经由式（1-2）求出，只有，两个未知数，可求出 C 点的速度。BxvByvCxvCyvC 点的加速度方程为：(5-7)2222()()()()()()()()()()()()BCBxBCByBCCxBCCyCxBxCyByCDCxCDCyCDDxCDDyDxCxDyCyxxayyaxxayyavvvvxxayyaxxayyavvvv 其中只有，两个未知数，即可求出 C 点的加速度。CxaCya 至此，B、C 铰接点的运动参数都得到确定，BC 杆

39、的运动得以确定。5.25.2 机构动力分析机构动力分析机构动力分析的主要容是确定实现设定的机构运动所施加于机构上的力，此力被称为机构的平衡力或平衡力矩。 确定机构的平衡力（或平衡力矩）在工程上具有重要意义。可以根据确定出来的平衡力（或平衡力矩）选择动力驱动装置，确定机械装置的工作能力等。在求解过程中还可以求出机构中各个运动副的反力，为零件的强度、刚度设计提供依据。总之，机构的动力分析对于了解机构的传力性能、进行驱动装置的选择。确定机械的工作能力等方面都是非常必要的。由于三杆式托爪涉及弹簧，仿真存在困难，所以我们只对死点式托爪进行仿真，将死点式托爪简化为一个四杆机构，在 ADAMS 中建模并仿真

40、，并输出仿真曲线，进行运动分析，分析过程如下： 23 / 39图 5-2 托爪坐标图如图 5-2 中坐标所示，以 A 点为原点（0，0） ， 其中，1111sincosBxAxABByAyABvvlvvl0AxAyvv从而1111sincosBxABByABvlvl 设满足，从而，曲线与正弦曲线类似。11wt11sincosBxABByABvlwtvlwt Bxv利用 ADAMS 软件进行仿真，得到铰链点 B 的运动曲线如图 5-3 所示： 图 5-3 铰链点 BX 方向的运动分析 图 5-4 铰链点 BY 方向的运动分析 1 / 39图 5-4 铰链点 B 的位移曲线 图 5-5 铰链点 B

41、 的速度曲线 图 5-6 铰链点 B 的加速度曲线综上分析：曲线变化基本与理论分析吻合，所以机构符合设计要求。在仿真的过程中，当所仿真的四杆机构达到图 5-7 示位置时，ADAMS 的对话框出现如下信息：ERROR: No convergence was achieved after 25 iterations while solving for the kinematic displacements.ERROR: Simulation failure detectedERROR: No convergence was achieved after 25 iterations while so

42、lving for the kinematic displacements.ERROR: Simulation failure detectedERROR: No convergence was achieved after 25 iterations while solving for 1 / 39 the kinematic displacements.ERROR: Simulation failure detectedERROR: No convergence was achieved after 25 iterations while solving for the kinematic

43、 displacements.ERROR: Simulation failure detected图 5-7 死点位置 当机构到达死点位置时，ADAMS 即出现错误信息，即机构达到死点位置时运动讲停止，间接证明了我们利用位移矩阵法设计的机构尺寸是能够达到设计功能的。第第 6 章章 机构动力设计机构动力设计 由于该装置与救捞环境和救捞场所密切相关，且由救捞人员操作，所以机构的动力是由操作人员提供，从而可控式救捞装置的动力是与救捞环境、救捞场所和操作人员相关的，并不能给出一个具有确定规律的动力设计，要视现场条件以及操作人员而确定。第第 7 章章 机构建模与机构建模与 VR 展示展示7.17.1 机

44、构建模机构建模7.1.17.1.1 建模工具的选择建模工具的选择PTC 公司的 Pro/ENGINEER 经过 10 余年的发展，已经成为三维建模软件的领头羊。PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER 还提供了目 2 / 39前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。我们选用 Pro/E 进行建模，一来可以体验 Pro/E 强大的功能，还能够训练我们的软件应用能力。7.1.27.1.2 各部件的建模各部件的建模圆盘建模：利用拉伸工具和孔特征建立托爪座的圆盘模型，如图 6-1 所示。图

45、7-1 圆盘模型图 托爪建模：利用扫描工具、拉伸工具和孔特征等命令建立托爪的各个杆件，如图 7-27-5 所示。 3 / 39图 7-2 托爪立杆模型图 图 7-3 托爪支撑杆 1 模型图 图 7-4 托爪支撑杆 2 模型图图 7-5 托爪横杆模型图7.1.37.1.3 机构的装配机构的装配在完成了高位自卸汽车的各个零件的建模之后，接下来我们对各个机构进行装配，托爪座圆盘与托爪横杆之间定义为圆柱连接，各个杆件之间定义为销钉连接，可自由转动，最后添加材质以及进行渲染。装配之后的可控式救捞装置如 7-6 所示。 4 / 39图 7-6 可控式救捞装置渲染图7.27.2 VR 展示展示7.2.17.

46、2.1VRML 简介简介VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言 ，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的 三维世界的场景 建模语言，具有平台无关性。是目前 Internet 上基于 的三维互动制作的主流语言 ，本质上是一种面向 web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML 浏览器既是插件，又是帮助应用程序，还是独立运行的应用程序，它是传统的虚拟现实中同样也使用的实时 3D 着色引擎。这使得 VRML 应用从三维建模和动画应用中分离出来，在三维建模和动画应用中可以预先对前方场景进行着色，但是没有选择方向的自由。V

47、RML 提供了 6+1 度的自由，用户可以沿着三个方向移动，也可以沿着三个方向旋转，同时还可以建立与其它 3D 空间的超。因此 VRML 是超空间的。7.2.27.2.2 VR 展示展示由于我们所设计的可控式救捞装置与救捞环境密切相关，模拟现实中的救捞环境存在很大困难，但是为了更好地展示装置的工作过程，我们选择VRML 来进行可控式救捞装置的虚拟展示。为了增加虚拟展示的互动性，加强人机交互，我们利用 5 / 39VRML Pad 进行编程，编译 Anchor 节点和 HUD 节点（见附件程序 2） ，实现各工作状态间的跳转。经过编译与调试，我们建立了各工作状态的虚拟（VR）场景，增加按钮，可实

48、现各状态间的跳转。至此，可控式救捞装置的VR 展示如图 7-76-10 所示。图 7-7 可控式救捞装置初始状态图图 7-8 装置到达打捞物下方 6 / 39图 7-9 托爪开始动作图 7-10 托爪到达工作位置向上进行打捞 7 / 39结束语结束语经过将近一个学期的努力，从“可控式救捞装置”项目方案的提出，到托爪机构以及零部件的设计、校核，再到可控式救捞装置的运动分析、动力设计以及仿真和 VR 展示，我们小组经过一次又一次的讨论研究和分析比较，可控式救捞装置的设计已基本完成，这凝聚了我们小组两位成员的心血和汗水。我们从目前社会上经常发生的不慎坠井、卡在楼体夹缝等突发事故而救援不及的现象出发，

49、结合所学的机械原理和机构学知识，提出了开发“可控式救捞装置”的设想，并进行立项。经过最初的讨论研究，我们小组提出了整体设计方案，接着从 4 种托爪设计方案种选择三杆式托爪和死点式托爪进行设计、研究，巧妙利用机构学原理，尤其是死点式托爪，在后期工作中，我们利用机械原理课程中所学知识，对两种托爪机构进行了科学的尺寸设计、运动分析和动力设计，完成了可控式救捞装置的最终方案设计。最后，我们利用 Pro/E、ADMAS 对简化托爪进行了模拟仿真，并利用 VRML 对死点式托爪进行了虚拟展示，取得了一些成果。通过这次机械综合设计，我们发现了很多问题，看到了自身不足，同时也收获了很多东西。1.通过这次综合设

50、计，我们发现自身对机械原理理论知识的学习存在一定的误区，尤其在做针对实际工程需要的设计不能将理论与实践融会贯通，不能灵活运用现有的知识，解决我们在设计过程中遇到的问题。2.在托爪机构的设计方案的确定过程中，我们不能综合运用现有知识，从各方面去分析方案的优缺点，确定最合适的设计方案。但是，经过这次综合训练，我们的思维得到了很好的锻炼，通过在设计中查阅不同课程、不同学科的资料，工程意识也得到了很好的培养。3.通过这次机械综合设计，我们的创新能力有所提高，更增加了创造的激情，总是希望不断的改进，追求完美。在这次综合设计中，我们还初步熟悉了机械设计的基本过程，积累了初步的设计经验。4.在这次机械综合设

51、计中，我们不仅用到了机械原理和机构学中的知识，也用到了各种软件，如 Matlab、Pro/E、ADAMS 等，还利用虚拟现实建模语言进行了VR 展示，这让我们明白机械综合设计要注重多学科的交叉，多学科交叉也是今后机械设计的一个趋势。 8 / 395.最后，通过本次课程设计，我们认识到了团队合作精神的重要，在这次设计中，我们组合理分配任务，并互相帮助，相互协作，共同合作把团队任务做好。同时在这个过程中，我们也体会到了共同努力、追求创新的乐趣，体会到团队的重要性。最后，我们要感进老师，是他的支持和指导，是他给了我们莫大的支持和帮助，并感进老师严格要求，对我们的中期报告给予指导，并提出宝贵建议，这才能让我们圆满完成这次机械综合设计。此外，我们还要感给我们的设计方案提出很多建议的廖小龙同学和占贵同学，使我们的设计方案更加合理实用。真诚地感帮助我们的老师和同学们，这里就不一一致，大家！ 9 / 39参考文献参考文献1 进 万朝燕 杜立杰.机械原理. ：高等教育，2004.；2 策.机械原理与机械