曲柄连杆毕业设计

1、珂南工业职业技术学院HenanPo!yteohnicHenanPo!yteohnicInstitute毕业设计（论文）题 目：基于UG曲柄滑块机构参数化设计及其运动学仿 真班 级：指导教师：基于UG的曲柄滑块机构参数化设计的运动学仿真摘要随着计算机技术的飞速发展，CAD已经广泛应用于零件设计和制造中，但 一般的CAD软件都具有广而博的通用性，难以满足各类具体产品设计的需要， 所以以通用CAD软件为基础，根据本单位的实际，进行不同程度的开发成为产 品现代设计的重要内容。连杆作为各种机械传动设备中的重要装置，具有压强小，磨损轻，易于加工 和保证加工精度，以及能有本身几何形状保证运动副封闭等优点，有

2、着非常广泛 的应用前景。但其较难准确的实现任意预期运动规律，设计计算亦较繁复。为了 提高设计效率，增加竞争优势，实现曲柄滑块机构的运动的精确建模显得尤为重 要。文运用三维实体造型软件UG，实现了曲柄连杆机构参数化精确建模。文中 系统地研究了运用UG软件方程输入的方式建立曲柄滑块机构的三维参数化模 型的过程。由于参数化曲柄连杆模型可按照驱动参数的变化发生相应改变，所以 利用此模型进行曲柄连杆的重复性工作，从而极大地提高了分析效率，降低了成 本关键词：曲柄连杆UG参数化Imitate according to sport of the UG crank slippery piece oforgan

3、ization reallyAbstractBecause the calculator technique flies soon a development, CAD already extensively applied in the spare parts design and the manufacturing, but general of the CAD softwares all have wide but the in general use of the Bo, and is hard to satisfy each kind of demand that the concr

4、ete product designs, so take in general use CAD software as foundation, according to this unit of actual, carry on the important contents that the development of different degree becomes a product modern design.Connecting the pole is various machine to spread the important device in the equipments,

5、have to press strong small, wear away lightly, be easy to process and promise to process accuracy, and can have oneself several the shape promise sport pair closes to wait an advantage and have very extensive of applied prospect.But it more difficult accurate realization arbitrarily expectation spor

6、t regulation, design to compute as well more complicated.For raising a design efficiency, increase competitive advantage, carry out the accurate model of sport that the crank slips piece organization to seem to be is importanceThe text makes use of 3D entity shape software UG and carried out crank t

7、o connect pole organization parameter to turn an accurate model.Systematically studied the 3D parameter that the way establishment crank of the usage UG software equation importation slips piece organization to turn the process of model in the text.Because the parameter turns crank to connect pole m

8、odel can according to driving the variety occurrence of parameter to correspond a change, so make use of this model to carry on the repeated that the crank connects a pole to work, thus and biggest raised an analytical efficiency, lowered cost.Keyword: The crank connects the pole UG parameter to tur

9、n目录第一章绪论1.1研究背景1.2研究目的及意义1.3连杆机构的应用及基本问题1.4论文主要研究内容1.5软件介绍第二章机构的结构分析2.1概述2.2机构的组成2.2.1构件2.2.2运动副2.2.3机构2.3运动副的分类2.4机构的自由度2.5机构运动分析的目的和方法第三张曲柄滑块参数化设计及其运动学仿真3.1工作原理3.2零件造型3.2.1机架3.2.2曲柄3.2.3连杆3.2.4滑块3.3装配3.4仿真3.4.1添加运动副3.4.2添加工作阻力3.4.3添加运动3.4.4运动规律仿真第四章总结与展望绪论1.1研究背景20世纪70年代以来，一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改革浪

10、潮席卷了全世界，它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代，而且几乎影 响到全部技术领域，冲击着传统的工作模式。CAD技术经历了曲面造型技术、 实体造型技术和参数化技术三代飞跃式发展已经、并将进一步给人类带来巨大的 影响和利益。连杆机构是由若干构件以低副连接而成的机构，也成平面低副机构。其主要 特点是：由于低副为面接触，压强低，磨损量小，而且构成运动副的表面是圆柱 面或平面，制造方便，容易获得较高精度，广泛应用于机械、船舶、航空、电力 领域。随着大批优秀的三维CAD软件纷纷涌现，一般机械零件的三维设计对普 通工程师来说已经不再是困难的工作。但是一般设计者在CAD中很难精确造型， 继而影响到后续

11、的运动仿真和数控加工的操作。CAD参数化设计的理念正是解 决这一问题的有效途径。计算机辅助设计的广泛应用以及计算机硬件和软件技术 水平的迅速提高，为参数化设计提供了一个良好的基础。参数化实体造型技术大 大提高了模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD 系统开发方面都具有较大的应用价值。1.2研究目的及意义在机构设计中，有时需要构件上某点实现给定的运动轨迹，对这类问题，目 前一般是根据轨迹坐标求解非线性方程组，但这种方法能够实现的精确位置点数 目有限，并且非线性方程组的求解也比较麻烦，往往得不到收敛的解。以前也有 学者通过实验的方法，做出四杆机构模型。绘制出不同杆长组合时连

12、杆上点的轨 迹曲线，绘制成图册查找相似的轨迹曲线。本章建立四杆机构模型，仿真后可以显示机构上任意构件、任意点的轨迹曲 线，改变各杆长度后，可以很方便地得到另外的一组轨迹曲线，通过与需要的运 动轨迹比较，可以从中选出十分相似的曲线，这样，做出相同长度比列的四杆机 构，就可以得到需要的机构。并且，还可以得到线位移、角位移、速度、加速度 等运动参数，可以采用轨迹、曲线、Microsoft Excel格式的数据文件等多种方法 输出和显示结果。1.3连杆机构的应用及基本问题连杆机构中的各构件一般是用低副相连接的，故又称低副结构。这类机构常 应用于各种动力机械、重型机械、轻工机械、机床、仪表和军事工业中，

13、如活塞 式发动机、抽水机和空气压缩机中的曲柄滑块结构，牛头刨床和回转式油泵中的 导杆机构，起重运输机和示功器中的直线导路机构，精密机械应变仪中的铰链四 杆机构，工程机械和包装机械中的执行机构以及各种印刷机械和纺织机械中的连 杆机构等都是。连杆机构之所以能广泛地应用于各种机械和仪器，是由于低副压强小，磨 损轻、易于加工和保证加工精度，以及能由本身几何形状保证运动副封闭等优点。连杆机构与凸轮机构相比，较难准确地实现任意预期的运动规律，设计计 算易较繁复。但随着近似计算方法和电子数字计算机的使用，能在一定精度范围 内近似地实现预期的运动规律，故其应用范围也在逐渐扩大。连杆机构运动设计的基本问题，就是

14、根据对从动杆所要求的运动条件和几 何条件决定机构运动简图的参数。但可以归纳为以下两类基本问题：1）实现已知运动规律问题：当主动杆运动规律一定时，要求从动杆准确地 或近似地按给定运动规律运动。2）实现已知轨迹的问题：要求机构中作复杂运动的构件上某一点准确地或 近似地沿给定轨迹运动。1.4论文主要研究内容本文利用大型软件UGNX5.0的二次开发技术来实现曲柄连杆的三维参数化 造型，进行曲柄滑块机构的造型与模拟仿真，介绍如何模拟滑块往复运动，添加 工作阻力，分析滑块的位移、速度、加速度等。1.5软件介绍CAD概念是50年代末有麻省理工学院首次明确提出的，60年代研制成功试 验CAD系统、70年代CA

15、D开始实用化，从二维的电路设计发展到三维的飞机、 造船、汽车等设计。80年代，由于解决了三维几何造型等问题，应用范围不断 扩大，大中型系统向微型化发展，出现了应用极广的微机CAD系统和性能优良的 工作站CAD系统。90年代后随着CAD技术的发展，其系统性能提高，价格降低， CAD开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计工具。目前采用CAD进行3D设计已达到了 70%89%，Pro/E、UG、Catia，I-Deas 等软件的应用很普通。应用这些软件可完成3D设计，还可以进行转配干涉的检 查，保证设计和工艺的合理性。近几年来国内外先进工业国家对CAD/CAM技术的 开发非常重视，在其开发上投入

16、了很大的人力和物力。目前国际上流行的三维 CAD软件如下：UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM 一体化高端软件，它基于 完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品 模型，再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、 CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢，直到进入21世纪以来，我国 的计算机行业有了突飞猛进的发展，正是因为这样，我国的CAD技术才有了进一 步发展的空间。在现代制造业舞台上，生产效率、成本、规划管理无不和生产技 术相关，因此，CAD技术的开发直接关系到产品的设计

17、、生产、维修等工作的速 度和效率，显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段，一般采用二维制图和三维 造型。尤其是三维造型，以其直观、能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势 在现代工程设备的设计方面有着绝对的优势。UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM 一体化高端软件，它基于完全的三 维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再 加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、CAE和 CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。第二章机构的结构分析2.1概述本课程对机械的研究主要有两个方面：一方面是对已有机械的分析问题，包 括结构分析，运动

18、分析和动力分析。通过分析，掌握机械的运动特性和动力性能， 以便合理有效地使用它们，或对改进设计提供依据；另一方面是新机械的设计问 题，即根据运动和动力方面的要求拟定机械的传动方案。包括选用何种形式的机 构，机构的组成情况如何，机构各部分的尺寸关系如何，各部分机构之间的运动 如何协调配合等，而最基本的要求是实现机械预期的确定的运动。机构结构分析的主要内容包括：1）研究机构的组成及其具有确定运动的条件。及了解机构是怎样组成的， 机构的结构情况对其运动有何影响，以及机构在什么条件下才能具有确定的运动 等。2）研究机构的组成理论。即研究在要求具有确定运动的前提下组成机构的 途径和机构的可能型式。3）研

19、究机构运动简图的绘制。即研究如何用简单的图形把机构的结构和运 动状态表示出来。2.2机构的组成2.2.1构件任何机械都是由若干零件组成的。但是，从研究机械运动的观点来看，并不 是所有的零件都独立地影响着机械的运动，而往往是由于结构上和工艺上的需 要，把几个零件刚性地连结在一起，使他们作为一个整体而运动。这些刚性地联 接在一起的各个零件之间，不能产生任何相对运动，也就是说，它们构成了一个 运动的单元体。机械中每一个运动单元体就称为一个构件（简称为“杆”）。从运动的观点分析机械时，构件是组成机械的基本单元体。它可以是由若干 个零件刚性地联结在一起组成，也可以是一个独立运动的零件。而零件是从制造 的

20、观点来分析机械时。组成机械的每一个单独加工的单元体。2.2.2运动副机械中的所有构件都应具有确定的运动，而不能随意乱动。为了满足这个要 求，必须对各构件的运动加以约束。这种约束，是由构件之间的相互联结引入的。机械中的每一个构件，至少必须与另一个构件相连接，但这种联接不应使它 们成为一个运动单元体，而应保证它们之间仍能产生某些相对运动。有两个构建 构成的这种仍能产生某些相对运动的联接称为运动副。两构建构成运动副，不外乎是通过点、线或面得接触来实现。两构件通过点 或线接触而构成的运动副称为高副；两构件通过面接触而构成的运动副统称为低 副。两构件上能够参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。2.2

21、.3 机构在运动链中，如果以其某一构件作为参考坐标系，而且当其另一构件或少数 几个构件按给定的运动规律运动时，其余所有构件都将得到确定的运动，那么， 这个运动链便成为一个机构。机构中作为参考坐标系的构件称为机架。一般情况下，机械安装在地面上， 那么机架相对于地面是固定不动的。如果机械是安装在运动的物体（如车、船、 飞机等）上，那么机架相对于该运动物体是固定不动的，而相对于地面则是运动 的。机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件，在一般情况下，主动件也常 是驱动机构运动的外力所作用的构件，及原动件。而其余的运动构件则称为从动 件。在主动件按已知运动规律运动时，从动件都将做完全确定的运动。通过以

22、上分析可见，机构是由若干构件通过运动副的联接而构成的，而且其 构件之间具有完全确定的相对运动。根据组成机构的各构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，可以把机构 分为平面机构和空间机构两类。在各种实际机械中常用的机构大多数是平面结 构。2.3运动副的分类两构件构成运动副后，它们之间的相对运动将受到约束，从而使它们之间只 能产生某些相对运动。至于两构件构成运动副后尚能产生哪些相对运动，则于它 们所构成的运动副的性质有关，亦即与运动副所引入的约束有关。一个构件在尚未与其他构件构成运动副之前，在空间可以产生六个独立的运 动（即沿X、Y及Z轴的三个移动和绕X、Y及Z轴的三个转动），即具有六个自 由度。

23、要确定这个构件在空间的位置，就需要给定六个独立的运动参数。当该构 件与其他构件构成运动副后，由于两构件之间互相接触，其某些独立运动将因受 到运动副的约束而消失，因此其自由度将减少。而且减少的数目应等于约束的数 目。有因两构件构成运动副后，仍需保证能产生一定的相对运动，故运动副引入 的约束的数目最多为五个，而剩下的自由度最少为一个。根据运动副所具有的自由度（或引入的约束）的数目，可把运动副分为五类 （或五级）。具有一个自由度（或引入五个约束）的运动副称为1类副（或V级 副），如转动副（或称为回转副x移动副及螺旋副。具有两个自由度的运动副称 为2类副（或IV级副），如圆柱副、球销副及平面高副。以此

24、类推，尚有3类副 （或III级副），如球面副及平面副；4类副（或II级副），如球与圆柱副；5 类副（或I级副），如球与平面副等。根据构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，也可以把 运动副分为平面运动副和空间运动服两大类。上述运动副只有转动副、移动副及 平面高副可以作为平面运动副。2.4机构的自由度如前所述，在运动链中，若以某一构件作为机架，而当其另一个（或几个） 构件按规定的运动规律运动时，其余各构件都得到确定的运动，则这样的运动链 便成为机构。显然，不能运动或无规则乱动的运动链都不是机构。现在分析运动链成为机构的条件。机构具有确定运动时，所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为

25、使机构的 位置确定，必须给定的独立的广义坐标数目）称为机构的自由度。又如前所示， 按照给定运动规律而独立运动的构件称为原（主）动件。而通常机构的主（原） 动件都是和机架相连且一般只能给定一个独立的运动参数（例如，电动机的转子 只有一个转动而内燃机、液压缸和气压缸的活塞只有一个移动），即只有一个自 由度。所以，在此情况下，为了使运动链成为机构，除了需要一作为机架的构件 外，显然机构的自由度必须大于零。且应使其主（原）动件的数目等于其自由度 的数目。这就是运动件成为机构的必要条件。下面讨论机构自由度的计算方法。如前所述，一个构件在尚未与其他构件构 成运动副之前，他在空间具有6个自由度。设某一机构共

26、有n个运动构件（因为 以机架作为参考系坐标，所以机架不计算在内），那么，在这些构件未通过运动 副连接起来之前，它们应共有6n个自由度，既能产生6n个独立运动，也即确定 它们的位置需给定6n个独立的运动参数。但是，在机构中，每一构件必须与其 他构件相连接而构成运动副，而当两构件构成运动副以后，它们的运动就受到约 束，因此它们的自由度也随之减少，至于自由度减少的数目，则因运动副的性质 不同而不同，并且应等于运动副引入的约束的数目。现设该机构中共有Pi个I 级副，p2个II级副，P3个III级副，p4个IV级副和p5个V级副，则各运动副引 入的约束总数（亦 即各构件构成运动副后机构自由度减少的数目）

27、应为（p1+2p2+3p3+4p4+5p5）,于是，该机构实际剩下的自由度（设以表示）应为ro=6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1这就是一般空间机构的自由度的计算公式。2.5机构运动分析的目的和方法在使用和设计机械时，往往需要进行机构的运动分析。所谓机构的运动分析， 一般是撇开力的作用，只从几何上来分析机构的位移（包括轨迹）、速度、加速 度等运动情况。在分析中，一般均假定主动件作等速运动。通过位移（包括轨迹）的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断他 们运动时是否相互碰撞，可以确定机构中从动件运动的行程，可以考擦某构件或 其上某点能否实现预定的位置变化要求。通过速度分析，可以确定机

28、构中从动件的速度变化是否合乎工作要求。例如 牛头刨床中，刨刀在工作行程中的速度，若接近等速，就对加工质量和道具有利， 而刨刀空回的快，又有利于提高生产效率。当然，速度分析还对进一步做机构的 加速度数据。再告诉机械中，动强度问题、振动问题以及机械的动力性能，都与 惯性力有关。因此，对告诉机械，加速度分析不应忽略。应用电子计算机进行机构的优化设计时，也要引进一些有关机构运动分析的 子程序，让计算机对各种机构方案，从运动上进行分析比较，从中选优。第三章曲柄滑块参数化设计及其运动学仿真3.曲柄滑块机构运动仿真3.1工作原理曲柄滑块机构简图如图4.1所示。该机构为对心曲柄滑块机构，曲柄AB顺 时针旋转，

29、经过连杆BC带动滑块在机架AC上往复移动，如果曲柄沿图示转动方 向以1转动，则在滑块移动的反方向添加工作阻力P。图3.13.2零件造型机架绘制机架草图，尺寸如图4.2所示，退出草图，拉伸，厚度为7mm，在棱边 倾斜角C0.5。然后添加草图（图4.3），拉伸贯穿切除，得到机架，如图4.4所 示。图3.4曲柄曲柄尺寸如图3.5所示，退出草图，拉伸，厚度为3mm。根据机架尺寸拉伸 曲柄厚度为3mm,如图3.6所示。图3.5图3.6连杆选择【文件】/【另存为】，把曲柄文件qubing”另外以“liangan保存， 将其长度加长图3.7,得到连杆。然后拉伸为3mm。图3.73.2.4.滑块在特征工具条上

30、选择图3.73.2.4.滑块在特征工具条上选择输入数值（图3.8），得到一长方体。在长方体20X25表面中心处做一直径为5mm的贯穿孔，如图4.9所示。图3.8图3.9图3.8图3.93.3装配选择【文件】新建，建立一个新模型文件，以文件名“zhuangpeiti”保存 该文件。在开始菜单中选择【装配】打开装配模块，如图3.10所示。下面开始 装配。1选择【插入】【组件】【添加组件】，插入机架和曲柄。选择进行【配 对】装配，如图3.11所示；选择进行【中心】装配，如图3.12所示。_ 4 - = I_ 4 - = Irt 镀全归)m + ,i+w夕卜观造型畏id CT) . . . Ctrl+

31、Alr+5 制四 CR+s-hi F4+ri高钗仿真0 .力口 工近.CLr 1 I Al L I M基不环登但_1装配亿APMT所育应用模块图 3.10图 3.11图 3.12图 3.11图 3.12进行【中心】进行【中心】2选择【插入】【组件】【添加组件】，插入连杆。选择配对，如图3.13所示；选择 1进行【对齐】装配，如图3.14所示。图 3.13图 3.13使滑块与连杆使滑块与连杆图 3.14进行【中心】装配，如图3.15所示。图3.16为图整体效果。进行【中心】装配，如图3.15所示。图3.16为图整体效果。图 3.15图 3.163.4仿真在【开始】菜单中选择【运动仿真】，打开仿真

32、模块。右击【运动导航器】 上装配文件名，选择【新建仿真】如图3.17所示。在弹出的【环境】对话框中 选择【动力学】，单击【确定】按钮（图3.18），在弹出的【机构运动副向导】 对话框（图3.19）中单击【确定】按钮，把装配图中的构件自动转换成连杆，装配关系映射成仿真模块里的运动副。图 3.17图 3.18在弹出的【主模型到仿真的配对条件转换】（图3.20）中选择【是（Y）】， 本例把机架连杆接地。也可以选择【否（N）】，在后面补充把机架设置为固定连 杆。翅质龄质我LIAiGAN-XilBiNGHUAKU.M1-IIA5GANMATFOOiMAfFbb2(Revoiuej翅质龄质我LIAiGAN

33、-XilBiNGHUAKU.M1-IIA5GANMATFOOiMAfFbb2(RevoiuejMAPP003 (Revolve)转至激活状态图 3.19主模型到仿真的配对条伴转换当前暧有庠杆在机构中接地想要通过向连杆附加一个固定运疑副来使JUIA连杆接地吗W图 3.203.4.1添加运动副选择【运动导航器】/joints中的每个运动副，与图中情况加一对照，由于 这些运动副是自动转化得到的，因此，很多不正确，建议把这些运动副全部删除， 从新一个一个的添加。1.旋转副选择【插入】/【运动副】，给机架和曲柄之间加上一个旋转副，如图3.21 示。第一个连杆选择机架孔的圆周，这样就完成了 “选择连杆”、

34、“指定圆心”、 “指定方位”（圆周在平面的发现）三个步骤。此时，相应得步骤名称前将出现 绿色的号。然后，在【运动副】面板上选择【第二个连杆】/【选择连杆】，用 鼠标选择曲柄（图3.22），单击【应用】按钮，完成一个旋转副的添加。反向擦动类型*选祥近杆（）*指走原点CQ*指定力位00）垣动副反向擦动类型*选祥近杆（）*指走原点CQ*指定力位00）垣动副隅推常副第个隹打图 3.21图 3.22同样的将曲柄与连杆、连杆与滑块用旋转副连接。2.滑动副滑块与机架用滑动副相连接。选择【插入】/【运动副】，给滑块与机架之间加上一个滑动副，如图3.23 所示第一个连杆选择滑块的一个棱边，这样就完成了 “选择连

35、杆” “指定圆心”、 “指定方位”（滑块棱边方向）三个步骤，此时，相应的步骤名称前将出现绿色 的号。然后，在【运动副】面板上选择【第二个连杆】/【选择连杆】，用鼠标 选择机架（图3.24），单击【应用】按钮就完成了滑动副添加。图 3.23图 3.24图 3.243.4. 2添加工作阻力右击【运动导航器】上仿真项目motion-1,选择【新建载荷】/【标量力】，在弹出的【标量力】对话框中选择函数管理器，如图3.25所示。选择昌新建 一个函数（图3.26）,在函数一栏中输入数值200,给定一个恒定的力。图 3.25图 3.25图 3.26分别用鼠标选择滑块和滑块上一点（图3.27）,然后单击图4.

36、27中“选择 步骤”中的“第二原点”，在滑块上选择另外一点（图3.28），以确定标量力终 点方向。单击【确定】按钮，就得到了所要添加的工作阻力F001，如图3.29所 示。图 3.277T -F.图 3.283.4. 3添加运动右击机架与曲柄的旋转副J002，选择【编辑】，在【驱动类型】中选择【恒 定】，在【初速度】上填写曲柄转速，如图3.30所示。图 3.303.4.4运动规律仿真右击【运动导航器】上仿真项目motion-1 （图3.31）,选择【新建计算方案】， 在弹出的【解算方案】对话框中（图3.32），【时间】设置为1，【步数】设置为 300，单击确定。右击【运动导航器】上新建立的解算方案S