曲柄(导杆)滑块机构设计分析（毕业论文）.doc

南昌航空大学科技学院学丄学位论文目 录1引言1.1选题的依据及意义 (1)1.2国内外研究概况及发展趋势 (2)1.3论文主要工作 (3)2 曲柄(导杆)滑块机构简介 (4)3曲柄(导杆)滑块机构的运动学分析3. 1曲柄导杆滑块机构的运动分析 (5)3. 1. 1机构装配的条件 (6)3. 1.2建立数学模型 (6)3. 1. 3计算机辅助分析及其程序设计 (9)3. 2曲柄滑块机构的运动分析3.2.1机构装配的条件 (25)3.2.2建立数学模型 (25)3. 2. 3计算机辅助分析及其程序设计 (27)4曲柄(导杆)滑块机构实验台装置设计4. 1实验台结构 (40)4.2实验台硬件操作说明 (41)4. 3用SolidWorks 2006实现实验台的立体图形 (42)总 结 (46)参考文献 (47)致 谢 (48)1引言1. 1选题的依据及意义1. 曲柄（导杆）滑块机构定义曲柄滑块机构是较链四杆机构的演化形式，由若干刚性构件用低副（回转副、移动 副）联接而成的一种机构是由曲柄（或曲轴、偏心轮）、连杆、滑块通过移动副和转 动副组成的机构2. 曲柄（导杆）滑块机构的特性及应用常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动；或者将滑块的往复直线运 动转换为曲柄的回转运动。

对曲柄滑块机构进行运动特性分析是当己知各构件尺寸参 数、位置参数和原动件运动规律时,研究机构其余构件上各点的轨迹、位移、速度、 加速度等，从而评价机构是否满足工作性能要求,机构是否发生运动干涉等曲柄滑块 机构具有运动副为低副，各元件间为面接触，构成低副两元件的几何形状比较简单，加 工方便，易于得到较高的制造精度等优点，因而在包括煤矿机械在内的齐类机械中得 到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等3. 传动特点曲柄（导杆）滑块机构具有以下一些传动特点：（1） 曲柄（导杆）滑块机构中的运动副一般均为低副低副两运动副元素为面接触, 压强较小，故可承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元 素的几何形状较简单，便于加工制造2） 在曲柄（导杆）滑块机构中，当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相 对长度来使从动件得到不同的运动规律3） 在曲柄（导杆）滑块机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，其形 状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式多的连杆曲线，我 们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求4） 此外，曲柄（导杆）滑块机构还可以很方便地用来达到増力、扩大行程和实现 远距离传动等目的。

5） 另外，虽然可以利用连杆来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设 计却是十分困难的，且一般只能近似地得以满足正因为如此，所以如何根据 最优化方法来设计连杆机构，使其能最佳地满足设计要求，一直是连杆机构研 究的一个重要课题4. 曲柄（导杆）滑块机构的研究意义平而曲柄（导杆）滑块机构是一种常用的机构，有着广泛的应用对这个问题做 出深入的研究是有意义的对于给定对应位移的平而曲柄一滑块机构进行综合，通 常采用位置矩阵法和图解法利用位移矩阵法求解，需要求解非线性方程组不仅要 给出迭代初值，而且只能求出一个解利用几何法作图法对于给定曲柄和滑块两对、 三对对应位置关系设计曲柄一滑块机构的问题，可以十分简单地加以解决而对于 复杂的问题，如要求曲柄和滑块实现四对五对对应位置，这时用作图法是难以实现的 在研究用曲柄一滑块机构的相对极与曲柄转角及滑块位移的基础上，采用计算机符 号推导，能导出了平面曲柄一滑块机构综合问题的一元三次方程从而不给初值就 可以求出问题的全部解连续法则通过构造初始方程，采用二次齐化技术求出了全部 解研究该机构的方法众多，不同的方法其侧重点不一样但是都具有很大的研究意义1. 2国内外研究概况及发展趋势1•曲柄（导杆）滑块机构设计的基本问题曲柄（导杆）滑块机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式，确定 各构件的尺寸，同时还要满足结构设计（如要求存在曲柄、杆长比恰当等），动力条 件（如适当的传动角等）和运动连续条件等。

根据机械的用途和性能要求的不同，对曲柄滑块机构设计的要求是多种多样的， 但这些设计要求可归纳为以下三类问题：（1） 满足预定的运动规律要求 如要求连架杆的转角能够满足预定的对应位置关系; 或要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能够准确地或近似地满足预定的运动 规律要求2） 满足预定的滑块位置要求 即要求连杆能占据一系列的预定位置因这类设计 问题要求机构能引导连杆按一定方位通过预定位置，故又成为刚体引导问题3） 满足预定的轨迹要求即要求在机构运动过程中，连杆上某些点的轨迹能符合 预定的轨迹要求曲柄（导杆）滑块机构的设计方法有解析法、作图法、和实验法2. 研究概况近年来对平而曲柄（导杆）滑块机构的研究，不论从研究范上还是方法上豆油很 大进展已不再局限于单自由度机构的研究，也已经注意到对多自由度平而机构的研 究，并已提出了一些有关这类机构的分析及综合的方法在设计要求上已不再局限于 运动学要求，而是同时兼顾机构的动力学特性，特别是对于高速机械，考虑构件弹性 变形的运动弹性动力学也得到很快的发展在研究方法上，优化方法和计算机辅助设 计的应用已成为研究曲柄滑块机构的重要方法，并已相应地编制出大量的，适用范围 广、计算机时少、使用方便的通用软件。

随着计算机技术的发展和现代数学工具的日 益完善，以前不容易解决的复杂平而曲柄滑块机构的设计问题，正在逐步得到解决 曲柄（导杆）滑块机构是齐种机器装置中一种常用的传动机构•然而，机构的运动学性 能分析比较困难,难以在机构设计完成Z后准确判定其性能•借助于功能强大的分析仿 真软件MAT3B,可以方便的实现机构性能分析和动态仿真，降低分析的难度，有效提高 设计工作效率、产品开发质量，降低开发成本.3. 发展趋势为适应生产发展的需要，当前在自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性 机构和机电光液综合机构等的研制声有很大进展在机械的分析与综合中，也由只考 虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能；考虑到机械在运转时，构件的振动和弹性 变形，运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影响；以及如何对构件 和机械进一步作好动力平衡的问题等等在连杆机构方面重视了对空间连杆机构、多 杆多自由度机构、连杆机构的弹性动力学和连杆机构的动力平衡的研究，而其中就非 常重视对曲柄滑块机构的研究为了获得传动性能好的曲柄滑块机构，在曲柄（导杆） 滑块机构运动规律的开发、选择和组合上作了很多工作此外，为了适应现代机械高 速度、快节拍、优性能的需要，还发展了高速高定位精度的分度机构，具有优良的综 合性能的组合机构，以及各种机构的变异和组合等等。

1. 3论文主要工作1. 研究内容本课题是通过使用VB软件对曲柄（导杆）滑块机构进行软件设计，该软件可对 曲柄滑块机构进行参数化设计，并进行运动分析，而且实验设备能满足不同运动参数 的耍求机构的运动参数直接反映了机器的工作性能机构的运动参数是指：位移、 速度、加速度三个参数通过位移分析，可以确定机构的外廓、某些构件运动所需的 空间，考察某构件位置的变化；通过速度分析，可以确定机构中从动件的速度变化规 律；通过加速度分析，可以确定机构各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速 度的变化规律，是计算惯性力进行动力分析、考察机构动力平衡、防止振动和噪声的 基础另外，本课题要求用Solidworks软件对曲柄（导杆）滑块机构的实验台进行设 计2. 实验方案（1） 曲柄导杆滑块机构1） 画出曲柄导杆滑块机构的运动简图2） 分析曲柄导杆滑块机构在本课题中机构进行装配的条件3） 根据己知参数对曲柄导杆滑块机构进行运动分析，解出各杆件的运动参数4） 结合机构运动简图设计出VB界而5） 结合机构装配条件和各运动参数之间的关系对机构进行主程序设计2） 曲柄滑块机构1） 画出曲柄滑块机构的运动简图2） 分析曲柄滑块机构在本课题中机构进行装配的条件。

3） 根据已知参数对曲柄滑块机构进行运动分析，解出各杆件的运动参数4） 结合机构运动简图设计出界面5） 结合机构装配条件和各运动参数之间的关系对机构进行主程序设计3） 实验台设计1） 测量实验台各零件的尺寸并记录下来2） 根据所测的数据用Solidworks画出零件图3） 组装齐零件，画出装配图2曲柄（导杆）滑块机构简介曲柄导杆滑块机构是由曲柄导杆机构和曲柄滑块机构合成的组合机构，其模型如 图2. 1所示在曲柄导杆滑块机构中，曲柄是原动件，滑块是从动件，通过导杆、 摇杆，曲柄的连续转动转变成滑块的往复移动，该组合机构仍具有曲柄导杆的急回特 性曲柄导杆滑块机构是一种常用的组合机构，如用于平面切削加工的牛头刨床、搓 削螺钉的螺钉搓床、回转式液压拨泵、插床等机器中都采用了这 种机构图2. 1曲柄导杆滑块机构模型 图2・2曲柄滑块机构模型曲柄导杆滑块机构还可以拆装成曲柄滑块机构，曲柄滑块机构可以认为是由曲柄 摇杆机构演化而来的，其模型如图2. 2所示当四杆机构中有一连架杆为曲柄，另 一连架杆相对机架作往复移动而成为滑块时，此四杆机构称为曲柄滑块机构若滑块 上的转动副中心轨迹线通过曲柄转动中心，则称为对心曲柄滑块机构。

若滑块上的转 动中心轨迹线偏离曲柄转动中心，则称为偏置曲柄滑块机构在曲柄滑块机构中，曲 柄是原动件，滑块是从动件，通过连杆，曲柄的连续转动转变成滑块的往复移动曲 柄滑块机构在工程中应用广泛，内燃机、往复式抽水机、空气压缩机及冲床等机器中 都应用了曲柄滑块机构其他机械上也常常应用曲柄滑块机构如小型收割及格中的切 割机构即可简化为曲柄滑块机构3曲柄（导杆）滑块机构的运动学分析机构运动分析的任务是在己知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中 其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度 上述这些内容，无论是设计新的机械，还是为了 了解现有机械的运动性能，都是十分 必要的，而且它还是研究机械动力性能的必要前提通过对机构的位移和轨迹分析，可以考察某构件能否实现预定的位置、构件上的 某点能否实现预定的轨迹要求，可以确定从动件的行程或所需的运动空间，据此判断 运动中是否发生碰撞干涉或确定机构的外廓尺寸通过速度和加速度分析可以了解机构从动件的速度、加速度变化规律能否满足工 作要求如在设计牛头刨床的导杆机构时，为了保证加工质量和延长刀具寿命，要求 刨刀在切削过程中接近于等速运动；而为了提高生产率，又要求刀具的空回行程具有 急回特性，为此就必须进行速度和加速度分析。

机械运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法当需要简捷直观地了解机构 的某个或某几个位置的运动特性吋，采用图解比较方便，而且精度也能满足实际问题 的要求而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采 用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能 绘出机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于 机构的优化设计随着计算机技术和数值方法的发展，不仅解析法运算冗繁的困难得 以解决，而且采用电算应用本毕业设计课题中，需要绘出机构从动件的运动线图， 所以选用解析法分析为宜3・1曲柄导杆滑块机构的运动分析曲柄导杆滑块机构运动学分析如图3. 1所示，已知各杆的长度厶、厶、人支架 高度差h滑块5导杆的偏心距C及原动件AB的角位移0和等角速度69,，分析构件 2、5的位移卩、*速度卩2、叫加速度2、色和构件3、4的角位移03、。