基于PROE的曲柄滑块机构的结构设计及运动仿真分析毕业论文

湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸装订线1湖北文理学院毕业设计论文正文题目基于PRO/E的曲柄滑块机构的结构设计及运动仿真分析专业机械设计制造及其自动化班级机制0812班姓名郑昌文学号08116251指导教师职称李梅副教授2011年5月25日湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸装订线2基于PRO/E的曲柄滑块机构的结构设计及运动仿真分析摘要曲柄滑块机构是用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构。曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。活塞式发动机以滑块为主动件，把往复移动转换为不整周或整周的回转运动；压缩机、冲床以曲柄为主动件，把整周转动转换为往复移动。偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性，锯床就是利用这一特性来达到锯条的慢进和空程急回的目的。关键词曲柄滑块机构设计回转往复急回湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸装订线3THESTRUCTURALDESIGNOFTHESLIDERCRANKMECHANISMANDMOTIONSIMULATIONANALYSISBASEDONPRO/EABSTRACTTHESLIDERCRANKMECHANISMISACRANKANDSLIDERTOROTATEANDMOVETHECONVERSIONBETWEENTHEPLANARLINKAGE,ALSOKNOWNASCRANKLINKAGETHESLIDERCRANKMECHANISMISWIDELYUSEDINTHERECIPROCATINGPISTONENGINES,COMPRESSORS,PRESSESANDOTHERINSTITUTIONSPISTONENGINESLIDERINITIATIVEPIECES,THERECIPROCATINGMOTIONISCONVERTEDTONOTWEEKSORROTARYMOVEMENTOFTHEWHOLEWEEKCOMPRESSORS,PRESSESCRANKDRIVINGPART,THEWHOLEWEEKROTATIONCONVERTEDTOMOVEBACKANDFORTHSLIDEROFFSETSLIDERCRANKMECHANISMWITHQUICKRETURNCHARACTERISTICSOFTHESAWINGMACHINEISTOUSETHISFEATURETOACHIEVETHEPURPOSEOFTHEQUICKRETURNOFTHESAWBLADESLOWLYINTOTHEEMPTYPROCESSKEYWORDSCRANKSLIDERINSTITUTIONSDESIGNROTATIONBACKANDFORTHQUICKRETURN湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸装订线4目录1绪论111课题提出的目的和意义112国内外的研究现状及发展趋势213运动仿真技术及国内外运动仿真技术现状和发展概况214主要研究内容、途径及技术路线315本章小结52曲柄滑块机构简介621曲柄滑块机构定义622曲柄滑块机构的特性及应用623曲柄滑块机构的分类624偏心轮机构简介725本章小结83曲柄滑块机构的动力学与运动学特性931曲柄滑块的动力学特性932曲柄滑块的运动学特性1033本章小结114曲柄滑块机构零件设计1241曲柄滑块机构总体分析1242曲柄滑块机构零件的三维造型1243本章小结175曲柄滑块机构的装配1851曲柄滑块机构的模型的创建步骤1852本章小结196曲柄滑块机构运动仿真2061运动机构仿真2062机构仿真2063本章小结22参考文献23致谢24湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸1装订线11绪论11课题提出的目的和意义当今任何一个国家，若其要在综合国力上取得优势地位，就必须在科学技术上取得优势。90年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大、加快，市场竞争日趋激烈。同时，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程等的设计提高到了一个新的高度，从而也迫切要求对产品设计的研究能有进一步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。正因如此，工业设计领域的研究逐渐受到了国内学者的关注。特别是近几年来，随着计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM、PRO/E软件应用的逐步深入，现代产品设计理论与方法的研究有了长足的进步。随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计工作在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。事实上，虽然开发中设计本身所花的费用仅占产品总成本的5左右，但新产品的开发费用中约有80取决于设计过程，因而产品的设计阶段己被视为提高整个生产效率的瓶颈，对于生产系统的整个生产率起着举足轻重的作用。因此，伴随着现代化工业的发展，计算机辅助设计也得到了迅速的发展和普及。而参数化技术是当前PRO/E技术需要的研究的领域之一。参数化设计一般是指设计对象的结构比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段。为了能够更直观、更全面地反映设计意图，可在计算机内部建立相应的三维实体模型。并且，在三维模型的基础上可以进行零件装配、干涉检查、有限元分析，运动分析等高级的计算机辅助设计工作。而PRO/ENGINEER是美国参数技术公司PTC研制的CAD/CAM软件，它具有以上强大功能，因此本课题具有很重要的实际研究意义。本课题设计的曲柄滑块机构正是运用PRO/E的独特造型设计功能来实现的。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸2装订线212国内外的研究现状及发展趋势90年代后随着CAD技术的发展，其系统性能提高，价格降低，PRO/E开始在设计领域全面普及，成为必不可少设计工具，PRO/E之所以在短短的时间内发展如此迅速，是因为它是人类在20世纪取得的重大科技成就之一，它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大的提高了产品开发的速度和精度。应用PRO/E技术进行产品设计，能使设计、生产维修工作快速成而高效地时行，所带来的经济效益是十分明显的。PRO/E技术的发展与应用水平己成为和衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。近几年来，随着计算机技术的飞速发展，PRO/E技术己经由发达国家向发展中国家扩展，而且发展的势头非常迅猛。因为当今世界工业产品的市场竞争，归根结底是设计手段和设计水平的竞争，发展中国家的工业产品要在世界市场占有一席之地，就必须采用PRO/E技术。我国PRO/E技术的研究和开发工作起步相对较晚，自80年代开始，CAD技术应用工作才逐步得到了开展，随后PRO/E也有了应用，国家逐步认识到开展PRO/E应用工程的必要性和可靠性，并在全国各个行业大力推广PRO/E技术，同时展开PRO/E技术的开发和研制工作。随着POR/E技术的不断研究，开发与广泛应用，对POR/E技术提出越来越高的要求，因此POR/E从本身技术的发展来看，其发展趋势是集成化、智能化、和标准化。也只有不断完善，创新才能在日益激烈的竞争中立于不败之地。13运动仿真技术及国内外运动仿真技术现状和发展概况运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸3装订线3换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。国外已经在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。在工程和矿山机械行业，如约翰迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇形现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程和矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正积极投身于该项技术的研究中。在传统上，我国引进物理样机，开发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。14主要研究内容、途径及技术路线本课题主要分析曲柄滑块机构的结构及工作原理，学习PRO/E三维造型软件的基本操作，特征造型方法及运动仿真等。具体研究内容有以下几点（1）对曲柄滑块机构本身的结构特点和性能进行研究。（2）对曲柄滑块机构各组成零件的三维模型进行设计。（3）在PRO/E环境中生成减速器的各主要零件的三维模型。（4）对曲柄滑块机构的方案进行优化设计。（5）对曲柄滑块机构的工作情况进行装配和运动仿真。主要研究途径和技术路线有1、查阅有关曲柄滑块机构的机械原理、PRO/E软件功能等与设计相关方面的资料，研究国内外相关的设计手册或书籍，在保证设计方案可行性的基础上，用PRO/E设计出减速器的结构并进行仿真。2、利用计算机三维造型软件对机构进行三维造型和运动仿真，及时发现问题，及时修改。实行边科研和边设计等，这样信息反馈快、修改及时、从而提高工作效率和经济湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸4装订线4效益。曲柄滑块机构的三维参数化设计系统结构上图概述了曲柄滑块机构的总体设计、结构设计、系统设计方法,系统设计方法,系统总体结构等。曲柄滑块构在PRO/E设计系统运行的流程图如下用户界面模块总体设计结构设计数据库模块用户界面生成数据PRO/E生成数据模型库块零件模型库装配关系模型应用程序模块图11曲柄滑块机构三维参数化设计系统湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸5装订线5图12在PRO/E设计系统运行的流程图15本章小结本章主要对曲柄滑块机构的用途及发展前景进行调查，并且对课题的研究目的和意义，及主要研究途径和技术路线进行了说明，通过对这些问题的分析和探讨,更加深入地了解课题，为论文的设计做好充足的准备。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸6装订线62曲柄滑块机构简介21曲柄滑块机构定义曲柄滑块机构是铰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。22曲柄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已知各构件尺寸参数、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各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。23曲柄滑块机构的分类根据结构特点，将其分成3大类对心曲柄滑块、偏置曲柄滑块、偏心轮机构图21对心曲柄滑块机构湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸7装订线7图22偏置曲柄滑块机构图23偏心轮机构24偏心轮机构简介当曲柄长度很小时，通常把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使得结构简化。因此偏心轮广泛应用于传力较大的剪床、冲床、鄂式破碎机、内燃机等机械中6。偏心轮机构可以实现复杂的非线性传动关系，且传动平稳，结构紧凑，动力平衡性好。将偏心轮与连杆等机构组合应用，可实现单纯用连杆机构难以得到的复杂的运动特性。是曲柄滑块机构是常用的机构型式。生产实际中，如在滑块往复行程中具有匀速运动段，并有急回特性，则一般将有利于生产质量和生产率的提高。冲压机的冲头滑块，如能以匀速冲压工件成形、，则有益于冲压件加工质量的提高牛头刨床的刨刀滑块，如能以匀速刨削工件，则无疑会改善工件表面的加工质量，并提高刨刀的切削寿命因切削刀均匀。但是，简单的对心曲柄滑块机构，当曲柄匀速回转时，其滑块是不具有急回特性和匀速运动段的即便采用六杆以上的连杆机构，一般也只能实现近似的匀速运动。现在采用偏心轮一曲柄滑块机构，则能以紧凑的机构型式实现上述运动特性7。在海上能源综合开发平台上，采用这种偏心轮机构，通过滑块联动液压缸，用于将海风端水平轴旋转的机械能转化成活塞往复运动的机械能，进而转化成液压能。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸8装订线8图24工作原理图图25立体效果图25本章小结本章主要对曲柄滑块机构的定义以及特性和应用加以叙述，并介绍了常见的几种曲柄滑块机构，着重介绍了偏心轮机构。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸9装订线93曲柄滑块机构的动力学与运动学特性31曲柄滑块的动力学特性图31立体效果图上图为曲柄滑块机构的受力分析示意图从曲柄R传到连杆L上的力PC与滑块发出的压力P之间，存在如下关系PPCCOS（31）曲柄颈A处，沿半径方向的力PR和PC的关系PRPCCOS（32）将上2式联立，可得到PRCOS/COSP（33）曲柄颈沿R方向承受与PR力大小相等的压力。曲柄颈沿圆周方向所受切线力PT与半径R的乘积，就是转矩T。TPTR（34）根据上图可知SINPPCT（35）将（1）、（4）式代入（5）式，则RPTCOS/SIN（36）从上式求出P。RTP/1SIN/COS（37）湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸10装订线10一般曲柄连杆机构L4R，所以，可将L看成比R大很多，即LR，这时，角趋近于零。则上式可以写成SIN/RTP（38）按平面几何圆部分的勾股定理，可以导出RRSRSSRR/2/SIN222，将上式代入，则得1/2/SRSTP8（39）32曲柄滑块的运动学特性图32取A点为坐标原点，X轴水平向右。在任意瞬时T，机构的位置如图。可以假设C点的矢径为RACABBC（310）C点的坐标为其矢径在坐标轴上的投影COSCOS3322RRX（311）SINSIN3322RRY（312）根据图形可知SINSINSIN22323/RR（313）所以SINSINCOS22212123（314）式中，RR32/是曲柄长与连杆长之比。将上式代入X的表达式中，并考虑到T2，就得到了滑块的运动方程湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸11装订线11TRRXTSIN1COS2223（315）若将此式对时间求导数，其运算较繁琐。在工程实际中，值通常不大（1/41/6），故可在上式中将根式展开成2的幂级数并略去4起的各项而作近似计算2COSTRXR31250501SINSIN4422TTCOS2RT50SIN2233TRR2COSTR21250COS23TR（316）22502501COSCOS223TTXRR（317）上式再对时间取导数，便可以得到速度和加速度的表达式250SINSIN2TTXR（318）2COSCOS22TTAR（319）其中AX,都是T2的周期函数。33本章小结本章分别介绍了曲柄滑块机构的动力学特性和运动学特性。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸12装订线124曲柄滑块机构零件设计41曲柄滑块机构总体分析曲柄滑块机构的零件包括滑块、连杆、曲柄、支架等，这些零件相对比较简单，在用PRO/E进行三维造型时要应用适当的命令，尽量使其三维设计简单化。42曲柄滑块机构零件的三维造型曲柄滑块机构工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能；并力求具有良好的工艺性。在PRO/E里创建滑块1）新建零件新建零件，名称为HUAKUAI，选择MMNS_PART_SOLID模板，建立单位为公制的新文件，符合国家标准。2）创建滑块毛坯利用拉伸命令，接受工作区下方“操控板”栏，选择FRONT作为草绘平面，接受系统默认的草绘方向和参照平面，进入草绘模式，绘制一长60，宽50的长方形，再在其内部绘制一长40，宽30的长方形，完成后，在工作区下方的“深度值”输入框中输入拉伸距离“60”,完成特征创建。如图41所示。然后在TOP上方的图形平面正中间拉伸出直径10、高12的圆柱。如图42所示。滑块应该能够承受整个减速器的重量，在受到拉、压、弯、剪、扭等作用时，应该不会发生断裂、过大的残余变形或者破坏等现象，这也是底座毛坯最基本的要求，所以尺寸要合理，厚度要恰当，满足设计的零件要质量小的要求。图41图42湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸13装订线133）创建连杆毛坯利用拉伸命令，接受工作区下方“操控板”栏，选择FRONT作为草绘平面，接受系统默认的草绘方向和参照平面，进入草绘模式，绘制如图43图形，然后拉伸12，完成特征创建，如图44所示。图43图444）创建曲柄毛坯利用拉伸命令，接受工作区下方“操控板”栏，选择TOP作为草绘平面，接受系统默认的草绘方向和参照平面，进入草绘模式，绘制一直径10，直径300的同心圆，完成后，在工作区下方的“深度值”输入框中输入拉伸距离“8”,完成特征创建。如图45所示。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸14装订线14图45然后再创建拉伸命令，选择FRONT面为草绘平面，在距圆心上方120的距离处绘制一直径10的圆，如图46所示，完成后，在工作区下方的“深度值”输入框中输入拉伸距离“12”,完成特征创建。如图47所示。图46湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸15装订线15图475）创建支架毛坯同样利用拉伸命令，选择FRONT作为草绘平面，接受系统默认的草绘方向和参照平面，进入草绘模式，绘制如图48所示图形，完成后，在工作区下方的“深度值”输入框中输入拉伸距离“30”,完成特征创建。如图49所示。图48湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸16装订线16图49完成特征创建后，继续利用拉伸命令，选择FRONT面为草绘平面，绘制如图410所示图形，完成后，在工作区下方的“深度值”输入框中输入拉伸距离“12”,完成特征创建。如图411所示。图410湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸17装订线17图41143本章小结本章对主要零件进行了结构分析，整体设计；而且考虑了工艺流程、硬度、强度，并且介绍了在PRO/E里，怎样创建零件。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸18装订线185曲柄滑块机构的装配51曲柄滑块机构的模型的创建步骤1新建组件新建文件名为“ASM0001”的组件，选择“使用缺省模版”。2在组件中创建一个子组件首先选择“装配”，将PRO/E里划的零件“ZHIJIA”打开，然后在上面的属性栏里选择“缺省”生成图形。然后再次选择“装配”，将“QUBING”打开，然后约束“销钉”，将”QUBING”与”ZHIJIA”装配在一起，如图51所示。图513添加元件LIANGAN到组件用同样的方法，将“LIANGAN”添加到组件中，约束类型选择“销钉”，完成添加，如图52所示。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸19装订线19图524添加元件HUAKUAI到组件用同样的方法，将元件“HUAKUAI”添加到组件中，然后约束“滑动杆”，同样，完成添加，如图53所示。图5352本章小结本章主要是针对之前画的零件图进行的装配加以介绍。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸20装订线206曲柄滑块机构运动仿真61运动机构仿真利用PRO/E提供的机构仿真功能，可以分析机构的运动轨迹、位移、干涉等，还可以将仿真结果输出到其他文件中。机构仿真中常用的术语有以下几个1主体、2连接、3驱动器、4接头、5运动和6放置约束等等，机构仿真的设计过程主要可分为两个基本步骤一是定义一个机构,二是使其运动。62机构仿真1添加驱动器进入“应用程序机构”。进入“伺服电动机”对话框，接受系统默认的“从动实体”类型。选取“速度”规范，接受当前轴的位置为零位置，接受系统默认的“模”为“常数”，输入A值“50”，即传动轴的转速为“50DEG/S”。此时在图中显示驱动器标志，如图61所示。图612运行分析进入“分析”对话框，接受系统默认的分析类型和开始时间。设置运动的结束时间为“20”，帧频为“20”，系统自动计算“帧数”和“最小间隔时间”，接湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸21装订线21受系统默认的电动机。利用“运行”按钮可以查看齿轮的运行情况。单击“运行”按钮，把运行结果存入结果集。3结果回放利用“回放”对话框中的按钮，从中可以将仿真结果制作成动画进行播放。单击“”按钮，弹出“捕获”对话框。单击“确定”按钮进行“MPEG”格式的动画制作。单击“浏览”按钮，弹出“保存副本”对话框，可以对制作的动画保存副本。单击“捕获”对话框中的“确定”按钮，开始“MPEG”格式动画的制作，完成的动画。4结果分析打开“测量结果”对话框，接受系统默认的图形类型“测量与时间”。单击“创建新测量”按钮，弹出“测量定义”对话框，接受系统默认的名称“MEASURE1”，选取测量类型为“速度”，选取连接轴A1，接受系统默认的评估方法“每一时间步距”。单击“确定”按钮，则在“测量结果”对话框中多出“MEASURE1”，双击结果集中的“ANALYSISDEFINITION2”，系统自动计算结果并把结值为定义驱动器连按轴的计算值。利用“创建新测量”按钮，添加测量值2，接受系统默认的名称“MEASURE2”，选取测量类型为“速度”，选取连接轴A2，接受系统默认的评估方法“每一时间步距”，则在“测量结果”对话框中多出“MEASURE2”，双击结果集中的“ANALYSISDEFINITION2”，系统自动计算结果，并把结果显示的“测量”中的“值”一栏中。同样的方法添加测量值3，如图62所示选中“分别绘出测量图形”复选框，在“测量”框中选中名称“MEASURE1”、“MEASURE2”和“MEASURE3”，单击按钮，弹出如图63所示的“图形工具”框，从图中可以看出测量值的变化量。湖北文理学院毕业设计（论文）报告纸22装订线