（机械设计及理论专业论文）平面连杆机构运动分析的计算机辅助教学系统研究.pdf

两华大学硕士学位论文 平面连杆机构运动分析的 计算机辅助教学系统研究 机械设计及理论专业 研究生王新珉指导教师罗康 机构的运动分析是研究机构性能的必要手段。无论是对于机构创新，还是 对于现有机构的合理使用，正确快捷的运动分析都是十分重要的。 传统的解析法在机械原理的教学中已经有了成熟的应用，学生利用现 成的子程序，并针对具体的机构编制相应的主程序，然后对计算结果进行繁杂 的数据处理，形成数据表格、数据曲线、运动仿真等，将大量的精力被花费在 数据处理而非机构学分析上。 另外，随着软件技术的发展，一些大型分析软件( 如a d a m s ) 开发了虚 拟样机技术，使得机构的运动分析日趋“傻瓜型 。以上两种方式均不太适合于 机械原理的教学，故需要在两者之间寻求一个“度 ，既反映机构学本质， 又可充分的简便。本论文即是要建立这样一个平台用于解析法的教学中 本课题利用杆组理论和局部坐标方法建立机构尺寸信息存储模型，借助于 软件e x c e l 作为输入输出系统，利用v i u s a l b a s i 6 0 进行可视化编程。实现了连 杆机构运动的分析与模拟；绘制出重要点的位移、速度、加速度曲线，并对其 进行分析比较。 总之，本课提出的实践方案既保留了机构学必要的理论元素，又强调了对 成熟技术的充分利用，为平面连杆机构的快速设计与分析提供了一个有效的工 具。 关键词：平面连杆机构；杆组理论；运动分析解析法：计算机辅助教学。 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec a is y s t e m rf o rt h ep l a n a r l i n k a g e sk i n e m a t i ca n a l y s i s m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：w a n gx i n m i ns u p e r v i s o r ：l u ok a n g k i n e m a t i ca n a l y s i si san e c e s s a r ym e a n sf o rm e c h a n i s m s p e r f o r m a n c e r e s e a r c h w h e t h e rf o rm e c h a n i s m si n n o v a t i o n o rf o rt h er a t i o n a lu s eo f e x i s t i n gm e c h a n i s m s ，t h e c o r r e c tf a s tk i n e m a t i c a n a l y s i s i s v e r y i m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a la n a l y t i cm e t h o dh a sb e e nm a t u r e l ya p p l i e di nt e a c h i n g ， w h e r et h es t u d e n t su s et h ea v a i l a b l es u b r o u t i n e st od e v e l o pt h em a i n p r o g r a mf o re v e r ys p e c i f i cm e c h a n i s m t h e nt h e yd e a lw i t ht h e d a t at o f o r mt a b l e s ，c u r v e s ，a n dm o t i o ns i m u l a t i o n s t h e r e f o r eal o to fe n e r g yi s s p e n to nd a t ap r o c e s s i o nr a t h e rt h a nt h em e c h a n i s m sa n a l y s i si ts e l f i na d d i t i o n ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e c h n o l o g y ，an u m b e r o fl a r g e s c a l ea n a l y s i ss o f t w a r e ( e ga d a m s ) h a sd e v e l o p e dt h ev i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hm a k e sk i n e m a t i ca n a l y s i s ”f o o l p r o o f ” t h et w o m e n t i o n e dm e t h o d sa r en o tw e l ls u i t a b l ef o r ”m e c h a n i s m s t h e o r y ”t e a c h i n ga n dw en e e dt of i n ds u c ha ”b a l a n c e ”b e t w e e nt h e ma s t on o to n l yr e f l e c tt h en a t u r eo fm e c h a n i s m s b u ta l s oi m p l e m e n t a t ei ti na s i m p l ew a y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nt a s k i st oe s t a b l i s hs u c ha p l a t f o r mf o rt e a c h i n g sp u r p o s e a c c o r d i n gt ot h ea c c y p g r o u pt h e o r ya n d l o c a lc o o r d i n a t e s m e t h o d ， t h et h e s i sh a se s t a b l i s h e dam e c h a n i s m s s i z em o d e lf o rs t o r i n g h a sm a d e u s eo fe x c e ls o f t w a r ef o ri n p u ta n do u t p u tf u n c t i o n s ，a n dh a sd e s i g n e dt h e v i s u a lp r o g r a mb yv i u s a l b a s i 6 0 t h el i n k a g ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gt h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o nc u r v e o f i m p o r t a n tp o i n t s ，a r ea l s oi n v o l v e d a t i e ra 1 1 t h e s ea n a l y t i c sw e l lp r e s e r v e st h en e c e s s a r ye l e m e n t so ft h e t h e o r yo fm e c h a n i s ma n da tt h es a m et i m ea l s os t r o n g l y s t r e s s e sa n e f f i c i e n tu t i l i z a t i o no ft h ea b a i l a b l em a t u r e t e c h n o l o g y t h e s ee f f o r t s p r o v i d eu sw i t ha ne f f e c t i v e t o o lf o rp l a n a rl i n k a g ed e s i g na n df a s t a n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p l a n a r i i n k a g e ；t h e o r y o n a c c y pg r o u p ；k i n e m a t i c a n a l y s i so fa n a l y t i c a lm e t h o d ；c a l 1 1 1 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密囹，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 搿焉肇认誓翥焉孪德 西华大学硕士学位论文 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所作的任何贡献均已在论文 中作了明确地说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者虢函纱讯哆f 月尹日 导师躲男傀刀口产乙月午日 6 1 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 机构学及其发展概况 在人类文明和社会发展的进程中，制造业始终是创造社会财富的主要来源， 是衡量国家综合国力的重要指标。当今世界经济全球化，各国的综合国力和竞 争能力体现于机械产品的设计能力。因为制造业的灵魂是设计，而制造和被制 造机械的灵魂是机构【1 】，所以现代机构学的理论研究是制造业的基础，是现代 机械产品发明创造的源泉，是提高国家制造业水平和国际竞争能力的关键。机 构创新设计决定了产品的创新性。如果机构的设计有缺陷，则制造出的将会是 先天不足的产品。对产品的创新而言，机构拓扑创新设计【2 】具有原创的特征性 质，是机械发明中最具有挑战性和发明性的核心内容。所以，现代机构学的研 究对提高我国机械产品的自主设计、创新和国际竞争能力有着十分重要的意义。 机构学研究的发展趋势应该是研究现代机构设计的新理论和新方法、实现特殊 功能的机构设计理论【3 】以及应用关键技术、微操作和微尺度机械的机构学、机 构与机器人动力学、新型移动与操作机器人、仿人与仿生机器人和微纳机器人 等。现代机构学研究的最高任务是揭示自然和人造机械的机构组成原理，创造 新机构，研究基于特定性能的机构分析与设计理论，为现代机械与机器人的设 计、创新和发明提供系统的基础理论和有效实用的方法【4 j 。 多年来我国机构学研究所取得的成绩是十分显著的，不少国外机构学学者 认为我国机构学理论研究水平已达到国际先进水平【5 】。同时他们也指出我国机 构学在应用研究上与国际水平还有差距。这些比较客观的评价将会鞭策我们继 续努力。为了使我国制造业从“制造大国变成“制造强国，只有加强技术创 新才能加速完成这一进程，而现代机构学正是进行技术创新的重要理论和方法， 应该在高校和企业中提倡和重视现代机构学的研究。 要进行机械产品的创新设计【6 】，仅仅依靠执行机构的类型综合和尺寸综合 理论、方法是很难完成的。1 0 多年来根据机械产品概念设计需要，大力开展了 机构系统设计理论和方法的研究。开展了机械系统运动方案设计、概念设计的 研究。根据机电一体化产品设计需要，开展了机电一体化系统的概念设计理论 和方法研究。同时在计算机辅助概念设计方面取得了一定的进展。为机构学开 辟了一个新的研究领域，也为机构学与机械产品创新设计紧密结合发挥重要作 两华大学硕士学位论文 用奠定一定的基础。 1 2 国内外机构分析研究方向 从前面发展现状的分析可以看出，对平面连杆机构的计算机辅助设计的研 究越来越多，但从解决工程中的实际问题的要求来看，还是存在着一些问题： 一是所采用的解析法在内容和方法上有些局限性，缺乏系统性，而且有的方法 比较复杂，不容易被一般工程技术人员所掌握二是解析法的初始解的确定未得 到很好解决，因为初始解直接影响到解的收敛性，故有时需要借助于实验法和 图解法来确定因而不仅烦琐、费事，而且所能解决韵问题也有限三是由于解析 法的直观性能较差，所以计算结果的验证和一些项目的检验同样要用图解法和 实验法来完成由于上述原因，这些软件在实际使用中往往很麻烦，费时间，欲 收到满意的精确解也很困难因此，平面连杆的c a d 向着实用、简明精确的方向 发展，仍是当今国内外机构学者致力研究的目标之一 由于第一次工业革命，机构学在1 9 世纪逐步形成，2 0 世纪得到迅速发展， 使机构学的研究内容有了很大深化。使机构的分析和综合方法向高精度、高速 度、可视化方向发展：机构动力学的建模技术和综合方法会有很大发展；机器 人机构的类型和性能分析将更加深入。 由于2 0 世纪7 0 年代机电一体化技术的不断发展和广泛应用，使传统意义上 的机器和机构的概念已有很大的发展。“现代机械 概念的形成成为机构学发展 的一个新的里程碑，可以毫不夸张地说，现代机构学正在逐步形成。机构学中 不少新内容、新方法、新理论正有待于我们去研究。具体来说，有以下几个方 面： ( 1 ) 现代机构的类型综合和设计方法【7 j 将会不断展开。逐步深入。将机构扩 大为驱动元件与机构的集合体将会大大有利于机构的创新和机构运动控制的研 究和应用。对驱动元件进行可编程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来 “刚性化”的输出发展成“柔性化”输出，从而使机构有了质的变化，有利于 设计现代机械。现代机构已经在实际中得到应用，但对它的类型综合、运动学、 动力学的研究才刚刚起步，有待深入。可以预期。现代机构学的深入研究和广 泛应用，将会大大推动现代机器的创造和发明，促进机械工业的快速发展。 2 两华大学硕士学位论文 ( 2 ) 机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会得到深入研究。 可控机构等现代机构是机电一体化系统的核心绢成部分，现代机构的研究将自 助于机电一体化系统的概念设计达到一个新的高度，特别是机电一体化系统的 创新方案的产生、创新方案的规范化表达及计算机识别、创新方案的自动化实 现等概念设计理论和方法将会有系统而深入的研究；机械系统的概念设计理论 和方法虽然得到一定程度上的深入研究，但对机械系统自动化的设计的理论和 方法及其辅助软件还有待进一步的研究和开发。 ( 3 ) 微型机构和微动机构【8 】的开发和应用。纳米技术的深入研究和广泛应用 将会引发一场新的科技革命，微机械技术的研究和开发是它的其中一个核心的 内容。现代机构学为设计微型机构开辟了有效的途径。微型机械的开发离不开 各种各样微型机构及微动机构的应用及其设计理论和方法的深入研究。微型机 构的工作机理和受力分析已与传统的机构有了根本的区别，值得进一步探索。 ( 4 ) 仿生机械的开发和应用。仿生学是自然对人类的启示。生物的各种形态、 特性、动作和能量变换等都是值得人类去仿效、去研究的。仿生机构类型的深 入研究，将会创造出形形色色的仿生机械，使现代机构学的应用更加广泛、更 加有效。 ( 5 ) 机器人1 9 】和步行机的研究和开发。机器人和步行机的研究和开发中相关 的机构类型、工作空间、动力特性、动刚度以及控制技术和可控机构的匹配都 是需要应用现代机构学的理论和方法去解决的。 ( 6 ) 机械系统的动力特性及动态稳定性的提高，现代机械向高速、高精度、 高可控性方向发展，机械系统的动力学建模及其解法的研究、动力分析与综合 的研究可以大大提高现代机械的设计水平和工作性能。 1 3 面向对象语言简介 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，o o ) 是当前计算机界关心的重点【旧】，它是9 0 年代 软件开发方法的主流。面向对象的概念和应用已超越了程序设计和软件开发， 扩展到很宽的范围。如数据库系统、交互式界面、应用结构、应用平台、分布 式系统、网络管理结构、c a d 技术、人工智能等领域。采用面向对象方法开发 软件的基本目的和主要优点是通过可重用来提高软件的生产率。因此，应该优 两华大学硕士学位论文 先选用能够最完善、最准确地表达问题域语义的面向对象语言。 ：在选择编醇语言时，应该考虑的其他因素还有：对用户学习面向对象分析、 设计和编码技术所能提供的培训操作；在使用这个面向对象语言期间能提供的 技术支持：能提供给开发人员使用的开发工具、开发平台，对机器性能和内存 的需求，集成已有软件的容易程度。 人机交互系统的开发和面向对象的关系更是密切，本世纪8 0 年代兴起的图 形用户界面，一开始就将对象的概念及其应用联系在一起。图形很自然地可以 用对象来描述，用类和继承性来找出各种图形的关系。现代的窗口系统【l i 】都是 事件驱动的，消息传递则是触发事件的基本机制。人机交互系统购进一步发展， 仍然依靠面向对象技术的支持。以下是我们需要面向对象的最基本的理由。也 可以从另外的角度来说明什么我们需要面向对象： ( 1 ) 面向对象是一种新的非常有效的程序设计范型，对于提高软件的生产率、 可靠性、可重用性等都是很有帮助的，现在大体上已经得到统一认识：面向对 象的程序设计是9 0 年代程序设计发展的主流。 ( 2 ) 面向对象正在为新的信息系统的设计方法论开辟道路，近年来，面向对 象分析、面向对象设计得到迅速发展，并开始实际应用，信息系统开发的生命 周期模型也正在更新。 ( 3 ) 除了程序设计和信息系统开发以外，面向对象的作用还涉及更加广泛的 领域，如前面已经提及的人工智能技术，图形用户接口，以及正在快速发展的 c a d 、c a m 技术；计算机集成制造系统( c n v i s ) 1 2 】，交互式系统模拟，网络技 术等等，所以，面向对象是正在兴起的影响面广的新技术，开发计算机辅助分 析软件的方法也应该从结构化程序设计转向用面向对象设计方法。 1 4 课题研究的目的、意义 本课题来源于四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“现代机械创 新制作开放性实验模式的构建”。( 0 6 5 1 1 1 1 4 ) 传统的解析法在机械原理的教学中已经有了成熟的应用，学生利用现 成的子程序，并针对具体的机构编制相应的主程序，然后对计算结果进行繁杂 的数据处理，形成数据表格、数据曲线、运动仿真等，将大量的精力被花费在 数据处理而非机构学分析上。 4 西华大学硕士学位论文 另外，随着软件技术的发展，一些大型分析软件( 如a d a m s ) 开发了虚 拟样机技术，使得机构的运动分析一日趋傻瓜型”。以上两种方式均不太适合于 机械原理的教学，故需要在两者之间寻求一个“度”，既反映机构学本质， 又可充分的简便。本文即是要建立这样一个平台用于解析法的教学中 1 5 关键问题 为实现连杆机构给定的运动要求，一般可归纳以下几类设计命题： ( 1 ) 平面连杆机构尺寸信息以及动态信息的描述，存储与访问。 ( 2 ) 引入e x c e l 简化数据的输入输出。 ( 3 ) 用v b 建立可视化界面。 ( 4 ) 对机构进行运动仿真。 最终建立一个面向对象的计算机辅助系统【l3 1 ，使用者根据自己所设计的机 构按解算顺序输入信息，能够对1 i 级杆组进行运动分析【1 4 1 。使用户既能够充分 理解机械原理内容，又不受繁杂数据处理的困扰。将二者结合到一个有效的平 衡点。 两华大学硕十学位论文 2 杆组基本原理与组成 2 ：1 机构l 啶义 机构【1 5 】是两个或两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的构件组 合、机械的组成部分。两个有相对运动的构件间的活动联接称为运动副。其中 凡为面接触的运动副称为低副，凡为点或线接触的运动副称为高副。机构的运 动特性主要取决于构件间的相对尺寸、运动副的性质以及相互配置方式等。机 构中用以支持运动构件的构件称为机架，其作为研究运动的参考坐标系。工作 着的机构中，驱动机构的外力所作用的、具有独立运动的构件称为原动件( 又 称主动件、起始构件、输入构件等) 。用于不同机器中的同一机构，其原动件 可能不同。如往复式空气压缩机中的曲轴活塞机构的原动件为曲轴，而在内燃 机中其原动件却为活塞。机构中除机架和主动件之外的被迫作强制运动的构件 称为从动件。描述或确定机构的运动所必需的独立参变量( 坐标数) 称为机构 自由度。为使机构的构件间获得确定的相对运动，必须使机构的原动件数等于 机构自由度数。 机构和机器的区别为：机器同时产生运动和能的转换，目的是利用或转换 机械能以代替或减轻人的劳动；机构只产生运动的转换，目的是传递或变换运 动。设计新机构时，必须分析机构的运动。用简单的线条和符号代替构件和运 动副，按一定的比例表示各运动副之间相对位置的简单图形称为机构运动简图。 利用机构运动简图，可方便地求出机构上各点的速度、加速度、位移等运动参 数，同时也可以表达复杂机器的组成和传动原理，便于进行机构的运动和受力 分析。 机构的特征有： 机械是一种人为的实物构件的组合。 机械各部分之间具有确定的相对运动。 机器具备机构的特征外，还必须具备第三个特征即能代替人类的劳动以完 成有用的机械功或转换机械能，故机器能转换机械能或完成有用的机械功的机 构。从结构和运动的观点来看，机构和机器并无区别泛称为机械。 机构的种类繁多。按组成的各构件间相对运动的不同，可分为平面机构( 如 平面连杆机构【1 6 】、圆柱齿轮机构等) 和空间机构( 如空间连杆机构、蜗轮蜗杆 6 西华大学硕士学位论文 机构等) ；按运动副类别可分为低副机构( 如连杆机构等) 和高副机构( 如凸轮 机构等) ；按结构特征可分为迓士t 机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按 所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向 机构、间歇运动机构等；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。 为掌握机构的组成原理、运动性能和动力性能，对已有机构在结构、运动 和动力3 方面所作的分析称为机构分析【1 7 】；按结构、运动和动力3 方面的要求来 设计新机构的理论和方法称为机构综合。研究机械中机构的结构和运动等问题 的学科称为机构学。 2 2 研究机构组成的目的 机构是一个用来传递运动和力的可动的装置，为此，机器中的机构显然需 要具有确定的运动。机构结构分析就是研究机构是怎样组成的，以及在什么条 件下机构才具有确定的运动。因此，研究机构结构的目的之一就是揭示机构的 结构组成规律，为综合新的机构提供理论依据。 在现实生产、生活中，常常需要对机构进行运动和动力分析，以便了解其 速度、加速度和所受诸力的变化规律。然而，各种机器中机构的型式多不相同， 机构各个构件的具体形状也是各式各样的。因此，要逐一的对这些型式各异的 具体机构进行分析是不可能的，而且实际上也没有必要。机构结构分析的目的 之一就是通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三的研究机构的运动分 析和动力分析提供方便。 另外，在实际应用中，机构的型式可以各式各样，机构的构造可以有简有 繁，然而对它们的共同要求是必须能够实现确定的运动。机构的组成原理可以 在选用构件组成机构时，提供一些指导原则，特别在最优化设计方面，也是很 有意义的。 总之，通过机构结构的分析，揭示机构的结构组成规律、机构的拓扑结构 特征以及它们与机构运动学、机构动力学【1 8 】特性之间的内在联系，为建立机构 结构学、运动学及动力学的理论系统提供基本依据，从而为新机构结构类型的 优化、创新提供途径。 两华大学硕士学位论文 2 3 平面连杆机构组成原理 任何机构都包含机架，原动件和从动件系统三部分。虫于机构具有确定运 动的条件是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及 和机架相连的原动件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度为零。 有时这种从动件系统还可分解为若干个更简单的，自由度为零的构件组。这种 最简单的，不可再分的，自由度为零的构件组称为基本杆组，或称为阿苏尔杆 组。任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组 成的系统，这就是机构的组成原理【l9 1 。 根据求自由度的计算公式f = 3 n 一2 p t 一组成平面机构的基本杆组应满足 条件f = 3 n 一2 异一只= 0 。如果基本杆组的运动副全为低副( 高副可用低副代 替) ，则上式可变为f = 3 n 一2 异。由于活动构件数n 和低副曰都必须是整数，所 以，根据上式，甩应是2 的倍数，曰应是3 的倍数，它们的组合有r = 2 ，异= 3 ； 以= 4 ，异= 6 由此可见玎= 2 ，异= 3 是最简单的平面基本杆组，是由两个构件 三个低副组成的杆组，称之为i i 级组。力= 4 ，只= 6 是由四个构件六个低副组 成的杆组，称之为i 级组或级组。而在基本杆组中又以i i 级和级基本杆组 为常见。根据i i 级组中低副的不同形式是转动副r 还是移动副p 和它们所在的不 同位置又分成不同类型 由i i 级杆组组成的机构称为i i 级机构【2 0 】。现实使用的机构中，i i 级机构较 多，所以研究i i 级机构运动分析方法是很有必要的，同时为本专题的程序实现 建立基础。由于i i 级杆组的运动分析存在解析解，且i i 级杆组的基本类型是有 限的，因而易于建立i i 级杆组的运动分析模块。 机构的运动分析可以从i 级机构开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。 这样，把i 级机构和各类基本杆组看成各自独立的单元，分别建立其运动分析 的数学模型，然后再编制成通用子程序，对其位置、速度及加速度和角速度、 角加速度等运动参数进行求解。当对具体机构进行运动分析时，可以通过调用 原动件和机构中所需的基本杆组的通用子程序来解决，这样，可快速求解出各 杆件及其上各点的运动参数。对各种不同类型的平面连杆机构都适用杆组法来 进行运动分析。 两华大学硕士学位论文 2 4 杆组组成分析 2 4 1i i 级杆组的类型 连杆机构基本结构单元一共分为7 种，如图2 1 所示：其中单构件结构单元 2 种。i i 级杆租【2 0 】有5 种，分别为i 涮t 、r r p 、r p r 、p l u 、i 心p 。 r r r f i g 2 1 b a s i ct y p e so f c l a s si ia c c y pg r o u p 图2 1i i 级杆组基本类型 l 强r 2 4 2i 级杆组的类型 典型的连杆机构三级杆组【2 1 】有2 种，如图2 2 所示，分别为：6 r 和r r p r r p 。 9 i u o r r r r 两华大学硕士学位论文 r r r r p p r r - p 砧r p l u o r r - p r r r p 1 0 p r r r r 凡r _ p p r j p r p r r 1 0 i t p r p 即r p 即 两华大学硕士学位论文 r 1 0 r p p p p r p r 1 t p l 球r p p p r r p r p p r r - p p p p ( 不考虑) p r r p r p p 1 0 p r - p p p r p p p p ( 不考虑) p r - l p p p r p p p p p ( 不考虑) p p p p p p ( 不考虑) f i g 2 2b a s i ct y p e so fc l a s si i ia c c y pg r o u p 图2 2i ll 级杆组基本机构单元 2 5 机构运动学分析常用方法 所谓机构的运动学分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。这 、一 西华大学硕十学位论文 里研究的内容是不考虑机构的外力及构件的弹性变形等影响，仅仅研究在已知 原动件运动规律的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、速度和加速度， 以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分析、 评价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据【2 2 1 。 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它 们运动时是否发生相互干涉，还可以确定从动件的行程，考察构件或构件上某 点能否实现预定位置变化的要求。 通过速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要求。 例如牛头刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，从而提高 加工质量和刀具寿命，而刨刀空行程时，又希望快速返回，提高生产效率，节 省能耗。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。 对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机构中， 要对其动强度、振动等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性力的大小 和变化有关。因此，对高速机构，加速度分析不能忽略。 机构运动分析的方法很多，主要有图解法、解析法和实验法三种【2 2 】。图解 法的特点是形象直观，对构件少的简单的平面机构，一般情况下用图解法也比 较简单。但其缺点是精度不高，而且当对机构一系列位置进行运动分析时，需 要反复作图，真正进行起来也很繁琐。图解法包括速度瞬心法和相对速度图解 法。而解析法的特点是直接用机构己知参数和应求的未知量建立的数学模型进 行求解，从而可获得精确的计算结果。 随着现代数学工具的日益完善和计算机的飞速发展，快速、精确的解析法 已占据了主导地位，并具有广阔的应用前景。目前正在应用的运动分析解析法， 由于所用的数学工具不同，其方法名称也不同，如复数矢量法、矩阵法、矢量 方程法等【2 3 1 。这些方法只是使用不同数学工具而并未涉及机构运动分析方法的 本质，按机构运动分析的本质不同可分为以下三类： ( 1 ) 针对不同机构建立适合该种机构的具体数学模型。此种方法编程简单， 但每种机构都要单独重新编程，所以通用性差。 ( 2 ) 把机构视为一个质点系，对各运动副间以杆长为约束建立非线性方程 组，进行位置求解，而后再求解速度和加速度，该方法通用性很强，但计算程 1 2 西华大学硕+ 学位论文 序复杂庞大。 ( 3 ) 根据前面介绍的机构组成原理，机构可由原动件+ 基本杆组组成，当给 定原动件的运动规律后，机构中各基本杆组的运动是确定的、可解的。因此， 机构的运动分析可以从原动件开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。这样， 把原件和各类基本杆组看成各自独立的单元，分别建立其运动分析的数学模型， 然再编制成通用子程序，对其位移、速度及加速度和角速度、角加速度等运动 参进行求解【2 4 】。当对具体机构进行运动分析时，可以通过调用原动件和机构中 所需基本杆组的通用子程序来解决，这样，可快速求解出各杆件及其上各点的 运动数。这种方法称为杆组法运动分析，对各种不同类型的平面连杆机构都适 用。 2 6 小结 本章首先研究了平面机构的结构组成原理，以及求解机构运动常用的方法。一 为下面机构运动分析系统的研究奠定了基础。 1 3 两华大学硕士学位论文 3 e x c e l 在机构分析系统的应用 3 1e x c e l 简介 m i c r o s o f te x c e l 是微软的办公软件m i c r o s o f to f f i c e 的组件之一，是为 w i n d o w s 和a p p i em a c i n t o s h 操作系统的电脑而编写和运行的一款试算表软件。 直观的界面、出色的计算功能和图表工具，再加上成功的市场营销，使e x c e l 成为最流行的微机数据处理软件。在1 9 9 3 年，作为m i c r o s o f to f f i c e 的组件发布 了5 0 版之后，e x c e l 就开始成为所适用操作平台上的电子制表软件的霸主，它 可以进行各种数据的处理、统计分析和辅助决策操作，广泛地应用于管理、统 计财经、金融等众多领域。大量的公式函数可以应用选择，可以实现许多方便 的功能，给使用者方便。 现在e x c e l 2 0 0 3 、和老一点的e x c e l 2 0 0 0 较为多见，e x c e l 2 0 0 2 版本用的不是 很多。2 0 0 0 以前的版本很少见了。最新的版本增添了许多功能。使e x c e l 功能更 为强大。e x c e l 2 0 0 3 支持v b a 编程，v b a 是v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n 的简写形 式。v b a 的使用可以达成执行特定功能或是重复性高的操作。 3 2e x c e l 作为机构分析系统信息输入的应用 3 2 1 e x c e l 作为信息输入界面的优点 微软的e x c e l l h - j 世以来，至今已有将近2 0 年的历史了。电子数据表模型已经 成为企业界中管理专业人士运用其管理知识的主要工具，用e x c e l 作为输入输出 系统能够直观的显示数据，并且便于用户修改数据，使操作简单。 3 2 2 利用v b 读写e x c e l 表 v b 是常用的应用软件开发工具之一，由于v b 的报表功能有限，而且一但 报表格式发生变化，就得相应修改程序，给应用软件的维护工作带来极大的不 便【2 5 】。因此有很多程序员现在已经充分利用e x e c l 的强大报表功来实现报表功 能。但由于v b 与e x c e l 由于分别属于不同的应用系统，如何把它们有机地结 合在一起，是一个值得我们研究的课题。 下面我们介绍一下v b 读写e x c e l 表的方法： 在工程中引用m i c r o s o f te x c e l 类型库： 从工程”菜单中选择”引用”栏；选择m i c r o s o f te x c e l9 0o b j e c tl i b r a r y 1 4 西华大学硕十学位论文 ( e x c e l 2 0 0 3 ) ，然后选择”确定”。表示在工程中要引用e x c e l 类型库。 在通用对象的声明过程中定义e x c e l 对象： - 二d i mx l a p pa s ：e x c e l a p p l i c a t i o n d i mx l b o o ka se x c e l w o r k b o o k d i mx l s h e e ta se x c e l w o r k s h e e t 在程序中操作e x c e l 表常用命令： s e tx l a p p = c r e a t e o b j e c t ( ”e x c e l a p p l i c a t i o n ”) 创建e x c e l 对象 s e tx l b o o k = x l a p p w o r k b o o k s o p e n ( ”文件名”) 打开已经存在的e x c e l - i - 件簿 文件 x l a p p v i s i b l e = t r u e 设置e x c e l 对象可见( 或不可见) s e tx l s h e e t = x l b o o k w o r k s h e e t s ( ”表名) 设置活动工作表 x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，1 ) v a l u e = x & ( j ) 将v b 中的j 点表头输入至l j e x c e l 的单元格，j 为待求点 x i b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，2 ) v a l u e = ”y ”& ( j ) x i b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，3 ) v a l u e = ”v x ”& ( j ) x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，4 ) v a l u e = ”v y ”& ( j ) x i b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，5 ) v a l u e = ”a x ”& ( j ) x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( 1 ，6 ) v a l u e = ”a y ”& ( j ) x l b o o k s h e e t s ( i ) c e l l s ( i + 1 ，1 ) v a l u e = x ( j ) 将v b 中的j 点数据信息输入至l j e x c e l 中的单元格 x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( i + 1 ，2 ) v a l u e = y ( j ) x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( i + 1 ，3 ) v a l u e = v x ( j ) x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( i + 1 ，4 ) v a l u e = v y 0 ) x l b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( i + 1 ，5 ) v a l u e = a x ( j ) x i b o o k s h e e t s ( 1 ) c e l l s ( i + l ，6 ) v a l u e = a y ( j ) x l s h e e t p r i n t o u t 打印工作表 x l b o o k c l o s e ( t r u e ) 关闭工作簿 x l a p p q u i t 结束e x c e l 对象 s e tx l a p p = n o t h i n g 释放x l a p p 对象 1 5 西华大学硕七学位论文 最终通过以上的操作我们就将要求的值输入到e x c e l 的单元格里【2 6 】。为e x c e l 形成图表做出准备。 3 3e x c e l 作为机构分析系统信息输出界面的应用 在3 2 中，我们通过v b 对e x c e l 的调用和赋值语句将点的信息导入，下面我 们通过v i s u a l b a s i c 的o l e 控件将e x c e l $ 1 j 成的报表和图显示到系统界面上。 我们首先介绍一下v i s u a l b a s i c 和o l e 。v i s u a l 意即可视的、可见的，指的 是开发像w i n d o w s 操作系统的图形用户界面( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 的方 法，它不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立好 的对象拖放到屏幕上相应的位置即可。b a s i c 实际上是一个短语的缩写，这个 短语就是b e g i n n e r sa l lp u r p o s es y m b o l i ci n s t r u c t i o nc o d e ，其中文意思为“初始 者通用符号指令代码语言”。 v i s u a lb a s i c 是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级 程序设计语言，可用于开发w i n d o w s 环境下的各类应用程序【27 1 。它简单易学、 效率高，且功能强大可以与w i n d o w s 专业开发工具s d k 相媲美。在v i s u a lb a s i c 环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用w i n d o w s 内部的广泛应用程序接口( a p i ) 函数，以用动态链接库( d l l ) 、对象的链接 与世隔嵌入( o l e ) 、开放式数据连接( o d b c ) 等技术，可以高效、快速地开 发w i n d o w s 环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。随着版本的提高， v i s u a lb a s i c 的功能也越来越强。5 0 版以后，v i s u a lb a s i c 推出了中文版，与前 个版本相比，其功能有了很大提升。v i s u a lb a s i c6 有学习版、专业版和企业版 三种版本，以满足不同的开发需要。学习版适用于普通学习者及大多数使用 v i s u a lb a s i c 开发一般w i n d o w s 应用程序的人员；专业版适用于计算机专业开 发人员，包括了学习版的全部内容功能以及i n t e m e t 控件开发工具之类的高级特 性；企业版除包含专业版全部的内容外，还有自动化构件管理器等工具，使得 专业编程人员能够开发功能强大的组骨子里分布式应用程序。 o l e 是在客户应用程序间传输和共享信息的一组综合标准【2 8 】。允许创建带 有指向应用程序的链接的混合文档以使用户修改时不必在应用程序间切换的协 议。o l e 基于组件对象模型( c o m ) 并允许开发可在多个应用程序间互操作的 可复用即插即用对象。该协议已广泛用于商业上，在商业中电子表格、字处理 1 6 两华大学硕士学位论文 程序、财务软件包和其他应用程序可以通过客户服务器体系共享和链接单独的 信息。 o l e 可在v i s u a lb a s i c 应用程序中添加的最强大、最有用的功能之_ 一就是 在控件和控件之间、在控件和其它w i n d o w s 应用程序之间拖动文本和图形。 有了o l e ，就可将这种功能引入到应用程序中。 使用o l e 拖放时，并不是把一个控件拖动到另一个控件并调用代码( 象 本章前面讨论的拖放一样) ：而是将数据从