（机械设计及理论专业论文）平面连杆机构的计算机辅助设计系统研究与实现.pdf

摘要 平面连杆机构全部采用低副连接，因而结构简单易于制造，结实耐用，不易磨损， 适于高速重载：运动低副具有良好的匣形结构，无需保养，适于极度污染或腐蚀而易出 现问题的机器中；连杆机构能够实现多种多样复杂的运动规律，而且结构的复杂性不一 定随所需完成的运动规律性的复杂程度而增加；连杆机构还具有一个独特的优点，就是 可调性，即通过改变机构中各杆件长度，从而方便地改变了原机构的运动规律和性能 连杆机构由于结构上的特点在各种机械行业中被广泛的采用通过对连杆机构的设 计，可以实现不同的运动规律，满足预定的位置要求和满足预定的轨迹要求 平面连秆机构的计算机辅助设计是一个比较复杂和困难的问题，对连卡下机构进行运 动分析是研究现有机构和设计新机构的必不可少的重要手段从机构的几何运动关系出 发，建立机构运动的数学模型，所编制的计算程序可以对平面连杆机构的运动进行全面 分析，可以计算出精确的计算结果并保存在相应的文件中，并能够在屏幕上输出运动分 析的主要图形信息一点的位移图、速度图、加速度线图，点的位移误差图、速度误差图、 加速度误差图并能对机构的运动进行动态模拟，使运动分析更加形象直观，也更加全 面 平面连杆机构的计算机辅助设计，目前还没有完美的设计体系，一是由于机构选型 方面尚无系统的理论和方法：二是尺寸综合方面还没有统一的方法，并且设计过程也较 为烦琐，往往需要进行大量的数值计算，这些对于一个经验不足的设计者来说，要想保 证设计质量是比较困难的平面连杆机构的计算机辅助设计的发展正向着实用、简明精 确和人工智能化的方向即平面连杆机构专家系统发展，我所研究的是就是其中的一部分 工作 本课题就是把平面连杆机构的设计和利用杆组法进行机构的运动分析及考虑几何 误差的误差分析、机构的动态模拟显示相互集成起来：利用平面连杆机构的设计原理及 利用杆组法理论进行运动分析和误差分析的参数化设计，借助于软件v js u a lb a s c 6 0 进行可视化编程，实现连杆机构运动的分析与模拟及其计算机辅助设计既解决了计算 量大，求解困难的问题又可通过参数的无量纲化，绘制重要点位移、速度、加速度曲 线及对其进行分析比较并可给出各己知参数的误差，分析机构的运动误差，判断机构 的运动精度，同时进行相应的平面连卡t 机构的动态模拟，以及各参数的屏幕显示，形象 直观，给设计人员提供了很大的方便 本课题实现了平面连杆机构的结构设计、运动分析、误差分析及动态模拟的集成化、 参数化、科学可视化设计，运用先进的开发手段，在连杆机构自动建模与分析方面具有 创新性，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 ：平面连杆机构结构设计与分析；杆组理论；运动分析；误差分析；动态模 拟 n a b s t r a c t t h ep a n a rl i n k a g em e c h a n i s ma d o p t sl o wa s s o c i a t ec o n n e c t i o nc o m p l e t e l y s o s t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt om a k e i ti sd u r a b l et ob e a rf r u i ta n di t i sn o t e a s yt ow e a r i ti ss u i t a b l ef o rh i g hs p e e dh e a v yd u t y ：m o t i o no f1 0 ws e th a v e g o o dc a s es h a p es t r u c t u r e ，n e e dn o tm a i n t a i n i t i ss u i t a b l ef o re x t r e m e l y p o l l u t i n go rc o r r o d i n gt h em a c h i n et h a ti t i se a s yt oa r i s ep r o b l e m s 。1 i n k a g e m e c h a n i s mc a nr e a l i z ev a r i e dc o m p l e xm o t i o nc u r v e ，a n d s t r u c t u r a lc o m p l e x i t y n o td e f i n it e l yi n c r e a s e sw i t ht h ec o m p l e xl e v e lo f t h em o t i o nc u r v eo fn e e d e d c o m p l e t i o n ：l i n k a g e m e c h a n i s ms t i l lh a sau n i q u ea d v a n t a g e ，w h i c h i s a d j u s t a b l e n e s s ，p a s s i n gt h r o u g hc h a n g i n ge a c hr o dl e n g t hi no r g a n i z a t i o n t h e n t h ep e r f o r m a n c ea n dm o t i o nc u r v e o f o r i g i n a lo r g a n i z a t i o n i s c h a n g e d c o n v e n i e n t l y b e c a u s eo f t h ec h a r a c t e r i s t i co ns t r u c t u r e1 i n k a g em e c h a n i s m i st h e e x t e n s iv ea d o p t i n gi nv a r i o u sm e c h a n i c a lp r o f e s s i o n s t h r o u g ht h ed e s i g n i n gf o r i i n k a g em e c h a n i s m ，i tc a nr e a l i z ed i f f e r e n tm o t i o nc u r v et h a ts a t i s f i e st h e l o c a t i o nr e q u i r e m e n tt h a ti n t e n d e da n ds a t i s f i e st h el o c u sr e q u i r e m e n tt h a t i n t e n d e d t h ed e s i g no fp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mi sam o r ec o m p l e xa n dd i f f i c u l t p r o b l e m ，i ti st h ee s s e n t i a li m p o r t a n tm e a n st os t u d ye x i s t i n go r g a n i z a t i o na n d d e s i g nn e wo r g a n i z a t i o n f r o mt h eg e o m e t r ys p o r tr e l a t i o n o fo r g a n iz a t i o n ， i tc a ne s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e lo fo r g a n i z a t i o ns p o r t ，t h es y n t h e s i z e p r o g r a mo fc a l c u l a t i o n d r a w i n gc a na n a l y z ea l 卜s i d e d l y a st h es p o r to f c o n n e c t i n gr o dg o e so n ，i tc a nc a l c u l a t ea c c u r a t e l ya n de x p o r tm a j o rg r a p h i n f o r m a t i o no fa n a l y z i n gw i t ht h em a j o rg r a p ho ft h ee x p o r ts p o r ta n a l y s i s w a n t o n l yal i t t l el o c u sp i c t u r e ，s p e e dp i c t u r e ，a c c e l e r a t i o nl i n ep i c t u r e s h o w i n gw it hs c r e e ni m i t a t eo r g a n i z a t i o nm o t i o n ，i t i sm o r ev i v i d l yv i s u a lt o m o t i o na n a l y s i sa n di ti sa l s oo v e r a l l d e s i g no fp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mn o wh a sn op e r f e c td e s i g ns y s t e my e t ， o n er e a s o ni sn os y s t e mm e t h o da n dt h e o r yy e ti nt h ea s p e c to fo r g a n i z a t i o nt y p e s e l e c t i n g ：t h es e c o n dr e a s o ni ss t i l lr i ot h eu n i f i e dm e t h o di ns i z ec o m p r e h e n s i v e a s p e c t ，a n dc o u r s eo fd e s i g ni sa l s oo v e re l a b o r a t e ，i to f t e nn e e dt oc a r r yo u t p l e n t y o fv a l u ec a l c u l a t i o n s i ti sm o r ed i f f i c u l t f o rt h e s et h a t h a v e i n s u f f i c i e n te x p e r i e n c eo fd e s i g n t o g u a r a n t e e t h ed e s i g nq u a l i t y t h e d e v e l o p m e n to ft h ec a do fp l a n el i n k a g em e c h a n i s mi st op r a c t i c a l 、c o n c i s ea n d a c c u r a t e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et h ed i r e c t i o n ，t h a tm e a n st h ep l a n a re x p e r t s y s t e mo fl i n k a g em e c h a n i s md e v e l o p m e n t w h a tis t u d yi s ap a r to fw o r ki ni t t h i sp r o g r a mi n t e g r a t e si nt h ed e s i g no fp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s ma n dt h e m o t i o na n a l y s i so fo r g a n i z a t i o nu s i n gr o dg r o u pt h e o r ya n dc o n s i d e r i n gt h ee r r o r a n a l y s i so fr o dl o n g 、m o t i o ns i m u l a t i o n u s i n gt h ed e s i g np r i n c i p l eo fp l a n e l i n k a g em e c h a n i s ma n dr o dg r o u pt h e o r yi td e s i g n st h ep a r a m e t e ro fa n a l y s i sa n d e r r o ra n a l y s i s w i t ht h ea i do fi ns o f t w a r ev i s u a lb a s i c 6 0i tc a r lr e a l i z et o p r o g r a m ，a tt h es a m et i m e ，t os i m u l a t em o t i o n t h ec a do fp l a n a r1 i n k a g e m e c h a n is m h a ss o l v e dp r o b l e mo fp l e n t yc a l c u l a t i o na n dd i f f i c u l t yt oa n s w e r t h r o u g ht h e b o u n d l e s sk e yl i n ko fp a r a m e t e r ，i tc a nd r a wd i s p l a c e m e n t ，s p e e da n da c c e l e r a t i o n c u r v eo fi m p o r t a n tp o i n ta n da n a l y z ec o m p a r i s o nf o ri t a tt h es a m et i m e ，i t c a na l s oj u d g et h em o t i o np r e c i s i o no fo r g a n i z a t i o ni f i tk n o we a c he r r o ro f d a r a m e t e ra n dk i n e t i ce r r o r a tt h es a m et i m e ，t h ep l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mt h a t r e s p o n d e di si m i t a t e d ，a sw e l la st h es c r e e no fe a c hp a r a m e t e rs h o wa n dv i v i d l y s i g h t i to f f e r sg r e a tc o n v e n i e n c et od e s i g np e o p l e t h i sp r o g r a mc a nr e a l i z et h ei n t e g r a t i o na n dp a r a m e t e r 、s c i e n t i f i cv i s i o n i nt h es t r u c t u r ed e s i g n 、m o t i o n a n a l y s i s 、t h ee r r o ra n a l y s i sa n dm o t i o ns i m u l a t i o n o fp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s m t h r o u g ha d v a n c e dd e v e l o p i n gm e t h o d ，i th a sc r e a t i o n i n 1 i n k a g em e c h a n i s mo w nm o d e l a n da n a l y s i s i ta l s op r o v i d e sp l a n a rl i n k a g e m e c h a n i s m sf a s td e s i g na n da n a l y s i sw i t he f f e c t i v et o o k e y w o r d ：d e s i g n i n ga n da n a l y s i so ft h ep l a n a r1 i n k a g em e c h a n i s m ：g r o u pt h e o r y ： m o v i n ga n a l y s i s ：k i n e t i ce r r o r ：m o t i o ns i m u l a t i o n 天津工业大学 研究生学位论文附件( 随论文附) 独创性声明 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和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 互名签字日期：冲矿月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞注互些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：互金导师签名 商捉 签字日期：w p 中年p 月够目签字日期：妒年年8 月够日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 平面连杆机构的简介 1 1 1 历史的回顾和发展趋势 在各种机构型式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的特性仅就平面连杆而 言，即使其构件数被限制在极少的情况下，大量的各种可能的结构型式在今天难以估计 它们的特性在每一方面是多种多样的，以致只能将其视为最一般形式的机械系统所以， 数学家、自然科学家、工程师已经将连杆机构作为值得研究的对象而对其进行理论研究 集合论、图论、数值数学中一些专门的分支、几何学、工程力学、设计科学等都将连杆 机构选作为例子加以研究和讨论过去大多数研究都没有明确地服从于把连杆机构作为 机械制造有效组成部分进行设计这一目的，因而不难理解，连杆机构比赋予它们的实际 意义以更多的关注，就能肯定地说，还未对连杆机构的所有特性都进行了研究或者说还 未全部加以应用 在古代和在中世纪许多实际应用方面的发明中就有连杆机构，例如列澳多达芬奇 所描述的椭圆在削装置在工业革命时代，就有了诸如天才的斯特芬机构和其它机车制 造中的机构或詹姆士瓦特机构，詹姆士瓦特甚至把齿轮机构和连杆机构组合为齿轮连 杆机构，这样不仅避开了特殊处理的曲柄轴，而且使分轮转速增加了一倍连杆机构在 蒸汽机技术中的应用，如瓦特根据经验而发现的直线导引机构，推动了对连杆机构特性 作为全面和科学的分析其中受到普遍重视的是最简单的连杆机构，即四连杆机构，当 时也称三杆机构布尔梅斯特没有仅局限于分析，而是研究了机构综合的基础理论，布 尔梅斯特理论( 位置几何学) 概括了阿尔特的理论，并因此而用图解法为确定连杆机构 运动尺寸开辟了一个广阔的领域 1 1 - 2 连杆机构的地位和作用 现代机械主要特征之一是用机器代替精密的、高难度的、手工劳动这样既提高了 产品的质量，又减轻了工人的劳动强度；现代机械的另一个主要特征是机构复杂特别 是由于机械运动速度越来越高，为了保证各机构运动的精确配合，对机构运动和动力特 性的要求也越来越高由此可见，实现高速度、高精度的复杂运动，关键在于设计制造 精巧的机构这在一定程度上决定了机械设备的技术性能和使用价值，“机构学”是适 第一章绪论 应现代机械设计的需要而发展起来的一门学科 机构的选型和设计已成为机器设计的核心和首要环节机构有连杆机构、凸轮机 构、齿轮机构、间歇机构等等，其中连杆机构是其它机构的理论结构原型，是机构的结 构理论的主要研究对象，而且在各种机构中，它表现为具有多种多样的结构相多种多样 的特性，因此对连杆机构的研究正方兴未艾 连杆机构全部采用低副连接因而结构简单易于制造，结实耐用，不易磨损，适于 高速重载；运动低副具有良好的厦形结构，无需保养适于极度污染或腐蚀而易出现问 题的机器中例如农业、矿山、化工设备中；连杆机构能够实现多种多样复杂的运动规 律，而且结构的复杂性不一定随所需完成的运动规律性的复杂程度而增加；连杆机构还 具有一个独特的优点，就是可调性，即通过改变机构中各杆件长度从而方便地改变了 原机构的运动规律和性能 连杆机构由于结构上的特点在各种机械行业中被广泛的采用通过对连杆机构的设 计，可以实现不同的运动规律，满足预定的位置要求和满足预定的轨迹要求 1 2 平面连杆机构的计算机辅助设计简介 1 2 1 平面连杆机构的计算机辅助设计的发展现状 对于平面连秆机构的计算机辅助设计的研究始于九十年代，最初是从铰链四秆机构 的计算机辅助设计开始的最近几年的平面连杆机构的计算机辅助设计的主要研究方向 有以下方向： 1 ) 以a u t o c a d 为支撑软件进行的研究 如甘肃工业大学以a u t o c a d 为支撑软件，利用a u t o l i s p 开发语言，建立了连杆机 构计算机辅助设计系统( l g c a d ) 该系统可以确定构件尺寸参数，验算机构最小传动角， 绘制机构运动简图还可以通过改变输入参数。获得多种设计方案，进行比较选优，既 保证了解析法设计的精度，又避免了繁琐复杂的公式推演及计算“1 云南农业大学工程 技术学院的李琦、黄兆波进行a u t o c a d 环境中作图法对平面连杆机构运动分析的探讨： 通过对a u t o c a d 软件所具备的几何精确作图功能和矢量运算功能的研究，探讨在a u t o c a d 软件中i ；是作图法对平面连杆机构进行运动分析的新方法，进一步开发a u t o c a o 软件的辅 助设计功能 2 ) 运用解析法和实验法进行连杆机构的计算机仿真设计方法 由于工程机械作业特点的需要。设计连杆机构时常出现要求原动件和从动件之间实 2 第一章绪论 现多对对应位置关系的情况，运用解析法和实验法提出一种多对对应位置关系连杆机构 的计算机仿真设计方法的模型，有助于提高设计质量和工作效率乜 3 ) 运用杆组法进行平面连杆机构的运动分析和仿真： 为避免整体分析法复杂的建模和运算，将平面连杆机构视为由若干个基本杆组依次 连接到原动件和机架上而构成应用矩阵法对常见的基本杆组进行数学建模。在可视化 语言v i s u a lb a s i c 6 0 环境下建立相应的杆组位移、速度、加速度分析模块，开发了平 面连杆机构运动分析的计算机辅助分析与仿真系统，实现了机构运动分析数值计算、机 构运动线图自动绘制和机构运动动态仿真等计算机辅助可视化运动分析口3 4 ) 基于杆组理论的连杆机构运动精度及运动仿真研究 为获得考虑杆长误差的连杆机构运动规律，根据阿苏尔机构组成原理，推导出运动 误差计算公式，运用v b 6 0 开发工具和面向对象技术，开发相应的计算机软件，实现了 多杆机构运动仿真和误差分析的可视化“3 1 2 2 平面连杆机构的计算机辅助设计发展趋势 连杆机构设计的传统方法有：图解法和解析法和实验法这几种设计方法各有特点 图解法直观、清晰，对不太精密的机械比较简单可行，但作图误差大，且误差难以事先 计算和控制实验法也有类似之处，而且工作比较烦琐，工作量大但随着计算机的应用 和普及，解析法的烦琐之处已不再困难通过解析法设计连杆机构可以得到精确的机构 位置和轨迹而且还可在此基础上对所设计机构进行运动分析和绘制动态图直接在计 算机上观察所设计机构的动态运行情况，用计算机对机构进行动态性能分析。 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 所能解决的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、 简明精确和人工智能化的方向发展，仍是当今国内外机构学者致力研究的目标之一 1 3 课题的来源和主要研究内容 第一章绪论 1 3 1 课题的来源及意义 本课题来源于山东省德州学院的2 0 0 3 年院级课题( 编号0 3 2 ) 平面连杆机构的计算机辅助设计，目前还没有完美的设计体系，一是由于机构选型 方面尚无系统的理论和方法：二是尺寸综合方面还没有统一的方法，并且设计过程也较 为烦琐，往往需要进行大量的数值计算，这些对于一个经验不足的设计者来说，要想保 证设计质量是比较困难的平面连杆机构的计算机辅助设计的发展正向着实用，简明精 确和人工智能化的方向即平面连杆机构专家系统发展我所研究的是其中的一部分工 作 平面连杆机构的计算机辅助设计是一个比较复杂和困难的问题，本课题所设计的平 面连杆机构的运动设计分析软件中，既能对平面连杆机构进行结构设计，省去了大量的 计算时间，又能提高设计精度，同时从机构的几何运动关系出发，建立机构运动的数学 模型，所编制的计算程序可以对平面连杆机构的运动进行全面分析，可以计算出精确的 计算结果并保存在相应的文件中，并能用同时在屏幕上输出运动分析的主要图形信息一 点的位移图，速度图，加速度线图、点的位移误差图，速度误差图，加速度误差图也 能同时用屏幕显示对机构的运动进行动态模拟，使运动分析更加形象直观，也更加全面 同时，又能对平面连杆机构中考虑杆长误差和运动副的误差进行相应的分析，使设计更 加完美、精确和系统化，更加实用和人工智能化出于此想法，产生了本课题的研究 1 3 2 本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容就是把平面连杆机构的设计和利用杆组法进行机构的运动 分析及考虑杆长误差的误差分析、机构的动态模拟仿真显示相互集成起来利用平面连 杆机构的设计原理及基本杆组理论进行运动分析和误差分析的参数化设计，借助于软件 v i s u a lb a s i c 6 0 进行可视化编程实现计算可视化，同对实现运动机构的模拟仿真本课 题研究的平面连杆机构的计算机辅助设计软件，既解决了计算量大，求解困难的问题 又可通过参数的无量纲化，绘制主要点位移、速度、加速度曲线及对其进行分析比较 同时也可给出各已知参数的误差，分析机构的运动误差，判断机构的运动精度。本软件 还设计实现了已知参数的平面四连杆机构设计同时进行响应的平面连杆机构的动态模 拟，以及各参数的屏幕显示，形象直观，给设计人员提供了很大的方便 1 3 3 本课题的创新点 1 ) 本课题实现了平面连杆机构的结构设计、运动分析、误差分析及动态模拟的集 第一章绪论 成化、参数化、科学可视化 2 ) 本软件在设计中避免了整体分析法复杂的建模和运算，将平面连杆机构视为由 若干个基本i i 级杆组依次连接到原动件和机架上而构成，可根据需要灵活组合。应用基 本杆组理论，在可视化语言v b 6 o 环境下建立相应的杆组位移、速度、加速度分析模块， 开发了计算机辅助平面连杆机构运动分析设计与仿真系统，实现了平面连杆机构的自动 建模与分析。 3 ) 运用本设计分析软件，能够准确迅速的计算出常用平面连杆机构的结构参数、 运动参数及误差参数，避免了复杂的公式推导及计算过程 4 ) 软件能自动绘制运动分析和误差分析曲线，运动过程实时可视输出可用于机构 的运动分析和运动精度分析 5 ) 软件采用面向对象技术( o o p ) 和模块化结构编程，便于维护和扩充：界面采用 对话框形式，界面友好，使用方便 第二章参数化设计方法和可视化科学技术 第二章参数化设计方法和可视化科学技术 2 1 参数化设计方法 参数化设计方法是一种灵活多变的c a d 方法，是指参数化模型的尺寸用对应的关系 表示，而不需用确定的数值变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸也就是 采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型的设 计方法参数化设计方法与传统设计方法相比最大的不同在于它存储了设计的整个过 程，能设计出一族而不是单一的产品模型参数化设计以其能够使得工程设计人员不需 考虑细节丽能尽快草拟零件图，并可以变动某些约束参数而不必进行产品设计的全过程 来更新设计对于相似结构的系列零件设计，更是具有无可比拟的优越性 2 1 1 参数化设计的基本概念 机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化走参数化的路子所谓参 数化就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，以便 在人机交互过程中根据实际情况加以更改要实现参数化设计，仅仅将设计要求参数化 是远远不够的，如果设计原则、方法和结果形式不能在设计过程中根据实际情况进行变 更，这样的设计自动化软件是很难在实践中应用的参数化技术是全相关和系列化设计 的技术基础参数化设计是实现设计过程自动化的有效手段之一，是计算机辅助设计技 术的一次巨大的飞跃，目前先进的c a d 软件大部分实现了参数化参数化技术出现的时 间还不太长，目前正处于不断发展和完善的时期，新的思想和方法还在实践中不断出现 2 1 2 参数化设计技术的基本方法 参数化设计技术以其强有力的设计、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参数化技术的基本方法，目 前主要有： 1 )编程参数化这种方法通过分析模型的特点，确定各尺寸之间的数字关系，给定输 入参数，然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统中加以实现这种方法 主要适用于结构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，常见于 在通用商品c a d 软件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建库工作等，故局 限性较大 6 第二章参数化设计方法和可视化科学技术 2 )人机交互参数化主要基于几何约束的变量几何法、基于几何推理的人工智能方法、 基于构造过程的参数化方法、基于辅助线的参数化方法、基于图形的参数化方法等 几种此方法目前应用比较广泛 2 2 科学可视化 科学可视化是近年发展起来的一个新的研究领域它运用计算机图形学和图像处理 技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为可交互处理的、直观的图形或图 像，引起了计算机应用与科学计算方法的重大变革，本文仅介绍科学可视化的发展概况， 以及发展科学可视化的意义通过例举其仿真与建模和计算机辅助设计等方面的应用， 阐述科学可视化技术在实际应用中的突出优点，叙述了目前常用的技术与方法 2 2 1 科学可视化的发展概况 科学可视化技术是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的 数据及计算结果转换为图形或图像后在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法 和技术实际上，随着该技术的发展，科学可视化的含义已经大大扩展，它不仅包括科 学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据及信息数据的可视化它涉及到计算机图 形学、图像学处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域 科学可视化是发达国家在8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学可视化技术的首次会议与会者 系来自计算机图形学、图像处理以及从事不同领域科学计算的专家会议认为“将图形 和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出，“科学家们不仅需要分析由计 算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中的数据变化情况，而这些都需要借助 于计算机图形学及图像处理技术”美国、西欧及日本的各著名大学、研究所、超级计 算机中心及大公司纷纷着手该理论和方法的研究，并推出了实用的软件系统，且逐步投 入应用显然，开创集成环境可视化的研究与技术竞争已经开始，谁先掌握和运用这项 高新技术，谁就能在经济竞争和科学发展中取得优势如何把握好这一学科的发展趋势 开创各学科的新纪元，是相关学科所面临的严峻挑战 2 2 2 科学可视化的作用与意义 计算机用于科学计算已有近5 0 年的历史但是，长期以来，由于计算机软、硬件技 术水平的限制，科学计算只能以批处理的方式进行，而不能进行交互处理当向计算机 输入程序和数据后，使用者就不能再对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算 第二章参数化设计方法和可视化科学技术 机输出结果而大量的输出数据只能采用人工方式处理，或者使用绘图仪输出二维图形 人工处理数据十分冗繁，所花费的时间往往是计算机所花时间的十几倍甚至几十倍，不 仅不能中途调整和优化设计、计算和及时地得到直观、形象的整体概念，而且还可能丢 失大量信息若实现科学计算的可视化，则可以大大加快数据的处理速度，使日益庞大 的数据得到有效利用通过可视化，将计算结果用图形或图像形象直观地显示出来，从 而使许多抽象的、难于理解的原理和规律更容易理解，便于人们更客观地观察到在传统 的科学计算中发生的现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；同时 还可以实现对计算过程的引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件，并观察其 影响无疑，实现科学计算的可视化，必将使科学研究工作的面貌发生根本性的变化 2 2 3 科学可视化在c a d 中的应用 计算机辅助设计( c a d ) 系统时，一般只要输入些设计的初始数据，计算机就可分 析或设计结果，并可得到清晰、整齐、美观的设计图纸，因而深受用户的欢迎但该系 统不能处理设计工程中复杂的物理数学关系，如结构应力、热传导和声、光效应等另 外，完成一项设计需要使用多个系统，每次需要重复输入大量的数据，使用很不方便 如其绘图与分析计算是分开的，其实质只是将设计思想用图形表现出来，而不是从方案 选择、具体设计、分析计算和绘制旌工图的全局上全盘考虑若将可视化应用于该系统， 即可理想的实现绘图与结构计算一体化其尺寸可以和实际设计中的一样，色彩逼真， 有材质感设计者可从任意角度观察，随意修改，直到满意为止 2 2 4 科学可视化的一般技术与方法 根据科学计算处理的对象，科学可视化可分为对象涉及标量、矢量及张量等不同类 别的数据场可视化和对象为多维标量数据的信息处理可视化前者研究的重点在于如何 真实、快速地显示三维数据场，较多地采用图形、图像技术：而实体绘制、三维力反馈、 增强现实等方面的研究为目前的主攻方向，其中基于增强现实的虚拟现实技术则在目前 是国内外最热门的一项研究课题对于后者( 即信息可视化) ，研究重点在于设计和选择 合适的表示及交互方式，以便于用户了解庞大的多维数据及它们相互之间的关系，其中 更多地涉及专业技术、心理学、人机交互技术等问题目前其主要应用的技术与方法如 下： 1 ) v r m l 技术系采用微软公司开发的虚拟现实建模语言软件，配合全景图制作工具 s k y p a n i t 软件可方便地进行虚拟现实模拟当然，需预先用p h o t o s h o p 准备好要显示的 第二章 参数化设计方法和可视化科学技术 图形这种方法简单而易于掌握，适合于简单对象的模拟其缺点是受现在技术的局限 性，如带宽不够、需要下载插件浏览、文件量大、真实感、交互性还需要进一步加强等 2 ) f l a s h 技术系分别拍摄展示物体各个角度的照片，处理好后把这些序列照片导 入到f l a s h 中作成一个 l c ，然后在场景中通过按扭和a c t i o n s c r i p t 控制m c 的播放，达 到使物体前后旋转的效果，还可以加上放缩和鼠标交互功能它主要基于二维的应用， 但其文件量小、形式新颖，在网上应用很受欢迎 3 ) v i e w p o i n t 技术系由真正的3 d 模型建立，具有完全的互动功能，可以真实地还 原现实中的物体：可以创建照片级真实的3 d 影像，并且可以和其它高端媒体( r i c h m e d i a ) 综合使用对于窄带网应用，v i e w p o i n t 所提供的技术是最好的解决方案之 4 ) c u l t 3 d 技术c u l t 3 d 由两部分组成，一部分编写3 d 素材，另一部分用于解读3 d 素材，将最终结果无缝地嵌入到h t m l 中c u l t 3 d 的文件量非常小，对于在窄带网上展 示产品是最好的解决方案之一 5 ) j a v a 技术( 3 6 0 。环视) 利用j a v a 技术，可以轻松的创建3 6 0 。实景物体和场景 展示，并能模拟三维空间j a v a 技术产品可在浏览器上直接浏览，不需要任何插件 6 ) s v g 是一种开放标准的矢量图形描述语言，可以在网页上显示出各种各样的高质 量的矢量图形，支持很多您想象得出的功能关键在于它是完全用普通文本来描述的， 也就是说，这是一种专门为网络而设计的基于文本的图像格式这种文本又是基于em l 的，前途的确不可限量 7 ) g h o s t 是美国麻省s e n s a b l e t e c h 0 1 0 9 i e s 公司研制开发的具有力反馈的三维交互 设备p h a n t o m 及其配套的软件开发工具g h o s t 是一个面向对象的由c + + 编写的软件开发 工具包，用户使用它可以将力反馈交互设备集成到图形应用软件中与此同时，它还提 供了与w i n d o w sn t 和s g i i r i x 的接口h a n t o m 系统则是一个力反馈装置对于三维虚拟 模型或数据具有定位功能 8 ) 可视化编程软件采用常用的可视化编程软件，重点在于友好的界面和方便的交 互性，如用v b 、v c 、c + + 、v p r o 软件作开发平台，采用a c c e s s 储存数据，采用e x c e l 显示图表，用a u t o c a d 构画对象轮廓，再用p o t o s h o p 进行渲染，用f l a s h 作片头动画 2 3c a d 面向对象技术 面向对象的方法和技术在计算机各个领域已得到了广泛的应用 面向对象的程序设计方法强调把问题域的概念直接映射到对象以及对象之间的接 第二章参数化设计方法和可视化科学技术 口，这种方式比较符合人们通常的思维方式，从而减少了传统开发方法从问题域到分 析阶段再到设计和实现阶段的偏差面向对象方法使得在客观世界以及作为其映射的 软件系统中，实体的结构相对稳定面向对象方法把属性和服务封装在对象中，当外部 功能发生变化时，这种封装可以保持对象结构的相对稳定，使得改动仅仅局限在一个 对象的内部，减少了因改动引起的系统波动效应因此，用面向对象方法开发的软件具 有易于扩充、修改和维护的特性同时由于面向对象程序设计方法都使用统一的模型来 表达每个阶段的结果，包括分析、设计、编码实现等阶段，因此，从整个软件生存周 期来看，后一阶段可以直接重用前一阶段的工作成果，弥补了传统开发方式从数据流 图到模块结构图的鸿沟，即避免了重复劳动，又消除了转换过程带来的误差面向对象 技术具有的继承性和封装性支持软件重用，并易于扩充，能较好地适应复杂的系统不 断发展和变化的要求，因此按此方法开发连杆机构c a d 算分析的软件可以克服传统的 缺陷，增强软件的易扩展性、可维护性和重用性 第三章平面连杆机构的参数化设计 第三章平面连杆机构的参数化设计 平面连杆机构的计算机辅助设计中的参数化设计是通过输入参数进行设计和分析 的，确定其它参数的值，并且随输入参数的变化，使其他参数相应的进行改变，动态模 拟也随之改变平面连杆机构的参数化设计主要包括平面连杆机构的结构设计和运动分 析、误差分析三大部分本章重点介绍平面连杆机构的结构设计和运动分析的理论分析 部分，误差分析将在第四章中介绍 3 1 平面连杆机构的基本理论分析 3 1 1 平面连杆机构的组成 平面连杆机构由主动件、杆组和机架构成为了使机构有确定的运动，机构中主动 件的数目应与其自由度的数相同大多数情况下主动件为连架杆，因每一个连架杆有一 个自由度，故机构的其余部分必构成自由度为零的构件组合自由度为零的构件组合还 可以分解为更简单的构件组不能再分解的构件组称为杆组两个构件和三个低副组成 的杆组称为i i 级杆组此杆组在实际应用中应用最为广泛故本课题以i i 级杆组为主要 研究对象 3 1 2 级基本杆组的类型 i i 级基本杆组中应用最多的有a 型、b 型、c 型、d 型四种类型如下图3 1 所示 a 型 c 型 图3 - 1 级基本杆组类型 b 型 d 型 第三章平面连杆机构的参数化设计 3 1 3 平面连杆机构的拆分 机构的拆分可按两种途径进行，一条是从主动件 传递的最远处开始拆分陆1 ，另一条是从靠近主动件最 近处开始拆分本文介绍后一种方法，按此方法将从 动件系统拆分为杆组的顺序与下面的机构运动分析 的顺序相同这样，平面连杆机构的组成分析可按以 下步骤进行： 1 ) 检查该机构是否存在局部自由度和虚约束， 如有应先去除 2 ) 计算机构的自由度，并用箭头标出主动件 3 ) 从靠近主动件的从动件开