毕业设计（论文）-直线引导机构设计及运动仿真（全套图纸三维）.pdf

1 密级：密级： 学号：学号： 本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ）本 科 生 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 直线引导机构设计及运动仿真直线引导机构设计及运动仿真 学学 院：院： 机械工程学院 专专 业：业： 机械工程及自动化 班班 级：级： 12 机械 3 班 学生姓名：学生姓名： 指导老师：指导老师： 完成日期：完成日期： 2 学士学位论文原创性申明学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立 进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全 意识到本申明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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。本人授权江西科技学院江西科技学院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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。 本学位论文属于 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 3 摘要摘要 连杆机构广泛运用于选多级其中，在我们的生活中起着重要的作用；如平衡 吊的工作原理、刨床的直线插补作原理等等。连杆的杆机构又称低副机构，是机 械的组成部分中的一类，指由若干（两个以上）有确定相对运动的构件用低副（转 动副或移动副）联接组成的机构。平面连杆机构中最基本也是应用最广泛的一种 型式是由四个构件组成的平面四杆机构。由于机构中的多数构件呈杆状，所以常 称杆状构件为杆。低副是面接触，耐磨损；加上转动副和移动副的接触表面是圆 柱面和平面，制造简便，易于获得较高的制造精度。连杆机构广泛应用于各种机 械和仪表中。因此，平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。连杆机构 的缺点是：低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差；而且它的设 计比较复杂，不易精确地实现复杂地运动规律。 关键词：关键词：连杆机构，平面，制造，运动规律 全套图纸，加 153893706 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 4 Abstract Consisting of the rod of the linkage mechanism is widely used to multistage which, in our lives plays an important role, such as balance crane work principle, planer linear interpolation principle and so on. The connecting rod mechanism and low pair mechanism, mechanical part of a class, defined by a number of (two or more) to determine the relative motion of the component with low side (rotating or moving pair coupling mechanism. Planar linkage mechanism in the basic and applied the most extensive a type is composed of four components of plane four bar mechanism. Because most of members is in the shape of a rod, so often called rod member bar. Low side is the surface contact, wear resistance, and the rotating pair and shift Dynamic contact surface is a cylindrical surface and a plane surface, easy manufacture, easy to obtain high manufacturing accuracy. Linkage mechanism widely used in all kinds of machinery and instrument. Therefore, planar linkage in various kinds of machines and instruments obtained widely application. The shortcomings of connecting rod mechanism is: low side of gap, a large number of low side will cause cumulative motion error; and its design is more complex, not easy to accurately realize complex motions. Key words: connecting rod mechanism, plane, manufacturing, movement law 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 5 目目 录录 第第 1 章章 绪绪 论论. 6 第第 2 章章 连杆机构概述连杆机构概述. 8 第第 3 章章 直线引导机构的原理与结构分析直线引导机构的原理与结构分析. 10 第第 4 章章 直线引导机构的运动分析直线引导机构的运动分析. 11 4.1 直线引导机构自由度的计算.11 第第 5 章章 直线引导机构的结构设计直线引导机构的结构设计. 12 5.1 工作条件的确定.12 5.2 总体设计分析.13 5.3 链传动的设计.15 5.4 链传动的计算.16 5.5 电机的选择.18 5.6 底座的设计.20 5.7 各杆长度的设计.22 第第 6 章章 直线引导机构的有限元分析直线引导机构的有限元分析. 24 第第 7 章章 结论结论. 26 参考文献参考文献.28 致致 谢谢.29 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 6 第第 1 章章 绪论绪论 连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂 运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。此外，低副面接触的结构使连 杆机构具有以下一些优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑， 故磨损减小；制造方便，易获得较高的精度；两构件之间的接触是靠本身的几何 封闭来维系的，它不象凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。因此，平 面连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电产品中。平面连杆机构的缺点是： 一般情况下，只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给 定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往较多，这样就使机 构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对 制造、 安装误差的敏感性增加；机构中作复杂运动和作往复运动的构件所产生的 惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度 较低的场合。 计算机与网络技术的飞速发展, 已经逐步改变了传统面对面的教学方式。 基 于 Internet 的网络教学模式,具有交互性好、教学过程不受时空限制的特点,可以 实现教学资源的共享,满足人 们随时随地学习的需求。 平面连杆机构是一种应用 十分广泛的机构,对其进行仿真与分析是机械原理教学中的重点和难点。传 统教学模式下线条状的机构简图虽 然可以进行机构仿真,但所实现的机构仿真 不但缺乏三维真实感,而且分析结果的精度也不高。SW 是一款 CAD/CAM/CAE 高度集成化的三维软件, 它具有强大的三维建模和分析仿真功能。因此,开发基 于 SW 系统的平面连杆机构网络教学系统具有很强的应用价值和现实意义 1 。 本文以平面连杆机构为研究对象,分析目前国内外相关研究现状,在其他研究人 员的研究基础之上,研究并开发了基于 SW 的平面连杆机构网络教学系统。 该 系 统主要实现了在网络环境下利用 SW 进行平面连杆机构的三维参数化建模、 干涉 检查、自动装配和运动仿真等功能,具有方便、交互、形象的特点,最大程 度上 实现了资源的共享。 本文以 SW 软件为平台,借助 SW 工具箱和网络技术,围绕 SW 的远程操作、数据库系统的建立、图形文件的交互以及服务器对机 构模型 文件的管理等技术进行研究,主要研究内容如下： 1、对网络教学系统各功能模 块进行需求分析,建立基于 B/S 模式的三层网络结构体系； 2、研究 Web 数据库 系统的建立和维护,利用 Access 创建 Web 数据库,实现机构设计参数和用户信息 的有效管理。 3、对 COM 组件和 ActiveX 组件技术进行研究和分析,解决网络 服务器与 SW 系统之间的数据通讯,实现对 SW 系统的远程操作； 4、对 SW 二 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 7 次开发技术进行深入研究,利用 SW/TOOLKIT 工具箱开发网络教学系统的各个 功能模块,实现自动装配。本设计采用连杆机构做的直线引导机构设计与分析。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 8 第第 2 章章 连杆机构概述连杆机构概述 本次设计的题目是直线引导机构设计及运动仿真，通过设计出此种连杆机 构，来了解连杆机构的动作原理和作用，以及它们的设计方法，本文先论文了连 杆机构的结构组成和作用， 然后利用相关的公式对连杆机构进行设计计算以及强 度校核，最后进行仿真。 本设计做要做的为五连杆的设计，本设计最先举例出使用直线插补机构，并 对其进行分析，使我们获得一个如下连杆机构的直观感受。通过三维仿真给我们 一种直观的感觉。该机构主要是由连杆作用；而链传动只不过是有齿轮的摆动， 提供一定的惯性力，与最终的直线运动不起任何作用。主要 本设计的原理主要是运用连杆之间的传递作用来完成直线插补机构。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 9 第第 3 章章 直线引导机构的原理与结构分析直线引导机构的原理与结构分析 由图3.1可知直线引导机构的工作原理： 有原动件F杆7在电动机的带动下， 使 6 从动件 D 转动、再把运动传到 3 从动三角杆 B,把运动传递到最终 4 从动三 角杆 C 和 2 从动杆 A。完成简单的直线王往复运动。选择设计要求的电机，以 及个个连接的铰链；同时，在链传动作用下，在齿轮 B 作用下，带动连使齿轮 A 摆动，进而为整体机构提供一定摆动了，促使机构整体的符合直线往复的运动。 图 3.1 直线插补二维图 1、机架 2、从动杆 A 3、从动三角杆 B 4、从动三角杆 C 5、齿轮 A 6、从动 杆 D 7、原动杆 F 8、链 9、齿轮 B 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 10 第第 4 章章 直线引导机构的运动分析直线引导机构的运动分析 直线引导机构自由度的计算 图 4.1 直线引导机构仿真图 由上图分析知：此机构的为平面机构，该平面结构的自由度综合分析知，由 链传动无关，链传动带动齿轮摆动，启动惯性了的作用。所以，该机构由为铰链 六杆机构。该结构有点复杂，由 6 个构件组成，其中，包括 7 个低副，因链传动 在总输出的速度不起影响；故，无高副。因为一构件为为机座，所以，可动构件 为 5 个。这些 5 个在位组成运动链之前共为 3X5=15 个自由度，当组成链后，收 到的运动副所受到的约束为 2X7=14；平面机构的自由度为： 1 )072(53 )2(3 = += += HL PpnF 故:该直线引导机构的自由度为 1，只需一个运动源，改用运动为单一的直 线往复运动。该机构只有一个单一的运动符合运动条件。 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 11 第第 5 章章 直线引导机构的结构设计直线引导机构的结构设计 5.1 直线引导机构工作条件的确定直线引导机构工作条件的确定 在一般情况下，通常零件 4 从动三角杆在平行放行上的最大移动距离为 100mm；且底座两链接之间的距离 300mm 左右，距地面高度为 50mm；直线引 导机构，保证两边的上下工件工作都能满足。现初定平衡吊的工作条件如下： 往复运动的范围： s mm5050- 电动机 A 的功率： n 0.5kw 电动机 B 的功率： n 0.75kw 底座的两链接距离： b 300 原动杆 F 的长度： s 286mm 杆件与链接丁材料： Q235 5.2 总体设计分析总体设计分析 直线引导机构为双摇杆结构机构， 该机构最终实现的运动为直线往复结构运 动。在两个电动机作用下，通过减速器进行减速，传送到连杆的原动杆 F，再有 原动杆 F 作用下，把力和速度传递到杆 3 从动三角杆 B 和 6 从动杆 D，在杆 3 和 杆 6 的作用下， 控制最终的运动， 杆 4 从动三角杆 C 的最终的运动的作用； 同时， 在由杆 2 进行调节控制杆 4 从动三角杆 C，最终，让杆 4 从动三角杆 C 能够达到 直线往复作用；链传动结构，在电动机 B 的作用下，有减速箱的控制下，把力和 速度有齿轮 B，在由齿轮 B 带动链，在带动齿轮 A 摆动，提供一定的摆动力，促 使机构达到整体的机构的平衡做的作用。此机构的为平面机构，该平面结构的自 由度综合分析知，由链传动无关，链传动带动齿轮摆动，启动惯性了的作用。所 以，该机构由为铰链六杆机构。 5.3 链传动的设计链传动的设计 已知 p=1.5KW，小链轮的转速 n1=720r/min，传动比 i=2.8，载荷平稳，两 班工作制，两链轮中心距 a=500600mm 范围，中心距可调，两轮中心连线与水平 面夹角近于 35o，小链轮孔径 dk=30; 计算： （1）小链轮齿数 z1 z1=29-2i=29-2*2.8=23.4 取整数 z1=23 6 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 12 i 12 23 34 45 56 z1 3127 2725 2523 2321 2117 1715 优先选用齿数：17，19，21，23，25，38，57，76，95， 114 z1、z2 取奇数，则链条节数为偶数时，可使链条和链轮轮齿磨损均匀。 在高速或有冲击载荷的情况下，小链轮齿最小应有 25 齿。 （2）大链轮齿数 z2 Z2=iz1=2.8*23=64.4 取整 z2=65 （3）实际传动比 i=83. 2 23 65 1 2 = z z （4）设计功率 KaXPPd= Z1=Z2 工况系数，查表 5.4-3 Ka=1， KWKAPPd4 . 0= （5） 单排链条传递功率 KzXKa Pd Pa =， 查表5.4-4和5.4-5， 齿数系数 23. 1=Kz ， 排数系数1=排K 123 . 1 10 X d Pa =0.4kw （6）链节距 p 根据 Pa=0.4kw，n1=720r/min，查图 5.4-1 功率曲线和 n1 确定的点， 应在所选型号链的功率曲线下方附近（不超过直线）。结果为 10A，节距 p=15.875mm， （7）验算小链轮轴直径 链轮中心孔最大许用直径 4065 =d （8）初定中心距 pa5030= 为优，无张紧轮时取 pa 25 i 4 4 0.2z1 （i+1） p 0.33z1(i-1)p 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 13 pa80max0= mmXpa 6 . 555875.1535350= （9）确定链条节数 0 2 ) 12 ( 2 2102 a p z zzzz p a Lp + + +=115.3 取 116=Lp ; （10）链条长度 （11）计算（理论）中心距 当 21 zz 时， kazzLppa) 212(= 当 21 zz 时， ZL p a= 2 查表 5.4-9，若有必要可使用插值 24559. 0=Ka (12)实际中心距 a aaa= (13)链速sm X XX X nzpz V/38 . 4 100060 875.1572023 100060 1 = (14)有效圆周率N X V p F 1 . 2283 38 . 4 1010001000 = (15)作用在轴上的力 F 水平或倾斜的传动 KaFaF 2 . 115 . 1 接近垂直的传动 KaFaF05. 1 Ka 工况系数，见表 5.4-3 F=1.212283.1=2739.7N; (16)润滑方式。 (17)链条标记：10A-1-116 GB 1243-1997; 1 表示排数，116 表示节数 (18)链轮的几何尺寸 1) 滚子直径 p=15.875mm 江西科技学院本科生毕业论文（设计） 14 2）齿顶圆 对于三圆弧-直线齿形072.124 23 180 tan 1 54. 0=+= pda 小链轮齿顶圆072.124 23 180 tan 1 54. 0=+= pdamm，取整 124mm; 大链轮齿顶圆773.336 65 180 tan 1 54 . 0 875.15=+= da，取整 337mm; 3)齿根圆直径 df=d-d1； 小链轮齿根圆直径df=d-d1； = 116.585-10.16=106.425mm， 取106.43mm; 大链轮齿根圆直径 df=d-d1；= 328.584-10.16=318.424mm，取 318.42 mm; 4)节距多变形以上的齿高 ha=0.27p=0.2715.875=4.286mm（对于三圆弧- 直线齿形） 5)最大齿根距 奇数齿1 90 cosd z dLz= 。 偶数齿 1dddfLz= 小链轮mmLz153.10616.10 23 90 cos585.116=; 大链轮mmLz328.31816.10 65 90 cos584.328= 6)轴凸缘直径 76 . 0 04 . 1 180 cothz z pdf 。 小链轮 76 . 0 09.1504. 1 23 180 cot875.15Xdf 。 =99.045mm; 大链轮 746.31176 . 0 09.1504. 1 65 180 cot875.15= 10.直线引导机构链传动的作用在轴上的力 Q F 由公式 ZH 知：vPFQ/3 . 12 . 11000