机械原理课程设计书.doc

上海交通大学机械原理课程设计说明书设计题目: 飞剪机构设计 学院： 机械与动力工程学院 学生姓名： 高狄 蒋益西 潘佩媛 汪致远 学号： 5100209119 5100209316 5090309005 5100209116 指导教师： 浦耿强老师 目 录1 课程设计的目的1 2 设计题目与要求2 2.1 课程设计题目2 2.2 课程设计要求33 机构和质心位移方程4 3.1 坐标系的建立4 3.2 机构位移方程4 3.3 质心位移方程4 4 机构的速度和加速度方程5 4.1 机构的速度方程5 4.2 机构的加速度方程5 5 机构的静力学分析6 5.1 杆件的受力分析图6 5.2 机构的静力平衡方程76 机构的动力学分析9 7 机构惯性力平衡条件11 8 机构的运动特性曲线129 心得体会18 10 参考文献19附录20 1 课程设计的目的通过机械原理课程设计，使同学掌握机构的位置、速度、加速度、静力学、动力学、惯性力平衡等方法，并能借助计算机实现机构的性能分析和该机构的运动仿真演示。从而了解机构的性能和特性。通过课程设计使学生综合运用机械设计基础课程及有关先修课程的知识，起到巩固、深化、融会贯通及扩展有关机械设计方面知识的作用，树立正确的设计思想。通过课程设计的实践，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，使学生掌握机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法和步骤。提高学生的有关设计能力，如计算能力、绘图能力以及计算机辅助设计（CAD）（SolidWorks）能力等，使学生熟悉设计资料（手册、图册等）的使用，掌握经验估算等机械设计的基本技能。第 - 31 - 页 共 31 页2. 设计题目与要求2.1课程设计题目：（13）已知图示飞剪机构中各个构件的尺寸参数、质量、转动惯量、外载荷以及输入构件以匀速运动。2.2课程设计要求：1、根据机械原理课程设计选题，选定固定坐标系，用复数向量方法建立机构的位移方程以及各构件的质心位移方程； 2、在机构位移方程基础上，建立机构的速度、加速度方程以及各构件的质心的加速度方程； 3、在已知外力和运动分析的基础上，建立机构的静力学方程（不考虑惯性影响），即求出机构中各构件铰链的受力和输入构件的驱动力（矩）； 4、在已知外力和运动分析基础上，建立考虑惯性和加速度影响的机构动力学方程，即求出考虑惯性时机构中各构件铰链的受力和输入构件的驱动力（矩）； 5、为了使机构实现惯性力完全平衡，用复数向量方法建立该机构的惯性力完全平衡条件。 6、在上述理论分析基础上，利用计算机编程计算并绘出机构随输入运动的输出运动位移、速度、加速度曲线；分别计算并绘出机构在不计惯性和考虑惯性时各构件铰链的受力和输入力（或矩）的曲线。 7、在计算机上，设计软件实现该机构的运动仿真演示。3. 机构和质心位移方程3.1 坐标系的建立如图所示建立坐标系:其中为第i个杆件与x轴的夹角，以逆时针方向为正方向。3.2机构位移方程利用复数向量法建立机构的位移方程：3.3质心位移方程利用复数向量法建立各杆件质心的位移方程：4. 机构的速度和加速度方程4.1机构的速度方程：对机构的位移方程求一次导，得到机构的速度方程。4.2机构的加速度方程： 对机构的速度方程求一次导，即是对机构的位移方程求两次导，得到机构的加速度方程。5. 机构的静力学分析 5.1 杆件的受力分析图R1杆：R2杆：R3杆：R4杆：5.2 机构的静力平衡方程：由得出机构的静力学方程将方程组列成矩阵 = 6. 机构的动力学分析机构的动力平衡方程：由得出机构的动力学方程将方程组列成矩阵 = 7. 机构惯性力平衡条件8. 机构的运动特性曲线，角位移曲线：，角速度曲线：，角加速度曲线： a1特性曲线：a2特性曲线：a3特性曲线：a4特性曲线：F1、 F2特性曲线：F21特性曲线：F32特性曲线：F43特性曲线：驱动力矩M1、M2特性曲线：9. 心得体会 通过本次机械原理课程设计，我们对机械运动的相关情况有了一定的感性认识。通过对系统的各项运动参数的分析，使我们了解到了，飞剪机构的运动特性。在设计过程中，特别是在机构运动方程的建立上，遇到了一定的困难。通过解决这些困难，我们明白了自己知识的漏洞。在进行编程计算的过程中，我们也遇到了一些困难。组员之间的坐标定义略有差异，导致了编程的困难。通过这次的设计，我们认识到了统筹安排的重要性，各个队员之间要在一些细节上进行充分的沟通，以避免一些不必要的麻烦。 通过这次课程设计，让我们清晰看到了机械原理中掌握了的知识和没掌握的知识，给我们以后的学习提供了方向，设计中遇到的困难也锻炼了我们克服各种问题的能力。所以，要求我们在了解概念的基础上，掌握知识的本质，做到学有所用。10. 参考文献1 邹慧君 张春林 李杞仪. 机械原理 （第二版） M 北京：高等教育出版社，2006.2 洪嘉振 杨长俊. 理论力学 （第三版） M 北京：高等教育出版社，2008.3 李滨城 徐超. 机械原理MATLAB辅助分析 M 北京：化学工业出版社，2011附录计算机分析的源程序1. 求机构运动特性曲线程序：function main()clear;R1=103; R2=615;R3=1460;R4=103;hd=pi/180;du=180/pi;omega1=-35;omega4=8.75;alpha1=0;alpha4=0;a=1550;b=140;for n1=1:100 theta1=pi/2+omega1*n1/100; theta4=pi/2+omega4*n1/100; theta,omega,alpha,aclt,e=fun(theta1,omega1,alpha1,theta4,omega4,alpha4,R1,R2,R3,R4,a,b); th2(n1)=theta(1); th3(n1)=theta(2); omega2(n1)=omega(1); omega3(n1)=omega(2); alpha2(n1)=alpha(1); alpha3(n1)=alpha(2); a1x(n1)=aclt(1); a1y(n1)=aclt(2); a2x(n1)=aclt(3); a2y(n1)=aclt(4); a3x(n1)=aclt(5); a3y(n1)=aclt(6); a4x(n1)=aclt(7); a4y(n1)=aclt(8); f1x(n1)=e(1); f2x(n1)=e(2); f1y(n1)=e(3); f2y(n1)=e(4); f21x(n1)=e(5); f21y(n1)=e(6); f32x(n1)=e(7); f32y(n1)=e(8); f43x(n1)=e(9); f43y(n1)=e(10); m1(n1)=e(11); m2(n1)=e(12); endfigure(1);n1=1:100;plot(n1,th2,n1,th3);grid on;hold on;figure(2);n1=1:100;plot(n1,omega2,n1,omega3);grid on;hold on;figure(3);n1=1:100;plot(n1,alpha2,n1,alpha3);grid on;hold on;figure(4);n1=1:100;plot(n1,a1x,n1,a1y);grid on;hold on;figure(5);n1=1:100;plot(n1,a2x,n1,a2y);grid on;hold on;figure(6);n1=1:100;plot(n1,a3x,n1,a3y);grid on;hold on;figure(7);n1=1:100;plot(n1,a4x,n1,a4y);grid on;hold on;figure(8);n1=1:100;plot(n1,f1x,n1,f1y);grid on;hold on;figure(9);n1=1:100;plot(n1,f21x,n1,f21y);grid on;hold on;figure(10);n1=1:100;plot(n1,f32x,n1,f32y);grid on;hold on;figure(11);n1=1:100;plot(n1,f43x,n1,f43y);grid on;hold on;figure(12);n1=1:100;plot(n1,m1,n1,m2);grid on;hold on; function theta,omega,alpha,aclt,e=fun(theta1,omega1,alpha1,theta4,omega4,alpha4,R1,R2,R3,R4,a,b)%计算角位移L=(a-R1*sin(theta1)-R4*sin(theta4)2+(b+R4*cos(theta4)-R1*sin(theta1)2)0.5;beta1=acos(-R32+R22+L2)/(2*R2*L);beta2=asin(b+R4*cos(theta4)-R1*cos(theta1)/L);theta2=pi/2-beta1+beta2;theta3=acos(-L2+R22+R32)/(2*R2*R3)-theta2;theta=theta2;theta3;%计算角速度omega2=subs(R1*cos(theta1)*omega1+R4*cos(theta4)*omega4)*tan(theta3)-R1*sin(theta1)*omega1+R4*sin(theta4)*omega4)/(R2*cos(theta2)*tan(theta3)+R2*sin(theta2);omega3=subs(R1*cos(theta1)*omega1+R4*cos(theta4)*omega4)*tan(-theta2)-R1*sin(theta1)*omega1+R4*sin(theta4)*omega4)/(-R3*cos(theta3)*tan(-theta2)+R3*sin(theta3);omega=omega2;omega3;%计算角加速度A=-R1*sin(theta1)*omega1.2+R2*sin(-theta2)*omega2.2-R3*sin(theta3)*omega3.2+R4*sin(-theta4)*omega4.2;B=R1*cos(theta1)*omega1.2-R2*cos(-theta2)*omega2.2+R3*cos(theta3)*omega3.2-R4*cos(-theta4)*omega4.2;alpha2=subs(A*tan(theta3)-B)/(R2*cos(theta2)*tan(theta3)-R2*sin(-theta2);alpha3=subs(A*tan(theta3)-B)/(-R3*cos(theta3)*tan(-theta2)+R3*sin(theta3);alpha=alpha2;alpha3;a1=pi/2-theta1;a2=theta2-pi/2;a3=pi/2-theta3;a4=theta4+pi/2;g=11.5/180*pi;a1x=226*(-alpha1*sin(a1)+omega12*cos(a1);a1y=226*(alpha1*cos(a1)+omega12*sin(a1);a2x=-615*(alpha2*sin(a2)+omega22*cos(a2)-103*(-alpha1*sin(a1)+omega12*cos(a1);a2y=-615*(-alpha2*cos(a2)+omega22*sin(a2)-103*(alpha1*cos(a1)+omega12*sin(a1);a3x=-103*(alpha4*sin(a4)+omega42*cos(a4)+1460*(-alpha3*sin(a3-g)+omega32*cos(a3-g);a3y=-103*(-alpha4*cos(a4)+omega42*sin(a4)+1460*(alpha3*cos(a3-g)+omega32*sin(a3-g);a4x=168*(alpha4*sin(a4)+omega42*cos(a4);a4y=168*(-alpha4*cos(a4)+omega42*sin(a4);aclt=a1x;a1y;a2x;a2y;a3x;a3y;a4x;a4y;a11=1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0;0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0;226*sin(a1),0,0,0,329*sin(a1),103*cos(a1),0,0,0,0,-1,0;0,0,0,0,-1,0,1,0,0,0,0,0;0,0,0,0,0,-1,0,1,0,0,0,0;0,0,0,0,615*sin(a2),615*cos(a2),-1230*sin(a2),1230*cos(a2),0,0,0,0;0,0,0,0,0,0,-1,0,1,0,0,0;0,0,0,0,0,0,0,-1,0,1,0,0;0,0,0,0,0,0,1460*sin(a3)-744*sin(a3-g),1460*cos(a3)-744*cos(a3-g),744*sin(a3-g),744*cos(a3-g),0,0;0,1,0,0,0,0,0,0,-1,0,0,0;0,0,0,1,0,0,0,0,0,-1,0,0;0,168*sin(a4),0,103*cos(a4),0,0,0,0,-271*sin(a4),271*cos(a4),0,-1;c=inv(a11);d=627*a1x;627*a1y;0;1254*a2x;1254*a2y;100*alpha2;800*a3x;800*a3y;200*alpha3;345*a4x;345*a4y;0;e=c*d;2. 运动仿真程序：function main()clear;R1=103; R2=615;R3=1460;R4=103;hd=pi/180;du=180/pi;omega1=-35;omega4=8.75;alpha1=0;alpha4=0;a=1550;b=140;for n1=1:1001 theta1=pi/2+omega1*(n1-1)/100; theta4=pi/2+omega4*(n1-1)/100; theta=fun(theta1,omega1,alpha1,theta4,omega4,alpha4,R1,R2,R3,R4,a,b); th2(n1)=theta(1); th3(n1)=theta(2);endfigure(1);m=moviein(20);j=0;for n1=1:2:1000 j=j+1; clf; x(1)=900; y(1)=1800; x(2)=x(1)+R1*cos(pi/2+omega1*(n1-1)/100); y(2)=y(1)-R1*sin(pi/2+omega1*(n1-1)/100); x(3)=x(2)-R2*cos(th2(n1); y(3)=y(2)-R2*sin(th2(n1); x(4)=x(3)+R3*cos(th3(n1); y(4)=y(3)-R3*sin(th3(n1); x(5)=1040; y(5)=250; x(6)=x(4); y(6)=y(4); x(7)=x(6)-744*cos(th3(n1)+0.2); y(7)=y(6)+744*sin(t