四连杆机构运动与仿真周云鹏

1、吉林电子信息职业技术学院毕业论文（设计）题目：四连杆机构运动与仿真系部：电气工程学院专业班级：14 机电15班指导教师：田军姓 名：周云鹏目录摘要 4第1章连杆机构 51.1 四杆机构的基本形式 51.2 铰链四杆机构中曲柄存在的条件 61.3 铰链四杆机构的演化 7第2 章四杆机构的基本特性 102.1 四杆机构的极位 102.2 四杆机构从动件的急回特性 102.3 连杆机构的传力特性 102.4 死点位置 11第3 章四连杆的三维造型 123.1 机架的三维造型 123.2 连架杆1 的三维造型 143.3 连架杆2 的三维造型 173.4 连杆的三维造型 17第 4 章 四连杆的虚拟装

2、配 194.1 进入装配模块 194.2 添加组件机架 194.3 装配连架杆1 204.4 装配连架杆2 224.5 装配连杆 22第 5 章四连杆机构的运动仿真 265.1 新建仿真 265.2 新建连杆 275.3 创建运动副 28第 6 章四连杆的运动仿真分析 316.1 运动副图表分析 316.2 死点位置 34结论 36致谢 37参考文献 38摘要四连杆机构是由低副（转动副）联接而成的机构，其主要特点是：由于低副为面接触，压强低、磨损量少，而且构成运动副的表面是圆柱面或，制造方便，容易获得较高精度；又由于这类机构容易实现常见的转动、移动及其转换，所以获得广泛应用。本课题详细的介绍了

3、四杆机构的基本形式、铰链四杆机构中曲柄存在的条件、钱链四杆机构的演化、四杆机构的基本特性，以及使用UG寸四连杆机构进 行三维造型、虚拟装配及运动仿真的方法。关键字：四连杆 装配 仿真第 1 章 连杆机构1.1 四杆机构的基本形式铰链四杆机构所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，它是四杆机构的基本形式， 其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆， 能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。在钱链四杆机构中，有的连架杆能做整周转动，有的则不能，两构件的相对

4、回转角为360。的转动副称为整转副。整转副的存在是曲柄存在的必 要条件，按照连架杆是否可以做整周转动， 可以将其分为三种基本形式，即曲柄 摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构。曲柄摇杆机构钱链四杆机构的两个连架杆中若一个为曲柄， 另一杆为摇杆，则此机构称为 曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的功能是： 将转动转换为摆动，或将摆动转换为转 动。（2）双曲柄机构钱链四杆机构的两个连架杆若都是曲柄，则为双曲柄机构。在双曲柄机构中， 常见的还有正平行四边形机构（又称正平行双曲柄机构）和反平行四边形机构（又 称反平行双曲柄机构）。双曲柄机构的功能是：将等速转动转换为等速同向、不 等速同向、不等速反向等多种转动。图1

5、-2平行四边形机构图1-3 双摇杆机构双摇杆机构钱链四杆机构的两个连架杆都是摇杆， 则称为双摇杆机构。双摇杆机构的功重机1.2 钱链四杆机构中曲柄存在的条件在钱链四杆机构中，有的连架杆能做整周转动，有的则不能。两构件的相对回转角为3600的转动副为整转副。整转副的存在条件是曲柄存在的必要条件， 而钱链四杆机构三种基本形式的区别在于机构中是否存在曲柄和有几个曲柄，为此，需要明确整转副和曲柄存在的条件。(1)整转副存在的条件一一长度条件钱链四杆机构中有四个转动副，其能否做整周转动，取决于四构件的相对长 度。在钱链四杆机构中，若最长构件长度lmax与最短构件长度lmin之和小于或 等于其余两构件长度

6、之和(其余两构件长度分别为 11、12),则该机构中必存在 整转副，且最短构件两端的转动副为整转副。即整转副存在的长度条件为1max+1min<=11+12反之，若1max+1min>11+12 ,则机构中没有整转副。(2)曲柄存在的条件最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和。连架杆与机架两构件中必有一个是四构件中的最短杆。钱链四杆机构基本类型的判别方法在钱链四杆机构中最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长 度之和时:a.取最短构件相邻的构件作为机架，则该构件为曲柄摇杆机构；b.若取最短构件作为机架，则该机构为双曲柄机构；c.若取对短构件对面的构件作为机架

7、，则该机构为双摇杆机构。当对短构件与最长构件长度之和大于其余两构件长度之和时，则不论取那个构件作为机架，机构均为双摇杆机构。1.3 钱链四杆机构的演化在实际应用中还广泛采用者滑块四杆机构，它是由钱链四杆机构演化而来 的，含有移动副的四杆机构，称为滑块四杆机构，常用的有曲柄滑块机构，导杆 机构，摇块机构和定块机构几种形式。(1)曲柄滑块机构在如图所示的曲柄摇杆机构中，当曲柄1绕轴A转动时，较链C将往复摆动。 设将摇杆3做成滑块形式，并使其沿原话导轨往复移动，显然其运动性质并未发 生改变；但此时钱链四杆机构已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构。 于是钱链四杆 机构将变为常见的曲柄滑块机构。曲柄转动中心至

8、滑块导路的距离 e,称为偏距，若e=0则将其称为对心曲柄 滑块机构；若ew0则将其称为偏心曲柄滑块机构。设构件AB的长度为11,构件BC的长度为12 ,则保证杆AB杆成为曲柄的条 件是：11+e <12 0曲柄滑块机构用于转动与往复移动之间的运动转换，广泛应用于内燃机、空 气压缩机、冲床和自动送料机等机械设备中。曲柄滑块机构中，若取不同构件作为机架，则该机构将演化为定块机构、摇 块机构或导杆机构等。图1-6四连杆机构的演化（a）曲柄摇杆机构；（b）曲柄滑块机构；（c）导杆机构（ 2）定块机构在图所示曲柄滑块机构中，如果将滑块作为机架，则曲柄滑块机构便演化为定块机构。（ 3）摇块机构，如图

9、所示曲柄滑块机构中若取2 为固定构件，则可得摇块机构，这种机构广泛用于液压驱动装置中。（ 4）导杆机构如图所示曲柄滑块机构中，若取构件1 作为机架，则曲柄滑块机构便演化为导杆机构。机构中构件4称为导杆，滑块3相对导杆滑动，并和导杆一起绕A点 转动，一般取连杆2为原动件。当11 <12时，构件2和构件4都能做整周转动， 此机构称为转动导杆机构。当11 >12时，构件2能做整周转动，构件4只能在某一角度内摆动，则该机构成为摆动导杆机构。连杆机构机传动特点1. 连杆机构中的运动副一般均为低副，因为低副两元素为面接触，故在传递同样载荷的条件下，两元素间的压强较小，可以承受较大的载荷，而且几

10、何形状简单便于加工制造。2. 在连杆机构中，但原动件以同样的运动规律运动时，如果改变各构件的相对长度关系，便可使从动件得到不同的运动规律。3. 在连杆机构中，连杆上不同点的轨迹是不同形状的曲线（特称为连杆曲线） ，而且随着各构件相对长度关系的改变，这些连杆曲线的形状也将改变，从而可以得到各种不同形状的曲线，可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。4连杆机构还可以方便的用来达到增力、扩大行程和实现较远距离的传动等目的。第2章四杆机构的基本特性2.1 四杆机构的极位曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄为原动件作整周连 续转动时，从动件做往复摆动或往复移动的左右两个极限位置称为极位。2.

11、2 四杆机构从动件的急回特性如图示，四杆机构从动件的回程所用时间小于工作行程所用的时间，称为该机构急回特性。图2-1 曲柄摇杆机构的急回特性急回特性用行程速比系数K表示极位夹角9 从动摇杆位于两极限位置 时，原动件两位置所夹锐角。8越大，K越大，急回特性越明显。急回特性能满 足某些机械的工作要求，如牛头刨床和插床，工作行程要求速度慢而均匀以提高 加工质量，空回行程要求速度快以缩短非工作时间，提高工作效率。2.3 连杆机构的传力特性传动角与压力角：如图示在机构处于某一定位置时，从动件上作用力与作用 点绝对速度方向所夹的锐角a称为压力角。压力角的余角Y ( 丫 =90 O- a )作为 机构的传力

12、特性参数，故称为传动角。在四杆机构运动过程中，压力角和传动角是变化的，为使机构具有良好 的传力特性应使压力角越小越好，传动角越大越好。通常规定：a max < a许用压力角或y min < y 许用传动角最小传动角T min出现的位置：曲柄与机架的两个共线位置，如图示同理， 曲柄滑块机构最小传动角出现在曲柄与导路垂直位置。p-图2-2 连杆机构的传力特性2.4 死点位置当机构在运动过程中，出现传动角为零时(或压力角为90° ),由于Pt = 0, 则无论P力多大，均不能驱动从动件运动。这种“顶死”的现象称为机构的死点 位置。死点出现在两类机构中：(1)曲柄摇杆机构、曲柄滑

13、块机构和曲柄导杆机构中，作往复运动的构件为 主动件时，曲柄与连杆共线位置会出现死点。(2)平行四边形机构中，当主动曲柄与机架共线时，连杆也与输出曲柄与机架 重合，从动件曲柄上传动角等于零，它将可能朝两个方向转动，也称为死点位置。«*土甘威贷两网s,W：£5： “ 蛔X淤上:灵聒明目！5打射3研01.2A上午Hit：不噌曰恬的NX三例在拈 Gw文件工 (e! 4注£a1上14k岫a4，*sagJ第3章四连杆的三维造型3.1 机架的三维造型打开UG5.Q新建文件。点击新建按钮，系统弹出文件新建对话框。在名称文本框 中输入文件名称jijia ;单击确定，进入建模环境。用

14、4=B戊i泡工式用吉MHSIR尼曲Mt用l外残恭计她就4*Hkl ft±k If至3%畲建炳湖：*hh.PFfl£利看 E4lH!i£*tE色电总离讨电,域置毛任KFFH才引HI的国尸rss iiis-1图3-1新建对话框单击长方体按钮输入长度10,宽度288,高度20。图3-2特征工具栏图3-4新建长方体选择边倒圆按钮，输入半径10,在长方体两边倒圆。图3-5特征操作工具栏图3-6边倒圆对话框图3-7边倒圆后的长方体选择圆柱体按钮，在长方体两边建立两个圆柱凸台，输入高度5,圆的直径20图3-8圆柱对话框图3-9在两端加圆柱体凸台选择圆柱体按钮，在凸台上建立两个圆

15、形孔。3.2 连架杆1的三维造型新建文件系统弹出文件新建对话框。在名称文本框中输入文件名称lianjiagan ;单 击确定，进入建模环境H；.厚立的 Sinfj钝n的5旧国latentIS: *3 tit布斛上短黜口： WLam酬的上手 «nf I SM tCSYSAfiirM£itrra 5TSTH 5JKTP ZlTEl 三鸥TEI smi® nTEISW： litilAfrpin文件其(r； 'mEEiixrcijHXDMiD1师：|倒即他科nssnrw)图3-11新建对话框单击长方体按钮，输入长度10,宽度200,高度20,单击确定按钮图3-12

16、 长方体对话框单击边倒圆按钮，在长方体两边倒圆，半径输入10。图3-13边倒圆后的长方体在一端建立凸台，高度20,直径10。如图4-14图3-14在一端建立凸台在另一端建立一个直径20高度为5的圆柱体，在圆柱体上面建立凸台，直径10,高度15。图3-15建立凸台图3-16 连架杆13.3 连架杆2的三维造型1、新建文件系统弹出文件新建对话框。在名称文本框中输入文件名称lianjiagan ; 单击确定，进入建模环境。2、单击长方体按钮，输入长度10,宽度112,高度20,单击确定按钮。3、单击边倒圆按钮，在长方体两边倒圆，半径输入10。4、在一端建立凸台，高度20,直径10。在另一端建立一个直

17、径20图度为5的圆柱体，在圆柱体上面建立凸台，直径10,高度15。图3-17 连架杆23.4 连杆的三维造型新建文件，系统弹出文件新建对话框，在名称文本框中输入名称liangan ,单击确定，进入建模环境。用湖式1豺*2S四WK119献IM留SK隹升业12曲£q唯向陈酹£何耀号料W.E舸由印，flW.EKE电 pue电 FTfHjE口租33FHISTJTO*svsra* srsra* sisra* si*5TSTB* si*fiigi «*?血i W丽好ji-rc»ti 掰 1 摘r fiiT：ai 上工 a+i =甘团 E 的 HI3I自件 |11ue

18、J量引用的留件A图3-18新建对话框单击长方体按钮，输入长度10,宽度208,高度20,单击确定>tI、长方惦XI会里0O0布黑掾作焉定T应用JI取.消J图3-19长方体对话框选择边倒圆按钮，在两边倒圆，输入半径 100图3-20边倒圆后的长方体在两边建立两个直径10的孔图3-21 连杆第4章四连杆的虚拟装配4.1 进入装配模块1 .启动UG NX新建一个文件。2 .单击【标准】工具栏中的心开始按钮，在弹出的下拉菜单中选择【装 配】命令，进入装配模块。4.2 添加组件机架在菜单栏中选择【装配】【组件】 【添加组件】命令，或者单击装配工具栏中的按钮，弹出【添加组件】对话框，如图所示。单击

19、按钮，弹出【部 件名】对话框，根据组件的存放路径选择组件机架jijia.prt ,单击厂礴品一按钮, 返回到【添加组件】对话框设置定位为“绝对原点”，单击【确定J按钮,将实体 定位于原点，结果如图所示遂Ml第件Q 一 片图4-1添加组件对话框图4-2添加机架4.3 装配连架杆1,单击【确定】按以“配对”的定位方式打开连架杆1组件lianjiaganl.prt钮进入配对条件对话框图4-3配对条件对话框5-5所示红色的单击配对按钮”,选择如图5-4所示红色的面，再选中如图 面，单击确定按钮。所示的红色的面,单击邮可按钮选择图5-6所示的红色的面，再选中如图5-7 单击确定按钮诵至口，最后得到如图5

20、-8所示图4-4装配关系L J图4-6装配关系图4-7装配关系图 4-81央配连架杆1图4-54.4 装配连架杆2同装配连架杆1,以“配对”方式打开连架杆 2组件lianjiagan2.prt ,单 击口田按钮，装配结果如图5-9所示。图4-9装配连架杆24.5 装配连杆同装配连架杆（1） /（2） 一样以“配对”方式打开连杆组件liangan.prt , 单击l&V!按钮，进入配对条件对话框如图所示，单击配对类型里面的配对 也 按钮，选择如图5-11所示的红色的面，再选中如图5-12所示的红色的面，单击福空口按钮，再单击中心按钮，选择如图5-13所示的红色的面，再选中如 图5-14所

21、示的红色的面，单击）确定按钮,再单击业.按钮，选择如图5-15所 示红色的面，再选中如图5-16所示红色的面单击：确定按钮,再单击.应用,按 钮，得到最终装配图如图5-17所示。、膏对某件X我消得1图4-10”配对条件”对话框图4-11装配关系图4-12装配关系图4-13装配关系图4-14装配关系图4-15装配关系图4-16装配关系图4-17 完成的装配图第5章 四连杆机构的运动仿真四连杆机构的运动分析，就是对机构上的某点的位移、轨迹、速度、加速度 进行分析，根据原动件的运动规律，求解出从动件的运动规律。四连杆机构的运 动设计方法有很多，传统的有图解法、解析法和实验法。通过UGNX软件，对四连

22、杆机构进行三维建模，通过预先给定尺，之后建立 相应的连杆、运动副及运动驱动， 对建立的运动模型进行运动学分析， 给出构件 上某点的运动轨迹及速度和加速度变化的规律曲线，用图形和动画来模拟机构的实际运动过程，这是传统的分析方法所不能比拟的。运动仿真是基于时间的一种运动形式，即在指定的时间段中运动，UG的仿真分析过程分3个阶段进行：前处理（创建连杆、运动副和定义运动驱动）；求解 （生成内部数据文件）；后处理（分析处理数据，并转化成电影文件、图表和报表 文件）。5.1 新建仿真打开运动导航器，在文件名上右击新建仿真，选择动力学，单击确定按钮剧启功导城建图5-2环境对话框5.2 新建连杆单击按钮2,打

23、开新建连杆对话框，如图所示图5-3连杆对话框选中连杆1,点击一应用创建连杆lool ,再选中连杆2点击飞拜门创建连 杆loo2 ,再选中连杆3点击.一应用创建连杆loo3 ,再选中连杆4点击一应用J创 建连杆loo4 ,最后单击取消。打开运动导航器在运动导航器里面可以看到新建的四个连杆，在连杆4上面右击选择固定连杆，把连杆4设置成固定的。如图所示犷-«oti oh_L-5 % 口 nk 工 时,为W0L 时q LME 项 IDOS 时落皿4 而回'=JoinAs;中运助与版者1徵务号凌 旗由国国5 0&12 3fgffi图5-4运动导航器中显示的连杆图5-5固定连杆l

24、oo45.3 创建运动副考虑到连杆与连杆之间考旋转副连接均作， 将建立4个运动副，其中有2个 运动副固定，为了使4个连杆的运动有连贯性，必须在创建运动副时， 在各连杆 之间建立联系，使各部件运动结成一个整体。单击工:打开创建运动副对话框，如图所示，选择连杆1,创建旋转副指定驱动类型为恒定初速度为10单击.一应用按钮创建旋转副运前新J -图5-6运动副对话框图5-7设置驱动类型选择连杆2,在咬合连杆上打上勾，让其咬合连杆1,如图所示。单击【确定】按钮创建第二个运动副。定文,席括|拒劭侬,.定 6 j I期清图5-8创建运动副对话框选中连杆3,在咬合连杆上打上勾，让你咬合连杆 2。单击【确定】按钮

25、,创 建第三个运动副。选中连杆3,在连杆3和连杆4咬合的中心建立旋转副，如图所示。单击确定胺钮,创建第四个运动副。图5-9运动副对话框图5-10解算方案对话框单击按钮进行解算，设置时间为100,步数为100,勾选步数下的通过 按循定】进行解算，点击确定进行解算。经过解算，可对四杆机构进行运动仿真显示及其相关的后处理，通过动画可以观察机构的运动过程，并可以随时暂停、倒退，选择动画中的轨迹选项，可以 观察机构的运动过程，还可以生成指定标记点的位移、速度、加速度等规律曲线。第 6 章 四连杆的运动仿真分析我们知道，连杆上转动副为周转副的条件是：最短杆长度+最长杆长度之和W其余两杆长度之和：组成该周转

26、副的两杆中必有一杆位最短杆。分析：由预先给定的连杆长度数据，连杆 1长度+机架长度0其余两杆长度之和；所以转动副连杆1 和机架之间的转动副为周转副，连杆1 为曲柄， 所以该机构应该为曲柄摇杆机构。点击运动仿真可以看到连杆正如分析的一样周转起来，确实是个曲柄。6.1 运动副图表分析曲柄（连杆1）为原动件，在其转动一周后，有两次与连杆2共线，如图所示。这时摇杆（连杆3）分别处于两个被称为极位的位置，当曲柄以等角速转动一周时， 摇杆将在两个极位之间摆动，而且较明显地看到从一个极位到另一个极位要用的时间长，这就是摇杆的急回特性。摆杆角速度变化为了用UG定量地说明摇杆的急回特性，可以用 UG中的Grap

27、hing功能，选 定连杆2与连杆3构成的旋转副，Y轴属性请求选择速度，分量选择角度幅值，即表示角速度，接着点击确定输出图标，即可得出如图7-3所示图标。从表可以 知道，摆杆从曲柄和连杆重合位置到曲柄和连杆共线位置需要 20s,从曲柄和连 杆共线到曲柄和连杆重合需要16s,从时间上说明了摆杆的急回特性。图6-1摆杆角速度变化曲线运动副1的分析因为机架是固定不动的，所以运动副1的角速度应该为0,如图所示图6-2 机架的角速度的变化曲线运动副2的分析运动副2设置的是恒定角速度为10度/秒，由图7-5所示可以看出其角速度为10度/秒11HP10. Mtiu图6-3曲柄的角速度变化曲线运动副3的分析TineTuOQO：3LOOD2-lDD2Q.OOO3O.OODIQO.CO