毕业论文-平面连杆机构运动分析和可视化仿真.doc
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1、黄石理工学院毕业(设计)论文摘 要机构分析与仿真是机构设计的重要内容,其中对连杆机构的研究较多。对于结构类型比较固定的机构,已经有不少的研究成果,但在机构的综合问题上还需要进一步的研究完善。本文叙述了平面连杆机构运动分析和可视化仿真的理论,比较分析了多种机构的分析方法后,运用基于杆组的机构组建理论对机构进行了运动分析,利用Turbo C语言在数学处理方面的优势,采用C语言编程,开发了一套平面连杆机构运动分析和动态模拟仿真系统。该系统可以任意组建机构,不限制机构组成构件的数目,综合度较高;修改完成后进行机构的预运行,提出了机构可行性的概念,解决了在运动模拟中机构在某一角度位置不满足装配条件时,计
2、算出错的问题,保证了任意搭建的机构均能实现运动模拟;对机构在整个周期内的可行性进行了计算分析并记录相应信息,随后进行动态模拟仿真,可根据需要输出任意构件点的位移、速度、加速度曲线和相应文字信息,形象直观。该系统界面美观,人机交互性能强,并有较强的容错机制,操作时根据文本提示,不需要很强的专业知识。使用该系统,我们可以优化设计新机构,并对机构进行运动模拟,观察机构运动过程中的情况,预测设计缺陷,提高设计效率。本论文的创新之处:1.用基于杆组的思想来组建机构,并可以任意的添加和修改,在动态仿真中可以观察到机构比较“真实”的运动情况,并有相应数据和图表信息的显示。2.对机构运行的可行性进行了分析研究
3、,对机构运动仿真前,在后台进行了机构运动模拟的预运行,甄别任意组建的机构在整个周期运动中不满足装配条件的角度并记录,而展现给用户的则是机构在可行域内连续的运动情况,提高了程序的运行效率,并且使得程序的使用更加合理化和美观化。关键词:平面连杆机构、运动分析、杆组、Turbo CAbstract Mechanisms analysis and imitation is the key content of the mechanisms design, in which the planar linkages analysis is more than others. To the mechanis
4、m whose structure style is fixed, there have many researches, but their synthesis is still need to be researched. This paper describes the theories of planar linkages movement analysis and visualization simulation, after comparing with several ways of the mechanisms analysis, adopt the mechanisms co
5、nstruction theory based on rod-group and analysis the mechanisms movement, take the Turbo advantage in math display, adopt Turbo c as the program language, exploit a system of planar linkages movement analysis and dynamic simulation and imitation. This system can construct mechanism at random, no li
6、mitation in the number of the construction, the synthesis is very high; after amend, make the re-circulate, propose the conception of feasibility, resolve the problem that when the mechanism is not accord with the assemble condition the system will make wrong, so to ensure that the mechanism which c
7、onstructed at random can make dynamic imitation; count and analysis the feasibility of the mechanism in whole period, then register all the information, and make dynamic simulation, and can output any components curve of displacement,edacity, acceleration and corresponding text information according
8、 to the need, it is visualize and view. This systems interface is very beautiful, and its communion ability between people and computer is very good, and also has a good form in dealing with the fault, when manipulate, we can infer form the hint text, so it is not need special knowledge in using it.
9、 Using this system, we can optimize and design new mechanism, and make movement simulation, observe the status of the mechanisms movement, forecast the bug of the design and so to improve the design efficiency. The innovations of the paper: 1. Set up the mechanism on the basis of rod-group, and can
10、add or amend freely, during the course of dynamic simulation, we can observe the real movement of the mechanism, and also the corresponding data and figure be displayed. 2. Make analysis on the feasibility of the mechanisms movement, before simulation, count and analyze the mechanism in the backstag
11、e, so as to find out in which angel the mechanism accord with the assemble condition and in which angel not, then the pictures showed to the user is the continuous movement, such improve the run efficiency, and make the programs use be more rational and beautiful.Key Words: Planar Linkage, Movement
12、Analysis, Visualization Simulation Rod-Group MATLAB, Dynamic Simulation and Limit.目 录摘要ABSTRACT第一章 绪论11. 1平面连杆机构运动分析的国内外研究现状11. 1. 1平面连杆机构的发展现状11. 1.2连杆机构分析的历史与现状11.2平面连杆机构运动分析综合和动态仿真的国内外研究现状41.2.1连杆机构分析的常用方法41.2.2连杆机构运动分析仿真软件研究现状及发展51.3本文研究的内容和意义61.3.1本文研究的内容61.3.2本文研究的意义71.4平面连杆机构的组成原理81.4.1研究机构组成
13、的目的81.4.2平面连杆机构的组成原理9第二章 平面连杆机构的运动学分析112.1 引言112.1.1机构运动学分析的目的112.1.2机构运动分析的常用方法1122曲柄、基本杆组的运动学分析122.2.1 曲柄运动学分析122.2.2 RRR级杆组运动学分析132.2.3 RRP级杆组运动学分析142.2.4 RPR级杆组运动学分析15第三章 平面连杆机构的动力学分析173. 1 引言173.1.1 机构动力学分析的目的173.1.2 机构动力学分析的方法173.2曲柄、基本杆组动力学综合183.2.1 曲柄动力学分析183.2.2 RRR级杆组的动力学分析19第四章 基于C语言的计算机辅
14、助设计214.1 Turbo C 发展概况:214.2 C语言介绍22第五章 平面连杆机构的C语言编程仿真实例245.1 铰链四杆机构的实例分析24第六章 结论与展望286.1结论286.2展望28参考文献30致谢3231第一章 绪论1. 1平面连杆机构运动分析的国内外研究现状1. 1. 1平面连杆机构的发展现状18世纪下半叶的第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展,机构学在原来的机械力学的基础上发展成为一门独立的学科。早在13世纪连杆机构就己得到应用,最简单的连杆机构是四杆机构,也是出现最早的一种连杆机构。对连杆机构的研究起始于18世纪著名发明家瓦特,1784年他所发明的蒸汽机中曾应用四
15、杆机构连杆点的近似直线运动导引机构中的另一个杆运动.瓦特在蒸汽机中应用连杆点的运动多年后,人们才认识到连杆运动的作用,但由于当时缺少连杆运动特性方面的理论基础,限制了其应用的发展,直到19世纪80年代后,才相继出现了一些有关连杆方面的文献。近百年来,世界各国学者对连杆机构进行了大量的研究,其论文、专著和评述很多.对连杆机构的不断深入研究,就在于连杆机构无论是过去还是现在,都对机械工业乃至整个生产业的发展有着重要的意义和作用.19世纪以来,以几何图解法为主导的德国机构学学派曾对连杆机构的研究做出了巨大的贡献,其研究成果长期处于世界领先地位。二次世界大战后,借助于计算机技术的发展,使连杆机构在生产
16、实际中的应用又有了新的突破,开辟了很多新的分支。在平面连杆机构中最基本的形式为四杆机构,关于四杆机构的分析己进行了不少研究工作。但是不论在运动学及动力学方面,四杆机构仍有进一步研究的必要。至于五杆以上的多杆机构,特别是多杆多自由度机构,目前的工作还很不完善。四连杆机构虽然结构形式简单,而且应用广泛,但其所能实现的功能也比较简单,随着机械自动化、机械手、机器人的发展,人们对机构所需满足的运动特性及动力特性有更高的要求,在国际上也十分注重这方面的工作。连杆机构 是工程实际中应用最广泛的机构,是组成各种机械系统的基础,如活塞发动机,各种纺织机械、印刷机械等,因此连杆机构的研究一直是机构学领域中的研究
17、重点。连杆机构的研究包括两个方面:连杆机构分析与连杆机构综合。1. 1.2连杆机构分析的历史与现状连杆机构分析着重在于连杆机构结构学、运动学及动力学特性的研究,揭示连杆机构的结构组成、运动学与动力学规律及其相互关系,用于现有机械系统的性能分析与改进。连杆机构的运动分析在连杆机构分析中占有重要的地位,因此本文着重介绍连杆机构运动学分析的发展情况。连杆机构的运动学分析包括三个方面的内容:位置分析、速度分析和加速度分析。连杆机构运动学分析的基础是理论力学中的运动学,它的研究历史较早,经过几代学者们的努力,现己形成了较为成熟的连杆机构分析的理论与方法。早期的机构学研究者就己建立了连杆机构运动学分析的方
18、法,如图解法、实验法和解析法等。图解法可分为速度瞬心法、速度和加速度多边形法191等;图解法直观、简单,但精度低。实验法需要专门的实验器材,而且实验的精度受到很多客观和主观因素的限制,在机构分析中己经不大常用。解析法公式复杂,如果没有先进的计算工具,只能用于简单机构的运动分析,但其计算精度高,随着计算机技术的发展,解析法则成了机构分析的主要手段。到目前为止,计算辅助机构运动学分析的方法可分为三类:矢量三角形法、约束法、基本杆组法和数值法。1) 矢量三角形法:一个平面机构的机构简图的图形总可以划分为若千个三角形,基于这种思想,将平面机构的位置分析问题归纳为求解一系列三角形问题,并采用复数矢量方法
19、来描述三角形。此法由M.A.Ch ase创建,牧野洋对此法做了一些改进,所以此法又称为擎斯-牧野洋法。D.W.Cooper等人于1964年基于此理论开发了第一部公开发行的平面连杆机构运动分析软件KAM(Kinematic Analysis Method)。M.A.Chase等人在Michigan State University开发了DRAM (Dynamic Response of Articulated Machinery),它适用于平面连杆机构的运动及动力分析,所用的理论也是矢量三角形法。2)基本杆组法:此法的出发点是,以机构中不可再分的自由度为零的运动链作为机构的基本单元,此单元称为基
20、本杆组或者阿苏(ACCYP/ASSUR)杆组。阿苏尔提出基本杆组概念后,阿尔托包列夫斯基又提出了机构分类的方法,涉及到了II级杆组五种形式的运动分析。基本杆组法是以机构中的“阿苏尔杆组”为基本单元,按各基本单元编制通用的运动分析子程序,在进行机构运动分析时,先将机构划分成基本杆组,然后逐个对每一基本杆组进行运动分析,最终完成整个机构的运动分析。根据基本杆组内部封闭的运动副个数不同,可以分为若干级,而每一级又因转动副和移动副的不同组合分为若干种。对于某一基本杆组来说,就被称为第几种几级组。由于基本杆组具有运动的确定性和力的稳定性,可事先对各种基本杆组编制成相应的算法模块。1981年,东北重型机械
21、学院的黄真教授提出简单方便的杆长逼近法四去确定阿苏尔三悬杆组的位置,对平面多杆机构进行位置分析。1985年,哈尔滨工业大学的王知行、李瑰贤教授对用杆组法进行运动分析作了深入的研究,给出连杆机构的II级杆组运动分析子程序。与此同时,北京邮电学院的梁崇高教授给出某些级II杆组的运动分析的子程序,解决了某些H,II级杆组的运动分析问题,但对于某些高级杆组的运动分析尚未解决。1987年,上海交通大学的邹惠君教授提出用虚拟机构法解决了高于II级杆组的机构分析问题,其基本思想是将平面高级杆组分解成两个具有同一原动件的II级机构,把它们的同名点的距离平方作为分离函数,对分离函数求解可解得平面高级杆组的位置。
22、同年,北京航空学院张启先教授提出用拆杆拆副法1151作平面多杆机构运动分析,该方法可用于复杂机构的运动分析,但公式推导较复杂。学者们在不断地总结完善已有的机构分析的方法探求机构分析的新方法,如文献17研究了平面八杆以内机构的运动分析,其特点是在求解机构位置时不需要给出位置初值,且能获得机构位置的多解。国外对机构分析的研究几乎与国内并行进行,1986年意大利学者C.U.Galleti和日本学者H.Funabashi提出将机构看成由元掩架组成,首先求出元析架的位置,然后便可确定整个机构的位置,这种方法实质上与基本杆组法类似。3) 约束法:把平面机构看成由一些相互之间受到一定约束的基点构成的系统,建
23、立起这些约束条件的数学模型,并编制分析程序以完成机构的运动分析,这种方法称为约束法。在此基础上建立起这些约束的数学模型,并编制成通用的子程序,提供给求解各种机构分析或综合问题时使用。约束法本身也是多种多样的,不同作者所定义也不尽相同。P.N Sheth,J.J. Ui ker.Jr 等人于20世纪60年代期间在美国University of Wisconsin大学开发的IMP就是基于这种理论。80年代以后,随着计算机图形图像显示技术的实用化,一些欧美国家已经可以将所设计的机构在计算机中以三维实体来描述,从而可以显示出它在整个运动周期循环中的各个侧面,以观察机构的各个构件实际运动中的空间运动情况
24、。例如:美国Mechanical Inc.公司研制的ADAMS (Automatic Dynamic of Analysis Mechanical System)软件就是集建模,求解,可视化为一体的虚拟样机软件。它可以产生复杂机械系统的虚拟样机,真实地仿真其运动过程,并且可以同时分析和比较多种参数方案,直至获得优化的工作性能。近年来国内的学者在平面连杆机构运动分析方面做了很多富有成效的工作。1981年,法国学者Javier Garcia de jalon介绍T如何用约束法对平面低副机构进行运动分析,该方法首先把机构看成具有一定约束点的集合,运用有限元法的一些技巧,形成所求机构的位置、速度和加速
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