毕业论文-平面连杆机构运动分析和可视化仿真.doc

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，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 C

Abstract

Mechanism's analysis and imitation is the key content of the mechanism's design, in which the planar linkage's analysis is more than others. To the mechanism 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 linkage's movement analysis and visualization simulation, after comparing with several ways of the mechanism's analysis, adopt the mechanism's construction theory based on rod-group and analysis the mechanism’s movement, take the Turbo advantage in math display, adopt Turbo c as the program language, exploit a system of planar linkage's movement analysis and dynamic simulation and imitation. This system can construct mechanism at random, no limitation 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 constructed 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 component's curve of displacement，edacity, acceleration and corresponding text information according to the need, it is visualize and view.
This system's 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. Using this system, we can optimize and design new mechanism, and make movement simulation, observe the status of the mechanism's 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 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 mechanism's movement, before simulation, count and analyze the mechanism in the backstage, 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 program's use be more rational and beautiful.

Key Words: Planar Linkage, Movement Analysis, Visualization Simulation Rod-Group MATLAB, Dynamic Simulation and Limit.

目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 1
1. 1平面连杆机构运动分析的国内外研究现状 1
1. 1. 1平面连杆机构的发展现状 1
1. 1.2连杆机构分析的历史与现状 1
1.2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 4
1.2.1连杆机构分析的常用方法 4
1.2.2连杆机构运动分析仿真软件研究现状及发展 5
1.3本文研究的内容和意义 6
1.3.1本文研究的内容 6
1.3.2本文研究的意义 7
1.4平面连杆机构的组成原理 8
1.4.1研究机构组成的目的 8
1.4.2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 11
2.1 引言 11
2.1.1机构运动学分析的目的 11
2.1.2机构运动分析的常用方法 11
2．2曲柄、基本杆组的运动学分析 12
2.2.1 曲柄运动学分析 12
2.2.2 RRRⅡ级杆组运动学分析 13
2.2.3 RRPⅡ级杆组运动学分析 14
2.2.4 RPRⅡ级杆组运动学分析 15
第三章 平面连杆机构的动力学分析 17
3. 1 引言 17
3.1.1 机构动力学分析的目的 17
3.1.2 机构动力学分析的方法 17
3.2曲柄、基本杆组动力学综合 18
3.2.1 曲柄动力学分析 18
3.2.2 RRRⅡ级杆组的动力学分析 19
第四章 基于C语言的计算机辅助设计 21
4.1 Turbo C 发展概况： 21
4.2 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 24
5.1 铰链四杆机构的实例分析 24
第六章 结论与展望 28
6.1结论 28
6.2展望 28
参考文献 30
致谢 32

31
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。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。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、速度和加速度方程，借助于计算机对方程组进行求解，得到机构的参数。1985年，天津纺织工学院的傅保罗以文献中所介绍的数学模型和方法为基础，采用一般的数学表达式，对平面低副机构的位置、速度和加速度进行了分析求解,80年代后期，杨廷力，沈惠平等人采用状态变量法开发的KAPL,采用的理论是杨廷力提出的状态变量法。西安理工大学的曹惟庆，褚金贵等人采用型转化理论和广义型转化理论开发了一套自动化程度较高的对任意平面连杆机构进行运动分析和力学分析的通用软件KDAS,1992年，美国学者G.R. Pe nnock又采用建立约束方程的方法对用于平台型机器人的一种八杆机构进行了运动分析.1997年，意大利学C.Innocenti采用建立约束方程的方法，对7杆阿苏尔运动链进行了位置分析。对于八杆以上的多杆机构的运动分析比较因难，直到1999年，美国学者C.W Wampler和北京邮电学院的L.Han才利用复数法解决了多杆机构运动分析的问题。
4) 数值法。对于得不出显函数关系的高级机构，往往出现非线性方程组，需要引用数值解法，应用逼近理论进行迭代求解方面的奠基人有齐诺维也夫，Newton-Raphson等，我国学者曹惟庆在他的著作中也介绍了这种方法。文献的的作者于1995年将数值法与解析法结合起来对平面连杆机构进行分析，给出了用复合法进行连杆机构分析的新方法。经国内外学者的努力，到目前为止，已形成了较为成熟的连杆机构运动分析的理论与方法。
1.2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
1.2.1连杆机构分析的常用方法
机构的研究内容主要有连杆机构，凸轮机构和槽轮机构等。连杆机构广泛的应用于农业、纺织、机械、冶金等行业中，因其具有以下特点:1)运动副一般为低副，可承受较大载荷，且不易产生大的磨损，此外，其形状简单，便于加工制造;连杆上各不同点的轨迹各不相同，改变各杆件相对长度关系，则连杆曲线的形状也随之改变，从而实现各种运动输出。因此对连杆机构进行运动分析和模拟仿真具有实际意义。在我国的机构设计中一般是用手工计算来完成机构运动学和动力学分析，到目前为止我国的制造行业大多数仍在使用这种方法。实际上，这种传统手工方法存在诸多弊端.首先,其工作效率非常低下，计算机构中一个杆件在一个位置上的一个点的位移、速度、加速度和反力可能要花费几天的时间，要完成一个杆件的所有杆件上的任意点在整个运动周期内的所有运动学和动力学参数计算所需的时间就长得多了，在科学技术飞速发展的信息时代的当今，这是不允许的。所以，实际上传统手工计算仅仅是一种凭经验作了极大简化处理的粗略计算，就算如此，还是大大地延长了设计周期。其次 ，由于工作效率低下和手工作图计算的不准确，必然造成分析结果的可信度大打折扣。其三 ，传统手工计算输出的结果是数字，不够生动形象，给方案评价带来不便。其四,某些复杂机构的分析必须求解复杂方程组，用手工计算无法完成，必须借助于数值计算方法才能解决。计算机辅助机构分析与仿真技术是借助于计算机和相应的建模和分析软件来完成机构的运动学和动力学分析并实现运动过程的动态模拟，即使是复杂的机构，也可以在很短的时间内完成整个建模、分析和仿真过程。它克服了传统手工方法的所有缺点，可大大缩短设计周期，保证分析结果的正确性，生动形象地模拟运动过程，能解决用手工计算无法完成的复杂机构的分析。
1.2.2连杆机构运动分析仿真软件研究现状及发展
国外CAD领域中，关于机构分析与仿真技术的研究开展得较早，美国CADSI, Mechanical Dynamics Inc, Working Model等专业公司的机构运动学和动力学分析与仿真软件DADS,ADAMS, Working Model等早已商品化，长期占据国际领先地位，UG,I-DEAS, PRO/ENGINEER,C ADDS5, EUCLID,CATIA等大型的CAD/CAM/CAE/P DM软件都有自己的机构分析与仿真模块(有些是将专业公司的机构分析软件子集嵌入其中)。最近在PC和Windows平台上崛起的Solid Works, Solider Age, MDT等所谓中档CAD系统，无一例外地都把CADSI. Mechanical Dynamics Inc.等公司的机构分析软件作为其集成方案中的重要子系统之一。机构分析与仿真软件在全球的内燃机、飞机、汽车、工程机械、冶金机械、石油钻采机械、纺织机械、轻工自动机械等行业中得到广泛的应用，同时在教育教学领域也应用广泛。国内关于机构运动学和动力学分析与仿真技术的研究也开展得较早，机械学专业的一大批老资历专家和学者在这方面做了大量的研究工作。如果单从机构运动学和动力学分析的理论研究来讲，我国目前的水平可能比国外并不落后。但是，有一个比较大的问题，就是这些工作长期停留在传统技术领域，研究成果都只是一些概念、算法，主要是编一些计算程序或绘出简单的运动分析曲线和图谱，使用的是像Fortran或BASIC等结构化程序语言，几乎没有人把它与高技术相联系。所以，到目前为止，没有一个能适应CIMS(计算机集成制造系统)需求的能与CAD系统集成的机构运动学和动力学分析与仿真软件，这方面的研究开发工作在国内尚属于起步阶段。
总之 ，国外的软件在人机交互，图像图形处理和可视化方面比较好，但与此同时该软件也存在缺点，其中一个比较普遍的问题就是在运动分析中一般采用非线性方程组迭代法求解，速度慢，特别是对于比较复杂的机构就会更慢，有时甚至不能收敛。国内的机构运动分析方面的软件在机构运动分析及受力分析与通用程序方面虽然已经达到了世界先进水平，但在结合产品进行机构系统运动学和动力学分析，优化和计算机仿真，人机交互及图象处理，可视化等方面，则与国际先进水平有明显差距。目前 ,我国制造业使用的机构分析与仿真软件几乎完全依赖进口，付出了昂贵的代价，而国内自主版权的同类软件几乎没有，因此，从提高我国制造业的新产品开发能力和发展高技术软件产业的角度来看，开展计算机辅助机构分析与仿真技术及软件的研究开发具有十分重要的现实意义和必要性。
1.3本文研究的内容和意义
1.3.1本文研究的内容
在各种机构形式中，连杆机构的特点表现为具有多种多样的结构和特性，仅就平面连杆机构而言，即使其构件数目被限制在很少的情况下，大量的各种可能的结构形式在今天仍难以估计。连杆机构具有很多方面的优点，因而在各种机构中得到了广泛的应用。当前对于某一特定机构如:四连杆机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等工程中常见机构都有很好的现成的计算方法。传统的分析方法(如矢量方程法、矩阵法等)对不同机构均需单独编程，不容易建立通用软件，也就难以发挥计算机准确快速的优越性，影响了对机构问题的研究，如何编一个解决机构分析的通用程序成了一个待解决的问题。
本课题的出发点:1.具有设计和教学双重价值，面向机构设计者及学生。2.具有实用性、交互性，总体上要求先进、实用、易用，既有良好的用户界面和适时交互能力，操作方便，对用户的专业要求尽量低。3.具有易扩展性、开放性，系统具有易于功能维护和扩展的能力。4.具有高度的容错性和可靠性，系统在分析计算中运行可靠，不要出现意外的情况。系统完全使用模块化的设计方法和技术，充分利用当今先进编程技术，使软件具有流行的风格，便于使用。本人研制了一个连杆机构运动分析和动态仿真系统，该系统研究内容:
1) 机构的尺寸综合。根据预期的运动特性和动力特性，确定几何尺寸参数从而完成机构运动简图。为了获得满意的机构尺寸，在尺寸综合时可以对机构尺寸进行修改，如，杆长、角度等。
2) 机构的运动分析。结合论文实际，提出基本结构杆组单元分析法，这些基本结构杆组单元是对机构进行运动分析建立数学模型，编写算法模块的最小单元.按已知的机构运动简图及原动件的运动规律，求解其它活动构件的运动参数。其基本内容为:求构件的位置，包括求构件上某点的运动轨迹，求构件的角速度和角加速度，构件上某点的速度、加速度等，其目的在于研究机构的运动及动力性能，而且运动分析也是机构运动仿真模拟的基础。
3) 机构的运动仿真，对已综合的新机构在屏幕上演示其运动过程，通过仿真检验机构是否实现了预定的运动规律。
4) 系统开发。基于面向对象的方法，建立机构对象模型，将平面组合机构抽象成连杆，滑块等基本构件单元以及连接这些基本构件单元的杆组，并为它们建立各自的程序模块。连杆机构的通用运动分析软件是基于良好的用户界面的，所以选择了VB作为开发的语言进行开发设计，利用VB语言编制了大量的程序，实现了上述的各种功能。
1.3.2本文研究的意义
平面连杆机构运动分析经历了近半个世纪的发展，其理论水平已经接近完善，但是遗憾的是虽然目前己经有不少相关的分析仿真软件，但在人机交互友好、可视化、智能化程度高、功能完善等方面还做的不够理想。本课题的目的是开发一套较高自动化程度、计算速度快、人机交互能力强、界面友好、通用性强、并能让一般工程技术人员方便使用的机构运动分析和运动仿真的可视化仿真软件。开发一套系统的平面机构运动分析软件既可以为机构设计和创新提供良好的辅助工具又可以便教学演示。同时将计算机动态仿真这个先进的技术运用于机械行业里来为机械设计与理论服务也具有重大的意义。本人制 的连杆机构运动分析软件，形象直观，使用者只需要点击选择并添加杆件或杆组，系统提示输入相应的参数，给出可能的组合情况供使用者选择，机构的综合度高，使用者用鼠标直接点击杆件连接的位置即可组成机构。然后进行动态模拟，运动分析和结果输出。软件的设计智能化，对使用者的专业知识要求低，机构的组成形式不受限制，可以任意连接组构。机构运动分析是研究机械性能的重要组成部分。通过对机构的运动分析可以了解机构的运动特性，便于更合理有效地使用现有的各种机械，在设计机构时。又可以通过机构的运动分析来检验机构的运动特性是否满足要求。计算机动态仿真技术用于机构的原理分析中，通过动态仿真显示，可以使我们对一些机构的原理有比较直观和深刻的认识。在机构设计和运动分析中采用计算机动态仿真技术具有以下特点.
1. 优化性。对于复杂机构，通过计算机动态仿真可以预测机构的性能和参数，并使得所设计机构的性能达到最优。
2. 经济性。对于大型和复杂机构，直接实验的成本很高，采用计算机动态仿真技术则可以大大降低实验成本，且可以多次重复实验，并可以及时的修改设计中的偏差。
3. 安全性。对于某些有潜在危险的机构，采用计算机动态仿真技术没有任何危险。
4. 可视性。通过先期的模拟、演示、验证，可以使得机构的设计更加直观、可视化。
1.4平面连杆机构的组成原理
1.4.1研究机构组成的目的
机构是一个用来传递运动和力的可动的装置，为此,机器中的机构显然需要具有确定的运动。机构结构分析就是研究机构是怎样组成的，以及在什么条件下机构才具有确定的运动。因此，研究机构结构的目的之一就是揭示机构的结构组成规律，为综合新的机构提供理论依据。
在现实生产、生活中，常常需要对机构进行运动和动力分析，以便了解其速度、加速度和所受诸力的变化规律。然而，各种机器中机构的型式多不相同，机构各个构件的具体形状也是各式各样的。因此，要逐一的对这些型式各异的具体机构进行分析是不可能的，而且实际上也没有必要。机构结构分析的目的之一就是通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三的研究机构的运动分析和动力分析提供方便。
另外，在实际应用中,机构的型式可以各式各样，机构的构造可以有简有繁，然而对它们的共同要求是必须能够实现确定的运动。机构的组成原理可以在选用构件组成机构时，提供一些指导原则，特别在最优化设计方面，也是很有意义的。
机械工业在整个工业生产中具有举足轻重的作用。随着科学技术的迅猛发展，未来机械工程科学的发展趋向于交叉，综合化;微型，精密化:高效，清洁化;柔性，集成化。对于传统的机构学来说，随着科技的发展，也将随之发生广泛、深刻的变化。近些年来，机构学研究的深度和广度不断地延伸，新的研究理论及方法在不断地涌现出来。随着计算机、智能材料等科学技术的飞速发展，人类正在经历一场新的产业革命。许多自动化系统正在部分地代替人类的脑力劳动，并且不断地与各行业、各领域的科学技术创造性地结合起来，从而为社会的发展注入新的活力，也使古老而年轻的机构学发生着深刻的变化。
当今时代是技术变革不断发生的伟大时代。这几年，最为振奋人心的事情，是一些用于复杂机构分析的功能强大的软件MATLAB等的问世，使原来不可能求解的机构变为可能，机构学理论也不断完善。如何结合机械工程设计和计算机技术应用各自的特点和优势，扩大应用领域，提高设计效率，是当前设计研究的新方向。
平面机构是机械工业中使用最为广泛的机构，能有效地实现给定的运动规律和运动轨迹，很好地完成预定的动作，因而在农业、纺织业、重型工业、冶金、仪表等多个领域中得到了广泛的应用。传统的基于图解法或分析法的连杆机构设计无论设计精度还是设计效率都相对低下，不能满足现代机械高精度的设计要求。随着计算机技术的不断发展，为机构运用运动仿真实现优化设计提供了有效的手段，其设计的规范化、普及化、通用化、快速、高效是目前最大的需求，结合计算机特点进行机构设计正能解决这方面的矛盾。在目前，基于MATLAB等软件对平面机构的设计综合没有全面研究。因此，在该方法研究基础上，可为用户提供方便的机构设计平台。该方法所得出的研究结果，可推广到机械工程设计的其它方面，所以进行这方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。
总之，通过机构结构的分析，揭示机构的结构组成规律、机构的拓扑结构特征以及它们与机构运动学、机构动力学特性之间的内在联系，为建立机构结构学、运动学及动力学的理论系统提供基本依据，从而为新机构结构类型的优化、创新提供途径。
1.4.2平面连杆机构的组成原理
任何机构都包含机架、原动件和从动件系统三部分。由于机构具有确定运动的条件是原动件的数目等于机构的自由度数目，因此，如将机构的机架以及和机架相连的原动件与从动件系统分开，则余下的从动件系统的自由度应为零。有时这种从动件系统还可分解为若干个更简单的、自由度为零的构件组。这种最简单的、不可 再分的、自由度为零的构件组称为基本杆组或称为阿苏尔杆组。
任何机构都可以看作是由若千个基本杆组依次联接于原动件和机架上所组成的系统，这就是机构的组成原理。
根据求自由度的计算公式，组成平面机构基本杆组应满足条件:
=0
如果基本杆组的运动副全为低副(高副可用低副代替)，则上式可变为:
=0 或
由于活动构件数n和低副数都必须是整数，所以，根据上式，n应是2的倍数，应是3的倍数，它们的组合有:n=2, =3;n=4, =6；…… 由此可见n=2, =3是最简单的平面基本杆组，是由两个构件三个低副组成的，称之为II级杆组;n=4, =6是由四个构件六个低副组成的杆组，称之为III级杆组;而在基本杆组中又以II级和III级基本杆组为常见。根据II级组和II级组中低副的不同形式(是转动副(Revolute pair，常用R表示)还是移动副(Prismatic pair，常用P表示))和它们所在的不同位置又分成不同的类型，如图1-1所示。

平面连杆机构的级别是根据其中最高级的基本杆组的级别。组成机构的各基本杆组的最高级别是n级时，该机构称为n级机构;基本杆组的最高级别是m级时，该机构称为m级机构;以此类推。HI级及以上机构统称为高级机构。但在我们日常生活中，用的最多的仍然是由II级杆组组成的平面连杆机构，即其中只包含由两个构件和三个低副组成的II级杆组，所以本文主要研究由n级杆组组成的平面连杆机构。

第二章 平面连杆机构的运动学分析
2.1 引言
2.1.1机构运动学分析的目的
所谓机构的运动学分析，就是对机构的位移、速度和加速度进行分析。这里研究的内容是不考虑机构的外力及构件的弹性变形等影响，仅仅研究在已知原动件运动规律的条件下，分析机构中其余构件上各点的位移、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。有了这些运动参数，才能分析、评价现有机构的工作性能，同时它也是优化综合新机构的基本依据。
通过位移 (包括轨迹)的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断它们运动时是否发生相互干涉，还可以确定从动件的行程，考察构件或构件上某点能否实现预定位置变化的要求。
通过速度的分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否满足工作要求。例如牛头刨床，要求刨刀在刨削工件的工作行程中的速度接近等速，从而提高加工质量和刀具寿命，而刨刀空行程时，又希望快速返回，提高生产效率，节省能耗。同时速度分析也是机构的加速度分析和受力分析的基础。对机构加速度的分析，是计算惯性力不可缺少的前提条件。在高速机构中，要对其动强度、振动等动力学性能进行计算，这些都与动载荷或惯性力的大小和变化有关。因此，对高速机构，加速度分析不能忽略。
2.1.2机构运动分析的常用方法
机构运动分析的方法很多，主要有图解法、解析法和实验法三种。图解法的特点是形象直观，对构件少的简单的平面机构，一般情况下用图解法也比较简单。但其缺点是精度不高，而且当对机构一系列位置进行运动分析时，需要反复作图，真正进行起来也很繁琐.图解法包括速度瞬心法和相对速度图解法。而解析法的特点是直接用机构已知参数和应求的未知量建立的数学模型进行求解，从而可获得精确的计算结果。随着现代数学工具的日益完善和计算机的飞速发展，快速、精确的解析法己占据了主导地位，并具有广阔的应用前景。目前正在应用的运动分析解析法，由于所用的数学工具不同，其方法名称也不同，如复数矢量法、矩阵法、矢量方程法等。这些方法只是使用不同数学工具而并未涉及机构运动分析方法的本质，按机构运动分析的本质不同可分为以下三类:
1. 针对不同机构建立适合该种机构的具体数学模型。此种方法编程简单，但每种机构都要单独重新编程，所以通用性差。
2. 把机构视为一个质点系，对各运动副间以杆长为约束建立非线性方程组，进行位置求解，而后再求解速度和加速度，该方法通用性很强，但计算程序复杂庞大。
3. 根据前面介绍的机构组成原理，机构可由原动件十基本杆组组成，当