机械原理课程设计

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1、 机械设计课程设计 说 明 书 专业：班级：姓名 学号：指导教师：目录 第一章 绪论.1 第二章 四杆机构.3 2.1.1 运动特性曲线图分析.3 2.1.2 急回特性分析.4 2.1.3 死点分析.6 2.2 双曲柄机构.6 2.2.1 运动特性曲线图分析.7 2.2.2 急回特性分析.7 第三章 四杆滑块机构.8 3.1 运动特性曲线图分析.8 3.2 急回特性分析.9 第四章 惯性筛机构.11 4.1 运动特性曲线图分析.11 4.2 急回特性分析.12 第五章 牛头刨床机构.14 5.1 运动特性曲线图分析.14 5.2 急回特性分析.15 第六章 四杆机构运动的设计、加工与验证.17

2、 后记.20 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 1 第一章 绪论 本次设计是基于 CAD 中的辅助程序中的机构演示，目的是对平面连杆机构 进行运动特性分析，根据给定的原动件运动规律，结合运动特性曲线图，分析 出机构中其它构件的运动规律。进而推出在工业中的一些用途，从而了解现有 机械或优化综合新机械。1、平面连杆机构具有很多优点：能够实现多种运动形式的转换，如它可以将原动件的转动转变为从动件的转动、往复移动或摆动。反之也可将往复移动或摆动转变为连续地转动；平面连杆机构的连杆作平面运动，其上各点的运动轨迹曲线有多种多样，利用这些轨迹曲线可实现生产中多种工作要求平面连杆机构中，各运动副均为面接触

3、，传动时受到单位面积上的压力较小，且有利于润滑，所以磨损较轻，寿命较长。另外由于接触面多为圆柱面或平面，制造比较简单，易获得较高的精度。但也有很多缺点，例如：难以实现任意的运动规律；惯性力难平衡(构件作往复运动和平面运动),易产生动载荷；设计复杂；积累误差(低副间存在间隙),效率低。2、平面四杆机构的运用也比较广泛：广泛应用于各种机械装置和仪器仪 表中，如牛头刨床的横向进给机构、家用缝纫机踏板机构、雷达天线的调整机 构等。3、平面连杆机构运动设计的方法主要是几何法和解析法，几何法是利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系，通过作图获得有关运动尺寸，所以几何法直观形象，几何关系清晰，对于一些

4、简单设计问题的处理是有效而快捷的，但由于作图误差的存在，所以设计精度较低。解析法是将运动设计问题用数学方程加以描述，通过方程的求解获得有关运动尺寸，故其直观性差，但设计精度高。随着数值计算方法的发展和计算机的普及应用，解析法已成为各类平面连杆机构运动设计的一种有效方法。通过 CAD 进行处理后可在其上可以 选择所要的机构，然后进行直观的运动演示。其界面如下图。图 1-1 选择界面 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 2 4、机构运动分析的方法：图解法、解析法、计算机模拟。当需要简捷直观地了解机构的某几个位置的运动特性时，采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。而当需要精确地知道或

5、要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘出机构相应的运动线图，同时还可把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计。在计算机模拟中，在界面 1-1上点击四杆机构图标后单击“OK”按钮，这时会在 CAD界面的命令区出现提示，要求使用者在绘图区域随意画出一个四杆机构简图，然后软件对图形中的点、线要素进行分析，自动判断所设计的机构是否符合四杆机构的设计准则，即是否能够运动，若不符合设计准则，则会在 CAD命令区给出错误信息，要求设计者重新设计四杆机构简图；若符合设计准则，则根据给定的约束条件驱动 CAD依次顺

6、序绘制所设计机构在不同瞬时的图形，当绘制的各个瞬间机构简图时间间隔小于一定值之后，在 CAD绘图区中就呈现出所设计机构连续运动的动画效果。软件在计算和绘制各个瞬间机构简图的同时，分别记录各个瞬间机构上设定点的位移情况，结合机构中主动件的转动约束条件就可得到该点的位移-时间曲线，对位移-时间曲线进行积分即可得到该点的速度-时间曲线，进一步对速度-时间曲线进行积分就可得到该点的加速度-时间曲线，从而获得反映所设计机构运动特性的运动线图。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 3 第二章 四杆机构 有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的

7、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。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。铰链四杆机构中，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。2.1 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构的两个连架杆中，若其中一个为曲柄，另一个为摇杆，则称 其为曲柄摇杆机构。图 2-1 摇杆 CD 位于一般位置图，其中曲柄 AB 为原动件，它以一定的角速 度1 逆时针匀速转动，为整转副

8、；摇杆 CD 在一定的角度内来回摆动，不是整转 副。2.1.1 运动特性曲线图分析 图 2-2 表示曲柄摇杆机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示摇杆 CD 摆动 的角度 、摆动的角加速度 和摆动的角速度的相对值，单位为 1，横坐标表 示曲柄 AB 转动的时间，单位为 s，横坐标所占比例越大代表运动所需时间越 长。曲柄 AB 每转动一圈，机构完成一次循环运动，摆杆 CD 左右摆动一个来回，且曲柄 AB 在转动一周的过程中有两次与连杆 BC 共线。图中的曲线 表示摇杆 CD 在机构运动过程中摆动角度随曲柄 AB 转动时间的 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 4 变化而变化的曲线；曲线 表示摇杆

9、 CD 机构运动过程中角加速度随曲柄 AB 转动 时间的变化而变化的曲线；曲线 表示摇杆 CD 在机构运动过程中角速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线。曲线 的左端点表示摇杆 CD 每个运动循环的 起始位置，此时曲柄 AB 与连杆 BC 没有重合而且共线，这时摇杆 CD 的位置如图 2-4，即摇杆 CD 位于右极限位置，曲线 的顶点表示摇杆 CD 每个运动循环的中 间位置；此时曲柄 AB 与连杆 BC 有一段重合时，这时摇杆 CD 的位置如图 2-3，即摇杆 CD 位于左极限位置；曲线 的右端点表示摇杆 CD 每个运动循环的最终位 置即摇杆 CD 的右极限位置；杆 CD 处于两极限位置

10、所夹的角称为摇杆的摆角。曲柄 AB 所夹的锐角称为极位夹角，即曲线 的顶点与端点之差。图 2-3 摇杆 CD 位于左极限位置图 图 2-4 摇杆 CD 位于右极限位置图 2.1.2 急回特性分析 当曲柄 AB 以一定的角速度1 转动时，当转到如图 2-3 摇杆 CD 位于左极限 位置时，曲柄的转角1 180-，这时摇杆由右极限位置摆到左极限位置，摇杆 图 2-5 摇杆极位夹角示意图 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 5 摆角为 ，而当曲柄 AB 继续转到如图 2-4 摇杆 CD 位于右极限位置时，曲柄转角 2 180，这时摇杆由左极限位置摆到右极限位置，摇杆摆角仍为 ，但两 次摆动时间不同

11、，曲柄所转动的角度也不同，对应摇杆往复摆动的快慢也不同，摇杆的这种运动称为急回运动特性。用公式 K 180 表示，字母 K 为机构的 180行程速比系数，行程速比系数 K 与机构极位夹角 有关，机构极位夹角 越大，行程速比系数 K 越大，机构急回特性越明显。1、曲线分析：分析曲线 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中角 加速度 先减小后反向增大，在从左极限位置运动到右极限位置的过程中继续反 向增大，然后减小到 0 在正向增大。分析曲线 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中角 速度 先正向增大，然后正向减小到 0，接着从左极限位置运动到右极限位置一 直

12、反向增大再反向减小（从右极限位置运动到左极限位置的运动方向为正，从左 极限位置运动到右极限位置的运动方向为负）。所以曲线 和曲线 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置过 程中先从角速度=0 做角加速度减小的加速运动，再做角加速度增大的减速运 动直到角速度减小到 0。然后反向，从左极限位置先做角加速度增大的加速运动，再做角加速度减小的减速运动，最后做角加速度增大的减速运动。、传动角与压力角：通过图 2-5 上的机构的运动特性曲线图与图 2-2 比较可以看出，图 2-5 机构 中：摇杆 CD 的在返程时摆动相同的角度 用时较少，角加速度 变化快，角速度 的增加和减小也比图 2-2 的

13、快，而在观察两个机构在仿真运动的演示时，也能明显看出图 2-5 中的双曲柄机构 2 的运动较快，从而可以分析出图 2-5 中的曲柄摇杆机构的急回特性大。由速比系数 K 的计算公式 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 6 可知，t 1 与 t 2 明显不同，曲柄摇杆机构的急回特性比较明显，因此有较大的急 回特性。2.1.3 死点分析 图 2-7 四杆机构的死点（1）当 A,B,C 三点共线的时候会产生左右极限和死点问题。（2）图 2-3 为左极限，在此时摇杆达到摇摆的最左端位置，此时 A 和 C 之间的距离最近，即 AC=BC-AB。（3）图 2-4 为右极限，在此时摇杆达到摇摆的最右端位置，

14、此时 A 和 C 之间的距离最远，即 AC=BC+AB。（4）若以曲柄 AB 为主动件则不会产生死点问题，若以摇杆 CD 为主动件，在忽略各杆质量的前提下，无论使用多大的力 F，都无法使曲柄转动，机构的这种位置称为死点位置。死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定的现象。（5）为了消除死点位置的影响，可采用将两组以上的相同机构组合使用，而使各组机构的死点相互错开排列；也可采用安装飞轮加大惯性的方法，借助惯性作用闯过死点。2.2 双曲柄机构 双曲柄机构指具有两个曲柄的铰链四杆机构，在双曲柄机构中两个连架杆均 为曲柄，均可做整周转动，两个曲柄可以分别作为主动件。在图 2-6 所示的双曲柄机构中

15、，取曲柄 AB 作为主动件，当曲柄 AB 逆时针回 转。双曲柄机构的运动特点是：主动曲柄匀速回转一周，从动曲柄随之变速回转 一周，即从动曲柄回转的一周中其角速度有时小于主动曲柄的角速度。B 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 7 2.2.1 运动特性曲线图分析 图 2-7 表示双曲柄机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示摇杆 CD 摆动的 角度 、摆动的角加速度 和摆动的角速度的相对值，单位为 1，横坐标表示 曲柄 AB 转动的时间，单位为 s，横坐标所占比例越大代表运动所需时间越 长。曲柄 AB 每转动一圈，机构完成一次循环运动，曲柄 CD 也随之转动一周。图中的曲线 表示曲柄 CD 在机构

16、运动过程中转动角度随曲柄 AB 转动时间的 变化而变化的曲线；曲线 表示曲柄 CD 机构运动过程中角加速度随曲柄 AB 转动 时间的变化而变化的曲线；曲线 表示曲柄 CD 在机构运动过程中角速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线。2.2.2 急回特性分析 1、曲线分析：由图 2-7 可以看出，这个双曲柄机构的急回特性非常大。分析曲线 可以得出曲柄 CD 在从起始位置运动的过程中角加速度 开始时先 正向增大，然后再减小到最小，然后角加速度 再增大，最后缓慢波动，趋于稳 定。分析曲线 可以得出曲柄 CD 在从起始位置运动的过程中角速度 由 0 先正 向增大到最大值，接着减小，再缓慢减小到 0

17、。2、对比分析：通过对比双曲柄机构 1 与双曲柄机构 2 的运动特性曲线图，来比较两个机构 的急回特性的大小，及角速度 、角加速度 的区别。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 8 第三章 四杆滑块机构 包括由曲柄、连杆和摇杆以及曲柄座和摇杆座构成的四杆机构。摇杆变换为由轨道座支撑的固定弧形轨道，连杆与摇杆的铰链点与固定弧形轨道滑动配合而成为第一滑块，固定弧形轨道无限延长进一步变换为固定直线轨道，四连杆机构形演化为曲柄滑块机构；连杆变换为自由弧形轨道，曲柄与连杆的铰链点与自由弧形轨道滑动配合而成为第二滑块，所述第一滑块变换为由滑座支撑的滑轨，滑轨连接自由弧形轨道，四连杆机构形演化为双滑块机构；

18、自由弧形轨道无限延长变换为自由直线轨道，所述四连杆机构形演化为正弦机构。下图 3-1 分析的是四杆滑块机构的一个典型的案例，其中与连杆 BC 相连的 构件为滑块，通过滑块将曲柄 AB 的转动转换为杆件的上下移动。图 3-1 摇杆 CD 位于一般位置图，其中曲柄 AB 为原动件，它以一定的角速 度1 逆时针匀速转动，为整转副；摇杆 CD 在一定的角度内来回摆动，不是整转 副；连杆 BC 上有一个滑块 E，滑块 E 在连杆 BC 上滑动；滑块 E 上有一个杆件 G，杆件在固定范围内进行上下移动。整个过程是曲柄转动时带动连杆 BC，进而带 动滑块 E 在连杆 BC 上滑动，带动杆件 G 上下移动；而

19、由于摇杆 CD 的急回特性，造成了杆件 G 在上下移动是也具有急回特性。3.1 运动特性曲线图分析 图 3-2 表示四杆滑块机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示杆件 G 的上下 移动 s、移动的加速度 a 和移动的速度 v 的相对值，单位为 1，横坐标表示曲柄 AB 转动的时间，单位为 s，横坐标所占比例越大代表运动所需时间越长。曲 柄 AB 每转动一圈，机构完成一次循环运动，摆杆 CD 左右摆动一个来回，杆件 G 上下移动一个来回；且曲柄 AB 在转动一周的过程中有两次与连杆 BC 共线，即杆 件 G 位于中间位置。E 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 9 图中的曲线 s 表示在机构运动

20、过程中杆件 G 的移动距离随曲柄 AB 转动时间 的变化而变化的曲线；曲线 a 表示机构运动过程中杆件 G 的加速度随曲柄 AB 转 动时间的变化而变化的曲线；曲线 v 表示机构运动过程中杆件 G 的速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线。曲线 s 的左端点表示杆件 G 每个运动循环的 起始位置；曲线 s 的顶点表示杆件 G 每个运动循环的中间位置；曲线 s 的右端点 表示杆件 G 每个运动循环的最终位置；杆 CD 处于两极限位置所夹的角称为摇杆 的摆角 。曲柄 AB 所夹的锐角称为极位夹角。3.2 急回特性分析 当曲柄 AB 以一定的角速度1 转动时，当转到如图 3-3 摇杆 CD 位

21、于左极限 位置时，曲柄的转角1 180-，这时摇杆由右极限位置摆到左极限位置，摇杆 摆角为 ，杆件 G 的移动距离为 S；而当曲柄 AB 继续转到如图 3-4 摇杆 CD 位于 右极限位置时，曲柄转角2 180，这时摇杆由左极限位置摆到右极限位置，摇杆摆角仍为 ，杆件 G 的移动距离仍为 S；但两次摆动时间不同，曲柄所转动 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 10 的角度也不同，对应摇杆往复摆动的快慢也不同，杆件 G 的上下移动速度也不同，杆件 G 的这种运动称为急回运动特性。用公式 K 180 表示，字母 K 为机构 180的行程速比系数，行程速比系数 K 与机构极位夹角 有关，机构极位夹

22、角 越大，行程速比系数 K 越大，机构急回特性越明显。1、曲线分析：分析曲线 a 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中，杆件 G 的加速度 a 先减小到 0，再反向增大，然后反向减小到 0；在从左极限位 置运动到右极限位置的过程中先正向增大然后减小到 0，再反向增大，再反向减 小到 0，最后正向增大。分析曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中，杆件 G 的速度 v 先正向增大，然后正向减小到 0，接着从左极限位置运动到右极 限位置一直反向增大再反向减小，到一定值后再反向增大，再反向减小（从右极 限位置运动到左极限位置的运动方向为正，从左极限位

23、置运动到右极限位置的运 动方向为负）。所以曲线 a 和曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置过 程中杆件 G 先从速度 v=0 做加速度减小的加速运动，再做加速度增大的减速运动 直到速度减小到 0。然后反向，从左极限位置先做加速度减小的加速运动，再做 加速度增大的减速运动，接着做加速度减小的减速运动，然后做加速度增大的加 速运动，之后做加速度减小的加速运动，最后做加速度增大的减速运动。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 11 第四章 惯性筛机构 惯性筛，又称振动筛，主要由驱动电机、筛箱、和激振器组成。主要是使用 机构的急回特性来产生激振，带动筛箱工作，起到筛选的效果。惯

24、性筛具有构造 简单，拆换筛面方便等优点，在煤矿、食品行业和建材等行业中都得到的广泛的 应用。基本工程原理：惯性振动筛的传动轴在电动机的带动下高速旋转，轴上的圆 盘及配重物在旋转过程中产生较大的惯性力，筛子在惯性力的作用下高速振动，当筛子向下运动时，下面的弹簧被压缩，筛子向上运动时弹簧伸长并复原，筛子 经过上述过程产生连续不断的上、下振动，其筛分过程与偏心振动筛相同。下图所示为惯性筛主体机构的运动简图：这个六杆机构也可以看成是由两个 部分组成。第一个是由原动曲柄 AB、连杆 BC、从动摇杆 CD 组成的曲柄摇杆机 构；第二个是由摇杆 CD（原动件）、连杆 CE、滑块 E（筛子）和导轨 G 组成的

25、 机构。图 4-1 为摇杆 CD 位于一般位置图，其中曲柄 AB 为原动件，它以一定的角 速度1 逆时针匀速转动，为整转副；摇杆 CD 在一定的角度内来回摆动，不是整 转副；连杆 CE 上有一个滑块 E，滑块 E 在轨道 G 上滑动。整个过程是曲柄转动 时带动连杆 BC，进而带动连杆 CE，使滑块 E 在轨道 G 上滑动，而由于摇杆 CD 的急回特性，造成了滑块 E 在轨道 G 上左右移动时也具有急回特性。4.1 运动特性曲线图分析 图 4-2 表示惯性筛机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示滑块 E 的左右移 动 s、移动的加速度 a 和移动的速度 v 的相对值，单位为 1，横坐标表示曲柄 A

26、B 转动的时间，单位为 s，横坐标所占比例越大代表运动所需时间越长。曲柄 AB 每转动一圈，机构完成一次循环运动，摆杆 CD 左右摆动一个来回，滑块 E 在 轨道 G 上左右移动一个来回；且曲柄 AB 在转动一周的过程中有两次与连杆 BC 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 12 共线，即滑块 E 位于轨道 G 的最左端和最右端。图中的曲线 s 表示在机构运动过程中滑块 E 在轨道 G 上的移动距离随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 a 表示机构运动过程中滑块 E 在轨道 G 上的加速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 v 表示机构运动过程 中滑块 E 在轨道 G

27、上的速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线。曲线 s 的 左端点表示滑块 E 在轨道 G 上的每个运动循环的起始位置；曲线 s 的顶点表示滑 块 E 在轨道 G 上的每个运动循环的中间位置；曲线 s 的右端点表示滑块 E 在轨道 G 上的每个运动循环的最终位置；摇杆 CD 处于两极限位置所夹的角称为摇杆的 摆角 。曲柄 AB 所夹的锐角称为极位夹角。4.2 急回特性分析 当曲柄 AB 以一定的角速度1 转动时，当转到如图 4-3 摇杆 CD 位于左极限 位置时，曲柄的转角1 180-，这时摇杆由右极限位置摆到左极限位置，摇杆 摆角为 ，滑块 E 在轨道 G 上的移动距离为 S；而当曲柄

28、AB 继续转到如图 3-4 摇杆 CD 位于右极限位置时，曲柄转角2 180，这时摇杆由左极限位置摆到 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 13 右极限位置，摇杆摆角仍为 ，滑块 E 在轨道 G 上的移动距离仍为 S；但两次摆 动时间不同，曲柄所转动的角度也不同，对应摇杆往复摆动的快慢也不同，杆件 G 的上下移动速度性。用公式表示，也不同，杆件 G 的这种运动称为急回运动特字母 K 为机构的行程速比系数，行程速比系数 K 与机构极位夹角 有关，机构极位夹角 越大，行程速比系数 K 越大，机构急回特性越明显。1、曲线分析：分析曲线 a 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中

29、，杆件 G 的加速度 a 先增大，然后减小到 0 再反向增大；在从左极限位置运动到右 极限位置的过程中先反向减小到 0，再正向增大，趋于稳定。分析曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中，杆件 G 的速度 v 先正向增大，然后正向减小到 0，接着从左极限位置运动到右极 限位置一直反向增大再反向减小 0（从右极限位置运动到左极限位置的运动方向 为正，从左极限位置运动到右极限位置的运动方向为负）。所以曲线 a 和曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置过 程中杆件 G 先从速度 v=0 做加速度增大的加速运动，然后做加速度减小的减速运 动再做加速度增

30、大的减速运动直到速度减小到 0；从左极限位置先做加速度减小 的加速运动，再做加速度增大的减速运动。特点：（1）从位移曲线中可以得出：往返程所用时间近似相等，而且时间比较短，说明在实际中常用于往返短都用于工作的机构。（2）从速度曲线中可以得出：往返速度都比较大，从而大大缩短了工作时间，进而可以提高工作效率。（3）从加速度曲线中可以得出：往返加速度都比较大，获得的惯性就比较大，更有利于筛东西。可适当改变机构位置来提高加速度，从而获得加速度更大的惯性筛，提高工作质量。优点：在结构上：容易装配，一人即可操作筛机。在使用过程中：方便和快速更换筛网。缺点：当负荷加大时，筛子的振幅减小，容易发生筛孔堵塞现象

31、；反之，当负荷过小时，筛子的振幅加大，物料颗粒会过快的跳跃越过筛面，这两种情况都会导致筛分效率降低。其的主要应用：矿山、煤炭、冶炼、建材、耐火材料、轻工、化工、医药、食品等行业。可以用惯性筛来制作筛粮食中杂物的机器，也可用作开矿用的破碎机等。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 14 第五章 牛头刨床机构 牛头刨床是一种作直线往复运动的刨床，滑枕带着刨刀，因滑枕前端的刀架 形似牛头而得名。牛头刨床主要用中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机 构传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。牛头刨床由滑枕带着刨刀作水平直线住 复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间 歇的横向

32、或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。牛头刨床机构是由导杆机构演化而来，而导杆机构由四杆机构演化而来，所 以它具有四杆机构的急回特性，曲柄 OA 转动时带动摇杆 CD，进而带动滑块 C，使滑块 C 在轨道 EF 上做速度不均匀变化的滑动。主要用在牛头刨床上。图 5-1 为摇杆 CD 位于一般位置图，其中曲柄 OA 为原动件，它以一定的角 速度1 逆时针匀速转动，为整转副；摇杆 CD 在一定的角度内来回摆动，不是整 转副；摇杆 C 上有一个滑块，滑块在轨道 EF 之间滑动。整个过程是曲柄 OA 转动时带动摇杆 CD，进而带动滑块 C，使滑块 C 在轨道 EF 上滑动，而由于摇 杆 CD

33、 的急回特性，造成了滑块 C 在轨道 EF 上左右移动时也具有急回特性。5.1 运动特性曲线图分析 图 5-2 表示牛头刨床机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示滑块 C 的左右 移动 s、移动的加速度 a 和移动的速度 v 的相对值，单位为 1，横坐标表示曲柄 OA 转动的时间，单位为 s，横坐标所占比例越大代表运动所需时间越长。曲 柄 OA 每转动一圈，机构完成一次循环运动，摆杆 CD 左右摆动一个来回，滑块 C 在轨道 EF 上左右移动一个来回；且曲柄 OA 在转动一周的过程中有两次与摇杆 C 共线，即滑块 C 位于轨道 EF 的中间位置。图中的曲线 s 表示在机构运动过程中滑块 C 在轨

34、道 EF 上的移动距离随曲柄 OA 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 a 表示机构运动过程中滑块 C 在轨道 EF 上的加速度随曲柄 OA 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 v 表示机构运动过程 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 15 中滑块 C 在轨道 EF 上的速度随曲柄 OA 转动时间的变化而变化的曲线。曲线 s 的左端点表示滑块 C 在轨道 EF 上的每个运动循环的起始位置；曲线 s 的顶点表 示滑块 C 在轨道 EF 上的每个运动循环的中间位置；曲线 s 的右端点表示滑块 C 在轨道 EF 上的每个运动循环的最终位置；摇杆 CD 处于两极限位置所夹的角称为 摇杆的摆角 。曲柄 O

35、A 所夹的锐角称为极位夹角。5.2 急回特性分析 当曲柄 OA 以一定的角速度1 转动时，当转到如图 5-3 摇杆 CD 位于左极限 位置时，曲柄的转角1 180-，这时摇杆由右极限位置摆到左极限位置，摇杆 摆角为 ，滑块 C 在轨道 EF 上的移动距离为 S；而当曲柄 OA 继续转到如图 5-4 摇杆 CD 位于右极限位置时，曲柄转角2 180，这时摇杆由左极限位置摆到右极限位置，摇杆摆角仍为 ，滑块 C 在轨道 EF 上的移动距离仍为 S；但两次 摆动时间不同，曲柄所转动的角度也不同，对应摇杆往复摆动的快慢也不同，滑 块 C 在轨道 EF 上移动速度也不同，滑块 C 在轨道 EF 上的这种

36、运动称为急回运动 特性。用公式 K 180 表示，字母 K 为机构的行程速比系数，行程速比系数 180K 与机构极位夹角 有关，机构极位夹角 越大，行程速比系数 K 越大，机构急 回特性越明显。1、曲线分析：分析曲线 a 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中，滑块 C 在轨道 EF 上的加速度 a 先反向增大，然后反向减小到 0 再正向增大后减 小，但未到 0；在从左极限位置运动到右极限位置的过程中先正向减小到 0，再 反向增大。分析曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置的过程中，滑块 C 在轨道 EF 上的速度 v 先正向增大，然后正向减小到 0，

37、接着从左极限位 置运动到右极限位置一直反向增大再反向减小 0（从右极限位置运动到左极限位 置的运动方向为正，从左极限位置运动到右极限位置的运动方向为负）。所以曲线 a 和曲线 v 可以得出摇杆 CD 在从右极限位置运动到左极限位置过 程中滑块 C 在轨道 EF 上先从速度 v=0 做加速度增大的加速运动，然后做加速度减小的加速运动，再做加速度增大的减速运动直到速度减小到 0；从左极限位置 先做加速度减小的加速运动，再做加速度增大的减速运动。对比图 5-2 牛头刨床机构 1 和图 5-5 牛头刨床机构 2 的运动特性曲线图，由 它们的位移 s、速度 v、加速度 a 的变化曲线图可知：牛头刨床机构

38、 2 在相同位移 s 的 时 间 内，两 边 耗 时 有 明 显 的 差 距；通 过 速 比 系 数 的 计 算 公 式 比较与可以明显看出，牛头刨床机构 2 的急回特性明显，并且牛头刨床机构位移 s、速度 v、加速度 a 变化比较平稳，故这 种机构广泛应用在机械领域。图 5-5 也是斜支点牛头刨床机构及运动曲线，斜支点牛头刨床机构的运动特 性比牛头刨床机构的运动特性差，因此，斜支点牛头刨床机构的急回特性较大，故运动不平稳。斜支点牛头刨床机构对机构的材料、热处理方法要求较高，故正 常情况下不使用斜支点牛头刨床机构，而采用普通牛头刨床机构。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 16 牛头刨床由于

39、生产效率低，所以主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上 的平面、成形面和沟槽。它的主要特点有：（1）牛头刨床的工作台能左右回转角度，工作台具有横向和升 降的快速移动机构，用以刨削倾斜的平面，从而扩大了使用范围；刨床的进给系 统采用凸轮机构，有十级进给量，改变走刀量，也非常方便；（2）牛头刨床在走刀系 统内装有过载安全机构，当由于操作不慎或者受到外力影响与切削超载时，走刀 自行打滑，无损机件保证机床的正常运行；（3）滑枕和床身导轨间以及具有速度的齿 轮付和主要的滑动导轨面，均有油泵打出的润滑油进行循润滑；（4）牛头刨床装有离 合器及制动停车机构，所以在变换速度，启动机床及停车时，可不必切断电源，

40、制动停车机构能使滑枕当离合器脱开时之惯性冲程量不大于 10 毫米。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 17 第六章 四杆机构运动的设计、加工与验证 机构运动分析的任务是在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。上述这些内容，无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能，都是十分必要的，而且它还是研究机械动力性能的必要前提。为此我们通过对四杆机构的设计、加工及验证，来了解四杆机构理论的运动特征分析与实验验证的运动特征分析有那些不同，以及分析出产生误差的原因有哪些因素。对于验证四杆机构实验的说明：该四杆机构

41、运动特征检测与分析实验是洛阳理工学院机械工程学院张旦闻老师主导开设的全国首例的四杆机构检验实验；该实验是对我们已经设计加工好的四杆机构进行检测、收集和分析，从而得到四杆机构的运动特征。本次实验的目的：对理论设计的四杆机构及其运动特征进行检测，从而比较理论设计与实际检验的不同之处，分析实际检验过程中可能会有哪些因素影响实验结果与理论结果的不同。通过本次实验让我们更加注重理论检测的重要性以及理论与实际结合才能创造出更有价值的机械。首先我们进行四杆机构的初步设计如下图 6-1所示。图 6-1 四杆机构设计 图 6-2 四杆机构特征分析 对于图 6-2表示曲柄摇杆机构的运动特性曲线图，其中纵坐标表示摇

42、杆 CD 摆动的角度 s、摆动的角加速度 和摆动的角速度 v 的相对值，单位为 1；横坐标表示曲柄 AB 转动的时间，单位为 s；横坐标所占比例越大代表运动所需时间越长。曲柄 AB 每转动一圈，机构完成一次循环运动，摆杆 CD 左右摆动一个来回，且曲柄 AB 在转动一周的过程中有两次与连杆 BC 共线。图中的曲线 s 表示摇杆 CD 在机构运动过程中摆动角度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 表示摇杆 CD 机构运动过程中角加速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线；曲线 v 表示摇杆 CD 在机构运动过程中角速度随曲柄 AB 转动时间的变化而变化的曲线。曲线 s 的左端点表示

43、摇杆 CD 每个运动循环的起始位置，此时曲柄 AB 与连杆 BC 没有重合而且共线，即摇杆 CD 位于右极限位置，曲线 s 的顶点表示摇杆 CD 每个运动循环的中间位置；此时曲柄 AB与连杆 BC 有一段重合时，即摇杆 CD 位于左极限位置；曲线 s 的右端点表示摇杆 CD 每个运动循环的最终位置即摇杆 CD 的右极限位置；杆 CD 处于两极限位置所夹的角称为摇杆的摆角 s。曲柄 AB 所夹的锐角称为极位夹角，即曲线 s 的顶点与端点之差。我们在学校先进的实验器材下进行了四杆机构的验证实验并分析其实验数据与理论数据的误差原因有哪些因素导致。如下图 6-3所示为实验器材。图 6-3 实验器材 我

44、们所得到的实验参数过程如下图所示：A B C D s v a 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 18 图 6-4 实验过程 图 6-5 实验过程 图 6-6 实验过程 图 6-7 实验过程 图 6-8 实验过程 机械设计课程设计平面机构运动特性分析 19 图 6-9 实验结果 对于实验检测结果与理论分析结果的差异有以下原因：1、在零件加工过程中存在一定的微小误差，曲柄连杆安装时也存在一定的间隙以及随着各杆之间的夹角不同摩檫力也会不同所产生的误差；2、原动机在机构运转时，由于机构不同位置所需的驱动力不同而导致的曲柄转速不稳定；3、在数据采集和计算过程中也会有微小的误差，针对平面连杆运动位置数

45、多于确定机构的精确点数的运动综合问题,提出 运用最小误差为目标函数的参数辩识法算法。通过分析典型的平面四连杆机构 的非线性解析方程,根据给定的位置,分解方程,构建线性方程组,引入最小误差目 标函数和伪逆的处理方法,得出最优的参数值。通过例证说明该算法的正确性、通用性和有效性。4、四杆机构是由四个刚性构件用转动副连接而成的一种低副机构，但是由 于低副中存在间隙，易引起运动误差，并且其间隙不易消除，所以其误差是始 终存在的。5、测量误差：外界条件：主要指观测环境中气温、气压、空气湿度和清 晰度、风力以及大气折光等因素的不断变化，导致测量结果中带有误差。仪器条件：仪器在加工和装配等工艺过程中，不能保

46、证仪器的结构能满足各 种几何关系，这样的仪器必然会给测量带来误差。方法：理论公式的近似限制或测量方法的不完善。观测者的自身条件：由于观测者感官鉴别能力所限以及技术熟练程度不同，也会在仪器对中、整平和瞄准等方面产生误差。以上五条是影响四杆机构理论运动特征与实验检测的运动特征不同之处的主要原因。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 20 后记 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在 设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会 了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，

47、也学会了做人与处世。俗话说：千里之行始于足下，只学习理论上的的知识是远远不够的，没有什么东西是仅仅依靠学习就能够完全掌握的，要想完全把握这门课程，仅仅依靠上课时讲的理论是根本不可能实现的，只有通过课程设计，亲自动手去做，去设计，去把握，才能将理论与实际结合在一起.回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可 以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所 学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计 使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把 所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才

48、能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可 以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决，而且通过一些分析软件可以 让我们更为直观的观察到机构的运动特性，省略了计算耗时，可以用多余的时间 去学习更多知识。而且在课程设计的过程中，我们也对 CAD 等软件也有了更加深刻的认识，并且对其的使用也更加的熟练，为我们将来的就业打下了良好的基础。机械设计课程设计平面机构运动特性分析 21 参考文献 1 孙恒，陈作模.机械原理.8 版.北京：高等教育出版社，2013.2 段志坚，徐春来.机械设计基础.北京：机械工业出版社，2012.3 黎庶慰.机械原理.北京：高等教育出版社，1986.4 陈修龙，齐秀丽.机械设计基础.北京：中国电力出版社，2011.5 黄锡恺，郑文纬.机械原理.北京：高等教育出版社，1981.6 陈长生，霍振生.机械基础.北京：机械工业出版社，2003.7 陈文华，贺青川，张旦闻.ADAMS2007 机构设计与分析范例.北京：机械 工业出版社，2009.8 部分资料和资源来源于网络查询.