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机械原理中机构的定义范文1
关键词：Pro/E；机构运动；多媒体仿真
中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：
一.前言
随着多媒体技术的确发展，其应用已遍及社会生活的各个角落，正在对人们的工作方式、生活方式带来巨大的变革。同样，多媒体技术对教学也产生了积极的效应，能为学生提供最理想的教学环境。
由于多媒体具有图、文、声并茂及活动影象的特点，具有许多宝贵的特性与功能。主要表现为;
直观性，能突破视觉的限制，多角度地观察对象，并能够突出要点；
图文声像并茂，多角度调动学生的情绪、注意力和兴趣。
动态性，动态反映机构运动的全过程，有效地突破了传统教学难点；
通过多媒体对真实情景的模拟，培养学生的探索、创造能力；
传统的机构运动教学多半是用挂图进行讲述，既没有立体感，也没有动态感，没有接触过机械的学生很难想象出机构运动的情形，如果在多媒体教学环境中，通过动画、图形、声音的演示，加上教师深入浅出的讲解，学生会在不知不觉中学到知识。这样学生就能够在原有认知结构和生活经验的基础上，认同我们的概念和思维方式，并强化到自己新的认知结构中，形成自己新的概念和思维方式。
Pro/E软件平台能直接仿真机构各零件的造型与装配，可进行机构运动的仿真，甚至可以仿真一台机器的运行。对机构的运动进行多角度、多方位的观查，还可进行透视和剖视情况观查。并能将运动的画面生成视频文件，供离开Pro/E软件平台时进行演示。
二．Pro/E简介
Pro/E全称是 “Pro ENGINEER”由美国PTC（参数）公司开发的一款三维软件。Pro/E软件具有操作容易、使用方便、修改方便的特点。因此在机械三维实体造型设计中得到了广泛的应用。具有很强的实体造型、虚拟装配和仿真运行能力。功能界面清楚明确，让使用者视觉和心理都有一种轻松感。目前已经成为机械设计、家电设计、模具设计等行业所普遍采用的三维软件。该软件直接采用了统一数据库和关联性处理、三维建模与二维工程图相关联等技术。
三．用Pro/E制作仿真机构
下面以机械基础中的曲柄摇杆机构为例说明Pro/E软件制作机构运动多媒体教学视频的过程：
1．制作实体造型（如图1）
图1
制作过程（略），机座长度380毫米、曲柄长度150毫米、摇杆长度280毫米、连杆长度360毫米。
2．进行虚拟装配
新建一个组件，名称可用 “ams0001”,单击添加机座到组件，放置方式选：“自动”中的“缺省”（如图2），使机座的坐标与组件坐标重合。
图2图3
单击添加曲柄到组件，放置方式选“用户定义”中的“销钉”（如图3），曲柄的一端与机座左端进行销钉连接（如图4）。
图4 图5
单击添加连杆到组件，放置方式选“用户定义”中的“销钉”如图，连杆的一端与曲柄的自由端进行销钉连接（如图5）。
单击添加摇杆到组件，放置方式选“用户定义”中的“销钉”如图，摇杆的一端与连杆的自由端进行销钉连接、摇杆的另一端与机座的右端进行销钉连接（图6），完成装配。
图6图7
3．进行仿真运行
选择菜单中的“应用程序—机构”。进入机构仿真介面（如图7）
定义伺服电动机：
单击左边“机械”栏中的“电动机”，展开“电动机”项目，然后右键单击“伺服”，选择新建（如图8），创建一个伺服电动机。同时弹出伺服电动机定义对话框，（如图9），在类型选项卡中单击的箭头，选择机座左端的销钉处为伺服电动机的转轴，选择轮廓选项卡（如图10）在规范选项中选择“速度”，在模选项中选择 “常数”，常数值为“36”，此时电动机的转速为36°/秒，然后单击“确定”完成伺服电动机的定义。
图8图9图10
创建运动分析：
在图8的“分析”上单击右键，选择“新建”，打开“分析定义”对话框，在“分析定义”对话框的“优先选项”中设置“开始时间”为0、 “终止时间”为10、 “帧频”为10、最小间隔为0.1（如图11）。终止时间与电动机的转速要进行相应的协调，使分析的整个过程，电动机转动的角度是圆周的整数倍，这样在连继播放时就不会产生跳跃的感觉。
在 “电动机”选项卡中选择刚创建的伺服电动机，然后单击 “运行”按钮分析运行情况，单击“确定”完成分析定义
图11图12
四、生成视频
右键单击图8中的“回放”，选择“播放”，打开“回放”对话框（如图13）单击“回放”对话框中的按钮，打开动画对话框。（如图14）
13 图14图15
单击图14中的“捕获”按钮，打开“捕获”对话框（如图15），在“捕获”对话框中设置视频文件路径和文件名（默认路径为Pro/E的工作目录）。“类型”选项中有四种文件类型（MPEG、JPEG、TIFF、BMP）供选择，默认MPEG为视频文件，其他类型为图片文件组（每帧一幅图片）。图象大小、每秒帧数根据自己的需要进行设定，钩选“照片级渲染”可获得更高的视频质量，单击确定开始捕获。
注意：捕获前选择合适的角度及级场景，钩选“照片级渲染”捕获的时间要长一些。
机械原理中机构的定义范文2
关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势
引言
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
1、系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。
制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：
(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。
(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。
(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。
由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。
1.1设计元素法
用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。
1.2图形建模法
研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。
将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。
文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。
1.3“构思”—“设计”法
将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。
将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。
从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。
1.4矩阵设计法
在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。
Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。
1.5键合图法
将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。
2、结构模块化设计方法
从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。
认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。
根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。
在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。
3、基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。
机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。
3.1编码法
根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。
利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。
3.2知识的混合型表达法
针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。
在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。
3.3利用基于知识的开发工具
在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。
3.4设计目录法
构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。
3.5基于实例的方法
在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。
4、智能化设计方法
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。
在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。
在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。
我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。
将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。
利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。
5、各类设计方法评述及发展趋势
综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。
结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。
机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。
目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。
值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。
机械原理中机构的定义范文3
摘要：本文以六杆机构牛头刨床为例，在运动学分析的基础上，应用Matlab软件编程实现了牛头刨床的位移、速度和加速度的变化曲线，完成了对牛头刨床的运动仿真，通过使用Matlab，为机械原理课程设计的改进提供了一个新的思路。
关键词：Matlab；机械原理；课程设计；六杆机构；运动仿真
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0077-02
机械原理课程设计是机械原理课程重要的实践环节，培养学生机械系统运动方案设计的初步能力。目前机械原理课程设计的方法有图解法和解析法两种，图解法需要学生列出矢量方程式，作图求解，其优点是几何概念清晰、形象，缺点是作图比较烦琐、精度不高[1]。解析法需要学生针对给定机构建立运动学模型，求解出位移方程、速度方程和加速度方程、编程求解，根据求解结果绘制相应曲线。解析法需要学生具有一定的编程能力，其优点是求解精度高，培养了学生运用现代化的手段解决设计问题的能力。
Matlab是美国Mathworks公司开发的大型科学计算软件，本文以机械原理课程设计中常见的牛头刨床为例，首先利用矩阵法对机构进行运动学分析，然后利用Matlab编程求解，绘制仿真曲线，直观再现牛头刨床从动件的运动规律。
一、牛头刨床工作原理概述
牛^刨床是一种用于平面切削加工的机床，图1所示为牛头刨床主运动机构的运动简图，由导杆机构1-2-3-4-5带动刨头5及其上的刨刀作往复切削运动。刨头右行时，刨刀速度较低，刨刀进行切削，为工作行程。刨头左行时，刨刀快速退回，刨刀不切削，有急回特性，为空回行程。设计数据如表1所示。在工作行程中，牛头刨床受到很大的切削阻力（在切削前后各有一段约0.05H的空刀距离，H为行程距离），而空回行程中则没有切削阻力[2]。
二、Matlab仿真分析及参数测量
当牛头刨床六杆机构中导杆CD处于左极限位置时，曲柄与x轴夹角为194.84度，刨头上E点坐标为（796.52，-495.5），为便于分析，以此位置作为曲柄顺时针旋转和刨头位移的起始位置，在Matlab中编写程序，首先定义各杆长度及曲柄旋转角速度，然后根据先前推导的运动学方程编程实现[3]，其源代码如下：
n1=72；w1=2*pi*n1/60；Lac=430；
Lcg=796.52；Lab=110；Lcd=810；Lde=291.6；
dy1=[]；ddy1=[]；Pos=[]；
for theta1=（194.82/180*pi）：-pi/100：
（194.82/180*pi-2*pi）
S3=sqrt（（Lab*cos（theta1））^2+（Lac+Lab*sin（theta1））^2）；
theta3=acos（Lab*cos（theta1）/S3）；
theta4=pi-asin（（Lcg-Lcd*sin（theta3））/Lde）；
Se=Lcd*cos（theta3）+Lde*cos（theta4）；
SS=[theta1，theta3，theta4，S3，Se]'；
Pos=[Pos，SS]；
A=[cos（theta3），-S3*sin（theta3），0，0；
sin（theta3），S3*cos（theta3），0，0；
0，-Lcd*sin（theta3），-Lde*sin（theta4），-1；
0，Lcd*cos（theta3），Lde*cos（theta4），0]；
B=[-Lab*sin（theta1）*w1，Lab*cos（theta1）*w1，0，0]'；
dy=A＼B；
dy1=[dy1，dy]；
dA=[-dy（2）*sin（theta3），
-dy（1）*sin（theta3）-S3*dy（2）*cos（theta3），0，0；
dy（2）*cos（theta3），
dy（1）*cos（theta3）-S3*dy（2）*sin（theta3），0，0；
0，-Lcd*dy（2）*cos（theta3），-Lde*dy（3）*cos（theta4），0；
0，-Lcd*dy（2）*sin（theta3），-Lde*dy（3）*sin（theta4），0]；
dB=[-Lab*cos（theta1）*w1^2，-Lab*sin（theta1）*w1^2，0，0]'；
ddy=A＼（dB-dA*dy）；
ddy1=[ddy1，ddy]；
end
theta1=-1*（Pos（1，：）*180/pi-194.82）；
theta3=Pos（2，：）*180/pi；
theta4=Pos（3，：）*180/pi；
S3=Pos（4，：）；
Se=Pos（5，：）+495.5；
Ve=-1*dy1（4，：）；
Acc=ddy1（4，：）；
plot（theta1，Se），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀位移（mm）'）；
axis（[0，360，0，450]）；
title（'位移曲线'）
plot（theta1，Ve（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀速度（mm/s）'）；
axis（[0，360，-2250，1500]）；
title（'速度曲线'）
plot（theta1，Acc（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀加速度（mm/s^2）'）；
axis（[0，360，-20000，20000]）；
title（'加速度曲线'）
编好程序后，可调用绘图函数绘制相应的位移、速度和加速度曲线。
三、结束语
将Matlab引入机械原理课程设计的教学中，能够使学生掌握利用解析法计算公式设计机构的实际技能，提高学生利用计算机进行机械设计的能力，激发学生的学习兴趣，使其动手能力和创新能力均得到提高。
参考文献：
[1]孙恒，作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2012.
机械原理中机构的定义范文4
一、系统的组建
1、数控系统的组成
在这里我们将一般数控系统的概念广义化,定义成由控制器,机械结构,伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。控制器就是我们通常所说的计算机数控系统,它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成,完成数控装备的运动控制功能,人机交互功能,数据管理功能和相关的辅助控制功能,是数控装备功能实现和性能保证的核心组成部分,是整个数控体系的中心模块。机械结构是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台,如数控机床系统中的铣床、车床和加工中心等机械部分;数控机器人系统中机械手和机械臂等。机械结构根据具体应用场合的不同,具体形态千差万别,但都可以按照运动学和动力学方法简化成运动机构的各种组合形式,这种组合越复杂其对控制器的能力要求就越高,同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制,同样一种机械结构可接受不同控制器的控制,这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的产品类型。伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道,它将控制器数字量的指令输出转换成各种形式的电机运动,带动机械结构上执行元件实现其所规划出来的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分,其任务实质是实现一系列数模或模数之间的信号转化,表现形式就是位置控制和速度控制。在此基础上,随着开放式数控技术的出现,数控系统体系具备了自我扩展和自我维护的功能,这得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬件功能和性能的能力。因此,开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组成部分融入了数控系统体系结构中,并在深刻改变着传统数控系统的结构特征和应用方式。
2、应用开发系统组成和功能规划
本文所建立的一体化数控系统应用开发平台,完成对上面四个组成环节的统一管理控制,系统规划,设计开发和仿真校验流程。系统组成规划模块完成所需数控装备产品的单元组合,功能规划和性能规划;机械结构设计模块完成对机械执行机构的物理建模,动态性能仿真,实体造型,结构绘图和工艺设计;伺服单元控制模块完成伺服系统的选型,位置控制规划,速度调节规划;运动规划控制模块完成运动轨迹规划,插补算法设计和仿真,控制策略设计和仿真;人机交互管理模块完成人机交互界面的设计和实现,数据管理和通讯功能。
整个应用开发系统的每个模块都分为应用和开发两个部分:应用部分针对于现有的系统模式和控制方法,从熟悉、使用、理解角度出发通过相应的软硬件技术手段实现对现有技术资源和产品资源的消化吸收;开发部分在应用部分的基础上,针对应用中发现的问题和产生的创意,对数控系统体系的某些组成环节进行旨在提高其性能和丰富其功能个性化的二次开发并提供进行这种二次扩展的软硬件技术支持环境。
应用开发系统采用两种模式来实现这一目标:第一种是硬件仿真模式,即为特定的典型硬件结构建立一个由软件虚拟的硬件层。硬件层以硬件电路图框的形式展现,其输入输出口可进行交互,以此来模拟整个硬件部分工作时的信号流程,并可像真实硬件一样接受软件算法的代码控制。第二种是建立模块化的硬件单元框架,以真实的硬件模块封装后加入到系统结构中,模块之间采用便于安装和检测的接口,以此来实践系统硬件部分的实际搭建能力。
3、关键技术及其实现
(1)引导型应用和开发模式
层次化的教学模式要求应用开发活动有一个可依附的实践模板,它体现一种交互式的资源响应机制,对学生的实践活动作出引导和评价,并提供获取相关资源的渠道。本系统所建立的引导环境是一种浮动式内嵌帮助平台,它底层以数据库的形式作为资源实体,按照具体应用开发的层次和场合,主要采用交互对话模式,符号描述模式,精灵向导模式三种手段来集中或分散地展示资源。交互对话模式是采用工作步骤预定义的方式,将一些比较成熟的应用开发流程的顺序和内容固定下来,以对话框的形式体现配置环境,最后展现出整个过程的信息结果。符号描述模式采用自定义编程语言的模式对一些需要验证的软件算法和控制流程进行规划,它有别于一般通用的编程语言,只是针对于具体应用场合采用特征描述的方式搜集特定的信息表示,与其所连接的资源数据库进行交互后,给出算法或流程运行的结果和评价。精灵向导模式是提供一个实时在线的帮助信息窗口,该窗口具备智能化的交互形式,可自动根据当前所处的状态提供出相关的引导型帮助信息,并具备自学习的记忆模式,按照用户的应用开发进展调整引导的策略。
二、 网络化分布式应用体系
机械原理中机构的定义范文5
关键词：复摆颚式破碎机；四连杆机构；MATLAB；运动仿真
引言
复摆颚式破碎机是中等粒度矿石破碎中最常用的破碎设备之一。复摆鄂式破碎机具有结构简单、价格低廉、操作简单、坚固耐用、维护容易等优点，是我国生产最多、使用最广的破碎设备。
众所周知，复摆颚式破碎机可以简化成一个铰链四连杆机构，其连杆即动颚。动颚齿面各点即四连杆机构连杆上的对应各点。破碎机的性能主要取决于动颚齿面的轨迹性能值，而轨迹性能值又取决于齿面点在连杆上的位置以及机构尺寸，所谓机构尺寸参数，是指该铰链四连杆机构的各杆长度，机架位置和连杆上动点位置等尺寸参数，因此破碎机的机构尺寸参数的设计，是决定机器性能优劣的关键因素之一。
MATLAB是Mathworks公司推出的交互式计算分析软件，具有强大的运算分析功能，具有集科学计算、程序设计和可视化于一体的高度集成化软件环境，是目前国际上公认的最优秀的计算分析软件之一，被广泛应用于自动控制、信号处理、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域。通过运算分析，MATLAB可以从众多的设计方案中寻找最佳途径，获取最优结果，大大提高了设计水平和质量。四连杆机构的解析法同样可以用MATLAB的计算工具来求值，并结合MATLAB的可视化手段，把各点的计算值拟合成曲线，得到四连杆机构的运动仿真轨迹，本文将通过Matlab软件对复摆颚式破碎机四连杆机构进行分析，实现机构的优化设计。
1 四连杆运动分析
1.1 机构的数学模型
图1为复摆颚式破碎机四连杆机构简图，其中L1为曲柄，L2为连杆，L3为摆杆（肘板），L4为机架，以各杆矢量组成一个封闭矢量多边形，即ABCDA。其个矢量之和必等于零。即：
1.2 机构运动方程
1.2.1 角位移方程
将上式矢量关系写成坐标投影方程：
在式（1）中仅有a2，a3为未知量，故可求解
1.2.2 角速度方程
将式（1）对时间t求导，的角速度方程
1.2.3 角加速度方程
将式（2）对时间t求导，的角加速度方程
2 运用Matlab7.0软件计算求解
根据以上运动方程，编写Matlab程序进行运算，主要步骤如下：
（1）参数初始化，定义四连杆机构尺寸，以及曲柄转速；（2）借助牛顿-辛普森函数，求解出连杆L2和摇杆L3角位移a2、a3并绘制曲线；（3）进一步计算出连杆L2和摇杆L3角速度ω2、ω3，角加速度e2，、e3并绘制曲线；（4）定义动颚齿面上下端点的位置，带入以上就算结果，计算出上下端点的运动参数并绘制曲线。
3 仿真运算
初始化四连杆机构参数：
L1=20mm，L2=2200mm，L3=850mm，L4=1850mm，ω1=200r/min
输出图形：
4 Simulink运动仿真
运用Matlab仿真模块Simulink复摆颚式破碎机进行机构运动动态仿真，可以直观、明了的观察到系统的仿真结果。
在以上计算的基础上，带入动颚的参数（重心位置，重量等），还可计算出动颚运动参数，如惯性力、惯性力矩等。
5 结束语
本文通过Matlab软件对复摆颚式破碎机四连杆机构进行运动分析，仿真运算，绘制运动曲线，可以精确计算出工作机构的运动参数。与传统的解析法、画图法机构分析相比，具有明显的优势，对于复摆颚式破碎机的开发设计以及优化，具有一定的指导意义。
参考文献
[1]孙桓，陈作模.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.
机械原理中机构的定义范文6
关键词：机械产品设计；物理模型；数学模型；建模
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
前言
随着技术的进步，传统机械产品工艺设计采用图纸二维设计已经被计算机图形设计所取代，并且计算机建模能够更加精准，便于修改和演示，能够将复杂的机械结构几何化，为此，机械设计，机械运动方案及各种处理的计算机模拟传输机制之前，要全面分析整个过程，模拟运动系统，设计师通过人机对话做出机械产品之前生产的特殊需求，做出更快，更好的决策的方案计划。
一、几何模型建设
几何模型建设在机械产品工艺设计中会被经常应用，其包括了线框模型、表面模型、实体模型、特征模型。
1、线框模型
在机械产品工艺设计中，由产品的各个顶点和棱边勾勒出来的几何形状的模型叫做线框模型，举例说明：如图1所示：
图1线框模型数据结构
图1模型是一个立方体，其中V代表顶点，共有8个，E代表棱边，共有12条。
线框模型是三维线性模型，表示产品的透视效果，采用线框模型进行机械产品工艺设计，表示简单、修改方便、容易识别。
2、表面模型
表面模型是将线性模型中棱线所围成的封闭面定义为表面，如上图中的线性模型棱边E围成的表面表面有6个表面模型。表面模型的数据结构如图2所示：
图2表面模型数据结构
表面模型能够反映出机械产品的各个表面特征，例如：在两个表面相交，可以得出表面交线及隐藏交线。对于复杂的曲面造型，利用贝塞尔曲面、B样条曲面等可以制造出飞机、轮船、汽车等重工业机械产品曲面工艺设计模型。表面模型并不能够完全的对机械产品进行准确描述，不能表述表面之间的拓扑结构，无立体性计算模型，只仅限于一个平面上的产品工艺设计。
3、实体模型
实体模型能够正确的反映出机械产品的几何信息，同时能够建立模型各表面之间的相互关联。实体模型包含机械产品的各种几何数据，形状、体积等，能够通过布尔运算转换而成，可以利用表面定义实体模型各要素点，并表述出此面另一侧的实体存在如图3所示：
图3表面某一侧存在实体的定义方法
上图中（a）为表面，并存在表面外一点P；图（b）中箭头方向代表其方向存在另一侧面；图（c）表面向右旋转箭头表示形体前进方向，单箭头表示形体存在另一侧面。
机械产品工艺设计，实体造成过程如图4所示：
图4实体造型过程
实体造型过程首先要通过参数构型由基本几何元素按一定拓朴关系构造若干简单形体，再由为数不多的简单形体经过布尔运算组合成空间实体的内部模型。
实体模型可全面完整地描述形体，可自动地计算物性，检测干涉，消除隐藏线和剖切形体等，因而能较好地满足CAD/CAM的要求，得到了广泛的应用。
二、产品模型
机械产品模型的工艺设计要对产品的各项参数与数据进行描述、定义，其中包括机械产品的各部分零件、结构构造、运动轨迹及功能、图形、生产管理、信息管理等。
其结构如图5所示：
图5 产品模型的基本数据
机械产品模型数据可以定义为由几何模型和属性模型构成，二者之间连动关系如图6所示：
图6几何模型和属性模型的关系
机械产品工艺设计，对螺旋弹簧、板簧、齿轮等的运用率较高。如使用标准，成本低，易于购买，有必要在这个时候是不是一个几何模型，而是一个所谓的属性模型。另一个例子是，只要作为目标的描述，它的属性，如齿数，模的性质，等等，任何齿轮的产品目录中，只要其型号规格标准齿轮。标准齿轮，也没有必要影片的详细图纸和详细的形状信息，这是属性的典范。此外，在概念设计的函数绘制的曲线图，绘制概略形状的草图，和性能计算的基本设计，在这种情况下，所用模型的属性是一个必要的属性，以完成的设计目标提取模型。
有模型之间的联锁。例如：作出图片与它相关联的一个相应的绘图部分的设计变更，也可以自动更新，这是连接之间的图形动。另一个例子是形状和大小的值链接的值变化时的大小，形状也应链接的变形，参数化设计包含此功能时，需要进行单向或双向链接的。
三、机械设计方法
机械设计方法要从两个方面进行论述，一方面是广义上的所有机械产品工艺设计，另一方面是狭义上的具体机械产品，包括产品功能、用处等。
广义的机械设计应包括所有机械的内容，涵盖机械领域，如工业机械，电子工业，航空航天工业。各种重型机械大，小，微型仪器仪表，家用电器。
狭义的机械的内容应主要包括起重运输机械，冶金机械，纺织机械，印刷机械，轻工机械，橡胶机械，汽车制造，造船。
无论是概念的广义的机械或狭机械的内容，各种机械在各行业的共同财产的机构来完成的运动或在某一特定领域的机械产品的位移或力的变化。
各种机械产品，我们可以将其定义为一个机械的对象，每个对象都有其属性。这些特性，对不同行业或不同区域的功能要求，计算方法，设计标准和规范，应包括各种机械产品。虽然都属于机械产品，应用的基本理论，理论力学，材料力学，机构力学，机械原理和机械零件，但在不同行业的机械产品在特定的专业差距是巨大的。还遵循一个特定的区域，同时，独特的机械设计，机械设计机械产品遵循的一般原则。这种特殊性，有针对性的设计。
在机械设计的产品，而且在整个电力拖动与控制，液压传动，气动，高温和高压，流体力学，化学，跨学科的技术基础。这些技术的深入研究为基础的产品的设计。基本理论与机械联合设计成机械产品领域，需要大量的时间，这些特点。
如果你想设计一个特定的区域，仍然需要大量的时间去深入和详细的研究和总结找出其独特的法律具有一定的机械设计的基本理论。和许多的法律一定的科学实验被发现。这一次，有时相当可达几年或十年。某些产品需要几代人的努力，以达到一定的高度。
机械设计是模仿，总结，借鉴和创造多方面相结合的技术工作。合理的外部条件，合理的设计理念，设计标准和方法可以设计和创造优良的机械产品的设计。
机械产品的设计还应包括利用现代设计方法，除了强度计算中应该考虑的参数优化，结构优化，方案优化。可靠性分析，人体工程学，工业美学，绿色设计标准。
现代机械设计将应用于有限元设计，虚拟设计，坚固耐用的设计，并行设计，机电一体化设计，计算机辅助设计，机械设计最新的电脑软件。
机械产品设计中最重要的部分，应包括以下几个方面：
1，功能设计;2，主要设计参数;3，设计的主要机制;4，主体结构设计。
机械产品的设计工作是一项创造性的工作，需要长期深入细致的研究，可以设计出客户满意的产品。
四、结束语
利用模型建设进行机械产品的工艺设计是采用计算机软件虚拟出机械产品的形状、性能及工作原理，通过人机交互让用户虚拟感受机械产品性能。计算机图形能够以三度空间，将现实环境虚拟化，进而能够降低机械产品设计预算，实现完美体验，并能够根据用户要求进行随时更改，达到机械产品最优状态。
参考文献
[1] 张晓华等．系统建模与仿真[M]．第一届维修工程国际学术会议论文集，2006（6）．
[2] 艾树峰等．ADAMS 机械设计高级应用实例[M]．电讯技术，2008（4）．
[3] 麦静惠等．虚拟样机技术及在ADAMS上的实践[M]．机械设计高级应用实例，2005（2）．
