基于UG的平面四连杆机构运动与仿真

第一篇：基于UG的平面四连杆机构运动与仿真

毕业设计论文

题目: 基于UG的平面四连杆机构设计及运动仿真

专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间

机电设备维修与管理

李小军 季祥 2011年7月

毕业设计任务书

指导教师：季祥

一、设计题目用

基于UG的空间四连杆机构设计及运动仿真

二、设计的目的

1）掌握UG的基本使用方法。

2）掌握四连杆机构的特点及虚拟装配的方法。3）掌握UG中运动仿真的方法。

三、设计要求

1）平面四连杆机构的三维造型。2）平面四连杆机构的虚拟装配

3）UG中平面四连杆机构的运动仿真。4）仿真结果的分析

四、完成的任务

要求说明详细，字迹工整，原理正确，图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀。

（1）设计与绘制平面四连杆机构，建立运动仿真的模型。（2）毕业设计说明书（8000以上）1）设计题目

2）四连杆机构原理说明

3）四连杆机构的三维造型设计及虚拟装配 4）UG的四连杆运动仿真 5）设计总结及改进意见 6）主要参考资料

五、参考文献

机械设计

高等教育出版社 主编

濮良贵 纪名刚 机械原理

高等教育出版社 主编

孙恒 陈作模

UG NX5.0中文版从入门到精通

机械工业出版社 主编

胡仁喜、康士廷、刘昌丽

目录

摘要..........................................................................................................4 第1章 绪论............................................................................................5

1.1 UG NX5的功能模块.............................................................5

1.1.1 UG NX5用户界面......................................................5 1.1.2主要功能.........................................................................6 1.2 UG NX5的工作环境.............................................................9 1.3 产品设计的一般过程...........................................................12 1.4 三维造型设计步骤...............................................................13 第二章平面连杆机构..........................................................................15

2.1 平面四杆机构的基本形式...................................................15 2.2 铰链四杆机构中曲柄存在的条件.......................................16 2.3 铰链四杆机构的演化.............................................................17 第三章平面四杆机构的基本特性......................................................20

3.1 四杆机构的极位...................................................................20 3.2 四杆机构从动件的急回特性...............................................20 3.3 平面连杆机构的传力特性...................................................20 3.4 死点位置...............................................................................21 第四章 四连杆的三维造型..................................................................22

4.1 机架的三维造型...................................................................22 4.2 连架杆1的三维造型...........................................................26 4.3 连架杆2的三维造型...........................................................28 4.4 连杆的三维造型...................................................................28 第五章 四连杆的虚拟装配..................................................................31

5.1 进入装配模块.......................................................................31

5.2 添加组件机架.......................................................................31 5.3 装配连架杆1........................................................................32 5.4 装配连架杆2........................................................................34 5.5 装配连杆...............................................................................35 第六章

平面四连杆机构的运动仿真................................................40

6.1 新建仿真...............................................................................40 6.2 新建连杆...............................................................................41 6.3 创建运动副...........................................................................43 第七章

平面四连杆的运动仿真分析................................................46

7.1 运动副图表分析...................................................................46 7.2 死点位置...............................................................................49 结

论....................................................................................................51 致

谢....................................................................................................52 参考文献................................................................................................53

摘要

UG NX是集CADCAECAM于一体的三维参数化软件，也是当今世界最先进的设计软件，它广泛应用于航空航天、汽车制造、机械电子等工程领域。还有在系统创新、工业设计造型、无约束设计、装配设计、钣金设计、工程图设计等方面的功能。

平面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平面，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UG NX的功能模块、工作环境、产品设计的一般过程、三维造型设计步骤；平面四杆机构的基本形式、铰链四杆机构中曲柄存在的条件、铰链四杆机构的演化、平面四杆机构的基本特性，以及使用UG对平面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：

UG 四连杆

装配

仿真

第1章 绪论

UG NX是Unigraphics Solutions公司推出的CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。

1.1 UG NX5的功能模块

1.1.1 UG NX5用户界面

图 1-1 UG的用户界面

图 1-2 建模工作窗口

1.1.2主要功能

UG NX5软件是由多个模块组成的，主要包括CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金件、Web、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块，其中每个功能模块都以Gateway环境为基础，它们之间既有联系又相互独立。

UG/Gateway UG/Gateway为所有UG NX产品提供了一个一致的、基于Motif的进入捷径，是用户打开NX进入的第一个应用模块。Gateway是执行其他交互应用模块的先决条件，该模块为UG NX5的其他模块运行提供了底层统一的数据库支持和一个图形交互环境。它支持打开已保存的部件文件、建立新的部件文件、绘制工程图以及输入输出不同格式的文件等操作，也提供图层控制、视图定义和屏幕布局、表达式和特征查询、对 6

象信息和分析、显示控制和隐藏/再现对象等操作。

CAD模块 1．实体建模

实体建模是集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法，提供符合建模的方案，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。

2．特征建模

UG特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持，常用的特征建模方法包括圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征，特征可以相对于任何其他特征或对象定位，也可以被引用复制，以建立特征的相关集。

3．自由形状建模

UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。它是实体建模和曲面建模技术功能的合并，包括沿曲线的扫描，用一般二次曲线创建二次曲面体，在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面。还可以采用逆向工程，通过曲线/点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，或通过引入数学方程控制、编辑模型。

4．工程制图

UG工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图，也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时，工程图将被自动更新。制图模块提供自动的视图布局（包括基本视图、剖视图、向视图和细节视图等），可以自动、手动尺寸标注，自动绘制剖面线、形位公差和表面粗糙

度标注等。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图，包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等。

5．装配建模

UG装配建模是用于产品的模拟装配，支持“由底向上”和“由顶向下”的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位，改进了性能和减少存储的需求。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享，使产品开发并行工作。

MoldWizard模块

MoldWizard是UGS公司提供的运行在Unigraphics NX软件基础上的一个智能化、参数化的注塑模具设计模块。MoldWizard为产品的分型、型腔、型芯、滑块、嵌件、推杆、镶块、复杂型芯或型腔轮廓创建电火花加工的电极及模具的模架、浇注系统和冷却系统等提供了方便的设计途径，最终可以生成与产品参数相关的、可用于数控加工的三维模具模型。

CAM模块

UG/CAM模块是UG NX的计算机辅助制造模块，该模块提供了对NC加工的CLSFS建立与编辑，提供了包括铣、多轴铣、车、线切割、钣金等加工方法的交互操作，还具有图形后置处理和机床数据文件生成器的支持。同时又提供了制造资源管理系统、切削仿真、图形刀轨编辑器、机床仿真等加工或辅助加工。

产品分析模块

UG产品分析模块集成了有限元分析的功能，可用于对产品模型进行受力、受热后的变形分析，可以建立有限元模型、对模型进行分析和对分析后的结果进行处理。提供线性静力、线性屈服分析、模拟分析和

稳态分析。运动分析模块用于对简化的产品模型进行运动分析。可以进行机构连接设计和机构综合，建立产品的仿真，利用交互式运动模式同时控制5个运动副，设计出包含任意关于注塑模中对熔化的塑料进行流动分析，以多种格式表达分析结果。注塑模流动分析模块用于注塑模中对熔化的塑料进行流动分析。具有前处理、解算和后处理的能力，提供强大的在线求解器和完整的材料数据库。

1.2 UG NX5的工作环境

在初始界面中，单击【标准】工具栏中的【新建】按钮，或者选择【文件】/【新建】选项，系统将弹出如图1-1所示的【文件新建】对话框。

图1-3 【文件新建】对话框

该对话框提供了3个选项卡：模型、图纸和仿真。用户可以根据需要选择对应的模板。首先选择“模型”选项卡中的“模型”模板，然后在“新文件名”组框中的“名称”文本框中输入新文件名（UG NX5要求存盘目录和文件名必须是英文字符），在“文件夹”文本框中选择文件保存目录，最后单击【确定】按钮，系统将弹出如图1-2所示的NX5基

本界面。

图1-4 UG的基本界面

NX5基本界面主要由标题栏、菜单栏、工具栏、绘图区、坐标系图标、提示栏、状态栏和资源导航器等部分组成。

1．标题栏

标题栏位于UG NX5用户界面的最上方，用来显示软件名称及版本号，以及当前的模块和文件名等信息，如果对部件已经做了修改，但还没进行保存，其后面还会显示“修改的”提示信息。

2．菜单栏

菜单栏位于标题栏的下方，包括了该软件的主要功能，每一项对应一个UG NX5的功能类别。它们分别是文件、编辑、视图、插入、格式、工具、装配、信息、分析、首选项、窗口和帮助。每个菜单标题提供一个下拉式选项菜单，菜单中会显示所有与该功能有关的命令选项。

3．工具栏

UG NX5有很多工具栏的选择，当启动默认设置时，系统只显示其中的几个，工具栏是一行图符，每个图符代表一个功能。工具栏与下拉菜单中的菜单项相对应，执行相同的功能，可以使用户避免在菜单栏中

查找命令的繁琐，方便操作。UG各功能模块提供了许多使用方便的工具栏，用户还可以根据自己的需要及显示屏的大小对工具栏图标进行设置。

4．提示栏

提示栏主要用于提示用户如何操作，是用户与计算机信息交互的主要窗口之一。在执行每个命令时，系统都会在提示栏中显示用户必须执行的动作，或者提示用户的下一个动作。

5．状态栏

状态栏位于提示栏的右方，显示有关当前选项的消息或最近完成的功能信息，这些信息不需要回应。

6．对话框轨道及其轨道夹

在UG NX5中，几乎所有对话框都打开在对话框轨道的预定义位置上，用户可拖动对话框轨道将轨道夹放置在所需的目标位置上，也可单击轨道夹临时隐藏一个打开的对话框。另外，可以单击轨道夹中的松开按钮松开对话框，让它们浮在屏幕上，反之单击夹住，使其锁紧在轨道夹位置处。

7．绘图区

绘图区是UG创建、显示和编辑图形的区域，也是进行结果分析和模拟仿真的窗口，相当于工程人员平时使用的绘图板。当光标进入绘图区后，指针就会显示为选择球。

8．坐标系图标

在UG NX5的窗口左下角新增了绝对坐标系图标。在绘图区中央有一个坐标系图标，该坐标系称为工作坐标系WCS，它反映了当前所使用的坐标系形式和坐标方向。

9．资源导航器

资源导航器用于浏览编辑创建的草图、基准平面、特征和历史记录等。在默认情况下，资源导航器位于窗口的左侧。通过选择资源导航器上的图标可以调用装配导航器、部件导航器、操作导航器、Internet、帮助和历史记录等。

1.3 产品设计的一般过程

在进行产品设计时，应该养成一种良好的产品设计习惯，这样可以节省设计时间，降低设计成本，提高产品的市场响应能力。在使用UG NX5软件进行产品设计时，需要了解产品的设计过程。

1．准备工作

（1）阅读相关设计的文档资料，了解设计目标和设计资源。（2）搜集可以被重复使用的设计数据。（3）定义关键参数和结构草图。（4）了解产品装配结构的定义。（5）编写设计细节说明书。

（6）建立文件目录，确定层次结构。

（7）将相关设计数据和设计说明书存入相应的项目目录中。2．设计步骤

（1）建立主要的产品装配结构。用自上而下的设计方法建立产品装配结构树。如果有些以前的设计可以沿用，可以使用结构编辑器将其纳入产品装配树中。其他的一些标准零件，可以在设计阶段后期加入到装配树中。因为大部分这类零件需要在主结构完成后才能定形、定位。

（2）在装配设计的顶层定义产品设计的主要控制参数和主要设计结构描述（如草图、曲线和实体模型等），这些模型数据将被下属零件所引用，以进行零件细节设计。同时这些数据也将用于最终产品的控制和修 12

改。

（3）根据参数和结构描述数据，建立零件内部尺寸关联和部件间的特征关联。

（4）用户对不同的子部件和零件进行细节设计。

（5）在零件细节设计过程中，应该随时进行装配层上的检查，如装配干涉、重量和关键尺寸等。

此外，也可以在设计过程中，在装配顶层随时增加一些主体参数，然后再将其分配到各个子部件或零件设计中。

1.4 三维造型设计步骤

1．理解设计模型

了解主要的设计参数、关键的设计结构和设计约束等设计情况。2．主体结构造型

建立模型的关键结构，如主要轮廓，关键定位孔确定关键的结构对于建模过程起到关键作用。

对于复杂的模型，模型分解也是建模的关键。如果一个结构不能直接用三维特征完成，则需要找到结构的某个二维轮廓特征。然后用拉伸旋转扫描的方法，或者自由形状特征去建立模型。

UG允许用户在一个实体设计上使用多个根特征，这样，就可以分别建立多个主结构，然后在设计后期对它们进行布尔运算。对于能够确定的设计部分，先造型，不确定的部分放在造型的后期完成。

设计基准（Datum）通常决定用户的设计思路，好的设计基准将会帮助简化造型过程并方便后期设计的修改。通常，大部分的造型过程都是从设计基准开始的。

3．零件相关设计

UG允许用户在模型完成之后再建立零件的参数关系，但更加直接的方法是在造型过程中直接引用相关参数。

困难的造型特征尽可能早实现。如果遇到一些造型特征实现较困难，尽可能将其放在前期实现，这样可以尽早发现问题，并寻找替代方案。一般来说，这些特征会出现在hollow、thicken、complex blending„„特征上。

4．细节特征造型

细节特征造型放在造型的后期阶段，一般不要在造型早期阶段进行这些细节设计，否则会大大加长用户的设计周期。

第二章平面连杆机构

2.1 平面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。在铰链四杆机构中，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360 º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

铰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。

图 2-1 铰链四杆机构

(2)双曲柄机构

铰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2-2 平行四边形机构

图 2-3 双摇杆机构 双摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。双摇杆机构的功能是：将一种摆动转换为另一种摆动。

图 2-4 双摇杆机构

图2-5 鹤式起重机

2.2 铰链四杆机构中曲柄存在的条件

在铰链四杆机构中，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360º的转动副为整转副。整转副的存在条件是曲柄存 16

在的必要条件，而铰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——长度条件

铰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。在铰链四杆机构中，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之和（其余两构件长度分别为l1、l2）,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

lmax+lmin<=l1+l2 反之，若lmax+lmin>l1+l2，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。铰链四杆机构基本类型的判别方法

在铰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，则该机构为双摇杆机构。②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。

2.3 铰链四杆机构的演化

在实际应用中还广泛采用者滑块四杆机构，它是由铰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 17

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，铰链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；但此时铰链四杆机构已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构。于是铰链四杆机构将变为常见的曲柄滑块机构。

曲柄转动中心至滑块导路的距离e，称为偏距，若e=0则将其称为对心曲柄滑块机构；若e≠0则将其称为偏心曲柄滑块机构。

设构件AB的长度为l1,构件BC的长度为l2，则保证杆AB杆成为曲柄的条件是：l1+e≤l2。

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 2-6 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l1＜l2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l1＞l2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。

第三章平面四杆机构的基本特性

3.1 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。

3.2 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 3-1 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θ—— 从动摇杆位于两极限位置时，原动件两位置所夹锐角。θ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。

3.3 平面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α称为压力角。压力角的余角γ（γ=90 º-α）作为机构的传力特性参数，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：

αmax ≤ [α] —— 许用压力角

或

γmin ≤ [γ] —— 许用传动角

最小传动角γmin 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。

图 3-2 平面连杆机构的传力特性 3.4 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。

第四章 四连杆的三维造型

4.1 机架的三维造型

打开UG5.0，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。

图 4-1 新建对话框

单击长方体按钮输入长度10，宽度288，高度20。

图 4-2 特征工具栏

图4-3 长方体对话框

图4-4 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 4-5 特征操作工具栏

图 4-6 边倒圆对话框

图 4-7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 24

图 4-8 圆柱对话框

图 4-9 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形孔。

图 4-10 机架

4.2 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。

图 4-11 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 4-12 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 4-13 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 4-14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 4-15建立凸台

图4-16 连架杆1 4.3 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 4-17 连架杆2 4.4 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。

图 4-18 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。

图 4-19 长方体对话框

选择边倒圆按钮，在两边倒圆，输入半径10。

图 4-20 边倒圆后的长方体

在两边建立两个直径10的孔。

图 4-21 连杆

第五章 四连杆的虚拟装配

5.1 进入装配模块

1．启动UG NX，新建一个文件。2．单击【标准】工具栏中的选择【装配】命令，进入装配模块。

按钮，在弹出的下拉菜单中5.2 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，单击单击按钮，返回到【添加组件】对话框设置定位为“绝对原点”，按钮，将实体定位于原点，结果如图所示。

图 5-1 添加组件对话框

图5-2 添加机架

5.3 装配连架杆1 以“配对”的定位方式打开连架杆1组件lianjiagan1.prt，单击按钮进入配对条件对话框。

图5-3 配对条件对话框

单击配对按钮选择如图5-4所示红色的面，再选中如图5-5所示红色的面，单击确定按钮。

单击 按钮选择图5-6所示的红色的面，再选中如图5-7所示的红

色的面，单击确定按钮，最后得到如图5-8所示

图 5-4装配关系

图 5-5装配关系

图 5-6装配关系

图 5-7装配关系

图 5-8 装配连架杆1 5.4 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，单击按钮，装配结果如图5-9所示。

图 5-9 装配连架杆2 5.5 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，单击配对按钮，进入配对条件对话框如图所示，单击配对类型里面的按钮，选择如图5-11所示的红色的面，再选中如图5-12所示的按钮，再单击中心

按钮，选择如图5-13所示

按钮，再单红色的面，单击的红色的面，再选中如图5-14所示的红色的面，单击击按钮，选择如图5-15所示红色的面，再选中如图5-16所示红色的按钮，再单击

按钮，得到最终装配图如图5-17所面单击示。

图 5-10 “配对条件”对话框

图 5-11装配关系

图 5-12装配关系

图 5-13装配关系

图 5-14装配关系

图 5-15装配关系

图 5-16装配关系

图 5-17 完成的装配图

第六章

平面四连杆机构的运动仿真

平面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。平面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UG NX软件，对平面四连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)。

6.1 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

图 6-1 运动导航器

图 6-2 环境对话框

6.2 新建连杆

单击按钮，打开新建连杆对话框，如图所示

图 6-3连杆对话框

选中连杆1，点击创建连杆loo1，再选中连杆2点击创建连杆loo2，再选中连杆3点击击

创建连杆loo3，再选中连杆4点创建连杆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

图 6-4 运动导航器中显示的连杆

图 6-5 固定连杆loo4

6.3 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。

单击打开创建运动副对话框，如图所示，选择连杆1，创建旋

按钮创建旋转副。转副指定驱动类型为恒定初速度为10单击 43

图 6-6 运动副对话框

图 6-7 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。单击按钮创建第二个运动副。

图6-8 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。单击钮，创建第三个运动副。

按选中连杆3，在连杆3和连杆4咬合的中心建立旋转副，如图所示。单击按钮，创建第四个运动副。

图 6-9 运动副对话框

图 6-10 解算方案对话框

单击下的通过按按钮进行解算，设置时间为100，步数为100，勾选步数进行解算，点击确定进行解算。

经过解算，可对平面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。

第七章

平面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≤其余两杆长度之和：组成该周转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≤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。

7.1 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Graphing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 7-3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 7-4 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

图 7-5 曲柄的角速度变化曲线

运动副3的分析

图 7-6 连杆的角速度变化曲线

运动副5的分析

图 7-7 摆杆角速度变化曲线

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。

7.2 死点位置

当摇杆为主动件进行运动分析时，在如图所示的两个位置会出现不能使曲柄转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为死点。在一些运动中我们应尽量避免这种现象的出现，为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，可以采取组合机构或者采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。

第二篇：四连杆机构运动与仿真 周云鹏

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...................................................5

1.1 四杆机构的基本形式.........................................5 1.2 铰链四杆机构中曲柄存在的条件...............................6 1.3 铰链四杆机构的演化..........................................7 第2章 四杆机构的基本特性........................................10

2.1 四杆机构的极位............................................10 2.2 四杆机构从动件的急回特性..................................10 2.3 连杆机构的传力特性........................................10 2.4 死点位置..................................................11 第3章 四连杆的三维造型..........................................12

3.1 机架的三维造型............................................12 3.2 连架杆1的三维造型........................................14 3.3 连架杆2的三维造型........................................17 3.4 连杆的三维造型............................................17 第4章 四连杆的虚拟装配..........................................19

4.1 进入装配模块..............................................19 4.2 添加组件机架..............................................19 4.3 装配连架杆1...............................................20 4.4 装配连架杆2...............................................22 4.5 装配连杆..................................................22 第5章 四连杆机构的运动仿真.....................................26

5.1 新建仿真..................................................26 5.2 新建连杆..................................................27 5.3 创建运动副................................................28 第6章 四连杆的运动仿真分析.....................................31

6.1 运动副图表分析............................................31 6.2 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四杆机构的基本形式、铰链四杆机构中曲柄存在的条件、铰链四杆机构的演化、四杆机构的基本特性，以及使用UG对四连杆机构进

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。在铰链四杆机构中，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360 º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

铰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。

图 1-1 铰链四杆机构

(2)双曲柄机构

铰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1-2平行四边形机构 图 1-3 双摇杆机构

双摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。双摇杆机构的功能是：将一种摆动转换为另一种摆动。

图 1-4 双摇杆机构 图1-5 鹤式起重机

1.2 铰链四杆机构中曲柄存在的条件

在铰链四杆机构中，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360º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，而铰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——长度条件

铰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。在铰链四杆机构中，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之和（其余两构件长度分别为l1、l2）,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

lmax+lmin<=l1+l2 反之，若lmax+lmin>l1+l2，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。铰链四杆机构基本类型的判别方法

在铰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，则该机构为双摇杆机构。②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 铰链四杆机构的演化

在实际应用中还广泛采用者滑块四杆机构，它是由铰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，铰链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；但此时铰链四杆机构已演化为曲线导轨的曲柄滑块机构。于是铰链四杆机构将变为常见的曲柄滑块机构。

曲柄转动中心至滑块导路的距离e，称为偏距，若e=0则将其称为对心曲柄滑块机构；若e≠0则将其称为偏心曲柄滑块机构。

设构件AB的长度为l1,构件BC的长度为l2，则保证杆AB杆成为曲柄的条件是：l1+e≤l2。

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l1＜l2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l1＞l2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。2.2 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θ—— 从动摇杆位于两极限位置时，原动件两位置所夹锐角。θ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α称为压力角。压力角的余角γ（γ=90 º-α）作为机构的传力特性参数，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： αmax ≤ [α] —— 许用压力角

或 γmin ≤ [γ] —— 许用传动角

最小传动角γmin 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。

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。

第3章 四连杆的三维造型

3.1 机架的三维造型

打开UG5.0，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。

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3-3 长方体对话框

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形孔。

图 3-10 机架

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。

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 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1 3.3 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 3-17 连架杆2 3.4 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。

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。

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10。

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

按钮，弹出【部

按钮，按钮，在弹出的下拉菜单中选择【装件名】对话框，根据组件的存放路径选择组件机架jijia.prt，单击返回到【添加组件】对话框设置定位为“绝对原点”，单击定位于原点，结果如图所示。

按钮，将实体

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 以“配对”的定位方式打开连架杆1组件lianjiagan1.prt，单击钮进入配对条件对话框。

按

图4-3 配对条件对话框

单击配对按钮面，单击确定按钮。

单击按钮选择图5-6所示的红色的面，再选中如图5-7所示的红色的面，最后得到如图5-8所示

选择如图5-4所示红色的面，再选中如图5-5所示红色的单击确定按钮

图 4-4装配关系

图 4-5装配关系

图 4-6装配关系

图 4-7装配关系

图 4-8 装配连架杆1

4.4 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，单击按钮，装配结果如图5-9所示。

图 4-9 装配连架杆2 4.5 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

按钮，再单击

按钮，选择如图5-15所按钮，再单击

按图5-14所示的红色的面，单击示红色的面，再选中如图5-16所示红色的面单击钮，得到最终装配图如图5-17所示。

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UG NX软件，对四连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

图 5-1 运动导航器

图 5-2 环境对话框

5.2 新建连杆

单击按钮，打开新建连杆对话框，如图所示

图 5-3连杆对话框

选中连杆1，点击杆loo2，再选中连杆3点击建连杆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

创建连杆loo1，再选中连杆2点击

创建连杆loo3，再选中连杆4点击

创建连

创

图 5-4 运动导航器中显示的连杆 图 5-5 固定连杆loo4 5.3 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

按钮创建旋转副。驱动类型为恒定初速度为10单击

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。单击按钮创建第二个运动副。

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。单击按钮，创建第四个运动副。

按钮，创

图 5-9 运动副对话框 图 5-10 解算方案对话框

单击按按钮进行解算，设置时间为100，步数为100，勾选步数下的通过进行解算，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≤其余两杆长度之和：组成该周转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≤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Graphing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

图 6-3 曲柄的角速度变化曲线

运动副3的分析

图 6-4 连杆的角速度变化曲线

运动副5的分析

图 6-5 摆杆角速度变化曲线

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。6.2 死点位置

当摇杆为主动件进行运动分析时，在如图所示的两个位置会出现不能使曲柄转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为死点。在一些运动中我们应尽量避免这种现象的出现，为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，可以采取组合机构或者采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。

图 6-6 曲柄与连杆重合

图 6-7 曲柄与连杆共线

结 论

本课题介绍了四连杆的设计及运动仿真，给出了用UG建模的步骤和仿真分析的结果。

四连杆机构虽是个简单的机构，但在生活中却很常见，所以我们要熟悉其原理，特性。基本形式，以便在合适的场合使用它。

总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了UG软件的基本建模方法，对四连杆机构有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。

致 谢

首先感谢老师，在老师的指导、帮助下，我才能顺利完成毕业设计。还要同班的兄弟们在我的毕业设计中对于目录的插入给我很大的帮助，衷心感谢他们。

感谢在毕业设计中帮助过我的所有同学和师兄师姐们。

参考文献

[1]濮良贵 纪名刚 机械设计 北京：高等教育出版社 2008.[2]孙恒 陈作模 机械原理 北京：高等教育出版社.2007 [3]胡仁喜 康士廷 刘昌丽 UG NX5.0中文版从入门到精通 北京：机械工业出版社 2005 [4]于兴之 朱敬超 机械设计基础 武汉：武汉理工大学出版社2008 [5]屈福康 李勇峰 蔡凯武 模具CAD/CAM(UG)北京：清华大学出版社 2009 [6]江洪 康瑛石 吴冬俊 UG NX 5.0基础 北京：机械工业出版社2010 [7]刘家平机械制图 北京：中国人民大学出版社2008 [8]罗忠辉 黄世庆 机械设计与制造 北京：中国人民大学出版社2005

[9]李怀刚 王伟 计算机应用基础 北京：机械工业出版社2009 [10]郑祖斌 通用机械设备 北京：机械工业出版社2010

第三篇：第1讲四连杆机构运动仿真[模版]

第1讲 四连杆机构运动仿真

一、建立连接 1.设置工作目录

选择【文件】→【设置工作目录】打开工作目录选取面板，如图1所示，选择如图所示2的文件夹为工作目录。

图1设置工作目录

图2 选择文件夹 2.建立新的装配文件

打开PROE软件，点击'文件'，选择‘新建’，有如下对话框弹出（如图3所示），在类型项选择‘组件’，子类型项选择‘设计’，名称改为‘2009109120’，不使用缺省模板，点击‘确定’。有下对话框弹出（如图4所示），在模板中选择‘mmns-asm-design’，直接点击‘确定’开始进入制图过程。

图3 新建组件

图4 选择单位

二、装配文件 1.机架的放置

（1）进入PROE的主界面，点击右下角图标‘动仿真四连杆中1ground.prt，单击打开。

’，有如下对话框弹出（如图5所示），选择运

图5 载入文件

在主界面出现一行任务栏动’选项中选择，再在右边单击‘，在‘自

’，如图6所示。

图6 机架1（2）再点击右下角图标‘

’，选择运动仿真四连杆中1-ground-prt,单击‘打开’，则在主界面中出现一行任务栏，如图7所示。

图7 机架2 用鼠标左键选择两平面对齐，如图8所示。

图8平面对齐

在选择两侧面对齐，在任务栏中选择，如图9所示，再单击右边'

'。

图9 侧面对齐

2.曲柄的装配 在单击右下角‘现一行任务栏：义栏中有选择'如图10所示。’，在运动仿真四连杆中选择‘2-crank-prt'，单击‘打开’。在主界面出，在用户定

’，在操作区中选择曲柄的轴线与机座的轴线重合，图10 曲柄面匹配

再选择曲柄与该机座的一端面配对，如图11所示。在任务栏中点击‘成该次联结。

’，和‘

’，完

图11 轴对齐

3.摇杆的装配 单击右下角‘ ’，运动仿真四连杆中选择‘4rocker-prt’，单击‘打开’。任务栏：，同理在用户定义中选择‘ 12所示。

’把第4摇杆与另一机座的轴线重合连结，如图

图12 轴对齐

再将该摇杆与机座的端面配对连结，如图13所示。最后在任务栏中单击‘成好该次连结。

’，‘

’完

图13 面匹配

4.连杆的装配 在右下角点击图标‘’在运动仿真四连杆中选择“3connectingrod.prt”，单击‘打开’，进

入主界面和任务栏中，如图14所示：

图14 连杆的装配 在任务栏用户定义栏中选择‘轴线重合连结，如图15所示。

’。把连杆凸轴部分与曲柄孔的图15轴对齐

再将连杆与曲柄的端面配对连结（如图16所示）

图16 面匹配

在任务栏中点击‘放置’出现新的对话框，如图17所示。

图17 放置 点击‘新建集’，再将连杆与摇杆的轴线重合连结，如图18所示。

图18 新建轴对齐

再将连杆与摇杆的两端面配对连结，如图19所示。

图19 新建面匹配

最后单击‘’完成所有组件连结，连结好组件如图20所示。

图20 总装配图 三.运动与仿真 1.参数的设置

（1）单击菜单栏中‘应用程序’，如图21所示。

图21 选择机构菜单

（2）选择单击‘机构’，左下角出现新的对话框，如图22所示。

图22 电动机

单击‘’，单选择并点击‘

’，单击右键，弹出‘

’，并点击新建出现新的对话框，如图23所示。

图23 运动轴选择 图24 轮廓选择

单击‘’，选择组件图中‘’，单击‘轮廓’，如图24所示。在规范选项中选择‘速度’和常数A中输入360，单击‘确定’完成该步骤。

2.运动仿真 在左下角单击‘

’点击鼠标右键弹出新建点击，出现新的对话框，如图25所示。在类型中选择‘运动学’，在‘终止时间’输入5，在‘最小间隔’输入0.02.单击‘确定’，完成机构运动步骤。

图25 分析定义 3.结果回放与输出 点击左下角‘

’弹出对话框，如图26所示。

图26 动画

单击‘27和28所示。’和‘

’控制机构的起停，得到两种不同状态的图形，如图

图27 机构运动状态

图28机构运动状态 4.测量与记录 点击右下角图标‘’弹出对话框，如图29所示。

图29 测量结果

点击测量处‘’，弹出新的对话框，如图30所示。

图30 测量定义 图31运动轴

在类型栏中选择‘速度’，点运动轴选择组件中一运动轴，如图31所示。同理点击‘34所示。

’，都选择‘速度’项分别对组件图中另三处连结点分析，如图

32、图33和图

图32连接点1 图33 连接点2 图34连接点3 点击对话框中击‘’，得出四连结点速度图（如图35所示）。

按住CTRL键，对4个measure全选，并单

图35 运动学图形

四、保存退出

点击【文件】/【保存】完成本次仿真。点击【文件】/【退出】退出pro/e。

第四篇：2021基于MATLAB Simulink的平面四连杆机构仿真

基于MATLAB

Simulink的平面四连杆机构仿真

基于MATLAB/Simulink的平面四连杆机构仿真

一、题目及自由度分析

如图1所示，该平面四杆机构中有三根运动的均质钢杆，其中有两根钢杆的一端与接地点连接，第三根杆就与这两根杆剩下的端点连接起来，两个接地点就可认为是第四杆，机构中相关尺寸如图2所示。

计算结构自由度，三个运动杆被限制到平面内运动，因此每个杆都有两个移动和一个转动，即在考虑约束之前，自由度为：

3×(2+1)=9

但是由于每个杆都受到约束，所以并不是每个自由度都是独立的。在二维状态下，刚体间的连接或者刚体与接地点的连接就会增加两个约束。这样就会使得刚体其中一端不能够作为独立的自由运动点，而是要受到邻近刚体的约束。该题中有四个刚体--刚体或刚体—接地点的连接，这就隐含8个约束。

那么最后的自由度为9-8=1.虽然有四个转动自由度，但是，其中三个都是非独立的，只要确定其中一个，就可确定其余三个。

二、模型建立及参数设置

1应用MATLAB/Simulink建立初始模型

2在初始模型的基础上添加Joint

Sensor模块

3依题意设置相关参数

⑴配置Ground模块

由图2可得系统的基本尺寸为：

①固定构件长86.7厘米

②Ground_1表示接地点，在World

CS坐标轴原点右边43.3cm处

③Ground_2表示接地点，在World

CS坐标轴原点左边43.4cm处

④最下端的铰处于X-Z平面内原点以上4cm

图5Ground_1模块参数设置图6Ground_2模块参数设置

4配置Joint模块

三个没有接地的联杆都是在X-Y平面内的，所以Revolute轴必须是Z轴。

⑴依次打开Revolute参数对话框，保持默认值，即Axis

of

rotation[x

y

z]默认设置为[001]，Reference

csys都是WORLD。

图7Revolute坐标设置

⑵根据连接情况依次设置Revolute参数对话框中的Connection

parameters参数

图8Revolute模块参数对话框Connection

parameters参数

图9Revolute模块参数对话框Connection

parameters参数

图10Revolute模块参数对话框Connection

parameters参数

图11Revolute模块参数对话框Connection

parameters参数5配置Body模块

本题中Body模块（即Bar）定位方式不是直接相对于WORLD坐标系统，而是采用相对坐标形式，Bar1的CS1相对于Ground_1，Bar2的CS1相对于Bar1，以此类推。

以下为每个Body模块的详细参数设置，其中包括质量（Mass）、惯性矩（Inertia）、重心坐标原点、CS1坐标原点、CS2坐标原点和重心的方向。

图12Bar1的模块参数设置

图13Bar2的模块参数设置

图14Bar3的模块参数设置三、检测运动，运行模型

图15仿真结果动画显示

图16Revolute2和Revolute3的转角时程曲线

三、小结

目前较为主流的动力学仿真软件是Adams，但鉴于本人对该软件接触较少，且MATLAB也具有该功能，故本题采用Simulink中的SimMechanics工具箱对平面四杆机构进行建模仿真，并利用其可视化窗口进行系统运动可视化。

通过仿真结果可以看到，使用已有的计算机仿真软件包Matlab／Simulink来建立机构的仿真模型，仿真求解机构力学和运动参数，可以把用户从复杂烦琐的数学计算中解放出来，提高了求解速度，保证了求解精度。

第五篇：四连杆机构运动分析

游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄，连杆和游梁后臂为三个活动杆所构成的四连结构。1.1四连杆机构运动分析：

图1

复数矢量法：

为了对机构进行运动分析，先建立坐标系，并将各构件表示为杆矢量。结构封闭矢量方程式的复数矢量形式：

l1ei1l2ei2l3ei3l(1)应用欧拉公式eicosisin将(1)的实部、虚部分离，得 l1cos1l2cos2l4l3cos3

(2)l1sin1l2sin2l3sin3由此方程组可求得两个未知方位角2,3。

解得

tan(3/2)(BA2B2C2)/(AC)

(4)当要求解3时，应将2消去可得

222l2l3l4l122l3l4cos32l1l3cos(31)2l1l4cos

1(3)2arctanBl3sin

3(5)Al3cos3Al4l1cos1其中：Bl1sin12A2B2l32l2C2l3

(4)式中负号对应的四连杆机构的图形如图2所示，在求得3之后，可利用(5)求得2。

图2 由于初始状态1有个初始角度，定义为10，因此，我们可以得到关于110t，是曲柄的角速度。而通过图形3分析，我们得到OA的角度3因此悬点E的位移公式为s|OA|，速度vdvd2sd2a2|OA|2。

dtdtdt210。

dsd|OA|，加速度dtdt

图3 已知附录4给出四连杆各段尺寸，前臂AO=4315mm，后臂BO=2495mm，连杆BD=3675mm，曲柄半径O’D=R=950mm，根据已知条件我们推出|OO'||O'D||OB||BD|违背了抽油系统的四连结构基本原则。为了合理解释光杆悬点的运动规律，我们对四连结构进行简化，可采用简谐运动、曲柄滑块结构进行研究。

1.2 简化为简谐运动时的悬点运动规律

一般我们认为曲柄半径|O’D|比连杆长度|BD|和游梁后臂|OA|小很多，以至于它与|BD|、|OA|的比值可以忽略。此时，游梁和连杆的连接点B的运动可以看为简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆周运动时在垂直中心线上的投影的运动规律相同。则B点经过时间t时的位移sB为

sBr(1cos)r(1cost)其中是曲柄转角；

曲柄角速度； t时间。

因此，悬点A的位移sA|OA||OA|'sB|OD|(1cost)|OB||OB| A点的速度为

AA点的加速度为

dsA|OA|'|OD|sint dt|OB|aAdA|OA|'|OD|2cost dt|OB|

图4

图5

图6

1.3 简化为曲柄滑块结构的选点运动规律

由于简谐运动只能在不太精确的近似计算和分析中应用，而在实际中抽油机的曲柄/杆长值不能忽略不计，特别是冲程长度较大时，忽略会引起很大误差。把B点绕游梁支点的弧线运动看做直线运动，则四杆运动可被简化为图所示的曲柄滑块运动。

0时，游梁与连杆的连接点B在B’点，为距曲柄轴心最远的位置，相应于悬点A的下死点。180时，游梁与连杆的连接点B在B’’点，为距曲柄轴心最远的位置，相应于悬点A的上死点。因此，我们有|O'B'||BD||OD'|，|O'B''||BD||OD'|，B点的最大位移sB2|O'D|。

B点在任意时刻的位移sB为

sB|BB'||O'B'||O'B|1|O'D||O'B|

在O'DB中有：

'|O'B||OC||BC||O'D|cos|BD|cos

则

sB|BD||O'D||O'D|cos|BD|cos |OD|[1cos'1(1cos)]

|O'D|式中。

|BD|通过转化分析，我们得到B点的位移：

sB|O'D|(1cos2sin2)

则sA为

sAsB|OA||OA||O'D|(1cossin2)|OB|2|OB|速度A为

AdsA|OA||O'D|(sinsin2)dt2|OB|加速度aA为

aA

dA|OA| 2|O'D|(coscos2)dt|OB|

22u(x,t)u(x,t)2u(x,t)ac 22txta是波动速度英尺/秒；

c是阻尼系数，1/秒； t是时间，单位是秒；

x是在无限制杆离光杆之间的距离，单位是英尺；

u(x,t)抽油杆离平衡位置的位移。

c2L

无因次阻尼；

Lx1x2...xm杆的总长度(英尺)。

4.42102L(PRhpHhp)T2 2(A1x1A2x2...Amxm)SPRhp光杆马力；

Hhp液压泵马力； T抽运周期；

A1,A2,...,An每个杆的面积； x1,x2,...,xm杆的区间长度；

S杆的负载。

D(t)L(t)Wr02ncosntnsinnt

n1和

U(t)02vncosntnsinnt

n1是角速度；

D(t)动态光杆负载函数； L(t)总负载函数；

Wr流动的杆重；

U(t)光杆的位移函数。

2D(t)cosntdt,n0,1,2,...,n0

2D(t)sinntdt,n0,1,2,...,n1n01n把t得

1n2D()cosndt,n0,1,2,...,n 02p,p0,1,2,...,K KD2pDD K对于一个数学例子，是个离散变量

采用简单的标记

我们可以用梯形公式写出

2n02n12n12n2DcosDcosDcosDcos1120KKKK...12221nK2n(K1)2nKDcosDcosK1KKK2

因此，我们可以得出

1nDKcos(2n)2D0cos02n2n2。DcosDcos...12K22KK对于周期函数，由于cos0cos2n，则我们得到D0Dk，即

2K2npDcos,n0,1,...,n 1npKp1K同样得到其他傅里叶展开系数

2K2npDsin,n1,2,...,n 1npKp1K2K12npUsin,n0,1,...,n 1npK1p1K12K12npUsin,n1,2,...,n p1nK1p1K1通过分离变量法求解，得到特征根的形式

nnin

其中

2ncn11 a2n和

2ncn11

a2n通过变化分析，我们得到

D(t)EA(knnnn)cosnt(knnnn)sinnt

n1n1因此，我们有充分的利用定义新的常数

nEA(knnnn),n0,1,2,...nEA(knnnn),n1,2,...02EA

通过上述方程我们得到

knnnnn,n1,2,3,...2EA(nn2)n通过上面一系列的推导，我们得到

nnnn,n1,2,3,...2EA(nn2)u(x,t)02EA02(On(x)cosntPn(x)sinnt)

n1其中

On(x)(kncoshnxnsinhnx)sinnx(ncoshnxnsinhnx)cosnx Pn(x)(knsinhnxncoshnx)sinnx(nsinhnxncoshnx)sinnx

根据胡可定理，力F(x,t)可以被计算为

F(x,t)EA因此，我们得到

u(x,t)x0'F(x,t)EA(On(x)cosntPn'(x)sinnt)

2EAn1其中

'On(x)nsinhnx(nnnn)coshnxsinnxEA

ncoshx()sinhxnnnnnncosnxEA和

Pn'(x)ncoshnx(nnnn)sinhnxcosnxEA

nsinhx()coshxnnnnnnsinnxEA工程量的递归计算

j10vj0xjEAjj0

j1nj1vjOn(xj)

njPn(xj)j1j1j10j0'nEAjjOn(xj)

nEAjjPn'(xj)

j1j1knnnj1nn2EAj1(nn2)j1nnj1nnj1n2EAj1(nn2)

j1On(xj1)(j1kncoshnxj1j1nsinhnxj1)sinnxj1(j1nsinhnxj1j1ncoshnxj1)cosnxj1j1Pn(xj1)(j1knsinhnxj1j1ncoshnxj1)cosnxj1(j1ncoshnxj1j1nsinhnxj1)sinnxj1

j1nsinhnxj1(j1nnj1nn)coshnxj1sinnxj1j1O(xj1)EAj1'nj1n coshnxj1(j1nnj1nn)sinhnxj1cosnxj1EAj1'j1nj1nP(xj1)coshnxj1(j1nnj1nn)sinhnxj1cosnxj1EAj1

 j1nsinhnxj1(j1nnj1nn)coshnxj1sinnxj1EAj1此处，j1,2,...,m1,n1,2,...,n。因此，泵的位移和负载用下列公式计算

u(xm,t)m02EAmxmm02(mOn(xm)cosntmPn(xm)sinnt)

n1nnm0'F(xm,t)EAm(mOn(xm)cosntmPn'(xm)sinnt)

2EAmn1上冲程悬点静载荷

由于游动阀关闭，悬点静载荷主要包括柱塞上、下流体压力及抽油杆柱重力。

1)抽油杆柱在空气中的重力：

WrArgLpr

式中：

Wr抽油杆柱在空气中的重力，KN； Ar抽油杆截面积，m2；

r抽油杆密度，t/m3；

g重力加速度；

Lp抽油杆柱长度 2)泵排出压力

p0ptLPLg

式中：

pt井口压力，kpa

L液体密度

3)吸入压力

上冲程时的沉没压力导致井内液体流入泵中，此时液流所具有的压力即吸入 压力，此压力作用在柱塞底部，产生的载荷方向向上：

ptpspr

式中：

ps沉没压力，kpa；

pr流体通过泵入口设备产生的压力降，m。

将以上三个力综合可得出上冲程的静载荷：

WupWrp0(ApAr)ptA WrW(ptpc)ApptAr''L

由于上冲程时井口回压与套压造成的悬点载荷方向相反，故可近似为相互抵消，因此上冲悬点载荷可简化为下式

WupWr'WL'

下冲程悬点载荷

下冲程时，游动阀打开使得柱塞上下的液体连通，抽油杆柱受到向上的浮力作用。因此，下冲程时抽油杆柱在液体中的重力等于自身重力减去浮力。而液柱荷载通过固定阀作用在油管上，不作用在悬点上。所以下冲程悬点载荷为：

WdownWr'ptAr

迭代计算

通过分析我们知道，计算阻尼系数必须预先知道泵功图，但是要知道泵功图必须预先知道阻尼系数，故采用迭代法解决这个问题，首先，先给一个任选一个初值c0，根据c0求泵功图，再用式子求c0。