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機械原理中機構的定義范文1
關鍵詞：Pro/E；機構運動；多媒體仿真
中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：
一.前言
隨著多媒體技術的確發展，其應用已遍及社會生活的各個角落，正在對人們的工作方式、生活方式帶來巨大的變革。同樣，多媒體技術對教學也產生了積極的效應，能為學生提供最理想的教學環境。
由于多媒體具有圖、文、聲并茂及活動影象的特點，具有許多寶貴的特性與功能。主要表現為;
直觀性，能突破視覺的限制，多角度地觀察對象，并能夠突出要點；
圖文聲像并茂，多角度調動學生的情緒、注意力和興趣。
動態性，動態反映機構運動的全過程，有效地突破了傳統教學難點；
通過多媒體對真實情景的模擬，培養學生的探索、創造能力；
傳統的機構運動教學多半是用掛圖進行講述，既沒有立體感，也沒有動態感，沒有接觸過機械的學生很難想象出機構運動的情形，如果在多媒體教學環境中，通過動畫、圖形、聲音的演示，加上教師深入淺出的講解，學生會在不知不覺中學到知識。這樣學生就能夠在原有認知結構和生活經驗的基礎上，認同我們的概念和思維方式，并強化到自己新的認知結構中，形成自己新的概念和思維方式。
Pro/E軟件平臺能直接仿真機構各零件的造型與裝配，可進行機構運動的仿真，甚至可以仿真一臺機器的運行。對機構的運動進行多角度、多方位的觀查，還可進行透視和剖視情況觀查。并能將運動的畫面生成視頻文件，供離開Pro/E軟件平臺時進行演示。
二．Pro/E簡介
Pro/E全稱是 “Pro ENGINEER”由美國PTC（參數）公司開發的一款三維軟件。Pro/E軟件具有操作容易、使用方便、修改方便的特點。因此在機械三維實體造型設計中得到了廣泛的應用。具有很強的實體造型、虛擬裝配和仿真運行能力。功能界面清楚明確，讓使用者視覺和心理都有一種輕松感。目前已經成為機械設計、家電設計、模具設計等行業所普遍采用的三維軟件。該軟件直接采用了統一數據庫和關聯性處理、三維建模與二維工程圖相關聯等技術。
三．用Pro/E制作仿真機構
下面以機械基礎中的曲柄搖桿機構為例說明Pro/E軟件制作機構運動多媒體教學視頻的過程：
1．制作實體造型（如圖1）
圖1
制作過程（略），機座長度380毫米、曲柄長度150毫米、搖桿長度280毫米、連桿長度360毫米。
2．進行虛擬裝配
新建一個組件，名稱可用 “ams0001”,單擊添加機座到組件，放置方式選：“自動”中的“缺省”（如圖2），使機座的坐標與組件坐標重合。
圖2圖3
單擊添加曲柄到組件，放置方式選“用戶定義”中的“銷釘”（如圖3），曲柄的一端與機座左端進行銷釘連接（如圖4）。
圖4 圖5
單擊添加連桿到組件，放置方式選“用戶定義”中的“銷釘”如圖，連桿的一端與曲柄的自由端進行銷釘連接（如圖5）。
單擊添加搖桿到組件，放置方式選“用戶定義”中的“銷釘”如圖，搖桿的一端與連桿的自由端進行銷釘連接、搖桿的另一端與機座的右端進行銷釘連接（圖6），完成裝配。
圖6圖7
3．進行仿真運行
選擇菜單中的“應用程序—機構”。進入機構仿真介面（如圖7）
定義伺服電動機：
單擊左邊“機械”欄中的“電動機”，展開“電動機”項目，然后右鍵單擊“伺服”，選擇新建（如圖8），創建一個伺服電動機。同時彈出伺服電動機定義對話框，（如圖9），在類型選項卡中單擊的箭頭，選擇機座左端的銷釘處為伺服電動機的轉軸，選擇輪廓選項卡（如圖10）在規范選項中選擇“速度”，在模選項中選擇 “常數”，常數值為“36”，此時電動機的轉速為36°/秒，然后單擊“確定”完成伺服電動機的定義。
圖8圖9圖10
創建運動分析：
在圖8的“分析”上單擊右鍵，選擇“新建”，打開“分析定義”對話框，在“分析定義”對話框的“優先選項”中設置“開始時間”為0、 “終止時間”為10、 “幀頻”為10、最小間隔為0.1（如圖11）。終止時間與電動機的轉速要進行相應的協調，使分析的整個過程，電動機轉動的角度是圓周的整數倍，這樣在連繼播放時就不會產生跳躍的感覺。
在 “電動機”選項卡中選擇剛創建的伺服電動機，然后單擊 “運行”按鈕分析運行情況，單擊“確定”完成分析定義
圖11圖12
四、生成視頻
右鍵單擊圖8中的“回放”，選擇“播放”，打開“回放”對話框（如圖13）單擊“回放”對話框中的按鈕，打開動畫對話框。（如圖14）
13 圖14圖15
單擊圖14中的“捕獲”按鈕，打開“捕獲”對話框（如圖15），在“捕獲”對話框中設置視頻文件路徑和文件名（默認路徑為Pro/E的工作目錄）。“類型”選項中有四種文件類型（MPEG、JPEG、TIFF、BMP）供選擇，默認MPEG為視頻文件，其他類型為圖片文件組（每幀一幅圖片）。圖象大小、每秒幀數根據自己的需要進行設定，鉤選“照片級渲染”可獲得更高的視頻質量，單擊確定開始捕獲。
注意：捕獲前選擇合適的角度及級場景，鉤選“照片級渲染”捕獲的時間要長一些。
機械原理中機構的定義范文2
關鍵詞：機械產品；方案設計方法；發展趨勢
引言
科學技術的飛速發展，產品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新換代速度加快。然而，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎上，概括總結了國內外設計學者進行方案設計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯系和機械產品方案設計計算機實現的發展趨勢。
根據目前國內外設計學者進行機械產品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現代設計方法概括為下述四大類型。
1、系統化設計方法
系統化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。
系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221“技術系統和產品的開發設計方法。
制定的機械產品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產品方案設計時還借鑒和引用了其他發達國家的系統化設計思想，其中具有代表性的是：
(1)將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規劃、作業控制等的基礎，從產品開發的宏觀過程出發，利用質量功能布置方法，系統地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發各階段的技術目標和作業控制規程的方法。
(2)將產品看作有機體層次上的生命系統，并借助于生命系統理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統結構。
(3)將機械設計中系統科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。
1.1設計元素法
用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。
1.2圖形建模法
研制的“設計分析和引導系統”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯接。
將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
文獻［11］將語義設計網作為設計工具，在其開發的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
1.3“構思”—“設計”法
將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段?！皹嬎肌彪A段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解?！霸O計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。
將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。
從設計方法學的觀點出發，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1)獲取功能和功能結構(簡稱為“功能”)；2)尋找效應(簡稱為“效應”)；3)尋找結構(簡稱為“構形規則”)。并用下述四種策略描述機械產品構思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構形規則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創建變型方案，由此產生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構形規則”(包括設計者創建的規則)關聯，單獨考慮功能(通常與設計任務相關)。此時，辨別典型的構形規則及其所屬效應需要有豐富的經驗，產生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構形規則”三者密切相關。適用于功能、效應和構形規則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設計要求進行結構化求解。該策略從已有的零件出發，通過零件間不同的排序和連接，獲得預期功能。
1.4矩陣設計法
在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。
Kotaetal將矩陣作為機械系統方案設計的基礎，把機械系統的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。
1.5鍵合圖法
將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。
2、結構模塊化設計方法
從規劃產品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解(如通用零件部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解，這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層，(1)產品(2)功能組成(3)主要功能組件(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。
認為專用機械中多數功能可以采用已有的產品解，而具有新型解的專用功能只是少數，因此，在專用機械設計中采用功能化的產品結構，對于評價專用機械的設計、制造風險十分有利。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統。理想的模塊化基本結構應該具有標準化的接口(聯接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
根據機械零部件的聯接特征，將其歸納成四種類型：1)元件間直接定位，并具有自調整性的部件；2)結構上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯接；4)具有模塊化結構和模塊化元件的聯接。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規則，由此實現元件間聯接的算法化和概念的可視化。
在進行機械系統的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規定功能分解的最佳“?；背潭仁枪δ芘c機構型式的一一對應?！敖Y構建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現映射算法。
3、基于產品特征知識的設計方法
基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。
機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
3.1編碼法
根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類，并利用代碼描述功能元和機構類別，由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合，建立了該“專家系統”的推理機制，并用于四工位專用機床的方案設計中。
利用生物進化理論，通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理，在機構方案設計中，運用網絡圖論方法將機構的結構表達為拓撲圖，再通過編碼技術，把機構的結構和性能轉化為個體染色體的二進制數串，并根據設計要求編制適應值，運用生物進化理論控制繁殖機制，通過選擇、交叉、突然變異等手段，淘汰適應值低的不適應個體，以極快的進化過程得到適應性最優的個體，即最符合設計要求的機構方案。
3.2知識的混合型表達法
針對復雜機械系統的方案設計，采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合，這一點已得到我國許多設計學者的共識。
在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中，將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起，以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程)，按面向對象的編程原則，用框架的槽表示對象的屬性，用規則表示對象的動態特征，用過程表示知識的處理，組成一種混合型的知識表達型式，并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。
3.3利用基于知識的開發工具
在聯軸器的CAD系統中，利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向對象的方法，創建了面向對象的設計方法數據庫，為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容，由此尋求出基于知識的解，并開發出直線導軌設計專家系統。
3.4設計目錄法
構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄，并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。
3.5基于實例的方法
在研制設計型專家系統的知識庫中，采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案，用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”，通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。
4、智能化設計方法
智能化設計方法的主要特點是：根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述產品的結構。
在利用數學系統理論的同時，考慮了系統工程理論、產品設計技術和系統開發方法學VDI2221，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發系統軟件MUSE。
在進行自動取款機設計時，把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術——虛擬現實技術。1)產品規劃—構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環境中建立，借助于數據帽和三維鼠標，用戶還可在一定程度上參與到這一環境中，并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。2)開發—設計產品。該階段主要根據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據設計目標的不同有不同的含義：可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯接等；也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統；還可以是要求、特性、形狀等等。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規劃”和“開發”結果的重要手段。3)生產規劃—加工和裝配產品。在這一階段中，主要論述了裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發現難點和問題，并找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”中連續地交替進行。因此，可以較早地發現各個階段中存在的問題，使產品在開發進程中不斷地細化和完善。
我國利用虛擬現實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環境中從各個角度對專家系統設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產生沖突等等。
將構造標準模塊、產品整體構造及其制造工藝和使用說明的擬訂(見圖1)稱之為快速成型技術。建議在產品開發過程中將快速成型技術、多媒體技術以及虛擬表達與神經網絡(應用于各個階段求解過程需要的場合)結合應用。指出隨著計算機軟、硬件的不斷完善，應盡可能地將多媒體圖形處理技術應用于產品開發中，例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設計聯接件時所需的立體結構想象力等等。
利用智能型CAD系統SIGRAPH-DESIGN作為開發平臺，將產品的開發過程分為概念設計、裝配設計和零件設計，并以變量設計技術為基礎，建立了膠印機凸輪連桿機構的概念模型。從文獻介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機構型、數綜合的基礎上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設計功能，使原理圖隨著機構的結構參數變化而變化，并將概念模型的參數傳遞給下一級的裝配模型、零件設計。
5、各類設計方法評述及發展趨勢
綜上所述，系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。
結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通?？梢詫崿F若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經驗和廣博的多學科領域知識。
機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。
目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。
值得一提的是：上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統化設計方法中，不僅可以保證設計的規范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。
機械原理中機構的定義范文3
摘要：本文以六桿機構牛頭刨床為例，在運動學分析的基礎上，應用Matlab軟件編程實現了牛頭刨床的位移、速度和加速度的變化曲線，完成了對牛頭刨床的運動仿真，通過使用Matlab，為機械原理課程設計的改進提供了一個新的思路。
關鍵詞：Matlab；機械原理；課程設計；六桿機構；運動仿真
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0077-02
機械原理課程設計是機械原理課程重要的實踐環節，培養學生機械系統運動方案設計的初步能力。目前機械原理課程設計的方法有圖解法和解析法兩種，圖解法需要學生列出矢量方程式，作圖求解，其優點是幾何概念清晰、形象，缺點是作圖比較煩瑣、精度不高[1]。解析法需要學生針對給定機構建立運動學模型，求解出位移方程、速度方程和加速度方程、編程求解，根據求解結果繪制相應曲線。解析法需要學生具有一定的編程能力，其優點是求解精度高，培養了學生運用現代化的手段解決設計問題的能力。
Matlab是美國Mathworks公司開發的大型科學計算軟件，本文以機械原理課程設計中常見的牛頭刨床為例，首先利用矩陣法對機構進行運動學分析，然后利用Matlab編程求解，繪制仿真曲線，直觀再現牛頭刨床從動件的運動規律。
一、牛頭刨床工作原理概述
牛^刨床是一種用于平面切削加工的機床，圖1所示為牛頭刨床主運動機構的運動簡圖，由導桿機構1-2-3-4-5帶動刨頭5及其上的刨刀作往復切削運動。刨頭右行時，刨刀速度較低，刨刀進行切削，為工作行程。刨頭左行時，刨刀快速退回，刨刀不切削，有急回特性，為空回行程。設計數據如表1所示。在工作行程中，牛頭刨床受到很大的切削阻力（在切削前后各有一段約0.05H的空刀距離，H為行程距離），而空回行程中則沒有切削阻力[2]。
二、Matlab仿真分析及參數測量
當牛頭刨床六桿機構中導桿CD處于左極限位置時，曲柄與x軸夾角為194.84度，刨頭上E點坐標為（796.52，-495.5），為便于分析，以此位置作為曲柄順時針旋轉和刨頭位移的起始位置，在Matlab中編寫程序，首先定義各桿長度及曲柄旋轉角速度，然后根據先前推導的運動學方程編程實現[3]，其源代碼如下：
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（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀位移（mm）'）；
axis（[0，360，0，450]）；
title（'位移曲線'）
plot（theta1，Ve（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀速度（mm/s）'）；
axis（[0，360，-2250，1500]）；
title（'速度曲線'）
plot（theta1，Acc（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀加速度（mm/s^2）'）；
axis（[0，360，-20000，20000]）；
title（'加速度曲線'）
編好程序后，可調用繪圖函數繪制相應的位移、速度和加速度曲線。
三、結束語
將Matlab引入機械原理課程設計的教學中，能夠使學生掌握利用解析法計算公式設計機構的實際技能，提高學生利用計算機進行機械設計的能力，激發學生的學習興趣，使其動手能力和創新能力均得到提高。
參考文獻：
[1]孫恒，作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2012.
機械原理中機構的定義范文4
一、系統的組建
1、數控系統的組成
在這里我們將一般數控系統的概念廣義化,定義成由控制器,機械結構,伺服單元等三個主要部分組成的產品模式。控制器就是我們通常所說的計算機數控系統,它由專用或通用計算機硬件加上系統軟件和應用軟件組成,完成數控裝備的運動控制功能,人機交互功能,數據管理功能和相關的輔助控制功能,是數控裝備功能實現和性能保證的核心組成部分,是整個數控體系的中心模塊。機械結構是展現控制器運動控制功能的執行機構和機械平臺,如數控機床系統中的銑床、車床和加工中心等機械部分;數控機器人系統中機械手和機械臂等。機械結構根據具體應用場合的不同,具體形態千差萬別,但都可以按照運動學和動力學方法簡化成運動機構的各種組合形式,這種組合越復雜其對控制器的能力要求就越高,同一種控制器可以完成對不同機械結構的控制,同樣一種機械結構可接受不同控制器的控制,這說明機械部分和控制器組合起來可形成形式多樣的產品類型。伺服單元是連接控制器和機械結構的控制傳輸通道,它將控制器數字量的指令輸出轉換成各種形式的電機運動,帶動機械結構上執行元件實現其所規劃出來的運動軌跡。伺服系統包括驅動放大器和電機兩個主要部分,其任務實質是實現一系列數模或模數之間的信號轉化,表現形式就是位置控制和速度控制。在此基礎上,隨著開放式數控技術的出現,數控系統體系具備了自我擴展和自我維護的功能,這得益于各種二次開發手段提供了自由完善和自定義系統軟硬件功能和性能的能力。因此,開放數控所特有的二次開發平臺也作為一個新的組成部分融入了數控系統體系結構中,并在深刻改變著傳統數控系統的結構特征和應用方式。
2、應用開發系統組成和功能規劃
本文所建立的一體化數控系統應用開發平臺,完成對上面四個組成環節的統一管理控制,系統規劃,設計開發和仿真校驗流程。系統組成規劃模塊完成所需數控裝備產品的單元組合,功能規劃和性能規劃;機械結構設計模塊完成對機械執行機構的物理建模,動態性能仿真,實體造型,結構繪圖和工藝設計;伺服單元控制模塊完成伺服系統的選型,位置控制規劃,速度調節規劃;運動規劃控制模塊完成運動軌跡規劃,插補算法設計和仿真,控制策略設計和仿真;人機交互管理模塊完成人機交互界面的設計和實現,數據管理和通訊功能。
整個應用開發系統的每個模塊都分為應用和開發兩個部分:應用部分針對于現有的系統模式和控制方法,從熟悉、使用、理解角度出發通過相應的軟硬件技術手段實現對現有技術資源和產品資源的消化吸收;開發部分在應用部分的基礎上,針對應用中發現的問題和產生的創意,對數控系統體系的某些組成環節進行旨在提高其性能和豐富其功能個性化的二次開發并提供進行這種二次擴展的軟硬件技術支持環境。
應用開發系統采用兩種模式來實現這一目標:第一種是硬件仿真模式,即為特定的典型硬件結構建立一個由軟件虛擬的硬件層。硬件層以硬件電路圖框的形式展現,其輸入輸出口可進行交互,以此來模擬整個硬件部分工作時的信號流程,并可像真實硬件一樣接受軟件算法的代碼控制。第二種是建立模塊化的硬件單元框架,以真實的硬件模塊封裝后加入到系統結構中,模塊之間采用便于安裝和檢測的接口,以此來實踐系統硬件部分的實際搭建能力。
3、關鍵技術及其實現
(1)引導型應用和開發模式
層次化的教學模式要求應用開發活動有一個可依附的實踐模板,它體現一種交互式的資源響應機制,對學生的實踐活動作出引導和評價,并提供獲取相關資源的渠道。本系統所建立的引導環境是一種浮動式內嵌幫助平臺,它底層以數據庫的形式作為資源實體,按照具體應用開發的層次和場合,主要采用交互對話模式,符號描述模式,精靈向導模式三種手段來集中或分散地展示資源。交互對話模式是采用工作步驟預定義的方式,將一些比較成熟的應用開發流程的順序和內容固定下來,以對話框的形式體現配置環境,最后展現出整個過程的信息結果。符號描述模式采用自定義編程語言的模式對一些需要驗證的軟件算法和控制流程進行規劃,它有別于一般通用的編程語言,只是針對于具體應用場合采用特征描述的方式搜集特定的信息表示,與其所連接的資源數據庫進行交互后,給出算法或流程運行的結果和評價。精靈向導模式是提供一個實時在線的幫助信息窗口,該窗口具備智能化的交互形式,可自動根據當前所處的狀態提供出相關的引導型幫助信息,并具備自學習的記憶模式,按照用戶的應用開發進展調整引導的策略。
二、 網絡化分布式應用體系
機械原理中機構的定義范文5
關鍵詞：復擺顎式破碎機；四連桿機構；MATLAB；運動仿真
引言
復擺顎式破碎機是中等粒度礦石破碎中最常用的破碎設備之一。復擺鄂式破碎機具有結構簡單、價格低廉、操作簡單、堅固耐用、維護容易等優點，是我國生產最多、使用最廣的破碎設備。
眾所周知，復擺顎式破碎機可以簡化成一個鉸鏈四連桿機構，其連桿即動顎。動顎齒面各點即四連桿機構連桿上的對應各點。破碎機的性能主要取決于動顎齒面的軌跡性能值，而軌跡性能值又取決于齒面點在連桿上的位置以及機構尺寸，所謂機構尺寸參數，是指該鉸鏈四連桿機構的各桿長度，機架位置和連桿上動點位置等尺寸參數，因此破碎機的機構尺寸參數的設計，是決定機器性能優劣的關鍵因素之一。
MATLAB是Mathworks公司推出的交互式計算分析軟件，具有強大的運算分析功能，具有集科學計算、程序設計和可視化于一體的高度集成化軟件環境，是目前國際上公認的最優秀的計算分析軟件之一，被廣泛應用于自動控制、信號處理、機械設計、流體力學和數理統計等工程領域。通過運算分析，MATLAB可以從眾多的設計方案中尋找最佳途徑，獲取最優結果，大大提高了設計水平和質量。四連桿機構的解析法同樣可以用MATLAB的計算工具來求值，并結合MATLAB的可視化手段，把各點的計算值擬合成曲線，得到四連桿機構的運動仿真軌跡，本文將通過Matlab軟件對復擺顎式破碎機四連桿機構進行分析，實現機構的優化設計。
1 四連桿運動分析
1.1 機構的數學模型
圖1為復擺顎式破碎機四連桿機構簡圖，其中L1為曲柄，L2為連桿，L3為擺桿（肘板），L4為機架，以各桿矢量組成一個封閉矢量多邊形，即ABCDA。其個矢量之和必等于零。即：
1.2 機構運動方程
1.2.1 角位移方程
將上式矢量關系寫成坐標投影方程：
在式（1）中僅有a2，a3為未知量，故可求解
1.2.2 角速度方程
將式（1）對時間t求導，的角速度方程
1.2.3 角加速度方程
將式（2）對時間t求導，的角加速度方程
2 運用Matlab7.0軟件計算求解
根據以上運動方程，編寫Matlab程序進行運算，主要步驟如下：
（1）參數初始化，定義四連桿機構尺寸，以及曲柄轉速；（2）借助牛頓-辛普森函數，求解出連桿L2和搖桿L3角位移a2、a3并繪制曲線；（3）進一步計算出連桿L2和搖桿L3角速度ω2、ω3，角加速度e2，、e3并繪制曲線；（4）定義動顎齒面上下端點的位置，帶入以上就算結果，計算出上下端點的運動參數并繪制曲線。
3 仿真運算
初始化四連桿機構參數：
L1=20mm，L2=2200mm，L3=850mm，L4=1850mm，ω1=200r/min
輸出圖形：
4 Simulink運動仿真
運用Matlab仿真模塊Simulink復擺顎式破碎機進行機構運動動態仿真，可以直觀、明了的觀察到系統的仿真結果。
在以上計算的基礎上，帶入動顎的參數（重心位置，重量等），還可計算出動顎運動參數，如慣性力、慣性力矩等。
5 結束語
本文通過Matlab軟件對復擺顎式破碎機四連桿機構進行運動分析，仿真運算，繪制運動曲線，可以精確計算出工作機構的運動參數。與傳統的解析法、畫圖法機構分析相比，具有明顯的優勢，對于復擺顎式破碎機的開發設計以及優化，具有一定的指導意義。
參考文獻
[1]孫桓，陳作模.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.
機械原理中機構的定義范文6
關鍵詞：機械產品設計；物理模型；數學模型；建模
中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：
前言
隨著技術的進步，傳統機械產品工藝設計采用圖紙二維設計已經被計算機圖形設計所取代，并且計算機建模能夠更加精準，便于修改和演示，能夠將復雜的機械結構幾何化，為此，機械設計，機械運動方案及各種處理的計算機模擬傳輸機制之前，要全面分析整個過程，模擬運動系統，設計師通過人機對話做出機械產品之前生產的特殊需求，做出更快，更好的決策的方案計劃。
一、幾何模型建設
幾何模型建設在機械產品工藝設計中會被經常應用，其包括了線框模型、表面模型、實體模型、特征模型。
1、線框模型
在機械產品工藝設計中，由產品的各個頂點和棱邊勾勒出來的幾何形狀的模型叫做線框模型，舉例說明：如圖1所示：
圖1線框模型數據結構
圖1模型是一個立方體，其中V代表頂點，共有8個，E代表棱邊，共有12條。
線框模型是三維線性模型，表示產品的透視效果，采用線框模型進行機械產品工藝設計，表示簡單、修改方便、容易識別。
2、表面模型
表面模型是將線性模型中棱線所圍成的封閉面定義為表面，如上圖中的線性模型棱邊E圍成的表面表面有6個表面模型。表面模型的數據結構如圖2所示：
圖2表面模型數據結構
表面模型能夠反映出機械產品的各個表面特征，例如：在兩個表面相交，可以得出表面交線及隱藏交線。對于復雜的曲面造型，利用貝塞爾曲面、B樣條曲面等可以制造出飛機、輪船、汽車等重工業機械產品曲面工藝設計模型。表面模型并不能夠完全的對機械產品進行準確描述，不能表述表面之間的拓撲結構，無立體性計算模型，只僅限于一個平面上的產品工藝設計。
3、實體模型
實體模型能夠正確的反映出機械產品的幾何信息，同時能夠建立模型各表面之間的相互關聯。實體模型包含機械產品的各種幾何數據，形狀、體積等，能夠通過布爾運算轉換而成，可以利用表面定義實體模型各要素點，并表述出此面另一側的實體存在如圖3所示：
圖3表面某一側存在實體的定義方法
上圖中（a）為表面，并存在表面外一點P；圖（b）中箭頭方向代表其方向存在另一側面；圖（c）表面向右旋轉箭頭表示形體前進方向，單箭頭表示形體存在另一側面。
機械產品工藝設計，實體造成過程如圖4所示：
圖4實體造型過程
實體造型過程首先要通過參數構型由基本幾何元素按一定拓樸關系構造若干簡單形體，再由為數不多的簡單形體經過布爾運算組合成空間實體的內部模型。
實體模型可全面完整地描述形體，可自動地計算物性，檢測干涉，消除隱藏線和剖切形體等，因而能較好地滿足CAD/CAM的要求，得到了廣泛的應用。
二、產品模型
機械產品模型的工藝設計要對產品的各項參數與數據進行描述、定義，其中包括機械產品的各部分零件、結構構造、運動軌跡及功能、圖形、生產管理、信息管理等。
其結構如圖5所示：
圖5 產品模型的基本數據
機械產品模型數據可以定義為由幾何模型和屬性模型構成，二者之間連動關系如圖6所示：
圖6幾何模型和屬性模型的關系
機械產品工藝設計，對螺旋彈簧、板簧、齒輪等的運用率較高。如使用標準，成本低，易于購買，有必要在這個時候是不是一個幾何模型，而是一個所謂的屬性模型。另一個例子是，只要作為目標的描述，它的屬性，如齒數，模的性質，等等，任何齒輪的產品目錄中，只要其型號規格標準齒輪。標準齒輪，也沒有必要影片的詳細圖紙和詳細的形狀信息，這是屬性的典范。此外，在概念設計的函數繪制的曲線圖，繪制概略形狀的草圖，和性能計算的基本設計，在這種情況下，所用模型的屬性是一個必要的屬性，以完成的設計目標提取模型。
有模型之間的聯鎖。例如：作出圖片與它相關聯的一個相應的繪圖部分的設計變更，也可以自動更新，這是連接之間的圖形動。另一個例子是形狀和大小的值鏈接的值變化時的大小，形狀也應鏈接的變形，參數化設計包含此功能時，需要進行單向或雙向鏈接的。
三、機械設計方法
機械設計方法要從兩個方面進行論述，一方面是廣義上的所有機械產品工藝設計，另一方面是狹義上的具體機械產品，包括產品功能、用處等。
廣義的機械設計應包括所有機械的內容，涵蓋機械領域，如工業機械，電子工業，航空航天工業。各種重型機械大，小，微型儀器儀表，家用電器。
狹義的機械的內容應主要包括起重運輸機械，冶金機械，紡織機械，印刷機械，輕工機械，橡膠機械，汽車制造，造船。
無論是概念的廣義的機械或狹機械的內容，各種機械在各行業的共同財產的機構來完成的運動或在某一特定領域的機械產品的位移或力的變化。
各種機械產品，我們可以將其定義為一個機械的對象，每個對象都有其屬性。這些特性，對不同行業或不同區域的功能要求，計算方法，設計標準和規范，應包括各種機械產品。雖然都屬于機械產品，應用的基本理論，理論力學，材料力學，機構力學，機械原理和機械零件，但在不同行業的機械產品在特定的專業差距是巨大的。還遵循一個特定的區域，同時，獨特的機械設計，機械設計機械產品遵循的一般原則。這種特殊性，有針對性的設計。
在機械設計的產品，而且在整個電力拖動與控制，液壓傳動，氣動，高溫和高壓，流體力學，化學，跨學科的技術基礎。這些技術的深入研究為基礎的產品的設計?；纠碚撆c機械聯合設計成機械產品領域，需要大量的時間，這些特點。
如果你想設計一個特定的區域，仍然需要大量的時間去深入和詳細的研究和總結找出其獨特的法律具有一定的機械設計的基本理論。和許多的法律一定的科學實驗被發現。這一次，有時相當可達幾年或十年。某些產品需要幾代人的努力，以達到一定的高度。
機械設計是模仿，總結，借鑒和創造多方面相結合的技術工作。合理的外部條件，合理的設計理念，設計標準和方法可以設計和創造優良的機械產品的設計。
機械產品的設計還應包括利用現代設計方法，除了強度計算中應該考慮的參數優化，結構優化，方案優化。可靠性分析，人體工程學，工業美學，綠色設計標準。
現代機械設計將應用于有限元設計，虛擬設計，堅固耐用的設計，并行設計，機電一體化設計，計算機輔助設計，機械設計最新的電腦軟件。
機械產品設計中最重要的部分，應包括以下幾個方面：
1，功能設計;2，主要設計參數;3，設計的主要機制;4，主體結構設計。
機械產品的設計工作是一項創造性的工作，需要長期深入細致的研究，可以設計出客戶滿意的產品。
四、結束語
利用模型建設進行機械產品的工藝設計是采用計算機軟件虛擬出機械產品的形狀、性能及工作原理，通過人機交互讓用戶虛擬感受機械產品性能。計算機圖形能夠以三度空間，將現實環境虛擬化，進而能夠降低機械產品設計預算，實現完美體驗，并能夠根據用戶要求進行隨時更改，達到機械產品最優狀態。
參考文獻
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[3] 麥靜惠等．虛擬樣機技術及在ADAMS上的實踐[M]．機械設計高級應用實例，2005（2）．
