四连杆机构运动与仿真 周云鹏_运动机构的设计及仿真
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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+lminl1+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33
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
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