机械原理中构件的定义

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机械原理中构件的定义范文第1篇

同时还解释了动瞬心线沿定瞬心线做无滑动的滚动，有利于学生加深理解，为瞬心线机构的分析设计提供帮助。

关键词：动瞬心线 定瞬心线 瞬心线机构

Abstract：In view of the centrode problem of planar hinge four-bar linkage in the course of mechanical principle， method of graphic and analytic is applied to clearly show the drawing process of moving centrode and fixed centrode， as well as the trajectory equation of centrode in an analytic mode. The reason of moving centrode rolling without sliding along the fixed centrode is also explained in order to help student understand the theory， and design the centrode mechanism.

Key Words：moving centrode；fixed centrode；centrode mechanism

中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0213-01

1 问题的提出

针对机械原理课程教学过程中，学生对某些原理性的概念普遍感觉抽象难以理解的特点，通过合理安排课程设计内容，创新教学方法，启发创造性思维，可采用课后小组讨论、鼓励多查找专业文献等方式，加强对学生综合分析问题能力和创新能力的培养。本文以瞬心线为例，采用作图法和解析法进行研究，帮助学生加深对概念的理解，以更好地分析和设计相关瞬心线机构。

2 瞬心线概念

由基本理论可知，瞬心的位置是随两构件的运动而变动的，它将在各自构件上形成一条轨迹，即为瞬心线。对于平面铰链四杆机构ABCD，以AD为机架，两个连架杆的瞬心以A/D为起始/终止点的为定瞬心线，以B/C为起始/终止点的为动瞬心线，而且动瞬心线沿着定瞬心线作无滑动的纯滚动。

上述的描述晦涩难懂，给学生的理解带来很大问题。下面将采用两种方法，详细阐述：

2.1 作图法分析

根据已知条件，机架AD杆固定不动，连杆BC转动，可以确定一条瞬心线即定瞬心线。同理采用机构倒置方法，将连杆BC作为机架，构件AD相对于新的机架的瞬心构成另一条瞬心线，即动瞬心线。作图过程如图1和图2所示。

由于机架AD杆固定不动，2、3、4杆长度确定，并做相对转动，因此定瞬心线与动瞬心线形状不变。在画动瞬心线时，无论1、3杆相对位置如何，2、4杆延长线的交点，即为两条瞬心线重合点。同时在转动过程中，1、3杆相对位置不同，所以其重合点的位置会发生变化。根据瞬心的定义可知，无论是动瞬心线还是定瞬心线，都表示1、3两个杆件相对速度为零的轨迹，由于分析时机架选择的不同，两条瞬心线的转动角速度不同，因此动瞬心线相对于定瞬心线做滚动。

2.2 解析法分析

假定在定瞬心线上任意取一点E，连线AE、DE，分别减去AB、CD，以B为圆心，B’E为半径，以C为圆心，C’E为半径分别作圆，交于点E’，于是根据静瞬心线便可确定动瞬心线。即：

AE=AB+BE’

DE=DC+CE’

只要确定了静瞬心线，就可以确定动瞬心线

下面确定定瞬心线的轨迹。以A为原点，为X轴，AD向上为y轴，则B点轨迹为：x2+y2=r2AB；C点轨迹为：（x-xD）2+y2=r2CD，则直线AB’方程：y=

因此，当已知时，可进一步化简或利用计算机做出定瞬心线的轨迹曲线。

3 结语

本文通过采用作图和解析两种方法，详细分析了平面铰链四连杆机构的瞬心线问题，有利于加强学生对瞬心线这一抽象定义的理解，并进一步为瞬心线机构的创新设计打好基础。

参考文献

[1]朱孙科，罗天洪，钟厉，等.机械原理课程教学方法探索与实践[J].科技视界，2013（17）.

[2]黄小龙，刘相权.机械原理课程设计改革的研究与实践[J].中国科技信息，2011（24）.

机械原理中构件的定义范文第2篇

机械基础差动螺旋传动障碍中职生差动螺旋传动是《机械基础》螺旋传动章节中的难点，中等职业学校机械、机电类专业学生在学习此部分内容时，常常出现一些典型问题，笔者根据本人多年教学实践经验及其他教师的研究，对此进行归纳、分析，并提出一些教学建议。

一、中职生学习“差动螺旋传动”常见的障碍

1.很难理解“差动螺旋传动”中“差动”的含义，往往认为“差动”就是某两个位移相减的意思。

2.解决相关计算问题时，主要有两方面的障碍：

（1）求移动件位移时，常常错误运用公式，即 L=n(ph1-ph2)；

（2）已知移动件位移和一处螺旋副导程，需求另一处导程时，思维混乱，不知道对情况进行讨论；

（3）运用公式L=n(ph1±ph2)时，不知道ph1和ph2分别对应螺旋机构中的哪一处螺距。

3.判别移动件移动方向时，主要存在两种障碍：

（1）知道“左、右手定则”内容，但不会真正“操作”；

（2）将“差动螺旋传动”当作是“螺杆转动、螺母移动的普通螺旋传动”情形，认为“活动螺母”的移动方向始终与“螺杆”的移动方向相反；

（3）对“差动螺旋传动”的位移判别方法呈现“零认知”。

二、原因分析

中职生学习“差动螺旋传动”时出现上述障碍，与教学技术、学生的认知水平及非智力因素（情感、兴趣等）、所使用的教材等因素都有一定的关系。

障碍一：关于“差动”含义的理解

分析：

1.教师、教材因素的影响：关于“差动螺旋传动”的概念，有几种不同的定义：

（1）曾有教材将“两处螺旋方向相同”的螺旋传动称为“差动螺旋传动”，可以产生极其微小的位移，而将“两处螺旋方向不同”的螺旋传动称为“复合螺旋传动”，可以产生很大的位移。

（2）中职现在使用的劳动版教材上给出了这样的定义——由两个螺旋副组成的使活动的螺母与螺杆产生差动(即不一致)的螺旋传动称为差动螺旋传动，其中两个螺旋副的旋向可以相同，也可以不同，即可以产生位移和快速移动。

（3）还有老师根据自己的理解重新组织语言，给出其它解释——差动螺旋传动是指活动螺母及与其相配合的活动螺杆相对于机架均产生移动，而移动的距离不同的一种螺旋传动。

2.受语词理解的“负迁移”影响，学生很容易将“差动螺旋传动”中的“差”与“减”联系在一起，从而认为“两处螺纹的螺旋方向相反的螺旋传动”才是“差动螺旋传动，其实，这只是其中的一种情形。

障碍二：计算位移时出现的障碍

1.计算移动件位移的正确公式应该是：L=n(ph1±ph2)，当两处螺纹的旋向相反时用“+”，反之，则用“—”。教师在教学过程中，一般都会对此作强调，但学生并不会因此少犯错误，他们之所以总将公式记成L=n(ph1-ph2)，仍然是受理解语词“差”的负迁移的影响。

2.此种问题：已知位移L、ph1（或 ph2)），求 ph1（或 ph2)）。求解时，有些学生只想到将已知数据代入L=n(ph1+ph2)或L=n(ph1-ph2)中的一个试算，殊不知有时两种情形都可能出现，从而出现漏解，有时，虽然从结果上来看是对的，但解答的过程不够严密。此处出现障碍的原因是学生学习完该部分内容后形成的认知结构不完善，对可能出现的情形想不到予以讨论。

3.出现此障碍的原因，主要是对差动螺旋传动的原理不能理解，至于如何确定两处螺纹的螺距与公式中的 ph1和ph2对应关系，在障碍三的第三条里说明。

障碍三：移动件移动方向的判别

1.左右手定则判别普通螺旋传动移动方向的内容是：根据旋向确定用左手或右手（左旋用左手，右旋用右手），四指绕向与螺杆（或螺母）的回转方向一致，大拇指所指的方向（或相反方向）即是所判别的移动方向。调查发现，一般来说，学生能够“说出”判别方法，但在“操作”时存在一些问题，即“四指不知道怎样弯”，于是乎大拇指所指的方向也就出错了。

2.没有理解“差动螺旋机构的组成”是导致此障碍的主要原因。教材在诠释“差动螺旋传动”的定义时，很清楚地指出由三个构件组成两个螺旋副，这三个构件分别是：可动螺杆1（既能转动，又能移动）、移动螺母2（只能移动，不能转动）、固定螺母3（机架），其中1与3、2与3分别组成一个螺旋副（图略）。由此可以看出，构件1与构件2根本不接触，又谈何组成运动副呢？学生学习时，产生这样的障碍，可能与教师教学时未能解释清楚或学生没有听清楚有关。学生有时遇到的“差动螺旋机构”与教材上给出的机构图会出现差异，只要学生能抓住问题的本质，就不会影响解决问题的正确性了：撇开三个构件的结构形式，抓住它们的运动特点，即一个构件；（1）既能转动又能移动、一个构件（2）只能移动不能转动、还有一个构件（3）固定不动（称之为机架）。在运用公式时，构件1与构件3组成的螺旋副的螺距对应公式中的ph1，构件2与构件3组成的螺旋副的螺距对应公式中的ph2。

三、教学建议

针对上述提出的中职生在学习《机械基础》“差动螺旋传动”相关内容时存在的障碍及作出的分析，在此，笔者提出一些教学建议，以期达到正确引导、启发学生积极思维、提高教学效果的目的！

1.“差动”的含义教学——运用类比模型

由于中职生文化基础不够高（生源越来越差），并且缺乏机械生产实践经验，受教学条件限制，教师无法通过向学生提供直观教具或带领学生现场观摩，因而学生在学习专业知识时无法建立起感性认识，因此在学习时会产生很大的困难！这是笔者在教学中获得的深切体会。那么，作为教师，是否可以在教学中采取其它的方法，起到化难为易，最大限度地降低学生学习的困难呢？笔者认为，在讲解“差动螺旋传动的定义”时，教师可以用恰当的类比模型帮助学生理解。

教学中，笔者用生活中的实例：有一辆在地面上行驶的汽车、车内有一个沿车身方向走动的人，用这个形象生动的实例类比“差动螺旋传动”，降低学生想象的难度。下面是本人教学时对学生所作的讲解：

汽车运动，带着车内的人一起向某个方向运动，若人在车内不走动，则人与汽车的位移（均相对地面）是相等（一致）的，若人在车内走动，人与汽车的位移（均相对地面）就不相等（一致）了。

同样的道理（类比）：

螺杆移动，带动螺杆上的活动螺母一起向某个方向移动，同时，活动螺母在螺杆上也作相对移动（相当于上例中的人在车内走动），因此，活动螺母的位移与螺杆的位移（相对于固定螺母）就不相等（不一致）了。

这里，通过类比模型教学，学生可以运用自己熟悉的类比物对陌生领域（螺旋传动）中的问题进行推理，提高自己的理解力！

2.差动螺旋传动公式——借助上述类比模型，用图解法推导

螺杆相对固定螺母、活动螺姆相对螺杆的运动方向属于普通螺旋方向的判别，应该问题不大，这里不再加以赘述。

（1）人在车内的走动方向与车的运动方向相同

L人=L车+L人对车L=n(ph1+ph2)

（结果为“正”）（两处旋向相反，ph1与ph2无大小关系）

（2）人在车内的走动方向与车的运动方向相反，分两种情形：

①人的速度小于车的速度（人与车相对地面的位移方向相同）

L人=L车-L人对车L=n(ph1-ph2)

（结果为“正”）（两处旋向相同，ph1＞ph2

②人的速度大于车的速度（人与车相对地面的位移方向相反）

L人=L车-L人对车L=n(ph1-ph2)

（结果为“负”）（两处旋向相同，ph1＜ph2

3.活动螺母的位移方向的判别

仍然借助上述类比模型，可以看出，当计算结果为“正”时，人与车相对地面位移方向相同（类比活动螺母与螺杆相对固定螺母的位移方向相同）；当计算结果为“负”时，人与车相对地面位移方向相反（类比活动螺母与螺杆相对固定螺母的位移方向相反）。

因此，差动螺旋传动中活动螺母的位移方向判别可以归结为这样三步曲：

（1）判别螺杆的位移方向；（2）根据公式计算活动螺母位移L；（3）由L的符号确定活动螺母的位移方向（即：L为“正”，活动螺母与螺杆相对固定螺母的位移方向相同；L为“负”，活动螺母与螺杆相对固定螺母的位移方向相反）。

4.学生在知识获得过程中，要注重有意义学习，少一些机械学习

中职学生中多数学生文化基础不高、学习动力不足，学习中往往采用“死记硬背”的机械学习方法，这种学习不利于问题解决的迁移。奥苏伯尔认为，“为迁移而教”（类比模型教学、理解教学等）的实质是塑造学生良好的认知结构。教师在机械基础“差动螺旋传动”或其它章节内容的教学中，根据学科特点和学生的认知结构，可以从教学技术、教材内容及教材呈现三个方面，进行有意义教学，确保学生形成良好的认知结构，以利于迁移！

机械基础与文化基础课有着不同的特点，中职生的认知水平和对学习的情感因素使得他们在学习专业知识时，存在较大的障碍。我们教师需要分析和挖掘教材内容，根据学生特点，采用便于学生接受的教学方法进行教学，尽最大可能提高教学效果！

机械原理中构件的定义范文第3篇

关键词：SolidWorks Motion；压床机构；运动仿真

引言

对于压床机构的运动学分析，存在图解法和解析法两种基本分析方法，图解法精度较低，人为误差较大，相比而言解析法具有求解精确的特点，并且运用现代的数学计算工具取代人工计算，也大大提高了其求解精度与速度，但是解析法的应用起点较高，要求较高的数学和编程功底及较为熟练的数学工具操作能力，造成了该方法的难以普及。现在提出了一种基于SolidWorks及其运动仿真插件进行运动仿真分析的方法，在已知原动件的运动规律和各构件的尺寸条件下，快速而精确的获得输出构件的运动规律。

1 机构部件建模

压床机构属于连杆机构，其机构示意图与各构件尺寸如图1所示。

连杆的三维模型为能获得精确的仿真结果，需使已知的连杆尺寸应等于模型上连杆两边铰链孔的孔心距，如杆长AB长度为263.89mm， 其对应的草图如图2所示。

结合拉伸、切除命令完成各个机构部件的建模。

2 压床六杆机构的装配

2.1 该机构的配合方式

连杆与插销的配合方式要选择【配合】中【机械配合】下的【铰链配合】，虽然其效果相当于同时添加同心配合和重合配合，但是在motion分析中，反作用力和结果会与铰链配合相关联，而不是与某个特定的同心配合或重合配合相关联。这可减小冗余配合对分析的负面影响，从而提高仿真结果的精确度。

2.2 该机构装配方式的选择

由于在Motion 分析中算例要求布局草图中每个块的质量、质量中心和惯性张量都有对应的值。 对于布局草图中的每个块，需要在运行质量属性算例之前，通过在块 PropertyManager 中编辑质量属性来修改零部件的质量属性，该方法不易操作，所以在装配中放弃了布局草图的使用，而将装配体布局草图的尺寸整合到机架建模中，并且使该压床机构只有一个机架，从而避免了布局草图在motion分析中执行不稳定的问题，选择自下而上的装配方式，快速的完成了机构的装配。该压床机构机架与最终装配结果如图3所示。

图3

3 运动仿真分析与验证

3.1 仿真分析前的准备

（1）打开装配体，验证固定和浮动的零部件是否正确，在CommandManager下加载SolidWorks Motion插件。

（2）新建算例，为运动仿真环境添加引力，在此，选择Y轴负方向为引力方向，大小为9806.65mm/s^2。

（3）在运动算例属性中打开【Motion分析】设置每秒帧数，该数值表示每秒用于记录分析结果的频率，其值越大记录的数据越密集，从而获得的记录输出构件运动规律的图像也就越光顺，越准确，在此，设置该数值大小为100。

3.2 添加驱动马达

为该压床机构的主动件添加驱动马达，在MotionManager工具栏中单击【马达】，在马达类型中选择【旋转马达】选择该压床做主动件的连杆的任意一个面，设置运动类型为【等速】，按照设计要求转速设置为90RPM（Round per minute）。

3.3 输出构件的位移分析

单击Motion工具栏中的【结果和图解】按钮，在【结果】下选取类别为【位移/速度/加速度】，在【子类别】中选择【线性位移】，在【选取结果分量】中选择【Y分量】，再选中输出构件的一个面，单击计算按钮，显示该图解，生成输出构件的运动位移随时间的变化图像，如图4所示。

图4

分析生成的位移图像，可以得出，滑块在该分析图像中的冲程为109mm-（-71mm）=180mm，与方案中设计要求的滑块冲程H=180mm完全吻合，验证了仿真结果的正确性。

3.4 输出构件的速度分析

新建另一个图解，选择【位移/速度/加速度】、【线性速度】、【Y分量】，再选中输出构件的任意一个面，定义该图解，单击计算按钮，显示该图解，得到输出构件的速度随时间的变化图像，如图5所示。

图5

3.5 输出构件的加速度分析

按照以上的步骤，选择【位移/速度/加速度】、【线性速度】、【Y分量】，再选中输出构件的任意一个面，系统就会自动识别并选中该构件的质心，并基于该点进行计算，获得输出构件的加速度随时间的变化规律，在Motion Manager中依次选择【结果】、【加速度图解】、【显示图解】，显示该图像如图6所示。

图6

SolidWorks Motion生成的图解，可以进一步转化为电子表格的形式，能够获得图像上点的坐标值，借助Excel强大的数据处理能力，能够更加清晰的表达仿真结果。

3.6 仿真结果的验证

SolidWorks软件具有更改零件的尺寸，其对应的装配体会自动随之更新的优点，根据这个特点，只需改变相应的构件尺寸，就可以进行多组设计方案的运动分析。为了验证该方法的准确性，按照潘宇等人在《基于MATLAB的压床机构运动学与动力学分析》论文中的压床机构的设计数据，更改尺寸建立了新的压床构件，并更新装配体，按照以上的步骤，再次获得了输出构件的位移、速度、加速度的结果，对比该论文中基于MATLAB解析法得出的结果，除去两者图像横坐标的变量不同外，两者图像的极值完全相等，图形变化趋势近似重合，进一步验证了该方法的可行性与准确性。

4 结束语

借助SolidWorks参数化建模的特点，可以迅速的完成各个构件的精确建模与装配，借助与其自身无缝接合的Motion分析软件，可以快速的完成多组设计方案的运动分析。对比基于MATLAB的解析法，该方法易于操作，可以迅速的获得相对精确的分析数据，在工程实践中利于推广，对于其它机构的运动分析具有一定的参考价值。

参考文献

[1]张静，刘春东.机械原理[M].电子工业出版社，2014.

[2]SolidWorks 2014帮助文档[Z].

[3]陈超祥.SolidWorks Motion运动仿真教程（2012版）[M].机械工业出版社，2012.

[4]潘宇，等.基于MATLAB的压床机构运动学与动力学分析[J].科技创新与应用，2014，6.

机械原理中构件的定义范文第4篇

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。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、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。

机械原理中构件的定义范文第5篇

关键词：分度机构；凸轮连杆组合机构；优化设计

当前，凸轮-连杆组合机构已经在机械自动化设备中得到了广泛应用，这种装置，能够实现任意设计运动规律，自行定义运动轨迹，要想对这种装置进行优化，就必须懂得其工作原理，而后结合计算机，对其进行有目的的优化，确保其各个参数的合理性。通过优化设计后，使其可以更好的满足机械生产实际需求，提高作业效率。

一、凸轮-连杆组合机构运行原理

凸轮-连杆组合机构结构其可以精确地实现提前预设的任意运动规律和运动轨迹，因此在自动机械应用中具有很大的优势。想要对其进行优化设计，需要掌握其运行原理，即原动杆件逆时针转动时，驱动铰销上的滚动轴承将会在固定槽凸轮槽内运动，然后利用连杆作用，促使推送杆可以按照提前设定好的运动规律或者运动轨迹进行往复运动。对于凸轮-连杆组合机构的优化设计，首先应当建立凸轮-连杆组合机构的设计模型，通过对模型进行分析，并根据模型就凸轮-连杆组合结构的相关参数进行计算，得出结果，从而确保组合结构优化设计的科学性与合理性。

二、建立凸轮-连杆组合机构设计模型

1.机构设计要求

对凸轮-连杆组合机构进行优化设计，首先需要保证其横向尺寸最小，然后最大程度上来提高机械传动效率。根据此设计要求，来建立目标函数，并确定设计变量和约束条件，最后根据模型分析进行求解，得出与组合机构设计相关的参数。

2.建立目标函数

确定机构横向尺寸为优化目标函数，根据图1所示，机构横向尺寸主要受曲柄长度r以及滑块位于最左端位置时滑块与凸轮轴心O横向间距h0决定，并且还会受动件形成hm影响，则可确定目标函数为：

f（x）=hm+h0+r

3.确定设计变量

想要实现对凸轮-连杆组合机构的优化设计，要保证各结构部位设计的紧凑，需要在设计时加强对构件尺寸的管理。其中，机构横向尺寸主要受曲柄长度r以及滑块位于最左端位置时滑块与凸轮轴心O横向间距h0为影响横向尺寸的主要变量。根据以往经验分析，滑块移动导路相对凸轮轴心O纵向偏置值e不会对压力角α产生较大影响，并且当e=0时，可确定α为最小值，因此在设计分析时可以不将e看作为设计变量，直接确定e=0[2]。这样便可确定设计变量：

X=[x1，x2，x3]T=[r，h0，θ0]T

且确定r上下限分别为0.5hm与1.0hm，以及h0上下限分别取值1.0hm与1.6hm最为可行，另外将θ0上下限确定为π与-π。

4.确定约束条件

要确定机构尺寸为正值，不得为负值，还要求机构不会出现自锁问题。其中，凸轮位置压力角α1与滑块位置压力角α2为影响机构传动效率的主要因素，应将其最大值控制在许用值以内，不得超过许用值。另外，凸轮位置压力角许用值在推程和回程时不得相同，设计时要分别进行约束。因此可得约束条件，用数学表达式即：

g1（X）=-r

g2（X）=-h0

g3（X）=α1max1-[α1]1

g4（X）=α1max2-[α1]2

g5（X）=α2max-[α2]

其中，α1max1表示凸轮推程期最大压力角；[α1]1表示凸轮推程期许用压力角；α1max2表示凸轮回程期最大压力角；[α1]2表示凸轮回程期许用压力角；α2max表示滑块位置最大压力角；[α2]表示滑块位置许用压力角。且[α1]1=-30°～40°，[α1]2=70°～80°。

5.求解

本分析模型主要应用内点惩罚函数法求解，惩罚函数为：

用VB编制优化程序后，便可以得到机构尺寸、机构各个时刻凸轮位置以及滑块位置压力角值，并且还可以@得凸轮理论廓线和实际廓线上每个点的坐标值。在计算时为降低难度，需要按照要求要求将所有已知条件输入，便可在最短时间内得到精确数值，以满足机构运动要求和传力性能为根本，保证结构更为紧凑，提高机构设计效率和质量[3]。

三、凸轮-连杆组合机构优化设计实例

假定需要设计一个凸轮-连杆组合机构，要求变连杆长度固定凸轮滑块机构的推程与回程均满足正弦运动规律，设定推程角为160°，回程角为140°，远休止角和近休止角分别为0°和60°，另外滑块行程为80mm，推程按正弥加速 度运动规律运动，滑块位置许用压力角为35°，凸轮转速为30r/min，以及滚子半径为5mm。设计时确定优化初始值为：

X=[x1，x2，x3]T=[r，h0，θ0]T=[18，34，-84°]T

f（x）=82mm

对其进行优化运算后可得到最优点为：

X=[x1，x2，x3]T=[r，h0，θ0]T=[15，30，-7°]T

f（x*）=75mm

经过优化分析后，便可得到凸轮理论与实际轮廓曲线，同时还可确定组合机构内各构件尺寸参数。对比优化前后可以推断滑块位置压力角效果不明显，但是凸轮位置压力角优化后变化明显。

结束语：

凸轮-连杆组合机构因为可以在任意给定运动规律以及运动轨迹要求下实现动作，在自动机械中应用更为广泛。为进一步提高其所具有的优势，需要基于其运动原理，选择科学合适的分析和计算方法，建立数学设计模型，对各构件参数进行计算优化，提高结构紧凑性，保证其可以维持在最佳运行状态，提高运行可靠性与稳定性，满足实际运行需求。

参考文献：

[1] 周子懿.串联式凸轮连杆组合机构的分析及设计探讨[J].科技风，2016，（16）：137.