畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-四桿機(jī)構(gòu)的演化與特性參數(shù)演示裝置設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題名稱四桿機(jī)構(gòu)的演化與特性參數(shù)演示裝置設(shè)計(jì)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)名稱學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師完成日期教務(wù)處制四桿機(jī)構(gòu)的演化與特性參數(shù)演示裝置設(shè)計(jì)摘要平面四桿機(jī)構(gòu)，作為機(jī)械這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，對(duì)于學(xué)習(xí)機(jī)械原理的學(xué)生來說，是必需要掌握與深刻理解的。因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)重要的教學(xué)點(diǎn)，研究的領(lǐng)域很廣，卻在教學(xué)方面鮮有其資料，因此本文的研究目的是針對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)的演變及其特征參數(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)研究裝置。通過實(shí)體的演示把書面上的知識(shí)具現(xiàn)化。首先，本文針對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)的演化形式設(shè)計(jì)出各種方案，通過判斷裝置的實(shí)現(xiàn)難易度篩選擇優(yōu)，其次計(jì)算各桿件的合適長度、壓力角、傳動(dòng)角以及是否存在死點(diǎn)。最后設(shè)計(jì)裝置外形，并且對(duì)零件進(jìn)行受力分析，最后檢驗(yàn)與優(yōu)化完善裝置，對(duì)裝置進(jìn)行可行性運(yùn)作。該裝置的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新之處在于通過一個(gè)動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同四桿機(jī)構(gòu)的同時(shí)運(yùn)作。關(guān)鍵詞四桿機(jī)構(gòu)；壓力角；死點(diǎn)；演示裝置ABSTRACTTheplanarfour-barlinkage,asabasicmechanisminthefieldofmachinery,forstudyingmechanicalprinciplesofstudents,mustgraspandunderstandthe.Asanimportantteaching,researchinthefieldisverywide,butinteachingthelittleinformation,sothepurposeofthisstudyistodesigntheteachingdeviceforparameterevolutionandcharacteristicsoftheplanarfourbarmechanism.Throughthedemonstrationoftheentitywritingknowledgeinstantiation.Firstofall,basedontheplanarfour-barlinkageevolutiontodesignvariousschemes,throughtherealizationofjudgmentmeansthedifficultyofscreeningmerit,thencomputingtheappropriatelength,thepressureofeachpressureangle,transmissionangleandtheexistenceofthedeadpoint.Thefinaldesignoftheshapeofthedevice,andpartsofthestressanalysis,thefinaltestandoptimizethedevice,thefeasibilityofoperationofthedevice.Thedesignofthedevice,innovationisapowersourcethrough,canrealizeanumberofdifferentplanarfour-barlinkagesoperatingatthesametime.KEYWORDSfour-barlinkage；pressureangle；deadpoint；demonstrationdevice

目錄207591.緒論 .緒論1.1課題的背景及意義隨著科技的不斷發(fā)展，科技技術(shù)的高速更新?lián)Q代，人們對(duì)機(jī)械的觀念有好大的出入，但是作為傳遞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)——機(jī)構(gòu)，卻依然還是重要的一部分。用高效的機(jī)器來代替低效的人工勞動(dòng)，機(jī)器能高效的運(yùn)作，得益于各種設(shè)計(jì)制造精細(xì)的機(jī)構(gòu)，各種機(jī)構(gòu)作為機(jī)器或器具中重要的把其他能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在現(xiàn)代的的機(jī)械設(shè)計(jì)中的地位就顯而易見了。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，所有運(yùn)動(dòng)副都是轉(zhuǎn)動(dòng)副的的平面四桿機(jī)構(gòu)，是平面四桿機(jī)構(gòu)的一種基本形式。其它形式的四桿機(jī)構(gòu)可以看作是在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上的演變。四桿機(jī)構(gòu)中選定其中一個(gè)構(gòu)件作為機(jī)架后，與機(jī)架相連的是連架桿；連架桿又分為曲柄（能繞其軸線回旋360度的）與搖桿（僅能繞其軸線往復(fù)擺動(dòng)的）。第四個(gè)構(gòu)件不與機(jī)架相連，與兩個(gè)連架桿相連的，叫做連桿。平面四桿機(jī)構(gòu)的基本形式一般分為3種：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，顧名思義，兩個(gè)連架桿中一個(gè)曲柄，一個(gè)搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)；雙曲柄機(jī)構(gòu)，兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)都是曲柄；雙搖桿機(jī)構(gòu)，兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)都是搖桿。平面四桿機(jī)構(gòu)的演化：其他形式的四桿機(jī)構(gòu)都是有鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而成的。轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副是其中一種演化方式，比如引入滑塊，將搖桿變成一個(gè)整體，這種形式的四桿機(jī)構(gòu)有正弦機(jī)構(gòu)還有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等。改變構(gòu)件的形狀和和運(yùn)動(dòng)尺寸，當(dāng)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的擺桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，鉸鏈C的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)以桿cd為半徑的圓，可以看做滑塊C在以cd為半徑的圓的軌道上運(yùn)動(dòng)，而這就是有轉(zhuǎn)動(dòng)副鉸鏈C轉(zhuǎn)換為移動(dòng)副滑塊C的演化過程；而因?yàn)闂Ucd作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以鉸鏈C的軌跡就只有在這個(gè)圓的一小段曲線上，可以看做滑塊C在弧形槽上做運(yùn)動(dòng)；當(dāng)弧形槽的半徑無限長的時(shí)候，弧形槽就變成直槽，滑塊C就在直槽上運(yùn)動(dòng)。以上就是四桿機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的演化過程。還有一種演化方式是取不同構(gòu)件為機(jī)架，因?yàn)榈透钡臋C(jī)構(gòu)具有可逆性，因此無論哪一種構(gòu)件作為機(jī)架都相互不會(huì)影響之間的相互運(yùn)動(dòng)。這種方式的四桿機(jī)構(gòu)有曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)倒桿機(jī)構(gòu)、正切機(jī)構(gòu)等。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)去不同構(gòu)件為機(jī)架就會(huì)得出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)四種形式的機(jī)構(gòu)?！稒C(jī)械原理》中平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)這一章中，對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)的演化這一部分內(nèi)容較為重要知識(shí)點(diǎn)中包含圖形轉(zhuǎn)換是較為抽象的，對(duì)于初學(xué)的學(xué)生來說是較為難以理解的，而且也較難從書上的圖例中加以理解。老師在講課的時(shí)候使用一些三維的軟件模擬多媒體投影雖說是一種不錯(cuò)的教學(xué)手段，既直觀又易于理解，但從實(shí)踐中就可以知道了，模擬出來的效果依然不如理想，不容易讓學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)上有深刻到位的理解；最好的理解方式就是有立體的實(shí)物裝置，立體感強(qiáng)，真實(shí)感強(qiáng)，效果明顯，但目前教學(xué)方法中沒有更好的實(shí)踐方式，因此就想要設(shè)計(jì)一種教學(xué)演示裝置，一方面彌補(bǔ)了立體投影教學(xué)實(shí)踐中的之前的不足，另一方面也讓學(xué)生有了更全面更直接的理解。作為這么重要的一種機(jī)構(gòu)，對(duì)于學(xué)生來說，深刻的理解關(guān)于平面連桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)與其基本形式是必須的。設(shè)計(jì)出這一套裝置，讓學(xué)生在課堂上更好的直觀的理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1研究現(xiàn)狀及發(fā)展四桿機(jī)構(gòu)是平面連桿機(jī)構(gòu)中最基本的形式，因此已經(jīng)進(jìn)行了不少的研究和開發(fā)，即使如此，但研究的進(jìn)度仍應(yīng)該有更進(jìn)一步的需要。四桿機(jī)構(gòu)雖然簡單，而且平面四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍也十分廣泛，比如舊式的縫紉機(jī)衣車、用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)等；隨著機(jī)械的自動(dòng)化進(jìn)程越來越發(fā)達(dá)，機(jī)器人、機(jī)械手這類的發(fā)展也會(huì)愈來愈精細(xì)，人們對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性所需的要求也會(huì)愈來愈高。國外也十分重視機(jī)械手機(jī)器人這方面的研究。我國對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)的研究雖然已經(jīng)有很長的時(shí)間，但是仍然需要繼續(xù)深入與拓展。研究的論文也是人廣泛，包括設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)力學(xué)、四桿機(jī)構(gòu)的共軛曲面原理等各種方面。因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍十分廣泛，因此一直并且未來也一定會(huì)繼續(xù)是機(jī)構(gòu)學(xué)的研究重心。機(jī)構(gòu)學(xué)理論日趨完善，各種高低副機(jī)構(gòu)原理、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合原理等，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)也會(huì)不斷發(fā)展。未來可能會(huì)出現(xiàn)更多機(jī)械與電子結(jié)合的機(jī)電一體化的裝置。只要研究不停止，人們的創(chuàng)新就不會(huì)停止，新的機(jī)構(gòu)也不會(huì)停止，會(huì)不斷地出現(xiàn)。1.2.2現(xiàn)代教學(xué)裝置的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外的教學(xué)都開始進(jìn)行著不同的教改，但是由于各種設(shè)備的不足，教學(xué)的壓力，使得在教學(xué)中教改的的阻力十分那，效果也不明顯?，F(xiàn)在演示教學(xué)的教學(xué)裝置的現(xiàn)狀，受到傳統(tǒng)教學(xué)的影響，過分強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)，而忽略了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性；教學(xué)的裝置十分陳舊，一用就是十幾年，缺乏創(chuàng)新和改進(jìn)，導(dǎo)致教學(xué)的效果也不理想；教學(xué)的方式也十分死板，對(duì)于十分抽象的內(nèi)容，很多老師都是使用語言或者圖示的方式描述，學(xué)生僅僅通過老師或者書本，是十分難易理解重要的知識(shí)的。缺少立體教學(xué)，往往對(duì)學(xué)生會(huì)造成很不良的影響，弄不懂該知識(shí)，就會(huì)抗拒這方面的內(nèi)容，最后就會(huì)完全不懂。麥克斯韋曾經(jīng)說過，“演示的實(shí)驗(yàn)用到的材料越簡單，學(xué)生就會(huì)越熟悉，就想側(cè)地獲得驗(yàn)證的結(jié)果?！痹谥谱髟擁?xiàng)教學(xué)裝置的同時(shí)，也會(huì)可以更加深入的了解到所要學(xué)習(xí)的知識(shí)。1.3本文主要內(nèi)容及論文內(nèi)容安排根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求本文主要工作內(nèi)容如下：各個(gè)方案的初定設(shè)計(jì)與最終方案的確定外形設(shè)計(jì)計(jì)算，重要零件的設(shè)計(jì)。各構(gòu)件的分析校核。設(shè)定各構(gòu)件的尺寸，校核是否存在曲柄的設(shè)計(jì)計(jì)算，求出合適的壓力角與傳動(dòng)角，運(yùn)動(dòng)分析解決死點(diǎn)，能否連續(xù)運(yùn)動(dòng)。建立裝置模型。使用solidworks建立出裝置的模型，實(shí)現(xiàn)模型裝置模擬運(yùn)動(dòng)，使用SolidWorks中的simulation功能做出重要零件的有限元分析。

裝置總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案要求要研究平面四桿機(jī)構(gòu)的演變，制造出教學(xué)用具，從而達(dá)到其教學(xué)效果，關(guān)鍵在與如何清晰展示出其演變過程。在教學(xué)的過程中，就會(huì)使用到該裝置用具，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到四桿機(jī)構(gòu)的基本特性及其結(jié)構(gòu)。該裝置的功能：因?yàn)樗臈U機(jī)構(gòu)的演化一般有兩種方式，其他四桿機(jī)構(gòu)基本都是通過基本形式演變而成的，分別是轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副和取不同構(gòu)件為機(jī)架這兩種方式。該裝置能演示出轉(zhuǎn)動(dòng)副抓化為移動(dòng)副的演化過程，與取不同構(gòu)件為機(jī)架是會(huì)出現(xiàn)什么情況的四桿機(jī)構(gòu)的裝置。因此我這里就兩種方式都設(shè)計(jì)不同的裝置的不同方案。2.1.1基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化移動(dòng)副裝置方案設(shè)計(jì)方案一：采用一個(gè)展示臺(tái)，上半部是演示部分，下半部是收納部分。上半部分正面是一個(gè)最基礎(chǔ)原始的四桿機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)中是原動(dòng)件，即是曲柄；而是從動(dòng)件，只能繞軸線往復(fù)擺動(dòng)，即是搖桿。收納部分分別有三種不同形式的四桿機(jī)構(gòu)，包括搖桿部分是圓弧槽的展示板圖、弧形滑道的展示板圖和直槽的展示板圖2-2。每塊展示版后面都用電機(jī)帶動(dòng)曲柄繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而令四桿機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作。而展示的時(shí)候，通過展示臺(tái)兩邊的的傳送帶分別帶動(dòng)各個(gè)展示板按序上升，分別展示每一塊展示板，來實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化移動(dòng)副的效果。優(yōu)點(diǎn)：演示過程較為方便簡單缺點(diǎn)：制作過程略復(fù)雜，展示過程雖簡單能明白，但要達(dá)到深刻理解效果但扔不夠清晰，了解到四桿機(jī)構(gòu)的演化過程的效果并不理想。而且每個(gè)展示板的需要連接傳送帶，制作出來的效果并不理想。圖2-1方案一設(shè)計(jì)簡圖圖2-2三種展示板方案二：方案二與方案一稍微有點(diǎn)現(xiàn)實(shí)，也是使用一個(gè)展示臺(tái)，但與展示臺(tái)不同的在于，從動(dòng)桿與連桿連接處的鉸鏈?zhǔn)强刹鹦兜?。而展示臺(tái)中間是一個(gè)空口，如圖2-3?？湛谑菫榱颂鎿Q各種不同的展示板，而各種展示板（圓形軌道展示板、弧槽展示板、直槽展示板，展示板基本與方案一相同，但不同的在于不需要連接傳送帶）收納在展示板后面。與方案一不用的是這個(gè)裝置不需要傳動(dòng)帶，不是自動(dòng)運(yùn)作的，需要手動(dòng)更換展示板，而且手動(dòng)裝配連桿與各展示板之間的滑塊或機(jī)架連接起來。而各個(gè)展示板與展示臺(tái)我打算用類似門鉸鏈那樣的連接件，當(dāng)演示的時(shí)候需要更換展示板，把電機(jī)停下來，把展示板轉(zhuǎn)過來，手動(dòng)安裝鉸鏈C，然后再次啟動(dòng)電機(jī)。展示的過程就是使用同一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件和連桿，通過更換不同的展示板，與展示板上的滑塊，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)變成移動(dòng)副的演化。圖2-3方案二展示臺(tái)正面圖2-4展示板與展示臺(tái)連接方式簡圖優(yōu)點(diǎn)：制作與結(jié)構(gòu)都相對(duì)簡易，相對(duì)于方案一制作教具的復(fù)雜程度降低了。也因?yàn)槭鞘褂猛桓彼臈U機(jī)構(gòu)，演示的過程也更加的清晰明白，相同的平面內(nèi)通過更換不同的展示板，更能直觀的表達(dá)想要的演化過程。缺點(diǎn)：因?yàn)槭窃谡故景逯虚g開口，這里的加工可能就略有難度。演示是展示板板轉(zhuǎn)過來以后能否準(zhǔn)確對(duì)正，轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)不會(huì)碰撞帶其他展示板，這需要精確的計(jì)算。2.1.2基于取不同構(gòu)件為機(jī)架裝置方案設(shè)計(jì)方案一：因?yàn)樵诘透睒?gòu)架中，無論哪一個(gè)做機(jī)架，構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是不變的。因此通過取不同構(gòu)件做機(jī)架時(shí)就能得到不同形式的機(jī)構(gòu)。展示臺(tái)是一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，四根長度不同的構(gòu)件，四桿機(jī)構(gòu)的對(duì)角連電機(jī)，而電機(jī)上的軸是特殊結(jié)構(gòu)，如圖2-9，軸上有兩個(gè)鍵槽，作用是可以分別連接或者不連接構(gòu)件。而圖2-10中點(diǎn)A就是連電機(jī)的地方，因此該四桿機(jī)構(gòu)當(dāng)AD桿固定的時(shí)候，做原動(dòng)件；當(dāng)AB桿固定的時(shí)候，做原動(dòng)件。這樣就能出現(xiàn)不同構(gòu)件為機(jī)架的情況。而AD桿和AB桿上各有一個(gè)固定夾，可張開可閉上，作用就是用來固定桿AD和桿AB。這個(gè)裝置能通過電機(jī)帶動(dòng)不同的構(gòu)件作為曲柄和固定不同的構(gòu)件作為機(jī)架，從而得出曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)。圖2-7展示臺(tái)正面優(yōu)點(diǎn)：制作過程簡單，也能清楚的展示取不同構(gòu)件為機(jī)架的演化過程缺點(diǎn)：電機(jī)轉(zhuǎn)軸與構(gòu)件之間連接部分，因?yàn)榧纫苓B接時(shí)緊緊結(jié)合扣住，又要不需要連接時(shí)可拆卸，實(shí)現(xiàn)的難度加大了，而且該裝置只能演示兩種不同形式的取不同構(gòu)件為機(jī)架的情況。方案二：這種去不同構(gòu)件為機(jī)架的方式，也叫作機(jī)構(gòu)的倒置；因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)并未改變，改變的只是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此可以采用機(jī)構(gòu)倒置的方法來實(shí)現(xiàn)。該方案我打算采用三套完全相同的四桿機(jī)構(gòu)、一個(gè)動(dòng)力源，就能表達(dá)原始四桿機(jī)構(gòu)和其取不同機(jī)架后的各種機(jī)構(gòu)形式，對(duì)機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)表達(dá)。展示板前是三套完全相同的四桿機(jī)構(gòu)，一副原始的四桿機(jī)構(gòu)ABCD，點(diǎn)A連接軸連接電機(jī)，而是固定的，這是第一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，構(gòu)成一套曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；而軸A連接齒輪1，齒輪1與齒輪2相嚙合，而A’B’C’D’是另一副四桿機(jī)構(gòu)，以為齒輪1和齒輪2相嚙合，如圖2-11,主動(dòng)軸A帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，在帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，軸B’和齒輪2以及是固連在一起的，并且因?yàn)樽鳛闄C(jī)架固定的，因此平面四桿機(jī)構(gòu)A’B’C’D’與平面四桿ABCD相比就是取了不同對(duì)邊為機(jī)架的不同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。圖2-8方案二原理簡圖同理，該裝置是準(zhǔn)備了三套相同的四桿機(jī)構(gòu)，第三套四桿機(jī)構(gòu)也是和平面四桿機(jī)構(gòu)A’B’C’D’一樣通過齒輪來驅(qū)動(dòng)另一套四桿機(jī)構(gòu)與原始的四桿機(jī)構(gòu)同時(shí)工作。而該四桿機(jī)構(gòu)則是雙曲柄機(jī)構(gòu)。桿件的傳動(dòng)承載能力強(qiáng)，但該裝置是所需要的傳動(dòng)效率與精度，桿件是不具備的，因此就選到了齒輪傳動(dòng)。采用了較為簡單的齒數(shù)，為了保證傳動(dòng)比，也保證了各個(gè)機(jī)構(gòu)需要完全相同的運(yùn)動(dòng)方式。圖2-9方案二簡圖.因此該裝置我就設(shè)計(jì)成電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)，三套四桿機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)作，從而在裝置上同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同形式的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：該裝置能清晰明了的同時(shí)地展示取不同構(gòu)件為機(jī)架是的各種不同情況，讓學(xué)生直觀的理解到該知識(shí)點(diǎn)。只需要一個(gè)動(dòng)力源，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三個(gè)不同的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的形式；操作起來簡易，只需要開關(guān)電機(jī)就能展現(xiàn)出效果。缺點(diǎn)：因?yàn)槿〔煌瑯?gòu)件為機(jī)架還有一種情況就是雙搖桿機(jī)構(gòu)，但因?yàn)殡p搖桿機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件和從動(dòng)件只能做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此不能通過一個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)四種情況。這是一個(gè)較為難易解決的問題。2.2最終方案的選擇通過上述的方案設(shè)計(jì)，基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副的裝置和基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置的各種方案中均選擇方案二較為合適，雖然還是有不足未如理想，但因?yàn)樗臈U機(jī)構(gòu)的演化有兩種方式，一是轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副，二是取不同構(gòu)件為機(jī)架，而兩個(gè)方案二都能表達(dá)出了我這個(gè)研究課題的設(shè)計(jì)意義和其教學(xué)目的。其后就將會(huì)根據(jù)方案繼續(xù)改造和完善，使用soliworks、AutoCAD等軟件設(shè)計(jì)裝置模型外形，計(jì)算各根桿的長度受力等，并最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1裝置外形設(shè)計(jì)以及尺寸計(jì)算開始設(shè)計(jì)裝置外形的尺寸制定3.3.1基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的裝置外形設(shè)計(jì)1)展示臺(tái)設(shè)計(jì)首先是基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的裝置的設(shè)計(jì)，因?yàn)楦鱾€(gè)展示板中圓形導(dǎo)軌的所占的面積，所以優(yōu)先按照?qǐng)A形導(dǎo)軌設(shè)計(jì)展示臺(tái)的尺寸與開口的大小與位置。因?yàn)槌跗诎才诺募夹g(shù)要求是長不超過2m，寬不超過1m，因此設(shè)置展展示臺(tái)的尺寸是長1米、寬1米、厚20毫米。如圖3-16中，開口部分是長400mm，寬400mm，開口部分右側(cè)有個(gè)開孔，是用來固定四桿機(jī)構(gòu)中鉸鏈A的。2)圓形軌道設(shè)計(jì)因?yàn)閮?yōu)先設(shè)計(jì)圓形軌道的展示板，所以圓形軌道的展示板是和展示臺(tái)的開口部分一樣大，因此也是長400毫米、寬400毫米的展示板。而圓形軌道的大小尺寸，前面的部分也提及到，因?yàn)閳A形軌跡是原始四桿機(jī)構(gòu)的搖桿CD上的點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以圓形軌道的半徑，就是搖桿CD的長度。因此圓形軌道的中上軌壁的半徑是170mm，下軌壁的半徑是150mm，而軌道中的滑塊剛好能再軌道中滑行，滑塊的中心到圓形軌道的圓心距離剛好是搖桿CD的長度160mm。而考慮到，因?yàn)閳A形軌道的活動(dòng)軌跡演化下去的話，因?yàn)镃點(diǎn)只是做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以圓形軌道會(huì)演化成槽型軌道，而滑塊還是會(huì)繼續(xù)在軌道的上半部分的軌道做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以我認(rèn)為與其分別做兩個(gè)展示板（圓形軌道展示板和槽型軌道展示板），不如把這兩個(gè)展示板結(jié)合在一起。圖3-1圓形軌道展示板建模于是就把圓形軌道設(shè)計(jì)成是2部分組成的展示板，如圖3-2，圓形軌道展示板上的圓形軌道是由兩部分軌道組成。圖3-2新設(shè)計(jì)圓形軌道上部分的軌道是固定在展示板上，而下半部分的軌道是可分離式的。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，下半部分的軌道拆下來以后，滑塊依然在上半部分活動(dòng)，可以當(dāng)做是弧形軌道的展示板。圖3-3為可拆卸的下半軌道示意圖圖3-3可拆卸下軌道下軌道如何固定在展示板上，使用塑料扣件固定，計(jì)算好定位，先在展示板上攻2個(gè)通孔，下軌道背面有扣件。當(dāng)要下軌道和展示板連接時(shí)，扣件通過展示板上的通孔，卡在展示板的背面使下軌道固定在展示板上；當(dāng)要取下下軌道，擠壓扣件，就能快速的拆下下軌道。因?yàn)榛瑝K并不會(huì)劃到下半部分，所以并不會(huì)影響滑塊的運(yùn)動(dòng)。圖3-4下軌道與展示板之間的快拆機(jī)構(gòu)3)轉(zhuǎn)動(dòng)件因?yàn)榉桨钢惺怯?jì)劃使用類似門葉的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)展示板和展示臺(tái)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，而在深入研究之后，發(fā)現(xiàn)采用一種新的特殊零件，方形的軸兩端或者一端是光軸，方形的軸類似直線光軸的固定座，通過夾緊螺釘擰緊上半部分，方形軸就可以和光軸固定在一起。而固定座和展示板也是通過螺釘固定連接在一起。圖3-5特殊零件轉(zhuǎn)動(dòng)軸而展示臺(tái)上是通過另一個(gè)零件和光軸配合旋轉(zhuǎn)，如圖3-5。圖3-6是固定件和光軸的連接方式，固定件的孔的直徑（光軸通過配合的）稍微比光軸的直徑大，為了可以讓光軸在孔上輕易的轉(zhuǎn)動(dòng)。而固定件上還有兩個(gè)孔，小的一個(gè)是用來與背板固定的；而帶一點(diǎn)的那個(gè)孔是用來插銷釘，防止當(dāng)展示板向上翻的時(shí)候會(huì)自己掉下來，光軸上也轉(zhuǎn)了孔用來插銷釘。不過展示板翻上去之后和展示臺(tái)的正面形成一個(gè)三角形的空間，一般情況是不會(huì)掉下的，銷釘和銷釘孔只是以防萬一。圖3-6轉(zhuǎn)動(dòng)光軸和固定件的配合示意圖圖3-7展示板翻上去后的情況4)滑塊與構(gòu)件鏈接處的零件因?yàn)樾枰鷵Q展示板，但原始的四桿機(jī)構(gòu)中的連桿BC和曲柄AB是固定的，所以當(dāng)更換展示板的時(shí)候就需要滑塊與連桿BC中的一點(diǎn)可以拆卸，因此我就打算鉸鏈的部分連接件使用雙頭螺桿，螺桿的一頭有螺紋固定在滑塊上，中間光滑的部分連接兩根構(gòu)件，螺桿的另一頭也有螺紋，連接螺母固定在一起。圖3-8雙頭螺桿（摘自百度圖片）5)總體外形的建模圖3-9裝置外形建模這個(gè)基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的裝置的主動(dòng)動(dòng)軸沒有什么特別的設(shè)計(jì)，所以先不主要說明。3.3.2基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置外形設(shè)計(jì)1)齒輪該齒輪組主要用于動(dòng)力傳導(dǎo)，所以這里的齒輪選用最簡單的直齒輪。一共使用2組齒輪，一組大齒輪、一組小齒輪。而齒輪的尺寸設(shè)定，主要是為了兩套四桿機(jī)構(gòu)之間轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候不會(huì)碰撞。所以小齒輪的大小設(shè)定是齒數(shù)z=45，模數(shù)是m=3，齒寬B=12mm；因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)小齒輪的定位的時(shí)候，防止轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件會(huì)碰到另一套機(jī)構(gòu)的齒輪軸，如圖3-10。圖3-10小齒輪定位圖3-11四桿機(jī)構(gòu)的極限位置和小齒輪一樣，大齒輪的設(shè)定也為了防止兩套低桿機(jī)構(gòu)之間的會(huì)碰撞到齒輪軸，如圖3-12，圖中展示臺(tái)零件設(shè)為透明，大齒輪安裝在展示臺(tái)背面。大齒輪的尺寸設(shè)定是齒輪數(shù)z=80，模數(shù)=3，齒寬B=12mm。因?yàn)檫x擇的電機(jī)功率很低，所以就這兩組齒輪的材料都是有機(jī)玻璃。圖3-12大齒輪的定位2)齒輪軸因?yàn)樵撗b置的主動(dòng)軸需要連接齒輪，因此設(shè)計(jì)上會(huì)需要用到鍵槽，用來固定齒輪，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同時(shí)會(huì)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-13連接兩個(gè)齒輪的主動(dòng)軸建模圖圖3-14連接小齒輪的從動(dòng)軸建模圖圖3-14的軸是連接綠色的小齒輪的軸，因?yàn)檩S的一端要固定在展示板上的同時(shí)還能轉(zhuǎn)動(dòng)，因此我就把連接在展示板上一端都端設(shè)計(jì)成這樣。當(dāng)軸裝進(jìn)展示板的時(shí)候，通過使用兩個(gè)卡軸套，如圖3-15所示，來吧軸固定在板上。這樣軸既能在板上轉(zhuǎn)動(dòng)，又能固定在展示板上。圖3-15卡軸套圖3-16連接大齒輪的從動(dòng)軸建模圖各根軸的設(shè)計(jì)長度的都是盡量讓我的各個(gè)四桿機(jī)構(gòu)盡量緊密一些，這樣的話當(dāng)裝置動(dòng)起來的時(shí)候看起來就會(huì)很清晰，效果很好。3)鉸鏈構(gòu)件因?yàn)闃?gòu)件與構(gòu)件之間需要使用鉸鏈連接，而鉸鏈可以參考現(xiàn)在市面上的眼鏡架的一些特制的高精合金鉸鏈。而構(gòu)件因?yàn)樾枰p便，所以選擇有機(jī)玻璃作為材料，桿長前面計(jì)算過，所以各根桿長的長度分別是96mm，200mm，160mm，240mm，桿長寬34mm，桿后5mm。4)聯(lián)軸器雖然電機(jī)選擇的功率不會(huì)太大，但是軸的直徑比較小，因此我打算選擇聯(lián)軸器來連接電機(jī)與齒輪軸，防止齒輪軸的斷掉。聯(lián)軸器的作用就是用來把兩軸連起來，而連接了聯(lián)軸器的兩軸只有在機(jī)器不工作的時(shí)候并且連接斷開，兩軸才可以分離開來，機(jī)器運(yùn)作的時(shí)候是不能斷開的。因?yàn)槁?lián)軸器是連接兩軸的，但種種的誤差會(huì)導(dǎo)致不能保證嚴(yán)格兩軸的同軸度。因此我選擇有彈性補(bǔ)償?shù)膿闲月?lián)軸器，而且選擇了撓性聯(lián)軸器中最簡易的十字滑塊聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器材料可選用需要表面熱處理加強(qiáng)硬度的45鋼，但我選擇了不需要熱處理的Q275鋼。這種聯(lián)軸器工作的時(shí)候會(huì)因?yàn)橹虚g盤產(chǎn)生了離心力，這樣會(huì)增大了磨損，因此這種聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速不能大于規(guī)定值，一般轉(zhuǎn)速n只能小于250r/min，且軸的剛性足夠大沒沖擊，這正好符合我的裝置的要求，而且我選擇的交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速為20r/min，因此十分符合該聯(lián)軸器。圖3-17聯(lián)軸器爆炸圖基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置的根據(jù)規(guī)格設(shè)計(jì)，得出了圖3-18的初步建模。圖3-18基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置的模型建模3.2重要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.2.1電機(jī)的選擇1)最小力矩的計(jì)算圖3-19第一套四桿機(jī)構(gòu)重心在SolidWorks中設(shè)置桿和鉸鏈的材料屬性，使用軟件中的質(zhì)量屬性功能，測(cè)出了第一套四桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為0.1074kg。當(dāng)桿ab和桿ad成47°時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)的重心坐標(biāo)是（138.15，91.85）。所以重心距離到原點(diǎn)的距離是：因此該四桿機(jī)構(gòu)對(duì)軸的力矩是：同理通過SolidWorks中的質(zhì)量功能，同樣求出第二套四桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為0.115kg。當(dāng)桿ab和機(jī)架bc平行的時(shí)候，四桿機(jī)構(gòu)的重心坐標(biāo)是（184.27,48.90）。圖3-20第二套四桿機(jī)構(gòu)重心所以重心距離到原點(diǎn)的距離是：因此該四桿機(jī)構(gòu)對(duì)軸的力矩是：第三套四桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為0.13653kg。當(dāng)桿bc與機(jī)架ab成45°時(shí)，該四桿機(jī)構(gòu)的重心坐標(biāo)是（162.17，84.98）。圖3-21第三套四桿機(jī)構(gòu)重心所以重心距離到原點(diǎn)的距離是：因此該四桿機(jī)構(gòu)對(duì)軸的力矩是：2)各軸所需功率的計(jì)算求出各個(gè)四桿機(jī)構(gòu)對(duì)軸的力矩以后，就能求出驅(qū)動(dòng)該力矩所需的功率P而有，因此可求出各軸的所需功率，，，因?yàn)樵O(shè)定我該四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度n是，所以得：而我該裝置的第二和第三套四桿機(jī)構(gòu)的是通過直齒齒輪傳動(dòng)的，而其實(shí)開式齒輪，因此查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得傳動(dòng)效率比是取0.96。所以所以傳動(dòng)軸的總功率是++=1.372W。通過查閱資料以后，我選擇的電機(jī)是TYC49同步交流減速電機(jī)。其輸出功率是3.5W，大于我該裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)所需的總功率。而且該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速因?yàn)槭?0r/min，而且輸出扭矩是0.8，符合我的設(shè)計(jì)要求。3.2.2齒輪的設(shè)計(jì)與校核1)齒輪的設(shè)計(jì)對(duì)于我裝置上的傳動(dòng)軸需要裝配齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)其他軸上的四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此查閱資料后，我的軸上需要裝配兩個(gè)齒輪，因此我的齒輪的設(shè)計(jì)模數(shù)m均為3；而齒輪的齒數(shù)的選擇，因?yàn)槲颐拷M齒輪組的傳動(dòng)比是1，所以根據(jù)裝置中個(gè)各軸的的距離，作為兩個(gè)齒輪的中心距，因?yàn)槲矣袃山M齒輪，而且為了避免裝置上的桿件不會(huì)對(duì)軸有碰撞，所以有兩種不同的齒輪。m是齒輪模數(shù)，Z是齒輪齒數(shù)，d是齒輪的分度圓直徑，根據(jù)公式可得出我設(shè)計(jì)的齒輪的齒數(shù)，因?yàn)閭鲃?dòng)比是1，所以齒輪組中的兩個(gè)齒輪相同的規(guī)格，所以兩個(gè)齒輪的中心距就是齒輪的分度圓直徑。小齒輪組的中心距為135mm，所以小齒輪的齒數(shù)=45；大齒輪組之間的中心距是240mm，所以大齒輪的齒數(shù)=80。兩組齒輪的精度都是7，壓力角均為°。2)齒輪的校核得出齒輪的尺寸參數(shù)以后，就要校核該齒輪是否符合我的裝置工作時(shí)的彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。要校核齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》，得出公式：(3.1)就可以通過該公式計(jì)算出齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度是否符合。小齒輪的校核已知的參數(shù)有扭矩T=216.31，，；而需要求出的有載荷系數(shù)，齒形系數(shù)，修正系數(shù)，重合度系數(shù)和齒寬比。因?yàn)檩d荷系數(shù)：(3.2)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》資料可得，使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)和齒向在分布系數(shù)，求出。然后計(jì)算重合度系數(shù)：通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》資料，得出齒形系數(shù)，修正系數(shù)；齒寬比。將這些數(shù)據(jù)代入上式中，得到：而我的齒輪采用的材料是尼龍6系列的，該尼龍的彎曲強(qiáng)度是70~100，因此，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。大齒輪的校核大齒輪的校核方式與小齒輪相似，就是齒輪的參數(shù)不一樣。已知的參數(shù)有扭矩T=242.71，，；而需要求出的有載荷系數(shù)，齒形系數(shù)，修正系數(shù)，重合度系數(shù)和齒寬比。根據(jù)載荷系數(shù)公式3.2，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》資料可得，使用系數(shù)，動(dòng)載系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)和齒向在分布系數(shù)，求出。然后計(jì)算重合度系數(shù)：通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》資料，得出齒形系數(shù)，修正系數(shù)；齒寬比。將這些數(shù)據(jù)代入上式中，得到：而我的大齒輪采用的材料是尼龍6系列的，通過查閱《工程材料》可知道該尼龍的彎曲強(qiáng)度是70~100，因此，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。所以齒輪的設(shè)計(jì)結(jié)論是：小齒輪齒數(shù)Z=45，大齒輪齒數(shù)Z=80，兩組齒輪模數(shù)m=3mm，壓力角，齒寬均為12mm，齒輪的材料均采用尼龍610。齒輪按7級(jí)精度設(shè)計(jì)。3.2.3軸的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置中，其動(dòng)力源的軸要裝配齒輪，所以要特殊設(shè)計(jì)。1）主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)這條主動(dòng)軸是整個(gè)裝置中最重要的零件，而該軸所受的彎矩基本很小，所以按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度，通過軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來計(jì)算軸徑。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件：（3.3）可從上式中求出軸徑：（3.4）式中，可以通過查表選擇。而我的主動(dòng)軸采用的材料是45鋼，因?yàn)槲业妮S所受的彎矩較小，轉(zhuǎn)速只需要20r/min，是作為低速軸，所以選擇軸的，。所以最后求得，所以該軸最小軸徑是12mm。因?yàn)檩S上需要開鍵槽，但軸截面有鍵槽的時(shí)候，應(yīng)該適當(dāng)增加軸徑來抵消鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度削弱。因?yàn)槲业妮S徑，軸截面有一個(gè)鍵槽的時(shí)候，軸徑增加5%~7%，所以我軸線有鍵槽的地方的軸徑是15mm，其他不需要連接鍵的地方就是最小軸徑12mm。2）其他傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)因?yàn)榱硗鈨筛鶄鲃?dòng)軸都是從動(dòng)軸，主要是通過主動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪，然后帶動(dòng)齒輪從動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)兩外兩套四桿機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。而這兩根軸的受到的彎矩基本很小，所以按軸所受到的扭矩來計(jì)算強(qiáng)度。（3.5）而主動(dòng)軸所收的扭矩比另外兩根傳動(dòng)軸的從動(dòng)扭矩都要大，所以兩外兩根從動(dòng)軸的軸徑就可以參考主動(dòng)軸的最小軸徑設(shè)計(jì)，所以該從動(dòng)軸的最小軸徑是12mm。從動(dòng)軸都是需要裝配齒輪的，所以都要開鍵槽，因此因?yàn)檩S徑，所以軸徑增加量是5%~7%，所以我軸線有鍵槽的地方的軸徑也是15mm。3.3四桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸校核在實(shí)際工作中，我們需要主動(dòng)件可以作圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，即是需要該機(jī)構(gòu)中存在曲柄，因此我假設(shè)四桿機(jī)構(gòu)中各桿的長度分別為a、b、c、d，設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，當(dāng)繞A旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)與重合，如圖3-20和圖3-21所得的，因此從邊長關(guān)系可得，圖3-22四桿機(jī)構(gòu)有曲柄條件（圖3-22中）（圖3-23）（圖3-23）圖3-23四桿機(jī)構(gòu)有曲柄條件以上三條不等式兩兩相加可得：根據(jù)不等式可得平面四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件為：四桿機(jī)構(gòu)中連桿和機(jī)架中，必有一桿是最短桿。桿長和條件：最短桿與最長桿兩桿之和必須小于或等于另外兩桿之和。因此對(duì)基于去不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置中，因?yàn)樵撗b置中除了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以外，還有一個(gè)雙曲柄機(jī)構(gòu)，而我需要三套完全相同的四桿機(jī)構(gòu)，所以我這套四桿機(jī)構(gòu)中的各根桿長就需要滿足既是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，而且還是雙曲柄機(jī)構(gòu)。曾經(jīng)學(xué)過，在平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，最短桿和最長桿的兩桿之和小于其他兩桿的長度之和的時(shí)候，當(dāng)最短桿為曲柄，而且最短桿相鄰的構(gòu)件作為機(jī)架，因此這機(jī)架是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。因此各桿件之間有這樣的關(guān)系式：而且是最短邊并且是曲柄，而是最長邊。圖3-24原始四桿機(jī)構(gòu)示意圖而該裝置的第三套四桿機(jī)構(gòu)的展示形式是雙曲柄搖桿，而雙曲柄搖桿所需要的是最短桿作為機(jī)架，兩根連架桿就都是雙曲柄機(jī)構(gòu)。因此該構(gòu)件也是符合所以我就設(shè)定各根桿長的度分別是=96mm，=200mm，=160mm，=240mm。該長度的設(shè)定是均能實(shí)現(xiàn)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。值得一提的是，當(dāng)最長桿和最短桿之和小于或等于另外兩根桿的長度之和的時(shí)候，最短桿的對(duì)邊構(gòu)件作為機(jī)架的時(shí)候，該四桿機(jī)構(gòu)就是一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)。因此我的設(shè)定的各桿長度只要取作為機(jī)架，理論上是符合雙搖桿機(jī)構(gòu)的長度要求的。但實(shí)際上雙搖桿機(jī)構(gòu)是沒有曲柄的，其原動(dòng)件并不是作為繞圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的，只有兩根做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖桿。因此我的裝置中只通過一個(gè)動(dòng)力源的時(shí)候，同時(shí)驅(qū)動(dòng)四種形式的平面四桿機(jī)構(gòu)，這也是我設(shè)計(jì)的該裝置的一個(gè)不足之處。四桿機(jī)構(gòu)中四構(gòu)件組成的封閉多邊形的條件是最長桿的桿長應(yīng)該小于另外三邊之和，即：而另一個(gè)裝置，基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的裝置中，因?yàn)樵撗b置也是需要一個(gè)原始的鉸鏈平面四桿機(jī)構(gòu)，所以平面四桿機(jī)構(gòu)的桿長是參考另一個(gè)裝置的四桿機(jī)構(gòu)中的各桿的長度。因?yàn)閰⒖剂肆硪粋€(gè)裝置的四桿機(jī)構(gòu)桿長，所以=96mm，=200mm，=160mm;因?yàn)锳點(diǎn)和D點(diǎn)不是連接起來的，但也AD之間的距離也是作為該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的第四根桿，所以A處的鉸鏈與D處的鉸鏈?zhǔn)欠謩e固定起來，而且距離一定的，所以有AD之間的距離=240mm。而該裝置的圓形軌道是搖桿CD上的點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡是以D為圓心的圓形軌跡，所以圓形軌道的半徑就是=160mm。而直槽軌道中，因?yàn)樵撜故景嬷械臋C(jī)構(gòu)的滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心的移動(dòng)方位并沒有通過原動(dòng)件的回轉(zhuǎn)中心。因此對(duì)于這種偏置滑塊的機(jī)構(gòu)中，同樣有存在曲柄并且AB桿作為曲柄的條件：桿AB是最短桿，且有e為偏距。圖3-25直槽滑塊展示板圖3-26偏置滑塊機(jī)構(gòu)因此我們就求出了各個(gè)桿件的尺寸了。下一步我們就是要進(jìn)行對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的壓力角、傳動(dòng)角與是否存在死點(diǎn)的計(jì)算。3.4四桿機(jī)構(gòu)合適的壓力角和最小傳動(dòng)角計(jì)算四桿機(jī)構(gòu)的最小壓力角，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角，就是在平面四桿機(jī)構(gòu)中用來檢驗(yàn)傳力效果，一般傳動(dòng)角與壓力角都是互為余角的。圖3-27四桿機(jī)構(gòu)中壓力角與傳動(dòng)角而的值一般都是越大越好，一般最優(yōu)的情況是=90°，最壞的情況就算是=0°。在實(shí)際的運(yùn)作中，的大小是會(huì)隨著機(jī)構(gòu)的位置移動(dòng)而變化的，一般為了保證機(jī)構(gòu)的傳力效果，會(huì)讓傳動(dòng)角最小值大于或等于許用值，一般會(huì)有的。一般的范圍是40°到50°這個(gè)范圍的。因此為了求出該四桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角，我們可以根據(jù)各桿的長度求出。如圖3-28中，當(dāng)是銳角的時(shí)候，；如圖3-29，當(dāng)為鈍角的時(shí)候，就會(huì)有。所以當(dāng)有或的位置的時(shí)候，就會(huì)存在該四桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角。圖3-28曲柄AB與機(jī)架AD拉直共線圖3-29曲柄AB與機(jī)架AD重合共線從圖3-26中不難得出：（3.6）（3.7）因此可得：當(dāng)曲柄AB和AD重合共線的時(shí)候，即時(shí)，就會(huì)有為（3.8）而當(dāng)曲柄AB和機(jī)架AD拉直共線的時(shí)候，即時(shí)，就會(huì)有為（3.9）比較兩個(gè)位置的傳動(dòng)角，就能求出最小傳動(dòng)角，所以帶入上一節(jié)我設(shè)定的各桿的長度的話，=96mm，=200mm，=160mm，=240mm，帶入上面兩式中,當(dāng)曲柄AB與機(jī)架AD重合共線時(shí)，則有因?yàn)槭卿J角，則有；當(dāng)曲柄AB和機(jī)架AD拉直共線的時(shí)候，則有因?yàn)槭氢g角，則有所以那個(gè)使用倒置法基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的四桿機(jī)構(gòu)ABCD的最小傳動(dòng)角是==。在另一個(gè)裝置中，基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成移動(dòng)副的裝置里有一個(gè)直槽的展示板，而該展示板因?yàn)槭且粋€(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而且還是一個(gè)偏置滑塊機(jī)構(gòu)。如圖3-28中的連桿滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動(dòng)件是曲柄且曲柄與水平方向成90°垂直的位置的時(shí)候，最小傳動(dòng)角就會(huì)出現(xiàn)在遠(yuǎn)離偏心的一邊。（3.10）而我設(shè)定的直槽的位置的偏距e=120mm，所以的最小轉(zhuǎn)動(dòng)角圖3-30連桿滑塊機(jī)構(gòu)中的最小傳動(dòng)角求出四桿機(jī)構(gòu)的壓力角α，機(jī)構(gòu)中的壓力角就是機(jī)構(gòu)中原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力的方向與輸出點(diǎn)的受力的點(diǎn)速度方向的夾角，是銳角。如圖3-31，受力點(diǎn)C所受到的力一般都會(huì)按速度的方向分解成與速度方向相同的有效分力和垂直速度方向的無效分力，因此會(huì)有，圖3-31四桿機(jī)構(gòu)的壓力角與所受力的關(guān)系所以當(dāng)壓力角α越小，有效力Ft就會(huì)越大，最理想的情況就是壓力角α=0°。所以當(dāng)力F一定的時(shí)候，、的大小完全是由壓力角α的大小決定，由此可見，壓力角α是影響機(jī)構(gòu)傳力的好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。而且上面文中也提到過，因?yàn)閴毫铅梁蛡鲃?dòng)角是互為余角，即，所以校驗(yàn)機(jī)構(gòu)的傳力效果也更簡便了。因?yàn)樯厦婊谌〔煌瑯?gòu)件為機(jī)架的裝置里，求出最小傳動(dòng)角=，所以壓力角，求出合適的壓力角α=47.6°。研究機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD中，如圖3-32，當(dāng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件是搖桿的時(shí)候，在曲柄和連桿桿共線的位置（如圖平面四桿機(jī)構(gòu)以及四桿機(jī)構(gòu)所示），此時(shí)主動(dòng)件CD作用于曲柄AB上的力剛好通過點(diǎn)A，而點(diǎn)A是曲柄AB的回旋中心，因此無論BC連桿作用多大的力，都不能使曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-32四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)的壓力角=90°（即傳動(dòng)角=0°）的位置時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，這種曲柄和連桿共線的情況就叫做死點(diǎn)的位置。實(shí)際工作中，死點(diǎn)的存在是不好的，因?yàn)樗傈c(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)造成機(jī)構(gòu)傳動(dòng)不順利，應(yīng)該設(shè)法消除這種機(jī)構(gòu)上的缺陷，為了讓機(jī)構(gòu)能順利過機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，解決四點(diǎn)問題，一般都會(huì)在輸出的曲柄上安裝飛輪，借助慣性的帶動(dòng)闖過死點(diǎn)，就像一些縫紉機(jī)；還有一些機(jī)構(gòu)是通過多個(gè)相同的機(jī)構(gòu)相互錯(cuò)開，一個(gè)機(jī)構(gòu)借助另一個(gè)機(jī)構(gòu)來闖過死點(diǎn)，如圖3-33的蒸汽機(jī)車的車輪組的設(shè)計(jì)。圖3-33蒸汽機(jī)車車輪簡圖（摘自機(jī)械原理）任何事物都有兩面性，雖然死點(diǎn)對(duì)于機(jī)構(gòu)的工作是不利，但有些機(jī)構(gòu)卻是借助機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)某些特別工作需求，例如鉆床的工件夾緊機(jī)構(gòu)就是利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)來夾緊工件的特殊例子。上述的研究是因?yàn)樗臈U機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件是搖桿通過連桿驅(qū)動(dòng)曲柄工作，才會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)的位置，而我的裝置中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)件是曲柄，因?yàn)樗臈U機(jī)構(gòu)工作的主動(dòng)件是曲柄的話，該四桿機(jī)構(gòu)就不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)。而基于取不同機(jī)構(gòu)為機(jī)架的裝置中的雙曲柄機(jī)構(gòu)究竟會(huì)不會(huì)有死點(diǎn)。雙曲柄機(jī)構(gòu)的滿足是最短桿為機(jī)架而且最短桿與最長桿兩桿的之和小于或等于另外兩根桿的長度之和。而我的裝置中的雙曲柄搖桿，如圖3-34中，=96mm，是最短桿，作為雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的機(jī)架，而是作為該機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件曲柄，=240mm，是該機(jī)構(gòu)中的最長桿，也是該機(jī)構(gòu)的從動(dòng)曲柄。圖3-34雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖假設(shè)這個(gè)四桿機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)，那么當(dāng)曲柄BC轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，曲柄AD與連桿CD共線，如圖3-35；圖3-35桿AD與桿CD共線位置根據(jù)三角形存在的定理，兩邊之和大于第三邊，那么會(huì)有+>+但又因?yàn)橐汛嬖谑亲疃虠U，<；而且是最長桿，<，因此會(huì)有+<+與上述根據(jù)三角形定理的出的不等式相矛盾，因此該雙曲柄機(jī)構(gòu)在是最短桿，是最長桿的情況下，所以一般雙曲柄機(jī)構(gòu)是不存在死點(diǎn)位置的。

4.有限元分析4.1傳動(dòng)軸的有限元分析為了對(duì)主要的零件驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行有限元的分析，因此我就是使用了solidworks里面的插件simulation進(jìn)行了分析。作為是基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的重要零件中最重要的一個(gè)零件，傳動(dòng)軸既要作為電機(jī)的輸出軸，而且還需要對(duì)另外兩套四桿機(jī)構(gòu)做輸入動(dòng)力的傳動(dòng)軸，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使其他兩套四桿機(jī)構(gòu)能進(jìn)行運(yùn)作。首先是設(shè)置傳動(dòng)的軸的材料，而前一部分就對(duì)軸的材料就選定了，為了盡可能節(jié)省升本，我對(duì)軸就選定了使用調(diào)制處理的45鋼。對(duì)于完成建模的傳動(dòng)軸的三維模型，進(jìn)入soliworks的simulation插件，設(shè)定建立一個(gè)靜態(tài)算例，首先是設(shè)定傳動(dòng)模型的材料，因?yàn)闆]有準(zhǔn)確的然后對(duì)零件模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的密度設(shè)置為最好的良好，目的就是為了提高分析的精度。共有17492個(gè)節(jié)點(diǎn)和11192個(gè)單元圖4-1傳動(dòng)軸的網(wǎng)格劃分然后齒輪的一端連接電機(jī)，固定在一端,而傳動(dòng)軸的載荷有兩個(gè)齒輪連接鍵的壓迫所產(chǎn)生的載荷。因此施加在軸端施加一個(gè)自由度為0的約束；因?yàn)檩S中間是通過一個(gè)軸承固定轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此給予一個(gè)傳動(dòng)軸的徑向和軸向的自由度為0的約束。然后添加載荷，在兩個(gè)鍵槽壁添加各添加一個(gè)垂直鍵槽壁的力。最后開始運(yùn)算模型。運(yùn)算后得出如圖4-2，圖4-3，圖4-4的應(yīng)力圖、位移圖和應(yīng)變圖。圖4-2傳動(dòng)軸應(yīng)力圖圖4-3傳動(dòng)軸的位移圖圖4-4傳動(dòng)軸的應(yīng)變圖因?yàn)槲业妮S選用的材料是45號(hào)鋼，其屈服應(yīng)力是355MPa，而從上面的應(yīng)力圖可以知道傳動(dòng)軸受到較大的應(yīng)力在兩個(gè)鍵槽壁上，最大應(yīng)力是75.7MPa，小于其屈服強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)。4.2齒輪的有限元分析對(duì)于我的齒輪我選擇了齒數(shù)Z是45的小齒輪進(jìn)行有限元分析，同上面軸的有限元分析一樣，我是通過SolidWorks軟件中的simulation插件功能進(jìn)行有限元分析。我的齒輪分析中選擇的材料是尼龍610，其屈服應(yīng)力是139MPa。圖4-5齒輪有限元分析的應(yīng)力圖、位移圖及應(yīng)變圖進(jìn)行有限元分析以后，因?yàn)槲业凝X輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過鍵的擠壓推動(dòng)的，所以對(duì)齒輪的鍵槽設(shè)置了一個(gè)約束，所以從分析中的應(yīng)力圖可以看到，該齒輪受到的最大應(yīng)力在齒輪的鍵槽上，是19.68MPa，最小應(yīng)力是8.5Pa，小于該材料的屈服應(yīng)力，所以符合設(shè)計(jì)。4.3構(gòu)件的有限元分析對(duì)演示裝置中的四桿機(jī)構(gòu)作靜態(tài)有限元分析，各構(gòu)件的材料選擇是ABS，其彎曲強(qiáng)度是25MPa至97MPa。圖4-6四桿機(jī)構(gòu)的有限元分析的應(yīng)力圖，位移圖及應(yīng)變圖從應(yīng)力圖中可以看到，因?yàn)槲以摍C(jī)構(gòu)所受到最大的應(yīng)力在最上面的桿上，其受到的應(yīng)力是12373Pa，小于該材料的彎曲強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)。

5.總結(jié)與展望5.1工作總結(jié)這次課題的是四桿機(jī)構(gòu)的演化及其特性參數(shù)演示的裝置，因此我就按著這個(gè)課題去設(shè)計(jì)兩個(gè)演示裝置，一個(gè)是基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副的裝置，另一個(gè)是基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置。因?yàn)檫@個(gè)課題的研究算是一個(gè)創(chuàng)新性的產(chǎn)品制作，因此會(huì)在資料收集的時(shí)候會(huì)遇到種種困難，因?yàn)榭蓞⒖寄苜Y料實(shí)在太少了，在設(shè)計(jì)的過程中，需要不停的嘗試多種的方案，有時(shí)還需要一些天馬行空的想法，或者靈光一現(xiàn)的想法作為方案，來嘗試該方案能否可行。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)到的都是簡單的四桿機(jī)構(gòu)，但是為了設(shè)計(jì)出來的裝置不能很多板塊，操作很復(fù)雜，所以要盡可能的設(shè)計(jì)的簡單一些，容易操作。在確定最終方案之前，曾在網(wǎng)上收集個(gè)各種類似四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)用具，而之前的課程也曾做過四桿機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，所以還去實(shí)驗(yàn)室參觀了實(shí)體的四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)用具，研究四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)工作原理，再將最可行性的方案相結(jié)合，把外形結(jié)構(gòu)的方案決定下來下來?；谌〔煌瑯?gòu)件為機(jī)架的裝置中，因?yàn)榧m結(jié)于如何使用一個(gè)動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)三種不同情況或四種情況的四桿機(jī)構(gòu)，而苦于決定最后的該裝置的方案。后來通過老師的指導(dǎo)，使用“機(jī)構(gòu)倒置法”的方式，就可以實(shí)現(xiàn)三種不同形態(tài)的四桿機(jī)構(gòu)（兩種不同機(jī)架的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄機(jī)構(gòu)）。于是這樣就定下了基于取不同構(gòu)件為機(jī)架的裝置的設(shè)計(jì)總方案了。而另一個(gè)裝置，基于轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副，在設(shè)計(jì)外形的時(shí)候，因?yàn)檎故景搴驼故九_(tái)之間采用鉸鏈連接，因此當(dāng)一個(gè)展示板轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，可能會(huì)被其他展示板擋住，因此我在該裝置中三個(gè)展示板，一個(gè)設(shè)置在前面，兩個(gè)設(shè)置在后面，而且有一個(gè)展示板因?yàn)闀?huì)干擾到到另一個(gè)展示板的的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此有一個(gè)展示板的鉸鏈處是有一個(gè)導(dǎo)軌，當(dāng)展示板A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)展示板B會(huì)干擾的時(shí)候展示板B就會(huì)可以通過導(dǎo)軌的導(dǎo)向，可以避免干擾到展示板A轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算和校核優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要零件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)零件較多，所以只校核了重要的傳動(dòng)軸，其他零件就按照其他建模時(shí)的模型設(shè)計(jì)；最后整理撰寫設(shè)計(jì)說明書。這個(gè)就是該設(shè)計(jì)的大概流程。

5.2