摘要机构学是一门实用性很强的应用科学，它包括平面机构学和空间机构学。其中平面连杆机构结构简单，设计灵活，在工程实际中应用相当广泛。为了满足运动、受力及结构设计上的需要，通过改变其各组成构件的形状及尺寸参数，改变某些运动副的形式或者选择不同的构件作为原动件和机架，可演变成导杆机构。其中导杆减速装置就是运用导杆机构的原理而制作成的一种减速装置。 关键词机构学平面连杆机构导杆机构导杆减速装置 1.机构学 机构的设计通常是机器设计的核心和首要环节。 按照应用力学的观点，机构学可以分为两个分支：机构运动学和机构动力学。机构运动学只研究机构中各构件的相对运动关系，包括位移、轨迹、速度、加速度等。机构动力学研究运动过程中机构各构件的受力及力与运动的关系。除了机构运动学与动力学两大分支外，还有一个领域，称为机构的结构理论，它的研究对象是机构的自由度、结构类型、每种机构的种数[1]。 机构学研究的问题： 第一类是机构分析，对已有机构进行运动学或动力学的分析计算; 第二类是机构综合，根据给定的运动学或动力学要求，设计机构简图。 机构分为开式机构与闭式机构。 开链机构：如串联式机械手。 闭链机构：主要有三种，齿轮机构、凸轮机构与连杆机构。由于连杆机构采用低副连接，因而结构简单，结实耐用，不易磨损，适于高速重载。连杆机构种类繁多，变化多端，能满足各种运动要求；连杆机构还有其他机构的理论结构原型，是机构的结构理论主要研究对象。同时机器人、机械手等开式机构也是低副机构，与连杆机构息息相关，更推动了连杆机构的发展[2]。 机构学是一门实用性很强的应用科学，大至各种机器设备，小至人们生活中的各种器具、电器、日常生活用品以及各种玩具，都可以发现机构学原理。一个机构学问题的解决，有时可以产生很大的经济效益[3]。 机构综合必须解决两个基本问题：第一个是机构结构综合；第二个是机构尺度综合。 结构综合可分为型综合与数综合。 型综合：为了产生某种运动，应选用什么类型的机构，该类机构应当有多少构件及哪些类型的运动副组成，因此称为机构的类型设计。 数综合：是一种机构枚举学。它研究由一定数量的构件和一定类型的运动副能组成一定自由度的运动链的种数。目前，机构的选型设计主要还依靠设计人员的知识和经验，但现在已经出现了人工智能的专家系统软件[4]。 尺寸综合是按照给定的运动要求及动力要求，按照已选定的机构类型决定机构简图的尺寸，它分为运动综合与动力综合。 传统的连杆机构综合即指尺度综合，它可归纳为三类问题：刚体引导、函数发生和轨迹发生[5]。 刚体导引问题：是规定连杆必须经过的几个位置来寻求机构杆件的尺寸。 函数发生问题：是要求机构的输出变量与输入变量呈规定的函数关系。它们可以产生正弦、余弦、积分等关系。 轨迹发生问题：就是要求连杆上的点产生预期的轨迹。譬如要求一个循环中的某一段轨迹是圆、椭圆、直线等。 若考虑构件的弹性变形及运动副间隙的动力影响，则综合起来更复杂一些。 2.平面连杆机构 平面连杆机构是由若干构件用低副（转动副和移动副）联接组成的平面机构，所以又称为低副机构[6]。它由固定不动的机架、主动连架杆、从动连架杆和连杆组成。通常，主动连架杆作连续的匀速运动或摆动，从动架杆作连续的或间歇的变速转动、变速摆动或变速直线运动[7]。 平面连杆机构结构简单，设计灵活，在工程实际中应用相当广泛。为了满足运动、受力及结构设计上的需要，通过改变其各组成构件的形状及尺寸参数，改变某些运动副的形式或者选择不同的构件作为原动件和机架，可将连杆机构的基本形式演化成多种形式，如曲柄摇杆机构、双曲柄机构、曲柄滑块机构、摆动导杆机构和移动导杆机构等[8]。各种机构形式的动力学分析方法相类似，但每一种形式的应用场合不尽相同，构件动力学特性有各自特点。 3.导杆机构 导杆机构是由平面连杆机构演化而来的，根据类型分为:移动导杆机构和摆动导杆机构。 其中移动导杆机构的传动特点是当曲柄匀速转动时，导杆做变速运动。例如插床插刀的运动机构，就是利用此原理，使插刀在切削行程运动慢，在空回转行程运动快，以缩短非工作时间，提高生产效率。而摆动导杆机构的传动特点是当曲柄匀速转动时，导杆做变速摆动。例如在牛头刨床运动机构中的应用，其作用与转动导杆机构在插床插刀运动机构中的作用相同，但它使刀具作摆动运动[9]。 导杆机构广泛用于各种机械和仪表中，其主要优点有[10]： 1）导杆机构中的运动副都是低副，组成运动副的两构件之间为面接触，因而承受的压强孝便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷； 2）导杆构件形状简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠； 3）在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足不同的运动规律的要求； 4）利用导杆机构可满足不同的运动轨迹的要求。 导杆机构也存在如下的缺点[11]： 1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计导杆机构比较复杂，而且精度不高； 2）导杆机构运动是产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。 4.导杆减速装置 减速装置是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机械的需要[12]。 按传动和结构特点来划分减速装置，分为：齿轮减速装置、蜗杆减速装置、蜗杆齿轮减速装置及齿轮-蜗杆减速装置、行星齿轮减速装置、摆线针轮减速装置、谐波齿轮减速装置，这些都是我们常见的齿轮减速装置[13]。但是我们可以把导杆机构的特性和减速装置的特性加以结合创新，就能设计出新一种减速装置导杆减速装置。 导杆减速装置不同于普通的齿轮减速装置，它结合导杆机构的优点，具有结构简单，构思巧妙，在许多运用场合具有特殊的优越性[14]。例如印刷机的推板机构、柴油机配气机构中的控速横臂导杆装置、导弹发射器中的移动导杆装置等，都利用导杆装置来降低速度，以满足工作机械的需要[15]。 本课题要求分析研究导杆减速装置的运动原理，并进行对该装置的结构创新设计。 这些正是本课题所要研究的内容。 CAXA电子图板软件简介 CAXA电子图板是我国自主版权的CAD软件系统，它是为满足国内企业界对计算机辅助设计不断增长的需求，由CAXA郑重推出的。CAXA电子图板是在广大CAXA用户的热切关心下精心开发出来的。自CAXA电子图板DOS版软件发布以来，已经有数万正版用户在不断地使用它，利用它来为社会创造价值和财富。这些热心用户在使用软件的同时，不断地提出合理化的改进建议和功能需求，促进系统的不断完善，使其更好地符合我国工程设计人员的使用习惯，也促使CAXA始终跟踪国内外先进技术，尽力体现科技的最新成果，为用户提供更为全面的软件系统。 CAXA电子图板是功能齐全的通用CAD系统。它以交互图形方式，对几何模型进行实时的构造、编辑和修改，并能够存储各类拓扑信息。CAXA电子图板提供形象化的设计手段，帮助设计人员发挥创造性，提高工作效率，缩短新产品的设计周期，把设计人员从繁重的设计绘图工作中解脱出来，并有助于促进产品设计的标准化、系列化、通用化，使得整个设计规范化。 CAXA电子图板已经在机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑及工程建设等领域得到广泛的应用。随着CAXA电子图板的不断完善，它将是设计工作中不可缺少的工具。 CAXA电子图板适合于所有需要二维绘图的场合。利用它可以进行零件图设计、装配图设计、零件图组装装配图、装配图拆画零件图、工艺图表设计、平面包装设计、电气图纸设计等。 CAXA电子图板具有以下特点： （1）自主版权、易学易用 本系统是自主版权的中文计算机辅助设计绘图系统，具有友好的用户界面，灵活方便的操作方式。其设计功能和绘图步骤均是从实用角度出发，功能强劲，操作步骤简炼，易于掌握，是您充分发挥创造性思维的有力工具。 系统在绘图过程中提供多种辅助工具，对您进行全方位的支持和帮助，从而对使用者的要求降至最低。您无需具备精深的计算机知识，经过短暂的学习使用即可独立操作，进入实际设计阶段，从而使您的投资能在最短的时间内获得回报。 （2）智能设计、操作简便 系统提供强大的智能化工程标注方式，包括尺寸标注、坐标标注、文字标注、尺寸公差标注、形位公差标注、粗糙度标注等。标注的过程中处处体现“所见即所得”的智能化思想，您只需选择需要标注的方式，系统自动捕捉您的设计意图，具体标注的所有细节均由系统自动完成。 系统提供强大的智能化图形绘制和编辑功能，包括基本的点、直线、圆虎矩形等以及样条线、等距线、椭圆、公式曲线等的绘制，提供裁剪、变换、拉伸、阵列、过渡、粘贴、文字和尺寸的修改等。绘制和编辑过程“所见即所得”。 系统采用全面的动态拖画设计，支持动态导航、自动捕捉特征点、自动消隐，具备全程u
ndo/redo功能。 （3）体系开放、符合标准 系统全面支持最新国家标准，通过国家机械CAD标准化审查。系统既备有符合国家标准的图框、标题栏等样式供选用，也可制作自己的图框、标题栏。在绘制装配图的零件序号、明细表时，系统自动实现零件序号与明细表联动。明细表还支持Access和Excel数据库接口。 系统为使用过其它CAD系统的用户提供了标准的数据接口，可以有效地继承您以前的工作成果以及与其它系统进行数据交换。 系统支持对象链接与嵌入，您可以在绘制的图形中插入其它Wi
ndows应用程序如Microsoft Word的文档、Microsoft Excel的电子表格等，也可以将绘制的图形嵌入到其它应用程序中。 系统支持Truetype矢量字库和Shx形文件，您可以利用中文平台的汉字输入方法输入汉字，方便地在图纸上输入各种字体的文字。 （4）参量设计、方便实用 系统提供方便高效的参数化图库，您可以方便地调出预先定义好的标准图形或相似图形进行参数化设计，从而极大地减轻了您的绘图负担。对图形的参量化过程既直观又简便，凡标有尺寸的图形均可参量化入库供以后的调用，未标有尺寸的图形则可作为用户自定义图符来使用。 本系统在原有基础上增加了大量国标图库，覆盖了机械设计、电气设计等各个行业。 （5）运行环境 系统要求：wi
ndows98/2000/xp；P3以上；内存256M以上。 推荐配置：wi
ndows2000/xp；2Ghz以上CPU；内存512M以上；NVADIA显卡。 PRO/ENGINEER软件简介 Pro/E是美国参数技术公司（PTC）开发的三维造型设计系统。PTC提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念己成为当今世界机械CAD/CAM/CAE领域的新标准。该软件集零件设计、装配设计、模具设计、钣金设计、运动分析、NC加工等功能于一体，给设计者提供了从未有过的简易、灵活和高效的工具软件。 其核心技术特点如下： （1）基于特征建模：特征是一种集成对象，用于在更高层次上表达产品的功能和形状信息。在Pro/E中，特征是指所有的实体和对象，如孔、筋、圆角、倒角、抽壳等，特征是由参数驱动的。也就是说，Pro/E中的所有模型都是由若干个特征组成的，特征是组成模型的最基本要素。如果改变了与特征相关的各种数据信息，则就直接改变了模型的外观等。 （2）参数化设计：所谓参数化是指特征之间具有一定的关联关系，这种关系可通过一定的参数（既可以是变量，也可以是关系式）来表示。当外部变量发生改变时，受其影响的参数也会自动发生相应变化。这就决定了由这些参数定义的特征以及相关特征模型也要发生相应变化，而不需要一一修改或重新绘制。参数化设计实际上是通过尺寸驱动来实现的。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状。一个模型是由一组具有一定关联关系的尺寸进行定义的。Pro/E中定义的参数包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。 （3）全数据相关性：Pro/E的所有模块都是全相关的，这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括零件模型、装配体、工程图、制造数据等。全相关性鼓励在开发周期的任一时刻进行设计修改，且不会产生任何损失，使并行工程成为可能。 （4）单一集成数据库：与一些传统的CAD/CAM系统所不同的是，Pro/E是建立在单一数据库基础之上。所谓单一数据库，就是工程中所使用的数据信息全部来自一个数据库，整个系统实现全数据相关，从而可使每个独立用户同时开发同一件产品，实现协同工作。 近年来，Pro/E在我国的东莞、深圳、广东以及苏、浙等地区被广泛应用于航空航天、机械、电子、模具、工业设计、家用电器等行业。实践证明，采用Pro/E软件进行产品的设计与开发，可有效地提高产品的性能、质量和合格率，缩短开发周期，提升产品的市场竞争力，并为企业带来可观的经济效益和社会效益，因此，Pro/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。 在本课题中，本人选择了Pro/E三维参数化实体设计软件，完成了导杆减速装置的三维实体造型和虚拟装配。