1.4 论文主要研究内容
本文利用大型软件UGNX5.0的二次开发技术来实现曲柄连杆的三维参数化造型，进行曲柄滑块机构的造型与模拟仿真，介绍如何模拟滑块往复运动，添加工作阻力，分析滑块的位移、速度、加速度等。
1.5 软件介绍
CAD概念是50年代末有麻省理工学院首次明确提出的，60年代研制成功试验CAD系统、70年代CAD开始实用化，从二维的电路设计发展到三维的飞机、造船、汽车等设计。80年代，由于解决了三维几何造型等问题，应用范围不断扩大，大中型系统向微型化发展，出现了应用极广的微机CAD系统和性能优良的工作站CAD系统。90年代后随着CAD技术的发展，其系统性能提高，价格降低，CAD开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计工具。
目前采用CAD进行3D设计已达到了70％～89％，Pro/E、UG、Catia，I-Deas等软件的应用很普通。应用这些软件可完成3D设计，还可以进行转配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。近几年来国内外先进工业国家对CAD/CAM技术的开发非常重视，在其开发上投入了很大的人力和物力。目前国际上流行的三维CAD软件如下：UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM一体化高端软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。
我国在软件和设备方面的发展一直比较缓慢，直到进入21世纪以来，我国的计算机行业有了突飞猛进的发展，正是因为这样，我国的CAD技术才有了进一步发展的空间。在现代制造业舞台上，生产效率、成本、规划管理无不和生产技术相关，因此，CAD技术的开发直接关系到产品的设计、生产、维修等工作的速度和效率，显得尤为重要。在产品的设计和装配阶段，一般采用二维制图和三维造型。尤其是三维造型，以其直观、能直接转化成二维工程图和模拟装配等优势在现代工程设备的设计方面有着绝对的优势。
UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM一体化高端软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。
第二章 机构的结构分析
2.1 概述
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本课程对机械的研究主要有两个方面：一方面是对已有机械的分析问题，包括结构分析，运动分析和动力分析。通过分析，掌握机械的运动特性和动力性能，以便合理有效地使用它们，或对改进设计提供依据；另一方面是新机械的设计问题，即根据运动和动力方面的要求拟定机械的传动方案。包括选用何种形式的机构，机构的组成情况如何，机构各部分的尺寸关系如何，各部分机构之间的运动如何协调配合等，而最基本的要求是实现机械预期的确定的运动。
机构结构分析的主要内容包括：
1）研究机构的组成及其具有确定运动的条件。及了解机构是怎样组成的，机构的结构情况对其运动有何影响，以及机构在什么条件下才能具有确定的运动等。
2）研究机构的组成理论。即研究在要求具有确定运动的前提下组成机构的途径和机构的可能型式。
3）研究机构运动简图的绘制。即研究如何用简单的图形把机构的结构和运动状态表示出来。
2.2 机构的组成 2.2.1 构件
任何机械都是由若干零件组成的。但是，从研究机械运动的观点来看，并不是所有的零件都独立地影响着机械的运动，而往往是由于结构上和工艺上的需要，把几个零件刚性地连结在一起，使他们作为一个整体而运动。这些刚性地联接在一起的各个零件之间，不能产生任何相对运动，也就是说，它们构成了一个运动的单元体。机械中每一个运动单元体就称为一个构件（简称为“杆”）。 从运动的观点分析机械时，构件是组成机械的基本单元体。它可以是由若干个零件刚性地联结在一起组成，也可以是一个独立运动的零件。而零件是从制造的观点来分析机械时。组成机械的每一个单独加工的单元体。
2.2.2 运动副
机械中的所有构件都应具有确定的运动，而不能随意乱动。为了满足这个要求，必须对各构件的运动加以约束。这种约束，是由构件之间的相互联结引入的。 机械中的每一个构件，至少必须与另一个构件相连接，但这种联接不应使它们成为一个运动单元体，而应保证它们之间仍能产生某些相对运动。有两个构建构成的这种仍能产生某些相对运动的联接称为运动副。
两构建构成运动副，不外乎是通过点、线或面得接触来实现。两构件通过点或线接触而构成的运动副称为高副；两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副。两构件上能够参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。
2.2.3 机构
在运动链中，如果以其某一构件作为参考坐标系，而且当其另一构件或少数几个构件按给定的运动规律运动时，其余所有构件都将得到确定的运动，那么，这个运动链便成为一个机构。
机构中作为参考坐标系的构件称为机架。一般情况下，机械安装在地面上，那么机架相对于地面是固定不动的。如果机械是安装在运动的物体（如车、船、飞机等）上，那么机架相对于该运动物体是固定不动的，而相对于地面则是运动的。
机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件，在一般情况下，主动件也常是驱动机构运动的外力所作用的构件，及原动件。而其余的运动构件则称为从动件。在主动件按已知运动规律运动时，从动件都将做完全确定的运动。
通过以上分析可见，机构是由若干构件通过运动副的联接而构成的，而且其构件之间具有完全确定的相对运动。
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根据组成机构的各构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，可以把机构分为平面机构和空间机构两类。在各种实际机械中常用的机构大多数是平面结构。
2.3 运动副的分类 两构件构成运动副后，它们之间的相对运动将受到约束，从而使它们之间只能产生某些相对运动。至于两构件构成运动副后尚能产生哪些相对运动，则于它们所构成的运动副的性质有关，亦即与运动副所引入的约束有关。
一个构件在尚未与其他构件构成运动副之前，在空间可以产生六个独立的运动（即沿X、Y及Z轴的三个移动和绕X、Y及Z轴的三个转动），即具有六个自由度。要确定这个构件在空间的位置，就需要给定六个独立的运动参数。当该构件与其他构件构成运动副后，由于两构件之间互相接触，其某些独立运动将因受到运动副的约束而消失，因此其自由度将减少。而且减少的数目应等于约束的数目。有因两构件构成运动副后，仍需保证能产生一定的相对运动，故运动副引入的约束的数目最多为五个，而剩下的自由度最少为一个。
根据运动副所具有的自由度（或引入的约束）的数目，可把运动副分为五类（或五级）。具有一个自由度（或引入五个约束）的运动副称为1类副（或V级副），如转动副（或称为回转副）、移动副及螺旋副。具有两个自由度的运动副称为2类副（或IV级副），如圆柱副、球销副及平面高副。以此类推，尚有3类副（或III级副），如球面副及平面副；4类副（或II级副），如球与圆柱副；5类副（或I级副），如球与平面副等。
根据构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，也可以把运动副分为平面运动副和空间运动服两大类。上述运动副只有转动副、移动副及平面高副可以作为平面运动副。
2.4 机构的自由度
如前所述，在运动链中，若以某一构件作为机架，而当其另一个（或几个）构件按规定的运动规律运动时，其余各构件都得到确定的运动，则这样的运动链便成为机构。显然，不能运动或无规则乱动的运动链都不是机构。
现在分析运动链成为机构的条件。 机构具有确定运动时，所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为使机构的位置确定，必须给定的独立的广义坐标数目）称为机构的自由度。又如前所示，按照给定运动规律而独立运动的构件称为原（主）动件。而通常机构的主（原）动件都是和机架相连且一般只能给定一个独立的运动参数（例如，电动机的转子只有一个转动而内燃机、液压缸和气压缸的活塞只有一个移动），即只有一个自由度。所以，在此情况下，为了使运动链成为机构，除了需要一作为机架的构件外，显然机构的自由度必须大于零。且应使其主（原）动件的数目等于其自由度的数目。这就是运动件成为机构的必要条件。
下面讨论机构自由度的计算方法。如前所述，一个构件在尚未与其他构件构成运动副之前，他在空间具有6个自由度。设某一机构共有n个运动构件（因为以机架作为参考系坐标，所以机架不计算在内），那么，在这些构件未通过运动副连接起来之前，它们应共有6n个自由度，既能产生6n个独立运动，也即确定它们的位置需给定6n个独立的运动参数。但是，在机构中，每一构件必须与其他构件相连接而构成运动副，而当两构件构成运动副以后，它们的运动就受到约束，因此它们的自由度也随之减少，至于自由度减少的数目，则因运动副的性质不同而不同，并且应等于运动副引入的约束的数目。现设该机构中共有p1个I级副，p2个II级副，P3个III级副，p4个IV级副和p5个V级副，则各运动副引入的约束总数（亦即各构件构成运动副后机构自由度减少的数目）应为
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（p1+2p2+3p3+4p4+5p5）,于是，该机构实际剩下的自由度（设以ω表示）应为
ω=6n-5p5-4p4-3p3-2p2-p1
这就是一般空间机构的自由度的计算公式。
2.5 机构运动分析的目的和方法 在使用和设计机械时，往往需要进行机构的运动分析。所谓机构的运动分析，一般是撇开力的作用，只从几何上来分析机构的位移（包括轨迹）、速度、加速度等运动情况。在分析中，一般均假定主动件作等速运动。
通过位移（包括轨迹）的分析，可以确定某些构件运动所需的空间或判断他们运动时是否相互碰撞，可以确定机构中从动件运动的行程，可以考擦某构件或其上某点能否实现预定的位置变化要求。
通过速度分析，可以确定机构中从动件的速度变化是否合乎工作要求。例如牛头刨床中，刨刀在工作行程中的速度，若接近等速，就对加工质量和道具有利，而刨刀空回的快，又有利于提高生产效率。当然，速度分析还对进一步做机构的加速度数据。再告诉机械中，动强度问题、振动问题以及机械的动力性能，都与惯性力有关。因此，对告诉机械，加速度分析不应忽略。
应用电子计算机进行机构的优化设计时，也要引进一些有关机构运动分析的子程序，让计算机对各种机构方案，从运动上进行分析比较，从中选优。
第三章 曲柄滑块参数化设计及其运动学仿真
3．曲柄滑块机构运动仿真 3.1 工作原理
曲柄滑块机构简图如图4.1所示。该机构为对心曲柄滑块机构，曲柄AB顺时针旋转，经过连杆BC带动滑块在机架AC上往复移动，如果曲柄沿图示转动方向以1转动，则在滑块移动的反方向添加工作阻力P。
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图3.1
3.2零件造型 3.2.1．机架
绘制机架草图，尺寸如图4.2所示，退出草图，拉伸，厚度为7mm，在棱边倾斜角C0.5。然后添加草图（图4.3）,拉伸贯穿切除，得到机架，如图4.4所示。
图 3.2
图 3.3
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