蒋伟

成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）

论文题目：数字四路抢答器

教学点：重庆科创职业学院

指导老师：候坐江职称：讲师

学生姓名：蒋伟学号: 2008095789

专业：工业电气自动化

成都电子机械高等专科学校成教院制

2011年 01 月 13 日

成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书

题目：数字四路抢答器

任务与要求：

此处要填写

时间： 2010 年 11月 10日至 2011年01月 10 日共 9周

教学点：重庆科创职业学院

学生姓名：蒋伟学号：2008095789

专业：工业电气自动化

指导单位或教研室：

指导教师：侯坐江职称：讲师

成都电子机械高等专科学校成教院制

毕业设计(论文)进度计划表

日期工作内容执行情况指导

教师

4月15日

至4月20

日

准备良好侯坐江11月10

日至11

月16

确定论文题目良好侯坐江11月17

日至11

月23

搜集资料良好侯坐江11月23

日至12

月3

确定论文的整体结构良好侯坐江12月4日

至12月

12日

论文初稿良好侯坐江12月13

日至12

月21日

修改论文，完成二稿良好侯坐江12月22

日至1月

3日

完成终稿良好侯坐江

教师对进度计划实施情况总评……

签名

年月

日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

数字抢答器由抢答电路, 抢答器很广泛的用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程上丰富了人们的业余生活。本文介绍一种数字式抢答器，能使四个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为A号、B号、C号、D号参赛台.抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并定时电路,报警电路,时序电路组成。优先编码电路,锁存器,译码电路将参赛选手的输入信号在显示器上输，通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,用控制电路和报警电路实现报警功能。以上几部分组成主体电路，从而构成数字抢答器。

关键词：抢答电路、定时电路、报警电路

Answer a wide range of devices for television stations, businesses and school, for the contest added a provocative, entertaining, to some extent, the rich people's spare time. This paper presents a digital Answer, and can participate Answer four teams at the same time, in court with a magistrate of Taiwan, Taiwan's four entries, namely, A, B number, C No., D No. entries Taiwan. Answer operation convenient, in many places are available, and it gives very good visual effects.

Answer by Answer browser digital circuits, timing circuits, alarm circuits, timing circuit. Priority encoder circuit, latch, decoder circuit will be participants in the display of the input signal is lost, through the timing circuit and decoding circuit to generate pulse signal in the display output timing function, with control circuitry and alarm circuit alarm function. Above the main circuit composed of several parts, which pose a number of Answer devices.

Keyword: Answer circuits、timing circuits、alarm circuit

摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (3)

第一章概述 (1)

第二章抢答器设计原理 (2)

第一节方案论证 (2)

第二节抢答器的设计任务与要求 (2)

第三节抢答器的组成 (3)

第四节抢答器的设计原理分析 (4)

一、数字抢答器设计整体电路图 (4)

二、数字抢答器设计原理: (5)

第三章单元设计电路 (7)

第一节抢答器电路 (7)

第二节计时电路 (8)

第三节报警电路 (10)

一、电路实现功能: (10)

二、原理分析: (11)

结语 (12)

谢辞 (13)

第一章概述

用户单位举办知识竞赛的需求一般会通过小组必答题、个人必答题、抢答题、风险题、限时快速答题、现场观众题、附加题等多种题型来举办知识竞赛，其中抢答题是各企事业单位举行知识竞赛的必备题型，也是最重要的题型，其抢答过程也是竞赛的最重要过程。为了体现竞赛的公平公正，市场上出现了通过仪器来辅助监控、协助完成知识竞赛的抢答题环节，后来人们就习惯称这种设备为抢答器。

它广泛用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。但市面上所售抢答器价格一般较贵且多为小规模集成电路构成,其性能单一，工作起来不够理想。因此，提高抢答器的性能，使其具有更强的功能,使用可靠方便已为抢答器发展的一个方向。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机作为其中一个分支亦于20 世纪80 年代以来获得了飞速发展，各种新品不断涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性也大大增强。使得抢答器具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

实现抢答器功能的方式有多种，传统的抢答器一般采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路，功能单一。近年来随着科技的飞速发展，单片机、CPLD、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。于是出现了电子抢答器和电脑抢答器之分。

电子抢答器是一个硬件设备，也就是采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路实现的。这种传统的仪器设备，主要包括抢答器、抢答按扭、组别显示屏、计时显示屏、记分控制仪、记分显示屏等设备。其一般具有抢答、试题计时（含必答题、见风险题等其他非抢答题型）、各组各选手记分等功能。功能实现比较单一，而且使用电子抢答器进行抢答的违例判断，还是靠主持人进行操作，有很大的人为因素。电脑抢答器是是由抢答主机、抢答按钮和一套知识竞赛软件组成的且需要借助电脑、投影机等多媒体设备辅助完成的更先进的知识竞赛成套设备。它的核心是软件程序，这个程序可以有无限的变化，实现用户的各种竞赛要求，硬件设备对它来说只是一个附属。其功能包括抢答功能、试题计时功能（包含必答题、风险题等其他非抢答题型）、各组各选手记分功能外，还增加如自动出题系统、自动记分排名系统、现场企业宣传、领导讲话等多个环节。它有比较完善的知识竞赛计分计时抢答系统，运用互动式多媒体技术，通过投影仪大屏幕或电视在现场播放，给观众强烈的视听感受，凝聚竞赛现场气氛。可以显示参赛队、显示题目、显示排行榜、显示竞赛单位的各种图文资料，尤其如果用户有图片题和视频音频题。电脑抢答器提供了三种抢答方式判断，利用电脑控制，进行违例判别。杜绝了人为因素的干扰，消除了抢答争议，充分体现了公正公平原则。

第二章抢答器设计原理

第一节方案论证

方案一:本方案由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和报警电路实现报警功能，通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成计时电路。可以实现电路的优先级别和自动记时和报警功能。且电路简单成本低，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，稍加扩展就能达到实用化。

方案二:本方案由普通的编码和译码电路组成,可以实现多路抢答时.实现某

一路的是最先优先级。采用高亮发光二极管来实现指示功能.不具备数码显示功能。

方案三：该系统采用MCS-51系列单片机A T89S51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。

方案论证：方案一有以下几点优势：(1)具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。(2)具有定时功能，在60秒内无人抢答表示所有参赛选手参赛队对本题弃权。(3)60秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽禁止抢答。且中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。

方案二不具备方案一上面所阐述的各种优势.而且采用的是比较原始的电路和实施方法,不能突出电子专业的特色。

方案三中由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。但是用单片机控制的抢答器性能不稳定。

综合以上分析，故采用方案一来进行电路设计。

第二节抢答器的设计任务与要求

1．抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮A、B、C、D表示。

2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3. 抢答器具有锁存与显示功能。即当选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

4. 抢答器具有定时抢答功能。当主持人启动“开始”键后，定时器进行计时.

5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，并保持

主持人将系统清除为止。

6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时抢答器上显示00。

第三节抢答器的组成

抢答器主要由抢答开关、优先编码电路、锁存电路、抢答号码显示译码电路、控制开关、时序控制电路、警报电路、定时电路、时间显示译码电路组成。其构成框图如图:

图1-1抢答器组成框图

（1）抢答开关──由四个开关组成，四名参赛选手各控制一个，拨动开关使相应的控制端的信号为高电平或低电平。

（2）优先编码电路──立即分辨出抢答选手的编号，并进行编码。

（3）锁存电路──锁存抢答选手的编号，并封锁其他开关的信号，保证抢答有效。

（4）抢答号码显示译码电路──将抢答者的编号用数码管给显示出来，以

便更直观看到结果。

（5）控制开关──比赛开始之前供主持人使用，它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误操作和抢答过程的不公平。

（6）时序控制电路──是抢答器的核心，当有选手抢答时，时序控制电路将抢答信号传递给优先编码电路和锁存电路。

（7）警报电路──如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答。

（8）定时电路──对抢答者回答问题时间进行控制的电路，规定60秒，超过60秒则抢答无效。

（9）时间显示译码电路──将定时时间用数码管给显示出来，如60秒则显示装置是一个二位数字显示的计数系统。

第四节抢答器的设计原理分析

一、数字抢答器设计整体电路图

图1-2数字抢答器设计整体电路图

二、数字抢答器设计原理:

由图（1-2）原理图可知其工作原理为：接通电源后，主持人宣布"开始"同时按下按键开关S 抢答器工作。74LS175的1Q 、Q 2、Q 3、Q 4输出高电平,可逆加减计数器74LS192的CLR 端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计

数,记时器计时、指示灯不亮。选手在60秒内抢答，当有人抢答时，74LS192的非输出端为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了锁定选手编号的功能目标，同时指示灯X1亮，指示灯亮禁止二次抢答。如果在60秒内无人抢答，计数器74LS192的OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门U11A输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效，指示灯X1亮。当主持人再次按下S后74LS175 CLK端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效，实现清零功能；经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管的显示为0。40秒提示：计时器到40时，发光指示灯会闪烁一下，扬声器会发出一次声音，这是因为信号延迟造成的：计时器到40前，计数器的十位显示3，此时输入与非门U9A的信号为01，当计数器到40时，输入与非门U9A的信号为10，因为信号的延迟使输入与非门U9A的信号为11，与非门U9A的输出信号为低电平0，这个低电平0与U1A输出的低电平0经过与非门U6A，与非门U6A输出就为高电平1，从而使指示灯X1发光，扬声器发

出声音。

第三章单元设计电路

第一节抢答器电路

该电路完成两个功能：一是分辨出各选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；同时禁止其他选手抢答，抢答无效。其电路图如图:

图1-3抢答器电路图

其工作原理： 电路接通后，按下清零键S 后74LS175 CLK 端输入为低电平，由于CLR 是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能，数码管上显示为0。

再次按下复位按键S ，1Q 、Q 2、Q 3、Q 4输出高电平。电路进入准备状态。这时，假设有按键A 被按下，4D 的输出4Q 将由低变成高电平，使4Q 输输出为高电平经过或门U3A 驱动数码管使数码管上显示为1（选手A 的编号），同时使Q 4(4Q 非)输出为低电平经过与门U4A 输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A 形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK 的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK 输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下除了复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了既定的功能目标。假设有按键B 被按下，3D 的输出3Q 将由低变成高电平，使3Q 输输出为高电平经过或门U1A 驱动数码管使数码管上显示为2（选手B 的编号），同时使Q 3(3Q 非)输出为低电平经过与门U4A 输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A 形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK 的输入脉冲。达到锁存编号2的目的。假设有按键C 被按下，2D 的输出2Q 将由低变成高电平，使2Q 输输出为高电平经过或门U1A 驱动数码管使数码管上显示3（选手C 的编号），同时使Q 2(2Q 非)输出为低电平经过与门U4A 输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A 形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK 的输入脉冲。达到锁存编号3的目的。假设有按键D 被按下，1D 的输出1Q 将由低变成高电平，使1Q 输输出为高电平驱动数码管使数码管上显示4（选手D 的编号），同时使Q 1(1Q 非)输出为低电平经过与门U4A 输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A 形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK 的输入脉冲。达到锁存编号4的目的。

第二节 计时电路

该电路完成两个功能：一是进行计时，二是设定计时时间为60秒（脉冲信号的频率为1Hz ）。

其电路图如图：

图1-4计时电路图

其工作原理：当主持人按下清零按钮S时，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管上显示为0。

当LOAD置1时，时钟脉冲由UP端接入，且DOWN输入高电平时74LS192处于加法计数状态。再次按下复位开关S是，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计数，频率为1秒。CO是进位端与另一个74LS192的时钟脉冲UP端相连，当计数到十时给另一个74LS192的时钟脉冲UP端一个进位脉冲，进行十位上的计数。当十位上的计数达到6即输出端为0110时（规定时间内无人抢答），OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门U11A 输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效。当有人抢答时.

第三节报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振,报警电路图：

图1-5 报警电路图

一、电路实现功能:

此抢答电路模块是由单稳态触发电路来实现报警电路的控制信号,用555定时器构成多谐振荡器,再用一个三极管(3DG12)组成一个放大电路，以此来驱动喇叭工作。先做整点报时电路,只要定时信号到来, 555单稳态电路触发,555多谐振荡电路产生振荡信号输入3DG12基极,在发射极得到的放大信号推动喇叭工作；其他的时间控制报警电路处于稳态,不会报警。

二、原理分析:

接通电源Vcc 后，电容C2通过R1,R2进行充电，当电容电压大于等于

32的电源电压时，555定时器组成的多谐振荡器电路进入一个暂稳态。随着

电容C2的放电，电容两端的电压随之下降。当电容电压下降到小于等于3

1的时候电路又返回到前一个暂稳态。因此，电容C2上的电压将在32和31的

电源电压之间来回充电和放电，从而时电路产生了震荡，输出矩形脉冲信号。该脉冲信号经过1千欧的限流电阻（防止电流过大损坏喇叭）通过三极管放大推动扬声器发出声响。R5为发射极电阻，C1是发射极电阻旁路电容器，提供交流信号的通道，减小信号放大过程中的损耗，使交流信号不因R4存

在而降低放大功能。

结语

本文主要论述了应用数字电子逻辑原理等来实现优先抢答锁存，显示抢答选手号码，抢答计时，抢答报警，计时器到40时会有提示等功能的。

由于各方面条件的限制，只能通过翻阅大量图书和资料来完成论文和充实自己的知识面，所以本文的设计不是很成熟，还有很多的不足之处。本文对数字电子逻辑原理之做了简单的论述，对其原理其技术应用上远远不够。然而数字逻辑原理在数字技术领域上是非常重要的，所以对此技术还需深入研究。

数字技术是当前发展最快的学科之一，相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展。所以，还需要我们不断的学习和探索。

由于自己水平有限，本文的论述不够全面，存在着很多的问题，但时间有限不能逐一探讨。在今后的学习中，我会抓住每一个与这些问题有关的学习机会，继续深入的研究探讨，拓展自己的视野。

谢辞

经过近半年的努力,在老师和同学的帮助下,我基本上完成了设计任务。通过这次课程设计, 使我认识到了自学的重要性、以及学以致用的道理，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。另外，我更明白了无论做什么事都应该脚踏实地、一步一个脚印地去做。不要一味地去追求结果，应该注重在整个过程中的学习。由于能力和时间上的问题，我的论文存在着很多的不足之处，在以后的时间里我会更深入的去学习和探索。本次论文的顺利完成，我最要感谢的是我的指导老师——侯老师，从刚开始的选题到论文的完成，他给了我很大的帮助，在此我要向候老师诚恳的说一声谢

谢您！

参考

1．邓木生，电子技能训练[M]，机械工业出版社，2006年版；

2．任为民，电子技术基础课程设计[M]，中央广播电视大学出版社，2006年版；

3．任为民，数字电子电路学习和实验指导[M]，机械工业出版社，2006年版；

4．杨志中，数字电子技术[M]，高等教育出版社，2003年版；

5．王有春，电脑电子报抢答器专刊[J]，四川: 科学技术出版社，2002年版；

6．张志锐，数字电路设计与实用电路[M]，广州：华南理工大学出版社，1989年版；

7．朱承高，数字电子技术手册[M]，北京：高等教育出版社，1990年版；

8．王新贤，集成电路速查手册[M]，湖南，国防科技大学出版社，1999年版；

9．谢自美，电子线路设计、实验、测试[M]，华中理工出版社，2000年版；

10．刘征宇，韦立华，最新74系列IC特性手册[M]，福建科学技术出版，2002年版；

研究生《机械系统动力学》试卷及答案

太原理工大学研究生试题 姓名： 学号： 专业班级： 机械工程2014级 课程名称: 《机械系统动力学》 考试时间: 120分钟 考试日期: 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 总分 分数 1 圆柱型仪表悬浮在液体中，如图1所示。仪表质量为m ，液体的比重为ρ，液体的粘性阻尼系数为r ，试导出仪表在液体中竖直方向自由振动方程式，并求固有频率。（10分） 2 系统如图2所示，试计算系统微幅摆动的固有频率，假定OA 是均质刚性杆，质量为m 。（10分） 3 图3所示的悬臂梁，单位长度质量为ρ，试用雷利法计算横向振动的周期。假定梁的 变形曲线为?? ? ?? -=x L y y M 2cos 1π（y M 为自由端的挠度）。（10分） 4 如图4所示的系统，试推导质量m 微幅振动的方程式并求解θ(t)。（10分） 5 一简支梁如图5所示，在跨中央有重量W 为4900N 电机，在W 的作用下，梁的静挠度δst=，粘性阻尼使自由振动10周后振幅减小为初始值的一半，电机n=600rpm 时，转子不平衡质量产生的离心惯性力Q=1960N ，梁的分布质量略去不计，试求系统稳态受迫振动的振幅。（15分） 6 如图6所示的扭转摆，弹簧杆的刚度系数为K ，圆盘的转动惯量为J ，试求系统的固有频率。(15分) 7如图7一提升机，通过刚度系数m N K /1057823?=的钢丝绳和天轮（定滑轮）提升货载。货载重量N W 147000=，以s m v /025.0=的速度等速下降。求提升机突然制动时的钢丝绳最大张力。(15分) 8某振动系统如图8所示，试用拉个朗日法写出动能、势能和能量散失函数。(15分) 太原理工大学研究生试题纸

机械运动仿真和有限元分析技术

机械运动仿真和有限元分析技术 （浙江大学城市学院机电0905） 【摘要】本文主要对机械运动仿真和有限元分析技术概念、机械运动仿真和有限元分析软件使用过程有所了解，以及对PROE机械运动仿真和有限元分析使用案例进行分析 【关键词】机械运动仿真有限元分析 PROE案例 一、引言 目前，许多国内外的大型辅助设计软件，都包含了机械装配和运动学仿真的功能模块，例如PTC的Pro／Engineer，SDRC的1一DEAS，MATRA的EUCl ID软件及DES的UG等。机械产品的运动分析和仿真已经成为计算机辅助工程(CAE) 中不可缺少的重要环节，同时也成为机械设计的必经过程。进行机械产品设计时，通常要进行机构的运动分析，以此来验证机构设计的合理性和可行性。机构运动仿真技术就是通过对机构添加运动副、驱动器，使其运动起来，以实现机构的运动模拟。此外，运用机构中的后处理功能可以查看当前机构的运动，并且可以对机构进行运动速度、轨迹、位移、运动干涉情况的分析，为研究机构模型提供方便。在机械系统计算机辅助工程即MCAE领域内，根据数值分析求解机理和求解问题范围不同，常用的CAE技术有：有限元分析（FEA）技术；（固体力学范畴）计算流体动力学（CFD）分析技术；（流体力学范畴）刚体动力学分析（RBA）技术。 二、机械运动仿真和有限元分析技术概念

机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础山的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。机械运动仿真的过程如图： 通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。 机械系统的运动仿真可以采用VB、OpenGL、3D max、VC等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solid Edge等）实现，而且，随着计算机软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效的方法，也是机械运动仿真发展趋势。 有限元分析技术，即CAE（Computer Aided Engineering），即计算机辅助工程。它是计算机仿真技术的一大分支，是通过计算机程序建立仿真数学物理模型，并对其进行求解的技术。CAE的覆盖范围很广，比如将教科书上的一个公式通过计算机编程后进行重复计算的简单过程，就属于CAE的范畴。在这里，我们通常所说的CAE是指工业级的CAE，即通过一系列的工具和求解器对工程结构进行数值仿真的技术。 CAE出现和发展的三大条件：数值分析方法；计算机仿真分析软件，计算机 机械运动仿真步骤示意图

工业机器人静力及动力学分析

注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。

二自由度机械臂动力学分析培训资料

二自由度机械臂动力 学分析

平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日 (Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。

《机械动力学》 期末复习题及答案

《机械动力学》期末复习题及答案1、判断 1.机构平衡问题在本质上是一种以动态静力分析为基础的动力学综合，或动力学设计。 答案:正确 2.优化平衡就是采用优化的方法获得一个绝对最佳解。 答案:错误 3.惯性力的计算是建立在主动构件作理想运动的假定的基础上的。 答案:正确 4.等效质量和等效转动惯量与机械驱动构件的真实速度无关。 答案:正确 5.作用于等效构件上的等效力（或等效力矩）所作的功等于作用于系统上的外力所作的功。答案:错误 6.两点动代换后的系统与原有系统在静力学上是完全等效的。 答案:错误 7.对于不存在多余约束和多个自由度的机构，动态静力分析是一个静定问题。 答案:错误 8.摆动力的完全平衡常常会导致机械结构的简单化。 答案:错误 9.机构摆动力完全平衡的条件是：机构运动时，其总质心作变速直线运动。 答案:错误 10.等效质量和等效转动惯量与质量有关。 答案:错误 11.平衡是在运动设计完成之前的一种动力学设计。 答案:错误 12.在动力分析中主要涉及的力是驱动力和生产阻力。 答案:正确 13.当取直线运动的构件作为等效构件时，作用于系统上的全部外力折算到该构件上得到等效力。 答案:正确 14.摆动力的平衡一定会导致机械结构的复杂化。 答案:错误 15.机器人操作机是一个多自由度的闭环的空间机构。 答案:错误 16.质量代换是将构件的质量用若干集中质量来代换，使这些代换质量与原有质量在运动学上等效 答案:正确 17.弹性动力分析考虑构件的弹性变形。 答案:正确 18.机构摆动力矩完全平衡的条件为机构的质量矩为常数。 答案:错误 19.拉格朗日方程是研究约束系统静力动力学问题的一个普遍的方法。 答案:正确

二自由度机械臂动力学分析

平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日(Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。

运动学、静力学、动力学概念

运动学、静力学、动力学概念 运动学运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。 用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系，因此，单纯从运动学的观点看，对任何运动的描述都是相对的。这里，运动的相对性是指经典力学范畴内的，即在不同的参照系中时间和空间的量度相同，和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时，时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动，即物体位置的改变；所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质（如质量等）和加在物体上的力。 运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体（弹性体、流体等）的运动。 在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。 运动学为动力学、机械原理（机械学）提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。 运动学的发展历史 运动学在发展的初期，从属于动力学，随着动力学而发展。古代，人们通过对地面物体和天体运动的观察，逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动，已有了速度的概念。 伽利略发现了等加速直线运动中，距离与时间二次方成正比的规律，建立了加速度的概念。在对弹射体运动的研究中，他得出抛物线轨迹，并建立了运动（或速度）合成的平行四边形法则，伽利略为点的运动学奠定了基础。在此基础上，惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中，各自独立地提出了离心力的概念，从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。

机械系统动力学作业---平面二自由度机械臂运动学分析

机械系统动力学作业---平面二自由度机械臂运动学分 析 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

平面二自由度机械臂动力学分析 [摘要] 机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。本文采用拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过研究得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 [关键字] 平面二自由度机械臂动力学拉格朗日方程 一、介绍 机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解的过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 机器人动力学问题有两类： (1) 给出已知的轨迹点上的，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩向量Q r。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 (2) 已知关节驱动力矩，求机器人系统相应的各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩向量τ，求机器人所产生的运动。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 二、二自由度机器臂动力学方程的推导过程 机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： (1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量θr ，r=1, 2,…, n。 (2) 选定相应关节上的广义力F r：当θr是位移变量时，F r为力；当θr是角度变量时， F r为力矩。 (3) 求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 (4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。

机械运动和动力学中英文对照外文翻译文献

(文档含英文原文和中文翻译) 中英文对照翻译 英文资料 Kinematics and dynamics of machinery One princple aim of kinemarics is to creat the designed motions of the subject mechanical parts and then mathematically compute the positions, velocities ,and accelerations ,which those motions will creat on the parts. Since ,for most earthbound mechanical systems ,the mass remains essentially constant with time,defining the accelerations as a function of time then also defines the dynamic forces as a function of time. Stress,in turn, will be a function of both applied

and inerials forces . since engineering design is charged with creating systems which will not fail during their expected service life,the goal is to keep stresses within acceptable limits for the materials chosen and the environmental conditions encountered. This obvisely requies that all system forces be defined and kept within desired limits. In mechinery , the largest forces encountered are often those due to the dynamics of the machine itself. These dynamic forces are proportional to acceletation, which brings us back to kinematics ,the foundation of mechanical design. Very basic and early decisions in the design process invovling kinematics wii prove troublesome and perform badly. Any mechanical system can be classified according to the number of degree of freedom which it possesses.the systems DOF is equal to the number of independent parameters which are needed to uniquely define its posion in space at any instant of time. A rigid body free to move within a reference frame will ,in the general case, have complex motoin, which is simultaneous combination of rotation and translation. In three-dimensional space , there may be rotation about any axis and also simultaneous translation which can be resoled into componention along three axes, in a plane ,or two-dimentional space ,complex motion becomes a combination of simultaneous along two axes in the plane. For simplicity ,we will limit our present discusstions to the case of planar motion: Pure rotation the body pessesses one point (center of rotation)which has no motion with respect to the stationary frame of reference. All other points on the body describe arcs about that center. A reference line drawn on the body through the center changes only its angulai orientation. Pure translation all points on the body describe parallel paths. A reference line drawn on the body changes its linear posion but does not change its angular oriention. Complex motion a simulaneous combination of rotion and translationm . any reference line drawn on the body will change both its linear pisition and its angular orientation. Points on the body will travel non-parallel paths ,and there will be , at every instant , a center of rotation , which will continuously change location. Linkages are the bacis building blocks of all mechanisms. All common forms of mechanisms (cams , gears ,belts , chains ) are in fact variations of linkages. Linkages are made up of links and kinematic pairs. A link is an (assumed)rigid body which possesses at least two or more links (at their nodes), which connection allows some motion, or potential motion,between the connected links. The term lower pair is used to describe jionts with surface contact , as with a pin surrounded by a hole. The term higher pair is used to describe jionts with point or line contact ,but if there is any clerance between pin and hole (as there must be for motion ),so-called surface contact in the

第4章ADAMS软件算法基本理论-(陈立平)机械系统动力学分析及ADAMS应用

第4章ADAMS软件基本算法 本章主要介绍ADAMS软件的基本算法，包括ADAMS建模中的一些基本概念、运动学分析算法、动力学分析算法、静力学分析及线性化分析算法以及ADAMS软件积分器介绍。通过本章的学习可以对ADAMS软件的基本算法有较深入的了解，为今后合理选择积分器进行仿真分析提供理论基础，为更好地使用ADAMS打下良好的理论基础。 4.1 ADAMS建模基础 ADAMS利用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出――最大数量坐标的微分－代数方程（DAE）。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日第一类方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程。 4.1.1 参考标架 在计算系统中构件的速度和加速度时，需要指定参考标架，作为该构件速度和加速度的参考坐标系。在机械系统的运动分析过程中，有两种类型的参考标架——地面参考标架和构件参考标架。地面参考标架是一个惯性参考系，它固定在一个“绝对静止”的空间中。通过地面参考标架建立机械系统的“绝对静止”参考体系，属于地面标架上的任何一点的速度和加速度均为零。对于大多数问题，可以将地球近似为惯性参考标架，虽然地球是绕着太阳旋转而且地球还有自转。对于每一个刚性体都有一个与之固定的参考标架，称为构件参考标架，刚性体上的各点相对于该构件参考标架是静止的。 4.1.2 坐标系的选择 机械系统的坐标系广泛采用直角坐标系，常用的笛卡尔坐标系就是一个采用右手规则的直角坐标系。运动学和动力学的所有矢量均可以用沿3个单位坐标矢量的分量来表示。坐标系可以固定在一个参考标架上，也可以相对于参考框架而运动。合理地设置坐标系可以简化机械系统的运动分析。在机械系统运动分析过程中，经常使用3种坐标系：（1）地面坐标系（Ground Coordinate System）。地面坐标系又称为静坐标系，是固定在地面标架上的坐标系。ADAMS中，所有构件的位置、方向和速度都用地面坐标系表示。 （2）局部构件参考坐标系（Local Part Reference Frame，LPRF）。这个坐标系固定在构件上并随构件运动。每个构件都有一个局部构件参考坐标系，可以通过确定局部构件参考坐标系在地面坐标系的位置和方向，来确定一个构件的位置和方向。在ADAMS中，局部构件参考坐标系缺省与地面坐标系重合。 （3）标架坐标系（Marker System）。标架坐标系又称为标架，是为了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系，有两种类型的标架坐标系：固定标架和浮动标架。固定标架

第3章 工业机器人静力计算及动力学分析

第3章工业机器人静力计算及动力学分析 章节题目：第3章工业机器人静力计算及动力学分析 [教学内容] 3.1 工业机器人速度雅可比与速度分析 3.2 工业机器人力雅可比与静力计算 3.3 工业机器人动力学分析 [教学安排] 第3章安排6学时，其中介绍工业机器人速度雅可比45分钟，工业机器人速度分析45分钟，操作臂中的静力30分钟，机器人力雅可比30分钟，机器人静力计算的两类问题10分钟，拉格朗日方程20分钟，二自由度平面关节机器人动力学方程60分钟，关节空间和操作空间动力学30分钟。 通过多媒体课件结合板书的方式，采用课堂讲授和课堂讨论相结合的方法，首先讨论与机器人速度和静力有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。 [知识点及其基本要求] 1、工业机器人速度雅可比（掌握） 2、速度分析（掌握） 3、操作臂中的静力（掌握） 4、机器人力雅可比（掌握） 5、机器人静力计算的两类问题（了解） 6、拉格朗日方程（熟悉） 7、二自由度平面关节机器人动力学方程（理解） 8、关节空间和操作空间动力学（了解） [重点和难点] 重点：1、速度雅可比及速度分析 2、力雅可比

3、拉格朗日方程 4、二自由度平面关节机器人动力学方程 难点：1、关节空间和操作空间动力学 [教学法设计] 引入新课： 至今我们对工业机器人运动学方程还只局限于静态位置问题的讨论，还没有涉及力、速度、加速度等。机器人是一个多刚体系统，像刚体静力学平衡一样，整个机器人系统在外载荷和关节驱动力矩（驱动力）作用下将取得静力平衡；也像刚体在外力作用下发生运动变化一样，整个机器人系统在关节驱动力矩（驱动力）作用下将发生运动变化。 新课讲解： 第一次课 第三章工业机器人静力计算及动力学分析 3-1 工业机器人速度雅可比与速度分析 一、工业机器人速度雅可比 假设有六个函数，每个函数有六个变量，即：，可写成 Y=F(X，将其微分，得：，也可简写成 。该式中（6×6）矩阵叫做雅可比矩阵。 在工业机器人速度分析和以后的静力分析中都将遇到类似的矩阵，称之为机器人雅可比矩阵，或简称雅可比矩阵。 二自由度平面关节机器人，端点位置x，y与关节θ1、θ2的关系为：

机械系统的动力学分析

第二章机械系统的动力学分析 机械系统动力学分析方法概述 对于含有多种结合部的大型复杂机械系统，多采用动态子结构方法建立其理论动力学模型，并对其进行动力分析、模型仿真、结构修改及动态优化，以达到预期目标函数的要求。 需要说明的是，随着现代高速、大容量电子计算机及软件的发展，可直接用有限元法建立大型复杂机械系统的理论模型，即首先建立其三维图形，再利用有限元软件的前处理功能直接划分出机械系统的有限元闷格图，而毋需采用子结构方法。但动态子结构方法仍有其自身的优越性，尤其在进行结构动力分析和结构动力学修改时是卓有成效的。 2.1动态子结构方法 一、动态子结构方法的思想 当机械结构十分复杂，特别是含有多个动力学参数难以确定的结合部时，宜采用动态子结构方法。即把一个复杂的完整结构人为地分解为若干个比较简单的小结构——子结构，对每个子结构建模并进行动力分析，得到其动力特性及各种数据资料，再根据各子结构间的连接条件，将各子结构的动力特性综合起来，得到整体结构的动力学模型，进而可对整体结构进行动力分析、计算机仿真、结构动力修改及动态优化设计。 二、动态子结构方法的产生与发展 高效、高性能、自动化机械产品的问世，更要求机械设计者既要尽量减小结构尺寸、降低重量，又要保证机械产品具有良好的工作精度和可靠性。因此．必须对机械产品的动态性能作定量分析，以便对机械产品的振动、噪声等进行严格限制。所以，寻求机械结构动态特性精确可行的分析方法，已成为亟待解决的重大课题。 比较成熟的动态子结构综合方法主要有两类：机械阻抗法和模态综合法。 三、动态子结构法的基本步骤 动态子结构方法的基本步骤如下： 1)将整体结构划分为若干个子结构。若子结构联接界面上的自由度完全固定，则为固定界面法；若子结构联接界面上的自由度完全自由，则为自由界面法。 2)采用子结构的各种建模或参数识别方法，建立各子结构的功力学模型。 3)求解各子结构的动力学模型，得其动力特性。当采用模态综合法对子结构进行综合时，则可利用坐标变换，将子结构在物理坐标下的运动方程变换到模态坐标下，得到没有耦合的模态坐标下的运动方程，通过分析计算或试验，提取各子结构的低阶模态参数，即频率、振型、响应、模态刚度和模态质量等。 4)利用子结构联接界面上各对接点的联接条件(协调方程和平衡方程)，将所有子结构的模态坐标变换到整体结构的耦联广义坐标，再利用坐标变换，得到解耦的整体结构的数学模型。 5)求解整体结构的数学模型，得其动力特性，其各点的动力响应可表示为各阶模态响应的叠加。在一定条件下模态参数可经坐标逆变换转回到物理坐标下，从而得到物理坐标下的相应参数。 6)若分析的机械结构已有实物，可利用对实物的试验测试结果，修改整机动力学模型，再根据整机结构动力特性的设计目标函数，对整机结构进行优化；若无实物，可根据目标函数，直接对动力学模型进行修改与优化。 建立各子结构动力学模型的理论方法主要有三种：集中参数法、分布参数法和有限元法。其中以有限元法对实际结构的模拟精度最高，应用最广。用有限元法建立于结构的动力学模型，一般可满足工程应用的精度要求。

机械动力学

对机械动力学实例的感悟 摘要在实际设计中会遇到很多问题，所以需要一些解决办法，然而机械动力学针对这些问题提出了解决方法和方案，使设计者能够针对具体的问题，找出合适的解决方案，从而解决实际问题。设计和制造高效率、高速度、高精度、高自动化及高可靠性的机器和设备是机械工业的重要任务之一，而这类机械产品的关键技术之一经常是动力学问题。因此研究和解决机械系统的动态分析和动态设计，是从事机械工程研究和设计人员面临的迫切任务。另一方面，大量的设计和生产实践，尤其是电子计算机的发展和广泛采用，加速了机械系统动力学的研究，并取得了十分显著的成果。使得动力学在机械系统及生活中的应用越来越广泛，前景也越来越好。本文是关于一些问题的解决方法和对此的感悟，这样能够更好的了解机械动力学，并通过实践，使具体问题得到具体解决，从而提高对知识的掌握能力。 关键词：机械；动力学；系统 1、往复机械的动力学分析及减振的研究

机械产生振动的原因，大致分为两种，一种是机械本身工作时力和力矩的不平衡引起的振动，另一种是由于外力或力矩作用于机架上而引起机械的振动。下面只研究机械本身由于力和力矩的不平衡而引起的振动问题。往复机械包含有大质量的活塞、联杆等组成的曲柄-活塞机构，这些大质量构件在高速周期性运动时产生的不平衡力和气缸内的燃气压力或蒸气压力的周期性变化构成了机器本身和基础的振动。这样产生的振动通过机架传给基础。此振动只要采用适当的方法克服不平衡力这一因素，便可减小振动。然而由曲柄轴的转动力矩使机架产生的反力而引起的振动将是最难解决的问题。 通过一系列的动力学分析，将产生新的减小振动的思路，即想法将往复机械工作时产生的惯性力和力矩的不平衡性，尽量在发动机内部加以平衡解决，使其不传给机架。以往解决平衡的办法是在曲柄轴中心线另一侧加上适当配重即可平衡，对多缸发动机虽然也可按同样办法来处理，但比较麻烦，且发动机结构笨大。由曲柄-活塞动力学分析可知，若作用于往复机械的力之总和等于零(静平衡条件)和上述作用力对任意点的力矩之总和等于零(动平衡条件)，则作用于往复机械的力和力矩就完全平衡。从理论分析上是可行的，在实际应用上也是可以实现的，即对于多缸发动机的平衡，只要合理安排曲柄角位置和适当选择曲柄、连杆、活塞构件的质量，则可完全满足关于转动质量的两个平衡条件，因而可达到减小整机振动的目的。 感悟：这个实例是关于往复机械和减震的，在实际的应用中，往复机械应用十分广泛，但是在使用中会出现问题，在机械设备运转的过程中会使机械设备产生强烈的震动，这样不仅会对生产产生影响，同时也会使产品的质量得不到保证，还会造成机械设备的损伤，大大的降低设备的使用寿命。如果这个问题得不到解决，则会对生产和工厂的效益产生巨大的影响。实例中通过应用机械动力学中相关的知识对整个机械系统进行分析，得到产生震动的原因：往复机械工作时产生的惯性力和力矩的不平衡性。所以必须通过计算使系统平衡。根据力学知识得到若作用于往复机械的力之和等于零（静平衡条件）和作用力对任意点的力矩之总和等于零（动平衡条件），则作用与往复机械的力和力矩就完全平衡。这样就解决震动问题。总之就是具体问题具体分析，找出问题所在。 2、分子机械动力学的研究

四自由度机器人设计及运动学动力学分析毕业设计(论文)

毕业设计(论文) 四自由度机器人设计及运动学动力学分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：

学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日

自由度机械臂动力学分析

自由度机械臂动力学分 析 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

平面二自由度机械臂动力学分析姓名：黄辉龙专业年级：13级机电单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度动力学方程拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler）法、拉格朗日(Langrange)法、高斯（Gauss）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上 ?? ? θ θ θ、及 、，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应 的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。

2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关 节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。 1）如图1，设21,θθ是广义坐标，21,Q Q 是广义力。 2）分别求出两杆的动能和势能 11112111111sin ,2 121:1θθc c c T c gl m U I v v m E =+=?杆 （1-1） ]sin [,2 121:22112222122222）（）（杆θθθθ+=++=??l g m U I v v m E c c T c （1-2） 式中，1c v 是杆1质心),(111c c y x C 的速度向量，2c v 是杆2质心 ),(222c c y x C 的速度向量。它们可以根据质心21,C C 的位置方程导出。 3）分别求出两杆的速度

二自由度机械臂动力学分析

平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日(Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。 1）如图1，设21,θθ是广义坐标，21,Q Q 是广义力。 2）分别求出两杆的动能和势能 11112111111sin ,2121:1θθc c c T c gl m U I v v m E =+=?杆 （1-1）