平面凸轮连杆机构构型与设计软件的开发

1、目 录1 绪论11.1 组合机构的发展概况11.2 组合机构运动分析与综合的常用方法31.3 凸轮-连杆机构的应用51.4 组合机构设计的发展趋势71.5 本课题研究的背景及意义91.6 论文研究的容92 组合机构的结构型式和组合原理112.1 概论112.2 本文关于基本机构和组合机构的定义132.3 转换的必要条件142.4 按组合机构的基本机构种类分类152.5 按组合机构组成的结构型式分类162.5.1 串联式组合机构162.5.2 并联式组合机构172.5.3 封闭式组合机构182.5.4 反馈式组合机构192.5.5 装载式组合机构202.6 组合机构的主要功能223 凸轮连杆组合机构的设计理论分析233.1 从动件的运动规律及其选择233.1.1 从动件运动规律的基本参数233.1.2 从动件运动规律的类型243.2 变连杆长度的固定凸轮连杆机构的尺寸综合和运动分析313.2.1 变连杆长度的固定凸轮滑块机构313.2.2 变连杆长度的固定凸轮摆杆机构324 凸轮连杆组合机构的软件开发364.1 程序开发环境和开发语言364.2 固定凸轮连杆组合机构系统的介绍364.2.

2、1 固定凸轮连杆组合机构优化设计系统的总体构型374.2.2 固定凸轮连杆组合机构优化设计的设计系统界面.394.2.3 固定凸轮连杆机构设计实例425.3 固定凸轮连杆组合机构系统程序的优化设计465 结论50参考文献51致53 / 1 绪论1.1 组合机构的发展概况由最少的构件所组成,并能实现运动方式的变换或运动传递的机构称为基本机构。如齿轮机构、凸轮机构、连杆机构及间歇机构等都是常用的基本机构。基本机构不仅应用围广,而且其实用价值也很高。但随着生产过程机械化、自动化的发展及机械运转速度的日益提高,对机构的运动有着更加多样化的要求,对动力性能的要求也越来越高。由于基本机构的局限性,在某些性能上已不能满足近代机械的要求。如齿轮机构虽能传递匀速和变速整周回转运动,但不能实现任意给定的运动规律的变速转动,而凸轮机构虽能实现任意规律的运动,但其从动件不能实现整周转动,如果要现从动件任意规律的整周转动,则不是单一的齿轮机构或凸轮机构可以完成的。四杆机构无法实现从动件较长时间的停歇和精确再现任意形状的轨迹曲线。这就迫使人们去探索创造新的机构,以满足生产对机械提出的多种多样的运动要求和更加理想的

3、动力性能要求。把若干个基本机构按照一定的方式适当地组合起来而形成组合机构:把基本机构的某些运动尺寸或结构加以改变以形成变异机构,是创意新机构的两种重要途径。其中组合机构能使若干个基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化具有新特性的新机构。如:将凸轮机构与连杆机构进行组合,不仅可以实现复杂的运动规律和轨迹,还可以减小机构的结构尺寸。在生产上,组合机构已成为新产品的设计,旧设备的改造,加速机械化、自动化的重要工具,广泛地应用于冶金、纺织、印刷、包装和轻工业等各个生产部门。因此对组合机构的研究具有重要的理论和现实意义。组合机构是一种正在发展中的新型机构,由于其结构较复杂,设计计算特别是机构的运动分析和综合十分繁琐,长期以来极阻碍了它的发展。随着计算机技术和现代设计方法的发展,极推动了组合机构研究和应用的进展。但是,对于组合机构的尺寸综合与优化设计方面的理论与方法还不够完善。本文在进行了较深入的研究基础上,将凸轮一连杆组合机构与计算机辅助设计技术相结合,开发研制了凸轮一连杆组合机构的设计系统1。 1凸轮机构凸轮机构是由凸轮,从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓

4、或凹槽的构件,一般为主动件,作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触,并传递动力和实现预定的运动规律的构件,一般做往复直线运动或摆动,称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线,所以在应用时,只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用,主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求,而且结构简单、紧凑2。 2连杆机构连杆机构的设计方法主要有几何法、解析法和参数化设计方法等。几何法利用机构运动过程中各运动副位置之间的几何关系, 通过作图获得有关尺寸。此方法设计方便快捷, 但由于作图误差的存在, 设计精度较低。解析法是将设计问题用数学方程加以描述, 通过方程的求解获得有关尺寸, 故其设计精度高, 但设计效率较低。参数化设计方法是根据连杆机构的性能参数确定连杆机构的其它有关尺寸, 当性能参数变化时, 其它参数可以得到相应的改变, 故参数化设计方法可以大幅度提高设计效率, 并保证其设计精度。而且随着计算机的普及应用, 参数化设计

5、方法已成为各类连杆机构设计的一种快捷而有效的方法。用参数化设计方法来设计连杆机构, 可以利用VB 实现设计的自动化、结果的可视化, 并将设计结果保存到数据库中, 便于利用数据仓库技术进行总结、参考、重用、优化等3。3凸轮连杆组合机构机器用来减轻人们繁重的体力劳动,随着生产的发展,机械化和自动化程度的提高,简单的齿轮、连杆和凸轮等机构有时就不能满足生产需要,于是由上述机构组成的组合机构便应运而生。20世纪80年代我国机械原理教科书开始设有组合机构的章节。组合机构由基本机构组合而成,但现在对基本机构的定义还没有统一的说法。有人将常用机构中结构最简单的机构称为基本机构,这定义不够明确。有人称基本机构是由最少构件通过最少运动副连接而成的单环机构,这种说法也不够全面,因为它排除了开式机构。基本机构应具有简单和能组成各种组合机构的属性。在闭环机构中,只构成一个封闭形的单环机构最简单。由最少构件通过最少运动副连接而成的单环机构是自由度为1的基本机构。如凸轮、齿轮和连杆机构构成一个封闭环形且自由度为1的单环机构。显然它们的倒置机构也是如此。至于自由度为2的单环饥构,构成它的构件和运动副的数量都必然大于

6、自由度为1的相应单环机构,不是最小值。那么按第二种基本机构的定义,自由度大于1的单环机构已不能算是基本机构。事实上许多组合机构是要由多自由度的单环机构来组成。所以多自由度的单环机构也应该是组合机构的基本机构。平面连杆机构与凸轮连杆机构都是应用十分广泛的机构,对它们的分析及设计一直是机构学研究的一个重要课题。传统的机构分析方法主要是图解法,其特点是求解简单、直观,但是精度较低。随着计算机的出现及其性能的飞速提高,利用计算机进行机构的分析与设计已成为一种重要的手段,机构的计算机辅助分析与仿真系统的开发也就成为了一项重要工作。本文从研究机构的基本组成出发,探讨了平面连杆机构的组成原理,并对两种特殊的单杆和RRR、RRP、RPR型级杆组进行了运动学分析,详细介绍了凸轮机构的从动件运动规律,推导了各类平面凸轮廓线的方程式,并应用matlab编程绘制了其理论廓线和实际廓线；然后阐述了图的一些基本知识,以及机构在计算机中的表示方法,指出了机构简图与图之间的关系,并实现了平面连杆机构和凸轮连杆机构拓扑图的计算机描述；在此基础上,着重阐述了如何建立结点基本信息矩阵、约束关系矩阵以及凸轮及其从动件的相关参

7、数矩阵,从而构造出平面连杆机构和凸轮连杆机构的数学模型,把机构问题转化成了数学问题；通过对此数学模型进行分析,分离出可独立求解的机构模型,并用相应的机构分析方法对它进行求解,建立了平面连杆组合机构。41.2 组合机构运动分析与综合的常用方法机构的运动分析,就是根据给定的机构简图,研究机构的运动特性;机构的运动综合就是根据预期的运动特性,设计出机构的运动简图。显然机构的运动综合问题也就是机构运动分析问题的逆命题。从机构设计的观点来说,分析是综合的基础,分析的目的就是为了综合.目前,常用的机构运动分析和综合方法大致有以下几种:一般解析法 用一般解析法、代数法进行机构的运动分析与综合,显得比较简单方便,但主要解决一些结构不太复杂的机构。文献11就用一般解析法对变连杆长度的固定凸轮连杆机构进行运动分析。图解法 用图解法比较直观,可从图形中看出机构传动的几何原理,以及传动时的运动特性。但图解法一般精度较低,故使用较少。瞬心线法 文献15采用瞬心线法对三齿轮曲柄摇杆机构进行了运动综合。复数矢量法 一个平面机构的机构简图的图形总可以划分成若干个三角形。基于这种思想,将平面机构的位置分析问题归结为求解

8、一系列三角形问题,并采用复数矢量方法来描述三角形,以矢量的模;表示长度,以矢量的幅e表示其方向。这样一个三角形有六个参量,己知其中的四个参量,即可求解其余的两个量。将已知与已求解的矢量对时间t求一次导数,可得相应的速度;把速度对时间t再进行一次求导,即可得到相应的加速度.D.WCCooper等人于1964年基于此理论开发了第一部公开发行的平面连杆机构运动分析软件MM,就用这种方法对凸轮连杆机构进行运动分析。用复数矢量法分析了固定凸轮连杆机构中的构件间的几何尺寸关系。该方法避免了运动分析解析法中复杂的求解过程,计算量小,对计算机的硬件要求很低,可在各种配置的计算机上运行:分析方法简便、易懂,不易出错;可适用于任何类型的机构分析;与仿真技术相结合,可提高现代机构分析的效率,简化分析过程。基本杆组法 此法的出发点是以机构中不可再分的自由度为零的运动链作为机构的基本单元,此单元称为基本杆组.根据基本杆组部封闭的运动副个数不同,可以分为若干级,而每一级又因转动副和移动副的不同组合分为若干种。对于某一基本杆组来说,就被称为第几种几级组。由于基本杆组具有运动的确定性和力的静定性,可事先对各种基本杆组

9、编制成相应的算法模块。工业大学的王知行教授、瑰贤教授基于该理论早在80年代初就开发了一套平面三大机构的运动分析子程序集。邮电大学的梁崇高教授基于该理论于1980年开发了平面连杆机构运动分析程序集。文献14采用基本杆组分析法对齿轮连杆机构进行了研究,建立了三种齿轮连打基本杆组的运动分析数学模型,并用解非线性方程组的方法对其进行了求解,从而就解决了由这三种齿轮连杆基本杆组组成的齿轮连杆机构的运动分析问题。51.3 凸轮-连杆机构的应用随着机械工业的发展,生产过程的机械化、自动化程度的日益提高,不仅对机械输出杆的运动形式有要求,更是对其运动规律和动力性能提出了更高的要求。这样,简单的基本机构如齿轮机构、凸轮机构和连杆机构就难以胜任了。比如：齿轮机构虽能传递匀速和变速整周回转运动,但不能实现任意给定的运动规律的变速转动,而凸轮机构虽能实现任意规律的运动,但其从动件又不能实现整周转动,如果要现从动件任意规律的整周转动,则不是单一的齿轮机构或凸轮机构可以完成的。连杆机构无法实现从动件较长时间的停歇和精确产生任意形状的轨迹曲线。这就不得不迫使人们去探索新机构以满足生产对机械提出的多种多样的运动要求和更为理想的动力性能要求。把若干个基本机构按一定方式适当的组合起来形成组合机构和把某些运动尺寸或结构加以改变以形成变异机构,是发展新机构的两个重要途径。组合机构能使若干个基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化、具有新特性的新机构。组合机构主要用于输出构件严格实现给定运动规律的变速回转运动方案、实现输出构件的各种步进运动、扩大输出构件的往复运动的摆角和行程、精确再现给定的运动规律和输出构件的姿态等。因此在生产上组合机构已经成为新产品的设计、旧设备的改造、加速机械化和自动化的重要工具,它已广泛应用于冶金

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