凸轮-连杆组合机构设计系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.01.026 第27卷第1期 北京科技大学学报 VoL27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 凸轮-连杆组合机构设计系统 刘芳于晓红邱丽芳王小群 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要将计算机辅助设计技术、网络技术与机构设计相结合，以组合机构的尺寸综合理论 为基础，以机构最小尺寸为优化目标，采用Java作为开发语言，应用模块化的面向对象的设 计方法，研制开发了凸轮-连杆组合机构网上设计系统， 关键词凸轮-连杆组合机构：尺寸综合；优化设计：运动仿真 分类号TH113.2 目前，对于组合机构的尺寸综合与优化设计 其成员变量和成员函数封装成类，既降低了设计 方面的理论与方法还不够完善，尤其是基于网开发的复杂度，又便于编程和整个程序的维护和 络技术的组合机构设计，还未见到成熟的设计软 扩充.图2和图3分别为系统总体界面和机构设 件.本文采用Java为开发语言，jsd1.4.0-rc为开 计界面. 发工具，JCreator为编辑工具s1,使用模块化的面 本文研究了变连杆长度固定凸轮-连杆机 向对象的设计方法和技术，研制了包括尺寸综 构、变曲柄长度固定凸轮-连杆机构、扩大行程 合、运动分析、数据显示、动态仿真等模块的组合 (动程)凸轮-连杆机构、凸轮导杆机构等机构的 机构设计系统. 1系统总体结构 系统总体结构如图1所示，系统设计采用机 构分析和综合于一体的方法，在综合的同时进行 · ·鼎 · 分析.整个系统按功能模块设计，具有尺寸综合 和运动学分析、动态仿真及数据显示等功能.各 模块的程序代码之间相互独立，可以分别编制程 ◆达n的，别 ·。 序实现.对于每一程序模块，应用OOP技术，将 其名， 图2总体界面 用户 . Fig.2 Total interface of the system 设计要求 尺寸综合 改变尺寸参数 动态仿真 运动分析 系统界面 运动线图 满足条件 是 数据显示 图1系统总体结构框图 Fig.1 Global structure frame of the system 收稿日期：2003-10-31修回日期：2004-02-26 图3机构设计界面 作者简介：刘芳(1977一)，女，顾士研究生 Fig.3 Interface of mechanism design

第 , 卷 第 1 期 2 2 0 5 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u 几 a l of U刘污 e sr i yt o f S c i . ce a . d l ’e c h . 川哪牙 B叨加 g 从 , L2 7 N O . F e b . 2 0 0 5 凸轮一连杆组合机构设计系统 刘 芳 于 晓 红 郑丽 芳 北京 科技 大学 机械 工程学 院 , 北 京 王 小 群 0() 0 8 3 摘 要 将计 算机 辅助 设 计技术 、 网络 技术 与机 构设 计相 结合 , 以组合机 构 的尺 寸综 合 理论 为基础 , 以机构 最 小尺 寸为优化 目标 , 采用 Jva a 作 为 开发语 言 , 应 用模块化 的面 向对 象 的设 计 方法 , 研制 开 发 了凸轮一 连杆 组 合机构 网上设 计 系统 . 关键词 凸轮一 连杆 组合 机构 ; 尺 寸综 合 ; 优 化设 计 ; 运 动 仿真 分类号 T H 11 3 . 2 目前 , 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 `, 一 31 , 尤其 是基 于 网 络技 术 的组 合机 构 设计 , 还 未 见到 成熟 的 设计 软 件川 . 本 文 采 用 J va a 为 开 发语 言 , j s dk l . .4 0一 为 开 发 工 具 , JC er at or 为编 辑 工具“ , 使 用模块 化 的面 向对象 的设 计 方 法 和技 术 , 研 制 了包 括 尺 寸综 合 、 运动 分 析 、 数据 显示 、 动 态仿 真等模块的组合 机构 设 计 系统 . 其成 员变 量 和成 员 函数封装 成类 , 既 降低 了设 计 开发 的复 杂度 , 又便 于 编程和整个 程序 的维护和 扩 充 . 图 2 和 图 3 分 别为 系 统 总体 界 面和 机 构 设 计 界面 . 本 文 研 究 了 变 连 杆 长 度 固 定 凸 轮 一 连 杆 机 构 、 变 曲柄 长度 固定 凸轮一 连杆 机 构 、 扩 大 行程 ( 动 程 ) 凸轮一连 杆 机 构 、 凸轮 导 杆机 构等 机 构 的 1 系 统 总 体结构 系 统 总体 结 构 如 图 1 所 示 . 系 统设 计 采用 机 构分 析和 综合 于 一体 的方 法 , 在 综合 的 同时进 行 分析 . 整个 系 统 按功 能模 块 设计 , 具有 尺 寸综 合 和 运动 学 分 析 、 动 态 仿真 及 数 据 显示 等 功 能 . 各 模 块 的程序 代 码之 间相 互 独立 , 可 以分别 编制 程 序 实现 . 对 于每 一程 序 模 块 , 应 用 O O P 技 术 , 将 _ . _ _ _ . _ _ _ 罕 _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . 设计要求 尺寸综合 动态仿真 改变尺寸参数 运动分析 数据显示 图 1 系 统总 体结 构框 图 Fi g . l G l o b a l s t r u c 加er fr a m e Of ht e , y , et 口 收稿 日期 : 2 0 03 一 l卜3 1 修回 日期 : 2 0 4刁2 - 2 6 作者简介 : 刘芳 ( 19 77一 ) , 女 , 硕士 研究 生 图 3 机 构 设计 界 面 F 咭3 加t e 州阮c e o f m ec `皿妇. d es i沙 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 026

Vol.27 No.1 刘芳等：凸轮-连杆组合机构设计系统 ·103· 尺寸综合及运动分析数学模型，并以变连杆长度 论轮廓上点B计算公式如下： 固定凸轮-连杆机构为例，说明各主要模块的研 xa=xc-bcosa2=xo+ho+h-lcosa2, 究方法， ya=yc+lsinaz=yo+lssinaz. 其中，a2为滑块上的压力角，a2=吐B,Ψ是AC与x 2尺寸综合及运动分析 负向轴之间的夹角，B是AC与BC之间的夹角. 铰链点B的速度和加速度由位移方程式对日求导 尺寸综合是按照用户对执行构件的运动性 能和动力性能的要求，根据机构的结构形式，建 得出，计算公式为： dy 立尺寸综合数学模型，包括各构件的尺寸确定、 Va=d d0·w1,a= d·, 中间构件的运动分析及凸轮轮廓曲线的确定， an-i,an 恶味 图4所示为变连杆长度固定凸轮~连杆机构， 由构件1,2,3,4,5构成的自由度为2的连杆机构 3优化设计模型 和构件1,2,6构成的固定凸轮机构组成.因A,C 固定凸轮-连杆机构所占工作空间主要取决 两铰链点之间的距离在机构运动的过程中是变 于横向运动尺寸（机构在x轴方向所占工作空 化的，故称其为变连杆长度凸轮-连杆机构. 间).为使机构尽可能紧凑，以机构的横向尺寸为 如图5所示，以O点为原点建立x-y坐标系. 优化目标函数.设计变量为执行构件1的长度4， 设0为曲柄1的转角，h为滑块的位移，A为曲柄 滑块距O点的最近距离h,构件1的初始角8，约 1的起始角，C。为滑块起始位置.假想的连杆长 束条件为凸轮处的压力角a和滑块处的压力角 度f(A和C两点之间的距离)的计算公式如下： 不超过许用压力角[a]和[al. f=4c=√/xA-xc+-ye}= 根据设计要求，建立如下数学模型， VR-2I (ho+h)-cos(0o+0)+(ho+h) [x:][Z] 在一个运动周期f有其最大值f和最小值 (1)设计变量.X=x=h f.而构件2和3与f之间的关系为l+h=f, a f(X)=1+ho+h l,-=f。.当给定滑块的运动规律h=h(),可通 (2)目标函数. 过上式求得构件2和3的杆长2和l.固定凸轮理 (3)设计约束， gnX)=Ta-150, [anJ-1s0, 8(X9= X=a-1s0, -1≤0， gX9= g(X)= h地-1≤0， g(X)= h-1≤0， g(X=h-1s0. ho 其中，[ad与[a]分别为凸轮处推程阶段的许用压 图4变连杆长度固定凸轮-连杆机构 力角和回程阶段的许用压力角 Fig.4 Combined cam-linkage mechanism with a fixed (④)求解.本模型用内点惩罚函数法求解，其 cam and an length-adjustable coupler 惩罚函数如下式： p0xyfxlggdg 4设计实例及分析 设计一变连杆长度固定凸轮连杆机构.设定 推程角中=150°，回程角中1=110°，远休止角中，=0°， 近休止角中=100°，滑块的推程和回程按余弦加 速度运动规律运动，最大行程h。=100,推程和回 图5变连杆长度固定凸轮-连杆机构运动分析 程的许用压力角分别为[a]=45°，[a]=75°. Fig.5 Kinematic analysis of combined cam-linkage mech- 该实例的设计结果如表1所示，图6和图7 anism with a fixed cam and an length-adjustable of coup- 分别为机构的动态仿真和运动曲线， ler

叭】L2 7 N 0 . 1 刘芳 等 : 凸 轮一 连杆 组 合机构 设 计系 统 尺 寸综 合及 运动 分析 数 学模 型 , 并 以变 连杆 长度 固定 凸轮一 连杆 机 构 为例 , 说 明各 主 要模 块 的研 究 方法 . 2 尺 寸综 合及运 动 分 析 尺 寸 综 合 是 按 照用 户 对 执 行 构 件 的运 动 性 能 和动 力 性 能 的要 求 , 根 据机 构 的 结构 形 式 , 建 立 尺寸 综 合数 学 模 型 , 包 括 各构 件 的 尺寸 确 定 、 中 间构 件 的运 动 分 析及 凸轮 轮 廓 曲线 的确 定 . 图4 所 示 为变连 杆长 度 固定 凸轮一连 杆机 构 , 由构件 1 , 2 , 3 , 4 , 5 构 成 的 自由度 为 2 的连 杆 机构 和 构件 1 , 2 , 6 构 成 的 固定 凸轮 机构 组 成 . 因 A , C 两 铰 链 点之 间 的距 离 在 机 构运 动 的过 程 中 是变 化 的 , 故 称其 为 变 连杆 长 度 凸轮一 连杆 机 构 . 如 图 5 所 示 , 以 O 点为 原 点建 立 x , 坐 标 系 . 设 0为 曲柄 1的转 角 , h 为 滑块 的位 移 , 氏 为 曲柄 1 的起 始 角 , 0C 为滑 块起 始 位 置 . 假想 的连 杆长 度 f (A 和 C 两 点之 间 的距 离 ) 的计 算 公式 如 下 : f = 乙 。 = 丫(x, 一 cx ) 2十饥 -少 c ) 2二 丫z子一 21 1 (h 。+ 人) · 。 0 5 ( 0 + 0) + (人。+ 人) , . 在 一 个 运 动 周 期 f 有 其 最 大 值几 ax 和 最 小值 fm i 。 . 而 构 件 2 和 3 与厂之间 的关 系 为乙咦 = fm 。 , 乙一 lz = fm ` . 当给 定滑 块 的运 动 规 律 h 二 h( 0) , 可通 过 上式 求 得构 件 2 和 3 的杆 长 人和 乙 . 固 定 凸 轮 理 论轮 廓 上 点 B 计算 公 式如 下 : xB = x e 一 人e o s a Z = x0 + h+o h 一 乙e o s a Z , 为 二 尹扮乙s in 灸 = y0 + ls in a 2 . 其 中 , 灸 为滑 块 上 的压 力 角 , a Z 二 尹幼 , 少是 A C 与 x 负 向轴 之 间 的夹角 渭 是 A C 与 B C 之 间的 夹角 . 铰 链 点 B 的速度 和 加速 度 由位 移方程 式对 0 求 导 得 出 , 计 算公 式 为 : 、 一 器 · 。 1 , 、 一 器 · 助 , 、 一 令 · 、 , 、 一 令 · 、 . 3 优 化设 计 模型 固定 凸轮 一连杆 机 构所 占工作 空 间主 要取 决 于 横 向运 动 尺 寸 ( 机 构 在 x 轴 方 向 所 占工 作 空 间 ) . 为使 机构 尽 可 能紧 凑 , 以机构 的横 向尺寸 为 优 化 目标 函数 . 设 计 变量 为 执行 构件 1 的 长度 l , , 滑块 距 O 点 的最 近距 离 h0 , 构 件 1 的初 始 角 0 , 约 束 条 件 为 凸轮 处 的 压 力 角 a ,和 滑 块 处 的压 力 角 山 不 超 过许 用 压 力角 【al ]和 【久〕 . 根 据 设 计 要求 , 建立 如 下数 学 模 型 . ( 1)设 计变 量 . 、 一 阵{ 一 陈{ . 比」 L氏」 (2 ) 目标 函数 . (3 )设 计约 束 . 7飞义今= 1 1+ h 。 +h 二 . gl 仍 一 俞 一 “ “ , 。 X( ” 一 备 一 , ` ” , 。 X(9 一 争 一 `二 0 , 。 (x 。一 赞 一 ` 二 0 · gl" X(9 一 亩 一 ’ ` ” , 。 x( 。一 念 一 , 二 ” , 。 X( 。一 念 一 ` 二 0 , 图 4 变连 杆 长度 固定 凸轮一 连杆 机构 F ig . 4 C o m b in de ca m 一 ha ak ge nI ce h a n is m iw 伍 a 打盆e d e a m a n d a n le n gt h 一 a dj u s at b l e e o u Ple r 其 中 , 〔al 司与 a[ 司分别 为 凸 轮处 推程 阶段 的许 用压 力 角和 回程 阶段 的 许用 压 力角 . (4 ) 求解 . 本模 型 用 内 点惩 罚 函 数 法求 解 , 其 惩 罚 函 数 如 下式 : 熟一白 价X( , (r与气八义今十 (r ” · 图 5 变连 杆长 度 固定 凸轮一 连杆 机构 运动 分析 Fi g . 5 爪 J n e m a ict a n a ly s is o f c o ln b恤 de e a m 一 血 ak ge ln e c卜 a n is m w i t h a 血 e d e a血 a n d a n le n gt h · a dj u s t a b l e of e o u P - l e r 4 设 计实 例 及 分 析 设 计一 变 连杆 长度 固定 凸 轮连 杆 机构 . 设定 推 程角价= 15 0 , 回程 角功 , = 1 10 , 远 休 止角沪行 o0 , 近 休止 角叭 , “ 10 0 , 滑块 的推程 和 回程 按 余 弦加 速 度运 动 规 律运 动 , 最 大 行程 h 二 ` 10 , 推 程 和 回 程 的许 用 压 力角 分 别 为 a[, f] = 45 “ , 【al b」二 7 50 . 该 实例 的 设计 结 果如 表 1 所 示 , 图 6 和 图 7 分 别 为机 构 的动 态 仿真 和运 动 曲线

104 北京科技大学学报 2005年第1期 表1设计结果 轮机构，其横向尺寸应等于3h+2ro+l+d.式中，h Table I Results of design 为从动件的升程，为基圆半径，1为导轨长度，d 滑块初始位置，h131.97 凸轮最大径向尺寸72.00 为避免构件相碰应留的间距.一般凸轮的最大 初始角，8/() -178 凸轮最小径向尺寸31.17 尺寸常为(5~6)h.尺寸综合的结果：基圆半径为 OA的长度，l 59.60 a4a/() 38.54 65.0,机构总体横向最小尺寸为3h+2ro+l什本 AB的长度， 41.20 a4e/() 45.17 430++d.当采用变连杆长度凸轮-连杆组合机构 BC的长度，4 163.14 a( 20.00 时，凸轮基圆半径为3117，总体横向尺寸仅有 横向总体尺寸291.57 291.57(见表1).可见，组合机构不仅可以实现复 注：表中尺寸为最大行程h的相对值. 杂的运动规律和精确实现运动轨迹，而且具有在 此例如果采用图8所示的直动从动件盘状凸 相同设计条件下，总体尺寸大大减小的优势. y 图6动态仿真 图7运动曲线 图8直动从动件盘状凸轮机构 Fig.6 Dynamic simulating Fig.7 Kinematic curves Fig.8 Disk-cam mechanism with a sliding follower 5结论 参考文献 [1】昌庸厚.组合机构设计.上海：上海科学技术出版杜，1996 本文对常用的凸轮一连杆组合机构的尺寸综 [2]徐永刚，徐振华，.凸轮机构设计，上海：上海科学技术出版 合和运动分析进行了系统地研究，研制了基于网 杜，1995 络的凸轮-连杆组合机构设计系统.系统采用面 [3]陈立周.机械优化设计，北京：冶金机械出版社，1995 向对象的编程技术进行开发，具有良好的可维护 [4)刘芳.基于网络的凸轮-连杆组合机构设计系统：[学位论 文].北京科技大学，2003 性和扩展性，以及用户界面良好、操作方便、对用 [5]Eckel B.Java编程思想.侯捷，译，北京：机械工业出版社 户的专业要求低等优点. 2002 [6]Geary D M.Java2图形设计.李建森，蒋欣军，龚荛荒，等 译.北京：机械工业出版社，2000 Study on design of cam-linkage combined mechanism LIU Fang,YU Xiaohong,OIU Lifang,WANG Xiaoqun Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Computer-aided design and Web technology are applied to mechanism design,and the software sys- tem for the design of cam-linkage combined mechanism based on Web is developed.The system is established on the base of the dimensional synthesis theory of combined mechanism and the optimization theory of considering the minimum horizontal dimension as the optimizing aim.The program language in this system is Java,and the modu- larized design and Object-Oriented Programming(OOP)techniques are also utilized. KEY WORDS cam-linkage combined mechanism;dimensional synthesis,optimal design,kinematic simulation

. 104 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 1 期 表 1 设计 结 果 aT 加 e 1 R . u七 o f dse ig . 滑块 初始 位置 , h0 13 1 . 97 初始 角 ,即( 。 ) 一 1 7 8 以4 的长度 , l : 5 9 . 6 0 月刀 的长 度 ,lz 41 .2 0 B C 的长度 , 八 1 6 3 . 14 横向总体 尺 寸 2 91 . 57 凸轮 最 大径 向尺 寸 7 2 . 0 凸轮 最 小径 向尺 寸 31 . 17 a :加代 。 ) 38 . 5 4 a : 七 ~ 戊 。 ) 4 5 . 1 7 a加戏 O ) 2 0 , 00 注 : 表中尺寸为最大行程气的相对值 . 此例 如果采 用 图 8 所示 的直 动 从动件 盘状 凸 轮 机构 , 其 横 向尺 寸 应等 于 3 hm +2 r0 十升J . 式 中 , hm 为 从 动件 的升 程 , r0 为基 圆 半径 , I为 导 轨 长 度 , d 为 避免 构 件 相 碰 应 留 的 间距 . 一 般 凸轮 的 最 大 尺 寸 常为 ( 5~6 h) 二 . 尺 寸综 合 的 结果 : 基 圆半 径 为 65 .0 , 机 构 总 体 横 向最 小 尺 寸 为 3瓜+2 r0 十+l 击 43 0+ +l d . 当采用 变 连杆 长 度 凸轮一连杆 组合 机构 时 , 凸轮 基圆半 径 为 31 . 17 , 总体 横 向尺寸 仅 有 29 1 . 57 (见 表 1) . 可 见 , 组 合 机构不 仅 可 以实 现 复 杂 的运动 规律和 精确 实 现运 动 轨迹 , 而且 具有 在 相 同设 计 条件 下 , 总体 尺 寸 大大 减 小 的优 势 . 一 广 》 / 又 、 \ \ \ 图 ` 动态 仿真 n 乡6 D y n a ln ic s加川. 血g 图 7 运动 曲线 F i g . 7 五J n e . a it e c u yr 韶 图 8 直 动从 动件 盘状凸轮机 构 F 电 · 8 D is k 一 ca m m ec h a l l , m 初t七 a s Ud加 g of U ow e r 5 结 论 本 文对 常用 的 凸轮一连 杆 组 合机构的尺 寸综 合 和运 动 分析 进行 了系统 地 研究 , 研制 了基 于 网 络 的 凸轮一 连杆 组 合 机构 设 计 系统 . 系 统采 用 面 向对象 的编程 技 术进 行 开发 , 具有 良好 的可 维护 性 和扩 展性 , 以及 用 户界 面 良好 、 操 作方 便 、 对 用 户 的 专业 要 求低 等 优 点 . 参 考 文 献 【1 吕 庸厚 . 组 合机构 设 计 . 上海 : 上海 科 学技 术 出版社 , 1 9 6 2[ ] 徐永 刚 , 徐振华 , . 凸 轮机构设 计 . 上 海 : 上海 科学 技术 出版 社 , 19 9 5 3I] 陈 立周 . 机 械优 化设 计 . 北京 : 冶 金机 械出版社 , 19 95 4[ 1 刘 芳 . 基 于网络 的凸 轮一连杆组合 机 构设 计 系统 : [学位 论 文 】 . 北 京科技 大学 , 2 0 3 5[] cE ke l B . J va 编 程思想 . 侯捷 , 译 . 北京 : 机 械工 业 出版社 , 2 00 2 6[ ] 仇呵 D M . J va Z 图形设 计 . 李建 森 , 蒋欣 军 , 龚尧 莞 , 等 译 . 北 京 : 机械 工业 出版社 , 20 0 S tu dy o n d e s ign o f e am 一 link ag e e o m b in e d m e e h an i s m 刀口 凡够 y U XI O oh o gn, QI U L如 gn, 洲刃 G刀。 oq un M e e h an i c al nE igD e en g shc o l , nU ive rs ity o f s e l e n c e an d eT c ho 0 1 o盯 B e ij ign , B e ij ing I 0 0 83 , Ch j 刀a A B S T R A C T C o m Pu t e卜 ia de d de is gn an d V e/ b et c hn o fo gy aer aP Plie d ot m e c h 别吐sm de s ign , 曲d ht es 。介w ar e sy s - et m for ht e de is 即 of c 别叮 一 1倒ka ge c o . lb in e d me e ha 元sm b ase d on 研e/ b 15 d e v el o P e d . Th e sy s et m 15 e s加bL h s he d on het b as e of het d im e sn i o n al s丫吐h e s is het o yr of c om b i n e d m ec h an i sm an d ht e o Pt而i舀时i o n het o yr of c osn id e n n g het m l n u n 切m ho 朽比口n1 aL l d五n o s ion as het OIP 恤让in g a im . T h e rP o gr 田的 l an gu ag e in 面5 yS s t e m 15 J va a, an d ht e m o du - lar 位 e d de s ign an d o bj ce -t o r i ent de P r o gr aj m m吨 (O O )P et c hn i q u e s aer als o iut l论de . K E Y W O R D S c am 一 1沉 ak g e c咖山in e d m e e h an i sm ; 由 m e n s i o n a l s yn ht e s is , O P t如al de s l gn , k 由e m iat “ iln ul iat on