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平面凸轮连杆机构构型与设计软件的开发

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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Ⅱ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(移动滚子、移动平底、摆动滚子)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。[4] 1.2 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:

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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.WC Cooper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(KineticAnalysisMethod),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。 (5)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(Basic语言)。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。[5] 1.3 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、纺织、印刷和轻工业等生产部门,因此对组合机构的研究具有重要的理论和现实意义。

由于齿轮连杆机构不能精确实现给定的运动规律和轨迹,当需要精确满足要求时,便需具有凸轮的凸轮-连杆或凸轮-齿轮机构。凸轮-连杆机构在实现轨迹和刚体导引方面具有无与伦比的优越性!

简单的凸轮机构(基本机构)已可实现任意给定运动规律的往复运动。但在从动件作往复移动时,考虑到机构的压力角,冲程大的机构尺寸会很大。作往复摆动时,受到压力角的限制,其摆角又不能很大。为此,采用可克服上述缺点的简单连杆机构,与可实现任意给定运动规律的凸轮机构组合起来。在封闭式凸轮-连杆组合机构中,基本机理是采用凸轮使连杆机构成为曲柄或连杆长度可变的组合机构,如图1-1所示。借它们长度的变化,满足任意给定的运动规律。 凸轮-连杆机构实现给定轨迹,已在自动机中得到愈来愈广泛的应用,在自动机中实现运动轨迹,也正逐渐为人们所重视,这是因为:

图1.1 实现往复运动的凸轮连杆组合机构

(a)变曲柄长度;(b)变连杆长度;(c)变连杆长度

(1)工艺上的需要食品机械中揉面机需要如图1-2(a)所示的揉面动作运动轨迹;胶片抓片需要如图1-2(b)所示的运动轨迹。其他如香烟包装机的撑箱机构、火柴盒装机中的钩盒机构等,都需要相应的运动轨迹。

(2)提高机器生产率糖果、香皂等包装机的送料机构,其推头不按原路返回,使下一个被送物料送到被推处,以提高机器生产率,如图1-3所示。

(3)改善机器的动力性能为了改善机器的动力性能,将间歇运动改为连续运动。这样执行构件就要在随工序盘同步运动的过程中完成所需的执行动作,再返回去完成下一个加工对象的动作,如图1-4所示。丝光糖包装机、牙膏和香皂等装盒机因采用了连续运动的工序盘和自动线,都需要实现这种运动轨迹的机构。

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平面凸轮连杆机构构型与设计软件的开发

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Ⅱ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(移动滚子、移动平底、摆动滚
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