（机械制造及其自动化专业论文）凸轮连杆组合机构的特性分析和优化设计.pdf

南京理t 入学颂f 学位论丈 凸轮连杆组合机掏的特性分析与优化设计 摘要 本文对凸轮连轩组合机构进行了尺寸综合和运动分析，建立了凸轮连杆组合机 构最优化设计的数学模型，在此基础上研制开发了基于w i n d o w s 操作平台的凸轮连 杆组合机构的设计系统。 本课题主要解决以下问题： 1 对基本机构和组合机构给出本文的定义，按组合机构组成的结构型式进行 了分类。 2 采用解析法，建立了能实现给定运动规律的几种凸轮一连杆组合机构的尺寸 综合和运动分析的数学模型。 3 以机构最小纵向( 或横向) 尺寸为优化目标。以许用压力角为约束条件，采 用鲍威尔法、内点惩罚函数法等优化方法对固定凸轮连杆机构进行优化设计，使机 构在满足运动要求和传力性能要求的前提下，结构更加紧凑。 4 采用v i s u a t b a s i c 为歼发语占，应用模块化的面向对象的设计方法和技术， 研制开发了凸轮连杆组合机构的设计系统。它实现了对凸轮连杆组合机构进行尺寸 综合、运动分析、数据显示、动态仿真的功能。 本课题的研究，实现了凸轮一连杆组合机构设计的自动化，具有工程和教学的 使用价值。 关键词：凸轮一连杼组合机构尺寸综合优化设汁动态仿真 南京理t 人学坝i 学位论史 凸轮连杆组合机构的特性分析b - - 优化设计 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ed i m e n s i o ns y n t h e s i sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h ec a m - l i n k a g e m e c h a n i s ma r ei n v e s t i g a t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eo p t i m u md e s i g no ft h e c a m l i n k a g em e c h a n i s ma r ec o n s t r u c t e d ad e s i g ns y s t e mo f t h ec a m l i n k a g em e c h a n i s m b a s e do nt h ew i n d o w sp l a t f o r mi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r ed e a l tw i t hi nt h i st h e s i s 1 t h ed e f i n i t i o no fb a s i cm e c h a n i s ma n dc o m b i n e dm e c h a n i s ma r cg i v e ni nt h i s t e x t , a n dt h ec o m b i n e dm e c h a n i s mi sc l a s s i f i e db a s e do i lt h es t r u c t u r e 2 t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h ed i m e n s i o ns y n t h e s i sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i so f s e v e r a lk i n d so fc a n l - l i n k a g em e c h a n i s mt h a tc a nr e a l i z eag i v e nl a wo fm o t i o na r e c o n s t r u c t e db ya n a l y t i c s 3 u s i n gt h em i n i m u ml e n g t h w a y s ( 0 1 h o r i z o n t a l ) d i m e n s i o na st h eo p t i m i z i n g t a r g e ta n dt h ep e r m i tp r e s sa n g l ea st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n , t h eo p t i m i z ed e s i g nf o rt h e f i x e dc a n l - l i n k a g em e c h a n i s mi sa c h i e v e db ym e a n so fs u m t , p o w e l l a n dt h e nt h e s t r u c t u r eo ft h em e c h a n i s mb e c a m em o r ec o m p a c to nt h ep r e m i s et h a ti tc a ns a t i s f yt h e n e e d so f m o t i o na n df o r c et r a n s m i s s i o n 4 u s i n g v i s u a lb a s i ca sp r o g r a ml a n g u a g e ，u s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m e t h o d sa n dt e c h n o l o g y , t h ec a m l i n k a g em e c h a n i s md e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c h i si n c l u d i n gt h ef u n c t i o n so fd i m e n s i o ns y n t h e s i s 。k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，d a t ad i s p l a ya n d d y n a m i cs i m u l a t i o n t h ea u t o m a t i o no fc a m - l i n k a g em e c h a n i s md e s i g ni sr e a l i z e d ，w h i c hi so f c o n s i d e r a b l ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u ea n dt e a c h i n gv a l u e k e y w o r d s ：c a m l i n k a g em e c h a n i s m ，d i m e n s i o ns y n t h e s i s ，o p t i m i z e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n - i i 声明 本学位论文足我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 堕墨堡知0 6 年牛月日 南京理t 人学硕 学位论史 凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 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 构不仅应用范围广，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 及机械运转速度的只益提高，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 要求实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，长期以来极大地阻碍了它的发展。随着计算机技术和 现代设计方法的发展，极大地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 2 组合机构运动分析与综合的常用方法 机构的运动分析，就是根掘给定的机构简图，研究机构的运动特性；机构的运动 综合就是根据顶期的运动特性，设计出机构的运动简图。显然机构的运动综合问题也 南京理t 大学硕l t 学位论文凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 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 1 1 就用一般解析法对变连杆 长度的固定凸轮连柯机构进行运动分析。 ( 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 1 5 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 数矢量方法束描述三角形，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f s j t 求一次导数，可得相应的速度；把速度对时日j t 再进行一次求导，即 可得到相应的加速度d wc o o p e r 等人于1 9 6 4 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k a m ( k i n e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d ) 文献 1 2 中就用这 种方法对凸轮连杆机构进行运动分析。文献 1 3 也用复数矢量法分析了固定凸轮连杆 机构中的构件间的几蚵尺寸关系。该方法避免了运动分析解析法中复杂的求解过程， 计算星小，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，简化分折过程。 ( 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内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。哈尔滨工业大学的王知行教授、李瑰 贤教授基于该理论早在8 0 年代初就开发了套平面三大机构的运动分析子程序集 ( b a s i c 语苦) 。北京邮电大学的梁崇高教授基于该理论于1 9 8 0 年开发了平面连杆机构 运动分析程序集。文献 1 4 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f 基本打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秆组组成的齿轮连杆机构的运动分析问 题。 南京理t 人学硕l 学位论丈 凸轮连杆组合帆构的特性分析与优化设计 1 3 组合机构设计的发展趋势 在组合机构的设计中用的较多的技术之一是最优化设计，它是将工程设计问题转 化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助于计算机的高速运算和逻辑判断能力， 按照预定的目标，从满足设计要求的一切可行方案中寻找最优方案的一种设计方法。 它能综合处理并最大限度地满足从不同角度提出的、甚至有时是互相矛盾的技术指 标，从而大大提高设计效率和质量。因此是现代设计理论和方法中的一个重要组成部 分。是近代机械学科发展的主要方向之一。 优化没计给机构设计提供了一个有力的工具。机构的优化设计是机械工程设计中 应用最优化方法最早的一个分支，是在机构分析理论日趋完善和计算机的计算技术、 特别是最优化技术迅速发展的基础上，于7 0 年代初期开始发展起来的，至今已成为机 构综合中普遍适用的方法和重要的发展方向。 最优化方法一般包括以下两部分内容：1 、将设计问题的物理模型转变为数学模 型。建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数。给出约束条件。目标函数是设 计问题所要求的最优指标与变量之白j 的函数关系式。2 、采用适当的最优化方法，求 解数学模型。或归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值问题。 在机构设汁中用的另一个先进的手段就是c a d 技术。近年来发展起来的c a d ，在引 入优化设计方法后，使得在设计过程中既能够不断选择设计参数并选出最优设计方 案，又可以加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新周期日 益缩短的今天，把优化设计方法和c a d 结合起来，使设计过程完全自动化，己成为设 计方法的一个重要发展趋势。 c a d 技术起步于5 0 年代后期，随着计算机软硬件技术的发展以及计算机图形学、 几何造型、计算机网络和工程设计标准化等技术的发展，c a d 开始迅速发展。目前， 计算机技术中人工智能技术和工程数据库技术的研究成果，正促使c a d 不断向智能化 和集成化方向发展。c a d 技术的发展趋势： ( 1 ) 计算机硬件将不断小型化，商性能化和低价格化。 ( 2 ) 硬件、软件环境普遍采用各种公认的工业标准，各生产厂家的产品都转向采 用开放性系统。 ( 3 ) 用户界面的改进使计算机的操作变得直观容易。广泛采用图标、窗口系统等 图形技术，并向多媒体化发展，即综合使用图文、声、像等手段进行人机信息交流。 ( 4 ) 广泛采用三维几何实体造型技术支持c a d 工作中的几何设计，实体造型技术 本身将发展为具有变参数造型和特征造型功能。 ( 5 ) 更有效地支持现代设计理论和各项分析计算和工作仿真，采用可视化技术显 示分析计算的结果。 南京理t 大学帧i 学位论文 凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 ( 6 ) 人工智能技术与c a d 技术相结合，以提高系统的智能水平和自动化程度。 ( 7 ) c a d 系统的集成化，c a d 系统与其它计算机辅助生产活动和统一管理系统紧密 集成。 随着计算机图形学和c a d 技术的迅猛发展，动画模拟技术也广泛应用于机构设计 和机构运动分析中。所谓动画模拟技术就是利用计算机以动画的形式对所研究对象的 结构、功能和行为进行动态性和逼真的模仿。在机构设计和运动分析中采用计算机动 画模拟技术具肓以下特点：( 1 ) 优化性对于复杂机构，通过计算机动画模拟技术可以 预测机构的性能和参数，并使得所设计机构的性能达到最优。( 2 ) 经济性。对于大型 和复杂机构，直接试验的成本很高，采用计算机模拟技术则可以大大降低试验成本， 且可以多次重复试验。( 3 ) 安全性。对于某些有潜在危险的机构，采用计算机模拟则 没有任何危险。( 4 ) 可视性。通过先期的模拟、演示、验证，可以使得机构的设计更 加直观、可视化。 目前，实现计算机动画模拟主要有以下三种方法：( 1 ) 采用通用的c a d c a m 软件。 ( 2 ) 采用商级语言开发专用软件。( 3 ) 通用c a d c a m 软件的二次开发。 采用程序设汁语啬编程来实现机构的计算机动画模拟，一般是针对某个具体机 构。该方法需要较强的技术力量和大量的编程工作，主要用于机构运动关系较为简单 需要精确计算运动参数的场合。 计算机动画模拟技术在机构设计和机构运动分析中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 机构的运动模拟：将计算机动画模拟技术用于机构的运动模拟，可以使设计 者及早看到设计机构的运动情况，并对机构的设计原理、结构等方面进行评价和分析： ( 2 ) 机构的运动参数分析：采用计算机动画模拟技术可以对机构的性能和运动参 数进行分析，以便于实现机构的优化设计由于该问题涉及到机构的运动轨迹、速度、 加速度等参数的计算，一般采用二次开发的方法和采用程序设计语言来实现。 ( 3 ) 机构的计算机辅助设计：动画模拟技术可以用于机构的计算机辅助设计中， 以提高设计的可视化程度。 ( 4 ) 机构的原理分析：通过动画模拟显示，可以对一些机构的原理有比较直观和 深刻的认识。 1 4 本课题研究的背景及意义 目前，针对复杂机构设计应用的c a d 软件还比较少，对凸轮一连杆组合机构的设 计也没有一套完整的理论与通用的综合方法。而凸轮连杆组合机构在自动机械中却得 到愈柬愈广泛的应用，因此选择凸轮连杆组合机构作为本课题的研究对象，以典型的 几种机构为例，对凸轮一连杆组合机构的设计理论和方法进行了较深入的研究。由此 南京理t 大学硕卜学位论之凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 开发了凸轮连卡t 组合机构的优化设计软件系统。 系统完全使用模块化的面向对象的设计方法和技术，采用w i n d o w s 平台上功能强 大的面向对象的程序设计语占v i s u a lb a s i c 进行编程。使系统具有简单方便的图形化 用户界面和适时交互能力，操作方便，对用户的专业要求较低，使繁琐复杂的凸轮连 杆组合机构的设计工作变得简单而直观。该系统的开发是将现代计算机软件技术与组 合机构设计相结合，顺应了现代c a d 发展的趋势，提高了组合机构产品的创新设计能 力。机构设计领域的专业化c a d 软件有着极大的发展潜力，必将在机械设计行业发挥 其巨大的作用。 1 5 论文研究的内容 本文主要研究了以下几个内容： ( i ) 组合机构的理论基础 对基本机构和组合机构给出本文的定义，按组合结构型式对组合机构进行分类。 ( 2 ) 凸轮连卡t 组合机构的尺寸综合 根据预期的运动型式和运动规律，确定机构尺寸参数从而完成机构运动简图的设 计。本课题主要进行凸轮轮廓曲线和杆件几何尺寸的综合。在固定凸轮一连杆组合机 构的设计中，除满足运动性能，工作性能及动力性能的要求外，主要考虑如何使结构 紧凑，因此选取机构的总体尺寸为优化设计目标，并以压力角、某些几何尺寸作为约 束条件。 ( 3 ) 凸轮连打组合机构的运动分析 按已知的机构运动简图及执行件的运动规律，求解其它活动构件的运动参数。其 基本内容为：求构件的位置，求构件的角速度及角加速度，构件上某点的速度、加速 度等。其目的在于研究机构的运动及动力性能。而且运动分析也是机构运动仿真摸拟 的基础。 ( 4 ) 凸轮连f r 组合机构优化设计系统的开发 将组合机构设计与优化设计技术、计算机辅助设计技术、动画模拟技术相结合， 采用v i s u a l b a s i c 为丌发语言，应用模块化的面向对象的设计方法和技术，开发研 制了具有图形化用户界面的凸轮一连杆组合机构设计的c a d 系统。包括尺寸综合、 运动分析、数掘显示及动念仿真等模块。 南京理丁夫学碗l 学位论史 凸轮连杆组合机构的特性分折与优化设计 2 组合机构的结构型式和组合原理 2 1 概论 现在对组合机构的研究尚不够成熟，组合机构的定义以及作为组合机构基础的 基本机构的定义都还没有统一的说法。因此导致组合机构分类的不统一，出现了同 一种机构在不同的教科书或文献中被归为不同的分类。组合机构有按其基本机构的 种类和组成的结构形式两种分类法。分歧最大的在于按组成的结构形式进行分类， 正是对组合机构和作为组合机构基础的基本机构的不同理解，使得同一种机构被归 入不同的分类。 文献 1 并未明确区分机构的组合和组合机构的差别，但认为通过机构的组合可 获得组合机构，将构成组合机构的各机构称为子机构。侧重从机构的组合方法的不 同产生组合机构的不同效用角度介绍了一些组合机构。将组合机构分为简单组合机 构和非简单组合机构。简单组合机构定义为每个子机构只以其输入或输出构件与其 它子机构发生关系，它们在组合中仍能保持其原有结构，具备各自的相对独立性。 无此属性的称为1 简单组合机构。简单组合机构又分为串联组合机构和并联组合机 构。若干个子机构顺序连接，每一前置机构的输出运动是其后续机构的输入。称为 机构的串联组合。两个或多个子机构并列布置，公有一个输出构件，称为并联组合。 并联组合又分为顺序工作的组合和同时工作的组合两类。 文献 2 将基本机构归纳为三类：( 1 ) 由一个运动副将两个构件联接起来的“双 杆机构”；( 2 ) 所有包含机架、原动件( 一个或几个) 及一个杆组所组成的机构； 它又可分为：( a ) 各种包含一个i i 级组的单自由度或多自由度的单闭环多杆机构； ( b ) 各种包含一个【i i 级以上高级组的单自由度或多自由度的多闭环多杆机构；( 3 ) 基本定轴轮系和基本行星轮系是单自由度基本机构：基本差动轮系是双自由度基本 机构。基本机构定义为：除机架和原动件外还具有零个或一个杆组的机构称为基本 机构。将两个或几个基本机构联接成为一个机构称为机构的组合，其所得机构称为 组合机构。基本机构的组合方式和相应的组合机构有六种：串联式组合机构、并联 式组合机构、复合式组合机构、反馈式组合机构、迭联式组合机构、混合式组合机 构。其中并联式组合机构又分为两种：( a ) 原动件的一个运动同时输入给n 个并 列布置的单自由度基本机构，从而转换成为另n 个输出运动；而这n 个运动又输 入给同一个n 自由度的基本机构，再合成为一个输出运动：( b ) 两个或n 个基本 机构并列南置并公有一个输出构件。 文献 3 认为用相同组合方式组成的组合机构，就有相类似的运动分析和尺寸综 南京理t 入学绚卜擎位论丈凸轮连杆组合机构的特性分折与优化设计 合的方法。对新机构，只要能正确区分出它是由什么组合方式组成的，就可以找到 相应的分析其运动和进行尺寸综合的方法。根据便于进行运动分析和尺寸综合，将 组合机构分为串联式、并联式、反馈式、运载式和时序式五种。并就这五种组合机 构分别举了一些例子进行运动分析和尺寸综合 文献 4 将组合方式是串联式、并联式、叠合式c 如电动木马) 和叠联式( 如全 液压的挖掘机) 的机构归为机构的组合；而将组合机构定义为将两种或者几种基本 机构通过封闭组合而成的具有与原基本机构不同结构特点的复合式机构，主要型式 有复合式、反馈式、混合式等。 文献 5 认为组合机构并不是几个基本机构的一般串联，而往往是一种封闭式的 传动机构。而所渭封闭式传动机构，则是利用一个机构去约束或封闭另一个多自由 度机构，使其不仅具有确定的运动，而且可使从动件具有更多样化的运动形式或运 动规律。它归纳的机构的组合方式有：串联组合、并联组合、封闭式组合和装载式 组合。根据被串联构件的不同，机构的串联组合又可分为一般串联组合和特殊串联 组合。机构的并联组合可分为一般并联组合、特殊并联组合和汇集式并联组合，特 殊并联组合又可细分为有速比要求者、有轨迹配合要求者、有时序要求者和有运动 形式配合要求者。机构的封闭式组合可分为一般封闭式组合和反馈式封闭组合。机 构的装载式组合可分为单自由度的装载式组合和双自由度的装载式组合。文献 5 仅认为由机构的封闭式组合组成的部分机构才是组合机构，其它的组合方式所组成 的机构仅仅足机构的组合体。 文献 6 】认为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。而组合机构是由若干个基本机构按一定方式适当组合起来所组成的 一个具有新特性的新机构。认为机构的组合与组合机构含义有所不同，前者研究的 是机构的一般组合方式，得到的机构一般是机构的组合体，但通常不是组合机构： 而后者则研究机构的一些特殊组合机构，得到的是性能更加完善、运动形式更加多 样化的具有新特性的组合机构。组合机构常用的组合方式有：特殊串联组合、特殊 并联组合、封闭式组合和反馈式组合特殊串联组合定义为当后一级机构串接在前 一级机构中不与机架直接相联的浮动件上的串联组合。由几个基础机构共同驱动一 个从动构件或从动机构，使之产生复合运动的组合称为特殊并联组合。其中基础机 构通常宵两个或多个自由度。 文献 7 将组合方式归纳为串联式、并联式、复合式，叠联式、反馈式和混合式。 并将杆组法的思想用于分析组合机构的运动传递路线。 文献 8 讨论机构的叠加组合方式，提出了三种机构叠加方式和具体的叠加途 径。 文献 9 认为组合方法可分为串行联接、并行联接，混合联接、封闭式联接、叠 南京理t 大学硕1 掌位论丈凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 加联接五种，由串行联接、并行联接、混合联接、叠加联接所组成的机构系统称为 机构组合系统，封闭式联接所组成的机构系统称为组合机构系统。 文献 1 0 i 寸论两自由度机构和单自由度机构的封闭组合问题，提出了三种封闭 组合方法，结合其封闭组合原理进行- j g , j 新设计。实际上，文献r l o 是将部分并联 式组合、反馈式组合的机构根据其组合框图的封闭型而归入了封闭式组合。 从以上文献可以了解到，不同学者对基本机构的定义、组合机构的定义、组合 方式的种类以及机构的组合和组合机构的区别有不同的理解。有的认为由串联和并 联等组合方式组成的机构，组合后各机构的特征保持不变，将它们归入机构的组合， 而只是认为封闭式组合成的机构才是组合机构：有的认为串联和并联组合方式中特 殊的串联和特殊的并联组合成的机构才可以归入组合机构；大部分学者认为串联和 并联等组合方式虽然简单，但是由它们组合成的机构依然是组合机构。早期文献中 的组合方式的种类较少，越到后面组合方式也就越丰富。 2 2 本文关于基本机构和组合机构的定义 目静，大家普遍认为组合机构是由基本机构组合而成的，因此有必要首先明确 基本机构的定义。基本机构应具有简单和可组成各种组合机构的属性。最简单的机 构是各构件用运动副连接起来，只构成一个封闭形( 单闭环) 和不构成封闭形( 无 闭环) 且自由度为l 的机构。但组合机构常要用多自由度机构来组成，故基本机构 不能仅是自由度为1 的机构，还应包含多自由度的机构。由此，基本机构可分为两 大类： ( 1 ) 单闭环机构。 ( 2 ) 无闭环的开式机构 这咀末提及自由度数，即自由度数不限。 综上所述，基本机构可定义为只含有一个封闭形的单闭环机构和无闭环的开式 机构。由基本机构的定义，可将组合机构定义为：组合机构是由若干个基本机构按 一定方式适当组合起来的具有新特性的新机构。 机构的组合和组合机构含义有所不同，前者研究的是机构的一般组合方式，得 到的一般都足机构的组合体，少部分是组合机构，它可以同时具有许多不同的功能。 而后者则是由基本机构按一定的组合方式组合而来，它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且具有新特性的新机构机械加工用的机床就 是机构的组合体，它具有许多功能，而齿轮连杆机构就是组合机构，它综合了连杆 机构和齿轮机构的特点，不但使两者原有的性能得到改善，而且产生了两者所没有 的特性。机构的组合对基本机构的数目没有限制，而组合机构中的基本机构的数目 南京埋丁人学碗 学位论史凸轮连杆组合机构的特性分析优化设计 一般不是很多。机构的组合所研究的范围较大，而组合机构只是其中的一个特殊领 域。二者既有区别，又有联系。 2 3 按组合机构的基本机构种类分类 从广义上看，组合机构可以是机械、液压、气动和电动传动方式的组合。在机 械式中，又有剐性和挠性构件的不同。本文从机构学的角度出发，仅讨论由机械式 刚性构件组成的组合机构。 组合机构可以由同一种类的机构组成，如连杆机构和连杆机构、凸轮机构和凸 轮机构、齿轮机构和齿轮机构、槽轮机构和槽轮机构等；也可以由不同种类的机构 组成，如齿轮和连打组成的齿轮一连杆机构、凸轮和连杆组成的凸轮一连杆机构、 凸轮和齿轮组成的凸轮一齿轮机构等。这种分类的优点是直观，但缺点是没有揭示 出机构组合后内在的特征，即运动的特性和综合方法。为了便于进行组合机构的运 动分析和综合，通常可按机构组合方式的内在特征来分类，即按组合机构组成的结 构型式来分类。 2 4 按组合机构组成的结构型式分类 组合机构的运动特性主要决定于它的结构类型。由基本机构组成的组合机构尽 管其型式复杂多样，但j 日纳起来，其基本类型不外乎串联式、并联式、封闭式、反 馈式、装载式( 又称叠联式) 、混合式六种。 2 4 1 串联式组合机构 串联式组合机构是由两个或两个以上的基本机构串联而成，即前一个基本机构 的输出件( 一个或几个) 就是后一个基本机构的输入件( 一个或几个) ，从而使从 动件达到某种特定的运动规律或复杂的运动轨迹。 根掘被串接构件的不同，它又可分为如下两种： ( 1 ) 一般串联组合 后一级基本机构串联在前一级基本机构的一个与机架直接相联的构件( 连架杆) 上的组合方式称为一般串联组合。该连架杆既可以低副与机架相联，也可以高副与 机架相联。 对于摆动从动f r 盘状凸轮，摆动从动杆的摆角有限制，要小于两倍许用压力角， 一般只用到5 0 。为了实现给定运动规律，大于上述摆角的往复运动需要采用扩大 摆角的机构。图2 1 ( a ) 所示凸轮和导杆串联组成的组合机构就是其中的一个方 案。图( b ) 给出的是该机构的组合方式框图 南京理t 大学硕 学位论戈 凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 幽2 1 凸轮和导杆串联组成的组合机构 ( b ) 如图2 2 ( 8 ) 所示为钢锭热锯机构，它由双曲柄机构和益柄滑块机构串联两成， 双曲柄机构的输出曲柄3 就是曲柄滑块机构的输入曲柄。该机构能满足锯条( 即 滑块) 在工作行程时作近似等速运动，而回程时具有急回特性的要求。它的结构简 单。急回系数丈，生产效率高。图( b ) 是该机构的组合方式框图。 竺叫般曲柄机l l 曲柄滑块机p i 构1 - 2 3 - 6ii 构3 舢5 _ 6f ( b ) 图2 2 取曲柄机构和曲柄滑块机构串联组成的组合机构 ( 2 ) 浮动件串联 后一级机构串联在i j 一级机构不与机架直接相联的浮动构件的组合方式称为浮 动件串联组合。文献 9 又称之为特殊串联组合。 如图2 3 ( a ) 所示，构件2 、5 、6 和4 构成自由度为3 的无闭环开式基本机 构串联在四杆机构l 2 3 4 的连杆上的m 点处。预先设计肘点的轨迹，使之 某段为圆弧，取杆5 的长度为这段圆弧的曲率半径，并选取合适的构件6 的固定 铰链点位置，使得当m 点沿此段圆弧运动时，c 点刚好位于该圆弧的中心处，这 时从动件6 的运动将作较长时间的近似停歇。图( b ) 给出的是该组合机构的组合 方式框图。 南京理丁夫学硕卜学位论定凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 ( a ) 2 4 2 并联式组合机构 图2 3 浮动件串联的组合机构 ( b ) 同一个输入运动经由并行布置的两个或两个以上的基本机构产生两个或两个以 上的运动输出；或者多个输入运动经由并行布胃的多个基本机构输出后再由一多自 由度基本机构汇合而成一个输出运动；或者多个输入运动经由并行布置的多个基本 机构输出后共同驱动一个构件，使之产生复合运动；或者多个并行布置的基本机构 有共同的输入构件和共同的输出构件；或者同一个输入运动经由并行布置的多个基 本机构输出后再由一多自由度基本机构汇合成一个输出运动。由这种并行白置组合 而成的机构就叫并联式组合机构。并联式组合机构有五种，这晕列举两种。 ( 1 ) 两个或两个以上基本机构有共同的输入件，并保留各自的输出运动。 ( a ) 鼎1-2构 3 4 l 鼎构l - 2 - 3 4i ( b ) 幽2 4 并联式组合机构i 图2 4 ( a ) 所示两个共曲轴的曲柄滑块机构对点a 对称，故可使惯性力在轴 承a 处所引起的动压力得到完全平衡，改善了机构的动力性能。( b ) 为该机构的 组合方式框图，清晰表达了运动传递过程。 南京理t 人学坝i 学位论史 凸轮连杆组合机构的特件分析与优化设计 ( 2 ) 多个自由度为l 的基本机构的输出件与一个自由度为n 的基本机构的 运动输入构件分别围联而成。 图2 5 ( a ) 为两个定轴齿轮系共同驱动一个平面五杆基本机构，图( b ) 为该 机构的组合方式柢图，清晰表达了运动传递过程。 ( a ) 2 4 3 封闭式组合机构 b 4 5 6 哩i 齿轮机构 i7 - i 5 + l 齿轮机构l 二二 纨i6 - 4 5l 4 图2 5 并联式组合机构i i ( b ) 封闭式组合足利用一个单自由度的基本机构( 称为约束机构) 去封闭一个具有 两个或多个自由度的基本机构( 称为基础机构) 。具体地说，就是将多自由度的基 本机构( 通常为二自由度的基础机构) 中的某两个构件的运动，用单自由度的基本 机构联系起来，使之具有一定的函数关系，从而使整个机构成为一个单自由度机构。 这种组合机构的特征是：原动件的运动一方面传给一个单自由度基本机构，转 换后再传给一个双自由度的基本机构；同时，原动件的运动又直接传给该双自由度 基本机构，而后者再将两者合成为一个输出运动。图2 6 ( 8 ) 所示齿轮连杆机构， 原动件1 的转动方面直接输入五杆机构l 一2 3 4 5 ，另方面原动件的转 动) l 通过定轴轮系l 一4 5 输出t ，4 ，再把4 输入同一个五杆机构，最后由五 杆机构连打上的骈点输出所要求的轨迹当改变各杆的长度和两轮的传动比以及 两连架打的起始角的相位差时，则m 点便描绘出不同的轨迹。图2 6 ( b ) 为该机 构的组合方式框图。 2 4 4 反馈式组合机构 反馈式组合机构其实是种特殊的封闭式组合机构，它也是用一个或一组单自 由度的基本机构去封闭一个多自由度( 常为二自由度) 的基础机构。所不同的是， 多自由度的基础机构的输出运动，通过单自由度的约束机构后，又反馈回基础机构。 一五巧一的一2 冬 一为卜 劬最一 南京理丁人学霸 学付论史 凸轮连杆组合机掏的特性分析与优化设计 图2 6 封闭式组合机构 ( b ) 如图2 7 ( a ) 所示为用于齿轮加工机床中校正机构系统误差的蜗轮蜗杆和凸轮 的组合机构。此机构中的蜗柯蜗轮传动为一个二自由度的基础机构，这是因为蜗杆 l 的轴与机架组成圆拄副( 可以褶对转动和移动) 。蜗杆1 为原动件，等速旋转并 驱动蜗轮2 转动，与蜗轮做成一体的凸轮也随之旋转，它驱使移动从动件3 作往 复移动，而构件3 与蜗杆l 有联系，两者不能作相对位移，于是凸轮从动杆3 的输出位移又反馈输入给蜗杆。蜗杆的左右移动使蜗轮又产生一个附加转动，此附 加转动的转向可以与原蜗轮的转向相同或者相反。通过由凸轮廓线控制的跗加转动 的大小和转向便可补偿蜗轮的输出误差，使蜗轮获得精确的传动。图2 7 ( b ) 为该 组合机构的组合方式框图。 ( a ) 圈2 7 反馈式组合机构 ( b ) 南京理丁人学砌l 学位论空 凸轮迕杆组合机构的特性分析与优化设计 2 4 5 装载式组合机构 装载式组合机构是将基本机构装载于另一个基本机构的活动构件上而成。与其 它组合方式不同的是装载式组合机构中的基本机构问没有共同的机架。按装载和被 装载基本机构所共有的运动构件( 即装载在被装载基本机构上的基本构件) 数目的 不同，又可分为两类： ( 1 ) 基本机构共有的运动构件只有一个 如图2 8 ( a ) 所示电动木马即属此例。构件l 、2 、3 和4 构成的基本机构装 在由构件4 和机架5 构成的自由度为l 的无闭环基本机构的运动构件4 上构 件4 为两基本机构所共有。该装载式组合机构需要两个动力源才可满足要求。图c b ) 为该机构的组合方式框图， 图2 ，8 电动木马装载式组合机构 ( b ) ( 2 ) 两基本机构共有的运动构件不止一个 图2 9 ( a ) 所示机构为用于电风扇自动摇摆的装载式组合机构。基本机构( 蜗 轮蜗柯机构) 5 - - 2 - - l 装载于基本机构( 四杆机构) l 一2 3 4 上，其中蜗轮与 构件2 固联。当电动机带动电扇转动时，通过蜗轮蜗杆机构使四杆机构的构件l 作往复摆动。两基本机构所共有的运动构件为1 和2 两件。今以构件1 分别为 两基本机构的相对机架，就蜗轮蜗杆机构5 2 一l 而言，输a m 5 1 ，则构件2 相 对构件l 的相对运动珊2 i 就可以确定。随之由国2 i 可以确定四杆机构l - - 2 - - 3 - - 4 的纨i ，而l = 刊4 l ，故5 = 鸭l + c o l ，就确定了电扇的运动，该机构只需要一个 动力源。图( b ) 为该机构的组合方式框图。 南京理r 大学硬 学付论盘=凸轮违杵纽台机构的特件分析与优化设计 ( a ) 3 图2 9 电风扇自动摇摆装载式组合机构 2 4 6 混合式组合机构 ( b ) 以上五种组合方式可以说是最基本的组合方式，凡由以上组合方式中两个或两 个以上的组合方式组合而成的组合机构就称为混合式组合机构。 图2 ，1 0 ( a ) 是一种用于打印机的传动机构。四杆机构卜2 - 3 - 4 是双曲柄机构。 当原动件l 转动时，由双曲柄机构就可以确定构件3 的运动，也就确定了e 点的 运动。而构件3 和凸轮固联在一起，故凸轮的运动已知，凸轮驱动齿条6 ，确定齿 条6 的运动。由曲柄滑块机构3 - 5 - 7 - 4 就可以确定点f 的运动。齿条6 、齿轮7 和 输出齿条8 组成了个2 自由度的齿轮齿条机构。齿条6 和点f 的运动就产生 了齿条8 的往复运动。可以看出组合方式既不是串联，也不是并联，而是由串联 和并联组合方式共同组成的混合式组合机构。该机构中采用凸轮机构是为了修正齿 条8 的输出运动，使其在工作期达到近似匀速运动。图( b ) 是本文给出的该机构的 组合方式框图。 g ( a ) - 1 5 南京理t 人学硕i 学位论空凸轮连杆组合机构的特性分析与优化设计 图2 1 0 混合式组合机构 2 5 组合机构的主要功能 可见，相对于一般机构，组合机构具有很多新的特性和功能，主要有： ( 1 ) 能更好地实现给定的输出函数： ( 2 ) 能更好地实现给定的输出轨迹； ( 3 ) 能更好地实现刚体导引； ( 4 ) 可以实现输出构件的变速回转运动； ( 5 ) 可以进行数学运算。 ( 6 ) 可以实现大摆角、大行程和输出构件在一个运动循环中带有较长时间的停 ( 7 ) 使机构的运动性能和动力性能更好，运转更加平稳； 一1 6 - 南京理t 人学l j 贞i 学位论史 凸轮连杆组合机构的特件分析畸优化设计 3 凸轮连杆组合机构的设计理论分析 凸轮连辛t 组合机构在精确实现任意给定运动规律和运动轨迹方面具有无与伦 比的优越性，本文主要研究能实现任意给定运动规律的变连杆长度固定凸轮连杆机 构和变曲柄长度的固定凸轮连杆机构的设计。 固定凸轮一连杆组合机构设计时的第一步是根据工作要求和使用场合，确定从 动件的运动规律。 3 1 从动件的运动规律及其选择 3 i i 从动件运动规律的基本参数 从动件的运动规律主要由以下参数确定：推程运动角中、远休止角巾s 、回程运动 角中、近休止角中s7 、原动件转角e 、从动件行程h i n ( 摆程6 m ) 。各参数含义见图 3 1 1 、j 一 v 一 入。八一 v v 9 。： 中 中s 豳3 i i运动曲线 对于n 轮连打组合机构，原动件转动一周完成一个循环，即有： ， o + 巾+ o j + m ，= 3 6 0 * 各阶段角度的大小由机构的设计要求决定，也可进行适当调整，使机构获得更 南京埋t 人学砷i 学位论迂凸轮琏杆组合机掏的特性分析与优化设计 优的性能。 执行构件的参数： ( 1 ) 执行构件为移动件：冲程h m ，位移 = 厅( 口) ( 或s = j 徊) ) ，其中0 是主动件 的转角。 ( 2 ) 执行构件为摆动件：摆程6 m 角位移艿= 万( 占) ，其中9 是主动件的转角。 3 1 2 从动件运动规律的类型 3 1 2 1 基本运动规律 本系统设冒了四种基本运动规律：等速、等加速等减速、余弦加速度、正弦加速 度。它们的运动方程式如下： ( 1 ) 等速运动 o s 口m 厅；九鲁，v = 九善口= o 中s o s m + 中 h = 吃 ，= 0 ，口= 0 中+ m 。0 0 + 0 ，+ 中 | i l 引卜字) ，v 咄暑朋划 中+ 啦+ 砸s 口s 2 丌 h = 0 v = 0 ，口= 0 ( 2 ) 等加