平面凸轮设计与运动仿真系统的分析

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1、主里查些大学硕士学位论文绪论前学科发展形势的CAI课件，是各学校纷纷开展的工作15,61。在平面机构领域建立更系统、完善、通用性更强的的机构设计的数学模型，并在此基础上就研制凸轮设计与运动仿真系统可缩短生产设计周期，并可提高机构分析的教学效果。1．2凸轮机构研究的历史与现状1．2．1基础理论的研究历史和现状凸轮的使用，最早可上溯到东汉时期杰出的科学家张衡发明的水力天文仪中，至本世纪初，资本主义工业化的进展要求人们设计出高速自动机械，以提高E机、汽车运用内燃机配气机构进行』=作的性能，凸轮机构的系统研究随之展开。20年代，弗尔

2、曼(FD．Furman)等人山版了早期的凸轮专著。30年代，机械研究人员开始对内燃机配气机构所用凸轮从动件系统的振动作初步研究。40年代以后，由于内燃机转速增加，引起故障增多，开始对配气凸轮机构以及自动机械方面运用的高速凸轮机构的振动进行深入研究，从而由对凸轮机构的经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学分析。在此期间，人们注意到刚度对凸轮机构动力学响应有明显的影响。50年代，米切尔首先开始对凸轮机构进行实验研究，记录了三种基本运动规律的从动件动力学响应。随着仪表机械的发展，不少学者用高速摄影机，加速度分析仪和动态虑变仪的等

3、仪表，对高速凸轮机构的动力学响应进行了测量，获得了许多重要成果。凸轮的运动学分析首先是研究它的运动规律。几乎所有关于凸轮的专著”“，都对运动规律进行了系统介绍。早期设计人员主要研究适合低速机构的等速、简谐、摆线、圆弧等基本运动规律，60年代后，各种适合于中速与高速的优良运动规律相继提出，基本上满足了中、高速凸轮机构的要求。日本牧野洋等人提出了简谐梯形组合运动规律，韦伯、盖特曼与弗鲁德斯坦等人提出了富氏级数运动规律，斯托达德与福西特等提出了多项式动力运动规律。近期～些学者义提出一些用样条函数设计出的凸轮机构运动规律，这些运动规

4、律具有较好的适应性，特别适合于进行动力分析，因曲线生成较复杂，还在进一步研究中p⋯。确定从动件运动规律后，需选择从动系统类型、进行机构尺寸综合并设计凸轮轮廓，这是凸轮运动学分析比较困难的一个课题【91。早期的T程技术人员多采用作图法绘制凸轮轮廓”““J，这种方式简易直观，但效率低、精度差，很难精确的得到压力角和曲率半径等设计参数。与此同时，许多学者在研究解析法，就某些简单的运动规律和特定的凸轮从动件系统提出不同的解析公式和专业数表。克鲁莫克等人分析了凸轮压力角：卡弗等对曲率半径进行了探讨。随着电子计算机的使用，传统的图解法和

5、解析法都得到了新的发展。图解法中渗进图形软件的运用，使凸轮廓绘制更精确，主要设计方法为以CAD软件为设计平台．基于图解法(反转法)的设计原理，用交互式作图方法设计凸轮廓线[12,131。目前．解析法研究领域侧重发展便于崩计算机求解及便于编制通用程序的各种新算法，其中，瞬心法(Polarmethod)可同时确定压力角、平面凸轮轮廓和凸轮曲率半径[4,14-16I，复变量法(Complexvariablemethod)可同时求得压力角和曲率半径ml，共轭曲面法和等距曲面法用于设计平面凸轮轮廓[2,15,19】。对于圆柱与桶形空间

6、凸轮轮廓，多采用平面凸2中国农业人学硕士学位论文绪论轮的公式进行近似计算，以得到局部轮廓的压力角与曲率半径数据，精确的计算则必须运用微分几何及空间曲面啮合原理pJ。学者HJ还致力于在基本方法的基础上建立处理机构设计问题的统一框架，安徽工业大学的张玉华和韩国昌原大学辛重镐等最新提出适用丁各种平面凸轮廓设计的通用方法——相对运动法：基于反转原理的通用模型，利用坐标系和齐次坐标变换技术，由从动件相对凸轮运动的的相对速度、相对加速度和从动件的表面法线导出平面凸轮的轮廓方程、压力角和曲率半径的一般表达式[20,21]；一些文献中开始探

7、讨连杆机构、凸轮机构之间的关联，用高副低代的方法将凸轮和连杆设计问题统一起来口’“J。凸轮机构动力学研究也是当前十分活跃的研究领域，正不断向纵深发展。考虑构件弹性、间隙和其它实际运行冈素建立的动力学模型，能使所得结果更接近丁真实的运动情况。关于动力学研究方面的文献在机构学中占有相当多的篇幅125]，其中克斯特(Koster)的专著中系统地讨论了凸轮机构的动力学模型。目前，动力学研究己从建立单自由度模型发展到建立涉及许多实际因素的多自由度模型；对凸轮机构进行的有限元分析亦己展开；非线性问题日益受到重视。凸轮机构的材料匹配，以及

8、润滑问题，在凸轮机构中亦占有重要地位，随着材料科学、机械加工T艺学、摩擦学等学科的发展，也得到更完善的解决方法p”。来虔等人提出按摄佳加速度设计凸轮廓线，克瓦凯、马克等提出按残留振动为日标函数设计凸轮轮廓，威德里奇则提出按位移的均方根误差为目标函数来控制凸轮轮廓的谐量。目前广泛使用的目标函