平面凸轮设计及运动仿真系统的研究
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摘要
针对机构学领域发展趋势和当前实际需求，建立了新的平面凸轮设计理论模型，并在此基础上研制了平面凸轮设计及运动仿真系统，为凸轮设计提供了更通用、简便的方法，确保从动件实现特定运动规律或特定轨迹。
论文基于高副低代原理，将平面凸轮机构设计与再现函数的平面连杆机构设计统一为同一种方法，运用圆向量函数建立代换机构的位移、速度、加速度矢量方程式，求取虚拟连杆杆长和方向，由此展开凸轮理论廓线、实际廓线、曲率半径和压力角的求解，并得出用圆形刀具加工凸轮时刀具中心的轨迹方程。针对实现特定轨迹的凸轮一连杆组合机构设计问题，文中首先选取轨迹上有代表性的节点，采用样条插值法绘出光滑的轨迹曲线，进而具体分析从动件的位移、类速度、类加速度，最后对凸轮-连杆组合机构进行设计。
系统运用VB6.0以及相关接口函数构建了良好的人机交互界面，实现运动特性曲线绘制、数据文档的输出以及机构的运动仿真；基于ActiveX技术调用AutoCAD中对象，实现了凸轮廓线的图形绘制。该系统针对平面凸轮机构、凸轮-连杆组合机构中的凸轮进行设计，可应用于工程模拟、设计和计算机辅助教学。
Based on the analysis of the advance treads in the field of mechanics and the practical requirement, a new planar cam design theory model was proposed. And then using the new model, the planar cam design and simulation system were developed. It provided a more general and simple method for cam designs, and could ensure the follower follow the special movement rule or the special track.
In the paper, based on the method of low pair replacing with high pair, the problem of cam design was transferred to that of linkage design. By means of rotary unit vectors, the equations of displacement, velocity and acceleration of the replacement mechanisms were developed. And then, the virtual linkage's length and direction were deduced. Based on that, the theoretical and practical cam profile, curvature radius and pressure angle were calculated. Then the center's track equation of the circular cutter which was used to manufacture the cam was presented. For the problem of designing on combined cam mechanism which follows the given track, typical nodes in the track were selected at first. Then the spline interpolation method was employed to plot the smooth track. Finally, the combined cam mechanism was designed. This method could avoid the input of many trace points, and decrease the work times.
Using VB6.0 and related interface functions, a user-friendly interface of the design and dynamic simulation system of cam mechanism was developed. It could plot the track of the movement, produce the related documents and simulate the cam movement dynamically. By using ActiveX techniques to call the objects in AutoCAD software, the cam profile could be plotted interactively, the system could used to design the cam for planar and combined cam mechanisms in the fields of engineering simulation, design, and computer aided instruction(CAI).
论文基于高副低代原理，将平面凸轮机构设计与再现函数的平面连杆机构设计统一为同一种方法，运用圆向量函数建立代换机构的位移、速度、加速度矢量方程式，求取虚拟连杆杆长和方向，由此展开凸轮理论廓线、实际廓线、曲率半径和压力角的求解，并得出用圆形刀具加工凸轮时刀具中心的轨迹方程。针对实现特定轨迹的凸轮一连杆组合机构设计问题，文中首先选取轨迹上有代表性的节点，采用样条插值法绘出光滑的轨迹曲线，进而具体分析从动件的位移、类速度、类加速度，最后对凸轮-连杆组合机构进行设计。
系统运用VB6.0以及相关接口函数构建了良好的人机交互界面，实现运动特性曲线绘制、数据文档的输出以及机构的运动仿真；基于ActiveX技术调用AutoCAD中对象，实现了凸轮廓线的图形绘制。该系统针对平面凸轮机构、凸轮-连杆组合机构中的凸轮进行设计，可应用于工程模拟、设计和计算机辅助教学。
Based on the analysis of the advance treads in the field of mechanics and the practical requirement, a new planar cam design theory model was proposed. And then using the new model, the planar cam design and simulation system were developed. It provided a more general and simple method for cam designs, and could ensure the follower follow the special movement rule or the special track.
In the paper, based on the method of low pair replacing with high pair, the problem of cam design was transferred to that of linkage design. By means of rotary unit vectors, the equations of displacement, velocity and acceleration of the replacement mechanisms were developed. And then, the virtual linkage's length and direction were deduced. Based on that, the theoretical and practical cam profile, curvature radius and pressure angle were calculated. Then the center's track equation of the circular cutter which was used to manufacture the cam was presented. For the problem of designing on combined cam mechanism which follows the given track, typical nodes in the track were selected at first. Then the spline interpolation method was employed to plot the smooth track. Finally, the combined cam mechanism was designed. This method could avoid the input of many trace points, and decrease the work times.
Using VB6.0 and related interface functions, a user-friendly interface of the design and dynamic simulation system of cam mechanism was developed. It could plot the track of the movement, produce the related documents and simulate the cam movement dynamically. By using ActiveX techniques to call the objects in AutoCAD software, the cam profile could be plotted interactively, the system could used to design the cam for planar and combined cam mechanisms in the fields of engineering simulation, design, and computer aided instruction(CAI).
引文
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[3] 彭国勋，肖正扬．自动机械的凸轮机构设计．北京：机械工业出版社．1989：82～95
[4] 石永刚，徐振华．凸轮机构设计．上海：上海科学技术出版社，1995
[5] 姚海蓉 张云文．机械原理教学体系的框架重构，教育教学改革实践与探索．北京：中国农业大学出版社2003：135～137
[6] 高英敏．平面连杆机构多媒体分析系统的研究．北京：中国农业大学[硕士学位论文]，2003．9
[7] 葛正浩，冯涛，澎国勋．可以任意增加局部控制条件的凸轮机构通用多项式运动规律，机械科学与技术，1998，17(6)：986～987
[8] K Yoon, S S Rao. Cam motion synthesis using cubic splines. Trans. AS ME, J. Of Mech. Des., 1993, 115 (9)
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[31] 黄安清．柔性化平面凸轮机构CAD／CAM集成系统的研究．广州：广东工业大学[硕士学位论文]，2003
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