基于UG软件的串联式凸轮连杆机构的设计方法与运动分析

０ 引言
１ 凸轮 一连 杆组 合机构 的设 计
串联式组合机构是应用最为广泛 的组合 机构 ， 主 动 件 的运动 依次 通过 若 干 基本 机 构 ， 从 动 件 获 得某 使
一
图 １中 ， 凸轮旋 转一 周 ， 动滑 块 ４在动 程 内实 从 现给定 的往 复 、 歇运 动规 律 ｓ ｓ（ ） 设计 具有 良 停 ＝ ， 好传力 特性 的连 杆机 构和 凸轮机 构 。
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｒ ｅ ｔ ｉ ｒ ｖ ｅ ｃ ｅ ｃ ａ ｄ ｏ ｒ ｃｎ ｓ ｏ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｏ ｄ ｒ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｆ ｉｎ ｙ ｎ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓ ｆ ｈ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｃ ａ ｉｍ ｄ ｓｇ ｅ ｉｎ， ａ ｄ ｕ ｃ ｅ ｎ ｗ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ ｑ ｉ ｋ ｎ ｅ ｒｄ ｃｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｒ ｇ ｅ ｓ，ｔ ｉ ａ ｅ ｏ ｋ ａ ｌ ｋａ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｅ ｉ ｓ ｆｒ ａ ｘ ｍｐ ｅ，ｃ ｍｂ ｎ ｄ ＶＢ ｒ ｇ ａ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ｏ ｒ ｓ ｈｓ ｐ ｐ ｒ ｔ ｏ ｃ ｍ—ｉ ｇ ｃ ａ ｉｍ ｎ ｓ ｒｅ ｏ ｎ ｅ ａ ｌ ｎ ｏ ｉ ｅ ｐ ｏ ｒ ｌ Ｉ
— — Ｉ
ｚ
Ｓ 一 关系通过上述运算后可变换成 ： 关 系， 一 而 摇杆 实际摆 角为 ＝（ 加一 ） 因此 容 易 得 到 ：一 ： ， ｌ 关系 ；
２ ）由试取 的 Ａ Ｂ杆 长 度 ， 定 了 凸轮 的 基 圆半 径 决
ｒ（ Ｂ￣Ａ Ｏ Ｂ）
变化 （ 即改变 Ｓ 大小 ） 可求得一 系列 值 ， ， 这样 求 得 了 一 的关 系 ， 凸轮 机构设 计创 造 了条件 。 ｓ 为
Ｄ２
， ∞
４ ｒ
Ｈ
— —
１ ２ 凸轮机 构设计 ． １ ）求摇 杆 Ａ Ｂ摆 角与 凸轮转 角的关 系 。 由给定 的
ｃｃ） （Ｉ
可在试 取 的 Ａ Ｂ杆 长 度 附 近 搜 索 ， 满 足 。 ≤ 在 … ［ｔ 前提下 ， Ｏ］ 选取 最小的 ｆ 值 。 舳
２ 凸轮 一 杆组 合机构 的运 动仿 真 连
＝ ＋
图 １ 凸轮 连杆 组合机 构
Ｆｉｕ ｅ １ Ｃａ ｌｎ ａ ｅ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｍｅ ｈａ ｉｍ ｇ ｒ ｍ—ｉ ｋ ｇ ｏ ｉ ｅ ｃ ｎ ｓ
设 计要求 ： 按 。 为最小 确定 Ａ Ｃ杆和 Ｃ Ｄ杆 的长
度 ｆ、 。 ２ｆ ３
Ｕ Ｇ作为机械领域的高级三维软件 ， 它在计算机 辅 助设计 、 辅助 制造 、 助 工 程 、 品数 据 管 理 方 面都 辅 产
有卓 越 的性 能 。 在Ｕ Ｇ软 件 的建 模 模 块 中 ， 利用 表 达 式 工 具 和 可 规 律 曲线 功能 快速 、 精确 的生成 凸轮 轮廓 线 ， 可利 用 还
＠ １ ３ ｃ ｒ ６ ．ｏ ｎ
轻 工 机 械 Ｌｇ ｔｎ ｕｔ ｉ Ｉｄ ｓｙＭａｈｎｒ ｈ ｒ ｃｉｅ ｙ
２１ 年 第 １ ０２ 期
＋Ｘ２ —
￣ ｏ
杆 ２的接触 点 应 在 凸轮轮 廓线 推程 的起 点 ， 这样 就 确定 了 凸轮在轴 上 的安装位 置 。只需要 确定 各机 构尺 度参 数 。。 Ｊ
１ ）初 步确定 ｆ和 按 照最 大压 力角 最 小 的传 动 原 理 ， Ｄ点 所 在 导 路 应在 ｃ点 轨迹最 高 与最 低位 置 中间 ， 这样 在 整个 运 动
过程中， 可保证 较小 ， 同时应满足 ≤［ ］ 。 。
按 照上述 思路 初 步确 定 Ａ Ｃ长 度 Ｚ 和 Ｃ Ｄ杆 的 长
由 图 １可 看 出 ， 块 ４以 Ｄ 点 为 行 程 起 点 ， 杆 滑 摇
运动 规律 ， 在这 种组 合 机 构 中前一 机 构 的从 动件 往
往 又是 后一 机构 的主 动件 。凸轮 一连 杆机构 是使 用较 广 泛 的串联 式组合 机构 。利 用 凸轮机 构可使从 动 件实 现 较精 确 的运动规 律 ， 通 过 连杆 机 构 可 使从 动件 实 而
度 ｆ， 注意 以 Ａ点 为 圆心 ， ｆ 为半径 所作 的 圆弧 和 以滑
中间文件（ ．ａ） ｄｔ读人数据 ， 进行曲线绘制 ， 而完成 从 凸 轮 的三 维造 型 ， 而完成 凸轮 机构 的三维 造 型 ， 进 建立 机架 、 凸轮 、 杆 、 子 、 杆 、 块 、 摇 滚 连 滑 工作 台等 零 件 ， 然
Ｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｅ ｉｓＢａ ｅ ｉ ＵＧ ｏ ｔ ｒ ｃ ａ ｉｍ ｎ Ｓ ｒｅ ｓ ｄ Ｏｌ Ｓ ｆｗａ ｅ
ＸＵＥ ａ — ｎ， Ｘｉｏ ｗｅ ＣＡＩＸｉ ｏ ｈ ａ ａ —ｕ
（ ｃｏｌ ｆ ｃ ａｉ ｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｓｕｈｒ ａ ｇ ｅＵ ｉ ｒｔ， ｘ ２ ４ ２ ， ｉ ｇｕ ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｈ ｎ ａ Ｅ ｇｎｅｉ ，ｏｔｅｎＹ ｎｔ ｎｖ ｓｙＷｕｉ １ １２ Ｊ ｎｓ ，Ｃ ｉａ Ｍｅ ｃ ｎ ｚ ｅｉ ａ
Ｉ ｃ ｎ ｐ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｉ ｆ ｒ ｔｅ ｄ ｓｇ ｎ ｒ ｃ ｓｉ ｇ ｗｉ ｉｈ ｒ ｅ ｃｅ ｃ ． Ｔ ｉ ｍｅ ｈ ｄ ｃ ｎ ａｓ ｅ ｕ ｅ ｏ ｔ ａ ｒ ｖｄ ｈ ｈ ｏ ｙ ｂ ｓ ｈ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｔ ｈ ｇ ｅ ｆ ｉｎ ｙ ｓｏ ｈ ｉ ｈｓ ｔ ｏ ａ ｌｏ ｂ ｓ ｄ ｔ
置 （ ， ． 如 图 １所示 。 ｌ） ，
， ，
） ”
．
ｚ＝√（ 一 ２ ｎ ２ ３ 】 １ ｉ ） Ｄ １ ｉ ２ ， ｓ Ｔ ＋（ 一 ２ ｎ ） ｓＴ
（） ３
当取 ＝ ∞时 ， Ｓ ＝０ Ｘ Ｄ， 由试 取 的 Ａ ， 。： 。则 Ｃ 杆 长度 ｆ求得 Ｃ Ｄ杆 长度 Ｚ。然 后按 给 定 的运 动规 律 。
结合 Ｕ Ｇ三维造 型软件 ， 成功 实现 了凸轮 连杆机构的参数化设 计及运 动仿真 。该软件 系统 能在初 步给定连杆参 数及从 动件运动规律 的情 况下 ， 自动生成凸轮轮廓 参数 ， 并能对机构运动 的正确性 予以检 验 ， 为设 计 、 工提供 了理论依据 ， 加 极
大的提 高了机构设计效率。该方法还可用 于同类机构的设计。图 ４参 ９
ｓｍｕ ａｉｎ ｓ ｃ ｅ ｓｕ ｌ ． Ｂｙ ｔ ｉ ｙ ｔｍ ，ｃ ｍ ｒ ｆ ｅ ｐａ ａ ｔｒ ａ ｂ ａｎ ｄ ａ ｔ ｍａｉ ａｌ ｔ ｒｍｅ ｇ ｖ ｎ ｌ ａ ｅ ｉ ｌｔｏ ｕ ｃ ｓｆ ｌｙ ｈ ｓ ｓ ｓｅ ａ ｐ ｏ ｉ ｒ ｍｅｅ ｓｃ ｎ ｂｅ ｏ ｔｉ ｅ ｕ ｏ ｔ ｌｙ ｗｉ ｐ ｉ ｉｅ ｉ ｇ ｌ ｃ ｈ ｎｋ ｐａ ａ ｔｒ ｎ ｏｌｗｅ ｔｏ ｕｌ ｒ ｍｅ ｅ ｓａ ｄ ｆｌｏ ｒｍｏｉ ｎ ｒ ｅ，ａ ｌ ａ ａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｔ ｓ ｎｄ ｖ ｒｆ ｏ ｒ ｃｎ ｓ ｆｔ ｅ ｍｅ ｈａ ｉｍ ｉ ｅ ｔｃ ． ｓｗｅ ｌ ｓｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｔ ｅ ｔａ ｅ ｉ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓｏ ｈ ｃ ｎ ｓ ｋ ｎ ｍａ ｉｓ ｙ
基 子
软件 串联或 轮连杆 枫掏 的 设计 赤 法 运 动纷析
薛小雯 ，蔡小 华
（ 南大 学 机械 工程 学 院 ，江 苏 无锡 江 ２４２ ） １１２
摘
要 ： 了提 高机构设计的效率和准确性 ， 为 加快产品开发的进程 ， 串联 式凸轮连杆组合机 构为例 ， 以 利用 Ｖ Ｂ语 言编程
后 在装 配 模 块 中进 行 装 配 ， 后 在 Ｕ 的 运 动 模 块 最 Ｇ （ ｔｎ 中 ， 凸轮机 构进 行运 动仿 真 和运 动分 析 ， Ｍｏｉ ） 对 ｏ 通 过 仿真运 动过程 可判 断机 构 的运动结 果是 否与 设计 相
一
块行程 的终端 Ｄ 为 圆心、 为半径作 的圆弧应相交 ； ｆ ，
收稿 日期 ：０ １ ３１ ； 回 日期 ：０ １ ５ ３ ２ １－ —０ 修 ０ ２１－ － ０ ０
作 者简 介 ： 薛小雯 （９ ７ ， ， １６ ） 女 山西 吕梁人 ， 副教授 ， 长期从事机构 学和计算 机 图形 学的教学 和科研工 作。Ｅｍ ｉ：ｕｘ ｏ ｅ６ — ａ ｘｅｉ ｗ ｎ ７ ｌ ａ
第３ ０卷 第 １ 期
轻 工 机 械
Ｌｉ ｈ ｎ ｓｒ ａ ｈ ｎｅ ｙ ｇ ｔＩ ｄｕ ｔ ｙ Ｍ ｃ ｉ ｒ
Ｖ０ ． Ｏ Ｎｏ １ １３ ．
２１ ０ ２年 ２月
Ｆｂ２ ２ ｅ ． ０ｌ
［ 研究 ・ 设计］
Ｄ Ｉ ０３６／．ｓ． ０－ ９． １．１ ０ Ｏ： ．９９ｊｓ １ ５ ８５２ ２０． ８ １ ｉｎ ０ ２ ０ ０
Ｊ
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ｌ
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一
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／ １
ｃ
ｒ ＝√（Ａ ｉ ２一 １ ６ １ ｓ Ｔ０ Ｙ） Ｂｎ ＋（ Ｂｏ ２一 ） １ ｃｓ ０ １ Ａ Ｔ ３ ）按 凸轮 机构 压力 角 ｏ ≤［ ］ 凸轮 尺 寸尽 ｔ 。 。 及 可能 小 的原 则 ， 计 凸轮 轮 廓 ， 括 理 论 廓 线 和 实 际 设 包 廓线 。
关
键
词 ： 构学； 机 凸轮一 连杆机构 ； 参数化设计 ； 运动仿真
文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：０ ５２ ９ （ ０２ ０ －０ １０ １０ －８ ５ ２ １ ） ｌ ３ － ０ ４
中图分类号 ：Ｈ１２ Ｔ １
Ｓｔｕｃｕｒ ｓｇ ｎ ｎｅ ａ ｉｓＡｎａｙ ｉ ｎ ｔ ｅ Ｃａ — ｎｋ ｇ ｒ ｔ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｋｉ ｍ ｔｃ ｌ ｓｓｏ ｈ ｍ Ｌｉ ａ ｅ
ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｔ Ｕ ３ ｓ ｆ ｒ ｏ ａ ｈｅ ｅ ｃ ｍ— ｎ ａ ｅ ｏ ｉ ｅ ｃ ａ ｉ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓ ｗｉ ｈ Ｇ ｏ ｗａｅ ｔ ｃ ｉｖ ａ ｌ ｋ ｇ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｍｅ ｈ ｎ ｓ Ｄ ｔ ｉ ｍ ｄ ｓｇ ｂ ａ ａ ｔｒ ｎ ｙ ａ ｃ ｅ ｉｎ ｙ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ
滑块机 构 的 ｓ ： 滚 子摆 动 从 动 件 凸轮 机 构 的 一 与
一
关系 是 同一 变化 周期 的 ， 两者 的转速 比为 １ 滑 故 ；
现 回转运动 ， 或进行远距离的运动传递 ， 并可使从动滑 块 得 到较大 的动程 日， 同时凸轮 的尺 寸又不 大 ¨ 。 Ｊ
块 ４的起 点 为 Ｄ 时 ， ０ 则摇 杆 Ａ Ｓ ＝ ， Ｃ的左 极 限 位 置 为 Ａ 与 轴 的 起始 位 置 角为 。这 时凸 轮 １与 摇 Ｃ， ，
１ １ 连杆机 构尺 度参数 的确 定 ．
ｚ ＝ ａｒ ｔ ｎ ｃａ
［ｊ＿ ２ （ ｙ ｃ＿ ］ ２ ＋— Ｙ ＋ ） ２ Ｘ
＿
ｃ
式
已知 条 件 ： 块 ４在 动 程 Ｈ 内实 现 给 定 运 动 规 滑 律， 连杆 机 构 的起 始 位 置 Ａ 。 Ｄ， ） 摇 杆 Ａ Ｃ Ｄ （ 。ｙ ， Ｃ 的 起始 位 置 角 （ 加） 固定 铰 接 点 Ａ、 ， ０与 导 路 的相 对 位
ｏｈｒｓ ｌｒ ｅｈｎｓ ｅｉ ． Ｃ ， ｇ９ｒｆ］ ｔｅ ｉ ａ ｃａｉ ｄｓ ｎ ［ ｈ４ｆ ． ｅ． ｍｉ ｍ ｍ ｇ ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ： ｃ ａ ｉｍ ；ｃ ｍ—ｉ ｋ ｇ ｃ ａ ｉｍ ；ｄ ｓｇ ｅ ｙ ｐ ｒ ｍｅｅ ；ｋ ｎ ｍａｉ ｓａ ａｙ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ａ ｌｎ ａ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｅ ｉ ｎ ｄ ｂ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｅ ｔｃ ｎ ｌ ｓｓ