基于MATLAB和Pro_E凸轮连杆推送机构设计
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Sm-直动总行程；
76 机械工程师 2009 年第 8 期
制造业信息化
仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION
φ1-升程运动对应的曲柄转角；φ2-最高位置停留对应的 曲柄转角；φ3-降程运动对应的曲柄转角；φ4-最低位置停 留对应的曲柄转角；φ1＋φ2＋φ3＋φ4=360°。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
6结论
（2）：1-3.
（1）运用 Matlab 编程实现凸轮连杆机构的计算机辅 助设计计算，得到了各连杆长度以及凸轮曲线的轨迹，并 绘制出凸轮压力角图以及从动杆理论上的位移、速度和 加速度图。
车的门架为例，进行了基于 STAAD 的有限元分析及检验，检验结果表明设计合理。
关键词：钢模台车；有限Βιβλιοθήκη Baidu分析；STAAD
中图分类号：TV53; TH123
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）08－0078－02
Design of the Steel Mold Trolley Gantry Based on STAAD ZENG Xiang-liang, XIAO Lu
15.571×2.45=856t，水平方向力：20.23×10.2×46.06=950t。千
超强的分析能力：二维/三维静力、动力、失稳、非线
斤顶作用于门架上的力分别为 F1 和 F（2 如图 1）。其中 F2= 性、瞬间动力反应、稳态动力反应、地震反应分析等几乎
950/48 等于侧压力除以千斤顶的数目。F1 为顶模板上方水 所有的工程计算问题。
3 计算流程图 该机构相当于是曲柄
滑块机构，但是连杆的长度 可变，即 BD 在 bmin 至 bmax 的范围内变化。C 点即凸轮 的轮廓线。利用 Matlab 编 制凸轮连杆机构的设计程 序的流程图如图 3 所示 。 ［4、5］ 4算例
初始参数如表 1，从动 杆的运动规律为简谐运动 规 律 运 动 ［6，7］，其 函 数 如 式 1。经过利用 Matlab 编程计算得到的各杆的长度如表 2 所示，凸轮轮廓上各点的坐标值如表 3 所示。凸轮压力角 如图 4 所示，最大压力角发生在推程段，其值为 27.4°，小 于许用压力角 45°［6］，经验证设计合理。从动件理论上的 位移、速度和加速度图分别如图 5、6、7 所示。
为设计适应高速度高精度要求的固定凸轮与连杆组 合机构，它常用来推送行程较大的块状物品［3］。本文通过
MATLAB 编 程 并 借 用 其强大的数值计算功 能和可视化功能，以解 析法来计算该机构的 连杆长度以及凸轮轮 廓上各点坐标值，绘制 凸轮上各点的压力角 以及从动件理论上的 位移、速度和加速度 图。最后利用凸轮轮廓 数据、各连杆的长度数 据在 Pro/E 建立机构的 三维装配图，并对该机 构进行运动学的仿真 分析。
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
基于 STAAD 的钢模台车门架设计
曾祥亮， 肖露 （三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002）
摘 要：分析了三峡大坝右岸地下电站尾水洞钢模台车的门架的约束和载荷，叙述了 STAAD 的特点及分析步骤。以台
s= h （1－cos（π δ））
2
δt
v= ds = πhω sin（π δ）
dt 2δt
δt
a= dv dt
=
π2hω2 δ2
t
cos（π δt
δ）
5 Pro/E 运动仿真分析
（1）
利用 Matlab 计算出的理论轮廓线各点的坐标值和各
杆的长度在 Pro/E 中绘制凸轮和各杆的三维模型图，凸轮
如图 8 所示。然后将各零件装配成机构，如图 9 所示。并
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）08－0076－03
Design of Cam and Link Pusher Based on MATLAB and Pro/E HE Bing, SHAO Jun, LIU Dian
（Institute of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412008，China）
该推送机构有两 种形式：一是曲柄 AB 推着杆件 BC 运动，杆 件 BC 承受压力；二是 曲柄 AB 拉着 BC 杆运 动，杆件 BC 承受拉力。 2.2 基本参数
为 研 究 方 便 ，特 规定：以曲柄回转中 心 A 为坐标的原点， 并作 x、y 轴。对于直 动从动类型 （见图 2 所示），y 轴与从动杆 的运动方向平行。基 本参数有：
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
基于 MATLAB 和 Pro/E 凸轮连杆推送机构设计
贺兵， 邵军， 刘典 （湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412008）
摘 要：以设计高速度高精度的推送机构为目的，运用 MATLAB 编程实现固定凸轮与连杆组合机构的计算机辅助设计
Abstract： In order to desinging pusher of high speed and precision, in this paper using software matlab, fixed cam and link combination mechanism is designed. Firstly, the length of links and the value of the cam's points are calculated. Secondly, the pressure angle of the cam's points and the theoretic displacement, velocity and acceleration graph of driven link are drawn out. Finally, using software Pro/E the model of the pusher is created and kinematics simulation of the mechanism is processed, displacement and velocity graph is gained, which is consistent with theoretic graph. Key words： pusher; cam and link mechanism; pressure angle; matlab
钢模板混凝土衬砌台车是以电动机驱动行走机构带 泥的重力加上顶模板自
动台车行走，利用液压油缸和螺旋千斤顶调整模板到位 重除以千斤顶的数目。顶
及收模的隧道混凝土成形的机器。它具有结构可靠、成本 模板自重约为 140t，所以
较低、衬砌速度快、成型面质量好、操作方便等优点［1，2］。三 峡大坝右岸地下电站尾水洞的浇注采用钢模板混凝土衬
进行运动学仿真分析［8］，得到从动件的位移和速度图，如
图 10、11 所示。该运动图与采用 Matlab 解析法得到的位
移和速度图比较，图形和数据基本吻合，说明采用 Matlab
软件解析法求解凸轮和连杆机构各数据不仅方便，而且
精度高，得到的机构能满足高速要求。
机械工程师 2009 年第 8 期 77
!!!!!!!!!!!!!!!! 基金项目：湖南工业大学教学与改革资助项目（08D14）
2 固定凸轮与连杆组合机构工作原理及基本参数 2.1 工作原理
固定凸轮与连杆组合机构的结构简图如图 1 所示，原 动杆件 AB 按逆时针方向转动，驱动铰销 C 上的滚动轴承 6 在固定槽凸轮 4 的槽内运动，再通过连杆 CD 使推送杆 （即滑块）按预定规律作上下往复移动。这种直动从动杆类 型的固定凸轮与连杆组合机构相当于连杆长度可变的曲 柄滑块机构，曲柄为 AB，滑块为推送杆，连杆为 BD，在运 动过程中连杆 BD 的 长度是变化的［3］。
计算，得到各连杆长度以及凸轮轮廓各点的坐标值，并绘制出凸轮上各点的压力角以及从动件理论上的位移、速度和加
速度图。利用 MATLAB 编程得到的数据在 Pro/E 中建立机构的三维装配图，并进行运动学仿真分析，得到的位移图和
速度图与在 Matlab 绘制的理论上的运动参数图比较一致，数据偏差很小。
关键词：推送机构；凸轮连杆机构；压力角；Matlab
（College of Mechanical Material, China Three Gorges University, Yichang 443002, China）
Abstract： This paper studies the loads and the constraint conditions of the gantry of the steel mold trolley that is used in the tail channel of SanXia underground power station, describes the characteristics of STAAD and analysis steps. Finally, through the use of steel software STAAD, the design results of the gantry is tested. The testing results show that the design is reasonable. Key words： steel ttrolley; finite element analysis; STAAD
1引言 目前，包装机械正向着高速度、高精度和高质量的方
向发展［1］，包装机械大量使用凸轮连杆机构作为实现给定 运动参数的最可靠而经济的传动机构，该机构需要根据 工作循环图和精度要求独立设计计算凸轮连杆机构的运 动学和动力学参数，其中最关键的凸轮轮廓的设计，因为 凸轮轮廓坐标误差哪怕只是 0.01mm，都可能导致执行机 构百分之几十的动作误差 。 ［2］
F1=996/18=55.3t。 2 STAAD 的特点
砌台车。该台车高×宽×长=25m×15m×10.2m，重达 280t。
STAAD 是 美 国
1 台车载荷、门架受力及简化
Bentley 公司一个功能极
台车工作时主要有顶模板上方水泥的重力、侧面水泥 其强大的工程分析计算
的侧压力［3］。当浇注厚度为 2.2m 时，垂直方向力：2.2×10.2× 软件，其重要特点有：
当 φ1>φ3 时，应用曲柄 AB 拉着杆件 BC 运动的方案； 当 φ1<φ3 时，应选用曲柄 AB 推着 BC 杆运动的方案。φ1= φ3 时，可任选其中一种方案。这里只讨论第二种方案— —— AB 杆推着 BC 杆运动的情况。
e-y 轴与 D0D1 线的间距，简称偏心距；取 e=0～0.2Sm。 h-铰销 D 至 x 轴的最小距离；从结构紧凑和减小凸 轮压力角考虑，应将 h 值取小些。但 h 值愈小，对从动杆 驱动力的压力角也愈大。通常取 h≥Sm。 a-曲柄 AB 长；若 a 值过小，会使凸轮压力角明显增 大，甚至不能实现预期运动。可取 a=（0.6~0.9）Sm。 b1、b2-杆件 BC、CD 长； δ-从动杆升程运动起始时刻的曲柄位置 AB0 和 y 轴 负轴的夹角，δ=180°－∠B0AY。其值对凸轮的压力角影响极 大，δ 过小或过大（尤其是过大），会使压力角急剧增加［3］。
（2）利用 Matlab 编程得到的数据在 Pro/E 中建立机 构的三维装配图，并进行仿真分析，得到位移图和速度
［3］ 许林成，彭国勋．包装机械［M］．长沙：湖南大学出版社，1989： 137-143.
［4］ 周开利，邓春晖．MATLAB 基础及其应用教程［M］．北京：北京大 学出版社，2005.
76 机械工程师 2009 年第 8 期
制造业信息化
仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION
φ1-升程运动对应的曲柄转角；φ2-最高位置停留对应的 曲柄转角；φ3-降程运动对应的曲柄转角；φ4-最低位置停 留对应的曲柄转角；φ1＋φ2＋φ3＋φ4=360°。
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6结论
（2）：1-3.
（1）运用 Matlab 编程实现凸轮连杆机构的计算机辅 助设计计算，得到了各连杆长度以及凸轮曲线的轨迹，并 绘制出凸轮压力角图以及从动杆理论上的位移、速度和 加速度图。
车的门架为例，进行了基于 STAAD 的有限元分析及检验，检验结果表明设计合理。
关键词：钢模台车；有限Βιβλιοθήκη Baidu分析；STAAD
中图分类号：TV53; TH123
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）08－0078－02
Design of the Steel Mold Trolley Gantry Based on STAAD ZENG Xiang-liang, XIAO Lu
15.571×2.45=856t，水平方向力：20.23×10.2×46.06=950t。千
超强的分析能力：二维/三维静力、动力、失稳、非线
斤顶作用于门架上的力分别为 F1 和 F（2 如图 1）。其中 F2= 性、瞬间动力反应、稳态动力反应、地震反应分析等几乎
950/48 等于侧压力除以千斤顶的数目。F1 为顶模板上方水 所有的工程计算问题。
3 计算流程图 该机构相当于是曲柄
滑块机构，但是连杆的长度 可变，即 BD 在 bmin 至 bmax 的范围内变化。C 点即凸轮 的轮廓线。利用 Matlab 编 制凸轮连杆机构的设计程 序的流程图如图 3 所示 。 ［4、5］ 4算例
初始参数如表 1，从动 杆的运动规律为简谐运动 规 律 运 动 ［6，7］，其 函 数 如 式 1。经过利用 Matlab 编程计算得到的各杆的长度如表 2 所示，凸轮轮廓上各点的坐标值如表 3 所示。凸轮压力角 如图 4 所示，最大压力角发生在推程段，其值为 27.4°，小 于许用压力角 45°［6］，经验证设计合理。从动件理论上的 位移、速度和加速度图分别如图 5、6、7 所示。
为设计适应高速度高精度要求的固定凸轮与连杆组 合机构，它常用来推送行程较大的块状物品［3］。本文通过
MATLAB 编 程 并 借 用 其强大的数值计算功 能和可视化功能，以解 析法来计算该机构的 连杆长度以及凸轮轮 廓上各点坐标值，绘制 凸轮上各点的压力角 以及从动件理论上的 位移、速度和加速度 图。最后利用凸轮轮廓 数据、各连杆的长度数 据在 Pro/E 建立机构的 三维装配图，并对该机 构进行运动学的仿真 分析。
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
基于 STAAD 的钢模台车门架设计
曾祥亮， 肖露 （三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002）
摘 要：分析了三峡大坝右岸地下电站尾水洞钢模台车的门架的约束和载荷，叙述了 STAAD 的特点及分析步骤。以台
s= h （1－cos（π δ））
2
δt
v= ds = πhω sin（π δ）
dt 2δt
δt
a= dv dt
=
π2hω2 δ2
t
cos（π δt
δ）
5 Pro/E 运动仿真分析
（1）
利用 Matlab 计算出的理论轮廓线各点的坐标值和各
杆的长度在 Pro/E 中绘制凸轮和各杆的三维模型图，凸轮
如图 8 所示。然后将各零件装配成机构，如图 9 所示。并
中图分类号：TP391.7
文献标识码：A
文章编号：1002－2333（2009）08－0076－03
Design of Cam and Link Pusher Based on MATLAB and Pro/E HE Bing, SHAO Jun, LIU Dian
（Institute of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412008，China）
该推送机构有两 种形式：一是曲柄 AB 推着杆件 BC 运动，杆 件 BC 承受压力；二是 曲柄 AB 拉着 BC 杆运 动，杆件 BC 承受拉力。 2.2 基本参数
为 研 究 方 便 ，特 规定：以曲柄回转中 心 A 为坐标的原点， 并作 x、y 轴。对于直 动从动类型 （见图 2 所示），y 轴与从动杆 的运动方向平行。基 本参数有：
制造业信息化
MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP
基于 MATLAB 和 Pro/E 凸轮连杆推送机构设计
贺兵， 邵军， 刘典 （湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412008）
摘 要：以设计高速度高精度的推送机构为目的，运用 MATLAB 编程实现固定凸轮与连杆组合机构的计算机辅助设计
Abstract： In order to desinging pusher of high speed and precision, in this paper using software matlab, fixed cam and link combination mechanism is designed. Firstly, the length of links and the value of the cam's points are calculated. Secondly, the pressure angle of the cam's points and the theoretic displacement, velocity and acceleration graph of driven link are drawn out. Finally, using software Pro/E the model of the pusher is created and kinematics simulation of the mechanism is processed, displacement and velocity graph is gained, which is consistent with theoretic graph. Key words： pusher; cam and link mechanism; pressure angle; matlab
钢模板混凝土衬砌台车是以电动机驱动行走机构带 泥的重力加上顶模板自
动台车行走，利用液压油缸和螺旋千斤顶调整模板到位 重除以千斤顶的数目。顶
及收模的隧道混凝土成形的机器。它具有结构可靠、成本 模板自重约为 140t，所以
较低、衬砌速度快、成型面质量好、操作方便等优点［1，2］。三 峡大坝右岸地下电站尾水洞的浇注采用钢模板混凝土衬
进行运动学仿真分析［8］，得到从动件的位移和速度图，如
图 10、11 所示。该运动图与采用 Matlab 解析法得到的位
移和速度图比较，图形和数据基本吻合，说明采用 Matlab
软件解析法求解凸轮和连杆机构各数据不仅方便，而且
精度高，得到的机构能满足高速要求。
机械工程师 2009 年第 8 期 77
!!!!!!!!!!!!!!!! 基金项目：湖南工业大学教学与改革资助项目（08D14）
2 固定凸轮与连杆组合机构工作原理及基本参数 2.1 工作原理
固定凸轮与连杆组合机构的结构简图如图 1 所示，原 动杆件 AB 按逆时针方向转动，驱动铰销 C 上的滚动轴承 6 在固定槽凸轮 4 的槽内运动，再通过连杆 CD 使推送杆 （即滑块）按预定规律作上下往复移动。这种直动从动杆类 型的固定凸轮与连杆组合机构相当于连杆长度可变的曲 柄滑块机构，曲柄为 AB，滑块为推送杆，连杆为 BD，在运 动过程中连杆 BD 的 长度是变化的［3］。
计算，得到各连杆长度以及凸轮轮廓各点的坐标值，并绘制出凸轮上各点的压力角以及从动件理论上的位移、速度和加
速度图。利用 MATLAB 编程得到的数据在 Pro/E 中建立机构的三维装配图，并进行运动学仿真分析，得到的位移图和
速度图与在 Matlab 绘制的理论上的运动参数图比较一致，数据偏差很小。
关键词：推送机构；凸轮连杆机构；压力角；Matlab
（College of Mechanical Material, China Three Gorges University, Yichang 443002, China）
Abstract： This paper studies the loads and the constraint conditions of the gantry of the steel mold trolley that is used in the tail channel of SanXia underground power station, describes the characteristics of STAAD and analysis steps. Finally, through the use of steel software STAAD, the design results of the gantry is tested. The testing results show that the design is reasonable. Key words： steel ttrolley; finite element analysis; STAAD
1引言 目前，包装机械正向着高速度、高精度和高质量的方
向发展［1］，包装机械大量使用凸轮连杆机构作为实现给定 运动参数的最可靠而经济的传动机构，该机构需要根据 工作循环图和精度要求独立设计计算凸轮连杆机构的运 动学和动力学参数，其中最关键的凸轮轮廓的设计，因为 凸轮轮廓坐标误差哪怕只是 0.01mm，都可能导致执行机 构百分之几十的动作误差 。 ［2］
F1=996/18=55.3t。 2 STAAD 的特点
砌台车。该台车高×宽×长=25m×15m×10.2m，重达 280t。
STAAD 是 美 国
1 台车载荷、门架受力及简化
Bentley 公司一个功能极
台车工作时主要有顶模板上方水泥的重力、侧面水泥 其强大的工程分析计算
的侧压力［3］。当浇注厚度为 2.2m 时，垂直方向力：2.2×10.2× 软件，其重要特点有：
当 φ1>φ3 时，应用曲柄 AB 拉着杆件 BC 运动的方案； 当 φ1<φ3 时，应选用曲柄 AB 推着 BC 杆运动的方案。φ1= φ3 时，可任选其中一种方案。这里只讨论第二种方案— —— AB 杆推着 BC 杆运动的情况。
e-y 轴与 D0D1 线的间距，简称偏心距；取 e=0～0.2Sm。 h-铰销 D 至 x 轴的最小距离；从结构紧凑和减小凸 轮压力角考虑，应将 h 值取小些。但 h 值愈小，对从动杆 驱动力的压力角也愈大。通常取 h≥Sm。 a-曲柄 AB 长；若 a 值过小，会使凸轮压力角明显增 大，甚至不能实现预期运动。可取 a=（0.6~0.9）Sm。 b1、b2-杆件 BC、CD 长； δ-从动杆升程运动起始时刻的曲柄位置 AB0 和 y 轴 负轴的夹角，δ=180°－∠B0AY。其值对凸轮的压力角影响极 大，δ 过小或过大（尤其是过大），会使压力角急剧增加［3］。
（2）利用 Matlab 编程得到的数据在 Pro/E 中建立机 构的三维装配图，并进行仿真分析，得到位移图和速度
［3］ 许林成，彭国勋．包装机械［M］．长沙：湖南大学出版社，1989： 137-143.
［4］ 周开利，邓春晖．MATLAB 基础及其应用教程［M］．北京：北京大 学出版社，2005.