平行分度凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及三維運(yùn)動(dòng)仿真

 平行分度凸輪機(jī)構(gòu)是一種較為復(fù)雜的平面共軛凸輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖1所示。該機(jī)構(gòu)可將凸輪軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。由于該機(jī)構(gòu)與棘輪、槽輪等傳統(tǒng)間歇機(jī)構(gòu)相比，具有高轉(zhuǎn)速與高分度精度等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)化機(jī)械產(chǎn)品中。

圖1 平行分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

分度凸輪機(jī)構(gòu)是靠其工作輪廓曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的分度盤(pán)分度轉(zhuǎn)動(dòng)，其輪廓是根據(jù)最佳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包絡(luò)而成，通常是由大量的離散點(diǎn)經(jīng)過(guò)處理而形成的直紋曲面。如果能夠在加工前，基于三維虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境將平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體直觀地繪制出來(lái)，實(shí)現(xiàn)平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，將能幫助設(shè)計(jì)者及時(shí)地發(fā)現(xiàn)由于壓力角過(guò)大而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)困難、曲率半徑過(guò)小而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)失真和加工時(shí)產(chǎn)生冗切等問(wèn)題，以便及時(shí)進(jìn)行修改，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。對(duì)于平行分度凸輪的三維設(shè)計(jì)與仿真，目前只有基于VC++6.0調(diào)用OpenGL函數(shù)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，但是用這種系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)仿真需要編制大量的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于通用的3D設(shè)計(jì)軟件，如Solidworks、Pro/ENGINEER和CATIA等，由于分度凸輪廓面的特殊性均不能直接滿足設(shè)計(jì)要求。為了能夠利用Pro/ENGINEER自帶的仿真功能以及后續(xù)的數(shù)控加工功能，本文提出一種在AutoCAD環(huán)境下開(kāi)發(fā)的生成

凸輪二維廓面的系統(tǒng)，然后調(diào)入Pro/ENGINEER環(huán)境生成凸輪的三維實(shí)體，與在Pro/ENGINEER環(huán)境下生成的轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行裝配與仿真，還可以在此基礎(chǔ)上利用Pro/ENGINEER自帶的數(shù)控加工功能，生成凸輪的數(shù)控加工代碼。

一、平行分度凸輪設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平行分度凸輪機(jī)構(gòu)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用目前流行的向?qū)��?duì)話框進(jìn)行參數(shù)的輸入，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的任務(wù)，使用戶能夠很快地使用本專家系統(tǒng)。當(dāng)用專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶輸入的事實(shí)運(yùn)用推理機(jī)在知識(shí)庫(kù)中尋找相匹配的規(guī)則，之后在方法庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、計(jì)算和繪制凸輪輪廓曲線

在平行分度凸輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，理論輪廓線、壓力角和實(shí)際廓線按以下公式設(shè)計(jì)。

1.凸輪理論工作廓面方程為：

其中rp為轉(zhuǎn)盤(pán)的節(jié)圓半徑；θ為凸輪角位移；φ為轉(zhuǎn)盤(pán)角位移；φD為轉(zhuǎn)盤(pán)的基準(zhǔn)起始位置角；λ為計(jì)算時(shí)用的輔助角；C為中心距。

2.凸輪的壓力角為：

其中ω1為凸輪的角速度；ω2為轉(zhuǎn)盤(pán)分度期的角速度。

3.凸輪實(shí)際工作廓面方程為：

其中ρ為磙子半徑。

根據(jù)上述公式分別計(jì)算出與前排第一個(gè)和第三個(gè)滾子接觸的凸輪廓線，采用這兩條曲線中向徑較短的部分，該部分即為凸輪分度期的廓線，其余為停歇期廓線，用相切的圓弧來(lái)封閉即可。計(jì)算并繪制凸輪廓線的方法均是在“確定”按鈕的單擊事件里實(shí)現(xiàn)。相關(guān)代碼如下所示：

Private Sub cmdOk_Click()
……
計(jì)算并繪制凸輪廓線
……
End Sub


三、專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)對(duì)平行分度凸輪以及凸輪轉(zhuǎn)盤(pán)分別設(shè)計(jì)了出直觀的參數(shù)輸入對(duì)話框，設(shè)計(jì)人員只要在該對(duì)話框中輸入相應(yīng)的參數(shù)即可設(shè)計(jì)出所要求的凸輪與轉(zhuǎn)盤(pán)。

1.平行分度凸輪的對(duì)話框設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)了繪制了輪廓曲線之后，利用VBA語(yǔ)言對(duì)AutoCAD進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編制出如圖3所示的平行分度凸輪參數(shù)輸入對(duì)話框，其中機(jī)構(gòu)頭數(shù)和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過(guò)下拉式組合框來(lái)選取的，其余參數(shù)通過(guò)在文本框輸入數(shù)據(jù)來(lái)確定。

圖3 凸輪參數(shù)輸入對(duì)話框

2.轉(zhuǎn)盤(pán)的對(duì)話框設(shè)計(jì)

接下來(lái)利用VC語(yǔ)言對(duì)Pro/ENGINEER進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制出如圖4所示的轉(zhuǎn)盤(pán)參數(shù)輸入對(duì)話框。

圖4 轉(zhuǎn)盤(pán)參數(shù)輸入對(duì)話框

四、動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)直接利用Pro/ENGINEER提供的機(jī)構(gòu)仿真功能，而無(wú)需編寫(xiě)大量的源程序。在Pro/ENGINEER的裝配模式下進(jìn)行元件連接后，添加“驅(qū)動(dòng)器”即可進(jìn)行“運(yùn)動(dòng)分析”并創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)記錄，選擇“結(jié)果回放”可以重新演示機(jī)械運(yùn)動(dòng)、檢驗(yàn)干涉和定性分析從動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性等操作和分析。


五、設(shè)計(jì)實(shí)例

某平行分度凸輪機(jī)構(gòu)，頭數(shù) 1，分度數(shù)10 ，中心距C=160 ，動(dòng)成角θf(wàn)為120°，轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律選用修正正弦曲線。

在平行分度凸輪設(shè)計(jì)的對(duì)話框中輸入指定參數(shù)即可在AutoCAD環(huán)境下生成凸輪的二維廓線，將所生成的凸輪二維廓線保存為.dxf格式，然后在Pro/ENGINEER環(huán)境下新建一個(gè)Part模塊，點(diǎn)擊“插入→共享數(shù)據(jù)→自文件”打開(kāi)所保存的.dxf文件，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)信息窗口提示用戶保存文件，用戶可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)或缺省，確定后即可將二維廓線調(diào)入Pro/ENGINEER環(huán)境生成三維模型，如圖5所示。

圖5 平行分度凸輪三維模型

然后利用轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)對(duì)話框，輸入指定的參數(shù)，生成的凸輪轉(zhuǎn)盤(pán)如圖6所示。

圖6 平行分度凸輪轉(zhuǎn)盤(pán)

最后在Pro/ENGINEER環(huán)境下完成裝配和仿真，如圖7所示。

圖7 平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的仿真

六、結(jié)論

本文對(duì)二維及三維設(shè)計(jì)和訪真軟件進(jìn)行了綜合運(yùn)用，開(kāi)發(fā)了平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)能完成機(jī)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)綜合和凸輪輪廓的自動(dòng)生成，并且在Pro/ENGINEER環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)仿真而無(wú)需編寫(xiě)大量的源程序。事實(shí)證明本系統(tǒng)能夠驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性和各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否發(fā)生干涉，以便設(shè)計(jì)人員及時(shí)改正，提高了機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。