1、本科毕业论文（20 届）凸轮连杆机构运动分析的计算机辅助设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 2015 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 平面凸轮连杆机构运动分析的计算机辅助设计 1课题意义及目标针对机构的运动分析中常采用的图解法作图量大、精度差的不足和解析法中计算量大的问题，要求在 VB 或 MATLAB 等环境下开发平面凸轮机构及连杆机构的运动分析系统，使其计算与绘图融为一体，其计算速度快、准确性高。2主要任务1)查阅资料
2、，掌握各类平面凸轮机构及平面凸轮连杆组合机构的设计方法；2)运动分析系统模型；3)程序设计；4)撰写毕业论文3主要参考资料1张继忠.凸轮连杆机构的计算机辅助设计.青岛大学学报， 2003，18（4）2薛小雯，沈爱红.用 VB6.0 软件实现摆动从动件盘形凸轮机构在 AutoCAD 中的仿真，2007，25（3）3梁金生，綦岩. 基于 Visual Basic 的平面凸轮机构 CAD 系统的研究. 机械，2005，32（12）4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，完成开题报告 2014.12.01 至 2014.12.312 广泛阅读相关文献，制定方案 2015.01.01 至
3、2015.03.103 完成凸轮连杆机构系统框架的构建，完成中期报告2015.03.11 至 2015.04.304 完成程序设计。 2015.05.01 至 2015.05.155 撰写毕业设计论文，准备答辩 2015.05.16 至 2015.06.10审核人： 年 月 日I凸轮连杆机构运动分析的计算机辅助设计摘 要：凸轮连杆机构是工业领域中被应用的最广泛的一种机构。传统的机构分析方法是图解法，但是用图解法设计的工作量太大，而且设计的准确度差。使用计算机辅助设计系统来设计它可以减少工作量，并且设计的准确度高。本文对凸轮连杆机构进行了运动分析，再通过计算机开发出了凸轮连杆机构运动分析的计算机
4、辅助设计系统。具体步骤如下：首先给出了基本组合机构的概念从而引导出凸轮连杆机构。再采用解析法建立数学模型。最后选 VB 作为开发语言，设计出了凸轮连杆机构运动分析的计算机辅助设计系统。本设计实现了快速实现凸轮连杆机构运动分析。对其在工业领域中应用具有重大意义。关键词：凸轮；连杆；计算机辅助设计；VB.Computer aided design of cam connecting rod mechanism motion analysisAbstract：Cam linkage is the most widely used mechanism in the industry.The tradi
5、tional method of mechanism analysis is graphic method, but the workload of graphic design is too large and the accuracy of design is poor.Using computer aided design system to design it can reduce the workload, and the accuracy of the design is high.In this paper, cam linkage mechanism is analyzed,
6、and computer aided design system of cam linkage mechanism is developed.The concrete steps are as follows: firstly, the concept of basic combination mechanism is given, which is deduced from the cam linkage mechanism. And then, a mathematical model is established by analytic method. Finally, VB was c
7、hosen as the developing language, and the computer aided design system of cam linkage mechanism was designed.This design realizes the fast realization of cam linkage kinematic analysis. Great significance for the application of industrial field.Keywords: cam；linkage；Computer aided design；VB.II目 录1.绪
8、论 .11.1 此课题研究的目的和意义 .11.2 凸轮连杆机构计算机辅助设计的国内外发展情况 .21.3 计算机辅助设计的发展趋势 .31.4 本课题研究的内容 .31.5 本课题的研究途径 .42.组合机构的基本概念 .53.凸轮连杆机构的设计理论 .63.1 凸轮连杆机构的基本术语 .63.2 运动规律的类型 .73.2.1 多项式运动规律 .73.2.2 三角函数运动规律 .93.3 运动规律的选择 .114.凸轮连杆机构类型的选择 .124.1 变曲柄长凸轮滑块机构 .124.2 变连杆长的凸轮滑块机构 .155.凸轮连杆机构计算机辅助设计系统的设计 .205.1 程序的设计环境和编
9、程语言 .205.2 凸轮连杆机构计算机辅助设计系统的介绍 .205.2.1 凸轮连杆机构运动分析系统的结构 .215.2.2 凸轮连杆组合机构计算机辅助设计系统界面 .215.3 程序编写部分的简要介绍 .246.结论 .29参考文献 .30致谢 .31太原工业学院毕业设计11 绪论1.1 此课题研究的目的和意义凸轮连杆机构是一种最基本的机械传动原件，在各种工业领域中被广泛应用。尤其是在我国即将迈入工业 4.0 的今天，我国的各工业部门对机械的要求越来越高，随着中国制造 2025 的旋风刮起，机械制造行业面临着新的机遇和挑战。但是我们的工程技术人员在面对各种机械产品的设计中，感到机构设计的图
10、解法工作量太大，而且设计精度也非常差。所以，计算机辅助设计成为我们机构设计的有力工具。计算机辅助设计能大大的减少工作量，并且设计精度也显著提高。计算机辅助设计已经在各种工业领域得到迅猛的发展，它势必将取代传统的机构设计方法，成为未来设计的主要工具。制造业是一个国家的经济支柱，它是一个国家实力的象征。十八世纪工业革命开启以来，世界上许多国家得到迅猛的发展，凡是工业强大的国家，它必定是强大而繁荣的。大力发展制造业是提升我们综合国力的必由之路。虽然我国的制造业已经有了巨大的进步，但是我们距离世界最先进的制造水平还有差距，所以在此背景下，新一代的信息技术和制造业融合，正在带来前所未有的新一轮的革命。计
11、算机辅助设计就是一种信息技术和制造业融合的技术。在工业水平越来越高的今天，它得到了迅猛的发展。当今，直面复杂机构设计的软件还不是很多。想要设计凸轮连杆组合机构还比较困难。因为到目前为止，还没有一套完整的体系专门设计凸轮连杆机构。但是凸轮连杆机构在新一代的工业领域中的应用越来越广泛。所以选择凸轮连杆机构成为研究对象。对凸轮连杆机构的设计方法和设计理论进行较为深入的探讨。去研究机械领域一些最基本的原理和方法。从而开发出了凸轮连杆组合机构的计算机辅助设计系统。凸轮连杆组合机构一般形式是，由自由度为 1 的凸轮机构和连杆机构组合而成。使用凸轮连杆机构可以实现从动件的复杂运动规律。在工业各领域得到广泛的
12、应用。在进行计算机辅助设计时，可以选择许多平台进行开发。常用的有 Visual Basic太原工业学院毕业设计2和 MATLAB 它们有各自的优点和缺点。它们可以很容易的设计出用户界面，即使是一个非专业人员都可以轻松使用。从而设计的计算机辅助设计系统迎合了现代 CAD的发展趋势，它必将成为未来设计的主力工具。计算机的发展水平越来越迅猛。使用计算机辅助设计来应用在机构设计也是普遍的很。它的优点非常的多，例如它大量减少了凸轮连杆机构设计的运算量，毕竟计算机运算速度比人工运算快很多。它远远的提高了传统设计的精确度，传统的机构设计精确度很低。传统设计方法运用的矢量方程图解法，它在图上直接得出未知的参数
13、，所以很难保证精确度。在工业水平日益提高的今天，它当然显然和如今的设计理念格格不入。计算机辅助设计还能非常方便的画出从动件的位移，速度，加速度曲线。绘制凸轮轮廓线也是非常的方便。所以它迎合了工业 4.0 的思想，是未来设计的有力工具。它可以全面的替代传统的设计方式。1.2 凸轮连杆机构计算机辅助设计的国内外发展情况20 世纪 50 年代，美国麻省理工学院第一个做成了图形终端，从而拉开了交互式计算机图形学的研究。研究得到了迅猛的发展，到了 50 年代中期计算机已经开始应用于工业中的分析和运算。到了 80 年代计算机辅助设计更是突飞猛进，在一些工业化进程快的国家，计算机辅助设计得到了广泛的应用。
14、而我国的计算机辅助设计研究开始于 20 世纪 70 世纪中期，从此拉开了计算机辅助设计的序幕。当时主要研究二维图像软件进行开发，由于当时第一次接触，发展还比较缓慢，从国外引进 CAD 设备，进行研究。经过发展，到了 90 年代，计算机辅助设计已经在全国范围内推广，计算机辅助设计的风暴开始刮起。我们国家开始开发出了我们自己专属的计算机辅助设计系统。计算机辅助设计广泛应用于机械设计中。清华 CAD,华中 CAD 等，都是我们自主开发的。大学的开发团队对此研究最为深入，许多院校都有了重大的突破，如清华大学，华中科技大学，北京航空航天大学等高等院校的团队开发了许多的先进的系统。尽管我们取得了重大的突破
15、，但是我们和发达国家的水平还是有很大的差距。 经过了多年的凸轮连杆机构的研究，已经总结出了许多从动件的运动规律。根据从动件的运动规律，我们反求出了许多凸轮轮廓曲线，在要求不是太高的时候我太原工业学院毕业设计3们可以选择通用的凸轮轮廓曲线使用。这还是非常方便的，但是在有些场合需要高要求的情况下就不行了。我们可以通过查阅相关资料来得到曲线。在要求高的需求下，又有学者开对结构进行了优化设计。设计凸轮连杆组合机构除了从动件的运动规律，还必须确定机构的基本尺寸。因为机构的基本尺寸会影响整个机构的特性。基圆半径，偏距等都是必须考虑的。1.3 计算机辅助设计的发展趋势计算机辅助设计得到迅猛的发展，经过了近
16、70 年的发展，未来的计算机辅助设计的发展将会沿着下面的方向发展：（1）计算机硬件越来越小，计算机运算能力越来越强，性价比越来越高，使用成本越来越低。（2）网络化进程推进，工作将会推向网络协同模式。（3）设计将会越来越智能，新的设计理论和方法将会越来越多。开发新的设计理论解决目前还不能解决的问题。虽然目前已经有了巨大的进步，但是还是有一些问题比较难以解决，我们迫切需要新的设计理论和方法。（4）制定越来越规范化的计算机辅助设计标准，我们一起遵守共同的行业标准，从而基于这些标准开发的软件成为一批宝贵的资源。国内外一些学者开发的算法和软件包把机构的运动分析推到了全新的高度，只要给定初始数据，不必进行
17、大量的运算就能得到想要的参数。1.4 本课题研究的内容（1）平面机构的基本组成原理对一些基本机构进行定义，给它们分类。（2）平面凸轮连杆机构的几何特性研究我们要得出预期的运动规律，需要限定机构的一些基本的几何尺寸。除了运动特性，动力特性满足要求外，机构的基本几何尺寸并不是任意选定，本课题会研究几何尺寸和运动特性之间的关系。太原工业学院毕业设计4（3）凸轮连杆机构的运动分析本课题会选定一些基本的平面连杆凸轮机构，给出它的机构运动简图，在此基础上进行运动分析，求出某些构建的位移速度加速度。研究组合机构最基本的运动特性和动力特性。（4）凸轮连杆机构计算机辅助设计系统开发本课题会选择 VB 进行程序开
18、发，开发出有用户界面的计算机辅助设计系统。1.5 本课题的研究途径研究中会明确基本的设计要求，将设计要求和机构的运动分析过程和计算机进行交换，使用计算机进行编程。计算出某些机构的运动特性，以及画出要设计的凸轮轮廓曲线。（1）平面凸轮连杆机构的理论分析研究过程中会分析基本机构的基本参数，例如位移速度加速度凸轮的基圆，行程等等参数，这些参数可以很好的反应整个机构的运动特性。对基本的运动规律，也会进行分类，现实情况下凸轮连杆机构形式很多，实现从动件的运动规律。本文会分析几种基本组合形式的平面凸轮连杆机构。（2）凸轮连杆机构计算机辅助设计系统的构建用户界面设计，设计出清晰，明了的界面，有助于使用方便。
19、界面中包括一些要求的参数，精心布局，使得用户界面使用没有太高的要求。采用模块化的面向对象的程序设计方法。（3）凸轮连杆机构的程序设计本课题是使用 Visual Basic 进行程序设计。首先定义好一些要输入的参数，例如杆长，行程等等。也要定义好输出参数，凸轮轮廓曲线，构件的位移速度加速度等等。编写联系输入输出参数的算法，实现输入参数得出输出参数，实现计算机辅助设计。最后整理各部分参数设计成一个软件系统。太原工业学院毕业设计52 组合机构的基本概念在给出组合机构的定义之前要明确几个基本概念。所谓运动副是两个机构直接相连组成可动的一种连接。而构件通过运动副相连组成可相对运动的系统就成为运动链了。在
20、运动链中将某一构件固定成为机架，运动链就成为了机构。机构当中运动规律已知的构件是原动件，其它构件是从动件。机构具有确定运动的条件是机构的自由度数目等于原动件的数目。在实际应用中要求机构具有确定的运动，这是非常重要的。分析机构的自由度就显得尤其的重要。所谓组合机构就是基本机构组合而成的。而基本机构一般分为两大类：单闭环机构和无闭环开式机构。所以可以认为组合机构是若干基本机构按一定方式组合起来的新机构。基本机构就是我们平时最常见的研究的最多的一些机构，例如齿轮机构，平面连杆机构，棘轮机构等等。基本机构在工业各个领域中应用非常的广泛，有很大的使用价值，目前已经为我们带来了非常大的价值。但是由于工业领域中自动化要求越来越高，有些时候基本机构已经无法满足我们的一些特殊要求，因为基本机构有它的局限性。例如齿轮机构可以实现圆周运动，其速率可以是匀速也可以是变速。但是假设我们要求齿轮机构按照任意给定的规律做回转运动，这时候齿轮机构就无法实现。这时候如果使用齿轮机构和其它机构组合可以实现任意给定规律的回转运动。而平面四杆机构不能使从动件有停歇。在此等等背景下，人们不断去探索新的机构，来实现我们日益增长的要求。组合机构应运而生。例如凸轮连杆机构可以实现复杂的运动规律，并且是任意要求的运动规律，并且能减少机构的材料。在工业的各个领域中组合机构是实现机械化自动化的重要手段。
