曲柄滑块机构连杆轨迹的尺度综合和运动仿真

曲柄滑块机构连杆轨迹的尺度综合和运动

仿真

第22卷第3期 2001年9月 洛阳工学院

Joun~dofLuoyangInstituteof\"rec}mo]o~- VoI12No3 叭200l

文章编号:1000—5080c2001)03(X)23—03 曲柄滑块机构连杆轨迹的尺度综合和运动仿真 张海军,吴鑫',宋磊,化跃红

(】.洛阳工学院机设工程系,河南洛阳471039;2洛阳轴承集团公司,河南洛阳47Ix] 摘要:提出了利用连杆转角算子列带有预定时标的曲柄滑块机构连杆轨迹进行足度综台的方法建立

含有20300组基本尺寸型的数值图谱库;利H捕糊识别方法在数据库中筛选出多组机构基_奉尺寸型.然丘

计算出机构的实际尺寸及安装尺寸参数;并基于这一思想开发出丁该类机构运动仿真韵实用鞍件,最后给

出了曲柄滑块机构的运动仿真图例:

关键词:预定时标;曲柄滑块机构:莲杆:轨迹;模糊模式别:仿真 中图分类号:TH1121文献标识码:A 0前言

机构学主要研究机构的分析及机构的综合机构综合着重研究创造性构思创新设汁新机构的理

论和方法,其中机构的尺度综合是机构学研究的重点和难点,目前虽取得了一定的进展一,但考

虑带有预定时标要求的曲柄滑块机构尺度综合问题时还缺乏有效的办法文献[7i

给出厂同机构的

连杆曲线经归化处理后具有相同频谱特征参数的特性,提出了利用频谱特征参数通过优化方法进行

轨迹综合的新思路,文献[8]应用复矢量方法和Fouler级数理论,通过对连杆转角算于的研究探讨m

了平面四杆机构的连杆轨迹和机构基本尺寸型之问的内在联系,推导出机构的实际尺寸,连杆上点的位

置和机构安装尺寸参数的理论计算公式本文利用\"数值图谱\"法进行曲柄滑块机构的尺度综台,并利

用I~4TLhB5.3软件进行编程调试,通过多个算例验证了该理论的正确性,在曲柄滑块机的应用面 进行了有益的尝试.

1曲柄滑块机构尺度综合的总体设计

根据文献[8:可知,影响带有预定时标的曲柄滑块机 构连杆轨迹的实际尺寸参数为L.,E,,,,R,,,

卢(见图1),但关键是机构基本尺寸型参数f,c,的确定 (为了不引起混淆,本文约定机构基本尺寸型中的曲柄长 度,偏距和连杆长度用,,e,』表示,实际机构中的曲柄长 度,偏距和连杆长度用L.,F,￡表示.旦机构基本尺 寸型得以确定,则可以通过理论公式计算出机构实际尺' 寸,连杆上点的位置以及机构安装位置等各个参数对一 连杆机构尺度综台而言,此方法有效地嘁少r汁算最 2曲柄滑块机构尺度综合系统的基本组成 2.1基本尺寸型建库

1【I{【仙附块机搦违朴轨迹牛成

利用机构基本尺寸型的』寸参数』,,,f^进行曲柄滑块机构的无量纲化建库:根据曲俩滑袭机构

的曲辆存在条件,在以曲柄为原功件等速转动的前提F,建立r包含偏置【构和灯心帆佝存内的五

寸型20300组.该数值图谱库尺寸型数目多,覆盖面广,保]了Fr步模l剞il{别时的拟合精螋

基金项目:}l!I南书fI然科学资¨}(994m~m 1乍者简介:海f]969一),.南首济J县凡.砸Lt 收稿日期200]一04～,I

24?洛阳工学院

2.2频谱成分分析及归一化处理

由文献[8]可知,在图l中.当R=0,=日=p=0时,机构处于标准安装位置,此时连杆平而

点的矢量为 Z:Z+Z.一～,(1)

其中连杆转角算子的级数展开式为 e \:c(2)

式中t为曲柄的角位移,,为机构处于标准安装位置时连杆转角算谐波成分的幅值和相位

若连杆曲线是封闭的.则连杆轨迹必定是一周期函数. 当机构处于如图l所示的非标准安装位置时,有 =

尺+(+.….)(3)

尽管连杆转角算子随机构的构件长度变化而变化,但可将机构基本尺寸型与相应连杆转角算子的

谐波成分以数据库的形式存储起来供尺度综合使用.为了减少数据库的存储量,叉能包含较多的漫计

信息,同时也为了消除带有预定时标的机构连杆轨迹经二维Fourier变换后因点的位置不『司带来的不可

比性,需要对这些谐波成分进行相应的归一化预处理,即将谐波成分中的每一项除

以负一次项的谐波分

量,然后分别乘以l00.经归一化处理后连杆转角算子的谐波成分称为谐波特征参数.

利用二维Fot~fier变换可得到给定的带有预定时标连杆轨迹的谐波特征参数(D}),以及机构基

本尺寸型处于标准安装位置时连杆转角算子的谐波特征参数(),其中一0,l,一l,!.一2.… 23模糊识别

由文献4]可知,给定的连杆轨迹的谐波特征参数(D,)与机构尺寸型连杆转角算子的谐波特征

参数(e,)对应项上的均方差之和称为加权距离S.当S趋于摄小时,即 n

S::(D一C)+∑(}一)(.≠0,1)一mn'4)=n一

可得到拟合摄佳的基本尺寸型.式中,分别为对应的第项谐波特征参数的加权因子,为

谐波特征参数的项数

利用模糊识别方法,根据给定的连杆轨迹的谐波特征参数(D,).在基率尺寸型中逐～汁算加权

距离S,通过变量控制筛选出S趋于最小时的若干组基本尺寸型(本文选定为lO组).这些基本尺寸型

可生成与给定轨迹最接近的曲柄滑块机构的连杆轨迹 2.4机构实际尺寸及安装尺寸计算

将识别出的机构基本尺寸型的谐波特征参数与给定轨迹的实际谐波特征参数代^相应的公式.

可确定出曲柄长度,连杆长度,偏距E,曲柄起始角口,连杆一【二点的位置L,‰以及机构旋转角

和曲柄回转中心R,(或D,fJ). 25动态仿真结果

根据带有预定时标的曲柄滑块机构的给定轨迹,利用NA[LAB的电影动画技术动

态模拟模糊识别

出的机构在实际工作状态下预期轨迹的生成该方法直观再现了带有预定时标的曲柄滑块机构连轩轨

迹『形成过程,并且可以得到多组结果(若将同源机构考虑在内,得到的机构数目更多),为用的选择

带来极大的便利陵方法具有一定的创新性和实用陆j实例证明,模糊识6m的机构连杆轨迹j绐定

轨迹拟合情况良好.可作为曲柄滑块机构尺度综台时进行机构选型的实用辅助工具 3综合算例

图2为一给定的带有预定时标的曲柄滑块机构连杆轨迹(取采样点64个).通过上述综合法确

定的机构实际尺寸和连杆上点的位置参数列于表l一表I中对应机构运动仿真生成的连杆轨迹曲线和

给定曲线的车H似程度见图3,4(为节省篇幅,仅给出了机构1和机构9的仿真结果).图中实践为给定

第3期张海军等:曲柄滑块机构连杆轨迹的尺度练台和运动仿真'25

的轨迹曲线,点线为实际机构生成的轨迹曲线.由此综合方法和对应的图,表可以看出,连杆轨迹的近

似综合是一个多解问题.当综合得到的尺寸型谐波特征参数与给定轨迹的谐波特征参数完全相同时, 可得到其精确解.

陶2给定连扦轨迹3机构1运动仿真纬阿4机构9ig动仿真结 表1识别出的机构实际尺寸及安装尺寸参数 4结论

本文采用数值图谱法,根据机构的轨迹生成要求,用二维Fourier变换及模糊识别方法进行了曲柄

滑块机构的尺度综合及计算机自动生成的研究该方法由于未知参数较少,且不受

给定轨迹的点数限

制,计算中谐波特征参数只用到有限几项,借助于计算机可迅速识别出多组拟合精度较高的机构,从而

为用户提供了更大的选择余地. 参考文献 2 13 [4] [5j

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霍荆平,曹惟庆平面凹轩机构轨迹综台的模糊数学方法【JJ机械工程,1089,25(2:61—66

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褚盒奎,曹惟庆平面连杆机构输出螭数分析与练台的新法一频谱分析法:J机械科学与技术.I992,13)I一6

吴鑫带有硕定时标平面杆01.构连杆轨迹的度综台lJJ机械科学与技术199817(6】:885一端8 (转第43页1

第3期吴高阳等:面向对象的活塞C:U)/CAM谜评 AnInvestigationofEnginePistonCAD/CAM WLGao—Ymlg,ZHU

(1Dep.ofAutomobEi/g,l,uoyanglnst.ofFechnol

Sheng—Liu., EInud

Daoyang471039.China:2DepofMeth&Fleetr Eng.LuoyangInst.0fT~~'hno1.,Luoyang471039,China)

Abstract:Inthisarticle,pistonCAD/CAMtechnology\"andthe—stale—oMhe—art,a-el~:intruducedOnthebasisof

three—dimensionalFEManalysis,adoptingobject—orientedtechniqueandexpel1一knowledget×'sdatal~ase.thesolid modelofpistoncould

±

eslablished.AflerthecreationofFEMmesbesandthetsiva.blishmentofboun&~eondi—

lions,throughstress.hydraulicscontactanddcfomlationallalyses.thedesioaofpistoncouldbeoptimiz,xt.Finally.

theopdmizedeelwentthroughtheNCpmgrmuwhichisautomatieallydevelopedintheconlputet.PistonCAD/

CAMteetmologa'wasacompletesystemdevelopedOilthebasisofthreedimensio~mlsolidmodel

Keywords:Pistons;Pistonen~nes;object

oriented:DatabasesnmnageolentsyStellqS;Computeraideddesign;Glut— puteraidedIll&nufacture (上接第25页) DimensionSynthesis forPathGenerationof andMotionSimulation Crank—SliderMechanism

ZI~A.NGHat—Jun,WUXin,SON(;Lei,HUAYue—H0n

(1DepofMaeh.DesEng..Luoymlg[nst.ofl'echnol,]moyang471039.China;2.1llO)BearCmup

Co.】Jd.,Luoyang471000,China)

——

Abstract:Themethodofdimetzsionsynthesisforthepathofconnectingredsofcranksliderlnee[1anismMth

predetenninedtimescalebyusingrotation

angleo[mtatorofeolmcetingrodsisproposedinthispaperThenumedeal

—

—

atlasdatabaseincluding20300basicdimensionalb=pesisdesigned.Afterhavingsel~,etedsomebasicdimensional

tsfromthedatabasewiththefuzz3,,identifieationmethod,thecorrespondingmechanism'srealsizesandasse~d)ly

dimensionsarE\"calculated.Thepracticalsoftwareofthemechanism'Smotionsimulationisdevelopedandfinally illustrationisgi~,en.

Keyworcls:Prescribedtiming;Crank

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slider

【rc[1anism;Co,meetingrods;Paths;Fuzzypatternrecogttition Siml】lation