【正文】 機構(gòu)的運動學(xué)參數(shù)，更希望通過計算機動態(tài)模擬技術(shù)，在屏幕上能形象直觀地看到機構(gòu)的實時運動情況，以便更準(zhǔn)確地判斷其運動是否符合要求及機構(gòu)參數(shù)改動后修改方案的實際運行效果，因此研制集數(shù)值計算與動態(tài)圖形仿真于一體，且具有人機華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 共 114 頁 對話功能的機構(gòu)設(shè)計軟件，對提高機構(gòu)的設(shè)計效果是十分必要的。 VB。 該 系統(tǒng)是在 WindowsXP 平臺下，用 Visual Basicl 6． 0 開發(fā)而成的 ，采用模塊化設(shè)計，能夠方便快速地設(shè)計符合要求的共軛凸輪， 并 能 進 行一定的優(yōu)化設(shè)計， 提高設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計時間。 共軛凸輪機構(gòu)傳統(tǒng)的設(shè)計方法是根據(jù)經(jīng)驗選擇凸輪類型、從動件運動規(guī)律及基本參數(shù)，然后進行設(shè)計，如果設(shè)計結(jié)果不符合就重新調(diào)整參數(shù)，這樣需要大量復(fù)雜設(shè)計過程，而且費時。 本 設(shè)計 是在相關(guān)技術(shù)要求 的 基礎(chǔ)上 ， 所開發(fā)的適用于織機的共軛凸輪機構(gòu)的 CAD 系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 ： 共軛凸輪機構(gòu) ； VB； 計算機輔助設(shè)計 ； 優(yōu)化設(shè)計 共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 ii Abstract The conjugate cam mechanism widely used in rapier looms, and decides the stability of the rapier looms movement and texture of cloth39。 Computer aided design。本文用 VB 計算機編程語言編寫了 共軛 凸輪機構(gòu) 計算機輔助設(shè)計系統(tǒng) ，通過人機對話 ，可實時修改輸入?yún)?shù)及選擇從動件運動規(guī)律，從而使 共軛 凸輪機構(gòu)的設(shè)計直觀化、實時化。雖然國內(nèi)有不少織機生產(chǎn)廠家，但其產(chǎn)品性能大多處于中低檔水平，產(chǎn)品在可靠性和耐久性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如進口產(chǎn)品，究其原因，除了關(guān)鍵零部 件的材質(zhì)和熱處理不過關(guān)外，主要是沒有對核心工作部件的工作機理進行深入研究，造成運動構(gòu)件之間受力不良。本論文研究的出發(fā)點和基本思路是 ，通過對國外引進的 劍桿 織機 共軛凸輪 機構(gòu)的運動學(xué)特性的研究，分析其設(shè)計意圖，并進行參數(shù)優(yōu)化。 共軛 凸輪 CAD 技術(shù)的共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 第 4 頁 共 114 頁 應(yīng)用與推廣大大縮短了 共軛 凸輪機構(gòu)的設(shè)計周期，提高了 共軛 凸輪機構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量和效率，降低了 共軛 凸輪零部件的生產(chǎn)成本，促進了 共軛 凸輪制造業(yè)的發(fā)展。 另外，德國、英國的 共軛 凸輪專家對 共軛 凸輪機構(gòu)的研究采用了諧分析、諧綜合等分析設(shè)計方法，使得 共軛 凸輪機構(gòu)的動力學(xué)性能有了很大的改善。在動力學(xué)研究領(lǐng)域，有 M． Chew， Y． S． Unlusoy等對高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)問題的研究； A． EPiSano 在摩擦及實驗方面的研究； Tesar對高速凸輪機構(gòu)采用多項式運動規(guī)律的詳細(xì)論述； S． Tascan在穩(wěn)定性方面的研究等。采用面向?qū)ο蟮膮?shù)化程序設(shè)計方法，設(shè)計出了主要包括工作機構(gòu)運動循環(huán)圖和運動規(guī)律設(shè)計、從動件系統(tǒng)設(shè)計、凸輪機構(gòu)的運動學(xué)分析、條件校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及結(jié)果輸出等內(nèi)容的平面凸輪的 CAD軟件，實現(xiàn)了凸輪機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 共 114 頁 第 2 章 共軛凸輪機構(gòu) CAD 系統(tǒng)總體設(shè)計 本課題所開發(fā)的共軛凸輪 CAD系統(tǒng)是以 Windows XP 為技術(shù)平臺，以 為開發(fā)工具 ， 通過對共軛凸輪 機構(gòu)從動件運動規(guī)律的設(shè)定和基本數(shù)據(jù)的輸入計算， 實現(xiàn)了共軛凸輪機構(gòu) 參數(shù)化設(shè)計 ， 并且 利用 遺傳 優(yōu)化方法 來 優(yōu)化機構(gòu) 基本 尺寸 ，很好地解決 了 共軛凸輪計算復(fù)雜， 設(shè)計 費時等難題。VB 為用戶提供支持通信的控件有：窗體 (Form)、多文檔窗體 (MDI Form)、標(biāo)簽(Label)、文本框 (Text Box)和圖片框 (Picture Box)。正向設(shè)計模塊實現(xiàn)了在選定從動件運動規(guī)律曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)機構(gòu)特性求得主動件的運動規(guī)律函數(shù)，并通過機構(gòu)基本尺寸的輸入，最終完成共軛凸輪機構(gòu)的自主設(shè)計。 選擇界面如圖 23所示。主界面主要由數(shù)據(jù)輸入模塊、 GA關(guān)鍵參數(shù) 模塊、凸輪從動件運動校核模塊、設(shè)計變量初始值模塊、邊界條件模塊、約束條件模塊、優(yōu)化結(jié)果顯示模塊等七大模塊組成。 凸輪機構(gòu)從動件基本運動規(guī)律有以下五種運動規(guī)律 [12]： a. 等速運動規(guī)律 (直線運動 )； b. 等加速等減速運動規(guī)律（拋物線運動規(guī)律） ； c. 余弦加速度運動規(guī)律（簡諧運動規(guī)律） ； d. 正弦加速度運動規(guī)律 (擺線運動規(guī)律 )； e. 五次多項式運動規(guī)律（ 345 多項式運動規(guī)律） 。39。 ( )4hShhShS??????????? ? ??????????? ???? （ 34） 回程階段的運動方程 ： 等加速段的運動方程為 20200202202()439。 sin2 c os2hshShS???? ? ????? ? ????? ??????? ??????? ???????? ?????? ??? ? ??? ??? （ 37） 回程階段的運動方程為 000002202001 c o s ( )2n sin ( )2 c o s ( )2 ( 39。= [ 1 c os ( )] 22S = s i n( )hh???? ? ??????? ? ??????????????? （ 39） 回程階段的運動方程為 ? ?? ?? ?? ?? ?000000020200121 sin39。39。 共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 第 18 頁 共 114 頁 圖 34 正弦加速度運動規(guī)律運動線圖 e. 五次多項式運動規(guī)律（ 345 多項式運動規(guī)律） 推程階段的運動方程為 3 4 50 0 02340 0 0 023220 0 0 0S =h [ 1 0 1 5 +6 ]S 39。0 0 02340 0 039。0 0 0 02002 39。= [ 30 60 +30 ]S 39。 圖 35五次多項式運動規(guī)律運動線圖 滾子擺動從動件共軛凸輪機構(gòu)中 ,主副兩凸輪所對應(yīng)的擺桿長度 1ABL 和 2ABL 及其上的滾子半徑 1rR 和 2rR 分別可相等 ,也可不相等。 共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 第 20 頁 共 114 頁 極坐標(biāo)計算公式 （ 313） : ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ??????? ????? ?????? ? ???????? ????????? ?11111111111111 c osc os s i ns i ntanbBABbOAbBABbOA LL LL （ 313） 1?? ∈ [ 0, 2π ] ? ? ? ?? ?111111111 c o sc o s ??? ??????????? ???????? bbABbOA LL （ 314） 上式中 , OAL 指中心距 , 1ABL 指主凸輪擺桿長 , ? 指凸輪轉(zhuǎn)角 , ? 指從動件擺桿的擺角 , 1? 指相對位置符號系數(shù) , 從動件推程轉(zhuǎn)向與凸輪轉(zhuǎn)向ω相同時 1? =1,反之 1? =1。曲率的大小影響凸輪的形狀 ,可以根據(jù)許用壓力角條件和許用曲率條件 ,通過循環(huán)來確定最小基圓半徑 minbR 。副凸輪的實際輪廓極坐標(biāo) : ?????????????????? ??????? ???????????? ??????? ??????? ?22222222222221122c o sc o s2s i ns i nt a n???????????????????????bBrbBrKRR （ 324） 共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 第 22 頁 共 114 頁 2K? ∈ [ 0, 2π ] ?????? ???????? ???????? 2222222222 2c os)c os ( KbBrKK R ???????????? ?? （ 325） 式中? ?? ? ? ? ????????????????????? ???? ? ??? ??????2222212 s i n1c o st a nbOAABbOALddLL， 其中 2? ∈ [ π /2,π /2] 主副凸輪安裝角 主、副凸輪基準(zhǔn) 軸線的安裝角為 : ? ?212 2 bb ???? ??? （ 326） 2? 的度量方向是由主凸輪基準(zhǔn)軸線 1ox 按逆時針方向度量至副凸輪基準(zhǔn)軸線 2ox 。因此本文提出在考慮凸輪機構(gòu)實際運轉(zhuǎn)中受到各種載荷的情況下，建立以凸輪機構(gòu)升程段的傳動效率最大為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，實現(xiàn)機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 [13]。 以擺桿為示力體，根據(jù)平衡法則得 ?AM =0，即 : ? ? 0c o s 2339。 ? 為凸輪與滾子間的摩擦角，其值為： ????????? ?rR21sin ?? 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 27 頁 共 114 頁 由 ? ???? ?? sinOD 和 ?sin39。由此可求得在考慮摩擦?xí)r凸輪軸上的驅(qū)動力矩為 ： ? ? ? ?? ?1139。因 1ABL ， OAL ， bR ， rR 為四個獨立變量，所以該優(yōu)化問題的設(shè)計變量取 x=[1x ， 2x ， 3x ， 4x ]=[ 1ABL ， OAL ， bR ，rR ]。因此對最大壓力角數(shù)值的限制，能保證凸輪機構(gòu)在良好的受力狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。因此，要求曲率半徑的最小值 minBR 與滾子半徑 rR 滿足關(guān)系式 minBR rR ，曲率半徑的計算公式 為 式 314,再 利用計算機算出各凸輪轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的曲率半徑并取最小值，即可求得最小曲率半徑的值。對機構(gòu)變量作如下設(shè)定： m a x11m in1 ABABAB LLL ?? m a xm in OAOAOA LLL ?? ， m axm in bbb RRR ?? ， m axm in rrr RRR ?? 。隨著優(yōu)化方法的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于自然選擇和自然遺傳學(xué)機理的全局搜索算法 —— 遺傳算法，它的基本思想和概念是由美國密執(zhí)根大學(xué)的 JohnHolland教授 [15]于 1962年提出的，是一種能有效地解決最優(yōu)化問題的方法。 b. 進化算子的各態(tài)歷經(jīng)性使得遺傳算法能夠非常有效地進行概率意義下的全局搜索，而傳統(tǒng)的優(yōu)化方法則是通過鄰近點比較而移向較好點，從而達(dá)到收斂的局部搜索過程。 遺傳算法的原理及優(yōu)化的實現(xiàn) 遺傳算法本質(zhì)上是對染色體模式所進行的一系列運算 [15]，即通過選擇算子將當(dāng)前種群中的優(yōu)良模式遺傳到下一代種群中，利用交叉算子進行模式重組，利用變異算子進行模式突變，通過這些遺傳操作，模式逐步向較好的方向進化，最終得到問題的最優(yōu)解。 本文采用二進制編碼方式進行編碼。 d. 遺傳操作 遺傳操作包括選擇算法、交叉算法和變異算法。 選擇方法 [17]主要有輪盤賭選擇法、隨機遍歷抽樣法、局部選擇法、錦標(biāo)賽選擇法，都是基于適應(yīng)度進行選擇的。本文中采用單點交叉算子，其過程是首先對群體進行隨機配對，再隨機設(shè)置交叉點位置，最后相互交換配對染色體的部分 基因。交叉運算和變異運算的相互配合，共同完成對搜索空間的全 局搜索和局部搜索。設(shè)群體規(guī)模設(shè)為 100，交叉率為0． 8，變異率為 O． 05，運行最大進化代數(shù)為 10 代 。 根據(jù)設(shè)計的先后順序 ， 把已經(jīng)完成的和將要進行操作的控件 Enable 屬性設(shè)置為True (可用 ) ， 而其后控件的 Enable 屬性設(shè)置 False ， 呈灰白色 (不可用 ) ， 嚴(yán)格保證設(shè)計過程的先后順序。 歡迎界面如圖 51所示 ,單擊進入下一界面。 共軛凸輪機構(gòu)計算機輔助設(shè)計 第 38 頁 共 114 頁 圖 53 共軛 凸輪機構(gòu)設(shè)計主界面 設(shè)凸輪角速度為 10rad/s, 基圓半徑為 80mm,滾子半徑為 10mm，擺桿長度為100mm，最大位度為 20 度，中心距為 150mm，轉(zhuǎn)向系數(shù)為順時針，從動件轉(zhuǎn)向系數(shù)也為順時針，推程角為 150 度，遠(yuǎn)休止角