曲柄滑块机构的计算机辅助分析
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摘要:该文利用VB开发了一个操作界面简单、交互功能强的曲柄滑块机构分析软件。该软件可以直接、准确地实现对曲柄滑块机构的运动仿真,并且可以在曲柄滑块运动过程中进行参数分析。研究结果表明曲柄滑块机构的计算机辅助分析能为机械设计提供准确可靠的参数解,可以提高设计精度,缩短设计周期。
关键词:曲柄滑块;VB;计算机辅助分析;运动仿真
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)05-1184-02
Computer Aided Analysis of Slider-crank Mechanism
REN Xiao-dan
(Electrical Engineering Department, Inner Mongolia Machine Electricity Occupation Technical College, Hohhot 010051, China)
Abstract: In this paper, VB has been used to develop a simple interface andstrong interactive features slider-crank mechanism analysis software. The software can achieve the motion simulation of slider-crank mechanism directly and accurately, and parameter analysis can be carried out during the motion process of slider-crank mechanism. The results show that computer-aided analysis of slider-crank mechanism can provide accurate and reliable parameter solution for mechanical design, and can shorten the design cycle and improve design accuracy.
Key words: slider-crank; visual basic; computer aided analysis; motion simulation
计算机辅助分析是在计算机技术、应用数学和模拟理论的基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术学科,广泛应用于机械工程、自动化控制工程等领域,已成为研究、设计和分析复杂问题的重要工具。随着计算机技术的飞速发展,特别是计算机处理速度的大幅度提高,为数学模型的建立和实验提供了更大的灵活性。
机械工程中最常用的机构之一是平面连杆机构,其中由曲柄摇杆机构演化而来的曲柄滑块机构应用比较广泛。运用计算机辅助分析技术对曲柄滑块机构进行了运动仿真研究,将静态机构变为动态机构,能精确地描绘出整个曲柄滑块机构的运动过程及运动曲线,为曲柄滑块机构的研究设计提供可靠的依据。
1 曲柄滑块机构的运动分析
平面连杆机构是一种应用十分广泛的机构,它在工农业机械和工程机械中得到了广泛的应用,其中尤其以曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构最为常见,例如东风联合收割机曲柄连杆切割机构、曲柄摇杆式水稻分插机构、往复式抽水机、内燃机及冲床等机器中都应用了曲柄滑块机构。曲柄滑块机构又分为偏置曲柄滑块机构和对心曲柄滑块机构。
平面机构的运动分析方法主要有图解法和解析法。如果要精确了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时,就需要采用解析法并借助于计算机进行辅助分析。因此,首先应利用矢量方程解析法对曲柄滑块机构进行运动分析,将为后续程序的开发和运动仿真做好准备。
曲柄滑块机构的运动过程如图1所示,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角和等角速度。其中:l1为曲柄半径;l2为连杆长度;e为偏距;ω1为曲柄角速度;φ1为曲柄方位角;φ2为连杆方位角;sc为滑块位移;vc为滑块移动速度;ac为滑块移动加速度。
由图1建立矢量方程:
l1+l2=e+sc
取直角坐标系XOY,各构件的矢量方向和转角如图1所示,向X轴和Y轴投影得:
l1cosφ1+l2cosφ2=sc(1)
l1sinφ1+l2sinφ2=e (2)
将式(1)和式(2)整理得滑块和连杆的位置方程:
将位移对时间进行一次和二次求导,即可得到滑块速度 和加速度 的方程。
2 程序开发及运动仿真
程序开发采用Visual Basic 6.0,根据曲柄滑块的运动分析所建立的数学模型进行程序设计,主界面如图2所示。
曲柄滑块机构的运动仿真主要利用Picture控件,其主要设计内容包括:
1) 对图片框定义坐标系,采用了Scale方法来实现坐标系的定义;
2) 用Line方法绘制水平坐标轴和箭头;
3) 通过循环语句及Circle方法绘制所需要的曲线。
在曲柄滑块机构的计算机辅助分析界面输入参数进行计算机辅助分析。已知参数曲柄长l1=38mm、连杆长l2=960mm、曲柄转速n=300r/min、偏距e=0,点击运动分析按钮,在曲柄滑块运动分析示意图中对曲柄滑块机构(对心曲柄滑块机构)进行运动仿真,同时在滑块瞬时计算分析当中显示滑块在任意位置时的瞬时位移、速度及加速度。点击绘制曲线按钮,在窗体的右侧显示滑块的运动曲线,并以不同的颜色进行区分。
3 结束语
本软件界面友好,操作简单,当需要对曲柄滑块机构进行运动分析时,只需要输入曲柄长、连杆长、曲柄转速及偏距等,就能够对曲柄滑块机构进行运动仿真,观察到整个机构运动过程中滑块的位移、速度和加速度的瞬时值,并绘制出滑块的位移、速度和加速度变化曲线图。因此曲柄滑块机构的计算机辅助分析可实现机构的动态模拟及运动分析,设计者可根据工作要求,键盘输入设计参数即可完成。
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