翻板机曲柄连杆机构的计算机设计及演示

1翻板机曲柄连杆机构的计算机设计及演示邵胜太（邯郸钢铁集团公司设计院，河北邯郸056015）摘要本文利用VC++6.0编程，实现了翻板机曲柄连杆机构的设计计算，并能进行动态演示，根据演示结果任意修改设计参数。最后对机构的荷载进行全面计算。关键字翻板机VC++设计演示TheComputerDesignandDemonstrationofthePlateTurnorerCrankGearShaoShengtai(EngineeringInsititueeofHandanIron&SteelGroupCo.Ltd.Handan，Hebei，056015)ABSTRACT:Inthisarticle,ThedesignanddesigncalculationoftheplateturnorerCrankgearisachievedbyusingVisualC++program,Thissystemcandynamicdemonstratethedesignresults,alterthedesignparametersaccordingtothedemonseration,andoverallcalculatetheloadonthecrankgear.KEYWORDS:PlateturnorerVC++DesignDemonstration1问题的提出翻板机是中厚板生产中的重要精整设备，它将钢板翻转180度，联系人：邵胜太，邯郸（056015）邯郸钢铁集团公司设计院2将一侧钢板的下表面，翻转到另一侧变为上表面，以便钢板表面质量检查。翻板机的传动系统由电机，联轴器，减速器和曲柄连杆机构组成。电机减速器的作用是提供动力和降低转速，为曲柄提供低转速大扭矩的动力；而曲柄连杆机构是翻板机实现正确动作的变换机构，它将减速器低速轴的回转运动最终变为左右倾翻臂的升降，使左右倾翻臂协调动作，因此曲柄连杆机构是翻板机设计的关键。平面连杆机构的设计方法，有实验法，几何作图法和解析法。实验法是用作图试凑或利用各种图谱表格及模型实验来求解，方法简单，精度较低。几何作图法用作图按运动过程的某些位置进行设计，求解速度较快，但精度不够高。解析法是以机构参数来表达各构件的运动关系，从而按给定条件求解未知参数，这种方法精度高，在很多情况下，计算困难复杂。翻板机曲柄连杆机构是由四个四连杆机构组成的，且四个四连杆机构是协调工作，相互影响的，这就使各种设计方法都增加了很大的难度，而实验法，几何作图法由于误差的积累，可能使设计结果更加不准确。本人针对解析法计算困难，应用计算机编程设计计算。以VC++6.0编程工具，编制了一个实用翻板机设计软件。该软件不仅能够进行曲柄连杆机构的设计计算，荷载计算，还能对设计结果进行动态演示，直接观察翻板机的运行效果。2机构设计计算2.1动作原理3电机经减速器减速后，由减速器低速轴带动四连杆1、2的曲柄逆时针旋转（见图1），四连杆1、2的拉杆向右运动。四连杆1的摇杆和四连杆3的主动摇杆在拉杆的作用下，做逆时针转动，从而使四连杆3的推杆向上运动，推动右倾翻臂绕铰点O5逆时针旋转。四连杆2的摇杆和四连杆4的主动摇杆在拉杆的作用下，做顺时针转动，从而使四连杆4的推杆向上运动，推动左倾翻臂绕铰点O6顺时针旋转。这样两倾翻臂缓缓升起，在约90度的地方完成钢板向左倾翻臂交接。这时四连杆1、2的曲柄约转过180度。继续旋转，两曲柄带动整个系统反向运动，左右倾翻臂缓缓落下，钢板随左倾翻臂落下，翻板机完成一个工作循环。图1中的箭头表示倾翻臂升起时的动作方向。图1翻板机曲柄连杆机构分解图2.2机构分析将翻板机曲柄连杆机构建立四个坐标系，X1O1Y1，X2O2Y2，X3O3Y3，X4O4Y4，如图1所示。可将翻板机曲柄连杆机构分解成四个独立的四连杆机构。其中四连杆1，2是曲柄连杆机构，四连杆3，4是普通四连4杆机构，可用曲柄连杆机构的求解方法求解。2.3四连杆机构求解方法当曲柄L1的旋转角度α〈180度时，如图2所示。将A点C点联结，作为一条辅助线，利用三角形OAC可求出辅助线长度L0，然后利用三角函数关系可求出角度β1，β2，Ø1，Ø2,φ图2曲柄连杆机构求解图一L02=L12+L42-2L1L4cosαL0=√L12+L42-2L1L4cosα（1）由△OAC可知：L12=L02+L42-2L0L4cosØ1Ø1=cos-1（（L02+L42-L12）÷（2L0L4））（2）同理Ø2=cos-1（（L02+L32-L22）÷（2L0L3））（3）β1=cos-1（（L02+L12-L42）÷（2L0L1））（4）β2=cos-1（（L02+L22-L32）÷（2L0L2））（5）φ=cos-1（（L22+L32-L02）÷（2L2L3））（6）由图可知5β=β1+β2（7）Ø=Ø1+Ø2（8）当曲柄L1的旋转角度ang1〉180度时，如图2所示。β=β1-β2（9）Ø=Ø1-Ø2（10）图3曲柄连杆机构求解图二2.4单个四连杆荷载计算见图2图3，摇杆L3的力矩M3是已知的，根据上一步的计算，角度β，φ已经求出，因此连杆L2上的力F2=M3/(L3sinφ)(11)曲柄L1上的力矩M1=F2L1sinβ(12)2.5整个曲柄连杆机构的荷载计算为简化计算，只考虑钢板的荷载和倾翻臂的荷载，其它构件的荷载忽略不计，也不考虑加速度引起的动负荷，荷载的计算简化如下：左倾翻臂力矩（即四连杆4杆3的力矩）：M3=G1R1cosγ（13）6G1为倾翻臂重量，牛顿。R1倾翻臂重心至铰点O6的距离，米。γ为左倾翻臂水平夹角调用单个四连杆的荷载求解方法，即可求出四连杆4杆2的力和杆1的力矩（即四连杆2杆3的力矩）。再调用单个四连杆的荷载求解方法，即可求出四连杆2杆2的力和杆1的力矩（曲柄2的力矩）。右倾翻臂力矩（即四连杆3杆3的力矩）：M3=G1R1cosγ+G2R2cosγ（14）G1为倾翻臂重量，牛顿。R1倾翻臂重心至铰点O5的距离，米。γ为右倾翻臂水平夹角G2为钢板重量，牛顿。R2钢板重心至铰点O5的距离，米。调用单个四连杆的荷载求解方法，即可求出四连杆3杆2的力和杆1的力矩（即四连杆1杆3的力矩）。再调用单个四连杆的荷载求解方法，即可求出四连杆1杆2的力和杆1的力矩（曲柄1的力矩）。3程序设计进入VC++6.0，利用应用程序向导，建立一个单文档/视模式的应用程序。3.1在文档类中添加如下函数：7初始化设计参数函数。四连杆机构求解函数。翻板机求解函数。翻板机设计结果输出函数。四连杆荷载计算函数。翻板机荷载求解及输出函数。3.2在视图类中添加如下函数：初始化窗口客户区函数。坐标点转换函数。显示设计结果函数。画固定铰接点函数。画倾翻臂函数。定时器消息响应函数。最后为OnDraww（）函数添加显示代码。3.3打开对话框资源编辑器，编辑设计参数输入对话框。然后建立一个新的对话框类，为单选按扭和确定按扭添加消息处理函数。3.4打开对话框资源编辑器，编辑演示过程设置对话框。然后建立一个新的对话框类，为确定按扭添加消息处理函数。3.5打开菜单资源编辑器，为文件菜单添加打印机设置菜单和打印菜单，并添加相应的消息影射。3.6打开菜单资源编辑器，为编辑菜单添加输入/修改参数菜单和演示过程设置菜单，利用类向导添加相应的消息处理函数，在函数中添加8实现代码。3.7打开菜单资源编辑器，为运行菜单添加置初始状态菜单，单步演示菜单，演示继续/暂停菜单，输出设计结果菜单，输出计算荷载菜单。利用类向导添加相应的消息处理函数，在函数中添加实现代码。3.8打开工具条资源编辑器，为置初始状态，单步演示，演示继续/暂停三个命令添加工具按扭。3.9打开快捷键表，为置初始状态，单步演示，演示继续/暂停三个命令添加快捷键F7，F8，F9。最后，经编译连接调试，生成可执行文件Fbj.exe。4程序的运行4.1运行fbj.exe文件，程序启动后界面如图4所示图4翻板机曲柄连杆机构设计演示程序窗口界面4.2输入设计参数启动输入设计参数对话框，如图5所示用户可选择使用默认设计参数或用户自定义参数运行程序，当用户选择自定义参数并修改了设计参数，程序会检查四连杆1、2的参数9是否满足有曲柄的条件，不满足条件会自动重新打开对话框，请用户修改数据。图5设计参数输入对话框4.3结果演示参数修改完毕后，即可进行效果演示。单步演示执行一次即停止，供设计人员详细观察；继续/暂停演示执行一次，程序即从当前位置开始连续演示，可供设计人员观察整个机构连续运行效果，再执行一次即暂停。单步演示和继续/暂停演示可任意组合切换。演示过程设置可进行演示速度和步长的设置。4.4结果输出输出设计结果可将曲柄回转360度，按当前步长进行计算，将计算结果输出到文件fabj1.txt，输出计算荷载可计算出各个四连杆各个位置的荷载，并将结果输出到文件fbj2.txt。打印命令可将当前窗口图形直接打印输出。5应用邯钢中板厂进行翻板机的设计，应用本软件，求出了最大荷载的10大小和位置，为减速器设计和电机选择提供了可靠依据，成功地解决了设计中的技术难题。图6为该翻板机总图。图6翻板机总图该翻板机主要参数：钢板最大重量：8000KgJZQ850减速器：速比I=40.172台主减速器：速比I=5.252台电动机:型号YZR280S-1037KW2台钢板翻转180度所需时间:21秒6结束语机械构件设计计算较为繁琐，本文在这方面的探索，寻求一种新的方法。为减轻设计人员劳动，提高设计效率和设计质量，进行了一次有益的尝试。11参考文献[1]徐灏，机械设计手册（第2卷），北京：机械工业出版社，1998.8，3-150页[2]林俊杰，VisualC++6程序设计经典，北京：科学出版社，1999.11[3]RobertD.Thompson，MFC开发人员参考手册，北京：机械工业出版社，1998.8