基于MFC的盤形凸輪機構設計研究

孫一平

(貴州職業技術學院，貴州貴陽550023)

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基于MFC的盤形凸輪機構設計研究

孫一平

(貴州職業技術學院，貴州貴陽550023)

摘要：為了參數化設計凸輪機構，實現凸輪機構動畫過程，設計了一種基于MFC的盤形凸輪機構人機交互系統。利用消息映射機制，完成了滾子直動從動件盤形凸輪的設計和凸輪運動過程的動畫演示。結果表明：所設計系統達到了設計需求，完成了對凸輪機構的設計示教。

關鍵詞:參數化人機交互動畫示教

0引言

凸輪廣泛運用于各種機械設備、自動裝置，如機床、紡織機械和發動機配氣機構等。盤形凸輪機構是機械設計的重要內容，平面凸輪的運動規律多種多樣，一般可通過三維軟件實體建模，如采用UG、Solidworks等[1]，但此建模方法計算廓線參數表達式過程復雜，難以實現凸輪設計的多樣性。

為解決上述問題,本設計利用VC++6.0編程環境下的MFC類庫,采用面向對象的編程思想進行人機界面開發,實時根據對話框參數定制凸輪廓線，并查看其廓線對應的運動規律。應用基于MFC的技術方法，不但可以采用參數化設計盤形凸輪機構，同時，可對機構運動過程進行動畫演示，彌補了傳統凸輪機構設計的抽象性，更加形象生動地表達凸輪機構工作過程，實現設計過程的直觀性，感觀性和高效化[2]。

1凸輪廓線

1.1坐標計算

圖1　凸輪廓線

(1)

式(1)即為理論凸輪廓線的方程式，也稱為理論廓線方程。

對于滾子從動件凸輪機構，推桿在B處裝有滾子，以提高推桿的使用壽命。顯然，只要使滾子中心B沿理論廓線曲線上運動，即可保證推桿預期的運動規律。此時凸輪的輪廓曲線不是理論廓線，而是處處與滾子相切的另一條曲線，這條曲線稱為凸輪的實際廓線。因為實際廓線與理論廓線在法線方向的距離處處相等，且等于滾子半徑rr，故當已知廓線上任一點B(x,y)，只要沿理論廓線在該點法線方向取距離為rr，即得實際廓線上相應點B′(x′，y′)。由此可見，理論廓線上作一系列滾子圓的包絡線即為實際廓線。因此實際廓線是理論廓線的等距曲線，該等距曲線有兩條，即內等距曲線和外等距曲線。

盤狀槽形凸輪的廓線即為該兩條等距曲線。由高等數學知識可求得理論廓線B點處法線n-n的斜率(與切線斜率互為負倒數)應為：

(2)

式(2)中的dx/dy與dy/dx可根據式(1)求出，代入式(2)后有：

(3)

式(3)中的θ角可在0°～360°變化，其值要根據分子、分母的正負號所決定的tanθ所在象限來計算。求出θ角后，可計算B′(x′，y′)的坐標值：

(4)

式中“-”號為內等距曲線，“+”號為外等距曲線。式(4)即為凸輪的實際廓線方程式。此時實際廓線的基圓半徑r0等于理論廓線的基圓半徑rb與滾子半徑rr之差：r0=rb-rr。

1.2機構動畫

當凸輪轉動時，凸輪機構的坐標點相對于原點的坐標值要改變。設凸輪上一點原來坐標為(x，y)，當凸輪轉動θ角以后，其坐標變為(x′，y′)[4]，則有以下關系：

在做機構運動仿真時，讓θ角從0°到360°等量增加，則可以實現一系列凸輪的位置變換，形成連續的動畫，并得到凸輪運動規律的位移、速度和加速度曲線。

2運動規律

凸輪機構是機械傳動中一種常用的傳動機構，一般是由主動件凸輪，從動件推桿和機架三個構件組成。凸輪通常作等速運動，推動推桿按一定的運動規律運動，推桿的運動規律是指其位移，速度和加速度三個運動參數隨時間( 或凸輪轉角) 變化規律[5]。推桿的運動規律是由凸輪的輪廓曲線決定的，反之，要設計出凸輪的廓線，必須先確定從動件的運動規律[6]。

對于推桿直動從動件盤形凸輪機構，在一個運動周期內一般會經歷推程，遠休止，回程和近休止四個階段，不同的凸輪廓線，推桿的運動規律不同，正確理解凸輪機構推桿的運動規律、基圓半徑的大小、偏心距、從動件滾子半徑對凸輪廓線形狀的影響是非常重要的。對常用的四種推桿從動件運動規律設計，如表1。

表1　從動件的運動方程式

3人機界面設計

VC++中的輔助軟件開發包MFC是一個建立在Windows API之上的C++類庫(C++ClassLibrary)，對話框能簡便地編寫出處理能力強大、操作簡單的人機交互式平臺，這使得開發Windows應用程序變得簡單而高效[7]；它提供復雜的資源編輯器、窗口程序的界面和基本輸入輸出，可以編輯對話框、菜單、工具欄、圖像和其它許多Windows應用程序的組成元素[8]。

基于MFC的盤形凸輪機構人機交互式平臺包括對話框、菜單欄、和繪圖區等操作區，其界面如圖2所示。通過對話框欄能進行凸輪運動規律選擇，并設定凸輪參數，執行菜單欄選項能調出對話框欄，并實現凸輪機構的動畫演示過程。

圖3　流程圖

基于MFC的凸輪機構設計內容主要包括初始化凸輪參數，調用Ondraw函數繪制凸輪廓線以及執行OnSimuStart()函數使凸輪實時動作。流程圖如圖3所示。

啟動Tulun.dsw應用程序后，從流程圖知：首先配置正確的凸輪各參數，然后運行程序，繪圖區得到凸輪廓線，執行凸輪機構仿真函數后，凸輪動畫模擬。

根據盤形凸輪機構的特點在win32環境下，從VC++6.0開發工具提供的MFC類庫為基礎，結合C++的類繼承特征，自定義新類實現繪圖功能。對話框的主要作用是標定凸輪升程、回程運動規律；選定凸輪機構參數，包括推程角、回程角、遠休止角、基圓半徑、行程、偏距、推桿滾子半徑和凸輪轉速；對設計的凸輪參數作確認和撤銷處理。構建盤形凸輪機構設計的對話框關鍵類如表2所示。

表2　對話框關鍵類

菜單欄的作用是通過凸輪機構運動參數菜單調出對話框欄，以及執行運動仿真菜單完成凸輪機構動畫演示。為了實現菜單欄調出對話框和凸輪機構動畫，本設計利用事件(EVENT)來實現。其中自定義了類CTulun的成員變量和成員函數，它包含由關鍵字修飾的句柄，用于喚醒同步事件對象。兩個事件通過定義同一個CTulun類對象來訪問上述事件對象。

通過凸輪參數機構菜單調出參數輸入對話框的部分主要程序如下：

void CTulunView::OnInputSize()

{

//定義 CParameterDlg 類的一個對象

CParameterDlg CamDlg;

//初始化盤形凸輪參數輸入對話框

CamDlg.m_Tui_Rule=2;

CamDlg.m_Hui_Rule=3;

CamDlg.m_Base_Radius=200;

CamDlg.m_Course=150;

CamDlg.m_Setover=80;

CamDlg.m_Hui_Angle=100;

CamDlg.m_Tui_Angle=150;

CamDlg.m_FarRest_Angle=60;

CamDlg.m_Roller_Radius=80;

CamDlg.m_Cam_Velocity=5;

//調用 OnDraw 函數按照輸入的參數繪制凸輪

Invalidate(TRUE);

}

通過運動仿真菜單執行凸輪動畫的部分主要程序如下：

void CTulunView::OnSimuStart()

{

SetTimer(1,100,NULL);

}

void CTulunView::OnSimuStop()

{

KillTimer(1);

}

Void CTulunView::OnTimer(UINT nIDEvent)

{

if (sita>360)

sita=sita-360; //當凸輪轉動角度大于 360 °時，重新從 0 °開始旋轉

sita=sita+m_Cam_Velocity;

// 凸輪每次轉動角度

Invalidate(TRUE);

// 調用 OnDraw 函數，強制窗口重繪

CView::OnTimer(nIDEvent);

}

4應用實例

圖4　應用實例

圖4是一個在MFC下開發應用程序中實現滾子直動推桿盤形凸輪機構設計的實例，在Visiual C++.net中利用消息映射機制，實現了人機界面交互，實時監控凸輪機構運動情況。選取凸輪推程運動規律為余弦加速度，回程運動規律為正弦加速度，其中推程角為100°，回程角150°，遠停角60°，基圓半徑200 mm，升程100 mm，偏心距80 mm，凸輪轉速5°/s 。

5結語

本文結合VC++6.0基于MFC的面向對象的編程技術，實現了滾子從動件盤形凸輪機構的參數化設計，對凸輪工作過程作了動畫演示，實時監控滾子推桿的位移、速度和加速度運動規律。通過此設計更加直觀解決凸輪機構設計中有關的問題，形象生動，讓設計者和學習者可以實際體會到凸輪機構的運動過程與原理。同時，此設計可以在各大院校的課堂教學中推廣使用，對機械原理教學具有較強的實用性。

參考文獻

[1]李濤.基于SolidWorks的凸輪建模及模擬仿真[J].科技研究,2013(11)7-12.

[2]袁苑,郎朗.基于MFC的單柱液壓機監控系統設計[J].安徽工程大學學報,2014,29(4)：45-48.

[3]畢艷.機械原理[M].北京:清華大學出版社,2014.

[4]焉利群,高路.機械設計基礎[M].北京:化學工業出版社,2012.

[5]柏子剛，陳計軍.凸輪機構廓線精確設計與運動仿真[J].現代機械,2010(5)15-17.

[6]王烜欽,崔宣.凸輪反求設計研究[J].中國機械,2015(3)175-176.

[7]辛勤,郭烈恩,顏穎.基于VC和UG的圓柱分度凸輪參數化設計[J].煤礦機械,2013,34(4)271-273.

[8]劉文生,包宗明.基于VC和Pro/Toolkit凸輪實體模型的參數化二次開發[J].制造業自動化,2010(11)76-78.

中圖分類號：TH112.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0042-04

作者簡介：孫一平 (1987-)，男，漢，貴州三穗人，碩士 ，研究方向：工藝及其裝備。

收稿日期：2015-05-10

Design of a disc cam mechanism based on MFC

SUN Yiping

Abstract:To realize parameterized design of the cam mechanism and the animation of the process, we designed a human-computer interaction system of the cam mechanism based on MFC. Using the message map facility of MFC, we completed the design of the roller follower disc cam and the animated demonstration of its motion. The results showed that the system could meet the design requirements, and could be used in the teaching of the design of cam mechanism.

Keywords:parameterization; human-computer interaction; animation; teaching