橢圓軌跡直擺凸輪組合機構的設計【說明書+CAD+PROE+仿真】

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該機構是由直動從動件凸輪機構與擺動從動件凸輪機構組成的聯(lián)動凸輪機構（圖－1），該機構具有3個活動構件（n=3），3個低副(Pl=3)，2個高副(Ph=2)，由平面機構自由度計算公式[1] 故其機構自由度η為：該機構原動件數(shù)目為1,與其機構自由度相等,故該機構成立。 通過建立直、擺組合凸輪機構的設計公式，從而得出該機構各構件位置、大小及形狀尺寸、凸輪實際廓線、理論廓線。在此基礎上，再合理設計出機構所需的每個零部件的結構，之后將它們裝配組合，并進行運動彷真，驗證設計的正確性。 此機構的設計可以分為如下幾個部分：直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪的設計，直動桿和擺動桿的設計，直動導軌的設計，軸系零部件的設計和機架的設計。其中最為關鍵也最為困難的是直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪的設計，而采用何種方法進行設計又是首先需要考慮的問題。因此在設計過程中應該先確定所要采用的凸輪設計方法。 在以上部分設計完成后，機構的運動仿真，包括機構各個部件的裝配和裝配后的動態(tài)仿真。在這一階段需仔細計劃各個部件的安裝位置和安裝順序，將每一個部件都正確安裝到位。其中值得注意的是直動凸輪與擺動凸輪的安裝滯后角，這一角度需嚴格控制，稍微的誤差可能就直接影響預期的曲線。 本課題所用到的硬件主要是計算機。用到的軟件有：AutoCAD 2004，Proe Wildfire3.0，Word2000，Powerpoint2000。 2 橢圓軌跡直擺組合凸輪機構理論設計 由于該組合機構綜合了單一的直動凸輪和擺動凸輪兩種機構，其運動的復雜性，靠單純的傳統(tǒng)的方法求凸輪廓線，非常復雜，本課題采用一種準確、快捷，簡便的離散化方法 [2]。 2.1 直、擺組合凸輪機構設計基本思想 圖2-1 直、擺組合凸輪機構參數(shù)的幾何關系 設 為預期曲線上n + 1 個坐標點，它們與下列數(shù)值一一對應[3]，如圖2—1 ——頂桿位移； ——擺桿轉角； ——直動從動件凸輪向徑與極角； ——擺動從動件凸輪向徑與極角； e ——直動凸輪偏心距； a,b——預期曲線起始點坐標； R , R 1 , R 2 ——擺桿長度，擺桿上端長度，頂桿長度。 依據(jù)預期曲線上的點 與頂桿位移 、擺桿轉角之間的幾何關系，求出它們的變化規(guī)律 ，，再分別設計直動從動件凸輪廓形與擺動從動件凸輪廓形。 2.2直、擺組合凸輪機構設計步驟 2.2.1在預期曲線L上求取坐標點 預期曲線可以是由一條或若干條平面曲線組成的封閉曲線,首先寫出它的參數(shù)方程表達式,并且要求參數(shù)方程表示的曲線位于第Ⅰ、第Ⅳ象限,初定其起始點為坐標原點。曲線方程為： (2-1) 積分求弧長，得 (2-2) 其中,t0,tn分別表示曲線的起始參數(shù)與終了參數(shù)。 再按照設計要求將曲線分成若干段 ,其中任意一段定一位置，則有，且 , 令k 0 = 0。 下面采用勻速運動規(guī)律將預期曲線分段，k i求解公式為： 式中，i=0,1,2……n。 如果將預期曲線L對應的凸輪轉角都分成n等份，使之與 :相對應，那么當凸輪軸勻速轉動時，通過組合凸輪機構，將使從動點以預期的勻速運動規(guī)律沿預期曲線運動。 2.2.2機構初始位置參數(shù)確定 參看圖2-2，直、擺組合凸輪機構的結構參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑，擺動凸輪基圓半徑 ，偏心距e以及擺桿長度R及R1 ，頂桿長度R2等。由這些機構參數(shù)可得到如下機構初始位置參數(shù)（初始位置）： ① 擺桿與頂桿在初始位置的夾角[4] （2-3） 式中，， ② 從動點起始位置坐標 （2-4） （2-5） 圖2-2 直、擺組合凸輪機構初始位置參數(shù) 考慮機構的初始位置,應該將上節(jié)求到的坐標點平移到從(a,b)為初始點的位置上來，于是有： . 平移后的坐標點仍記作。 2.2.3 確定頂桿位移與擺桿轉角的變化規(guī)律 分析圖2-1,可以得到以下關系式： ①擺桿轉角 ， i=0,1,2，…，n （2-6） ②頂桿位移 ， i=0,1,2，…，n。 （2-7） 從而得到與對應的和。式中,i=0，1，2，…，n。 2.2.4 凸輪廓形設計 （1）擺動從動件凸輪輪廓設計 首先，設計擺動從動件凸輪廓形，參見圖2-3，分析△AOB，應用余弦定理，則擺動從動件凸輪理論廓線上任意一點的向徑： 圖2-3 確定擺動從動件凸輪的向徑及向徑極角 . （2-8） 式中， ； . 其向徑極角 . （2-9） 式中，為凸輪累加轉角： 以上各式中，i=0，1，2，…，n，由此可以得到擺動從動件凸輪的向徑與極角。取直、擺組合凸輪機構的結構參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑=60，擺動凸輪基圓半徑=50 ，偏心距e=20，擺桿長度R=400及R1 =200。 其計算結果如表2—1： 表2—1 擺動凸輪輪廓參數(shù) 序號 擺動凸輪向徑 擺動凸輪極角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 94.3 -77.75 89.97 -67.16 85.6 -56.49 81.3 -45.76 77.19 -34.98 73.35 -24.18 69.87 -13.37 66.83 -2.59 64.28 8.13 62.28 18.73 60.88 29.18 60.13 39.43 60.05 49.46 60.67 59.25 62 68.82 64.06 78.19 70.19 96.55 74.15 105.65 78.55 114.75 83.28 123.9 88.15 133.11 93 142.42 97.65 151.82 101.9 161.32 105.6 170.92 108.6 -179.39 110.8 -169.6 112.13 -159.73 112.54 -139.72 112.05 -139.72 110.69 -129.59 108.55 -119.38 105.71 -109.09 102.3 -98.73 100.45 -91.23 98.45 -88.28 94.3 -77.75 采用描點法可得其理論輪廓如圖2-4： 圖2-4 擺動凸輪理論輪廓 凸輪從動件采用滾子從動件，滾子半徑的選擇原理參見[1]。選取滾子半徑為5，則可得凸輪實際廓線如圖2-5： 圖2-5 擺動凸輪實際輪廓 （2）直動從動件凸輪輪廓設計 設計直動從動件圖輪廓形，參見圖2-6，直動從動件凸輪理論廓線上任意一點 圖2-6 確定直動從動件凸輪的向徑及向徑極角 B的向徑： （2-10） 式中： 表示 中的最小值 其向徑極角： （2-11） 以上各式中，i=0，1，2，…，n，由此可以得到直動從動件凸輪的向徑與極角。 取直、擺組合凸輪機構的結構參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑=60，擺動凸輪基圓半徑=50 ，偏心距e=20，擺桿長度R=400及R1 =200。 其計算結果如表2—1： 表2—2 直動凸輪輪廓參數(shù) 序號 直動凸輪向徑 直動凸輪極角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 50 0 50.3 15.01 51.56 29.81 53.7 44.05 56.54 57.53 59.9 70.18 63.58 82.04 67.41 93.16 71.23 103.64 74.92 113.57 78.36 123.03 81.47 132.1 84.18 140.82 86.43 149.23 88.19 157.37 89.45 165.27 90.21 172.95 90.49 180.43 90.31 187.74 89.72 194.93 88.75 202.02 87.43 209.07 85.81 216.14 83.91 223.3 81.73 230.6 79.29 238.15 76.61 246 73.69 254.26 70.56 263 67.27 272.32 63.9 282.32 60.56 293.11 57.79 304.77 55.02 317.35 52.25 330.86 51.13 345.16 50 360 采用描點法得到直動從動件凸輪的理論輪廓如圖2-7： 圖2-7 直動凸輪輪廓圖 與直動從動件凸輪的滾子半徑選擇原理一樣，選取滾子半徑為5，則凸輪實際輪廓如圖 2.2.5計算直動從動件凸輪的頂桿長度及安裝滯后角 圖2-8表示的是直、擺組合凸輪機構的初始位置（初始位置），其直動從動件凸輪機構的頂桿長度： . （2-12） 式中，為機構初始位置時，直動從動件凸輪B點的向徑，其極角記為。 代入數(shù)據(jù)計算得：R2=107.58 圖2-8 頂桿位移與擺桿轉角的變化 如圖2-8所示，定義機構初始位置時，擺動從動件凸輪向徑（即其基圓半徑）與使頂桿處于最低位置時直動從動件凸輪向徑（即其基圓半徑）之間的夾角為安裝滯后角,則安裝滯后角： 。 （2-13） 代入各數(shù)據(jù)計算得：=78.45 2.3直動凸輪和擺動凸輪的厚度 確定直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪的厚度為20mm.。 3 機構的計算機輔助設計 3.1 直動桿和擺動桿的設計 由于該機構所傳遞的功率比較小，因此各個零件的設計所考慮的重點不在于零件的力學性能，而在于設計的簡易度，零件的外形，零件的加工工藝性能，和整體機構的緊湊程度等方面，即機構的結構設計。 3.1.1直動桿部分的設計 直動桿的兩端分別聯(lián)接擺動桿和直動凸輪，其中和擺動桿的聯(lián)接運動副為轉動副，與凸輪的聯(lián)接為通過滾子的高副。由2的設計計算結果：直動桿的理論長度為107.58mm，也即直動桿與擺動桿的聯(lián)接轉動副的中心軸和滾子的中心軸的距離為107.58mm，這一長度必須嚴格控制，否則將會直接影響到指定點的運動軌跡。 綜合考慮桿的理論長度，與其他零部件的聯(lián)接形式，自身的加工工藝性能，零件的重量和機構的緊湊性后，其設計結果如圖3—1： 圖3—1 直動桿主要尺寸 其詳細尺寸見所附圖紙。 其Proe效果圖如圖3—2： 圖3—2 頂桿效果圖 3.1.2 擺動桿的設計 擺動桿的兩端分別聯(lián)接直動動桿和擺動凸輪，其中和直動桿的聯(lián)接運動副為轉動副，與凸輪的聯(lián)接為通過滾子的高副。由第2章的設計計算結果：擺動桿的理論長度為400mm，擺動桿上段長度為200mm，也即直動桿與擺動桿的聯(lián)接轉動副的中心軸和滾子的中心軸的距離為200mm，直動桿與擺動桿的聯(lián)接轉動副的中心軸與指定點間的距離為400mm。這幾個尺寸必須嚴格控制，否則將會直接影響到指定點的運動軌跡。 綜合考慮桿的理論長度，與其他零部件的聯(lián)接形式，自身的加工工藝性能，零件的重量和機構的緊湊性后，其設計結果如圖3—3： 圖3—3 擺動桿的主要尺寸 其詳細尺寸見所附圖紙。 其Proe實體效果圖如圖3—4： 圖3—4 擺動桿的效果圖 3.2 直動導軌的設計 導軌的形式多種多樣，根據(jù)以上直動桿的設計結果，選用橫截面為長方形的組合導軌，組合形式為兩個前扣（導軌附件）和后支撐板。 由第2章的計算可得直動凸輪從動件的行程為小于55。綜合其行程以及直動桿滑塊部分的高度，選取導軌長度為80。設計結果如圖3-5： 圖3-5 導軌的主要尺寸 其詳細的結構尺寸見所附圖紙。 其Proe實體效果圖如圖3-6： 圖3-6 導軌附件實體效果圖 3.3 機架的設計 機架支撐著導軌，軸承座和另外的不是直接連接在機架上的與機架具有相對運動關系的零件。對機架的設計應該力求結構簡單，緊湊，輕便，安裝方便，并且外觀好看。該機構的機架分為后支撐板和座板兩部分，其設計如下： 3.3.1 后支撐板的設計 由所選用的導軌形式，選取機架為方形，板狀。為了減少導軌部分的加工面，在導軌部分設計一厚度為3mm的凸臺，并按照第4章所設計的前扣的結構尺寸設計導軌部分的結構尺寸。初步定軸的軸線位于后支撐板的中心面，由直動從動件凸輪的偏心距20mm可得導軌中心面與后支撐板的中心面的距離為20mm。 再綜合考慮支撐板與座板的安裝，凸輪的運動范圍，其設計結果和主要尺寸如圖3-7： 圖3-7 支撐板主要尺寸 其詳細的結構尺寸見所附圖紙。 其Proe實體效果圖如圖3-8: 圖3-8 支撐板實體效果圖 3.3.2 座板的設計 座板連接了后支撐板，并且要安裝上兩個軸承座，其設計的主要部分在于各個螺栓孔的布置。 根據(jù)后支撐板的結構尺寸和所初步選取的軸承的結構尺寸，其Proe實體圖如圖3-9： 圖3-9 座板實體效果圖 3.4 軸系零部件的設計 由于該機構所傳遞的功率很小，因此這里的軸的設計就是軸的結構設計[5]。 3.4.1 擬定軸上零件的裝配方案 需安裝到軸上的零件有：軸承，直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪。裝配方案采用圖3-10形式： 圖3-10 軸上零件的裝配方案 3.4.2 確定軸的各段直徑和長度 對照圖3-11，初步選擇滾動軸承為內(nèi)徑25的深溝球軸承，其軸向定位為軸肩定位，并取軸肩高度為2.5mm，則4段的直徑為30mm。查表，取軸承厚度為15mm，則取安裝軸承的軸頸部分長度為18mm（分別為圖中的3，5段） 再計算6段長度和直徑，其長度的計算照看圖3-11： 其直徑為20mm。 圖3-11 6段長度計算示意圖 則計算得其長度為48mm。 計算軸頭部分的長度和直徑：取直徑為15mm，長度為兩凸輪厚40mm。 3.4.3 軸上零件的周向定位 兩凸輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按照軸頭直徑15mm選平鍵的截面為b*h=5*5。按照軸段的寬度選其l=30mm. 軸的設計結果見所附圖紙。 軸的Proe實體效果如圖3-12： 圖3-12 軸的實體效果圖 3.5 標準件 以上的設計所需選定的標準件整理如下[6]： 聯(lián)接后支撐板與座板用的螺栓：GB5780-86 M6×30 數(shù)量為4 ； 與其配合的螺母：GB41-86 M6 數(shù)量為4； 組合導軌用的螺栓：GB5780 M6×30 數(shù)量為4； 與其配合的螺母：GB41-86 M6 數(shù)量為4； 聯(lián)接軸承座與座板用的螺栓：GB5780 M12×45 數(shù)量為4； 其配合的螺母：GB41-86 M12 數(shù)量為4； 凸輪的軸向定位用的軸端C型外擋圈：GB894.1-86 15 數(shù)量為1； 擺桿的軸向定位用的軸端擋圈：GB895.1-86 7 數(shù)量為1； 凸輪與軸的周向定位用的A型普通平鍵：截面尺寸 5×5 數(shù)量為1； 安裝在軸上的軸承：GB276-89 6205； 與其配合的軸承座：GB7813-87 SN103。 4 機構實體的運動仿真 為了驗證本課題所設計的直白組合凸輪機構能否使擺桿的末端點實現(xiàn)預期的橢圓軌跡，現(xiàn)對該機構的實體進行運動仿真。 所有零件的實體模型構建完成后，在Proe下將它們裝配[7]組合，效果如圖4-1： 圖4-1 裝配效果圖 其分解視圖如圖4-2： 圖4-2 分解視圖 參 考 文 獻 [1] 鄭文緯，吳克堅.機械原理（第七版）.高等教育出版社 [2] 周全申，郭建生.直、擺組合凸輪機構設計. 1992年， 第9卷，第1期 [3] 鄒慧君，董師予.凸輪機構的現(xiàn)代設計. 1991年，上海交通大學出版社 [4] 趙韓.凸輪機構運動幾何學的通用解析公式. 1995年第31卷第3期 [5] 楊明忠，朱家誠.機械設計.武漢理工大學出版社 [6] 蔡春源.新篇機械設計手冊.遼寧科學技術出版社 [7] 邵立新，夏素民，孫江宏.Pro/ENGINEER Wildfire3.0標準教程.清華大學出版社 22 致 謝 經(jīng)過一個多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起做設計的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師姚明印。她平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從給我們下放課題，設計前期的引導，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計一直都做得不太順利，但是姚老師仍然細心地糾正我設計中的錯誤，不厭其煩的給我悉心教導。她的治學嚴謹和科學研究的精神是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設計的董仁財同學，他在本次設計中勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設計。如果沒有他的努力工作，此次設計的完成將變得非常困難。 然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后感謝江西農(nóng)業(yè)大學四年來對我的大力栽培。