基于CAD圖解法的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE+仿真】

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CAD/CAM技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003． [2] 徐錦康. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2004 [3] 徐錦康. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [4] 董玉平. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [5] 吳彥農(nóng)，康志軍. 3DStudioMAX實(shí)踐教程[M]. 淮陰：淮陰工學(xué)院，2003 [6] 周昌治. 楊忠鑒，趙之淵，陳廣凌. 機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1999 [7] 吳祥．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]．北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2001． [8] 胡松林．CAXA制造工程師V2實(shí)例教程[M]，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2001． [9] 廖衛(wèi)獻(xiàn)．?dāng)?shù)控技術(shù)的一些基本概念[J]．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000，5． [10] 黃勝全．XKA5750型數(shù)控銑床手工編程方法及應(yīng)用[J]．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2003．10 六、工作量要求： 查閱文獻(xiàn)資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇。完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），畢業(yè)設(shè)計(jì)不少于8000字。提交相關(guān)圖紙或CAD文檔。 指導(dǎo)教師 （簽名）： 年 月 日 學(xué) 生 （簽名）： 年 月 日 教研室意見：（建議就選題的科學(xué)性和可行性提出意見；就任務(wù)書的規(guī)范性；任務(wù)書的主要內(nèi)容和基本要求的明確具體性；任務(wù)書計(jì)劃進(jìn)度的合理性；提供的參考文獻(xiàn)數(shù)量；是否同意下達(dá)任務(wù)書等方面進(jìn)行審核。） 　　　　　　 　　　　　　　　　　 　教研室主任： 年 月 日 注：本表一式三份。一份交教學(xué)單位存檔，一份交學(xué)生，一份指導(dǎo)教師自留。 摘要 本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求：凸輪角速度ω1=1rad/s，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，推桿最大行程h=25mm，凸輪推程運(yùn)動(dòng)角δ0=120°，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦加速度運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)休止角δ01=60°，凸輪回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦加速度運(yùn)動(dòng)，回程運(yùn)動(dòng)角度δ=120°，近休止角δ02=60°，許用壓力角[α1]=30°、[α2]=60°。使用AUTOCAD軟件運(yùn)用圖解法設(shè)計(jì)出了平面凸輪的工作輪廓。然后依據(jù)AUTOCAD軟件繪制的凸輪外輪廓曲線在三維設(shè)計(jì)軟件PROE中創(chuàng)建了凸輪機(jī)構(gòu)的三維模型。 除此之外，本文還運(yùn)用PROE對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真。本文還利用PREO-NC模塊，得到了凸輪外輪廓曲線的數(shù)控加工代碼。 關(guān)鍵詞：凸輪，圖解法，數(shù)控加工 Abstract Based on the design requirements: cam angular velocity ω1 = 1rad / s, CCW, putting stroke h = 25mm, Cam-drive sports angle δ0 = 120 °, the movement of sinusoidal acceleration motion, far angle of repose δ01 = 60 °, the return movement of the cam cosine acceleration motion, the return movement angle δ = 120 °, near the angle of repose δ02 = 60 °, the allowable pressure angle [α1] = 30 °, [α2] = 60 °. Using AUTOCAD software to design a work profile plane cam use graphical method. Then based on the cam curve AUTOCAD software to draw the outline of a three-dimensional model created in three-dimensional design of the cam mechanism in PROE software. In addition, the paper also carried out using a cam mechanism PROE for dynamic simulation. This paper also uses PREO-NC modules, get the outer contour of the cam curve NC code. Keywords: Cam, graphical method, CNC machining目錄 摘要 1 Abstract 2 第1章 緒論 4 1.1 凸輪機(jī)構(gòu)概述 4 1.2 凸輪機(jī)構(gòu)課題研究背景及意義 4 1.3 凸輪三維造型技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 5 第2章 基于CAD圖解法的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.1 CAD環(huán)境下圖解法的精度分析 6 2.2 圖解法設(shè)計(jì)原理 6 2.3 用 AutoCAD 設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線 7 2.3.1 繪制位移線圖 7 2.3.1 繪制凸輪理論廓線 8 2.3.3 繪制凸輪實(shí)際廓線 11 第3章 凸輪機(jī)構(gòu)三維建模及動(dòng)態(tài)模擬 13 3.1 PROE簡介 13 3.2 凸輪機(jī)構(gòu)三維建模 14 3.2.1 新建CAM（凸輪）文件 14 3.2.2 繪制過程 15 3.3 凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬 17 3.3.1 創(chuàng)建裝配體 17 3.3.2 凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬設(shè)置 18 3.3.3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果 22 第4章 凸輪輪廓曲線加工代碼編寫 24 4.1 Pro/E NC的基本概念 24 4.2 凸輪輪廓曲線加工 24 4.2.1 要點(diǎn) 24 4.2.2 工件分析與工藝規(guī)劃 25 4.2.3 平面凸輪外輪廓的加工代碼 25 致謝 27 參考文獻(xiàn) 28 第1章 緒論 1.1 凸輪機(jī)構(gòu)概述 低副機(jī)構(gòu)一般只能近似地實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。當(dāng)從動(dòng)件的位移、速度和加速度必須嚴(yán)格地按照預(yù)定規(guī)律變化，尤其當(dāng)原動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)而從動(dòng)件必須作間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)，則以采用凸輪機(jī)構(gòu)最為簡便。凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件或從動(dòng)件系統(tǒng)和機(jī)架組成，凸輪通過直接接觸將預(yù)定的運(yùn)動(dòng)傳給從動(dòng)件[3]。凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中，廣泛地應(yīng)用著各種形式的凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)之所以能在各種自動(dòng)機(jī)械中獲得廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗嬗袀鲃?dòng)、導(dǎo)引及控制機(jī)構(gòu)的各種功能。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，可以產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括變速范圍較大的非等速運(yùn)動(dòng)，以及暫時(shí)停留或各種步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；凸輪機(jī)構(gòu)也適宜于用作導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，使工作部件產(chǎn)生復(fù)雜的軌跡或平面運(yùn)動(dòng)；當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)用作控制機(jī)構(gòu)時(shí)，可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)工作循環(huán)。因此凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造方法對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的意義[4]。 1.2 凸輪機(jī)構(gòu)課題研究背景及意義 早期的工程技術(shù)人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設(shè)計(jì)參數(shù)[5]。在 CAD 二維設(shè)計(jì)階段，CAD 的作用僅僅是使工程人員得以擺脫煩瑣、精度低的手工繪圖，可重復(fù)利用已有的設(shè)計(jì)方案。而如今的 CAD 三維設(shè)計(jì)與 CAM 集成化，使工程人員可以從三維建模開始，進(jìn)行產(chǎn)品構(gòu)思設(shè)計(jì)和制圖，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴a(chǎn)的過程，大大簡化了手工工作環(huán)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。利用參數(shù)化技術(shù)三維 CAD 可以繪制精確的凸輪[6]。參數(shù)化設(shè)計(jì)具有造型精確，造型速度快，避免了手工取點(diǎn)造型的復(fù)雜過程，完成三維實(shí)體模型可以不斷的修改的特點(diǎn)。由于電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在某些設(shè)備的控制元件可以采用電子元器件，但他們一般只能傳遞較小的功率，而凸輪機(jī)構(gòu)卻能在實(shí)現(xiàn)控制功能的同時(shí)傳遞較大的功率。因此，凸輪機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)中具有無可替代的優(yōu)越性，尤其在高速度、高精度傳動(dòng)與分度機(jī)構(gòu)及引導(dǎo)機(jī)構(gòu)中，更有突出的優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究，特別是對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)問題的進(jìn)一步研究，是長期、持續(xù)并有重大意義的工作?，F(xiàn)代三維 CAD 已經(jīng)輻射到對(duì)整個(gè)制造企業(yè)生產(chǎn)、管理進(jìn)行全方位的輔助，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響[7]。 1.3 凸輪三維造型技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r CAD 技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，利用 CAD 技術(shù)可以起到提高企業(yè)的設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、減輕技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短設(shè)計(jì)周期、加強(qiáng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化等作用[8]。本文在研究基于特征的三維 CAD 理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一個(gè)擴(kuò)充性、開放性、復(fù)用性和維護(hù)性良好的 CAD 軟件系統(tǒng)。并在 CAD 技術(shù)理論和 CAD 軟件體系結(jié)構(gòu)上，做出了許多具有重要意義的工作。本課題利用了基于 Windows 平臺(tái)開發(fā)的 Visual Basic 語言來進(jìn)行凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)。程序的目的就是在 Visual Basic 中輸入凸輪的有關(guān)參數(shù)，由 SolidWorks 2005 來自動(dòng)生成凸輪實(shí)體。程序提供了良好的輸入界面，操作簡單、方便。與以往的手工凸輪設(shè)計(jì)相比較，參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法具有效率高，凸輪輪廓精度高，設(shè)計(jì)時(shí)間短等特點(diǎn)[9]。 第2章 基于CAD圖解法的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 CAD環(huán)境下圖解法的精度分析 與手工圖解法相比，普通繪圖工具精度為0．50或0．5 IIlrn，而CAD環(huán)境下其尺寸精度(長度、角度小數(shù)點(diǎn)位數(shù))就是計(jì)算機(jī)精度；用捕捉圖素指令可準(zhǔn)確捕捉特征點(diǎn)(如交點(diǎn)、切點(diǎn)、中點(diǎn)、圓心、垂直點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)等)；等分功能可迅速、精確地把一段弧或線段分成任意等分?jǐn)?shù)；GRID指令可設(shè)定屏幕格子點(diǎn)陣，在其上作圖相當(dāng)于在坐標(biāo)紙上作圖但精度高很多[10]；另外ORTHO ON能保證劃線垂直，鷹眼(即ZOOM)可隨時(shí)將局部放大(可放大至全屏幕)。這些功能消除了手工作圖工具及人工誤差，設(shè)計(jì)精度達(dá)到解析法精麼與解析法相比，手工解析法設(shè)計(jì)存在數(shù)字計(jì)算誤差、繪圖工具誤差、視覺誤差、繪圖筆線型誤差及曲線板擬合誤差．即使將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)引入解析法，是可以迅速得到各點(diǎn)數(shù)據(jù)，但將離散的各點(diǎn)繪成連續(xù)圖形時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)插值、密化、最后擬合成實(shí)際輪廓，此時(shí)存在插值誤差及估點(diǎn)數(shù)量引起的誤差，估點(diǎn)數(shù)越多，誤差越小，但相應(yīng)計(jì)算時(shí)間越長．而在機(jī)械CAD環(huán)境下，繪圖輸人方式是數(shù)字化方式，對(duì)圖素特征點(diǎn)的捕捉過程，其實(shí)質(zhì)也是一個(gè)連續(xù)數(shù)值計(jì)算過程，通過連續(xù)的插值，直至符合要求．因此可得知，在CAD環(huán)境下工程圖解法精度遠(yuǎn)高于手工圖解法，與計(jì)算機(jī)輔助的解析法精度相當(dāng)，但更為直觀、形象[11]。 2.2 圖解法設(shè)計(jì)原理 圖解法利用反轉(zhuǎn)法原理：設(shè)想給整個(gè)機(jī)構(gòu)加上一個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，則凸輪處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，而從動(dòng)件一方面隨機(jī)架以角速度（-ω）繞 O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在機(jī)架導(dǎo)路中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)。其結(jié)果是凸輪機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并不改變[12]。 對(duì)于尖頂從動(dòng)件，由于它的尖端始終與凸輪輪廓相接觸，所以反轉(zhuǎn)過程中從動(dòng)件尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓[13]。因此，凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)，就是將凸輪視作固定的，作出從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)過程中尖頂?shù)母魑恢?，將各點(diǎn)連成光滑曲線，即得凸輪輪廓曲線[14]。圖 1 即為反轉(zhuǎn)法原理。 圖2.1 反轉(zhuǎn)法原理 2.3 用 AutoCAD 設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線 本課題設(shè)計(jì)要求如下：凸輪角速度ω1=1rad/s，推桿最大行程h=25mm，凸輪推程運(yùn)動(dòng)角δ0=120°，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦加速度運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)休止角δ01=60°，凸輪回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦加速度運(yùn)動(dòng)，回程運(yùn)動(dòng)角度δ=120°，近休止角δ02=60°，許用壓力角[α1]=30°、[α2]=60°。凸輪按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件設(shè)計(jì)成滾子形，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律見表2.1： 表2.1 滾子從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 δ 0~120° 120°~180° 180°~300° 300°~360° S 正弦加速上升 靜止 余弦加速下降至原位 靜止 說明：表中的φ和S 分別表示凸輪的轉(zhuǎn)角和從動(dòng)件的位移。 2.3.1 繪制位移線圖 (1) 進(jìn)入 AutoCAD繪圖界面，進(jìn)行基本的環(huán)境設(shè)置。包括設(shè)置圖形界限、設(shè)置點(diǎn)樣式、設(shè)置文字樣式、創(chuàng)建圖層等。其中至少要?jiǎng)?chuàng)建粗實(shí)線、細(xì)實(shí)線和中心線三個(gè)圖層。 (2) 繪制坐標(biāo)軸。取長度比例μs=1∶1 在 S軸上量取 h=25mm；取角度比例μδ=3°/mm 在 φ軸上分別量取δ0=120°、δ01=60°、δ=120°、δ02=60°。 (3) 將δ0=120°、δ=120°等分。調(diào)用定數(shù)等分命令。本文將δ0、δ等分成偶數(shù)等分（此處δ0分為8等分，δ分為6等分）則得等分點(diǎn) 1、2…15。 (4) 繪制升程的位移線圖。由上文可知，推桿升程是一個(gè)正弦加速過程，且整個(gè)升程等分為8段，已知推桿的最大行程為25mm，則根據(jù)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線的畫法，推桿行程曲線升程段的8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)可輕易計(jì)算出來，分別為第1點(diǎn)（15°，1.51），第2點(diǎn)（30°，3.84），第3點(diǎn)（45°，7.35），第4點(diǎn)（60°，11.68），第5點(diǎn)（75°，16.02），第6點(diǎn)（90°，19.53），第7點(diǎn)（105°，21.86），第8點(diǎn)（120°，25），最后用樣條曲線命令將 1、2、…8 點(diǎn)連成光滑曲線即為升程的位移線圖。 (5)繪制回程的位移線圖。推桿升程是一個(gè)余弦加速過程，且整個(gè)升程等分為6段，已知推桿的最大行程為25mm，則根據(jù)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線的畫法，推桿行程曲線回程段的六個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來分別為第10點(diǎn)（200°，21.8），第11點(diǎn)（220°，17.57），第12點(diǎn)（240°，11.86），第13點(diǎn)（260°，5.84），第14點(diǎn)（280°，1.57），第13點(diǎn)（300°，0），最后用樣條曲線命令將 9、8、…15 點(diǎn)連成光滑曲線即為回程的位移線圖。如圖2.2所示。 圖2.2 位移線圖 2.3.1 繪制凸輪理論廓線 將滾子中心視為從動(dòng)件的尖頂。選比例=1:1。（注：該作圖比例應(yīng)與位移曲線的作圖比例一致） (1) 繪制基圓：用畫圓命令以 O 為圓心，分別以 35為半徑畫圓； (2) 確定初始位置：本文設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)推桿運(yùn)動(dòng)方向與原點(diǎn)O共線，即是對(duì)心的，因此，過 O點(diǎn)作連接推桿與基圓的接觸點(diǎn)A0，A0即為凸輪輪廓曲線的起點(diǎn)； (3) 在基圓上依次量取四個(gè)角度：連OA0，從 OA0開始，沿-ω（順時(shí)針）方向依次量取δ0=120°、δ01=60°、δ=120°、δ02=60°，得各分點(diǎn)A6、A7、A13； (4) 將δ0=120°、δ=120°等分：（注意應(yīng)與位移圖中的等分?jǐn)?shù)相同）方法如下：將推程運(yùn)動(dòng)角δ0 等分為 8 等分：調(diào)用陣列命令，選環(huán)形陣列，陣列中心選基圓圓心 O，方法選“項(xiàng)目總數(shù)和填充角度”，項(xiàng)目總數(shù)為 9，填充角度為－120°，選擇對(duì)象 O A0，同時(shí)選復(fù)制時(shí)旋轉(zhuǎn)項(xiàng)目，按“確定”之后得等分點(diǎn) A1、A2、A3、A4、A7； 將回程運(yùn)動(dòng)角δ等分為 6 等分：方法同上，連接OA9，調(diào)用陣列命令，選環(huán)形陣列，陣列中心選基圓圓心 O，方法選“項(xiàng)目總數(shù)和填充角度”，項(xiàng)目總數(shù)為 7，填充角度為－120°，選擇對(duì)象 OA7，同時(shí)選復(fù)制時(shí)旋轉(zhuǎn)項(xiàng)目，按“確定”之后得等分點(diǎn) A10、A11、A12、A13、A14；。 (5) 在各導(dǎo)路中心線上由基圓量取各位移。以升程的第三個(gè)位置為例： 選擇位移曲線上的第三個(gè)位移 33＇，以 3 為基點(diǎn)將其復(fù)制到凸輪輪廓設(shè)計(jì)圖中的A3點(diǎn)得A33＇（如圖 3 所示），再調(diào)用畫圓命令，以 A3為圓心，以 A33＇為半徑畫圓，該圓與升程的第三條導(dǎo)路中心線及 L3線交于 A3＇點(diǎn)，則 A3＇點(diǎn)即為凸輪輪廓曲線上的點(diǎn)，然后刪除輔助圓和 A33＇線，同理可求得凸輪輪廓曲線上的其余各點(diǎn)，即升程上的 A0、A1＇…A8＇，回程上的 A9＇、A10＇…A15。 圖2.3 確定反轉(zhuǎn)時(shí)滾子中心的各相應(yīng)位置 (6) 畫出凸輪理論輪廓曲線：先調(diào)用畫圓弧命令，以 O 為圓心，以 A9為起點(diǎn)、A8為端點(diǎn)畫出 A8A9圓弧即為遠(yuǎn)停程的輪廓；同理以 O 為圓心，以 A0為起點(diǎn)、A15為端點(diǎn)畫出 A0A15圓弧即為近停程的輪廓。然后調(diào)用畫樣條曲線命令，捕捉A0、A1…A8點(diǎn)即可畫出升程的輪廓曲線；同理捕捉 A9、…A15點(diǎn)即可畫出回程的輪廓曲線。（如圖 2.4 所示） 圖2.4 凸輪工作輪廓曲線（即實(shí)際輪廓曲線） 2.3.3 繪制凸輪實(shí)際廓線 對(duì)滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，工作時(shí)滾子中心始終與從動(dòng)件保持相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且滾子與凸輪輪廓接觸點(diǎn)到滾子中心的距離始終等于滾子半徑xT。故可按下列步驟作實(shí)際輪廓曲線： (1) 作兩個(gè)停程的實(shí)際輪廓線：取偏移距離等于滾子半徑，選定工作輪廓上的弧A15A0、弧 A8A9向內(nèi)偏移即可作出近停程和遠(yuǎn)停程的實(shí)際輪廓。 (2) 作滾子圓：將“對(duì)象捕捉”僅設(shè)置為“最近點(diǎn)”，以升程和回程理論輪廓上的點(diǎn)為圓心，以滾子半徑為半徑畫一系列滾子圓。 (3) 作滾子圓的包絡(luò)線：將“對(duì)象捕捉”僅設(shè)置為“切點(diǎn)”，調(diào)用“樣條曲線”命令，捕捉各滾子圓的切點(diǎn)即可畫出升程和回程的理論輪廓曲線。（如圖 2.5 所示） 圖2.5 凸輪理論輪廓曲線 此處之外，本文還試驗(yàn)了使用偏移命令繪制升程和回程的實(shí)際輪廓。在試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)這樣操作的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，就是在兩個(gè)行程的交接處輪廓會(huì)出現(xiàn)斷開或相交的現(xiàn)象，如本例中升程的起點(diǎn)與近停程的終點(diǎn)處兩段輪廓會(huì)斷開，而在升程的終點(diǎn)與遠(yuǎn)停程的起點(diǎn)處兩段輪廓又會(huì)相交，所以用偏移命令作圖雖然很快，但結(jié)果不精確，為保證精度故本文放棄使用此方法。 第3章 凸輪機(jī)構(gòu)三維建模及動(dòng)態(tài)模擬 本文采用三維CAD軟件PROE5.0對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模以及創(chuàng)建動(dòng)態(tài)模擬仿真分析。 3.1 PROE簡介 PROE是Pro/Engineer的縮寫。Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的軟件名稱，但在中國用戶所使用的名稱中，并存著多個(gè)說法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指軟件的版本。 Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題[15]。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 1．參數(shù)化設(shè)計(jì) 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 2．基于特征建模 Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型[16]。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。 3．單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)） Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜 經(jīng)過多年的發(fā)展，Pro/ENGINEER廣泛用于機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、電子、家電、玩具等行業(yè)，是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，它集三維實(shí)體造型、模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、裝配模擬、加工仿真、NC自動(dòng)編程、有限元分析、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體。 3.2 凸輪機(jī)構(gòu)三維建模 本文設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)總共有凸輪、推桿和滾輪三個(gè)零件。本節(jié)將詳細(xì)講述凸輪的繪制過程和參數(shù)。 3.2.1 新建CAM（凸輪）文件 1、打開proe； 2、設(shè)置工作目錄。文件/設(shè)置工作目錄，在彈出的對(duì)話框中右鍵單擊，選擇“新建文件夾”，以自己的習(xí)慣命名，單擊“確定”。 3、在選擇“新建”； 4、在名稱中輸入“CAM”（凸輪名稱）； 5、取消前的勾。缺省模板可以理解為默認(rèn)的尺寸單位空間，proe默認(rèn)的單位是英寸磅秒（inlbs），而中國用的是公制單位毫米牛秒（mmns）； 6、選擇“確定”按鈕； 7、在彈出的“新文件選項(xiàng)”對(duì)話框中，選擇mmns_part_solid。表示以mmns為單位的實(shí)體零件文件（圖3.1）。 圖3.1 新文件選項(xiàng) 8、選擇“確定”，新建文件完成。 3.2.2 繪制過程 1、選擇“top”視圖； 2、選擇“”，保持默認(rèn)的草繪設(shè)置，選擇“草繪”按鈕； 3、選擇“草繪（S）”工具欄里的“數(shù)據(jù)來自文件”，選擇第二章中在AUTOCAD中繪制的凸輪輪廓曲線文件（圖3.2），以1:1的比例并旋轉(zhuǎn)-30°復(fù)制在草繪平面中，并以凸輪的回轉(zhuǎn)中心為圓心，10為直徑繪制一個(gè)定位圓（圖3.3）。 圖3.2 凸輪輪廓曲線 圖3.3 凸輪草繪線 4、按草繪工具下方的“”，退出草繪。 5、選擇基礎(chǔ)特征工具欄中的“拉伸”命令； 6、在下方的拉伸操控板中輸入拉伸高度：15；按回車鍵確認(rèn)輸入。 7、選擇拉伸操控板右側(cè)的，完成拉伸特征操作。注意：在旋轉(zhuǎn)視圖時(shí)，不要旋轉(zhuǎn)太多，免得下一步分不清零件的方向。 最后得到的凸輪三維模型圖如圖3.4所示。 圖3.4 凸輪 使用同樣的方法繪制出推桿（圖3.5）、滾輪（圖3.6）三維模型。 圖3.5 推桿 圖3.6 滾輪 3.3 凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬 在進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬之前，必須要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的裝配體。然后再進(jìn)入“機(jī)構(gòu)”中進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬的設(shè)置。 3.3.1 創(chuàng)建裝配體 在本文設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)中，以凸輪為基體，然后將推桿和滾輪安裝在其上。為了能進(jìn)行后續(xù)的動(dòng)態(tài)模擬仿真。這些零件需要使用動(dòng)態(tài)的約束類型來相互約束。 首先，凸輪作為主動(dòng)件不能以系統(tǒng)默認(rèn)方式定義在裝配體中，因?yàn)榈倪\(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)，所以將凸輪的約束類型設(shè)置為“銷釘”。然后，將事先裝配在一起的推桿和滾輪安裝到凸輪基體上，因?yàn)橥茥U-滾輪裝配體的運(yùn)動(dòng)是上下直線運(yùn)動(dòng)，所以將此裝配體的約束類型設(shè)置為“滑動(dòng)桿”。完成整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的裝配。裝配圖如圖3.7所示。 圖3.6 凸輪機(jī)構(gòu) 3.3.2 凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬設(shè)置 1、定義凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接 (1) 選擇下拉菜單的“應(yīng)用程序”——機(jī)構(gòu)（E）命令，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊； (2) 選擇下拉菜單“插入（I）”——“凸輪（C）”命令，此時(shí)系統(tǒng)彈出圖3.8所示的“凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作: 圖3.8 選取凸輪CAM曲面 ① 輸入名稱：在該對(duì)話框中的名稱文本框中輸入凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)名稱，或采用系統(tǒng)的默認(rèn)名(本文采用系統(tǒng)默認(rèn)名)。 ② 選取凸輪(CAM)曲面:在模型上，按住Ctrl鍵，選取凸輪CAM的邊緣曲線，單擊圖3.9所示的“選取”對(duì)話框的“確定”按鈕。 圖3.9 “選取”對(duì)話框 (3) 選取滑滾(WHEEL)圓周線。 ① 點(diǎn)擊“凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義”對(duì)話框中的“凸輪2”標(biāo)簽，此時(shí)對(duì)話框如圖3.10所示。 圖3.10 “凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義”對(duì)話框 ② 在模型上，按住Ctrl鍵，選取滑滾WHEEL的閱周曲線，單擊圖2所示的“選取”對(duì)話樞的確定按鈕。 (4) 完成凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義:單擊“凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)連接定義”對(duì)話框中的“確定”按鈕。 2、定義伺服電動(dòng)機(jī) (1) 選擇下拉菜單“插入”——伺服電動(dòng)機(jī)——命令。 (2) 此時(shí)系統(tǒng)彈出“伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行卜列操作: ① 輸入伺服電動(dòng)機(jī)名稱:在該對(duì)話框中的名字文本框中輸入伺服電動(dòng)機(jī)名稱，或采用系統(tǒng)的默認(rèn)名。 ② 選擇運(yùn)動(dòng)軸:在模型上，采用“從列表中拾取”的方法選取圖中的接頭，即列表中的連接軸Cannection_3c.axis_1。 ③ 定義運(yùn)動(dòng)函數(shù):單擊對(duì)話框巾的輪廊選項(xiàng)卡，系統(tǒng)顯示圖3.11所示的界面，在該界面中進(jìn)行下列操作: a、選取“速度”作為“規(guī)范”:單擊“規(guī)范”區(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“速度”。 b、定義運(yùn)動(dòng)函數(shù)。在“?！眳^(qū)域的下拉列表中選擇“常數(shù)”類型，.并在“A”文本框中輸入?yún)?shù)值l0 (3) 完成伺服電動(dòng)機(jī)定義。單擊對(duì)話框中的確定按鈕。 圖3.11 “輪廓”選項(xiàng)卡 3、運(yùn)行運(yùn)動(dòng)分析 (1) 選擇下拉菜單“分析（A）”——“機(jī)構(gòu)分析（Y）”命令。 (2) 此時(shí)系統(tǒng)彈出圖3.12所示的“分析定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作: ① 輸入分析(即運(yùn)動(dòng))名稱:在該對(duì)話框的“名稱”文本框中輸入分析名稱，或采用默認(rèn)名。 ② 選擇分析類型。選取分析類型為“位置”。 ③ 調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)順序。如果機(jī)構(gòu)裝置中有多個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，可單擊對(duì)話框中的“電動(dòng)機(jī)”標(biāo)鑒，在彈出的界而中調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)順序。由于本文中只有一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，所以不進(jìn)行本步操作。 ④ 定義動(dòng)畫時(shí)域。在圖3.12所示的“分析定義”對(duì)話框的“圖形顯示”區(qū)域進(jìn)行下列操作: a. 輸入開始時(shí)問0(單位為秒)。 b. 選擇測(cè)量時(shí)間域的方式:選擇“長度和幀頻”方式。 c. 輸入結(jié)束時(shí)間50(單位為秒)。 d. 輸入幀頻10。 ⑤ 定義初始位置。在圖3.12所示的“分析定義”對(duì)話框的初始配置區(qū)域中，選中“當(dāng)前”單選按鈕。 圖3.12 “分析定義”對(duì)話框 3、運(yùn)行運(yùn)動(dòng)。在“分析定義”對(duì)話框中單擊“運(yùn)行”按鈕。 4、完成運(yùn)動(dòng)定義。單擊“分析定義”對(duì)話框中的“確定”按鈕。 5、選擇下拉菜單“文件”——“保存”命令，保存文件。 3.3.3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果 使用PROE自帶的仿真動(dòng)畫回放模塊，可以完整的觀看到凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。圖3.13到圖3.16分別為升程、遠(yuǎn)端停程、回程、近端停程某時(shí)刻的機(jī)構(gòu)位置。 圖3.13 升程 圖3.14 遠(yuǎn)端停程 圖3.15 回程 圖3.16 近端停程 第4章 凸輪輪廓曲線加工代碼編寫 本文將PROE繪制的三維模型直接導(dǎo)入到PROE的CAM模塊中進(jìn)行凸輪輪廓曲線的仿真模擬NC仿真切削。 4.1 Pro/E NC的基本概念 通俗地說，在加工時(shí)要有一張加工圖紙，在Pro/E NC加工模塊中，這張加工的三維圖紙就是“參照模型”； 在加工時(shí)還要有一個(gè)加工毛坯，在Pro/E NC加工模塊中，這個(gè)毛坯就是“工件”。 1、參照模型：是所有NC加工的基礎(chǔ)，在NC加工操作前就要確定好參照模型。使用參照模型是在模型上選取特征、曲面和邊作為建立刀具軌跡的參照。 2、工件：在NC加工中可以被看作是一個(gè)加工零件的毛坯，并且在Pro/E NC中是可選的。它可以像參照模型一樣，在NC加工操作前確定好，也可以在NC界面下創(chuàng)建。 3、制造模型：是由參照模型和工件裝配在一起組合而成的。 4.2 凸輪輪廓曲線加工 4.2.1 要點(diǎn) 本文的平面凸輪為一直壁零件，要求完成粗加工與精加工，零件的精度要求較低。通過這個(gè)加工實(shí)例，目的是熟悉Pro/ENGINEER Wildfire 5.0加工模塊中粗加工最常用的體積塊銑削加工方法的基本操作及參數(shù)設(shè)置。包括以個(gè)內(nèi)容： 2 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0加工模塊的基本操作； 2 進(jìn)入加工模塊后的初始設(shè)置； 2 銑削體積塊的創(chuàng)建方法； 2 體積塊銑削的主要參數(shù)設(shè)置。 4.2.2 工件分析與工藝規(guī)劃 1、工件簡介：心形凸模為一直壁零件，上表面和底面均為平面，圖形相對(duì)比較簡單。加工時(shí)，需要對(duì)心形部分進(jìn)行粗加工和精加工，零件材料為45#鋼，毛坯要求六面平整。 2、工件安裝：以底面固定安裝在機(jī)床上。 3、加工坐標(biāo)原點(diǎn) X：工件中心 Y：工件中心 Z：工件頂面 4、工步安排 本零件形狀比較簡單，又沒有尖角或特別小的圓角，而且表面加工要求也不是很高，所以不需要清角加工。加工時(shí)，可采用一把φ32的平刀進(jìn)行全部的加工過程，這樣既可以避免換刀操作，又可以提高加工效率。 本零件的加工可分為兩個(gè)工步來完成：平面凸輪粗加工、平面凸輪精加工。 加工內(nèi)容、加工方式、刀具、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給等機(jī)械參數(shù)如下表： 4.2.3 平面凸輪外輪廓的加工代碼 由PROE-NC模塊生成的CNC數(shù)控文件的擴(kuò)展名為.tap，成為數(shù)控機(jī)床可以識(shí)別的G代碼文件，也可用記事本方式打開，并作局部修改。具體代碼如下： O1000 N01 G54 G28 G91 G00 Z0; M06 T01; N02 G90 G00 Z35; G42 X50 Y50 D01;(建立刀補(bǔ)D01=6.5)---粗加工 N03 G01 Z-6 M03 F150 S1000; N04 X0; N05 G03 Y-50 I0 J-50; N06 G03 X18.856 Y-36.667 R20; N07 G01 X28.284 Y-10; N08 G03 X28.284 Y10 R30; N09 G01 X18.856 Y36.667; N10 G03 X0 Y50 R20; N11 G01 X-20; G00 G40 Y80; N12 Z35; N13 G00 G42 X50 Y50 D02 ;(建立刀補(bǔ)D02=6) ---精加工 N14 G01 Z-6 M03 F150 S1200; N15 X0； N16 G03 Y-50 I0 J-50; N17 G03 X18.856 Y-36.667 R20; N18 G01 X28.284 Y-10; N19 G03 X28.284 Y10 R30; N20 G01 X18.856 Y36.667; N21 G03 X0 Y50 R20; N22 G01 X-20; N23 G00 Z35; N24 G40 Y80 M05;(主軸停止) 致謝 歷 時(shí) 幾 個(gè) 月 的 實(shí) 習(xí) 接 近 尾 聲 了 ， 我 的 設(shè) 計(jì) 也 基 本 上 圓 滿 完 成 了 。 此 時(shí) 回 想 過 去 設(shè) 計(jì) 的 日 子 ， 體 會(huì) 多 多 ， 感 慨 也 不 少 。 設(shè) 計(jì) 過 程 也 如 我 所 料 ， 遇 到 不 少 的 問 題 。 幸 好 在 此 過 程 中 常 得 到 老 師 的 指 導(dǎo) 、 同 學(xué) 們 的 幫 助 ， 讓 我 基 本 上 解 決 了 問 題 ， 完 成 了 設(shè) 計(jì) 。 最 后 交 給 指 導(dǎo) 老 師 。 指 導(dǎo) 老 師 經(jīng) 過 詳 細(xì) 的 檢 查 后 對(duì) 我 的 設(shè) 計(jì) 給 予 詳 細(xì) 的 、 全 面 的 批 評(píng) 指 正 和 修 改 建 議 。 我 根 據(jù) 指 導(dǎo) 老 師 的 修 改 建 議 ， 進(jìn) 行 第 二 輪 的 修 改 ， 修 改 完 后 再 請(qǐng) 老 師 過 目 指 導(dǎo) ， 直 到 指 導(dǎo) 老 師 認(rèn) 為 基 本 沒 什 么 錯(cuò) 誤 為 止 。 在 此 表 示 衷 心 的 感 謝 ！ 最 后 ， 在 此 對(duì) 在 整 個(gè) 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 給 予 我 指 導(dǎo) 和 幫 助 的 老 師 同 學(xué) 表 示 衷 心 的 感 謝 ！ 特 別 是 我 的 指 導(dǎo) 老 師 老 師 ， 對(duì) 我 設(shè) 計(jì) 給 予 悉 心 的 指 導(dǎo) ， 對(duì) 工 作 認(rèn) 真 負(fù) 責(zé) 的 態(tài) 度 也 是 我 學(xué) 習(xí) 的 好 榜 樣 ， 我 受 益 匪 淺 ， 在 此 再 次 表 示 衷 心 的 感 謝 。 參考文獻(xiàn) [1] 寧汝新. 趙汝嘉. 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