1745_溝槽凸輪機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真,溝槽,凸輪,機構(gòu),設(shè)計,以及,運動,仿真
摘 要在當(dāng)今經(jīng)濟全球化、市場競爭日趨激烈的時代，新產(chǎn)品的開發(fā)時間成為企業(yè)能否在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計過程中重復(fù)計算、重復(fù)建模等工作量很大，一直困擾著產(chǎn)品開發(fā)人員，嚴重影響了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和效率。這種現(xiàn)象在凸輪的設(shè)計中尤為突顯。針對這一問題，本課題利用 Pro/E 軟件中的運動仿真模塊對凸輪機構(gòu)運動進行模擬仿真。本論文的主要研究內(nèi)容有：1、溝槽凸輪設(shè)計2、溝槽凸輪機構(gòu)的零部件的實體建模3、溝槽凸輪機構(gòu)的運動仿真關(guān)鍵詞：溝槽凸輪 實體建模 運動仿真 ABSTRACTIn the competitive era of economic globalization and increasingly markets, the development time for new product become a key factor to win in the fierce competition market. The traditional product design process of double counting, such as repeated heavy workload and modeling have troubled the product development staff, a serious impact on product design quality and efficienct. This phenomenon is particularly on the design of cam highlights. Address with this problem, the subject of using the movement simulation module of Pro / E software on the cam movement simulation.In this paper, the main research contents are as follows:1. Designing the groove cam2. Modeling the mechanism parts of groove cam 3. Motion simulating of the groove cam mechanism Key Words: Cam groove, Modeling, Motion Simulation目 錄緒 論 ..................................................................11.1 本文研究的背景 ....................................................11.1.1 我國凸輪機構(gòu)的研究現(xiàn)狀 ........................................11.1.2 我國凸輪機構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 ................................11.1.3 國外凸輪機構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 ............................21.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題 ....................................21.2 本文研究的主要內(nèi)容 ................................................21.3 本文意義 ..........................................................31.4 本章小結(jié) ..........................................................32 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析 .....................................................42.1 從動件運動規(guī)律的選取 ..............................................42.1.1 從動件常用的基本運動規(guī)律 ......................................42.1.2 從動件運動規(guī)律的選取原則 ......................................42.2 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計 ............................................52.2.1 凸輪機構(gòu)壓力角和基圓半徑 ......................................52.2.2 凸輪機構(gòu)的偏距 ................................................62.2.3 凸輪滾子半徑 ..................................................62.3 凸輪輪廓設(shè)計 ......................................................72.4 機構(gòu)簡介 ..........................................................82.5 本章小結(jié) ..........................................................93 凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配 ............................................103.1 Pro/E 軟件簡介 ...................................................103.2 零部件的實體建模 .................................................103.3 裝配原理簡介與裝配模型的建立 .....................................123.3.1 Pro/E 仿真裝配原理介紹 ........................................123.3.2 裝配模型建立 .................................................143.4 本章小結(jié) .........................................................174 凸輪機構(gòu)的運動仿真 ..................................................184.1 計算機仿真概述 ...................................................184.1.1 計算機仿真的基本概念及特點 ...................................184.1.2 計算機仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 ...............................184.2 Pro/E 運動仿真簡介 ...............................................194.2.1 Pro/E 運動仿真的特點 ..........................................194.2.2 Pro/E 運動仿真的基本術(shù)語 ......................................204.2.3 Pro/E 運動仿真的步驟 ..........................................214.3 凸輪機構(gòu)的運動仿真 ...............................................214.3.1 設(shè)置機構(gòu)環(huán)境 .................................................214.3.2 分析 .........................................................254.4 本章小結(jié) .........................................................29結(jié) 論 .................................................................30致 謝 .................................................................31參考文獻 ...............................................................320 緒 論1.1 本文研究的背景1.1.1 我國凸輪機構(gòu)的研究現(xiàn)狀凸輪機構(gòu)是典型的常用機構(gòu)之一。凸輪機構(gòu)是能使從動件按照給定的運動規(guī)律運動的高副機構(gòu)，可以實現(xiàn)任意給定的位移、速度、加速度等運動規(guī)律，而且與其它機構(gòu)配合可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動要求。工程中，幾乎所有簡單的、復(fù)雜的重復(fù)性機械動作都可由凸輪機構(gòu)或者包括凸輪機構(gòu)的組合機構(gòu)來實現(xiàn)。又由于凸輪機構(gòu)具有平穩(wěn)性好，重復(fù)精度高，運動特性良好，機構(gòu)的構(gòu)件少，體積小，剛性大，周期控制簡單，可靠性好，壽命長等優(yōu)點，因而是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中不可缺少的機構(gòu)之一，被廣泛用于各種自動機中。例如，自動包裝機、自動成型機、自動裝配機、自動機床、紡織機械、農(nóng)用機械、印刷機械加工中心環(huán)刀機構(gòu)、高速壓力機械等。我國以前對凸輪機構(gòu)深入系統(tǒng)地研究較少，僅在內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)有較深入研究。1990 年以來，有關(guān)凸輪機構(gòu)的應(yīng)用研究取得了一大批成果，許多己應(yīng)用于生產(chǎn)。陜西科技大學(xué)完成的(高速高精度間歇轉(zhuǎn)位凸輪分度機構(gòu)CAD/CAM)， 1995 年獲陜西省科技進步二等獎：開發(fā)的 “凸輪分度機構(gòu)傳動裝置”獲中國輕工總會優(yōu)秀新產(chǎn)品一等獎；加工弧面凸輪的“XK5001 雙回轉(zhuǎn)坐標(biāo)數(shù)控銑床”獲實用新型專利。天津大學(xué)關(guān)于分度凸輪機構(gòu)的研究，得到了國家自然科學(xué)基金的支持；研究開發(fā)的兩片式平行分度凸輪機構(gòu)達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。此外，上海交通大學(xué)、大連輕工業(yè)學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)和山東大學(xué)(山東工業(yè)大學(xué)) 等在理論應(yīng)用研究方面都取得了很多具有國際或國內(nèi)先進水平的科研成果。盡管我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究也有多年的歷史，對凸輪機構(gòu)的設(shè)計、運動規(guī)律、輪廓線、動力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計等方面的研究都取得了很多科研成果。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構(gòu)的設(shè)計和制造上都還存在較大的差距，尤其在制造方面。在國外核心技術(shù)也只是集中在少數(shù)的幾家公司和科研機構(gòu)中，而且由于技術(shù)保密等因素，具有一定參考價值的相關(guān)資料很少公開發(fā)表。這樣就在無形中制約著我國凸輪機構(gòu)設(shè)計和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸輪機構(gòu)必須依賴進口的被動局面。1.1.2 我國凸輪機構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀我國凸輪機構(gòu)運動學(xué)的理論研究己經(jīng)達到了較高的水平，為凸輪機構(gòu)設(shè)計奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。當(dāng)今，凸輪機構(gòu)設(shè)計己廣泛采用解析法并借助于計算機來完成，數(shù)控機床用于凸輪加工也有很長的歷史。我國發(fā)表的凸輪機構(gòu)CAD/CAM 方面的文獻較多。但這些凸輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)核心技術(shù)僅被某些1 企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現(xiàn)。迄今為止我國凸輪機構(gòu)CAD/CAM 技術(shù)仍未得到有效的推廣應(yīng)用。另外，由于凸輪專用軟件開發(fā)更新的速度慢，遠遠跟不上當(dāng)今計算機軟、硬件的發(fā)展速度，使得現(xiàn)有凸輪機構(gòu)CAD/CAM 軟件己大為落后，不能完全適應(yīng)廣大設(shè)計人員的要求。1.1.3 國外凸輪機構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀自上世紀(jì)三十年代以來，人們就開始了對凸輪機構(gòu)的研究，并且研究工作隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化。60 年代后，對凸輪的研究逐步成熟起來，出現(xiàn)了較完整的運動規(guī)律的設(shè)計，在梯薩爾的著作中就采用了多項式運動規(guī)律。對凸輪機構(gòu)的研究不斷向縱深方向發(fā)展，開始對凸輪進行有限元分析及非線性問題的研究，同時，歐美各國學(xué)者對高速凸輪的研究也有新的突破，許多學(xué)者發(fā)表了關(guān)于凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、凸輪振動、動態(tài)響應(yīng)等方面的論文。日木在凸輪機構(gòu)方面的研究也有巨大貢獻。在機構(gòu)設(shè)計方面，致力于尋求凸輪機構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化，以適應(yīng)新的要求。并加強了對凸輪機構(gòu)動力學(xué)和振動方面的研究和標(biāo)準(zhǔn)化研究，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凸輪機構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進一步拓展凸輪機構(gòu) CAD/CAM 系統(tǒng)。美國、日木等國家的一些凸輪制造企業(yè)開發(fā)了供木企業(yè)使用的凸輪 CAD/CAM 系統(tǒng)，有的還形成了商業(yè)化軟件，如日木 SUNCALL 公司開發(fā)的 HYMOCAM 系統(tǒng)等。1.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題通過調(diào)研以及查閱大量文獻資料，我國現(xiàn)有的凸輪 CAD 系統(tǒng)存在如下問題：(1)多數(shù)是在 AutoCAD 基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而成的，不具有三維建模功能；(2)沒有商品化的凸輪 CAD 系統(tǒng)出現(xiàn)；(3)現(xiàn)有的基于 Pro/ENGINEER 的凸輪 CAD 系統(tǒng)中，融入先進的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的還沒有主要原因是由于 Pro/TOOLKIT 開發(fā)界面的功能很弱，而且根木沒有連接數(shù)據(jù)庫的功能；(4)由于凸輪專用軟件開發(fā)更新的速度慢，遠遠跟不上當(dāng)今計算機硬件的發(fā)展速度，使得現(xiàn)有的平面凸輪機構(gòu) CAD 應(yīng)用軟件已大為落后，不能適應(yīng)實際生產(chǎn)的需要；(5)集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化很不完善。1.2 本文研究的主要內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容是關(guān)于溝槽凸輪機構(gòu)的運動仿真。首先介紹了溝槽凸輪的設(shè)計，然后在 Pro/E 軟件中實現(xiàn)其實體建模和裝配，最后才對裝配好的溝槽凸輪機構(gòu)進行運動仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析。2 1.3 本文意義對凸輪機構(gòu)進行運動仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果以及碰撞干涉檢查，對設(shè)計的零件進行結(jié)構(gòu)等方面的修改，大大簡化機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。1.4 本章小結(jié)首先本章對課題的研究背景進行了詳細的介紹，然后又對本文的研究內(nèi)容和本文意義進行介紹。3 2 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析2.1 從動件運動規(guī)律的選取運動規(guī)律設(shè)計包括對所設(shè)計的凸輪機構(gòu)輸出件的運動提出的所有給定要求。例如，推程、回程運動角、遠休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運動規(guī)律曲線形狀，都屬于運動規(guī)律設(shè)計。所謂凸輪曲線并不是凸輪輪廓的形狀曲線，而是凸輪驅(qū)動從動件的運動曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時間、最圓滑、無振動、耗能少的方式來驅(qū)動從動件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影響凸輪機構(gòu)的精度、效率和壽命。從動件的運動情況，是由凸輪輪廓曲線的形狀決定的。一定輪廓曲線形狀的凸輪，能夠使從動件產(chǎn)生一定規(guī)律的運動；反過來實現(xiàn)從動件不同的運動規(guī)律，要求凸輪具有不同現(xiàn)狀的輪廓曲線，即凸輪的輪廓曲線與從動件所實現(xiàn)的運動規(guī)律之間存在著確定的依從關(guān)系。因此，凸輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場合，選擇或設(shè)計從動件的運動規(guī)律。在設(shè)計凸輪機構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機構(gòu)的工作性能要求選擇從動件的運動規(guī)律方程式，選擇不同的從動件運動規(guī)律將直接影響凸輪機構(gòu)的基本尺寸設(shè)計、輪廓設(shè)計及凸輪機構(gòu)的運動性能等。2.1.1 從動件常用的基本運動規(guī)律幾種常見的基木運動規(guī)律有三角函數(shù)運動規(guī)律(簡諧運動規(guī)律、擺線運動規(guī)律及雙諧運動規(guī)律等)；簡單多項式運動規(guī)律；等速運動規(guī)律(一次項運動規(guī)律)、等加等減速運動規(guī)律(二次項運動規(guī)律)等。2.1.2 從動件運動規(guī)律的選取原則從動件運動規(guī)律的選擇或設(shè)計，涉及到許多因素。除了需要滿足機械的具體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性，同時又要考慮所設(shè)計的凸輪廓線便于加工，這些因素又往往是互相制約的。因此在選擇或設(shè)計運動規(guī)律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清主次，綜合考慮。下面是一些常用運動規(guī)律的適用場合：(l)等速運動規(guī)律在很多情況下能滿足凸輪機構(gòu)推程的工作要求，但是在從動件行程的開始和終止位置存在剛性沖擊，是運動特性最差的曲線，所以等速運動規(guī)律很少單獨使用，且不適用于中、高速。(2)等加速等減速運動規(guī)律的速度曲線連續(xù)，在所有曲線中其最大加速度值為最小，但在從動件行程的開始、終止和由正加速度變?yōu)樨摷铀俣鹊闹虚g位置，加速度的有限值突變將導(dǎo)致柔性沖擊，因而不能在中、高速場合使用。(3)余弦加速度運動規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計算和加工，在中速時也能獲得合理的從動件的運動。但當(dāng)這種運動規(guī)律用于升—?！亍＿\動時，在行程的起始和終止位置因加速度突變而仍有柔性沖擊。當(dāng)4 這種規(guī)律用于升—回—升型運動時，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。(4)正弦加速度運動規(guī)律用于升—?！亍＿\動時，從動件在行程的起始和終止位置加速度無突變，因而無柔性沖擊，有利于機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但它用于升—?！亍＿\動時，在推程與回程的連接點處，躍度從有限的正值變?yōu)樨撝?，因而加速度曲線不連續(xù)。這種曲線要求機械加工的準(zhǔn)確性高于其他曲線。正弦加速度運動規(guī)律廣泛用于中速凸輪機構(gòu)，但不適于高速場合。2.2 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計凸輪機構(gòu)的基本尺寸對凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、傳力性能都有重要的影響。凸輪機構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，則可能造成壓力角過大或產(chǎn)生運動失真現(xiàn)象。凸輪機構(gòu)的基本尺寸之間互相影響、互相制約，所以如何合理地設(shè)計這些基本尺寸，也是凸輪機構(gòu)設(shè)計中要解決的重要問題。凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計問題是在給定從動件運動規(guī)律和許用壓力角的條件下尋求一組適用的尺寸，從而使設(shè)計的凸輪機構(gòu)性能佳、壽命長。溝槽凸輪機構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)有：基圓半徑和偏距，滾子半徑，擺桿長度等。為提高凸輪機構(gòu)傳力效果，希望機構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來講，這些參數(shù)的選擇，除應(yīng)保證使從動件能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)使機構(gòu)具有良好的受力狀況和緊湊的尺寸。2.2.1 凸輪機構(gòu)壓力角和基圓半徑凸輪壓力角是從動件運動(速度)方向與傳動軸線方向之間的夾角。壓力角是衡量凸輪機構(gòu)傳力特性好壞的一個重要參數(shù)。從減小推力、避免自鎖，使機構(gòu)具有良好的受力狀況來看，壓力角應(yīng)越小越好。同時設(shè)計凸輪機構(gòu)時，除了使機構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。在實現(xiàn)相同運動規(guī)律的情況下，基圓半徑越大，凸輪的尺寸也越大。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)使基圓半徑盡可能地小。而基圓半徑 r 及偏距 e 與凸輪壓力角 有如下0 ?關(guān)系：tan = = (2—1)?0seds???20ers?當(dāng)凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、從動件偏于凸輪軸心左側(cè)或當(dāng)凸輪順時針轉(zhuǎn)動，從動件偏于凸輪軸心右側(cè)時，壓力角的計算公式：tan = (2—2)?20ersds???5 由計算公式可知壓力角和基圓半徑兩者是互相制約的，在一般情況下，為了保證設(shè)計的凸輪機構(gòu)既有較好的傳力特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計時兩者應(yīng)同時考慮。為了保證凸輪機構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值 ，在使???的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。推薦推程的許用壓力角為：移????max動推桿 =30 ~38 ；當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時可取 =45 ；擺動推桿0 0=40 ~45 ；回程時，由于推桿通常受力較小而無自鎖問題，故許用壓力角可以取大一點，通常取 =70 ~80 。???0在實際工作中，一般都是先根據(jù)具體情況預(yù)選一個凸輪的基圓半徑，待凸輪輪廓曲線設(shè)計完成后，在檢查其最大壓力角是否滿足 。????max2.2.2 凸輪機構(gòu)的偏距由式(2 —1)和式 (2—2)可看出，凸輪的轉(zhuǎn)動方向和從動件的偏置方向不同，增大偏距。壓力角的變化就不同。若推程壓力角減小，則回程壓力角將增大，即通過增加偏距來減小推程壓力角，是以增大回程壓力角為代價的。在設(shè)計凸輪機構(gòu)時，如果壓力角超過了許用值、而機械的結(jié)構(gòu)空間又不允許增大基圓半徑，則可通過選取從動件適當(dāng)?shù)钠梅较騺慝@取較小的推程壓力角。即在移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的情況下，選擇從動件偏置的主要目的是為了減小機構(gòu)推程時的壓力角。從動件偏置方向選擇的原則是：若凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏于凸輪軸心右側(cè)；若凸輪順時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏于凸輪軸心左側(cè)。2.2.3 凸輪滾子半徑當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時，實際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑a?、滾子半徑 r 三者之間有如下的關(guān)系： = +r 。而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線? ar時，實際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑 、滾子半徑 r 三者之間的a?關(guān)系是 = ﹣r ，當(dāng) =r 時，則 =0，即實際廓線將出現(xiàn)尖點，由于尖點處ara極易磨損，故不能實用；若 鍵選擇 “xf1_位移” 、 “xf2_速度”和“xf3_ 加速度 ”，鉤選“分別繪制測量圖形（Graph measures separately） ”項，在“結(jié)果集（Result Set） ”欄中選中AnalysisDefinition1，如圖 4—15 所示。然后單擊該對話框中的 （圖形）工具，系統(tǒng)彈出“圖形工具（Graph tool） ”窗口，如圖 4—16 所示，在該窗口中顯示了凸輪機構(gòu)從動件的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。圖 4—16 從動件實際運動規(guī)律28 從圖 4—16 所示可知：凸輪是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)回程到近程休止，再經(jīng)推程到遠程休止，如此循環(huán)運動?；爻踢^程中位移逐漸減少，直到達到近程休止，近程休止內(nèi)位移不變，推程過程中位移逐漸增大，直到達到遠程休止，遠程休止內(nèi)位移不變。速度在回程過程中先減少后增大，在近程休止內(nèi)速度不變，推程過程中速度先增大后減小，在遠程休止內(nèi)速度不變。加速度在回程先減小后增大然后又減小，在推程過程中加速度先增大后減小然后有增大。由圖形曲線可知從動件的實際運動規(guī)律和修正正弦規(guī)律一致。在“測量結(jié)果（Measure Results） ”對話框中的“圖形類型（Graph Type） ”欄中選擇“測量與時間（Measure vs. Time） ”，在“測量（Measure） ”欄中按著鍵選擇 “xf4_行程” 和“xf5_速度” ，鉤選“分別繪制測量圖形（Graph measures separately） ”項，在“結(jié)果集（Result Set） ”欄中選中AnalysisDefinition1，如圖 4—17 所示。圖 4—17 “測量結(jié)果”對話框然后單擊該對話框中的 （圖形）工具，系統(tǒng)彈出“圖形工具（Graph tool） ”窗口，如圖 4—18 所示，在該窗口中顯示了凸輪連桿機構(gòu)執(zhí)行端的Ｙ向行程和速度。圖 4—18 執(zhí)行端 Y 向位移和速度曲線29 從圖 4—18 可知：凸輪連桿機構(gòu)執(zhí)行端的 Y 向位移、速度曲線和從動件的位移、速度曲線一樣。這說明此凸輪機構(gòu)能夠精確輸出本文所要求的運動規(guī)律。4.4 本章小結(jié)本章首先介紹了下計算機的仿真技術(shù)，然后較詳細的介紹了 Pro/E 軟件中的運動仿真模塊，最后詳細的介紹了凸輪機構(gòu)的運動仿真過程，并對結(jié)果進行了分析。30 結(jié) 論經(jīng)過幾個多月的忙碌后，終于完成了本設(shè)計課題的各項任務(wù)。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，增強了我的自學(xué)能力和收集使用資料的能力，同時全面系統(tǒng)地鞏固和總結(jié)大學(xué)四年來所學(xué)的專業(yè)知識。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我更好的把四年來所學(xué)的知識進行了綜合、鞏固，加深了對所學(xué)專業(yè)知識的理解，同時還接觸了一些在原來知識基礎(chǔ)上更為深層的知識。當(dāng)然，也使我體味到設(shè)計工作是一項艱苦任務(wù)，必須具備吃苦耐勞的精神?？傊?，這次畢業(yè)設(shè)計使我受益匪淺，為我將來工作打好了良好的基礎(chǔ)。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程當(dāng)中，我的指導(dǎo)老師一直給予的細心指導(dǎo)，還有其它老師和同學(xué)在提供幫助，在此表示衷心的感謝。由于本人知識面較窄，加上時間比較倉促缺乏實踐經(jīng)驗，設(shè)計中難免出現(xiàn)錯誤或不足之處，還望各位老師和同學(xué)批評指正，不勝感激。31 致 謝本文是在指導(dǎo)老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。指導(dǎo)老師以其嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)設(shè)計過程中我也學(xué)到了許多生活方面的知識。另外，我還要特別感謝其它師對我論文寫作的指導(dǎo)，他們?yōu)槲彝瓿蛇@篇論文提供了巨大的幫助。感謝同學(xué)對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。32 參考文獻[1] Xing Yingjie. 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機械設(shè)計制造及其自動化 班級學(xué)號 068105116 學(xué)號姓名 胡 裕 指導(dǎo)老師 于 斐 填 表 日 期 2011 年 3 月 25 日說 明開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述） 、研究內(nèi)容及實驗方案、目標(biāo)、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容 各專業(yè) 可根據(jù)具體情況適當(dāng) 修改 。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。一、課題研究背景及國內(nèi)外研究動態(tài)凸輪機構(gòu)廣泛用于各種自動機中。自三十年代以來，人們就在不斷的研究它，并且研究工作隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化，目前低、中速凸輪機構(gòu)的研究在各方面已經(jīng)相當(dāng)完善，成熟?，F(xiàn)在，人們研究工作的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速凸輪機構(gòu)及其動力學(xué)特性方面。近五十年代，由于計算機技術(shù)和各種數(shù)值計算法的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。在歐美各國，學(xué)者們?yōu)橥馆啓C構(gòu)的研究做出了巨大的貢獻。早在三十年代，F(xiàn).D.Furman 就寫了一本系統(tǒng)介紹凸輪設(shè)計的著作，當(dāng)時的工作主要集中在低速凸輪機構(gòu)，而且主要是分析運動規(guī)律。到了四十年代，人們開始對配氣凸輪機構(gòu)的振動進行深入研究，并從經(jīng)驗設(shè)計到有理論根據(jù)的運動學(xué)和動力學(xué)分析。四十年代末，J.A.Hrones 等人已經(jīng)注意到從動件的剛度對凸輪機構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)有明顯的影響。五十年代初，D.B.Mitchell 最先對凸輪機構(gòu)進行實驗研究。后來不少學(xué)者采用多種儀器，對高速凸輪的動力學(xué)響應(yīng)進行測量，并獲得了許多重要的成果。隨著計算機的發(fā)展，凸輪機構(gòu)的 CAD/CAM 獲得巨大成功，凸輪機構(gòu)的研究從經(jīng)驗設(shè)計到優(yōu)化設(shè)計，從單純的運動分析到動力學(xué)分析，從手工加工到 CAM 等發(fā)展階段。僅八,九十年代，就有 P.Diemtma，J.K..Mills ，Y.Peng，V.Y.Blrstij， Y.W.Chan 等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的論文，而Tsay，Bagci，Camil，Yilmaz，Yuksel，A.I.Mahyuddin，Cardona，Aiberto，T.L.Drenser 等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪振動、動態(tài)響應(yīng)等動力學(xué)方面的論文。在高速凸輪機構(gòu)的研究方面，歐美各國也取得了巨大的成就。Tesar 在其著作中對高速凸輪機構(gòu)采用的多項式運動規(guī)律有較詳細的論述，而 T.Weber，A.S.Gutman，F(xiàn).Freadunstein 等人提出了付氏級數(shù)運動規(guī)律，D.A.Stoddart 與 G..F.Fawcett 等提出了多項式運動規(guī)律等等。同時，M.Chew，Y.S.Unlusoy 等人對高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)問題在進行研究。德國、英國在高速凸輪機構(gòu)的研究方面又有了新的突破，對凸輪機構(gòu)采用了諧分析、諧綜合等分析設(shè)計方法，使得高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)性能有了很大的改善。歐美各國的學(xué)者還特別注重研究文獻的搜集，P.W.Jensen 在其專著中幾乎列出了 1984 年以前的、有記載的、可以找到的所有的文獻資料，共 1817 篇。日本也特別重視凸輪機構(gòu)的研究，日本學(xué)者在凸輪技術(shù)發(fā)展上所做的工作主要有：1、在機構(gòu)設(shè)計方面，致力于尋求凸輪機構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化，以適應(yīng)新的要求。2、加強了凸輪機構(gòu)動力學(xué)和振動方面的研究，提高了機構(gòu)的速度，發(fā)展了高速凸輪。3、研制新的凸輪加工設(shè)備，以適應(yīng)新開發(fā)的產(chǎn)品，實現(xiàn)了凸輪機構(gòu)的小型化和大型化。4、加強凸輪機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。5、發(fā)展凸輪機構(gòu)的 CAD/CAM 系統(tǒng)。我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。近年來已經(jīng)取得一定成就，但與先進國家相比我國對凸輪機構(gòu)的研究和應(yīng)用還存在一定的差距，尤其是在對振動的研究、凸輪機構(gòu)的加工及產(chǎn)品開發(fā)等方面。雖然已經(jīng)有很多學(xué)者對凸輪機構(gòu)的研究做了相當(dāng)多的工作，但在各研究方向仍有許多可以進行的地方。例如，從設(shè)計的角度考慮，大致有以下幾點：1、在從動件運動規(guī)律的研究方面，除了繼續(xù)尋找更好的運動規(guī)律外，還要研究有效的分析方法。2、在幾何學(xué)和運動學(xué)的研究方面。要綜合考慮各種凸輪機構(gòu)，盡可能導(dǎo)出普遍使用的計算公式。3、發(fā)展通用而有效的 CAD 系統(tǒng)。4、引入專家系統(tǒng)或人工智能 CAD系統(tǒng)。5、動力學(xué)的深化及研究成果的進一步實用化。6、加強對凸輪機構(gòu)的運動學(xué)特性好熱動力學(xué)特性的計算機模擬，以提高設(shè)計質(zhì)量和縮短產(chǎn)品研制周期。7、研究CAD/CAM 的一體化。 8、凸輪機構(gòu)作為引導(dǎo)機構(gòu)的研究和應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展科技的進步，人們對各種機械在速度、效率、壽命、噪聲和可靠性等方面要求的日益提高，因此也就對凸輪機構(gòu)的各種性能有更高的要求。為適應(yīng)這種發(fā)展形勢，凸輪機構(gòu)必須具有特性優(yōu)良的凸輪曲線和高速、高精度性能。我們的研究也正是為次而努力。二、溝槽凸輪機構(gòu)設(shè)計與分析為滿足凸輪機構(gòu)的輸出件提出的運動要求、動力要求等，凸輪機構(gòu)的設(shè)計大致可分為以下三步:l)從動件運動規(guī)律的設(shè)計。2)凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計。3)凸輪機構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計。2.1 從動件運動規(guī)律的設(shè)計運動規(guī)律設(shè)計包括對所設(shè)計的凸輪機構(gòu)輸出件的運動提出的所有給定要求。例如，推程、回程運動角、遠休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運動規(guī)律曲線形狀，都屬于運動規(guī)律設(shè)計。所謂凸輪曲線并不是凸輪輪廓的形狀曲線，而是凸輪驅(qū)動從動件的運動曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時間、最圓滑、無振動、耗能少的方式來驅(qū)動從動件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影響凸輪機構(gòu)的精度、效率和壽命。從動件的運動情況，是由凸輪輪廓曲線的形狀決定的。一定輪廓曲線形狀的凸輪，能夠使從動件產(chǎn)生一定規(guī)律的運動;反過來實現(xiàn)從動件不同的運動規(guī)律，要求凸輪具有不同現(xiàn)狀的輪廓曲線，即凸輪的輪廓曲線與從動件所實現(xiàn)的運動規(guī)律之間存在著確定的依從關(guān)系。因此，凸輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場合，選擇或設(shè)計從動件的運動規(guī)律。在設(shè)計凸輪機構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機構(gòu)的工作性能要求選擇從動件的運動規(guī)律方程式，選擇不同的從動件運動規(guī)律將直接影響凸輪機構(gòu)的基本尺寸設(shè)計、輪廓設(shè)計及凸輪機構(gòu)的運動性能等。從動件運動規(guī)律可分為基本運動規(guī)律和組合運動規(guī)律。基木運動規(guī)律包括簡單多項式運動規(guī)律和三角函數(shù)運動規(guī)律，組合運動規(guī)律是由數(shù)種基木運動規(guī)律進行拼接而成。2.1.1 從動件常用的基本運動規(guī)律幾種常見的基木運動規(guī)律有三角函數(shù)運動規(guī)律(簡諧運動規(guī)律、擺線運動規(guī)律及雙諧運動規(guī)律等);簡單多項式運動規(guī)律;等速運動規(guī)律(一次項運動規(guī)律)、等加等減速運動規(guī)律( 二次項運動規(guī)律)等。2.1.2 從動件運動規(guī)律的選取原則從動件運動規(guī)律的選擇或設(shè)計，涉及到許多因素。除了需要滿足機械的具體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性，同時又要考慮所設(shè)計的凸輪廓線便于加工，這些因素又往往是互相制約的。因此在選擇或設(shè)計運動規(guī)律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清卞次，綜合考慮。下面是一些常用運動規(guī)律的適用場合:l)等速運動規(guī)律在很多情況下能滿足凸輪機構(gòu)推程的工作要求，但是在從動件行程的開始和終止位置存在剛性沖擊，是運動特性最差的曲線，所以等速運動規(guī)律很少單獨使用，且不適用于中、高速。2)等加速等減速運動規(guī)律的速度曲線連續(xù)，在所有曲線中其最大加速度值為最小，但在從動件行程的開始、終止和由正加速度變?yōu)樨摷铀俣鹊闹虚g位置，加速度的有限值突變將導(dǎo)致柔性沖擊，因而不能在中、高速場合使用。3)余弦加速度運動規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計算和加工，在中速時也能獲得合理的從動件的運動。但當(dāng)這種運動規(guī)律用于升一停一回一停運動時，在行程的起始和終止位置因加速度突變而仍有柔性沖擊。當(dāng)這種規(guī)律用于升一回一升型運動時，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。4)正弦加速度運動規(guī)律用于升一停一回一停運動時，從動件在行程的起始和終止位置加速度無突變，因而無柔性沖擊，有利于機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但它用于升一回停運動時，在推程與回程的連接點處，躍度從有限的正值變?yōu)樨撝担蚨铀俣惹€不連續(xù)。這種曲線要求機械加工的準(zhǔn)確性高于其他曲線。正弦加速度運動規(guī)律廣泛用于中速凸輪機構(gòu)，但不適于高速場合。2.2 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計凸輪機構(gòu)的基本尺寸對凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、傳力性能都有重要的影響。凸輪機構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，則可能造成壓力角過大或產(chǎn)生運動失真現(xiàn)象。凸輪機構(gòu)的基本尺寸之間互相影響、互相制約，所以如何合理地設(shè)計這些基本尺寸，也是凸輪機構(gòu)設(shè)計中要解決的重要問題。凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計問題是在給定從動件運動規(guī)律和許用壓力角的條件下尋求一組適用的尺寸，從而使設(shè)計的凸輪機構(gòu)性能佳、壽命長。溝槽凸輪機構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)有:基圓半徑和偏距，滾子半徑，擺桿長度等。為提高凸輪機構(gòu)傳力效果，希望機構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來講，這些參數(shù)的選擇，除應(yīng)保證使從動件能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)使機構(gòu)具有良好的受力狀況和緊湊的尺寸。2.2.1 凸輪機構(gòu)壓力角和基圖半徑凸輪壓力角是從動件運動(速度)方向與傳動軸線方向之間的夾角。壓力角是衡量凸輪機構(gòu)傳力特性好壞的一個重要參數(shù)。從減小推力、避免自鎖，使機構(gòu)具有良好的受力狀況來看，壓力角應(yīng)越小越好。同時設(shè)計凸輪機構(gòu)時，除了使機構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。在實現(xiàn)相同運動規(guī)律的情況下，基圓半徑越大，凸輪的尺寸也越大。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)使基圓半徑盡可能地小。由計算公式可知壓力角和基圓半徑兩者是互相制約的，在一般情況下，為了保證設(shè)計的凸輪機構(gòu)既有較好的傳力特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計時兩者應(yīng)同時考慮。為了保證凸輪機構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。2.2.2 溝槽凸輪的曲率半徑移動滾子從動件盤形凸輪的曲率半徑。當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時，實際廓線的曲率半徑 Pa、理論廓線的曲率半徑 p、滾子半徑 r 三者之間有如下的關(guān)系: 而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線時，實際廓線的曲率半徑 Pa、理論廓線的曲率半徑 p、滾子半徑 r三者之間的關(guān)系是:Pa=p-r ，當(dāng) p=r 時，則 Pa=0，即實際廓線將出現(xiàn)尖點，由于尖點處極易磨損，故不能實用;若 p
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