（机械工程专业论文）凸轮cadcam系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 凸轮机构能将凸轮的旋转运动变成从动件有规律的运动，被广泛 应用于各类机械中。随着数控加工在我国的深入开展，真正实现我国 的凸轮c a d c a m 就显得非常必要，但以往的凸轮设计软件还存在许多 不足，如可设计的凸轮类型较少，大多集中于平面凸轮；且采用误差 较大、节点数过密的直线逼近法生成凸轮工作曲线，造成计算时间较 长；同时这些凸轮设计软件基本上只具有c a d 功能，如果想将设计好 的凸轮进行仿真和加工，就必须将图形输出到其它通用c a d c a l 软件 ( 如m a s t e r c a m 等) 中，因此这些软件在实际应用中总不尽人意。为 此作者在深入研究了我国有关凸轮设计软件的技术现状、凸轮的工作 要求和设计方法，以及c a d c a m 的相关技术后，设计开发了本凸轮 c a d c a m 软件。 以往的凸轮机构中，从动件只具有一维的运动方式，当需要有二 维的运动配合时，就只能利用两个凸轮进行旋转配合，不但占用较大 空间而且运动精度不高。为此在本软件中特别设计了从动件具有二维 运动方式的空间曲线柱形凸轮，以减少应用机械中凸轮的数量，并提 高运动精度。笔者在论文中详细分析了设计这种新型凸轮的理由和设 计思想，以及具体的设计过程。 本研究开发的软件可以设计的凸轮类型较多，包括了对心移动从 动件盘形凸轮、偏置移动从动件盘形凸轮、圆柱凸轮、圆柱分度凸轮 和空间曲线柱形凸轮等，其中对盘形凸轮的工作曲线采用了难度较大 的圆弧逼近算法和等误差算法，这样就可以在相同的允许误差内最大 限度的减少生成曲线的节点数，减少计算时间。软件的最大特点是实 现了c a d c a m 一体化，即在本软件中设计好凸轮曲线后，就可以直接 生成n c 代码，并在软件内部调用a u t o c a d 进行仿真，或直接传输给 数控机床进行加工。另外，在软件中还设计了刀具数据库、数控系统 数据库，以及通用后置处理方式等，方便了用户的使用和操作。软件 汇集了多种类型凸轮的设计，曲线算法较为先进，功能较为齐全，在 我国的工业企业中应具有广阔的应用前景和较大的经济价值。 论文从设计原理、设计方法和设计步骤等方面详细阐述了各类凸 轮的设计过程，并从软件的整体设计和各组成模块设计等方面说明了 软件的实现方法，并以实例介绍了仿真结果和实际加工过程，论文还 硕士学位论文。摘要 通过软件的使用和操作一章来让用户对软件的操作更加明确。 关键词：凸轮机构，c a d c a m ，圆弧逼近算法，通用后置处理， 加工仿真 硕十学位论文a b s n a c t a b s t r a c t c a mm e c h a n j s mc a n 仃a n s f e rm er e v o l v e m e n fo fc a mt ot h em o t i o n o fc a r r i e rb ym l e ，b ev e r ) rw i d e i y 印p l i e di nv a f i o u sm a c h i l l e w i t h n u m e r i c a lm a n u f a c t i l f ei sw i d e l ya p p l i e di i lo u rc o u n t 啦i ti sn e c e s s a r yt o r e a l i z ec a d ( 狐mo fc a m b u ta ud e s i 鲫e ds o f t 、a r cb e f o r ei no u r c o u n t r ys t i l lh a v es o m ew e a k i l e s s ，f o re x a m p l e ，i h ec o n v e n t i o n a l 哆p eo f c a mc o u m db ep f o j e c t e db yt h e s es o f h a r ei sv e r yl i t t l e ，a n du s e dl i n e s a p p f o a c ht oa r c s0 fc a mw h i c hi sh a v eb i g g e re h o r 强di n o r cn o d a l p o i n t s i nf u n h e 硼o r e ，t h e s es o f t w a r co fd e s i g n i n gc a m i nf a c to n l yh a v e m ef l l n c t i o no f a1 ) i fv o uw a n tt os i m u l a t ea n dw o r ko v e rt h eh a v e d e s i g i l e dc a mi nt h a ts o f t w a r e ，y o uw i l lf i i l dt h a ty o uh a v et oe x p o ni tt o o t h e rg e n e r a l 删( a ms y s t e ms o f h a r e ( e gm a s t e r c 铷田s ot h e s e d e s i g n e ds o f t w a r eb en o ts a t i s f a c t o t yf o ru s c i nt h i ss i t l l a t i o n ，t h ep a p e r s w r i t e rd e s i g n e dm e c a mc a d c a ms y s t e m s o f t 、) l r a r ea f t e rs t l l d i e d p r e s e n tt e c h n i q u es t a t eo fd e s i g n e ds o f t w a r ef o rc a mi no u rc o u n t r va n d c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e so fc ad ，c am i nm ef o r m e r ，t oc a mm e c h a n i s m ，t h ec a r r i e ro n l vh a v eo n ed i r e c t i o n m o t i o n i fy o uw a n th a v e2 di n o t i o n ，t h e ny o uh a v et of i ti tb yt w oc a m m e c h a n i s m ，s oi tn o to n l yo c c u p yb i g g e rs p a c e ，b u ta l s ol o w e rt h em o t i o n a c c i l r a c y s ot h ew f i t e rd e s i g n e dt h ea x i a lc a mw i t hc a r f i e ri l l2 dm o t i o n t h es o f 啊a r cc a nd e s i g nm a n yc o n v e n t i o n a lt ) ，p eo fc a i i l ，c o n d u d i n g o fe 姑ec a mw i t hm i d d l ec a r r i e r ，e d g ec 锄w i t ho 凰e tc a r r i e r ，a x i a lc a i i l ， d i v i d i n ga x i a lc a i i l ，a n da x i a lc a mw i t hc a r r i e ri n2 dm o t i o n ，e t c i n f o m i n gw o r k i i l gc u n ，e so fe d g ec a l n ，u s e dt h ee r f o rm e t h o d0 fa r c a p p r o a c hw h i c hc a nl e s s e nt h en o d a lp o i n t so nc i l e so fc a mu t t e 加o s t i y i i ls 锄ee r r o r ，s oi tr e d l l c et h ec o 珈【p u t a l i o nt i m e 肌em o s ts p e d a lf e a t u r c o fm ed e s i g n i i l gs o f 附a r eo fc a mi sf u l f i ut h ec ad ，c a mi 1 1 t e 堵r a t i o n ， t h a ti sw h e ny o ud e s i g l l e dac a mb yt h es o f 研a r e ，y o uc a nc h a n g ei ti n t o n cc o d ed i r c c t l y ，a n dc a ns i m u l a t i o n “i nm i ss o f t w a r eb yc a l l i n g a u t o c a d ，o rm a c h i n i n gi tb yt r a n s f e rn cc o d et on u m e r i c a lc o n t f o l m a c h i n e i na d d i t i o n ，i th a df o u n d e dt h ed a t ab a s e 觚du i l i v e r s a lp o s t p r o c e s s i n gi nt h es o f t w a r ef o rf a c i l i t a t i n gu s e rt oo p e r a t e m 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a m ( 1 d c a ms y s t e ms o f t w a r ep o s s e s sd e s i g n i n gm e m o do f c o n v e n t i o n a l 哆p e so fc a i n ，o w nt h ea d v a n c e dc i l e s 印p m a c ha l g o r i t h i m a n dc o m p l e t ep e r f o m a n c e ，s oi th a sg r e a tp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u e 。 k e yw o r d s ： c a mm e c h a n i s m ，c a d c a m ，e r r o rm e t h o do fa r c a p p r o a c h ，u n i v e r s a lp o s tp r o s e s s i n g ，s i m u l a t i o n 原创性声明 j 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：继年丝月竺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储虢纠导师签名母繇吼耻年蚰旦日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 先进制造技术a m t 的背景 二十世纪是一个伟大的世纪，涌现和产生了各种各样的先进制造技术 ( a 盯) ，用这些技术制造了半导体、无线电产品与设施、大规模集成电路及芯 片，制造了汽车、机床、机器人、飞机、火箭、计算机、电视机、移动通讯设 备等成千上万的机电产品，极大地改变和丰富了人类的生产和生活方式。a m t 的 水平和制造业的发达程度突出反映了一个国家、一个地区的经济实力和综合国 力。现在，工业发达国家和一些新兴工业化国家更是把发展a m t 作为一项极其 重要的发展战略和政策，把它列为国家中长期发展的重大关键技术。 美国曾在二十世纪7 0 年代后期，因受到“制造业已成为夕阳工业”一 说的影响而失去了世界制造业产品的市场份额，造成每年1 6 0 0 多亿美元的贸易 赤字。后来美国政府在对日本、欧洲国家和美国企业进行调研分析后，认识到 经济的竞争最终是制造技术的竞争，所以重新调整和改造了传统制造业，并进 一步出台了促进制造业发展的“先进制造技术计划”和“制造技术中心计划” ( 又称“合作伙伴计划”) “1 。“先进制造技术计划”包括设计技术( 工具和技 术) 、制造技术( 加工工艺和设备) ，辅助技术( 先进设计和加工所需的基础 核心技术) ，制造基础设施( 管理合理化和技术推广) 。“制造技术中心计划” 的目的是要促进在发展制造技术上的合作，帮助大量中小企业掌握先进制造技 术。这些技术的实施把知识和信息“物化”为生产力，随后美国经济再次振兴。 可见当今世界各个国家、各个民族在经济、外交乃至军事上的较量，很大程度 上是a m t 和制造工业水平与实力的较量 二十世纪5 0 年代第一台数控机床的问世揭开了机械发展史上新的一页，它 标志着机械制造业向着信息化迈出了第一步，从而进入制造业信息时代。至今， 以计算机技术、网络技术、通信技术等为代表的信息技术被广泛应用于制造业 的各个领域，a m t 如雨后春笋层出不穷，尤其近2 0 年先后提出和发展了计算机 辅助设计计算机辅助制造计算机辅助工程( c a d c a m c a e ) 、计算机辅助工艺 规划( c a p p ) 、成组技术( g t ) 、计算机集成制造( c i m ) 、柔性制造( f m ) 、 敏捷制造( 删) 、智能制造( i m ) 、虚拟制造( v m ) 、协同制造( c m ) 等多种 a m t 技术。以智能化( i n t e l l i g e n c e ) 、网络化( i n t e r n e t ) 、集成化( i n t e g r a t i o n ) 硕士学位论文 第一章绪论 和创新( i n n o v a t i o n ) 为特征的信息化( i n f o m a t i o n ) 制造技术将成为2 1 世 纪制造技术的主要发展方向 但是发展a m t 绝不意味着要丢掉传统的制造技术，恰恰相反，2 1 世纪制造 技术的基础仍然是传统的制造技术，人们正在以现代高新技术来改造传统的制造 技术，并以此为手段制造出满足现代社会需求的新产品。在知识经济时代来临之 际，传统的制造技术正在从其它学科和高新技术吸取营养并与之相结合，逐渐发 展成为一门技术含量高、附加值大的现代a m t 。 1 2 数控加工技术与程序编制系统 数控加工技术是现代化工业生产中一门新型的发展十分迅速的高新技术， 它是将数字化技术、微电子技术、监控检测技术等多种高新技术和传统的机械 加工技术有效地结合起来，成为制造自动化领域最重要的基础技术。数控加工 技术的发展十分迅速，从第一代的电子管元件数控装置，经历了晶体管电路、 中小规模集成电路、大规模集成电路控制系统，发展到计算机控制系统。数控 装置体积越来越小、精度越来越高，自动化程度不断提高，在工业生产中日益 发挥着重要作用”1 。 与此同时，控制数控机床加工的数控软件和程序编制系统的发展也非常迅 速。最初，人们只能采用手工编程，根据图纸要求进行数据计算，按照规定的 代码手工编制加工程序并制作控制介质。手工编程的编程效率较低，难以完成 复杂曲面等的编程工作，无法适应数控技术的发展。自第一台数控机床问世不 久，1 9 5 2 年，麻省理工学院即开始研究自动编程的语言系统a p t ( a u t o l i l a t i c a l l y p r o g r a 姗e dt o o l s ) ，1 9 5 9 年，第一代自动编程系统，即a p t 系统开始用于生 产。之后短短几十年，自动编程技术飞跃发展，自动编程种类越来越多，极大 地促进了数控机床在全球范围内日益广范的使用。a p t 语言系统由a p t l 、a p t 一2 发展到可解决三维编程的a p 卜系统后，美国宇航协会对a 卧一m 继续改 进，成立了a p t 长期规划组织( a p t l r p ) ，由伊利诺斯理工学院研究所负责，1 9 7 0 年发表了a 盯一( 自由曲面编程，可联机和图形输入) 初步方案，8 0 年代进 一步发展为a p t s s 系统，具有定义和加工复杂雕塑曲面的功能旧。 a p t 语占系统是世界上发展最早的数控编程语言，其语言词汇丰富，定义的 几何类型多，加工功能齐全，并配有1 0 0 0 多个后置处理程序，在各国得到广泛 的应用。但该系统庞大，需要使用大型计算机，费用昂贵。因此，各国根据零 件加工的特点和用户的需求，参考a p t 系统的思路，开发出许多具有不同特点 的自动编程系统，如美国的a d a f r r 、a u t o s p 0 r r ，德国的e ) 【a p t 一1 ( 点位) 、e x a p t 2 硕士学位论文第一章绪论 一2 ( 车削) 、e ) 【a p r 一3 ( 点位、轮廓) ，日本的f a p t 、i a p t ，法国的i f a p t p ( 点 位) 、i f a p t t ( 连续) 、i f a f r r 七p 等数控自动编程语言系统4 1 。 我国自2 0 世纪5 0 年代末即开始研究数控机床，6 0 年代中期开始数控自动 编程方面的研究工作，7 0 年代已研制出s k c 、z c k 、z b c l 、c i ( 1 等具有平面轮 廓铣削加工、车削加工等功能的数控自动编程系统，后又研制出具有解决复杂曲 面编程功能的数控编程系统c a m 一2 5 l 等多功能的语言系统。随着计算机技术的 发展，微机数控自动编程系统以其较高的性能价格比迅速发展起来，近年来推 出了e a p t 、h z a p t 等微机数控自动编程系统嘲。 由于a p t 等语言编程系统发展较早，受当时计算机硬、软件条件的限制， 存在一些缺点，如用户界面不够友好，零件设计的信息不能直接传递，近年来 发展的一些先进的算法( 例如眦r b s ) 未能得到应用等。 随着计算机图形技术的发展，图形交互自动编程系统研制成功并得到了广 泛的应用。1 9 6 4 年，美国研制出第一台图形显示器( 图形终端) ，为克服语言编 程系统的缺点及发展图形编程系统打下了基础。使用图形交互功能，可在屏幕 上直接显示零件图形及加工走刀轨迹，得到加工程序。它用户界面友好，比a p t 语占系统编程时间缩短了7 0 7 5 ，同时提高了编程质量，经济效益显著。 美国洛克希德的加利福尼亚飞机制造公司1 9 6 7 年初步完成了第一个c a d c 删 集成系统，以后命名为c a d a h l 系统，在一些工厂中应用。2 0 世纪8 0 年代后，随 一着计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网 络通讯技术、液压气动技术、光机电技术的发展，c a d c a m 软件大量涌现，交 互式图形编程技术大量被采用”，。 图形交互自动编程系统实际上是一种c a d c a m 集成的系统软件，是以机械 计算机辅助设计( c a d ) 软件为基础，利用c a d 软件的图形编辑功能将零件的几 何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程( n c p ) 模块， 采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工参 数，计算机便可以进行必要的数学处理并编制数控加工程序，同时在计算机屏 幕上显示刀具的加工轨迹。这种编程方法简化了编程过程，减少了编程差错， 缩短了编程时间，降低了编程费用，具有速度快、精度高、直观性好、使用简 便和便于检查等优点，是一种很有发展前途的自动编程方法，现已成为国内外 先进的c a d c a m 软件所普遍采用的数控编程方法。1 。 图形交互自动编程方法的基本原理及基本步骤如下： 1 ) 零件图及加工工艺分析 编程前期工作的零件图及加工工艺分析的任务主要有： ， 硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 核准零件的几何尺寸、公差及精度要求； ( 2 ) 确定零件相对机床坐标系的装夹位置以及被加工部位所处的坐标平面； ( 3 ) 选择刀具并准确测定刀具有关尺寸； ( 4 ) 确定工件坐标系，编程零点、找正基准面及对刀点； ( 5 ) 确定加工路线； ( 6 ) 选择合理的工艺参数。 2 ) 几何造型 利用图形交互自动编程软件的图形绘制、编辑修改、曲线曲面造型等有关 指令将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上，同时在计算机 内自动形成零件的图形数据文件。 3 ) 刀位轨迹的生成 首先在刀位轨迹生成菜单中选择所需的菜单项，然后根据屏幕提示，用光 标选择相应的图形目标，指定相应的坐标点，输入所需的各种参数。软件将自 动从图形文件中提取编程所需的信息，进行分析判断，计算出节点数据，并将 其转换成刀位数据，存入指定的刀位文件中或直接进行后置处理生成数控加工 程序，同时在屏幕上显示出刀位轨迹图形。 4 ) 后置处理 后置处理的目的是形成数控指令文件。在进行后置处理前，编程人员需对 该文件进行编辑，按文件规定的格式定义数控指令文件所使用的代码、程序格 式、圆整化方式等内容。软件在执行后置处理命令时将自动按设计文件定义的 内容，输出所需要的数控指令文件。此外，由于某些软件采用固定的模块化结 构，其功能模块和控制系统是一一对应的，后置处理过程已固化在模块中，所 以在生成刀位轨迹的同时便自动进行后置处理生成数控指令文件，无须再单独 进行后置处理。 5 ) 程序输出 因为自动编程系统是在计算机上运行，所以具备计算机所具有的一切输出 手段。值得一提的是利用计算机和数控系统都具有的通讯接口，只要自动编程 系统具有通讯模块即可完成计算机与数控系统的直接通讯。把数控程序直接输 送给数控系统，控制数控机床进行加工。 除图形交互自动编程系统外，随着计算机技术及信息处理技术的发展，自 动编程系统同时向以下四个方向发展： 1 ) 小型的语言编程系统 为适应中、小企业使用小型或微型计算机编程的需要，自动编程朝着小型 4 硕士学位论文 第一章绪论 而专用的方向发展。如德国的e ) 【a f r r ( e x t e n d e da u t o 妣t i c a l l yp r o g r 咖e d t o o l s ) 语言系统分e ) ( a p t 一1 ( 点位加工) 、e 】( a f r r 一2 ( 车削加工) 以及e x p t _ 喝( 铣 削加工) 三个小系统。这些系统针对性较强，往往具有工艺处理和一些专用功能， 在系统内存有机床、刀具、材料、切削用量等工艺文件，可自动确定工步以及 工艺参数。因此，编程方便，价廉，易于普及推广。 2 ) 语音编程 语音编程是用人的语音作为输入介质，用微型话简与计算机和显示器直接 对话，令计算机自动编制出零件的数控加工程序。这种自动编程通常有两种方 法，一种是将自动编程语言分解为孤立的每一个词汇，可以用语音对每一个孤 立的词汇进行语音输入，该方法简单可靠，但效率低；另一种是对自动编程语 言的语句用一串语音( 即一句话) 来取代，输入计算机，整个操作过程用语音命 令来执行，这种方法效率高，但语音识别难度较大。就目前计算机技术及信息 处理技术来说，有限词汇集的连续语音识别技术还是比较成熟的，这也是今后 语音编程的发展方向。 3 ) 视觉系统编程 采用计算机视觉系统来自动阅读、理解图纸，由编程员在编辑过程中实时 给定起刀点、下刀点和退刀点，然后自动计算出刀位点的有关坐标值，并经后 置处理，最后输出数控加工的程序单唧。 4 ) 数字化技术自动编程 数字化技术自动编程适用于有模型或实物而无尺寸的零件加工的程序编 制，因此也称为实物编程。这种编程方法应具有一台坐标测量机，用于模型或 实物的尺寸测量，由计算机将所测数据进行处理，最后控制输出设备，输出零 件的数控加工程序单”。 1 3 有关c a d c 删软件的国内外研究现状及发展趋势 国外的机械c a d c 删软件起步较早，且发展迅速。1 9 7 9 年美国的s d r c 公司 推出了世界上第一个基于实体造型技术的大型c a d c a m 软件一i 加e a s ，此后 相继出现了许多颇有影响力的机械c a d c 心软件，如美国p t c 公司的 p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g 、美国c n c 公司开发的基 于p c 平台的m a s t e r c a m 、以色列c i 眦t r o n 公司的c i m t r o n 、日立造船的 g r e a t c u b e 和英国的d e l c 锄等等。这些系统软件目前在国内的应用也十分广泛 【i 町 另外国外的一些图形自动编程系统软件也已获得了广泛的应用，如美国 5 硕士学位论文第一章绪论 a u t o - c o d em e c h a n i c a l 公司的a u t o - c o d e 图形自动编程系统，德国o p e nm i n d 公司的h y p e r m i l l 数控铣床( 加工中心) 图形自动加工系统，英国p a t h t r c e 公 司的e d g e c a mf o r 彻t 数控自动编程系统和美国m e r r ym e c h a n i c a l 公司的 s 删- 8 ln l 饭金c a d c a p p c a m 系统等。以上系统大部采用美国a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 或m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 作为开发平台和造型工具进行开发n 1 1 。 国内的图形自动编程系统软件的开发起步较晚，但近几年发展较快。通用 的系统软件有北航海尔公司的c a ) ( a 制造工程师系列软件，北京清华京渝天河公 司的p c a u t o c a m 系统软件、广州红地公司的金银花系统软件，华中的开目c a d 软件等等；另外大多数足专用数控编程系统，如北京市机电研究所的v 惦一7 5 0 主轴箱体自动编程系统，重庆0 n l y s o f t 的线切割自动编程系统等。 随着计算机技术及信息处理技术的发展，机械c a d c a m 技术呈现以下三方 面的发展趋势： 1 ) 集成化 适应设计与制造自动化的要求，特别是适应近几年出现的计算机集成制造 系统的要求，进一步提高集成水平是c a d c 川系统发展的一个重要方向。主要 体现在以下几个方面： 在几何造型方面实现从传统的实体造型到参数化特征造型的转变，建立 包括几何信息在内的完整产品信息模型( 包括几何、工艺、加工、管理等信息) ， 创造c a d 、c a p p 、自动数控编程集成的必要条件。 c a d c 栅系统有自己统一的数据库及其管理系统。该数据库的结构以产 品信息模型为基础，c a d c a m 系统内的各模块都使用这个统一数据库进行信息 存取。 实现不同c a d c a m 系统间产品模型数据的转换。目前大多数系统采用 的是初始图形交换规范i g e s ( 1 n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c if i c a t i o n ) ，应 该逐步向国际标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 靠拢。 集成系统内部包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件，例 如c a p p 软件、面向对象的各种应用软件、文字处理软件等，使整个系统功能更 为完善。 解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作。 2 ) 智能化 现有的c a d 技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与 绘图。然而在设计活动中还存在另一类符号推理性工作，包括方案构思与拟定、 6 硕士学位论文第一章绪论 最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等。这些工作依赖于一定 的知识模型，采用符号推理方法才能获得成功。因此将人工智能技术，特别是 专家系统技术，与传统c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统是机械c a d 发 展的必然趋势。 3 ) 标准化 随着c a d c a m 技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。现 已制定了不少标准，如面向通信设备的c g i ，面向用户的图形标准g k s 、p h i g s ， 面向不同c a d c a i i 系统的数据交换标准i g e s 、d x f 、s t e p ，此外还有窗口标准 等。随着科技技术的发展，新标准还会出现，基于这些标准的有关软件也会不 断推出，用户的应用及开发常常离不开它们。 1 4 课题的提出及主要工作 凸轮机构是机械工业中常见的运动机构，由于它能使从动件按某种特殊的 或复杂的规律进行运动，且结构简单紧凑，易于设计，所以被广泛应用于各种 自动机械，仪表及自动控制装置中“目。但是在传统的机械制造技术中，由于受 到设计和加工条件的限制，往往只能采用作图法设计凸轮轮廓，采用划线加工 的方法加工凸轮，这使得其应用范围和应用水平都受到限制。而且对于具有正 弦曲线和余弦曲线运动规律的凸轮，只能得到近似曲线或曲面轮廓，很难保证 其精度。随着机械不断朝着高速、精密和自动化的方向发展，对凸轮机构自勺辛专 速和精度要求也在不断提高。显然传统的制造方法已不再能满足凸轮的加工要 求，而数控加工技术的出现使我们可以利用计算机进行辅助设计，利用数控机 床进行凸轮加工。 虽然有关c a d c a l 的通用软件很多，这些软件使我们可以非常方便的进行 零件的设计和加工，但是凸轮轮廓曲线往往是非圆曲线，有确切的函数关系。 而一般的c a d 软件难以精确的画出非圆曲线，并且凸轮轮廓的设计有其特殊性， 设计者必须先根据工作要求确定凸轮机构中从动件的运动规律，然后根据从动 件运动规律推导出凸轮轮廓应具有的曲线方程，这样方可取得凸轮轮廓的图形 数据。所以有必要建立专用的凸轮c a d c a l i 软件，以在生产实践中改善凸轮的 加工精度，降低制造成本和缩短产品开发周期。 目前一些国内大学或厂家曾做过有关凸轮的c a d 或c a d c a m 软件，但这些 软件都存在一定的局限性，主要是： ， 1 ) 大多数凸轮的c a d c a l i 软件部是以平面凸轮为主，只有少数软件用来设 计具有封闭曲线槽的圆柱形凸轮，涉及到的凸轮种类较少，未能形成较完整的 7 硕士学位论文 第一章绪论 设计软件。 2 ) 在设计软件中基本上都采用等间距或等转角直线逼近法形成凸轮的轮廓 曲线，虽然简单易行，但误差较大。为减小误差就要增加节点数，因而造成节 点数过密，使数控加工程序和计算机运算时间过长，降低了加工效率，并使刀 具在加工中容易产生振动现象，影响加工精度。 3 ) 很多的凸轮软件实际上只具有c a d 功能，即在软件中设计好所要求的凸 轮后，如想生成n c 代码或进行加工仿真。就必须先输出图形文件，转移到其他 常用的通用c a d c 枷软件( 如m a s t e f l c 删等) 中进行，因此未能形成c a d c 删 一体化软件。 4 ) 在这些凸轮的c a d c a m 软件中大多没有考虑一些实际的应用问题，如： 怎样根据用户的设计思想进行最优化参数设计，以保证凸轮的加工精度和使用 要求，并及时向用户反馈有关信息：遇到非圆滑过渡的线段如何进行圆弧过渡 处理等。 因此，笔者决定开发一种符合我国实际情况的、专用的凸轮c a d c a m 设计 软件，在这个软件中设计的目标是： 1 ) 集成多种常用的平面凸轮和空间柱形凸轮类型，形成种类较完整的凸轮 设计软件。 2 ) 改进算法：在生成盘形凸轮的外形轮廓时采用圆弧逼近算法和等误差算 法来替代以前的直线逼近算法，这样可以在相同的允许误差内最大限度的减少 曲线节点数，从而减少计算时间和数控加工程序的长度，提高加工效率和加工 精度。 3 ) 提出在凸轮轮廓的非圆滑过渡线段处进行圆弧过渡处理的算法。 4 ) 在软件中可以直接生成n c 代码和进行加工仿真，并能与数控机床进行 数据通讯，形成c a d c a m 一体化软件。 5 ) 建立必要的刀具参数数据库和数控系统数据库，以便在生成n c 代码时， 给用户提供足够的信息。 6 ) 创建友好的用户界面( g u i ) 和良好的交互功能。 根据此目标所确定的主要研究工作包括： 1 ) 各种常用类型凸轮的设计。根据各种凸轮类型的设计原则和设计要求， 采用一定的设计方法和算法生成凸轮的工作曲线。 2 ) 软件的总体结构设计。根据凸轮设计软件的特点和本软件的设计目标， 确定软件所使用的工具平台和软件的总体结构，以及各功能模块的实现方式。 3 ) 软件的各组成模块设计。根据软件的总体结构确定各组成模块的具体设 8 硕士学位论文 第一章绪论 计细节，其中包括参数信息录入模块、图形生成模块、图形检验及误差分析模 块、工艺参数获取及处理模块、后置处理模块、加工仿真模块和数据通信模块 等的设计。 9 硕士学位论文 第二章凸轮的i 殳计 第二章凸轮的设计 2 1 凸轮及凸轮机构简介 在生产实际中，特别是在自动机、半自动机以及生产自动线中，往往要求 机构实现某种特殊的或复杂的运动规律，此时最方便的实现方法就是采用凸轮 机构。凸轮机构由凸轮、从动件和机架所组成，其中凸轮是一个具有曲线轮廓 或凹槽的主动件，作等速连续转动，并推动从动件作直线往复运动或摆动。由 于凸轮机构可以将凸轮轮廓的旋转运动转变为从动件的复杂运动，且具有结构 紧凑、体积小、刚性好、可传递较大转矩等特点，因而被广泛应用于机械领域m 。 但凸轮机构设计复杂、计算工作量大、凸轮轮廓的精度直接影响输出响应，并 且加工较为困难。这使得凸轮在应用范围和应用水平上受到一定限制。 目前我国大部分制造企业利用计算机进行产品设计的时间不长，使用水平 也停留在不太高的层次上，大多数凸轮的设计仍采用手工方法，即先在凸轮展 开线上确定一些特殊的节点，再对应到极坐标系中以凸轮回转中心为圆心、以 纵坐标为半径画出凸轮轮廓上各相应节点，最后逐点连成凸轮轮廓。这种手工 描点方法难以保证凸轮轮廓的准确性，因而对于从动件运动规律复杂、精度要 求高的凸轮，描点法就难以胜任，且手工描点非常繁琐，工作量大，正逐渐被 计算机所取代u ”。 凸轮机构的形式很多，不同形式的凸轮机构由不同类型的凸轮和从动件组 成。其中凸轮有平面凸轮和空间凸轮两大类，平面凸轮有盘形凸轮、移动凸轮 和圆弧凸轮三种形式；空间凸轮有圆柱凸轮和圆锥凸轮两种形式。无论哪一种 凸轮都依靠其外缘的轮廓曲线或凹槽曲线进行工作，所以凸轮机构能否按预期 的运动规律良好的工作，主要取决于凸轮的轮廓曲线。因此，对凸轮轮廓曲线 的研究是进行凸轮设计的关键问题。 2 2 从动件的运动规律与凸轮轮廓曲线 2 2 ，从动件的运动规律 从动件的不同运动规律对应于不同的凸轮轮廓曲线。因此，在设计凸轮机 构时，应首先确定从动件的运动规律，然后再根据这一要求来设计凸轮轮廓曲 1 0 硕士学位论文 第二章凸轮的设计 线，使它能够实现给定的运动规律。 从动件的运动直接与凸轮轮廓曲线上各点向径的变化有关，而轮廓曲线上 各点向径的变化是随凸轮转角而变化的，因此从动件的位移、速度、加速度与 凸轮轮廓曲线和凸轮转角存在着对应的关系。从动件常用的运动规律包括： 1 ) 等速度运动规律 设凸轮以等角速度m 转动，当凸轮转过推程角6 时，从动件等速上升最大 位移h ，则从动件在推程时的运动方程为： s 塑 卢 n ， t ，i 一 卢 a - 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 回程时从动件运动方程的位移s 由最大值h 逐渐减小到零，而速度为负值。 当凸轮转过回程角口。时，从动件在回程时的运动方程为； s - j l f l 一 i | i l t j i 一一 风 a - 0 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 该运动规律用于“停一升一停”运动形式( 在推程的起点和终点均有停留 区) 的凸轮机构，理论上从动件在始、末位置均有无穷大的加速度。虽然由于 零件材料的弹性变形会使加速度降至有限的幅度，但是仍会导致剧烈的钢性冲 击。等速运动的位移曲线足一条斜直线，在它与近休止期和远休止期的位移曲 线( 水平直线) 衔接处是一个转折点，在凸轮轮廓曲线的对应点上也将产生相应 的转折点。无论是平面内凸轮或平面外凸轮、圆柱凸轮或圆锥凸轮，均会产生 这种情况。当从动件采用滚子型或平底型时，在邻近衔接点的区域不可能实现 等速运动规律。因此，单纯采用等速运动规律来实现“停一升一停”运动规律 是不合适的，而须在行程的起始部分和终止部分用其他类型的运动规律代替， 既对等速运动规律进行适当的改进，改进的方法是将等速运动规律的两端与其 他曲线( 余弦加速度运动规律曲线或正弦加速度运动规律等曲线) 光滑连接以 l l 硕士学位论文 第二章凸轮的设计 消除两端的钢性冲击。 2 ) 等加速度运动规律 即加速度为正的常数，从动件在推程时的运动方程为： s - 等 4 h 8 丁 ”舶9 2 从动件在回程时的运动方程为： 川一劾 一百卢。 a 埘( 刍2 芦o ，寺藏速度还明规律 即加速度为负的常数，从动件在推程时的运动方程为： s j l 一2 j l 螋 p 口- 等( 舢) a - 埘9 2 从动件在回程时的运动方程为： 峙) 2 等。一虽 1 2 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) 硕士学位论文第二章凸轮的设计 口一锄e ) 2 卢o ( 2 一1 8 ) 在推程期中，为了避免在运动的起始位置和终点位置产生速度突变，必须 采用两个不同的二次项方程式。一个方程式使从动件作等加速运动，另一个方 程式使从动件作等减速运动，构成等加速等减速运动规律。 等加速等减速运动规律在运动的始、末两点和正负加速度转换处，因从动 件系统的惯性力会引起加速度突变，从而导致柔性冲击。因此，等加速等减速 运动规律不宜用于高速运转的凸轮机构。对外力锁合的外凸轮机构，在推程期 的减速运动阶段，从动件的惯性力具有抵销锁会外力的作用，其趋势是使从动 件与凸轮轮廓脱离接触。为了避免运动失控，应适当分配加速段和减速段所占 的凸轮运动角的比例，推程期加速段运动角巾。可按以下条件选择： 外力锁合外凸轮机构 昙芦中ls 丢芦 ( 2 1 9 ) j二 外力锁合内凸轮机构 要卢中l 之要卢 ( 2 删) j 为了避免回程期由于惯性力过大导致从动件与凸轮脱离接触，回程期加速 段运动角由。可按以下条件选择： 外力锁合外凸轮机构 ，1 詈卢o 中2 = 去卢o ( 2 2 1 ) 外力锁合内凸轮机构 三卢。中：墨三卢。 ( 2 2 2 ) 另一方面，为消除等加速等减速运动规律在运动的始、末两点和正负加速 度转换处的柔性冲击，可在其始，末端和正负加速度转换处用正弦加速度运动 曲线光滑连接，组成改进的梯形加速度运动规律。 4 ) 余弦加速度运动规律 余弦加速度运动规律又称简谐运动规律，其从动件在推程时的运动方程为： 硕士学位论文第二章凸轮的设计 s - 争c o s 争 一努咖学2 口、卢 a 一等峥 a - ；一o 呱：- ， 2 口。口 从动件在回程时的运动方程为： s - 如c o s 旁 7 啸c c ，玎p 、 一石3 1 姒习 等酬旁 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 这种运动规律的加速度是按余弦曲线变化的。若从动件作“停一升一停” 运动，则在运动的始、末位置会产生柔性冲击但当推程期和回程期均采用余 弦加速度运动规律，且推程角和回程角相等时，从动件在行程的两端无停留期， 则在运动的始，末位置不会产生柔性冲击，这种情况可用于高速工况下的运转 凸轮。 5 ) 正弦加速度运动规律 这种运动规律的加速度是按正弦曲线变化的，从动件在推程时的运动方程 为： 唔一去咖予 等。一s 2 舢2 扫8 口- = 一s m 一 z 从动件在回程时的运动方程为： o ，云+ 扣斧 1 4 ) ) ) ) 9 o l 2 2 3 3 3 一 一 一 一 2 2 2 2 ( ( ( ( 硕士学付论文第二章凸轮的设计 等。一斧 2 j l 删2 细8 一i 广8 m 百卢。 卢o ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 在实际工作中，应根据不同的工作情况选择从动件不同的运动规律。在本 凸轮c a d c a i i 软件中，提供了以上的全部五种运动规律曲线，用户可以根据不 同的要求选择不同的运动规律曲线以生成相应的凸轮轮廓曲线。 2 2 2 从动件运动规律的评定和选择 1 ) 从动件运动规律的评定 通常我们按冲击特性来评定各种运动规律。 等速运动规律在很多情况下是凸轮机构推程的工作要求，但是在从动件 行程的开始和终止位置，因速度突变而分别有正、负无穷大的加速度，理论上 将产生无穷大的惯性力；使机构发生强烈的刚性冲击。因此，等速运动规律很 少单独使用。 等加速等减速运动的速度曲线连续，没有刚性冲击。但在从动件行程的 开始、终止和由正加速度变为负加速度的中间位置，加速度有突变，产生