（机械工程专业论文）胶订包本机给封皮凸轮机构改进设计.pdf

；p i 独创性声明 1 1 1 11 11r lll llit iii tu l 、t17 8 8 4 5 3 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：尘血车吼牡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：乒噼日期：毕 摘要 摘要 给封皮机构是胶订包本机中的关键部件之一，其性能的优劣直接影响胶订包 本的质量，北人集团公司的胶订包本机的给封皮机构是运用多组凸轮机构控制各 个动作，因此对凸轮机构进行分析与研究是对企业产品改进提供参考与借鉴具有 实际意义。 凸轮机构简单，运行可靠，高速性能好，凸轮机构广泛用于各种自动化机械 中。而共轭凸轮机构与别的凸轮机构相比有其独特的特点，必须满足其特定的几 何关系。共轭凸轮机构对尺寸精度的要求比较高，稍微有点偏差，则设备将不能 正常工作。凸轮机构设计计算比较复杂，论文以胶订包本机的给纸吸嘴摆动共轭 凸轮为例，对共轭凸轮机构进行了设计分析。 论文对胶订包本机给纸吸嘴摆动共轭凸轮机构进行了改良设计。分析原来运 行不良的共轭凸轮机构的缺陷，在一些条件、零件尺寸不能改变的情况下，进行 了改良设计，重新设定某些可以改动的尺寸。然后根据工作原理，确定机构的运 动规律，根据运动规律求解凸轮廓线。 论文计算了共轭凸轮机构从动件的运动角位移、角速度、角加速度、角跃度 等运动特性曲线。运用s o l i d w o r k s 软件对共轭凸轮机构进行运动仿真。直观的 观察设计结果。 论文分析了机构各个零件的误差对机构的影响，通过机构的运动仿真验证了 误差分析结果。简单介绍了凸轮机构的结构设计及凸轮廓线检测，通过实际对机 构检测，分析了误差产生原因。 关键词凸轮机构：运动仿真；误差分析；结构设计 北京t 业大学t 程硕忙学位论文 a b s tr a c t f e e d e ri so n eo fi m p o r t a n tp a r t so fb i n d i n gm a c h i n e i t sf u n c t i o na f f e c t st h e q u a l i t yo fb i n d i n g f e e d e ro fb i n d i n g m a c h i n ew h i c hm a d eb yb e i r e ng r o u p c o r p o r a t i o ni s c o n t r o l l e d b y s e v e r a lc a m s t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fc a n l m e c h a n i s mh a sa c t u a lm e a n i n gt ot h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t c a mm e c h a n i s mh a ss i m p l es t r u c t u r e i t so p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yi sg o o d a n dt h i s k i n d o fm e c h a n i s mc a nr u nb e t t e rw h e ni t sv e l o c i t yi sb i g t h eu s i n go fc a m m e c h a n i s mi na u t o m a t i cm a c h i n ei sw i d e s p r e a d c o n j u g a t ec a mm e c h a n i s mh a si t s o w nc h a r a c t e r i s t i cw h i c hi sd i f f e r e n tw i t hg e n e r a lc a mm e c h a n i s m sc h a r a c t e r i s t i c i t s s p e c i a lg e o m e t r i c a lc o n d i t i o nm u s tb em e t o t h e r w i s em e c h a n i s mw o u l dn o tw o r k n o r m a l l y c a mm e c h a n i s m sd e s i g na n dc a l c u l a t i o na r ec o m p l e xa n dd i f f i c u l t i nt h i s a r t i c l e ，c a mm e c h a n i s mo fb i n d i n gm a c h i n e i sr e s e a r c h e d c o n j u g a t ec a mm e c h a n i s mo fb i n d i n gm a c h i n ec a n tw o r kn o r m a l l y a n a l y t i c a l w o r kf o rm e c h a n i s m sw o r k i n gb a d l yi sd o n ea n dt h er e a s o ni sf o u n d t h e nm o d i f i e d a n di m p r o v e dw o r k sa r ed o n e t h el a wo f m e c h a n i s m sm o t i o ni so b t a i n e d b yt h el a w , c a m st h e o r e t i c a la n da c t u a lc o n t o u r sa r es o l v e db ym e e t i n gc o n j u g a t ec a m m e c h a n i s m su n i q u eg e o m e t r i c a lc o n d i t i o n c a mm e c h a n i s m sm o v e m e n tc u r v e ，v e l o c i t yc u r v e ，a c c e l e r a t i o nc u r v ea n dj u m p c u r v ea r es o l v e d d i g i t a lm o t i o ns i m u l a t i o n sa r ed o n eb ys o l i d w o r k s t h ei n f l u e n c e so fp a r t s e r r o ra r ea n a l y z e d b ym e c h a n i s m sm o t i o ns i m u l a t i o n ， t h er e s u l to fp a r t s e r r o ra n a l y s i si se x a m i n e d t h ed e s i g no fc a mm e c h a n i s m s c o n f i g u r a t i o na n de x a m i n eo fc a n lc o n t o u r sa r ei n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e a n a l y s i st h e e r r o rr e a s o nb ye x a m i n i n gt h ea c t u a lc a mm e c h a n i s m k e yw o r d sc a mm e c h a n i s m ；m o v e m e n te m u l a t i o n ；e r r o ra n a l y s i s ；s t r u c t u r ed e s i g n i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 第l 章绪论1 1 1课题的目的与意义1 1 2 研究现状与发展趋势“1 1 2 1研究现状l 1 2 2 发展趋势3 1 3 课题主要内容“3 1 3 1凸轮廓线设计3 1 3 2凸轮机构运动特性分析及运动仿真3 1 3 3凸轮机构误差分析3 1 3 4凸轮机构结构设计及廓线检测4 1 4 本章小结4 第2 章凸轮廓线的设计5 2 1凸轮机构一般设计步骤“5 2 2 共轭凸轮的工作原理及存在的问题“5 2 2 1工作原理5 2 2 2 存在的问题7 2 3凸轮廓线的求解”8 2 3 1凸轮b 2 的求解8 2 3 2凸轮b 1 的求解“l l 2 4 本章小结1 4 第3 章凸轮运动特性分析及运动仿真1 5 3 1 运动特性分析：15 3 2 运动仿真1 7 3 3 本章小结2 l 第4 章凸轮机构的误差分析2 2 4 1共轭凸轮机构的误差特点及计算方法介绍2 2 4 2 单个零件误差对共轭凸轮机构的影响2 6 4 2 1凸轮b 1 的径向误差对机构的影响”2 6 4 2 2 凸轮b 2 的径向误差对机构的影响”2 7 4 2 3 从动杆的误差对机构的影响2 7 4 2 4 中心距误差对机构的影响2 9 4 2 5从动杆夹角的误差对机构的影响3l 4 2 6 零件尺寸误差对凸轮机构影响的特点3 l 4 3 综合分析零件误差对凸轮机构的影响3 2 4 4带误差的机构运动仿真3 3 4 5 本章小结3 4 第5 章凸轮机构的结构设计及轮廓检测3 5 北京工业大学t 程硕士学位论文 5 1 凸轮机构的结构设计3 5 5 1 1 凸轮材料的选择3 5 5 1 2 凸轮机构接触强度校核3 7 5 1 3 凸轮机构的结构选择3 8 5 2 凸轮机构的廓线检测3 9 5 2 1 检测目的和方法3 9 5 2 2 凸轮轮廓加工方法的选择4 0 5 3凸轮机构实际误差4 1 5 4 本章小结4 4 结论4 5 参考文献4 6 致谢。4 8 第1 章绪论 1 1课题的目的与意义 给封皮机构是胶订包本机中的关键部件之一，其性能的优势直接影响胶订包 本的质量，北人集团公司的胶订包本机的给封皮机构是运用多组凸轮机构控制的 各个动作，因此对凸轮机构进行分析与研究是对企业产品改进提供参考与借鉴具 有实际意义。 凸轮机构广泛用于各种自动机中，因为它具有传动、导向和控制等功能。当 它作为传动机构时，可以产生复杂的运动规律；当它作为导向机构时，可使工作 机械的动作端产生复杂的运动规律；当它作为控制机构时，可控制执行机构的工 作循环。凸轮还具有以下优点：高速时平稳性好，重复精度高，运动特性良好， 机构的构件少，体积小，刚性大，同期控制简单，可靠性好，寿命长。共轭凸轮 是凸轮机构中常见的一种凸轮，从动件上的两个滚子，分别与固定在同一根轴上 的两个并列凸轮( 即共轭凸轮) 相接触，通过调整两个滚子的中心距使其紧压在 各自的凸轮轮廓上，工作准确可靠，适用于高速重载，但其结构复杂，并且对装 配精度和凸轮轮廓的加工精度要求较高。 凸轮的设计研究具有很大的实际意义。凸轮的类型各式各样，各有其特点。 凸轮有空间凸轮和平面凸轮。平面凸轮又有力封闭式凸轮和几何封闭式凸轮。几 何封闭式凸轮又有槽凸轮、共轭凸轮、等宽凸轮、等径凸轮。共轭凸轮又分为双 滚子共轭凸轮和单滚子共轭凸轮。目前应用比较多的几何封闭式凸轮有槽凸轮和 双滚子共轭凸轮。槽凸轮结构简单，但是其高速性能远不如双滚子共轭凸轮，而 共轭凸轮精度要求又特别高，制造难度大，有其特殊的特点。因此对共轭凸轮的 设计、研究就更有意义。 凸轮机构在印后设备上应用广泛，凸轮机构直接关系到机器的性能的好坏， 胶订包本机的给封皮机构运用了三对共轭凸轮控制各个动作，由于在实际工作中 存在一定的问题，因此对此凸轮机构作理论上的分析与改进设计对提高机器的性 能有至关重要的作用。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 研究现状 国内厂家近几年来很多引进国外技术，开始着手胶订包本机的开发试制。但 由于起步晚，技术不成熟，国内机器与国外机器相比还存在一定的差距，所以要 北京t 业人学t 程硕卜学位论文 对我国的现有机器进行改造和革新，缩短和国外先进机器的差距。而提高和改善 机器的性能和稳定性是个系统工程，需要提高设计的主动性和自觉性，加强对关 键件和系统可靠性的理论研究，把各种现代设计方法运用到关键件的设计和制造 中。要想达到理想目标，必须对机器的各个机构深入分析。 文献 卜3 对印后设备尤其是对胶订包本机的发展概况及其主要结构作了简 要的介绍。文献 4 9 对各种机构作了全面介绍。文献 1 0 、 1 1 对凸轮及共轭 凸轮的基本情况、分析及求解作了详细的介绍。 根据从动件运动规律设计凸轮轮廓，在早期比较困难，都是用绘图法绘制凸 轮轮廓线 7 ，效率低，精度差。后来一些学者给出了解析公式和专用数表。随 着电子计算机的发展与广泛应用出现了一些新算法。日本人牧野洋给出了矢量法 8 ，文献 1 2 1 3 也介绍了使用计算机进行凸轮轮廓线的计算方法。后来一些 学者试图探求通用性较强的凸轮轮廓计算公式、算法 1 4 ，但是这些算法不能适 用于所有形式的凸轮机构。上个世纪8 0 年代提出了单盘双滚子摆杆凸轮机构 1 3 。文献 1 4 给出了凸轮一从动件系统的统一计算方法，能直接求出各种凸轮 机构凸轮轮廓线的所有数据。 文献 1 5 - - 一1 8 研究了考虑构件弹性、间隙和别的实际运行因素的凸轮机构的 动力学问题。文献 1 9 对凸轮机构进行了有限元分析。文献 2 0 2 1 研究了凸轮 机构中的振动非线性问题。 文献 2 2 2 7 使用从动滚子与凸轮的接触应力为目标函数进行凸轮机构的 优化设计。j o n e s 的论文集 2 6 收集了有关凸轮的加工、材料、润滑等问题，其 中还进行了凸轮机构的误差分析。文献 2 9 3 0 也研究了凸轮机构学的一大难 题，误差分析。 由于对机器的要求越来越高，近些年国内对共轭凸轮的研究还比较热。燕山 大学对共轭凸轮轴的最小基圆半径计算进行了研究【3 。齐齐哈尔第二机床厂研究 了共轭凸轮综合检具的应用，对装配共轭凸轮提出一种方法【3 2 】。西安理工大学在 胶印机共轭凸轮的设计与c a d c a m 软件开发方面做了详细介绍【3 3 】【3 4 1 。北京印 刷学院对单张胶印机下摆式递纸机构的共轭凸轮机构作了研究，并用五次多项式 模拟机构中递纸牙的运动规律1 3 引。北京印刷学院用v b 开发了共轭凸轮机构的计 算机辅助设计系统【3 引。中原工学院的牛建设高级工程师求解了无梭织机打纬机构 中的共轭凸轮的理论廓线与实际廓线【4 们。 仿真就是在计算机上建立与实际系统相一致的模型进行试验和研究，以检验 设计的合理性的过程。在文献 3 4 、 4 0 】中对仿真技术进行了介绍。在分析和改 进过程中，要用到大量的计算机软件。在进行计算和分析时，要借用m a t l a b 的强大的计算分析功能；在进行仿真时，比较常用的就是p r o e 和a d a m s 软件 了。文献 4 4 】、 4 5 对m a t l a b 、v i s u a lc + + 程序设计平台进行了详细论述，其 第l 章绪论 中文献 4 2 1 、 4 3 还特别对数值计算进行了深入研究。 1 2 2 发展趋势 胶订包本机在国内的发展只有近五六年的时间，但却占据了市场的主要地 位。胶订包本机自产生以来直遵循着“智能化，高速化，个性化”的发展方向。 对印后产品的企业来说，提高机器的稳定性和可靠性，减少故障，减少停机时间， 提高生产率成为至关重要的目标。 高可靠性能、高速性能的凸轮机构是凸轮机构类型发展的趋势。几何封闭式 凸轮机构比力封闭式凸轮机构具有更好的可靠性，最简单的例子就是靠弹簧封闭 的凸轮机构和共轭凸轮机构的比较。但是几何封闭式凸轮机构的精度要求更加苛 刻。随着机械制造技术的发展，机械零件加工精度与机器装配精度的逐步提高， 是可以满足苛刻的高精度要求的。对于未来印刷机械产品，高速化、高精度化， 高可靠性能的凸轮机构是其发展方向。 1 3 课题主要内容 1 3 1 凸轮廓线设计 以胶订包本机吸嘴摆动凸轮机构为例，在原来的基础上，分析机构的工作原 理，找出存在的缺陷，进行改良设计。主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 分析机构工作原理，找出从动滚子与凸轮廓线啮合不良的原因。 ( 2 ) 确定共轭凸轮机构的运动规律。 ( 3 ) 由凸轮机构的运动规律求解凸轮廓线。 1 3 2 凸轮机构运动特性分析及运动仿真 针对设计的凸轮廓线。主要包括内容如下。 ( 1 ) 求解凸轮机构的运动位移、速度、加速度、跃度曲线，检查机构的运 动特性。 ( 2 ) 通过机构三维数字化运动仿真比较新求得的凸轮机构与原来有缺陷的 凸轮机构。 1 3 3 凸轮机构的误差分析 误差分析主要分析零件的误差对机构运动的影响。主要内容如下。 ( 1 ) 研究确定误差计算的方法。 ( 2 ) 进行误差分析计算，分析各个零件的误差对机构的影响。 北京t 业大学t 程硕仁学位论文 ( 3 ) 综合分析机构所有零件误差所带来的综合影响。 ( 4 ) 通过机构三维仿真直观观察共轭凸轮机构的误差特点，据此估计误差 计算结果的正确性。 1 3 4 凸轮机构结构设计及廓线检测 ( 1 ) 根据工作条件等各种实际情况设计凸轮机构的结构。 ( 2 ) 对凸轮廓线的检测做了简单介绍。 1 4 本章小结 简单介绍了胶订包本机的应用及发展情况，说明了本课题的研究的理论及实 际意义，介绍了凸轮机构的发展状况与发展趋势，说明了本课题研究的主要内容 与任务。 第2 章凸轮廓线的设计 第2 章凸轮廓线的设计 2 1 凸轮机构一般设计步骤 1 凸轮机构类型选择，确定凸轮形状、从动件形状与运动形式及凸轮与从 动件维持高副接触的方式 2 从动件运动规律设计，根据应用场合对从动件行程和运动特性的要求， 确定从动件运动规律。 3 凸轮机构基本参数设计，确定从动件行程、各运动角、凸轮基圆半径、 偏距、滚子半径、中心距、从动件长度等。 4 凸轮轮廓曲线设计。 5 凸轮机构承载能力计算。 6 凸轮机构结构设计，绘制机构装配图和各零件的工作图。 当根据使用要求确定了凸轮机构的类型、基本参数以及从动件运动规律后， 即可进行凸轮轮廓曲线的设计。设计方法有几何法和解析法，两者所依据的设 计原理基本相同。几何法简便、直观，但作图误差较大，难以获得凸轮轮廓曲 线上各点的精确坐标，所以按几何法所得轮廓数据加工的凸轮只能应用于低速 或不重要的场合。对于高速凸轮或精确度要求较高的凸轮，必须建立凸轮理论 轮廓曲线、实际轮廓曲线以及加工刀具中心轨迹的坐标方程，并精确地计算出 凸轮轮廓曲线或刀具运动轨迹上各点的坐标值，以适合在数控机床上加工。 根据工作要求和使用场合选择和设计从动件运动规律，是凸轮机构设计中 的关键一步，它直接影响凸轮机构的运动和动力特性。 本文主要是对现有凸轮机构的改进设计，因此很多条件都是不能设计的， 只能在现在基础上根据其工作原理分析原来机构的不足之处，并作改进，使机 构运行更为平稳，使整机性能有进一步提高。 2 2 共轭凸轮的工作原理及存在的问题 2 2 1 工作原理 共轭凸轮是凸轮机构中常见的一种凸轮，从动件上的两个滚子，分别与固定 在同一根轴上的两个并列凸轮( 即共轭凸轮) 相接触，通过调整两个滚子的中心 距使其紧压在各自的凸轮轮廓上，工作准确可靠，适用于高速重载。 图2 1 是胶订包本机上给封皮机构的吸嘴摆动凸轮，这是一对共轭凸轮。主 要控制给封皮过程中吸嘴的摆动。 北京t 业人学t 程硕l ? 学位论文 图2 - 1 共轭凸轮 f i g u r e2 - 1c o n j u g a t ec a m 图2 - 2 共轭凸轮机构简图 f i g u r e2 - 2c o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m 从图2 - 2 ，图2 3 中可见其工作原理，两片凸轮是一个运动构件，从动杆 o l a l 和o i a 2 也是一个构件。其中滚子a l 和凸轮b 1 啮合，滚子a 2 和凸轮b 2 啮 第2 章凸轮廓线的设计 合。很显然，共轭凸轮机构是尺寸链闭环机构。 由于在实际应用中，这对共轭凸轮中的一个凸轮与对应的滚子啮合时，另一 个凸轮与滚子之间要么有较大的间隙或者卡住，啮合不良，不能正常工作。因此 下面以吸嘴摆动凸轮机构为例研究共轭凸轮的设计方法。找出凸轮机构啮合不良 的原因，存在的缺陷。然后在给定条件下重新设计这对共轭凸轮。使之能够正常 工作。 图2 1 就是根据原始凸轮数据绘出的吸嘴摆动共轭凸轮。图2 2 、图2 3 是 共轭凸轮机构简图。在图2 3 中滚子a l 和凸轮b 1 啮合时，滚子a 2 和凸轮b 2 不 能正常啮合。 2 2 2 存在的问题 如图2 3 ，已知滚子4 与凸轮b l 啮合，滚子4 与凸轮b 2 啮合。中心距 l = 0 0 l = 1 3 0 3 8 m m ，r = 1 1 5 m m ，两滚子中心距离b = a 1 a 2 = 1 2 6 2 m m ，滚子半径 a = 2 2 2 = 11m m 。 图2 3 共轭凸轮机构简图 f i g u r e2 - 3c o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m 图2 3 所示位置是停歇期，此时，凸轮中心到滚子l 中心的距离o a i = 6 7 + a = 7 8 m m ，而同时凸轮中心到与凸轮b 2 啮合的滚子2 的中心的距离为 o a 2 = 5 4 + a = 6 5 m m ，以o a l 为基准求o a 2 ，看o a 2 是否等于6 5 。 一，一 一，、，i， “ 一p 一 、| l p 口。s f 掣 弘， = 2 a r c s i n 石b 一口( 2 - 2 ) d 幺= 尺2 + r - 2 r l c o s f l ( 2 3 ) 由公式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 得o a l = 6 5 5 6 而不是6 5 。这说明工作时这个共轭凸轮 机构会很严重的卡住，无法正常工作。 2 3 凸轮廓线的求解 2 3 1 凸轮b 2 的求解 首先确定从动件运动规律。如图2 - 4 所示，根据已给的凸轮b 2 的实际廓线 求理论廓线。 o j y l ，一一一一一弋_ 、 、 、 图2 4 原凸轮b 2 f i g u r e2 - 4f o r m e rc a mb 2 e = ( - _ x 0 4i ) ，为凸轮转角，只要求出从动件角位移以= ( q 0 4 ) ，就知道 第2 章凸轮廓线的设计 了运动规律。凸轮旋转一周3 6 0 度，已知凸轮轮廓线的坐标点有3 6 0 个，即每1 度一个坐标。取i = 0 ，l ，2 ，3 6 0 。这样用公式( 2 4 ) 可求出理论廓线( 即图2 4 中4 点的坐标) 。其中( t ， ) 为理论廓线点的坐标，( x o ，y o j ) 为实际廓线点的坐 标，x 0 ，为x o ，对f 的导数，y 0 ，为y 0 ，对f 的导数。 ( ) ，= 厢 ( 2 5 ) ( 么。d l 蛾= 一s 生篆型 形= 口一( l 0 0 , 4 ) ， ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 么q ) i = a r c c o s 器 ( 2 8 ) l o , o a ，：a r c c o s 竺z 1 2 二竺 ( 2 9 ) 2 l 7 8 谚= ( x o a _ 2 ) ，一( ( 么q 0 坞) j a o , o a 。2 ) ( 2 1 0 ) 通过公式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 1 ) 、( 2 7 ) 可求出y ，用公式( 2 4 ) 求出理论 廓线后o 4 2 与x 轴的夹角么删2 就知道了。通过公式( 2 5 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 可求得凸轮转角9 ，从动件角位移j = y ，得出从动件运动规律曲线如图2 - 5 所 示。 根据图2 - 5 重新确定运动规律如图2 - 6 。在第一个升程采用加速度不对称修 正正弦运动规律曲线，其他的地方采用加速度修正正弦运动规律曲线，如图2 7 所示。 塑一 北京t 业大学t 程硕r 卜学位论文 一 箬i f 跫- f o 般v 1 0 0 1 0 0 5 0 - 0 5 一一r 一一 一一；一一：一一；一= = = 一：= 幸二_ 一一一一一；一一一一一 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 广： j 一一一： 戽、。一# 二：0 i 一一j 、 i ， 、一 0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 r - 疆_ 旷一嘶0 一妒咄 一儿妒i j 牲一 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 0 凸轮转角( 。) 图2 5 原来凸轮机构的从动件角位移曲线 f i g u r e2 - 5a n g u l a rd i s p l a c e m e n tc u r v eo f f o l l o w e ro fo r i g i n a lc a m m e c h a n i s m 5 5 2 7 0 9 7 3 8 0 1 9 12 0 62 4 12 9 73 2 73 6 0 凸轮转角( 。) 图2 - 6 重新设定的运动位移曲线 f i g u r e2 - 6n e wd i s p l a c e m e n tc u r v e 如图2 - 4 所示，在已知运动规律的情况下，就知道p 与y 的关系，就可以求 得滚子中心4 的坐标( 即凸轮b 2 的理论廓线坐标) ，然后就可得出凸轮b 2 的实 际廓线坐标。凸轮每转0 5 。取一个坐标，所以取f _ 0 ，1 ，2 ，7 2 0 ， 1 0 - 2 0 2 a 0 0 0 铣。v”型塔般 o)静掣般七晶 第2 章凸轮廓线的设计 1 0 们 彗：5 娅 0 0 5 芝0 0 5 o 0 5 铣0 、 ：，m 0 5 0 0 5 ， 、 芝0 v - 0 0 5 ，一 一一一一一一j 一一一一一一一一一一一一一一l 一一一一一j 一一一一一一一l 一一一一一一一一一l i 一一j t 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 ，i 一：。乙：二：二二 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 0 l 了一：；、i j i 一弋一一 i 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 l 。i 。 、r 7t 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 凸轮转角( 。) 图2 7 加速度修正正弦运动位移曲线 f i g u r e2 - 7d i s p l a c e m e n tc u r v eo f f o l l o w e rw i t hm o d i f i e ds i n ea c c e l e r a t i o n ( 咝) ，= f i r 2 + l 2 - 2 r l c o s ( a - y ) | t = ( ) ，c o s ( 0 , + ( 么d 1 0 4 ) i 一么q o a 2 ) iy j = ( 伽2 ) ，x s i n ( o f + ( 么0 1 0 4 ) f 一么0 1 0 a 2 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 用公式( 2 1 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 2 ) 得出凸轮b 2 的理论廓线，然后 用公式( 2 1 3 ) 可得出凸轮b 2 的实际廓线。这样凸轮b 2 就得出来了，如图2 8 所示。 2 3 2 凸轮b 1 的求解 凸轮b 2 的理论廓线( 即4 点的坐标) 已知，如图2 - 9 所示。 净雠鲻般 一世瑙其援 一世甾娅 塑而 x r 尸 一 + t i i l i o 0 x y ，cl 北京丁业大学t 程硕l j 学位论文 o 图2 8 凸轮b 2 f i g u r e2 - 8c a mb 2 幽2 - 9 原凸轮b 1 f i g u r e2 - 9f o r m e rc a m 1 用公式( 2 5 ) 可得o a 2 的长度。 ( z o q 4 ) ，= 2 a r c s i n b 2 r 一( 么d q 4 ) j o a , ：x r 2 + l 2 - 2 r l c o s ( ( z o o l a o , ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) l 心少 一 ， 第2 章凸轮廓线的设计 ( - - 4 0 , 4 2 ) ，。s 景踹 ( 2 1 6 ) ( z x o a l ) ，= ( d 坞) ，一( - 4 0 a 2 ) ， ( 2 - 1 7 ) 卜5 璺。乇黼o s ( ( q 叫：) ( 2 - 1 8 ) 【咒= ( 叫) jx s i n ( ( _ x o a l ) 。) 然后用公式( 2 6 ) 、( 2 - 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 求出凸轮b 1 的理论廓线，然后用公式( 2 1 3 ) 可以求出凸轮b 1 的实际廓线，这样凸轮b 1 就求出来了，如图2 1 0 所示 图2 1 0 凸轮b l f i g u r e2 1 0c a mb 1 如此，这对共轭凸轮求解完毕，如图2 1 1 所示。 北京- t 业大学t 程硕i j 学位论文 2 4 本章小结 图2 1 1 共轭凸轮实际廓线 f i g u r e2 1lf a c t u a lc o n t o u ro fc o n j u g a t ec a m 本章简要介绍凸轮机构的设计步骤，首先根据凸轮的工作原理找出了共轭凸 轮机构啮合不良的原因，对共轭凸轮进行了重新设计；根据从动件的运动规律， 求解了凸轮的理论廓线和实际廓线。 第3 章凸轮运动特性分析及运动仿真 第3 章凸轮运动特性分析及运动仿真 3 1 运动特性分析 从动件运动规律的设计涉及许多方面的问题，除考虑刚性冲击和柔性冲击 外，还应对各种运动规律所具有的最大速度、最大加速度及其影响加以比较。 凸轮机构从动件的速度与动量成正比，加速度与惯性力的大小成正比，跃度 反映了惯性力的变化。所以凸轮设计完毕后，应该分析凸轮机构从动件的运动速 度特性、运动加速度特性、运动跃度特性。对于摆动从动件凸轮机构，其运动 线图的横坐标表示凸轮转角，纵坐标则分别表示从动件的角位移、角速度和角加 速度。 厂： ( o a t ) f = x l l 2 + y l l 2 ( 3 - 1 ) ( 纠似) ，a r c t a n y _ x l l ，f ，x 1 ，吼。 ( 4 似) ，= 斛a r c t a n y x l l ， ，订， 。 ( 3 2 ) ( - a i o x ) ，= 2 万+ a r c t a n y x l l ，, ，x 1 ，。，y l f 。 符号s 、v 、a 、j 表示从动件的位移、速度、加速度、跃度。由理论廓线求 从动件的运动特性。由公式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 ) 、( 2 - 7 ) 、( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 可以 求出共轭凸轮机构从动件的运动角位移曲线。 由公式( 3 5 ) 、( 3 6 ) 可以得出共轭凸轮机构从动件的运动角速度曲线。由公 式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 可求出共轭凸轮机构的从动件的角加速度曲线。由公式( 3 9 ) 、( 3 - 1 0 ) 可求出共轭凸轮机构的从动件的角加速度曲线。 t = 0 0 f ( 3 - 3 ) s f 2y o ， ( 3 - 4 ) 掣：进，扛1 ，2 3 ，刀一l d ( ，)+ l 一一l 。 。 d ( s o ) ：旦二堑 f 3 5 ) 一= 一 i1 - ，l d ( t o )，1 一t o 一 d ( 晶)一一& 一l 一= = 一 d ( f 。) t i 一乙一1 北京工业大学t 程硕i 二学位论文 1 0 呐 螯： 。 嫒 1 0 一 0 5 o 0 _ 0 5 0 0 2 、 芝0 、旬0 2 d ( ) d ( ) d ( t ) d ( t ) e + 1 一v 一1 ，f + l 一一l d ( v o ) d ( t o ) ，i = 1 ，2 ，3 ，n 一1 巧一巧一i 一乙一l 丛盟：兰二堡= ! 一= = 一 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 、 一一 0 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 0 2 5 03 0 03 5 0 凸轮转角( 。) 图3 1 凸轮机构运动规律 f i g u r e3 - 1m o t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f c o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m d ( q ) d ( ) q + i a l 一1 0 l 一一l d ( a o ) d ( t o ) d ( ) 一 d ( 乙) 1 6 ，i = 1 ，2 ，3 ，刀一1 q a n l 一乙一l q 一一l ，i 一一。 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) o j j哿 0 = ，l 1 烈 q 0 0 0 铣o ) 世缎般 一世煅具般 一世甾般 第3 章凸轮运动特性分析及运动仿真 z = 等 ( 3 - 1 0 ) ，2 五专 【j 。l 得出的s 、v 、a 、j 可表示如图3 - 1 ，角加速度和角跃度的变化比较明显，但是变 化幅度不是很大，可以接受。图3 1 中的跃度曲线有相对较明显的低幅高频波动， 这是由计算方法引起的误差。 3 2 运动仿真 对凸轮机构的运动仿真可以直观的看出凸轮在各个转角处的运动情况，因 此，凸轮设计完毕后，对其做运动仿真观看结果是否正确，效果比较明显。把 新设计的共轭凸轮机构做成动画，同时把原来的共轭凸轮机构也做成动画，使 两者进行比较。可进行三维运动仿真的三维设计软件很多，比较常用的有c a d 、 c a x a 、p r o e 、u g 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 等。基于简单易用的考虑，选用s o l i d w o r k s 三维设计软件对凸轮机构做运动仿真 s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 原创的三维设计软件，是一套优秀的c a d c a e c a m 集成软件用三维软件，能够在整个产品设计的工作中，完全自动捕捉设计意图 和引导设计修改。在s o l i d w o r k s 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新 的零件。不论设计用“自项而下 方法还是“白底而上 的方法进行装配设计， s o l i d w o r k s 以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。s o l i d w o r k s 有全面的零件 实体建模功能，有标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品 表示的工程图纸。s o l i d w o r k s 通常应用于产品的机械设计中，它将产品设计置 于3 d 空间环境中进行，设计工程师按照设计思想绘制出草图，然后生成模型实 体及装配体，运用s o l i d w o r k s 自带的辅助功能对设计的模型进行模拟功能分析， 根据分析结果修改设计的模型，最后输出详细的工程图，进行产品生产。由于 s o l i d w o r k s 简单易用并且有强大的辅助分析功能，己广泛的应用于各个行业中， 如机械设计、工业设计、电装设计、消费品产品及通信器材设计、汽车制造设 计、航空航天的飞行器设计等行业中。可以根据需要方便地进行零部件设计、 装配体设计、钣金设计、焊件设计及模具设计等。s o l i d w o r k s 集成强大的辅助功 能，使我们在产品设计过程中可以方便地进行三维浏览、运动模拟、碰撞和运 动分析、受力分析、运动算例，在模拟运动中为动画添加马达等。还有一些工 程中常用的功能如质量属性、干涉检查、爆炸图等。 以下就是运用s o li d w o r k s 软件对凸轮机构进行动画分析的几个瞬间图。图 3 2 是对原来的共轭凸轮作运动仿真的画面，从运动仿真中可以看出，从动件与 凸轮将卡住，无法正常工作。 图3 3 、图3 4 、图3 5 、图3 6 时新设计的共轭凸轮的机构运动仿真的几个 北京t 业大学t 程硕十学位论文 瞬时画面，从中可以看出，从动件与凸轮啮合良好。 通过比较，可以看出新设计的凸轮从设计上不存在卡住的问题。 图3 7 是共轭凸轮机构的三维运动仿真的瞬时画面。 图3 2 原来的共轭凸轮机构仿真 f i g u r e3 - 2e m u l a t i o no fo r i g i n a lc o n j u g a t ec a m m e c h a n i s m 图3 - 3 新的共轭凸轮机构仿真 f i g u r e3 - 3e m u l a t i o no fn e wc o n j u g a t ec a m m e c h a n i s m 图3 4 新的共轭凸轮机构仿真 f i g u r e3 - 4e m u l a t i o no f n e wc o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m 图3 - 5 新的共轭凸轮机构仿真 f i g u r e3 - 5e m u l a t i o no f n e wc o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m 1 9 北京t 业大学t 程硕卜学位论文 图3 - 6 新的共轭凸轮机构仿真 f i g u r e3 - 6e m u l a