（机械设计及理论专业论文）平面凸轮机构cadcam商用软件开发.pdf

平面凸轮机构c a d c a m 商用软件的开发 摘要 每8 3 p 凸轮机构作为控制机构、导向机构或传动机构，在许多机器设备上得到广泛 应用。凸轮机构的c a | ) c a m 代表了近年来f 、轮设计与制造领域的发展方向。 本课题在分析目前国内见到的相关凸轮c a d c ar d 设计软件的璀础上，发现现 有的这类软件存在以下问题：软件的可视化与相关设计结果的查询情况较差，不 便于用户使用、接受；参数输入情况不好，使整个输入参数刘话框显得较复杂： f 轮摹本结构参数的合理性判断上考虑得不多；一般只能设计具有一个推程和一 个回程的凸轮。这些问题的存在，胀制了这类软件商品化的发展，有必要在这方 面加强技术开发研究，设计m 而向 程技术人员、具有良好界面的、可实现人机 交瓦的、易于设计从动件复杂运动的、便于企业技术人员使用的平面f r l f 轮机构 c a i ) c a m 的商用软件，目的在于推动n 轮机构的计算机辅助设计与制造软件的广 泛使用。 本人在与计机算编程设计有关的理论、方程、以及参数的选择等问题进行较 深入的、系统的研究、概括的基础上，根据编程设计要求，对平面n 轮机构按照 基本结构参数的不同进行分类：分析各个参数相日之问的关系：参数选择不同， 对平面n 轮的轮廓曲线、运动情况的影响以及找出平面 “1 轮机构设汁的理论依据， 最后为计算机编程定出适合的计算方程。 平面凸轮机构c a d c ；m 的软件的工作区，主要分为两个部分：菜单及t 具栏 按钮区和参数输入及结果显示窗口区。在菜单和工具栏按钮区，利用菜单、按钮 可以方便的完成全部揲作功能。在丰窗口区，根据用户设计r 1 轮时，参数输入的 一般顺序，设计模式剥话框，依次进行凸轮机构类犁的选择，基本结构参数的输 入，运动参数的输入，最后通过参数合强性判断完成平面r r l l 轮机构的参数输入。 结果查询窗口设计，采用无模式对话框，在丰窗l _ j 内可以一次显示所有用户需要 查询的设计结果，方便用户对设计结果的分析。 平面凸轮机构c a d c a m 的软件开发的研究课题，以v i sl i aj si ( ，为开发平台， 利t 【 ；j v i 一；。1 r jc 的特点，完成了该软件的w d o w 一标准界面、荣单和工具栏的 直观性设计，使用户便于使用、易于接受；对复杂运动平面【n l 轮的输入参数较多 的具体情况，采i l f 运动参数分步输入的方法，使不同类型的平面r i l 轮机构、不同 的从动件运动情况，具有相似的输入剥话框，即完成对话框的统一性设计，使输 入过程的逻辑判断更为人性化，并使该软件设计多运动段的复杂轮廓曲线的平面 凸轮成为町能；针刘多运动段的平面t 轮饥构的设计，进行相j 越的变基园半径的 分析，推导出直动从动件和摆动从动件的多运动段平向凸轮机构变基圆半径的解 决方法，以实现正确的计算结果输出；通过对平面凸轮机构最大压力角和最小曲 率半径值的计算，判断输入的基本结构参数是否合理，是否需要校正相关结构参 数的取值，以改善平面凸轮机构的设计，通过这种方式实现人机交互，使平面凸 轮机构的设计修改比较简单；利用对不同输出结果不同的显示方式，使设计结果 输出更真观，便于分析平面凸轮机构的工作性能等等一些程序设计方面的具体工 作。 通过与实例对照、数据结果验证，该软件的设计结果准确、可靠，达到了预 期的软件设计要求。 使用该平面凸轮机构c a d c a m 的软件，可以使工程设计人员，从繁琐重复的 设计计算中解放出来，为快速完成高质量的【轮机构设计、制造提供可能。 关键词：凸轮机构，c a d c a m ，v i s u a lb a s i c ，软件 d e v e l o po ft h ec a d c a mc o m m e r c i a l s o f t w a r e o ft h ep l a n ec a mo p e r a t i o n a b s t r a c t t h ec a m o p e r a t i o n a st h e c o n t r o l l i n go p e r a t i o n ，t h e l e a d o p e r a t i o n o rt h e t r a n s m i s s i o no p e r a t i o ni su s e dw i d e l yo nal o to fm a c h i n e r ye q u i p m e n t c a d c a m o ft h ec a m o p e r a t i o nr e p r e s e n t a t i v eo fc a mo p e r a t i o nd e s i g nt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n o nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l di nr e c e n ty e a r s f h i ss u b j e c ti so nt h eb a s i so fi ti sa n a l y z e dt h a tr e l e v a n tc a mc a d c a m d e s i g n s o f t w a r ea t p r e s e n t ，a n d t h i sk i n do fs o f t w a r ee x i s tt h e f o l l o w i n gp r o b l e m t h e s i t u a t i o no fv i s u a la n dr e l e v a n tt od e s i g ni n q u i r yo fr e s u l ts i t u a t i o nr e l a t i v e l yw o r s e ， i n c o n v e n i e n tt ou s ea n da c c e p tf o ru s e r s t h ei n p u ts i t u a t i o no fp a r a m e t e ri s w o r s e ， i n p u t c o m m u n i c a t i o nf r a m eo ft h e p a r a m e t e rs e e mr e l a t i v e l y m o r e c o m p l i c a t e d e n t i r e l y c a mb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e rc o n s i d e rl i t t l eo ns e a s o n a lj u d g e dt h i sk i n d 0 l 、s o f t w a r ec a n d e s i g nt h ec a mo n l yh a v eo n ep u s ha n do n eb a c k w a r d q u e s t i o nt h e s e e x is t 、l i m i tt h ed e v e l o p m e n to ft h a ts o f t 、 a r e c o m m e r c i a l i z e n e c e s s a r yt os t r e n g t h e n t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a lr e s e a r c hi n t h is r e s p e c t 7 f h es o f t w a r el a c i n ge n g i n e e r s a n dt e c h n i c i a n s ，h a v e g o o di n t e r f a c e t h e o n e st h a tc a nr e a l i z e h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，i t i s a p t t o d e s i g nc o m p l i c a t e ds p o r t o ft h ef o l l o w e ra n d a d e p t t h e c o n v e n i e n te n t e r p r i s e st e c h n i c a ls t a f fu s e d r e a l i z et h a tm a k e st h em a s su s eo ft h e s o f t w a r ei nc a do ft h ec a mo p e r a t i o n t h ep u r p o s el i e si nt h a ti tm a s su s eo ft h e s o f t w a r ei nc a d c a mo ft h ep l a n ec a m o p e r a t i o n 1 c a r r yo nd e e p e ra n ds y s t e m a t i cr e s e a r c h ，g e n e r a l i z a t i o no f t h eq u e s t i o n s ，s u c h a st h ec h o i c e so ft h e o r y ，e q u a t i o n ，a n dp a r a m e t e rr e l a t i n gt ot h ef a c ta b o u td e s i g nf o r p r o g r a m m i n g c l a s s i f va c c o r d i n gt ot h eb a s i cd i f f e r e n c eo fp a r a m e t e r so f s t r u c t u r eo f t h ec a mo p e r a t i o n ，a n a l y s e st h er e l a t i o ne a c ho t h e ro fe a c hp a r a m e t e r ，t h ep a r a m e t e r i sc h o s e nd i f f e r e n t l 2 ，1 ，t h ei m p a c to nt h e o u t l i n ec u r v eo fap l a n ec a ma n ds p o r t s i t u a t i o ne t c f i n do u tt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n db a s is o fc a m o p e r a t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n o fa p l a n e c a l l la n dt h es u i t a b l et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n d c a l c u l a t i o ne q u a t i o nf o rc o m p u t e rp r o g r a m m i n gf i n a l l y 7 f h e p l a n ec a mo p e r a t i o nw o r k s p a c eo fs o f t w a r e o fc a d c a mm a i n l yd i v i d e i n t ot w op a r t sm e n ua n dt o o lf e n c eb u t t o nd i s t r i c ta n dp a r a m e t e ri n p u ta n dt h er e s u l t s h o wd i s t r i c t p r e s st h eb u t t o nd i s t r i c t i nm e n ua n dt 0 0 1f e n c ec a nc o n v e n i e n t c o m p l e t i o no p e r a t ef u n c t i o n i nm a i nw i n d o wd i s t r i c t ，a tt h eb e g i n n i n go fd e s i g n ，a t t h eo r d e rt h a tt h ep a r a m e t e ri n p u ta c c o r d i n gt ou s e r ，d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o nf r a m e o ft h em o d e ，c a r r yo nt h ec h o i c eo fo p e r a t i o n st y p eo ft h ec a m ，t h ei n t r o d u c t i o no f t h eb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r t h ei n t r o d u c t i o no fs p o r tp a r a m e t e r ，a n ds e a s o n a l j u d g eo fp l a n ec a mo p e r a t i o nb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r t h ed e s i g no fi n q u i r ed a m e a d o p tm o d e l e s sc o m m u n i c a t i o nf l a m e ，a l lc a nb es h o w o fu s e rn e e dd e s i g nr e s u l tt h a t i n q u i r ea b o u ti nm a i nw i n d o w ，f a c i l i t a t eu s e r sa n a l y s i st or e s u l to fd e s i g n i n g t ot h es u b j e c tf o rr e s e a r c ho fs o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h ep l a n ec a mo p e r a t i o n c a d c a m r e g a r d v i s u a lb a s i ca st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m a n d u t i l i z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i co fv i s u a lb a s i c ，r e a l i z e dt h eo c u l a rd e s i g no fs t a n d a r di n t e r f a c e 0 | w i n d o w s ，m e n ua n dt 0 0 1c o l u m no ft h es o f t w a r e ，m a k eu s e r s u s a b l ea n de a s yt o a c c e p t d i r e c ta g a i n s tt h ec o n c r e t ec o n d i t i o n so f t h ec o m p l i c a t e ds p o r to fap l a n ec a m w i t hm o r ep a r a m e t e r ，a d o p tm e t h o dt o i n p u t t h e p a r a m e t e rs t e pb ys t e p m a k e d if f e r e n tk i n d so fp l a n ec a mo p e r a t i o na n dd i f f e r e n ts p o r ts i t u a t i o no ff o l l o w e rh a v e s i m i l a ri n p u t t i n gc o m m u n i c a t i o nf r a m e ，n a m e l yu n i t yd e s i g no fc o m m u n i c a t i o nf r a m e m a k et h ec o u r s eo ft h el o g i cj u d g et h a ta c c o r dw i t hu s e r 。sh a b i te v e nm o r e i h i s s o f t w a r em a k ei tb e c o m e p o s s i b l e t h a tt h e d e s i g n o fm o r e s p o r t c u r v ea n d c o m p l i c a t e do u t l i n ec u r v ef o rt h ep l a n ec a m a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e mo fd e s i g n i n g t h ep l a n ec a mo p e r a t i o no fm o r es p o r tc u r v e ，ic a r r y , o nt h ew a yo ft u r n i n gr a d i u so f b a s ec i r c l e f o u n dt h es o l u t i o nw a yo fm o v ea n ds w i n gf o l l o w e rt od om o r ep h y s i c a l e x e r c i s e ss e c t i o n so fp l a n ec a mo p e r a t i o nt u r n i n gr a d i u so fb a s ec i r c l e i no r d e rt o r e a l i z et h ec o r r e c tr e s u l to fc a l c u l a t i o n j u d g m e n to ft h e b i g g e s tp r e s s u r ea n g l ea n d t h em i n i m u mv a l u eo fr a d i u so fc a m b e rw e r eu s e dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h eb a s i c s t r u c t u r ep a r a m e t e ro fi n t r o d u c t i o ni sr a t i o n a la n dw h e t h e rt oc o r r e c tt h ev a l h eo ft h e r e l e v a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e ro rn o t ，i no r d e rt o i m p r o v et h ed e s i g no f t h ep l a n ec a m o p e r a t i o n i tr e a l i z et h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni nt h i sw a y a n dm a k et h ed e s i g n o ft h ep l a n ec a mo p e r a t i o nr e v i s es i m p l e r ；t h r o u g ht oo u t p u t t i n gd i f f e r e n td is p l a y m o d e s0 rt h ed i f f e r e n tr e s u l t ，i ti so c u l a rt ot h er e s u l to fo u t p u ta n de a s yt oa n a l y z e t h ep l a n ec a mw o r k i n gp e r f o r m a n c ee t c 7 l h r o u g hc o n t r a s t i n gw i t ht h e i n s t a n c ea n dt h ed a t ar e s u l t t h ed e s i g no ft h i s s o f t w a r ei sc o r r e c ta n dr e l i a b l e ，h a v er e a c h e dt h ea n t i c i p a t e dd e s i g n i n gr e q u ir e m e n t t h r o u g hu s et h ep l a n ec a mo p e r a t i o ns o f t w a r eo f c a d c a m m a k et h ed e s i g n e r l i b e r a t eo u tf r o mt h et e d i o u sa n dr e p e a t e dc a l c u l a t i n ga n dm a k ei t b e c o m ep o s s i b l e t h a tf i n i s hh i g h q u a l i t yc a m o p e r a t i o n sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ef a s t e r k e y w o r d s ：c a m o p e r a t i o n ，c a d c a m ，v i s u a lb a s i c ，s o f t w a r e 第一章概述 第一节凸轮机构的c a d c a m 的技术与现状 凸轮机构作为机械式信息储存和传递的基本元件，具有结构简单、紧凑、容 易获得预期的运动等特点，且兼有传动、导向及控制机构的各种功能。作为传动 机构，可以产生复杂的运动情况，以及有间歇的各种运动。凸轮机构作为导向机 构，使工作机构产生复杂的运动规律轨迹。作为控制机构，可以用作动作执行机 构的【作循环，或作为函数发生器来使用。但是，由于凸轮机构作为高副机构， 对制造误差敏感，设计、制造精度难以控制，制造难度大，因而影响机构的工作 性能。尤其在高速凸轮机构中会产生较大的冲击、振动、磨损。所以应用范围受 到一定的限制。 与发达国家的先进的凸轮机构产品的专业化、系列化生产相比，目前国内凸 轮机构在设计上周期长、精度低，制造上效率低、加工误差大、产品变化缺乏灵 活性，而且国内在凸轮机构的设计、制造方面的资料也不够系统。虽然凸轮机构 在机械中早有应用，但由于设计和凸轮制造手段落后，凸轮制造质量差，使得凸 轮机构的运动学和动力学的要求难以得到保证，很难用于高速、高精度的场合。 随着近年来系统工程与技术学、机构运动学、机构动力学、材料科学、摩擦 学、机械加工工艺、c a d c a m 、控制工程与计算机技术等相关学科的迅速发展，使 凸轮机构在自动机械中得以日益广泛的应用。国内很多研究人员以及许多专业技 术人员对机构的啮合原理、接触应力分析、运动规律以及机构动力学等各方面的 深入研究，学术研究气氛活跃，近一段时期，形成了大量的学术论文。而且计算 机、数控加工系统、加工材料的发展与广泛应用，为国内凸轮机构的进一步研究 以及f 凸轮机构的计算机辅助设计与制造创造了很好的理论基础与发展环境。 国内的凸轮研究也存在一些不足之处。近年来，我国发表的凸轮机构c a d c a m 方面的文献比较多，且多为平面凸轮机构或空间分度凸轮机构的c a d c a m 系统， 只能设计几种平面或空间凸轮机构，所能处理的从动件系统也只有简单的几种。 早在1 9 9 3 年，文献 2 j 介绍了一个较完整的凸轮机构c a d 系统理论，应用它能够 设计各种平面凸轮及空间凸轮机构，还介绍了一个凸轮机构c a d e x i f r t 系统的实 现方法。而后，凸轮机构的计算机辅助设计有了大规模的发展，但这些计算机辅 助系统存在着一些缺点，使平面凸轮机构的计算机辅助系统仍未得到有效的推广、 应用。文献 3 介绍的凸轮机构的计算机辅助系统，利用计算机语言编程进行凸轮 轮廓曲线点坐标计算，根据字符提示，进行相关输入，其输入情况较差，不便于 操作。虽然该程序能够解决平面凸轮机构设计的基本问题，但这种计算机辅助设 计，只是应用了计算机的快速计算能力，刘输入的直观性、人与计算机的交互以 及其它结果的查询并没有做迸步的考虑。文献 4 8 j 介绍的计算机辅助系统， 在设计中使用对话框进行输入，使输入具有直观性，其输出也采用图形显示、数 据结果列表等形式，在软件的推广上具有一定的积极意义，但是这类计算机辅助 系统软件的缺点是：一般只能处理较少的几种运动规律的凸轮机构，由于这几种 特定的运动规律在实际应用中存在着加速度突变引起冲击、动量大以及适用的载 荷、转速受限制等等问题，使得凸轮机构的设计不能很好地满足使用要求；另外， 这些软件基本上只能实现一个推程和一个回程的运动情况，也使其应用受到限制， 在实际中不能得到广泛的应用；这些软件，往往用一个输入对话框将输入信息 次输入，由于凸轮机构的基本结构参数以及运动参数较多，使输入对话框内的输 入表现的很复杂，致使输入情况不好；对于最终的结果，也往往是对凸轮的轮廓 曲线进行显示和输出，这样的输出结果并不能很好地用于对凸轮机构的分析。虽 然文献f 91 虽然采用了分段输入方式，也只是将所有的推程段参数放在一起输入， 所有的回程段参数放在一起输，也没有完全处理输入情况差的问题。对于以上 的可视化的凸轮机构的计算机辅助设计与制造软件在输入过程中，各个参数必须 直接给出，对于这些输入参数是否能够很好地满足使用要求，只能通过完成最终 的计算来判断，这样不能很好地实现合理设计的简单、人机交互、专家系统的要 求。由于存在以上的不足，以上的文献所介绍凸轮机构c a d c a m 系统，并未在实 际工作中得到充分应用。 综合以上的情况，到目前为止，国内平面凸轮机构的c a d c a m 仍未得到有效 的推广应用，更未见到有商品化的软件出现。 第二节本课题提出的背景 、我校在凸轮机构方面的研究情况 近年来，随着凸轮机构在各种自动机械中的广泛应用，有关凸轮机构的应用 研究，广泛而深入地进行，许多已应用于生产。我校在凸轮机构的应用研究也取 得了许多技术成果。 国内外不少学者对凸轮机构运动学、动力学进行广泛而深入的研究，特别是 我校和天津大学、上海交通大学、合肥工业大学、东南大学等等单位对凸轮机构 有较深入的研究。 我校在凸轮机构的研究方面具有较强的学术队伍和良好的学术梯队。在凸轮 机构的研究上，形成了大量的学术著作、论文、研究成果以及实用新型专利，并 且指导硕士研究生、本科生在这方面进行了大量的理论研究和技术应用。对于高 速、高精度凸轮机构的动力学研究已经成为我校重要的研究课题。，我校完成的高 速高精度间歇转位凸轮分度机构c a d c a m ，1 9 9 5 年获陕西省科技进步二等奖；我 校丌发的“凸轮分度机构传动装置”获中国轻工总会优秀新产品一等奖；我校研 制的加i ：弧面凸轮的“x k 5 0 0 l 双回转坐标数控铣床”获国家实用新型专利。 近年来，我国的凸轮专业化生产_ r 。家也从无到有发展起来，作为一个新兴的 产业已初见端倪。现在，全国有这样的凸轮专业化生产厂家二十多家，如山东渚 城锻压机床厂、我校的精益凸轮模具公司、天津大学机械厂等。凸轮的质量有了 长足的进步。凸轮以及凸轮机构传动装置的产品已部分取代进口。在国内，对于 弧面分度凸轮的加工，开始是采用滚齿机改造或其它机床改造后的i _ 轮专用加工 机床进行加工，也有采用引进的五坐标联动加工中心进行加工，我校及西安钟表 机械厂和南通机床厂联合，研制成功了n tx k 5 0 0 l 型弧面分度凸轮专用数控立式 铣；在此之后，弧面分度凸轮专用精密磨削装置由我校研制成功，使磨削后的凸 轮轮廓糖度已高达0 ，0 0 2 m m 。设计与制造一体化的弧面分度凸轮机构的c a d c a m 系统在某些单位已经建立，有的已达到了使用要求。由此可见，国内凸轮的制造 以具有很高的专业化生产水平。 二、自动机的发展、前景 凸轮机构根据自身的特点，广泛应用于自动机械。当前，机械产品正沿着两 个方向发展：一是大型化、自动化、精密化、高速化和成套化；二是小型化、多 功能、结构简单、使用可靠和成本低廉。在此发展过程中，凸轮机构及其组合机 构占有重要地位。 虽然，随着电子技术的发展，微机控制的自动机械有了较快的发展，然而， 受运行速度、可靠性与价格等因素的限制，在较长时期内仍然不可能大量取代采 用凸轮及其组合机构的自动机械。以凸轮机构为核心，已发展出成千上万种高效、 小型、简易、精密、价廉的自动机械，遍布各行各业。例如自动包装机、自动成 型机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农业机械、印刷机械、自动办公设备、 自动加工机械以及各种轻工自动机械等。 凸轮机构之所以能在上述自动机械中获得如此广泛的应用，是因为它兼有传 动导向及控制机构的各种功能。当然，由于凸轮机构是高副机构，制造较难，其 应用范围受到一定的限制。 随着计算机辅助设计与制造技术的日益普及，凸轮的设计与制造将变得十分 方便而且精确，凸轮的使用寿命大幅度延长，制造成本不断下降。可以预计，凸 轮机构在自动机械中的应用范围将越来越广泛，其工作性能将获得明显的改善 这也会更好地促进自动机械的发展= 三、本课题的提出 虽然凸轮机构的应用范围广泛，凸轮机构的理沦研究也广泛而且深入地进行， 但是h 轮机构的设计与制造方面还存在以下一些不足。在凸轮的设计与制造上， 通常只是利用传统的解析法，这样使设计制造的工作量很大；在从现有资料了解 到，有关凸轮机构的计算机辅助设计与制造的相关软件虽然很多，但是上面提到 的这些软件存在的软件界面不便于用户使用、输入情况差、只能设计简单的运动 情况以及结果输出情况差等等不足，限制了这类软件的应用、推广。 所以，设计出便于企业技术人员使用、具有良好的可操作性、熟悉的软件界 面、更好地对凸轮机构的运动情况进行分析，能够很好地解决实际情况的凸轮机 构的设计与制造软件，仍然是现在凸轮机构研究的个重要课题。为快速完成高 质量的凸轮机构设计提供可能性，进一步提高凸轮设计与制造水平。针对面临的 这种问题，我的毕业设计课题的任务就是：形成一个良好界面的、人机交互的、 便丁二企业技术人员使用的平面凸轮机构c a d c a m 商用软件。 第三节本课题的任务 一、本课题的内容 本课题研究的是平面凸轮机构的计算机辅助设计与制造，属j 二凸轮机构的技 术开发研究，围绕着这一课题，将与软件编程设计有关的理论、方程、以及参数 的选择等问题进行较深入的、系统的研究、概括。针对软件设计，对平面凸轮机 构按照基本结构参数的不同进行分类；分析各个参数相互之间的关系：输入参数 对平面凸轮的轮廓螺线、运动情况的影响以及找出平面凸轮机构优化设计的理论 基础与依据，为计算机编程找出适合的理论依据及计算方程。 另外，进行软件总体设计包括：软件的界面设计、输入参数对话框的设计、 平面凸轮机构的轮廓曲线绘图输出以及相关数据结果的查询。 二、本课题的任务 针对以上的软件设计上的要求，以及软件编程的需要，软件设计中要完成以 下儿部分任务：对该软件的用户定位；该软件w in d o w s 标准界面、菜单和工具栏 的直观性设计，使用户便于使用、易于接受：使不同类型的平面凸轮机构、不同 的从动件运动情况，具有相似的运动参数输入对话框，完成参数输入对话框统一 性设计；对相关设计参数进行分析，输入参数选取的理论方法；对多运动段的平 面凸轮机构的设计，进行相应的变基园半径的分析，以实现正确的计算结果输出； 通过对平面凸轮机构最大压力角和最小曲率半径值的计算，判断输入的基本结构 参数是否合理，是否需要校【f 相关结构参数的取值，以改善平面凸轮机构的设计： 利用对不同输出结果不同的显示方式，使设计结果输出更直观，便于分析平面凸 轮机构的工作性能。 二二、软件的验证 最后，要对该软件的设计结果的真实性和可靠性进行分析和验证。对该软件 的验证，是通过寻找的一些实际的平面凸轮机构讨算与分析的结果，相应的输入 参数，利用该软件的设计结果和上面的结果进行比较，分析输出结果的可靠性， 利用这种方法完成该软件的验证。 第四节工作进度 2 0 0 2 年1 0 月一2 0 0 3 年5 月：在凸轮机构的理论研究上，进一步深入了解有 关凸轮机构的相关理论，针对凸轮机构的运动参数比较多，而且相关参数的选择 与凸轮轮廓曲线之间的关系比较复杂，参数的具体选择受到多种情况的制约等具 体情况，查阅了大量与凸轮机构有密切关系的参数的选择方法及理论，考察了凸 轮机构的运动及动力学方面的问题，以便得到凸轮机构的运动情况的全面了解。 本人的设计程序是基于v j s u ajb a s i c 软件的可视化编程，在这段时间内，本人也 翻阅了大量的有关v is u a l l b a s jc 编程的书籍，通过编写相关的小程序，熟悉了相 关的编程知识，为后续工作做好准备。 2 0 0 3 年5 月一2 0 0 3 年7 月：为了使编写的软件能更好地解决实际问题，所以， 在这段时间，本人参观了本校的精益凸轮模具公司，以便对凸轮的加工制造有进 一步的感性认识。本人进一步收集了有关凸轮实际加工方面的一些资料，进一步 清楚了凸轮机构在设计加工中存在的问题，从而保证了所设计的软件更具有针对 性和解决实际工作情况的效果。 2 0 0 3 年7 月一2 0 0 1 年1 月：在这段时间内，主要完成了课题方案的总体设计， 通过编写相关程序，完成了程序的启动画面设计、可视化界面设计、对话框的设 计以及相关查询内容的输出形式设计。完成课题要求得软件编制的基本雏形。 2 0 0 4 年1 月一2 ( ) ( ) 4 年3 月：在这段时间内，听取了导师的建设性意见，并吸 取了同学的有关建议，对平面凸轮机构计算机辅助设计与制造软件进行了进一步 的修改。并通过对比实例进行相应输入，和已有的平面凸轮的有关设计参数、数 据，对该软件进行验证，并得到满意的结果。 2 0 0 4 年3 月- - 2 0 0 4 年5 月：在这段时间内，对前面所做l ：作进行了总结，整 理了有关的设计资料，撰写了毕业论文。 2 0 0 4 年5 月：准备进行毕业答辩。 第五节预期成果 通过完成以上的工作，最终形成一个具有良好界面的、可实现人机交互的、 便于企业技术人员使用的平面凸轮机构c a d c a m 商用软件，进一步实现平面凸轮 机构的计算机辅助设计制造软件的广泛使用和推j 。 第二章平面凸轮机构的理论研究 第一节平面凸轮机构的基本类型 、凸轮机构的类型 凸轮机构在运动形式、形状等等的情况不同，存在各种各样的分类方法。一 般来说，凸轮可用三种方法进行分类”： 1 根据从动件的运动规律分： 凸轮机构作为传动机构和控制机构，最重要的特性是它的传递函数。无论传 递函数多么复杂，在凸轮机构中，都可以归结为三种基本运动规律：双停留运动 规律，即运动由前后两段停留一上升一一停留部分组成，用d r - d 表示； 单停留运动规律，即运动由停留一上升一返回停留组成，这种凸轮的卜 升和返回运动是连续发生的，用d- r 一r 一d 表示；无停留运动规律，这种 凸轮没有停留时期，用r - - - r 一r 表示。如图2 一l 所示。 s 双停留 s 单停留 图2 1从动件运动类型 f i g2 一i t h et y p eo ff o ll o w ers p o r t 无停留 2 根据凸轮的形状分： 根据凸轮的外部形态，可将凸轮分为：平板或盘形凸轮、圆柱与圆锥凸轮、 桶形凸轮、端面凸轮等几种常用凸轮形式。 2 1 凸轮机构根据主动件凸轮的运动平面与从动件的运动平面之间的位置关 系不同，可以分为空间凸轮机构和平面凸轮机构，如平板或盘形凸轮机构属于平 面凸轮机构，其余的均属于空间凸轮机构。 2 2 为了保证凸轮机构的从动件与主动件凸轮轮廓始终能够保持接触，凸轮 机构常常采用两种方式：力封闭式、几何封闭式。力封闭式凸轮，是依靠重力、 弹簧或气压等外力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触，这种封闭方式简单、适用 于各种类型的从动件，且对从动件的运动规律没有限制。但当从动件行程较大时， 所需要的回程弹簧太大，而一般不使用：而几何封闭式是靠凸轮的几何外形，如 沟槽等来限制从动件来保证接触的，但凸轮机构的结构较复杂。 7 3 根据从动件的情况进行分类。 ： 1 根据从动件的运动方式分： 凸轮机构的从动件与机架可以形成回转副或者移动副，即从动件的运动形式 要么是往复直线运动，要么是往复摆动。据此，可以将平面凸轮机构分为直动从 动件平面凸轮机构和摆动从动件平面凸轮机构两类。 3 2 根据从动件的结构形式分： 凸轮机构按照从动件的结构形式一般可以分为三种：尖底式从动件、滚子式 从动件和平底式从动件。 尖底式从动件的制造最简单，但亦遭磨损，所以只适用于作用力不大和速度 较低的场合，如用仪表等机构中；对于滚子从动件平面凸轮机构，其凸轮副之间 的摩擦为滚动摩擦，所以摩损小，故可以传递较大的动力，因而应用较厂一泛；对 于平底从动件平面凸轮机构，从动件的受力比较平稳，而且平面凸轮与从动件平 底的接触面间容易形成润滑油膜，润滑较好，所以常用于高速运动中。 ： 3 根据直动从动件的移动导路是否过凸轮的回转中心分： 直动从动件平面凸轮机构根据直动从动件的移动导路是否过平面凸轮的回转 中心可以分为：对心和偏置两种形式。在其他条件相同的情况下，利用正偏置， 可以减小平面凸轮机构的压力角，改善平面凸轮机构的运动情况。 二、平面凸轮机构的分类 本人的课题是通过进一步研究平面凸轮机构的相关理论及相关参数的选择， 寻找适于编程的理论计算公式，最终形成易于推广和使用的平面凸轮机构计算机 辅助设计与制造的可视化软件。对于平面凸轮机构的结构参数输入，如果平面凸 轮机构的类型不同，则输入的相关结构参数也相差较大，所以，对于平面凸轮机 构的分类，应在考虑尽量减少类型的数目的同时，采用尽量统一的对话框，所以 平面凸轮机构按照从动件的运动形式以及结构形式进行分类，最终分为：直动尖 底从动件盘形凸轮机构、直动滚子从动件盘形凸轮机构、直动平底从动件盘形凸 轮机构、摆动尖底从动件盘形凸轮机构、摆动滚子从动件盘形凸轮机构、摆动平 底从动件盘形凸轮机构六种凸轮机构类型。在软件设计中，根据实际要求，选择 相应的推程和回程运动的从动件运动规律以及运动段的数目，就可以得到满足设 计要求的运动规律。虽然直动从动件凸轮机构还可以根据从动件的移动导路是否 通过凸轮的回转中心，将直动从动件凸轮机构分为对心的和偏置的两类，并且在 输入中差一个输入参数一偏距，但是，可以根据偏距取值是否为零进行区分， 故也可以不做进一步的分类。 第二节平面凸轮机构的运动规律 平面凸轮机构设计的基本任务是根据工作要求选定合适的平向凸轮机构的类 型和从动件的运动规律，并合理的选定有关的结构尺寸，然后根据以卜参数的情 况设计出平面凸轮的轮廓曲线以及其它需要的设计结果。所以，根据_ r 作要求选 定从动件的运动规律，是平面凸轮轮廓曲线设计的前提。 本节将介绍从动件的几种常用的运动规律及其特点，并根据运动规律的特性 值，对从动件的运动规律进行近一步的分析，给出几个运动规律的无因次特征值 以及适用的工作情况。 、运动规律的特性值 评价各种运动规律的使用情况的好坏，常常按照些与运动学和动力学有关 的特性值来判断。通过这些特性值的比较，可以大体分析出平面凸轮机构选用这 种运动规律时的运动和动力特性，反映出工作情况、结构和寿命等方面的基本趋 势。通过对运动参数的无因次化处理，运动规律的特性值有以下几种无因次化量， 它们分别为：最大速度物、最大加速度a m 、加速度均方根值? 、动载转矩特性 值( a 叻历、最大跃度咖和最大跳度伽等等。“：下面阐述一般选用的一些判断从 动件运动规律好坏的无因次特性值，以便说明各种从动件运动规律的特点和适用 范围等基本情况。 1 最大速度脚 平面凸轮机构的压力角般随着速度的增大而增大。压力角如果过大，会导 致磨损加剧，机构效率下降，甚至产生自锁现象。为了减小压力角，应选用最大 速度较小的运动规律。在平面凸轮压力角一定的情况下，选用较小最大速度砌 的运动规律，可使凸轮的基圆半径减小，因而能减小平面凸轮机构的结构尺寸。 另外，从动件的速度越大，工作机构的动量也越大，在工作机构在要求紧急 制动时，会产生巨大的冲击，所以，平面凸轮机构的设计时一般希望选取较小的 最大速度跏的运动规律。 2 最大加速度a m 在高速凸轮机构中，与加速度成正比的惯性力是工作机构所受载荷的主要组 成部分。惯性力较大不但使工作构件受力增加、磨损加剧，而且会出于振动分量 的存在，导致从动件振动加大，严重影响机构的工作精度。因此，最大加速度a m 也是选用运动规律时必须考虑的主要特性值，尤其是在中、高速机构中，更要选 用较小的最大加速度a m 的从动件运动规律。 3 最大跃度肋和虽大跳度伽 在高速机构中，要求高阶导数值连续，而且绝对值尽量小，以便减少机构的振 动，提高工作机构的运动精度。作为位移三阶导数的跃度和四阶导数的跳度p ， 要求不要超过某一数值、要求运动规律的最大跃度。加和最大跳度伽较小。 9 对从动件的运动规律的选择原则可以归纳为： 低速机构应选用最大速度助较小的曲线，最大跃度加值允许较大；中速重载 的工作情况，应选用最大速度炀与最大动载转矩( a y ) t