（机械设计及理论专业论文）蜗形凸轮转位机构cad系统的研究.pdf

蜗形凸轮转位机构c a d 系统的研究 摘要 蜗形凸轮转位机构广泛应用于电子与轻_ 上机械设备中，是理想的高精度间歇传动机构。目前对 于蜗形凸轮转位机构的研究主要集中在其机构本身，而对丁其c a d 系统的研究则很少。所以开发一 套c a d 系统，将参数化特征建模技术有效融入到蜗形凸轮转位机构设计中，能大大提高该机构的设 计水平。 4 本论文运用了蜗形凸轮机构设计、计算利分析的有关理论及设汁经验，以p r o e n g i n e e r 为c a d 支撑软件，咀v i s u a lc + + 为开发语言，综合运用了产品设计技术、参数化特征建模技术和 p m t o o l k i t 程序设计技术建立了蜗形凸轮转位机构的计算机辅助设计系统。本论文的主要研究工 作包括：进行了蜗形凸轮转位机构力学分析、强度校核和优化设计，比较并选择了蜗形凸轮几种典 型曲线运动规律，分析了转位机构的精度；确定了蜗形凸轮转位机构的设计流程，对机构中零件的 各个参数进行了分类并确定了相应的设计方式。在p r o 胁g i n e e r 中建立了三维实体模板模型并对标 准件建立了标准件库。最后，对零件进行了装配；在研究了二次开发模块p r 0 ，r o o l t 程序设计技 术之后，利用基于三维模型的参数化程序设计方法，实现了蜗形凸轮转位机构几个主要零件的自动 参数化设计。 本沧文所建立的蜗形凸轮转位机构c a d 系统可全面实现蜗形凸轮转位机构的设计，包括精度设 计、受力分析和强度校核、零件参数化设计。设计人员输入一些参数后，系统自动产生所需要的结 果。本系统能大人提高蜗形凸轮转位机构的设计效率和质量。 关键词：蜗形凸轮转位机构c a d p r o 厄n g i n e e r 参数化设计 p m 厂r 0 0 l t r e s e a r c ho fc a ds y s t e mf o rw o r mc a m m e c h a n i s m a b s t r a c t w o mc 锄m e c h a i l i s mi sak i n do f p e r f e c tp r e c i s ei n t e r m m e n tm e c h a n i s mw h i c hi sb r o a d l y 印p l i e di n e l e c 仃0 np m d u c i n gd e v i c e sa | 1 d1 i g h t j n d i l s t r yd e v i c e s a tp r e s e m ，t h er e s e a r c h e so nt h em e c h a n i s mm a m l y f o c u so ni 招o w n 廿l e o r yb u tn o to nt h ec a ds y s t e m s oi tc a na d v a l l c em ed e s i g no ft h i sm e c h a n i s mt o d e v e l o pac a ds y s t e mb yc o m b i n i n gm ep a r a m e 仃i cc h m c t e rm o d e l i n gt e c i l l l o l o g yw i t hm ed e s i g no f 、v o i t nc 锄m e c h a n i s m t h ec a ds y s t e mt h i s 血e s i sb u i l d si sac o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e mw h i c ha d o p 协t h et 1 1 e o l ya n d e x p e n e n c ea b o u tt h ew o n i lc 蛐m e c h a n i s md e s i g n i n g ，c a l c u l a t i n ga 1 1 da n a l y z i n gc o m b i l l i n gw i mt h e t e c h n o i o g yo fs o 脚a r ed e s i g n i n g ，3 dp a 咖e m cd e s i 印i n ga 1 1 dp r o t d o l k i tp r o g r 锄d e s i g i l i l l g t h e s y s t e mi ss u p p o n e d b yp r o ，_ e n 百n e e ra n du s e s s u a lc + + a sd e v e l o p i n gl a n g u a g e w h a tt h i si h e s i sr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ：a f t e ra n a l y z i n gt h ef o r c e so ft h i sm e c h 锄i s m ，t h em e s i s c h e c k st h es 廿e n 昏ha n dm a k e so p t i m i z a t i o n o nt 1 1 eb a s i so f r e s e a r c h m gs e v e r a ln 1 1 e so f c u r v em o v e m e n to f w o 瑚c a m ，t l l e 廿1 e s i sc o m p a r e st l l e ma i l ds e l e c 乜t h e 印p r o p r i a 把o n e t h e nt h et l l e s i sa i l a l y z e sa n dc a l c u l a t e s t h ep r e c i s i o no ft h em e c h a n i s m a 髓rd e c i d i n g 廿l ed e s i g ns e q u e n c ea n dc l a s s 讯n gt h ep a r 踟e t e r so ft h e m e c h 姐i s m ，t h et h e s i sb u i l d s3 一d i m e n s i o np a r a m e t r i cm o d e l so fs e v e m 【m a i np a n sa n db u i l d sl i b r a r yo f s t a n d a r dp a r t s ，t h e na s s e m b l e st h ep a r t s a tl 矧，t l l em e s i sr e a l i z e st h ea u t o m a t i cp a r 枷e t r i cd e s i g no fw o 唧 c a r l lm e c h a n i s mb a s e do np r o ，r o o l k i tp r o g r 锄d e s i g n i n gt e c h n o l o g ya n dp a r a m e 晡cp r o g r a md e s i g l l i n g t e c h n 0 1 0 9 弘 ， t h ec a ds y s t e mt h i st h e s i sb u i l d sc a n m yc a n yo u tt 1 1 ed e s i g no fl h i sm e c h a i l i s m _ m c l u d i n g p f e c i s i o nd e s i g n ，f o r c ea n l y s i sa 1 1 ds i r e n g mc h e c ka n dp a r tp a r a r n e t r i cd e s j g n t h i sc a ds y s t e mc a i lg r e a t l y i 珈p r o v et h ed e s i g ne 伍c i e n c ya n dq u a l i l y k e y _ w o r d s ：w o n l lc a r nm e c h a n i s mc a dp r o ，e n g i n e e r p a r a m e t r j cd e s i g np r o ，r o o l k i t 东+ 南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密沦文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括：| = i j 登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：翌丝导师签名：生! 垒蠡期：脚刘占 第一章概述 1 1 蜗形凸轮转位机构概述 第一章概述 随着机械工业自动化程度的日益提高，为满足生产工艺的需要，在许多机械设备中往往需要一 些机构能实现周期性转位、分度及瞬时停歇，这些机构被称为间歇运动机构。 应用普遍的间歇运动机构有棘轮机构、马而它机构、星轮机构、非完全齿轮机构等，由于它们 在运动中，会产生冲击与振动，不适合带动质量很大的转盘，传动精度又低。而本课题所研究的蜗 形凸轮转位机构，则是可咀满足高速自动生产线所要求的一种间歇传动机构。 蜗形凸轮转位机构是目前公认的理想的高精度传动机构，它转位平稳，定位精度高，速度快， 而且从动件的速度、加速度变化规律可以按预定的运动要求选择，进而实现精确的传送。因此该机 构广泛应用于电子与轻工机械设备中。 1 1 1 蜗形凸轮转位机构的传动原理 蜗形凸轮转位机构是将蜗形凸轮的连续或周期性的旋转运动转变为从动件( 转位盘) 的问歇转动。 蜗形凸轮分为端面蜗形凸轮机构和径向蜗形凸轮机构，本论文中研究端面蜗形凸轮机构( 如图1 1 所 示) 。蜗形凸轮转位机构的典型结构如图1 2 所示，它主要由凸轮、滚子、转位盘、接套、立柱、转盘 等所组成。 图1 1 蜗形凸轮机构 1 ，蜗形凸轮2 滚子3 转位盘 1234567 ，89l o 图1 2 蜗形凸轮转位机构结构图 1 蜗形凸轮2 滚子3 转位盘4 转盘5 一接套6 立柱7 盖帽8 _ 上衬套9 一下利套1 0 调整套 电动机通过传动系统( 一般为皮带轮和蜗轮蜗杆组合系统) ，驱动蜗形凸轮以一定的转速旋转， 凸轮槽推动与之啮合的滚子，实现转位盘的转动，滚子均匀分布在转位盘的分度圆上，其数目南生 东南大学硕士学位论文 产设福所需的工位数所决定。转位盘通过销和螺钉和接套连接，接套通过平键与转盘连接，蜗形凸 轮旋转一周便驱动转盘转动一个t 位，从而实现转盘的间歇转位。 机构的运动和动力驱动关系如图1 3 所示： 阿吨搦历h 丽】一雨十一葡困肄恒卜4 藉习 一 o ol j 图i 一3 蜗形凸轮转位机构运动和动力驱动图 1 1 2 蜗形凸轮转位机构的特点 蜗形凸轮转位机构与几种常用的间歇运动机构比较，具有如下的特点： 1 j 获得转位与停歇时间的任何比例。蜗形凸轮回转周，转位盘转位、停歇一个周期，这称为 自动循环周期。自动机转位盘的转、停时间可以根据工艺需要，在蜗形凸轮轮廓上按不同的转位角 设刊，制造出不同的转停曲线。因此，自动机就可以获得间歇运动的任何转停时间比例。 2 ，从动件获得任何给定的运动规律。正确地选择运动规律，就可以保证凸轮在开始转动和终l 上 转动的瞬时角速度为零，保证加速度曲线连续变化无中断，使加速度和速度的最大值限制在允许的 范围内，实现平稳运转，无刚性冲击，保证加工质量。 3 在一般情况下，蜗形凸轮的棱边已有足够的定位精度，不必附加定位装置。 4 机构具有足够的刚度，在设计蜗形凸轮转位机构时，为了增强和延长寿命，在其它条件允许 的情况下t 一般选j ； j 较小压力角，较大的蜗形凸轮直径，因此，支承轴、轴承尺寸也可以相应加人。 另外，与凸轮径向尺寸相比，一般蜗形凸轮的轴向尺寸较小，因此，两端轴承间距较小，故蜗形凸 轮机构都具有足够高的刚度。 5 蜗形凸轮的连续运动直接由电动机经皮带轮、蜗轮副输入，再经过滚子带动转何盘使自动机 获得间歇的转停运动。因此，这种机构的传动链较短、精度高、运转可靠。 6 蜗形凸轮箱可为半敞开式，由于使用酬锥滚子轴承可毗调鞋问隙，所以这种机构装配方便。 7 蜗形凸轮机构的缺点是加工比较困难。这主要是由于凸轮的转位曲线要求的精度较高，形状 复杂，因此必须在多坐标数控机或专用机床上制造。同时，转位盘的滚子孔等分精度也要求很高， 必须使用坐标镗床，加工中心制造。 1 1 - 3 我国蜗形凸轮转位机构研究的现状 国外对蜗形凸轮机构的应用已有几十年历史，所以无论是对这种机构的理论研究方面还是生产 实践方面都已经比较成熟。前苏联、匈牙利、美国、日本等国家蜗形凸轮机构已经系列化、标准化 并广泛应用于各类型的高速自动线中。国内对该类机构的研究较晚，而且由于蜗形凸轮机构的设计 理论及制造技术比较复杂， 些关键的理论分析尚在进一步的探讨之中。因此，蜗形凸轮转位机构 的研制对丁我国机械自动化的技术进步具有重要的现实意义。 我国蜗形凸轮转位机构的研究现状： 1 几何学方面 我国住八十年代采用旋转张量的方法，对蜗形凸轮机构的传动压力角、凸轮啮合曲面的曲率半 径、从动轮的转速、蜗形凸轮轮廓形曲面和接触线方程等进行了比较深入的研究，建立了蜗形凸轮 的几何运动学基础；讨论了分析蜗形凸轮机构精确分度的方法；对蜗形凸轮机构的预紧干涉和啮合 间隙问题进行了深入的探讨。 、 2 动力学方面 传统的设计和分析方法将复杂的凸轮机构简化为多自由度的动态模型，并考虑间隙、阻尼和油 膜挤压的影响，分析了凸轮机构的受力情况，建立了运动微分方程，采用有限差分技术求解非线性 问题，绘制了考虑各种不同影响的凸轮机构动态特性图和图谱。近些年来，考虑到蜗形凸轮体本身 及其他零件本身的变形，运用接触力学及概率分析力法的新成果，丌辟蜗形凸轮研究的新领域；采 用优化后的跃度连续的通用简谐梯形组合凸轮曲线，改善丁系统动态特性，降低了残余振动幅度， 为提高中高速凸轮机构动态特性提供了新途径。 3 结构设计方面 第一章概述 蜗形凸轮转位机构又有圆锥滚子及圆柱滚子等滚子之分，由于圆锥滚子啮合性能好、磨损慢， 且调整转位盘滚子与凸轮的间隙较简单，因而圆锥滚子蜗形凸轮机构获得了广泛应用。在设计方法 方面，开始采用计算机辅助设计，实现对结构参数和运动参数的优化，并开始建立蜗形凸轮转位机 构c a d c a m 系统，同时也开始对系统的运动特性进行计算机仿真，从而提高了设计质量和发计水 平。 、 1 1 4 蜗形凸轮转位机构研究展望 、 ， 1 在啮合原理方面： 除了对传统的线啮合传动蜗形凸轮机构继续研究之外，通过选择不同形状的凸轮和滚子曲面， 或通过滚子或凸轮曲面的修形获得的点啮合蜗形凸轮机构。 2 结构设计方面： 非线性圆柱分度凸轮结构和线性蜗轮蜗杆传动结构上的结合，将会使结构设计方面有很大突破； 结构简单、紧凑的凸轮机构也是研究的方向之一。 3 动力学方面： 在极短的循环周期内消除残余振动，实现精确定位，在动力学研究领域内引起了足够的最视。 4 在应用方面： 建立实用的c a d c a m 系统，以适应目前对圆柱分度凸轮机构单件小批量生产的需求，从而缩 短设计周期，降低制造成本。 1 2c a d 技术 1 2 1c a d 技术基本概念 c a d ( 计算机辅助设计，c o m p u t e ra j d e dd e s 迢n ) 是指工程技术人员以计算机为工具，利用计 算机强人的计算功能和高效率的图形处理能力，结合自己的专业知识，对产品进行设计、绘图、分 析、优化以及编写技术文档等活动的过程，是综合了计算机科学和工程设计方法的最新发展而形成 的一门学科。 c a d 将计算机快速而精确的计算能力、大容量的存储能力和强大的数据处理能力与设计者的综 合分析能力、逻辑判断能力以及创造性思维结合起来，从而大大加快设计进程，提高设计质量。c a d 技术是提高产品和工程设训冰平、降低消耗、缩短科研和新产品开发周期、大幅度提高劳动生产率 的重要手段。也是进一步向计算机辅助制造( c o m p u t e r a j d e d m a n u f 酏t u n g ，简称c a m ) ，计算机集成 制造系统( c o m p u t e rt n t e g r a t e d m a n u f a c h j n gs y s t e m ，简称c t m s ) 发展的重要基础。c a d 技术开发与应 削水平己成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化程度的重要标志之一。 1 2 2c a d 技术的发展概况 c a d 技术起步= _ 5 0 年代后期，在发展初期，c a d 的含义仅仪是计算机辅助绘图( c o m p u l e r a i d e d d m w i n g ) ，而非现在我们讨论的c a d 所包含的全部内容。进入6 0 年代，随着训算机软硬件技术的发 展，c a d 随之开始迅速发展。此后，c a d 技术经历了几次技术革命，其主要发展阶段和特点如下： ( 1 ) 6 0 年代，c a d 技术主要特点是交互式二维绘图和三维线框造型。这种初期的线框造型系统只 能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表而信息，c a e 及 c a m 均无法实现。 ( 2 ) 7 0 年代，c a d 技术产生了自由曲线曲面生成算法和表面造型理论。法困达索飞机制造公司开 发出以表面模型为特点的自由曲面建模方泫，推出了三维曲面造型系统c a t 渔，首次实现以计算机 完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。在这期间逐渐形成了 c a d 产业。 、 ( 3 ) 8 0 年代，c a d 技术进入了实体造型技术和几何建模方法。表面造型理论只能表达形体的表面 信息，但难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯性等，不能进行c a e 。1 9 7 9 年。s d a s 公司发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d ，c a e 软件i d e a s 。由于实体造型技术 能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计者带来 惊人的方便。 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 9 0 年代，c a d 技术基础理论主要是参数化技术和变量化技术，形成了基于特征的实体建模技 术。这两种技术分别以p t c 公司的p r o e n g i n e e r 和s d r c 公司的i d e a sm a s t e rs e r i e s 为代表，都是基 于特征、尺寸驱动设计修改。不同的是参数化技术是全尺寸相关的，而变量化技术解决了在欠约束 情况下方程联立求解的数学处理，即保持了参数化技术的原有优点，又克服了它的不足。 1 2 3c a d 技术的发展趋势 新一代c a d 技术的发展主要体现在以下几方面， ， ( 1 ) 规范化f 标准化) 数据模型的规范化( 标准化) 、数据交换格式的标准化和c a d 资源的规范化等。数据模型应采用 s t e p 标准体系。随着s t e p 标准体系的逐步完善，它对于几何数据、上程数据模型的思想将作为新一 代c a d 系统的开发指南。靠以前的些标准接口已经无法完全满足c a d 数据交换的要求。目前，参 数化特征模型的传输还是一个世界难题，在s t e p 标准基础上，相信这一点能有所突破。这里所说的 c a d 资源主要是指各种标准符号库等。它是各国标准和国家标准规定的，是工程设计中的重要依据。 ( 2 ) 智能化 特征造型平u 参数设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘制的t 具由人们 去使用，也不再将r 线面数据存储在一起，而忽略其内在联系。特征和参数的引入使得软件似乎成 为人类( 用户) 一个更聪明的助手。c a d 软件应该成为真正的“傻瓜型”软件。应该更大限度地将工 程数据概念集成到数据模型中，例如目前，c a d 软件的特征模型主要是解决零件凡何造型的问题， 而对于后续分析、c a p p 和加工的需要还考虑得不够。智能化的结果也使得计算机更有人情味。 ( 3 ) 集成化 集成化是当今c a d 技术发展的又一大趋势。c a d 技术不是孤立的。首先，它集成了计算机软硬 件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术。同时，它又不断和c a m ( 计算机辅助 制造) 、c a p p ( 计算机辅助工艺流程规划) 以及m i s ( 管理信息系统) 、p u m ( 产品数据管理) 、m r p ( 制造 资源管理) 等系统相集成。由于h n e m e t 的发展，使得这些设想得以实现。如何构造在i n t e m e t 体系上的 c a d c a m 集成化系统将会是人们追踪的热点。特别是在全球经济一体化的背景下，并行工程、异地 设计制造等概念的发展和应用，基于网络、基于w e b 的防同设计制造系统大受青睐。现在己有一些 标准，如解决异构系统平台的。m 和x l m 3 d ，以及解决三维图形、图像在互联网一 ，传输共享的 v r m l 标准相继出台，已经为我们在互联网的构架下，建立协同设计和防同工作的环境打f 了基础。 ( 4 ) 可视化 可视化技术在c a d 中的应用是设计虚拟产品。虚拟产品是一种数字产品模型，它具有所代表的 对象所具有的各种性能和特征。这些虚拟产品在它投入生成以前己存在，具有明显的可视性。可进 行并行设计和分析，可与供应商、合作者交换信息，客户可进行评估并作出反应。虚拟产品的开发 需要的技术主要包括：产品建模技术、产品信息及其存储管理技术、计算机网络和通信技术。c a d 虚 拟环境使设计者处在自己想象的设计空间，亲临现场似地对产品和工程进行设计和布置，这样能够 充分发挥设计者的聪明智慧，使设计进行的尽善尽美。可视化研究的关键技术问题是：f a ) 可视化理论 模型的建模方法；( b ) 可视化并行处理和分布式处理的方法；( c ) 可视化智能辅助技术；( d ) 建立基于规则 的n 维虚拟环境的可视化系统；( e ) 可视化网络环境等。 ( 5 ) 并行化 新一代c a d c a m 系统的核心是“并行产品设计新技术环境( c o n c u r r e n t a r t t o p m d u c t e n v 的n m e n i ，c a p e ) ，c a p e 的定义是在计算机网络环境内对产品开发的整个设计和管理过程进行描 述建模，强调并行工程和面向制造，采j = | j p d m ( 产品数据管理) 技术，从软件结构、产品数据、面向 目标的开发技术、产品建模和智能设计、质量控制等方面有所突破，为实现并行1 二程提供更完美的 环境。在实施中，p d m 致力丁处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，将工程设计、制造、生 产、后勤、计划等信息连成一体。生产中各部门产生的数据，都能用p d m 进行控制。 ( 6 ) 网络化 随着计算机网络的b 速发展，计算机辅助 殳计系统的网络化己经是不可阻挡的历史潮流。网络 化可以充分发挥系统的总体优势，共享昂贵的设备，节省投资。借助现有的网络，用户可以用高性 4 第一章概述 能的p c 机代替昂贵的工作站，不同设计人员可以在网络上方便的进行交流，这种交流可以理解为是 一种全球性的交流。只需企业的网络与i n t e m e t 相连，这样与世界上任何一个角落上的人员的交流与 隔壁办公室人员的交流几乎一样方便。 1 2 4 我国蜗形凸轮转位机构c a d 系统的开发状况 国内目前对于蜗形凸轮转位机构c a d 系统的开发研究的不多。大多是对蜗形凸轮机构本身进行 研究，如蜗形凸轮设计及应用、蜗形凸轮轮廓面数学模型建立、蜗形凸轮压力角精确求解、蜗形凸 轮优化设计等，在c a d 上，也是主要研究如何用c a d 软件对复杂蜗形凸轮进行绘制或建立模型， 几乎很少对c a d 系统进行研究。西北轻t 业学院开发出问歇转位凸轮传动装置c a d ，c a m 软件包， 主要用丁二平行分度凸轮机构、圆柱分度凸轮机构、蜗形凸轮分度机构三大系列凸轮间歇转位或间歇 步进传动装置的设计和制造，电可用于其它凸轮机构的设计和制造。该软件以包络理论、优化设计、 有限元为理论基础，进行上述三种凸轮装置机构结构及运动特性，使这些机构达到最佳的运动和动 力学性能，并利用当前最先进的c a d 忙a m 开发软件，建立参数工程图库，c a p p 专家系统等。陕 西科技大学开发的高速高精度间歇转位凸轮机构传动装置c a d 忙a m 软件是应用于平行凸轮分度机 构传动装置、圆柱凸轮分度机构传动装置和蜗形凸轮分度机构传动装置这三种传动装置的设计和制 造，该软什包含所需工程数据库和参数化例库，可进行运动规律的选择和优化、机构设计和结构设 计、参数化绘阁和丁程图纸输出、凸轮曲线和曲面分析、凸轮数控加工自动编程以及与数控设备通 讯等。软件可在c a d 工作站上使用，也司在c a d 个人微机系统使用。东南大学电光源研究中心也 进行了蜗形凸轮转位机构c a d 系统的研究。以v c + 十为开发语言，结合专家系统和优化设计，根据 己知的原始数据对机构进行设计、计算和分析，然后以a u l o l l s p 为开发工具，在a u t o c a d 环境下 建立机构的零件和标准件的图形库，在其基础上白动生成机构的平面装配图。总之，国内目前很少 对蜗形凸轮转位机构c a d 系统进行全面系统的研究。 1 3 论文概述 1 。3 1 选题目的及意义 蜗形凸轮机构设计是根据设备的生产工艺、生产率、受力大小等因素进行的，通过运动、动力、 强度的计算以及机构总体结构尺寸的仙调，得出机构的总体和各个零部件的尺寸。 设计人员进行手工设计时，需要进行大量的计算、查图、查表和数据处理等烦杂工作，需要查 阅人量的设计手册。在进行绘图时，大部分时间花费在人工交互作图上，无力于其他较为创新的设 计任务。所以开发一个蜗形凸轮转位机构c a d 系统是必要且宴用的。 随着计算机技术的发展，c a d 技术已从二维c a d 技术发展到参数化技术和变量化技术为主流 的三维c a d 技术阶段。当今产品开发要求提高，c a d ，c a m c a e 集成化要求提高，很多企业引进 了高性能参数化设计软件如p m ，e n 叠i n e e r 、u g 、c a t i a 等。但是绝大部分企业仅仅是利用这些软件 进行三维实体造型，如果有效利用这些软件，需要做一些符合本企业实际情况的功能扩展，做或多 或少的，二次开发。 目前，二维绘图软件如a u i oc a d 的二次开发非常广泛而且比较成熟，二维参数化软件的二次 开发相对较少且处于快速发展阶段。在p r o 厄n g i r i e e r 的二次开发上，目前人部分集中于使用 p r 0 p r o g r a m 工具结合数据库技术进行零件的自动设计和零件库的建立、管理和检索。对于 p r o ，r 0 0 l k i t 的二次开发j | j | j 非常的少，主要是p r o 仃o o l k i t 程序设计技术比较复杂，这方面的资 料很少，开发者主要参照p r 0 ，t o o l k l t 提供的开发帮助文档。国内目前出版的较全面的著作是李世 国的p r o ，r o o l k i t 程序没计和张继春的p r o ，巨n g 腿e r 二次开发实用技术，这两本文献较全 面研究了p r o 厂r 0 0 l k l t 程序设计的关键技术和步骤。但是在二次开发中，必须要将产品设计理论、 特征参数化设计技术、数据库技术和p r o ，r o o l k i t 程序设计技术有效组合起来才能开发出用于产品 设计的c a d 系统。所咀开发人员还要做很多的研究。 本论文采片jp r 0 ，e n g i n e e r 软件系统，利用v i s u a lc 十十6 0 开发工具和p r o ，e n g i l l e e r 开发工具包 p r o 厂r 0 0 l k i t 对蜗形凸轮机构c a d 系统进行二次开发，提高了设计效率和质量。鉴于蜗形凸轮转 位机构的设计特点、p r o 甩n 弹n e e r 等参数化设计软件日益蓬勃的应用、目前蜗形凸轮转位机构c a d 东南大学硕士学位论文 系统和p m ，r o o l k i t 二次开发状况，所以本课题具有很重要的现实意义和研究价值。 ， 1 3 2 论文的主要工作 本论文的主要工作任务有： 1 机构运动和受力分析计算，机构精度分析和设计 对机构进行受力分析和计算，对机构的几个薄弱件进行强度校核，、对机构进行优化设计。研究 几种典型的蜗形凸轮曲线运动规律并对它们进行比较和选择。研究形成机构误差的各个因素，并计 算误差，最后进行误差合成，得出转盘总误差。 2 ，对机构中主要零件进行参数化设计与建模 、 分析蜗形凸轮转位机构的设计流程，对机构中主要零件的各个尺寸进行分类以确定不同的尺寸 的设计方式。对各主要零件的结构进行分析，提取各主要零件的结构形状与特征，在p r o ，e 雌i n e e r 中 建立三维实体模板模型，为零件的自动设计做准备。对于对于标准件，建立标准件库，在设计时可 以方便选择合适的标准什。最后，对零件进行装配。 3 确定系统的开发方案和系统结构 根据蜗形凸轮转位机构的设计内容和要求，确定系统的开发方案，确定系统的结构，进行模块 划分，构建系统的运行流程，选择系统开发的软硬件开发环境。 4 基于p r 0 厂r o o l k i t ，利用v c + 斗6 ，0 为开发工具的p r o ，e n g i n e e r 二次开发技术的研究 研究p r 0 e r i g i n e e r 软件的工作机制，掌握其二次开发模块p r o ，陶o l k r r ，研究在p r 0 ，e n g i n e e f 中加 载p r 0 厂r d o l k t t 用户程序的方法和p r 0 ，r d o l t 二次开发基本步骤，同步模式下用户界面设计方法 及与p m ，e n g i n e e r 的通信方法等。 5 研究基于三维模型的参数化程序设计方法 研究基于三维模型的参数化程序设计方法主要步骤，研究其参数化程序设计方法，以实现凸轮 转位机构零件的自动设计。 6 第二章蜗形凸轮转位机构的设计 第二章蜗形凸轮转位机构的设计 2 1 蜗形凸轮转位机构的结构设计 2 1 1 蜗形凸轮转位机构结构介绍 、 蜗形凸轮转位机构的结构如图1 2 所示，其零件分为1 f 标准件和标准件，主要零件分类如卞图2 1 所示： ，转位盘 、 接套 立柱 非标准件( 转盘 滚子 调整套 7 主要零件(矗磊村套 ，轴承 i7 摇 、标准件 篡 垫圈 销 图2 一l 蜗形凸轮转位机构的零件分类 现对转位盘、立柱、转搞、滚子、接套、上下衬套、调整套作简要介绍。 ( 1 ) 转位盘：转位盘周围分布着滚子，其数目等于蜗形凸轮转位机构的工位数，蜗形凸轮通过滚 子驱动转位盘绕着立柱转动，并且通过接套和键驱动转盘的转动。 转位盘的滚子孔分布精度直接影响着机构的转位精度，其转动惯量的大小影响着机构的运动特 性。在负载定的条件下，滚子孔分度圆直径越大则由凸轮作用于滚子的力可以相应减少，滚子 表面的接触应力也相应减小，滚子磨损减小，寿命增加，但是滚子孔分度圆直径越大，则重量越大， 惯性越大，这样动态性能就不好。本论文中，利爿j 优化方法来确定晟适合的分度圆直径尺寸。 ( 2 ) 立柱：立柱起着整个转位机构转动轴心的作用，几何精度要求高。立柱的设计和加工质量对 转饨机构的最终工作精度有着重要影响。中心立柱通常采用空心结构以减轻重量。 ( 3 ) 转盘：是安装夹头的零件。转盘的直径一般较火，为减轻重量，转盘通常采用轮辐式结构， 并且用肋进行支撑。转盘的直径由工位数及执行机构的大小所决定。 ( 4 ) 滚子：常见的滚子是圆柱滚子和圆锥滚子。圆锥滚子与凸轮的接触性能好，磨损慢，易于调 整滚。f 与蜗形凸轮接触面之闾的阅隙，所以圆锥滚子获得广泛的应用。 圆锥滚子锥度必须与凸轮的槽面锥度一致，一般在1 5 1 8 度左右，锥角的顶点应在蜗形凸轮轴的 轴线上，其结构一般为滚套式。 ( 5 ) 接套：接套目的是传递转位盘到转盘的力矩，它通过螺钉和转位盘连接，并且通过键将力矩 传送到转盘上，接套绕着中心立柱转动。 ( 6 ) 上下衬套：上下衬套嵌在接套的孔内，和接套为过盈配合，产生磨损时只要更换上下衬套即 可。 ( 7 ) 调整套：目的是调整转盘的高度，并支撑转盘。 2 1 2 蜗形凸轮转位机构的设计步骤 蜗形凸轮转位机构的设计遵循一定的步骤和方法。根据用户提出设计要求和初始没计数据，进 行各个零件的结构设计，其设计步骤将在第三章结合参数化设计与建模进行详细介绍。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 蜗形凸轮转位机构的受力分析 2 2 1 高速传动对蜗形凸轮的要求 为了保订f 周期性、准确性地宜现步进，高速传动对蜗形n 轮分度机构提出r 下列要求： ( 1 ) 运动半稳 在尽可能矩的蜗形凸轮转位时间内转位盘转位庸甲稳，冲击和振动应限制在所要求的最小范围 山。 蜗形凸轮轮廓皓线或加速度的变化规律，直接影响娲形凸轮的轮庸形状和上作性能。冈而所选 择的运动规律必须保诅1 分度机构在运动过程中，不产生刚性冲击，尤其在转位开始和转位终i 卜时刻， 速度应保证为零，加速度的变化应保证不引起惯性力在数值和方向上的突然改变， 加速度的变化和最人加速度值，直接影响惯性力的变化，同时由丁问隙和弹性变形，也将引起 机构冲击载荷系数显著增加。 冲击载荷通常用冲击系数来表示； 酶= 二女 m 口： 式中 敝_ 负载的冲击系数； 只。一惯性力( ) ； 口从动件的最大加速度( 舶7 ) ； m 鼠动系统的质量。 当加速度仅数值变化时，可近似取j 弓f 2 ；当加速度的数值和方向均发生改变时，呵近似取3 。 加速度的变化。不仅导致冲击载荷增大，而且也是机构激发振动的原因。 f 2 ) 寿命长 从动机构的零件应具有较高的耐磨性。为了满足这个要求，不仅需要选用硬度较大和耐磨性较 好的材料，同时应使工作中的负荷减轻，减少惯性力和惯性力矩从而减少传动系统的振动利冲击， 改进系统的工作性能，提高机构寿命。 在传动过程中，影响机械动力特性的另一个因索是轮廓曲面接触处的压力角，即凸轮作用于从 动件的压山方向和压力作用点的加速度方向之问的夹角。压力角直接影响凸轮机构的负荷。妪力角 过小，当基圆半径和转位角一定时，将影响凸轮刀程，当川程定时，叉会降低机器的生产效率。 压力角过大，将使负荷增大，因此应综合均衡、台理选择压力角。 当选择运动规律时，应尽量控制和减小冲_ 击载荷的产生，冲击载荷人就会加速机件的磨损；冲 击载荷小就能减轻磨损，从而使机器的使j = j 寿命延长。 f 3 ) 分度精确 在高速运动中，转枯的转位和精确停位是相当重要的，尤其拦自动机，夹头的停位如果不准， 将导致执行机构无法正常工作。 由此可见，凸轮曲线是直接影响凸轮机构的- 吐能和寿命的。不同运动规律曲线，其位移、速度、 加速度也是小一样的+ 由此也就产生了不同的冲击载荷和惯性力。只有正确地选择蜗形凸轮轮廓曲 线运动规律，才能满足高速运动要求。 2 2 2 蜗形凸轮转位机构的受力分析和计算 ， 蜗形凸轮转位机构中，电动机通过传动系统驱动蜗形凸轮旋转，蜗形凸轮推动滚子，从而推动 转位盘转动。 设凸轮槽而的半锥角为口，则凸轮槽面对滚f 的压力只町分解为垂直方向上的轴向力只和水 平力向力f ，而f 又可分解为切向力f ，径向力f r ，其中切阳力只推动转位盘的转动。其力在正 j ! ! i l 方向和俯视方向的表达和分解分别用图2 2 年u2 3 表示，图2 4 表示在立体上力的分解。 r 第二章蜗形凸轮转位机构的设计 图2 2 蜗形凸轮和滚子受力正视图图2 3 蜗形n 轮和滚子受力俯视图 f _ a 根据力计算，可得出 e = 只s i n 口 f = 只c o s a ftf _ 7 图2 1 4 力分解图 f _ r ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) f 再分解为e 和只，只和e 的关系则和凸轮运动曲线有关。 假如运动规律为余弦曲线，则从动什( 转位盘) 的瞬时升程矗= o 5 h ( 1 一c o s ( 刀艿瓯) ) ( 见2 2 3 ) ， 将曲线展开，其长度如= 加，( 瓯3 6 0 。) ( d ，为凸轮直径) ，对应凸轮的瞬时转位角j 长度设为 f ( o 棚6 确_ 0 5 踯删驯f 0 ) 线斜率为等= 筹s i n f 与 曲线垂直，所以有 墨：丝：堕s i n 翌) 一= s l n ( 2 一j ， f r 援2 az o 、j 运动规律为余弦曲线，则从动件( 转位盘) 的瞬时加速度n 为 口：掣c o s 堕( 见2 五) 2 6 ：6 n ， 则转位机构转动部分的角加速度口= 口“d 2 ) ( d 为转位盘直径) 。 一设支承转位机构转动部分的滚动轴承直径为d ，转动部分( 转位盘，接套和转盘) 质量为m ， 轴承摩擦系数为叩，转动部分相对其转动轴线的转动惯量为l ，则有 z d 2 一明彩吁2 = 如口 ( 2 4 ) 由于转位机构转动部分各零件形状较为复杂，所以其质量聊和相对其转动轴线的转动惯量， 不容易计算出来，实际计算中必须将零什进行简化。但是在本c a d 系统中，由于p r o ，e n g i n e e r 提供 9 、 东南大学硕+ 学位论文 了这样的计算功能，所以能很容易地计算出这两个值。 从上式可得出f 值，从而得出p 、e 、e 的值，为各零件的强度校核、优化设计提供依据。 由上看出，蜗形凸轮曲线运动觌律影响到机构的动力特性，所以在2 ，2 4 将研究几种典型的曲线 运动规律。 2 2 3 零件强度校核和优化设计 零件设计完成后，通常需要对其强度、刚度、稳定性进行校核。对于本机构的零件设计，在刚 度和稳定性上不存在问题，所以需要对几个薄弱件进行强度校核。 为了使蜗形凸轮机构的结构吏紧凑、尺寸设计更台理、性能更优异，通常需要对机构进行优化 设计。进行优化设计，首先应该根据实际要求选择目标函数。目标函数是设计要求的某种性能指标 的解析表达式。通常，设计所要求的性能指标较多，这时应该以其中最重要的指标为设计目标，建 立目标函数。设计变量是能影响目标函数，即影响设计质量或结果的可变参数，但是将所有能够影 响目标函数值的参数都作为设计变量，不但会使问题复杂化，而且也没有这个必耍。因此，应该对 影响目标函数的所有参数进行分析、比较，从中选择对目标函数有显著影响并且能够直接控制的独 立参数作为设计变量，其他的参数贝0 作为常量处理。设计约束是对设计变量取值范围的限制条件。 设计时从要求出发，确定那些必要的而且能用设计变量约束为约束条件。 在选择约束优化设计方法时，一般应该考虑到以下几个方面的问题： ( 1 ) 优化设计问题的规模，即设计变量数和约束条件数的多少；目标函数和约束函数的非线形程 度、函数的连续性以及函数数值计算方法。 ( 2 ) 计算的复杂程度。 ( 3 ) 方法的收敛速度、计算精度及其稳定性；编制程序和计算机执行这个程序所用的时间以及程 序的通用性、使用的简便性和可靠性。 对于一项优化设汁，选择方法首先应考虑到编制这个方法的程序所花赞的代价，以及能从优化 设计中取得多少经济效益。其次在选用方法时，优化方法的计算效率也是我们考虑的主要因素。方 法的可靠性和解的精确性也是在选择方法时要考虑的。 1 平键强度校核 接套通过平键推动转盘转动，设平键高 。长，、宽6 ，平键槽深度约为平键高度的一半，转盘 绕中心轴转动惯量为j z 尸，平键离中心轴距离为5 ，平键挤压应力为瓯，许用挤压应力为【氏 ， 剪切应力为f ，许用剪切应力为 f 】，则有： 。向。 d h 。= f 叠= t ，z p 口州( 2 5 ) z 蕊= 昙f( 2 1 6 ) 计算出氏、f ，如果瓯c 【氏 且f c f 】，则平键强度合格，否则重新选择平键。 接套绕中心轴的转动惯量分别为易，接套所受的扭矩为m 月，扭转截面系数睨 为也，接套内径为d ，接套所受的最大切应力为f 一，许用切应力为【f 则有 2 鲁2 苏苓m 】 如果r 。 o 边界条件 1 ， 第二章蜗形凸轮转位机构的设计